מציאות מדומה בין ניסויים פיסיולוגיים
Summary
מציאות וירטואלית (VR) ניסויים יכול להיות קשה ליישם, דורש תכנון קפדני. פרוטוקול זה מתאר שיטה לצורך העיצוב והיישום של ניסויים VR שאוספות נתונים פיזיולוגיים ממשתתפים אנושי. הניסויים במסגרת סביבות וירטואליות (ערב) הוא מועסק כדי להאיץ תהליך זה.
Abstract
מציאות וירטואלית (VR) ניסויים מועסקים יותר ויותר בגלל תוקפם פנימיים וחיצוניים בהשוואה בעולם האמיתי תצפיות וניסויים מעבדה, בהתאמה. VR שימושית במיוחד עבור פריטים חזותיים הגיאוגרפי וחקירת מקרים של התנהגות מרחבית. במחקר התנהגות מרחבית, VR מספק פלטפורמה ללמוד את הקשר בין ניווט פיסיולוגיים (למשל., העור מוליכות, קצב הלב, לחץ דם). באופן ספציפי, פיסיולוגיים לאפשר לחוקרים שיעסוק הרומן ואילוצים התאוריות הקודמות של יכולות מרחביות, אסטרטגיות וביצועים. לדוגמה, הבדלים בביצועים הניווט יכול להיות מוסבר על ידי במידה שבה לשינויים עוררות לתווך את ההשפעות של פעילות קושי. עם זאת, המורכבות, לצורך העיצוב והיישום של ניסויים VR ניתן להסיח את הדעת ניסויים של מטרות המחקר העיקרי שלהם, להציג את אי סדרים לאיסוף וניתוח הנתונים. לטפל באתגרים אלה, הניסויים בוירטואלי סביבות (ערב) מסגרת כוללת מודולים סטנדרטיים כגון משתתף אימון עם הפקד ממשק, איסוף נתונים באמצעות שאלונים, הסינכרון של פיזיולוגית מדידות, אחסון נתונים. איב מספק גם את התשתית הדרושות עבור ניהול נתונים, ויזואליזציה ופתוח הערכה. המאמר הנוכחי מתאר פרוטוקול מעסיקה במסגרת ערב כדי לערוך ניסויים הניווט ב- VR עם חיישנים פיזיולוגיים. הפרוטוקול מפרט את השלבים הנחוצים עבור גיוס משתתפים, הצמדת החיישנים פיזיולוגיים, ניהול הניסוי באמצעות ערב ולאחר הערכת הנתונים שנאספו עם כלי הערכה איב. בסך הכל, פרוטוקול זה יקל למחקר עתידי על-ידי ייעול לצורך העיצוב והיישום של ניסויים VR עם חיישנים פיזיולוגיים.
Introduction
הבנה כיצד לנווט יחידים יש השלכות חשובות על מספר שדות, כולל מדעים קוגניטיביים1,2,3,4,מדעי המוח5ו מדעי המחשב6 , 7. הניווט נחקר בסביבות ריאלים. אחד היתרונות של ניסויים בעולם האמיתי היא הניווט אינה דורשת את תיווכו של ממשק שליטה ובכך עשויה לייצר התנהגות מרחבית יותר מציאותי. לעומת זאת, מציאות וירטואלית (VR) ניסויים מאפשר מדידה מדויקת יותר של התנהגות (למשל., מסלולי הליכה) ופיזיולוגיים (למשל., קצב הלב) נתונים, וכן לשלוט יותר נסיוני (כלומר. פנימי תוקף). בתורו, גישה זו עלולה להביא פירושים פשוטים יותר של נתונים ותיאוריות ובכך עמידים יותר של ניווט. בנוסף, מדעי המוח יכולים להפיק תועלת VR כי החוקרים לחקור את ה”מפה עצבית של ניווט בזמן המשתתפים עוסקים בתוך הסביבה הוירטואלית אבל לא יכול להזיז פיזית. עבור מדעני מחשב, מחייב ניווט ב- VR פיתוחים ייחודיים בעיבוד כוח, זיכרון, גרפיקה ממוחשבת על מנת להבטיח חוויה מקיפה. ממצאי ניסויים VR ניתן להחיל גם בנושאי אדריכלות, קרטוגרפיה ביידוע העיצוב של הבניין פריסות8 ו מפת תכונות9 כדי להקל על הניווט בעולם האמיתי. לאחרונה, ההתקדמות בטכנולוגיית VR בשילוב עם ירידה דרמטית עלותו הובילו לעלייה במספר מעבדות העסקת VR עבור עיצובים ניסיוניים שלהם. בשל הפופולריות הגוברת הזו, חוקרים צריך לשקול כיצד לייעל את המימוש של יישומים VR, לתקנן את זרימת העבודה של הניסוי. גישה זו משמרת למשאבי עזרה מיישום לפיתוח התיאוריה ולהרחיב את היכולות הקיימות של VR.
VR setups שיכול לנוע בין יותר פחות מציאותי מבחינת הצגת ופקדים. כיוונוני VR מציאותית יותר נוטים לדרוש תשתית נוספים כגון רווחים גדולים מעקב ו ברזולוציה גבוהה מציג10. מערכות אלה לעתים קרובות להעסיק אלגוריתמים המנותבות מחדש הליכה על מנת להזריק סבבים מורגש, תרגומים משוב חזותי הניתנים למשתמשי ולהגדיל באופן יעיל הסביבה הוירטואלית שדרכו המשתתפים ניתן להעביר11 , 12. אלגוריתמים אלה יכולים להיות מוכללת בכי הם אינם דורשים ידיעת מבנה הסביבה13 או ניבוי כי הם מניחים נתיבים מסוים עבור המשתמש14. אמנם רוב המחקרים על הליכה שנותבו מחדש השתמש מציגה בניינ הראש (HMDs), יש חוקרים להעסיק גירסה של טכניקה זו עם הליכה-in-place כחלק מערכת הקרנה גדולים (למשל., מערות)15. בעוד HMDs יכול להתבצע על ראשו של המשתתף, צגים מערת נוטים לספק16,אופקי שדה ראייה רחב יותר17. עם זאת, פחות תשתית נדרשת עבור מערכות VR באמצעות הצגת שולחן העבודה18,19. מחקר neuroscientific העסיקה גם מערכות VR בשילוב עם דימות תהודה מגנטי תפקודי (fMRI) במהלך סריקה20, בשילוב עם fMRI לאחר סריקה21,22, בשילוב עם אלקטרואנצפלוגרם (EEG) במהלך ההקלטה23,24. מסגרות תוכנה נדרשים על מנת לתאם את מגוון תצוגות של פקדים משמשים למחקר הניווט.
מחקר זה משלבת VR נתונים פיזיולוגיים מציב אתגרים נוספים כגון רכישת נתונים וסינכרון. עם זאת, נתונים פיזיולוגיים מאפשר החקירות של תהליכים מרומז יכול לתווך את הקשר בין ניווט פוטנציאליים והתנהגות מרחבית. ואכן, הקשר בין מתח ניווט נחקרה VR בשולחן העבודה באמצעות שילוב של חיישני פיזיולוגיים שונים (כלומר., קצב הלב, לחץ הדם, מוליכות עור, קורטיזול הרוק ו אלפא-עמילאז)25 , 26 , 27 , 28. לדוגמה, ואן Gerven ועמיתיו29 חקר את ההשפעה של הלחץ על ניווט אסטרטגיה וביצועים באמצעות גירסה מציאות מדומה של פעילות מבוך המים מוריס, מספר פיסיולוגיים (למשל– עור מוליכות, קצב הלב, לחץ דם). התוצאות שלהם חשף כי הלחץ חזה ניווט אסטרטגיה במונחים של שימוש ציון (כלומר., אגוצנטרי לעומת allocentric) אבל לא היה קשור ניווט ביצועים. באופן כללי, ממצאים ממחקרים קודמים אינם עקביים למדי לגבי השפעת הלחץ על הניווט ביצועים וזיכרון מרחבי. דפוס זה ניתן לייחס ההפרדה של הלחץ (למשל., הליך pressor קר26, כוכב מראה המעקב אחר פעילות25) מהפעילות ניווט בפועל, השימוש פשוט מבוך בסביבות וירטואליות ( למשל., המים מוריס וירטואלי מבוך26, הזרוע החישור וירטואלי מבוך28), הבדלים מתודולוגיים פרטים (למשל., סוג הלחץ, סוג של נתונים פיזיולוגיים). ההבדלים בתבנית של נתונים פיזיולוגיים שנאספו ניתן גם בעייתי עבור יישום והטמעה אנליזה של מחקרים כאלה.
הניסויים במסגרת ניסויים וירטואליים (ערב) מקלה על עיצוב, יישום, וניתוח ניסויים VR, במיוחד אלה עם התקנים היקפיים נוספים (למשל., עין עוקבים, התקני פיזיולוגיים)30. במסגרת ערב זמינה בחופשיות כפרוייקט קוד פתוח על GitHub (https://cog-ethz.github.io/EVE/). מסגרת זו מבוססת על הפופולרי אחדות 3D מנוע המשחק (https://unity3d.com/), מערכת ניהול מסד הנתונים MySQL (https://www.mysql.com/). חוקרים יכולים להשתמש במסגרת ערב על מנת להכין את השלבים השונים של ניסוי VR, כולל קדם ולימודים פוסט-שאלונים, למדידות בסיסית עבור נתונים פיזיולוגיים, אימון עם ממשק שליטה, הפעילות הניווט הראשי, ו בדיקות לזיכרון המרחבי של הסביבה navigated (למשל., פסקי הדין של ימין ושמאל). ניסויים ניתן גם לשלוט הסינכרון של נתונים ממקורות שונים, ברמות שונות של מצבור (למשל., דרך ניסויים, בלוקים או מפגשים). מקורות הנתונים עשוי להיות פיזי (כלומר. המחוברות למשתמש; ראה טבלה של חומרים) או וירטואלי (כלומר., תלויים אינטראקציות בין גלגול של המשתתף לסביבה וירטואלית). לדוגמה, ניסוי עשוי לדרוש הקלטה קצב הלב ואת העמדה/כיוון מהמשתתף כאשר גלגול המשתתף באותו עוברת דרך אזור מסוים של הסביבה הוירטואלית. כל המידע הזה באופן אוטומטי מאוחסנים במסד נתונים MySQL, הערכה עם פונקציות replay ו R חבילת evertools (https://github.com/cog-ethz/evertools/). Evertools מספק פונקציות ייצוא, סטטיסטיקה תיאורית בסיסי, וכלים לאבחון עבור הפצות של נתונים.
ניתן לפרוס את המסגרת ערב עם מגוון רחב של תשתיות פיסיות ומערכות VR. בפרוטוקול הנוכחי, אנו מתארים יישום מסוים אחד-NeuroLab-ETH ציריך (איור 1). NeuroLab הוא 12 מ’ על ידי חדר 6 מ’ המכיל חדר מבודד לביצוע EEG ניסויים, תא המכיל מערכת VR (2.6 מ’ x 2.0 מ’), וכן אזור ובעמדי לצירוף חיישנים פיזיולוגיים. המערכת VR כוללת 55″ הגדרה גבוהה במיוחד הטלוויזיה צג, מחשב high-end למשחקים, ממשק שליטה בג’ויסטיק וחיישני מספר פיזיולוגיים (ראה טבלה של חומרים). בסעיפים הבאים, אנו מתארים הפרוטוקול עבור ביצוע ניסוי הניווט ב- NeuroLab באמצעות מסגרת איב, חיישנים פיזיולוגיים, נוכח נציג תוצאות מחקר אחד על מתח וניווט ולדון את ההזדמנויות ואתגרים הקשורים במערכת זו.
Protocol
Representative Results
Discussion
בתוך המאמר הנוכחי, אנו המתואר עבור ניסויים ב- VR עם התקנים פיזיולוגית באמצעות המסגרת איב פרוטוקול. סוגים אלה של ניסויים הם ייחודיים בגלל שיקולים חומרה נוספת (למשל., פיזיולוגיים מכשירים וציוד היקפי אחר), שלבי ההכנה לאיסוף נתונים פיזיולוגיים באמצעות VR ודרישות ניהול הנתונים. בפרוטוקול הנ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
הסביבה הוירטואלית בחביבות סופק על ידי VIS משחקים (http://www.vis-games.de) כדי לערוך מחקר במציאות וירטואלית.
Materials
| Alienware Area 51 Base | Dell | 210-ADHC | Computation |
| 138cm 4K Ultra-HD LED-TV | Samsung | UE55JU6470U | Display |
| SureSigns VS2+ | Philips Healthcare | 863278 | Blood Pressure |
| PowerLab 8/35 | AD Instruments | PL3508 | Skin Conductance |
| PowerLab 26T (LTS) | AD Instruments | ML4856 | Heart Rate |
| Extreme 3D Pro Joystick | Logitech | 963290-0403 | HID |
Referências
- Gallistel, C. R. . The Organization of Learning. , (1990).
- Waller, D., Nadel, L. . Handbook of Spatial Cognition. , (2013).
- Denis, M. . Space and Spatial Cognition: A Multidisciplinary Perspective. , (2017).
- Epstein, R. A., Patai, E. Z., Julian, J. B., Spiers, H. J. The cognitive map in humans: spatial navigation and beyond. Nature Neuroscience. 20, 1504 (2017).
- O’Keefe, J., Nadel, L. . The Hippocampus as a Cognitive Map. , (1978).
- Kuipers, B. J. Modelling spatial knowledge. Cognitive Science. 2, 129-153 (1978).
- Heppenstall, A. J., Crooks, A. T., See, L. M., Batty, M. . Agent-Based Models of Geographical Systems. , (2012).
- Kuliga, S. F., Thrash, T., Dalton, R. C., Hölscher, C. Virtual reality as an empirical research tool – Exploring user experience in a real building and a corresponding virtual model. Computers, Environment and Urban Systems. 54, 363-375 (2015).
- Credé, S., Fabrikant, S. I. Let’s Put the Skyscrapers on the Display-Decoupling Spatial Learning from Working Memory. Proceedings of Workshops and Posters at the 13th International Conference on Spatial Information Theory (COSIT 2017). , 163-170 (2018).
- Hodgson, E., Bachmann, E. R., Vincent, D., Zmuda, M., Waller, D., Calusdian, J. WeaVR: a self-contained and wearable immersive virtual environment simulation system). Behavior Research Methods. 47 (1), 296-307 (2015).
- Nilsson, N., et al. 15 Years of Research on Redirected Walking in Immersive Virtual Environments. IEEE Computer Graphics and Applications. , 1-19 (2018).
- Razzaque, S., Kohn, Z., Whitton, M. C. Redirected walking. Proceedings of EUROGRAPHICS. , 105-106 (2001).
- Hodgson, E., Bachmann, E. Comparing Four Approaches to Generalized Redirected Walking: Simulation and Live User Data. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. 19 (4), 634-643 (2013).
- Nescher, T., Huang, Y. -. Y., Kunz, A. Planning redirection techniques for optimal free walking experience using model predictive control. 2014 IEEE Symposium on 3D User Interfaces (3DUI). , 111-118 (2014).
- Razzaque, S., Swapp, D., Slater, M., Whitton, M. C., Steed, A. Redirected walking in place. Eurographics workshop on virtual environments. , 123-130 (2002).
- Meilinger, T., Knauff, M., Bulthoff, H. Working Memory in Wayfinding-A Dual Task Experiment in a Virtual City. Cognitive Science: A Multidisciplinary Journal. 32 (4), 755-770 (2008).
- Grübel, J., Thrash, T., Hölscher, C., Schinazi, V. R. Evaluation of a conceptual framework for predicting navigation performance in virtual reality. PLOS ONE. 12 (9), 0184682 (2017).
- Weisberg, S. M., Schinazi, V. R., Newcombe, N. S., Shipley, T. F., Epstein, R. A. Variations in Cognitive Maps: Understanding Individual Differences in Navigation. Journal of experimental psychology. Learning, memory, and cognition. , (2014).
- Wiener, J. M., Hölscher, C., Büchner, S., Konieczny, L. Gaze behaviour during space perception and spatial decision making. Psychological research. 76 (6), 713-729 (2012).
- Hassabis, D., Chu, C., Rees, G., Weiskopf, N., Molyneux, P. D., Maguire, E. A. Decoding Neuronal Ensembles in the Human Hippocampus. Current Biology. 19 (7), 546-554 (2009).
- Maguire, E. A., Nannery, R., Spiers, H. J. Navigation around London by a taxi driver with bilateral hippocampal lesions. Brain. 129, 2894-2907 (2006).
- Marchette, S. A., Vass, L. K., Ryan, J., Epstein, R. A. Anchoring the neural compass: coding of local spatial reference frames in human medial parietal lobe. Nature neuroscience. 17 (11), 1598-1606 (2014).
- Vass, L. K., et al. Oscillations Go the Distance: Low-Frequency Human Hippocampal Oscillations Code Spatial Distance in the Absence of Sensory Cues during Teleportation. Neuron. 89 (6), 1180-1186 (2016).
- Sharma, G., Gramann, K., Chandra, S., Singh, V., Mittal, A. P. Brain connectivity during encoding and retrieval of spatial information: individual differences in navigation skills. Brain Informatics. 4 (3), (2017).
- Richardson, A. E., VanderKaay Tomasulo, M. M. Influence of acute stress on spatial tasks in humans. Physiology & Behavior. 103 (5), 459-466 (2011).
- Duncko, R., Cornwell, B., Cui, L., Merikangas, K. R., Grillon, C. Acute exposure to stress improves performance in trace eyeblink conditioning and spatial learning tasks in healthy men. Learning & memory (Cold Spring Harbor, N.Y.). 14 (5), 329-335 (2007).
- Klopp, C., Garcia, C., Schulman, A. H., Ward, C. P., Tartar, J. L. Acute social stress increases biochemical and self report markers of stress without altering spatial learning in humans. Neuro endocrinology letters. 33 (4), 425-430 (2012).
- Guenzel, F. M., Wolf, O. T., Schwabe, L. Sex differences in stress effects on response and spatial memory formation. Neurobiology of Learning and Memory. 109, 46-55 (2014).
- van Gerven, D. J. H., Ferguson, T., Skelton, R. W. Acute stress switches spatial navigation strategy from egocentric to allocentric in a virtual Morris water maze. Neurobiology of Learning and Memory. 132, 29-39 (2016).
- Grübel, J., Weibel, R., Jiang, M. H., Hölscher, C., Hackman, D. A., Schinazi, V. R. EVE: A Framework for Experiments in Virtual Environments. Spatial Cognition X: Lecture Notes in Artificial Intelligence. , 159-176 (2017).
- Hegarty, M., Richardson, A. E., Montello, D. R., Lovelace, K., Subbiah, I. Development of a self-report measure of environmental spatial ability. Intelligence. 30, 425-447 (2002).
- Ziegler, M. G. Psychological Stress and the Autonomic Nervous System. Primer on the Autonomic Nervous System. , 189-190 (2004).
- Michaelis, J. R., Rupp, M. A., Montalvo, F., McConnell, D. S., Smither, J. A. The Effect of Vigil Length on Stress and Cognitive Fatigue. Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting. 59 (1), 916-920 (2015).
- Helton, W. S. Validation of a Short Stress State Questionnaire. Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting. 48 (11), 1238-1242 (2004).
- Wolbers, T., Hegarty, M. What determines our navigational abilities. Trends in Cognitive Sciences. 14 (3), 138-146 (2010).
- Moussaïd, M., et al. Crowd behaviour during high-stress evacuations in an immersive virtual environment. Journal of The Royal Society Interface. 13 (122), (2016).
- . Lead positioning Available from: https://lifeinthefastlane.com/ecg-library/basics/lead-positioning/ (2017)
- Wilder, J. The law of initial value in neurology and psychiatry. The Journal of Nervous and Mental Disease. 125 (1), 73-86 (1957).
- Loomis, J., Knapp, J. Visual Perception of Egocentric Distance in Real and Virtual Environments. Virtual and Adaptive Environments. , 21-46 (2003).
- Richardson, A. R., Waller, D. The effect of feedback training on distance estimation in virtual environments. Applied Cognitive Psychology. 19 (8), 1089-1108 (2005).
- Klatzky, R. L., Loomis, J. M., Beall, A. C., Chance, S. S., Golledge, R. G. Spatial updating of self-position and orientation during real, imagined, and virtual locomotion. Psychological Science. 9, 293-298 (1998).
- Bakker, N. H., Werkhoven, P. J., Passenier, P. O. Calibrating Visual Path Integration in VEs. Presence: Teleoperators and Virtual Environments. 10 (2), 216-224 (2001).
- Thrash, T., et al. Evaluation of control interfaces for desktop virtual environments. Presence. 24 (4), (2015).
- Kinateder, M., Warren, W. H. Social Influence on Evacuation Behavior in Real and Virtual Environments. Frontiers in Robotics and AI. 3, 43 (2016).
- Loomis, J. M., Blascovich, J. J., Beall, A. C. Immersive virtual environment technology as basic research tool in psychology. Behavior Research Methods, Instruments & Computers. 31 (4), 557-564 (1999).
