フルイマージョン3次元バーチャルリアリティのに対して、ヒト恐怖条件付け

Summary

古典的な恐怖条件付けパラダイムが完全に没入型バーチャルリアリティ設定で人間の参加者のために適応されました。差別のパラダイムを使用して、条件性恐怖、キューと、コンテキストメモリの保持、および絶滅は2つの独立した仮想コンテキストの動的な仮想ヘビやクモ（条件刺激）に皮膚伝導反応を用いて測定した。

Abstract

恐怖条件付けは恐怖と不安の根底にある神経機構を調査する非ヒト動物の研究で広く使用されているパラダイムである。ヒトにおけるコンディショニングの研究を行う際の大きな課題は、強く条件情動行動に関連付けられている環境のコンテキストを操作したり、シミュレートする機能です。この点では、バーチャルリアリティ（VR）技術は、有望なツールです。まだ、実験的な制約を満たすために、この技術を適応させる特別な対応が必要になります。ここでは、完全に没入型6面VR環境と現在の恐怖条件付けのデータに恐怖条件付けを行う際に関係する方法論的問題に対処する。

現実の世界では、外傷性のイベントでは、我々の感覚モダリティのすべてを魅力的な、多くの手がかりで構成される複雑な環境で発生する。例えば、環境設定を形成する手がかりが視覚的な要素だけでなくが含まれていますが、聴覚、嗅覚、さらには触覚。恐怖条件付け動物の齧歯類の研究では完全に小説の視覚、触覚や嗅覚手がかりと豊富なコンテキストに浸漬されています。しかし、人間の恐怖条件付けの標準的な臨床検査は、通常、フラットまたは2次元のコンピュータ画面の前で何の変哲もない部屋で行われており、現実世界の経験の複雑さを複製しません。一方、（消火）恐怖を軽減し、不安障害の再発防止を目的とした臨床試験の主な制限は、参加者が制御されていないとほとんど知られていないコンテキストで恐怖を取得した後にその治療が発生です。したがって、実験者は、環境¹の曝露期間、刺激の真の性質、および関連するバックグラウンドのキューに関する情報がなく、放置されています。この情報がない場合にはそれが本当にキューおよびコンテキスト依存の両方である恐怖を消すために困難になる可能性があります。仮想現実環境では、現実世界の複雑さを提供することにより、これらの問題に対処すると同時に、実験者がより良い治療の選択肢と/を提案したり、機構仮説を分析することができます実証的データを得るために恐怖条件付けと絶滅のパラメータを制約することができます。

完全に没入型環境で実施するときに恐怖条件付けが豊かにエンコードして、コンテキスト固有の可能性がありますという仮説をテストするために、我々は、異なるバーチャルリアリティ、3次元の参加者が仮想ヘビやクモに恐怖条件付けを経験しているコンテキストを開発した。聴覚信号は、さらに配向させる反応と被験者²の"プレゼンス"の感覚を喚起するために、CSと同じ場所に発生。皮膚コンダクタンス反応は、恐怖の取得、メモリの保持と絶滅の依存尺度として役立った。

Protocol

A.刺激とタスク設計 1。一般的なデザイン。 我々は、2日間で恐怖の取得と記憶の保持に文脈の影響を検討した。この設計では、長期記憶の形成3と治療と再暴露の経験から時間的距離で学習された恐怖の中で実世界の偶発事象の神経生物学的統合プロセスのための口座その齧歯類の研究と並行してあります。動的な条件刺激（CS）（移動ヘビやクモが）デュークの没入型仮想環境（ダイブ）として知られ、完全に没入型仮想環境に遭遇した、と条件付きで電気手首の刺激の提示と対になっていた。差動の恐怖条件付けの手順は、恐怖の依存尺度として皮膚コンダクタンス反応（SCR）を使用して採用した。ここでは、条件性恐怖と26人の健康な男性と女性の参加者は、デューク大学の18〜30歳、古い時代のダイビングの二日間にわたってテストされ、その後の記憶保持を示しています。このプロトコルは、デューク大学のIRBの基準に準拠して承認されました。 2。参加者はダイビングに設定する。 DIVEは完全密閉型、六面、3メートル× 3mの× 3mの、バック投影バーチャルリアリティ（VR）環境です。 DIVEは、デューク大学の学際工学、医学および応用科学センターで特別に作られた30フィート立方体（コントロールルーム（VisRoom）、図1）に位置しています。上記のようなDIVEにおける恐怖条件付けを行った。 参加者は、頭が3 – Dメガネを追跡して前方に直面しているダイビングの中心に座っていた。参加者は、仮想ヘビやクモが検出された各学習フェーズにおいて、指定された環境を介して固定された"バーチャル散歩で撮影されています。これらの姿勢の制約が、高さの変動のためのアカウントをめまいを防ぐために行われた、との間の文脈と刺激暴露量の制御参加者、そして視覚的な表示が現実的なシナリオを通して、参加者の動きに従って、更新されたことを確認する。 3。差別コンディショニング手順。 差別の手続きが採用され、その内の1つの視覚的なCSのプレゼンテーションは、共同終端電気刺激、アクイジションフェーズ中に、無条件刺激（米国）で（40％の強化率）部分的に補強です。恐怖買収仮想ヘビにまたは仮想スパイダーへ：参加者は、2つの条件のいずれかに割り当てられていた。米国と対に強化刺激は、と呼ばれている"CS +一方、他の視覚的な刺激"CS -"コントロールとして明示的にペアになっていないです。CS +とCSが – された無作為に割り当てられ、グループ間で相殺。 4。条件刺激。 刺激は個々に4秒の期間中、ダイビングのフロントスクリーンの中央と中央に表示される動的なヘビやクモだった。この環境で小説刺激（ガラガラまたは叩く音、それぞれ）の存在する参加者を警告するためにヘビやクモの外観をシグナリング聴覚刺激との共同が発生しました。ヘビの広告のスパイダーと一緒に仮想シーンは、Mayaアニメーションソフトウェアを使用して作成し、ダイビングで見るためのVirtoolsのソフトウェア（Virtool SA、行動社、パリ、フランス）にインポートされました。 5。無条件刺激。 電気刺激は、グループの比較を容易にし、グループ4、5間の全体的な覚醒のレベル差の交絡の影響を排除するために、各被験者の許容範囲のレベルに応じて実験を開始する前に調整した。刺激のレベルは上昇階段の手順を使用して、"非常に迷惑なだけ苦痛ではないの自分の認識が各参加者によって選ばれた。電圧は、参加者が示されるまで、最初に30 Vの低レベルで設定し、5 V刻みで増加したこと、その許容範囲のレベルは、痛みを誘発することなく到達していた刺激（30-50 Hzで配信さ200ミリ秒の持続時間）はバイポーラの表面刺激電極（21 mmの電極間隔によって参加者の支配的な手首の正中神経を介して経皮投与した。グラス- TelefactorモデルFE 10S2、ウェストワーウィ​​ック、ロードアイランド）。電極のリード線は、ゴムのストラップで固定したとシールドや高周波フィルタを介して接地された同軸ケーブルのリード線を経由してグラス- Telefactor SD – 9刺激に添付された。生理食塩水ベースのゲル（シグマジェル：パーカー研究所、フェアフィールド、ニュージャージー州）（図2を参照）電解質導電体として使用された参加者はすべてのパルスが同じ強度で配信されるだろうと言われた。。 6。トレーニングフェーズ。 ここで説明する実験は、24時間の遅延を持つ2つのセッションで行われた。ファー中にtのセッションは、最初の馴化期間は3 – Dフルイマージョンの背景が灰色で表示が強化またはトレーニングまたはテストが発生した仮想世界なしで示される各CSのタイプの4試験から成っていた。このフェーズは、ダイブと条件刺激に対する応答を向けるの減少で、実験環境への順化のために使用できます。すぐに馴化フェーズの後に、恐怖のアクイジションフェーズは16で構成され、各CSの種類の試験を混ぜ、これにCS -は単独で提示し、16 CS +試験が補強されている5の。約24時間後、メモリの保持と絶滅の訓練のためのテストが発生しました。このフェーズでは、どちらかと同じか、恐怖の取得状況（参加者全体で相殺）と異なっていた仮想コンテキストでは、ない米国で、各CSのタイプの16試験から成っていた。一つのコンテキストには、屋内環境（家具付きアパートを、コンテキストの内部）と、他のコンテキストは、屋外環境（近所のシーン、コンテキストB）であった。被験者は無作為に1日目と2で、コンテキストプレゼンテーションの順番を決定する実験群に割り付けられた。彼らは、同じコンテキストの状態（AAまたはBB）またはコンテキストのシフト状態（ABまたはBA）に割り当てられていた。異なる環境内のオブジェクト/刺激の数と配置がそうであったようにパスの長さとコースは、仮想世界間の整合性を一致していた。 7。実験的なパラメータ。 期日間の間隔は14 ± 2秒であった。 CSSのシーケンスは、同じCSの3回以上の試験では（状態不安と認知余命の交絡帰納法を避けるために）連続して発生することが制約に従う擬似乱数、だ。 CS +の部分的な補強（40％）通常は100％CS +補強6,7以下の人間の参加者で発生する急激な絶滅を遅らせるために使用されていました。さらに、部分的な補強は、嫌悪のイベントが常に恐れていた刺激は、次が発生しない程度に、より現実的なコンディショニングの不測の事態が用意されています。 8。タスクの説明。 それらは、固定経路に沿って仮想徒歩で環境によって導かれる;彼らは、仮想環境でのアニメーションヘビやクモに遭遇するだろうと彼らはに電気刺激を受け取ることがあります：各実験段階に先立って、参加者は、次のような設計上の特徴について通知された試験期間を通じていつでも前のコンディショニングに設定されていたレベルで手首。彼らはまっすぐに直面していると、フロントスクリーンの中央に表示されるヘビやクモの画像に出席するように指示し、彼らが世界的または電気的な刺激の発生を通して、自分の動き以上の任意のコントロールを持っていなかったことを思い知らされました。彼らはまた、彼らは彼らにペナルティなしでいつでも勉強を終了できることを知らされた。 B.精神生理学的測定 1。データ収集。 SCRは、以前は次の4,6を説明されているように、恐怖の依存測定として使用した。 SCRは、精神生理学的モニタリングシステム（モンテシステム、サンタバーバラ、カリフォルニア州）を経由して記録した。 SCRは、非利き手の1stと2ndの数字の真ん中のphalanxの複数形にマジックテープで取り付けられた銀 – 塩化銀電極のディスクからモニターした。生理食塩水ベースのゲル（シグマジェル）は導電性電解質として使用されていました。被験者はまだSCRの記録電極で運動アーチファクトを避けるために、彼らの手を維持するように指示された。リードは、単に制御室のダイビングの外に置かれているBIOPAC生理的記録システムに達した。 BIOPACシステムは、Virtoolsのソフトウェアを実行する刺激提示のコンピュータと同期。図1は、コンテキストAに浸漬DIVEの参加者、制御用コンピュータ（Virtoolsのとスクリプトの生成）の設定の技術が、BIOPAC（SCR）、および電気刺激装置を図2に示されているを示しています。 皮膚コンダクタンスは、200Hzでサンプリングし増幅、およびAcqKnowledgeソフトウェアを（モンテシステム、サンタバーバラ、カリフォルニア州）を使用してオフラインで分析の​​ために格納されていました。 Virtoolsのソフトウェアは、刺激提示を制御し、ナショナルインスツルメンツDIO – 24データ集録カード（オースティン、テキサス州）を経由して衝撃波発生をトリガします。記録された波形はローパスBlackmanウィンドウ（カットオフ周波数= 31 Hz）を使用してフィルタリングと3連続したデータ点上の平滑化される。皮膚コンダクタンス反応の振幅は、それぞれ4-6、エアコンと無条件恐怖の依存尺度を導出するために、事前刺激ベースラインに各CSと米国の相対的の発症に8時間ロックされました。データ解析に含めるために、次の基準が確立されました：レイテンシ= 1 – 4秒、持続時間= 0.5〜5秒、および最小振幅= 0.02マイクロシーメンス（μS）。これらの基準を満たしていない応答がゼロと記録されています。 2。 AnalysSCRのです。 SCRデータは一般的にゼロに向かって偏っているため、データは平方根は、正規分布を達成する前に、統計分析に形質転換した。学習は通常、それぞれの学習段階の中で時間によってまちまちであるため、各CSのタイプ（仮想ヘビやクモ）からのデータは、各段階の"早期"と"後期"裁判のブロックに縮小された。分散（ANOVA）の反復測定の分析は、（後期取得（CS +、CS -）、早期または後期絶滅（CS +、CSの被験者変数内としてフェーズとCSの種類を学習の機能としてエアコン皮膚コンダクタンス反応の群間の差を計算するために使用された – ）とコンテキストの割り当て（同じまたはShift）被験者間変数などのデータは個々のばらつきを考慮して手首の刺激への各参加者自身の最大の米国の対応（任意の裁判上）で各試行でエアコンの応答値を割ることにより正規化された。非応答者を除外するために応答との（ほとんど、あるいは全くSCRを示す個体は）。図3差動SCRスコアのデータの可視化のための試験ブロック間でCS -からCSのもの+への応答を差し引くことによって学習の指標として算出した。ゼロ上記相違点のスコアが恐怖反応の学習を反映するのに対し、この対策によると、ゼロの違いのスコアは、何の学習を反映していない。図3に示すように、しかし、統計的にスチューデントt -検定をするためにSCR値で計算された文脈恐怖の保持を決定するCS +とCS -におけるコンテキストの操作（の間に、グループの分析と同じコンテキスト対コンテキストのシフト）の関数として2日目に初期の絶滅。 C.ハードウェアシステムの説明デューク大学のダイビングシステムは、投影されたバーチャルリアリティ"CAVE"デザイン9に基づいています。 DIVEシステムは、すべて6"壁"（4の壁、天井と床が）リアプロジェクションによる立体、コンピューターの画像を表示3 MX 3 MX 3 mのお部屋です。それぞれの壁には、順番に、専用のレンダリングのコンピュータ（のNVIDIA Quadro 3000FX – Gのグラフィックカードを搭載したWindows XPのデュアルコア2.0 GHz以上）によって制御されるDLPプロジェクター（クリスティデジタルミラージュS +2 K、1056×1056 @ 110 Hzの10で動作）があります。一つの壁はダイビングのアクセス出入りを可能にするオープンスライド。 6レンダリングコンピュータは、（Intersenseは、IS – 900 11）トラッキングシステムと通信するマスタコンピュータによって制御サウンドシステムを制御し、電気ショックシステムにパラレルポートを介してパルスを送信している。トラッキングシステムは、参加者の頭と手の位置のための3次元位置と向きの情報を提供します。アクティブなステレオビジョンは、液晶シャッターメガネ（CrystalEyes 3 12）を介して提供されます。 7台（6レンダーコンピュータとマスタコンピュータ）はnVidiaのグラフィックカードのゲンロック（Gシンク）機能を介して画像フレームの境界で同期されます。 D.ソフトウェアの説明この実験のための恐怖条件付けと保持テストのコンテキストでは、参加者はガイドツアーで撮影されているを介して2つの異なる仮想世界で構成されています。仮想世界はマヤ13の3Dモデリングパッケージを使用してモデル化した。ナビゲーションは、すべての仮想世界で同一の固定パスに制限されています。このパスに沿った動きは、Virtoolsの14ソフトウェアのシステムを介して制御されます。 Virtoolsは、デスクトップまたはWebベースの経験のために主に設計されたゲームエンジンです。 VirtoolsのVRPack拡張を介して、仮想世界がダイブで投影されます。 Virtoolsはバーチャルリアリティ周辺機器ネットワーク（VRPN 15）、オープンソースのライブラリを介して追跡システムと通信します。 VRPNは、参加者の頭と手の位置や向きだけでなく、ボタンの押下情報を登録します。 Virtoolsは参加者のために正しい視点で3Dシーンをレンダリングするためにヘッドトラッキング情報を使用しています。 図1。制御室（VisRoom）とバーチャルシーンを表示して人間の参加者と一緒にダイビングの立方体の概略図。 図2。刺激への強壮剤と相動応答を測定する左手の皮膚コンダクタンス電極を有する参加者の図。電気刺激装置の電極は、右手首にあります。 BIOPACは、ラップトップコンピュータ上でソフトウェアを肯定応答を介して生理的データを収集します。コー​​ドは、VirtoolsのソフトウェアがDIVEに投影バーチャルリアリティのスクリプトを生成する、デスクトップコンピュータからOSC経由で送信されます。 図3。 DIVEと研究室で恐怖の取得と絶滅の比較。差動の皮膚伝導反応（SCR）+ / – SEM労働にエアコンと24時間後に再テストの参加者のatoryやバーチャルリアリティ（ダイブ）。グラフィックはダイビングや実験室での研究の参加者で同等の恐怖を取得し、絶滅を示しています。同じコンテキスト（N = 12）DIVE利回りの2日目にテストダイブの参加者ではなく、我々の研究室の参加者のCS +にSCRによって測定されたシフトコンテキスト（N = 14）、相対より堅牢な恐怖記憶の保持、* P = 0.05 。

Discussion

1。結果

グループ間で恐怖の取得と消滅が判明した（図3） – セッション内で同等。これらのデータは信頼性と有益な恐怖条件付け試験は完全に没入型環境の制約と能力の範囲内で実行できることを示している。さらに我々はまた、DIVE（コンテキストのシフトを経験した人からの相対日数1と2は同じコンテキスト、に残った参加者）で、同じコンテキストの恐怖の保持の参加者で堅牢な文脈恐怖記憶を示しています。恐怖の保持は、（図3を参照）パラダイム¹⁶マッチした従来の実験で観察されるよりDIVEに強いです。没入型VRの設定を使うと、1つはまた現実的なmultimodelコンテキストの操作が実現することは困難な実験室の設定とは異なり、ヒトでの宣言的記憶過程を調べるために豊富なコンテキストの環境を調べたり操作することができます。最後に、VRの世界を簡単に恐怖の買収、絶滅、そして再発の符号化や検索時に脳の活性化の解析を行うために立体VRのゴーグルを使用して機能的磁気共鳴画像（fMRI）と組み合わせて使用​​するために移植することができます。この方法論は、ブリッジの齧歯類と恐怖と不安の臨床所見に利用することができます。

2。バーチャルリアリティの文脈と刺激の露出を制御する。

実験的な使用のためにVRを活用すると大きな問題はその強さです。具体的には、完全に没入型VRは複雑、混乱させる、そして現実の世界の自由を提供します。例えば、実際の生活の中で、トラウマの犠牲者は時間の未知の量のためのコンテキストで嫌悪刺激を経験する。出席されたコンテキストの暴露、特定の機能や他の感覚入力は、未知の、または確認できるではありません。我々は参加者が自由に仮想環境を探索できるようにした場合、同じトークンによって、我々はコンテキストまたは刺激露光時間や期間を考慮することができないだろう。例えば、ある参加者は非常に速く歩くこと、および4 CS +プレゼンテーションのうち3つのミス。もう一つは、仮想アパートの1室のみを探索することがあります。同様に、刺激提示が画面の中央に指定されていない場合、視線は、起動前に指示されている場所、参加者は、CSのプレゼンテーションを回避するか欠場する。これらの潜在的な混乱させるに当社のソリューションは、特定の刺激間隔（ISI）と刺激の持続時間のためにできるような速度でそれぞれの環境の着席、ガイドツアーに参加者を取ることでした。我々は、すべての参加者間の特定の時点や特定の場所（例えば、CS +、米国、およびCS -刺激に対する応答）から同等のSCRのデータを抽出することもできます。この決定を行った後に遭遇する困難は、パスの形状、長さ、および参加者に吐き気や固有受容不協和音を引き起こし、そしてまだ小説環境を通じて自然な歩行を模倣するための適切な感じはない動きの速度を見つける含まれています。

3。 VRシステムに標準の恐怖条件付けのパラメータを実装。

現実的な条件刺激のヘビやクモをシミュレートするために、野生の生命の画像の後に設計されています。ヘビやクモが最初に、Mayaでコンピュータグラフィックス、3Dモデリングおよびアニメーションソフトウェアパッケージをモデル化し、VRシステムにインポートされました。 Virtools社は、仮想現実のオーサリングシステムではなく、モデリングアプリケーションであるため、我々はこれをした。したがって、最高のVRシステムを実行し、シーンに相互作用し、ナビゲーションを追加するために使用されます。具体的には、Mayaで各CSのタイプ4種類のアニメーションが作られ（例えば、コイル状のヘビ、床を渡って動作蜘蛛、口をポカンと開けて前方に蛇の突進）してから、Virtoolsのインポート。

MayaからVirtools社に動的なヘビやクモのモデルをインポートする前に、パスが恐怖に32条件刺激のプレゼンテーションの過程で環境のサンプリングを可能にするように滑らかな循環方式で環境周りの参加者を案内するVirtools社で作成されましたコンディショニング。パスの形状は、3つの仮想世界のそれぞれについて、同じです。パスは、各刺激提示のための4秒のために停止するために作成された、刺激間隔が11歳+ / – 対象者が徐々に環境を介して（案内されて）移動した時に4秒。それは刺激のプレゼンテーションの間に皮膚コンダクタンス反応の回復が可能なため、この間隔は、実験室^、8、16で私たちの前の恐怖の条件づけ実験から決定された。刺激は、タイミングパラメータで指定されたポイントでパス上に配置された。このセットアップでは、特定の刺激とその後の明示的なメモリをプローブすることができるコンテキストの接続詞（例えば、ダイニングテーブル、ソファの脚の周りに歩いて蜘蛛にslitheringヘビ）、作成。刺激の出現は、スクリプトを介して疑似無作為に割り付けられた。すべての刺激のプレゼンテーションは、の真ん中に登場刺激のために検索することから参加者を防ぐためにフロントスクリーン。これは刺激の露光時間の制御された量、および定義されたコンテキストの場所を提供してくれました。フォワードビューのいずれかの制限は、没入型システム（例えば、ヘビは参加者の後ろから部屋に入ることができない）のフル機能を活用していないことです。ヘビやクモが参加者の個人的な空間によって侵入したことがないよう、また、刺激は慎重に、参加者の場所の周りに境界ボックスの外側に配置された。

4。ポイントとヘッドトラッキングを見る。

ダイビングの角度は、座った位置からの参加者が正しい前方を向いた角度を持っていたように設定した。これは、参加者の間で高さの変動を制御し、そして私たちの生理的なレコーディングに動きのアーチファクトを最小限に抑える。参加者が前方に直面し、できるだけ少ない移動するように指示され、これはまた、参加者が探していた場所の​​ために制御され、したがって、一貫性のある刺激と参加者の間でコンテキストの露出を維持した。我々は、彼らが正しい視点でシーンを表示していた保証するために、参加者が着用している3Dゴーグルでヘッドトラッキングデバイスをオンにすることを選んだ。ヘッドトラッキングがのために選出されていない場合、左または右にヘッドの移動が正しくオブジェクト（例えば、オブジェクトが歩いた参加者としてDIVEの画面上で曲がって表示される）の世界に現れたか塞いではない。のために選出された頭部の追跡で、我々は環境の機能が通常の比率を保持し、実験期間中にダイブの6枚の壁のそれぞれで正しく描画されていることを確認してください可能性があります。

5。データ収集。

恐怖条件付け⁸の私達の標準的な実験のバージョンでは^、16個の刺激提示は、プレゼンテーションのソフトウェアパッケージでプログラムされたコンピュータのスクリプトによって制御されていました。ラボと仮想環境間の一貫性を維持するために、我々は（図1を参照）DIVEのキューブをホストしている制御室で制御用コンピュータへのコードの形式で私たちの標準的な恐怖の取得と絶滅のスクリプトをインポートする。パラレルポートのコードは、ヘビ、クモ、および電気刺激のオンセットのプレゼンテーションなどの個別のイベントを、通知する数値コードの生成されたリストを送信するように設定されていました。私たちの設計では、Virtoolsはパラレルポートの値を設定するカスタムC + +プログラムにオープンサウンドコントロールメッセージ（OSC ^17）OSC / UDPメッセージを送信します。私たちのC + +プログラムはOSCpack ¹⁸ライブラリを使用しています。

BIOPACのデジタル入力は、コンピュータのパラレルポートに接続されています。 SCRデータは、正規化、パラレルポート経由でBIOPACからラップトップコンピュータ上で収集し、特定のパラメータ（詳細は上記参照）内に、CS + / CS -及び米国オンセットに計算されます。シーンをレンダリングし、ナビゲーションの制御に加えて、Virtools社はまた、ユーザイベント（ボタンの押下）をログに記録するために使用されます。要約すると、実験中に、メッセージはパラレルポートを介してBIOPACシステムにマスタコンピュータから送信されます。 Virtoolsは、直接コンピュータのパラレルポートと通信できないため、小規模なC + +プログラムはVirtoolsからOSCメッセージをリスンし、パラレルポートに送信します。