Specifity of complex sensory-motor reaction to relevant stimuli in personalized virtual reality in young people

Mariya S. Segreeva; Сергеева Мария Станиславовна; Ekaterina S. Korovina; Коровина Е. С.; Natalya P. Romanchuk; Романчук Н. П.; Aleksandra S. Alexseeva; Алексеева А. С.; Aleksandr V. Zakharov; Захаров А. В.; Vasiliy F. Pyatin; Пятин В. Ф.

doi:10.35693/2500-1388-2019-4-3-36-40

Особенности сложной сенсомоторной реакции на релевантные стимулы персонализованной виртуальной реальности у молодых людей

Авторы: Сергеева М.С.¹, Коровина Е.С.¹, Романчук Н.П.¹, Алексеева А.С.¹, Захаров А.В.¹, Пятин В.Ф.¹
Учреждения:
1. ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России
Выпуск: Том 4, № 3 (2019)
Страницы: 36-40
Раздел: Нервные болезни
Статья опубликована: 15.09.2019
URL: https://innoscience.ru/2500-1388/article/view/43760
DOI: https://doi.org/10.35693/2500-1388-2019-4-3-36-40
ID: 43760

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Цель – исследование латентности сложной сенсомоторной реакции на визуальные релевантные стимулы виртуальной реальности персонализованного и индифферентного содержания.

Материал и методы. В исследовании участвовало 10 здоровых юношей-правшей 18–19 лет. Отбор испытуемых в группы был предопределен двумя сценариями виртуальной реальности, контент которых отражал (персонализованная виртуальная реальность) либо не отражал их личный опыт (индифферентная виртуальная реальность). Регистрация латентности ССМР на релевантные визуальные стимулы производилась с помощью геймпада и системы записи ЭЭГ (BP-010302 BrainАmp Standart 128) в парадигме oddball. Сценарии ВР демонстрировались с помощью очков Oculus Rift CV1. Регистрация ССМР в персонализованной и индифферентной ВР производилась в трех сессиях с интервалом времени 24 часа. Каждая сессия продолжалась 7–8 минут и включала регистрацию 30–40 ССМР. Для субъективной оценки иммерсивности ВР использовался тест Igroup Presence Questionnaire (IPQ). Данные статистически обрабатывались с помощью IBM SPSS Statistics 22.

Результаты. Только в ВР персонализованного содержания получена статистически значимая корреляционная связь между латентностью ССМР и показателями пространственного присутствия (0,694522) и общего эффекта иммерсивности ВР (-0,592243). Установлено, что латентность ССМР на релевантные визуальные стимулы в ВР обусловлена ее семантическим содержанием: латентность ССМР на релевантные стимулы персонализованной ВР статистически значимо меньше, чем на таковые в ВР индифферентного содержания.

Заключение. Делается заключение об адекватности методологии исследования механизмов произвольного внимания человека с включением в контент ВР сцен персонализованного содержания, предполагается, что подобная методология является перспективной при нейрореабилитации пациентов с возрастным нарушением когнитивных функций.

Ключевые слова

сложная сенсомоторная реакция, виртуальная реальность, релевантные визуальные стимулы, парадигма oddball, внимание

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Для эффективного использования виртуальной реальности (ВР) в нейрореабилитации актуальными являются исследования когнитивных процессов мозга человека в условиях ВР, в частности внимания. При этом увеличение информативной значимости визуальных стимулов, особенно в персонализованной виртуальной среде, повышает эффективность внимания, так как ее сценарий находится в контексте настоящих и прошлых интересов человека [1].

В настоящей работе в качестве объективного метода оценки параметров внимания в условиях персонализованной и индифферентной ВР исследовалась латентность сложной сенсомоторной реакции (ССМР). Время этой реакции (реакции выбора или Go/No-go реакции) зависит от свойств стимула, то есть от его сенсорной модальности, межстимульного интервала, интенсивности, длительности и значимости сигнала, его пространственных характеристик, а также от психофизиологического состояния человека и используемой экспериментальной парадигмы [2, 3]. Ключевой методологией нейрофизиологических исследований внимания является парадигма oddball, заключающаяся в предъявлении участнику эксперимента в случайной последовательности серии стимулов двух типов, среди которых один тип сигнала встречается реже, и он релевантный. Соотношение частоты предъявления релевантного и нерелевантного стимулов составляет примерно 20% и 80% соответственно [4].

Исследования латентности ССМР в ВР в зависимости от личностных интересов человека и содержания виртуальной среды выявили, например, меньшую продолжительность латентного периода ССМР на стимулы персонализованной виртуальной среды профессиональных спортсменов по сравнению с новичками-любителями, динамику изменения латентности ССМР при многократной регистрации сложных визуально-моторных реакций в условиях ВР [5, 6]. Однако в литературе отсутствует сравнительная характеристика динамики времени ССМР при использовании экспериментальной парадигмы oddball в условиях ВР как персонализованного, так и индифферентного содержания, что и определило цель настоящего исследования.

ЦЕЛЬ

Исследование латентности сложной сенсомоторной реакции на визуальные релевантные стимулы виртуальной реальности персонализованного и индифферентного содержания.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

В исследовании участвовало 10 здоровых юношей-правшей 18–19 лет, подписавших информированное согласие. По показателям персонализованных предпочтений, выявленных методом тестирования, были сформированы две группы испытуемых. Отбор испытуемых в группы был предопределен двумя сценариями ВР, контент которых отражал либо не отражал их личный опыт. Группа I – испытуемые (N=5), имевшие опыт и интерес к поплавковой рыбалке. Группа II – испытуемые (N=5), не имевшие подобного опыта.

Регистрация латентности ССМР на релевантные визуальные стимулы производилась с помощью геймпада и системы записи ЭЭГ (BP-010302 BrainАmp Standart 128) в парадигме oddball. Интервал между визуальными сигналами в виртуальном сценарии был рандомизирован (2,0–2,5 с). Сценарии ВР демонстрировались с помощью очков Oculus Rift CV1.

Сценарий ВР персонализованного содержания (ВРп) представлял собой лесное озеро. В качестве визуального релевантного стимула выступало полное погружение поплавка под воду, нерелевантного – ритмические колебания поплавка на поверхности воды.

В качестве сценария ВР индифферентного содержания (ВРи) была выбрана виртуальная картина сканирования багажа в аэропорту. Подобный опыт профессиональной деятельности имели не все участники экспериментального исследования. В ВРи релевантным визуальным стимулом для испытуемых, согласно полученной инструкции, был определен момент появления из скана предмета малого размера, а нерелевантный – появление из сканирующей системы предмета большего размера.

Регистрация ССМР в персонализованной и индифферентной ВР производилась в трех сессиях с интервалом времени 24 часа. Каждая сессия в исследовании продолжалась 7–8 минут и включала регистрацию 30–40 ССМР на релевантные визуальные стимулы.

В работе для исследования субъективной оценки иммерсивности ВР использовался тест Igroup Presence Questionnaire (IPQ).

Полученные данные статистически обрабатывались с помощью IBM SPSS Statistics 22. Производился однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA). Достоверность измерений оценивалась непараметрическими методами (t-тест Вилкоксона для зависимых выборок и критерий Манна – Уитни для независимых выборок). Изменения величин считались статистически значимыми при р<0,05. В качестве корреляционного анализа использовался коэффициент Пирсона.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате корреляционного анализа четырехфакторной модели присутствия (тест IPQ) обнаружена статистически значимая корреляционная связь между латентностью ССМР и иммерсивностью ВР только у испытуемых первой группы в условиях ВР персонализованного содержания. Выявлена положительная корреляционная связь между латентностью ССМР и показателем пространственного присутствия (SP) и отрицательная – между латентностью ССМР и общим эффектом иммерсивности ВРп (таблица 1).

Группы испытуемых	Результаты теста IPQ
	G1	SP	INV	REAL
	ВР персонализованного содержания
I	-0,592243	0,694522	0,372785	0,453372
II	0,396362	-0,297801	-0,189493	-0,253378
	ВР индифферентного содержания
I	0,036367	-0,499333	0,434356	-0,040158
II	-0,389719	0,032904	0,280968	0,0900365

Факторы присутствия (по тесту IPQ): G1 – общий эффект иммерсивности; SP (Spatial presence: the sense of being there in the VR) – показатель пространственного присутствия; INV (Involvement: attention to the real and the virtual environment) – вовлеченность: внимание к реальной и виртуальной среде; REAL (Realness: reality judgment of the VR) – реалистичность ВР.

Таблица 1. Значения коэффициента Пирсона между латентностью ССМР и тестом

Table 1. Pearson correlation coefficient values between latent period of CSMR and IPQ test

Представленные данные позволяют предположить большую вовлеченность испытуемых первой группы в ВР с персонализованным контентом по сравнению с ВР индифферентного содержания.

Исследование внутригрупповых различий латентности ССМР в условиях ВР в зависимости от порядкового номера сессии. У испытуемых первой группы в ВР персонализованного содержания отмечались статистически значимые различия латентности ССМР между первой и второй (р = 0,00643), первой и третьей (р = 0,012593) сессиями. Отсутствовали статистически значимые различия латентности ССМР между второй и третьей сессиями (р = 0,872866) (рисунок 1). Аналогичная тенденция изменения латентности ССМР испытуемых первой группы отмечалась и в условиях ВР индифферентного содержания (рисунок 2). Возможно, наличие фактора новизны в первой сессии стало причиной отмеченной закономерности.

Статистическая значимость изменений: * - р<0,05; ** - р<0,01; *** - р<0,001.

Рисунок 1. Диаграммы размахов латентности ССМР испытуемых обеих групп в разных сессиях (подходах) в условиях ВР персонализованного содержания.

Рисунок 2. Диаграммы размахов латентности ССМР испытуемых обеих групп в разных сессиях (подходах) в условиях ВР индифферентного содержания.

У испытуемых второй группы статистически значимые различия времени реакции в зависимости от порядкового номера сессии отмечались только в ВРи – между первой и второй сессиями (р = 0,004606).

Исследование межгрупповых различий латентности ССМР в условиях ВР в зависимости от порядкового номера сессии и типа ВР. Латентность ССМР испытуемых первой и второй групп статистически значимо различалась в ВРп только во второй сессии (р = 0,0007954), а в ВРи – в первой (р = 0,00002141) и во второй (р = 0,000448) сессиях (рисунки 2, 3).

Сравнительный анализ латентности ССМР на визуальные релевантные стимулы испытуемых обеих экспериментальных групп показал, что значения медианы в ВР персонализованного содержания у испытуемых первой группы в целом (по завершении всех трех сессий) и в каждой сессии отдельно были меньше, чем у испытуемых второй группы. В ВР индифферентного содержания такой тенденции не выявлено.

По завершении всех трех сессий обнаружены межгрупповые статистически значимые различия латентности ССМР обеих групп испытуемых как в ВРп (р = 0,00005494), так и в ВРи (р = 0,00227575).

Сравнительный анализ латентности ССМР в ВР разной семантической организации. По завершении всех трех сессий в исследуемых ВР у испытуемых обеих групп получены статистически значимые различия между латентностью ССМР на релевантные визуальные стимулы ВР персонализованного и индифферентного содержания (р<0,001).

ОБСУЖДЕНИЕ

В литературе показатели сенсомоторной реакции обсуждаются как характеристики сенсомоторной интеграции, под которой подразумевается согласование и объединение моторных и сенсорных процессов, осуществляющееся на разных уровнях мозга [2, 7]. По данным нейрофизиологических исследований, в реализации ССМР участвуют нейронные сети, включающие структуры сенсорных, нижнетеменных и фронтальных ассоциативных зон коры больших полушарий, структуры лимбической системы, заднего отдела гипоталамуса и ретикулярной формации ствола. Функции перечисленных структур ЦНС обеспечивают обработку и интеграцию сенсорной информации, осознание релевантности сигнала, принятие решения, поддержание уровня бодрствования и эмоционально-мотивационного компонента поведения, механизмы произвольного внимания и рабочей памяти, программирование и контроль результата действия [2, 7].

Уменьшение латентности ССМР от первой ко второй сессии у испытуемых первой группы как в условиях персонализованной, так и индифферентной ВР может быть маркером функциональной перестройки, нейропластичности коры больших полушарий, что подтверждается рядом нейрофизиологических исследований. Отмечалось уменьшение времени реакции и амплитуды зрительных вызванных потенциалов ЭЭГ и увеличение показателя иммерсивности ВР после трехдневной тренировки в меткости при виртуальной стрельбе по смоделированной динамической цели [6]. Заключение о нейропластических изменениях в заднетеменной области коры больших полушарий, обусловливающих ускорение обработки сенсомоторной информации и значительное сокращение времени реакции, получено и в результате магнитоэнцефалографических исследований с ЭМГ-контролем после 3 дней регистрации сложной визуально-моторных реакций [5]. Во время задачи Go/NoGo испытуемый разгибал указательный палец правой руки при предъявлении красного круга и не реагировал на зеленый круг или красный квадрат. Отмечалось значительное снижение латентности пиковой активности в заднетеменной области (от 175,8 ± 26,7 до 160,1 ± 27,6 мс) и времени от пиковой активности заднетеменной зоны до регистрации ЭМГ.

В нашем исследовании, несмотря на уменьшение времени ССМР у испытуемых первой группы на релевантные визуальные сигналы ВР различной семантической организации, только в условиях персонализованной ВР обнаружена статистически значимая корреляционная связь между латентностью ССМР испытуемых первой группы и иммерсивностью ВР (тест IPQ) (таблица 1).

В ВР индифферентного содержания продолжительность латентности ССМР на всех этапах исследования оставалась больше по сравнению со временем ССМР в ВРп. Это может быть показателем снижения эффективности когнитивных процессов и научения в целом в условиях ВРи по причине недостаточного качества моделирования ВР или неоптимального уровня предъявляемой когнитивной нагрузки или отсутствия той релевантности стимулов, которая отмечалась в персонализованной для испытуемых первой группы ВР.

Средние значения и значения медианы латентности ССМР в ВР персонализованного содержания у испытуемых первой группы в целом и на каждом этапе (сессии) исследования были меньше, чем у испытуемых второй группы. Это может быть объективным маркером ускорения процесса научения и большей погруженности испытуемых первой группы в ВР, которая для них выступила в качестве персонализованной. В нашей работе сценарий персонализованной виртуальной среды был в контексте интересов испытуемых первой группы: использовались релевантные для памяти, личного опыта стимулы, что вызывало уменьшение времени ССМР при использовании экспериментальной парадигмы oddball и, соответственно, увеличение эффективности произвольного внимания. Это подтверждается и обнаруженной нами статистически значимой корреляционной связью между латентностью ССМР и иммерсивностью ВР (тест IPQ), а также согласуется с выводами других исследований. Авторами [8] обнаружена значительная отрицательная корреляционная связь (r = -0,485, р <0,001) между временем выполнения задания в ВР и субъективной оценкой погружения пользователя в ВР имитации замены колеса на гоночной машине с использованием пневматического инструмента – ударного гайковерта.

Полученные нами данные согласуются и с эмпирическими исследованиями количественных пре-имуществ высокоточных технологий ВР, в которых предполагается вариант увеличения эффективности ВР за счет усиления одного или нескольких индивидуальных компонентов в ВР вместо увеличения общей настройки ВР [9].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В проведенном исследовании была изучена сравнительная характеристика динамики латентности ССМР при использовании экспериментальной парадигмы oddball в условиях ВР персонализованного и индифферентного содержания. Установлено, что латентность ССМР на релевантные визуальные стимулы в ВР обусловлено ее семантическим содержанием, когда время ССМР на релевантные стимулы персонализованной ВР статистически значимо меньше, чем на таковые в ВР индифферентного содержания.

Можно сделать вывод об адекватности методологии исследования механизмов произвольного внимания человека с включением в контент ВР сцен персонализованного содержания.

Предполагается, что подобная методология является перспективной при нейрореабилитации пациентов с возрастным нарушением когнитивных функций.