favicon3

Использование fNIRS для изучения эмоций в среде виртуальной реальности

Используемое оборудование: BRITEOCTAMON

Вы когда-нибудь смотрели фильм ужасов или действительно захватывающий триллер, который заставил бы ваше сердце биться учащенно в момент кульминации? Если вы понимаете, о чем я говорю, тогда мы можем условиться на следующем: наши умы связаны с нашими телами таким образом, что эмоции, которые мы испытываем, вызывают у нас физиологические изменения. Но что такое эмоции? Согласно Дику [1], «эмоции — это субъективные состояния, которые модулируют и направляют поведение как совокупность биологических, социальных и когнитивных компонентов». Эмоции играют важную роль в рациональности человека и влияют на то, как мы действуем и реагируем на различные ситуации; действуя как на сознательном, так и на подсознательном уровне и подготавливая тело к различным ситуациям.


Как мы можем вызывать эмоции?

Удивительно, как наше эмоциональное состояние может измениться в ходе представления вымышленной ситуации, которая вытекает из песни, книги или фильма. Действительно, аудио-визуальные (музыка, звуки, картинки, видео) и повествовательные стимулы широко использовались для выявления эмоций, вызывая различные уровни возбуждения [2]. Это потому, что с помощью сигналов в этих стимулах наш разум может заставить нас чувствовать, что мы присутствуем в определенном сценарии или сцене.

Мы можем это реализовать с помощью виртуальной реальности (VR). Виртуальная реальность позволяет нам моделировать реальные сценарии, в которых субъект может свободно взаимодействовать в динамической среде, в то же время контролируя как ситуации, так и соответствующие стимулы [3,4].

Как мы можем измерить эмоции?

Взаимосвязь между нашим разумом и телом объясняется существующей связью между центральной (ЦНС) и вегетативной нервной системой (ВНС). В то время как человеческие эмоции возникают в нашем мозгу, затрагивая несколько областей их регуляции и чувствования, они включают различные физиологические реакции [3], такие как изменения частоты сердечных сокращений и дыхания. Эти ответы происходят из ВНС, которая в свою очередь регулируется ЦНС. Таким образом, представляется разумным изучать эмоции и их влияние на людей, комбинируя измерения активности ЦНС и ВНС.

Хотя способы измерения активности ВНС просты — например, частота сердечных сокращений или дыхания, гальваническая реакция кожи, артериальное давление; в тоже время многие варианты измерения активности ЦНС имеют различные преимущества и недостатки, которые необходимо принимать во внимание. МРТ является наиболее часто используемым методом для изучения паттернов активации мозга при выполнении когнитивных задач. Тем не менее, жесткие ограничения в движении участников эксперимента, огромные размеры системы МРТ и ее громкий шум мешают полному погружению в моделируемую среду [3].

Рисунок 1: Объединенные системы виртуальной реальности и системы fNIRS

Можем ли мы вместо всего этого использовать ближнюю инфракрасную спектроскопию (NIRS)?

Безусловно, NIRS — намного лучший альтернативный способ. Это неинвазивный метод, который на основе различных спектров поглощения окси- и дезоксигемоглобина в ближней инфракрасной области (650 — 950 нм) измеряет изменения гемодинамики ткани (перфузия крови) [5]. Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) — это метод нейровизуализации, который использует NIRS для обнаружения функциональной активности мозга. Он основан на механизме, известном как сосудисто-нервная связь, в котором увеличение потребления кислорода, вторичного к активации корковых нейронов, сопровождается увеличением мозгового кровотока. Это изменение перфузии крови приводит к локальным изменениям концентраций окси и дезоксигемоглобина, что позволяет идентифицировать участки коры головного мозга, активированные в ответ на специфические раздражители [6-8]. В отличие от fMRI, многоканальные устройства fNIRS, такие как Brite и OctaMon, одеваются на голову и имеют низкую восприимчивость к артефактам движения, что позволяет субъекту свободно перемещаться и исследовать окружающую среду. В то же время, они позволяют исследователю локализовать активацию различных областей коры головного мозга — надежно, с высокой точностью и хорошим пространственным разрешением (~ 10 мм) [6]. Все это позволяет нам проводить исследования, имитирующих реальные ситуации, а не в искусственных лабораторных условиях.

Рисунок 2: Изменения концентрации оксигемоглобина (красный) и дезоксигемоглобина (синий) во время активации мозга. На графике показаны усредненные отклики и стандартное отклонение за несколько испытаний.

Что если бы мы могли также использовать fNIRS для оценки физиологических реакций, опосредованных ВНС? Если вы знакомы с этой технологией, возможно, вы читали о «физиологическом шуме» в сигналах fNIRS и о том, как его отфильтровать, но … что если мы его использовали? Это означало бы, что мы могли бы оценить взаимодействие ЦНС и ВНС с меньшим количеством устройств, используя при этом более реалистичные настройки.


Меня зовут Мария София Саппия, магистр. Будучи исследователем в проекте RHUMBO ITN Мари Склодовской-Кюри, я буду проводить мультимодальные эксперименты в среде виртуальной реальности для решения этих вопросов. Я объединю повествование с пространственными и аудиовизуальными сигналами в этих средах, чтобы выявить нужные эмоции и проанализировать эффекты как в центральной, так и в вегетативной нервной системах. В результате я смогу предложить модель человеческих эмоций, которая идентифицирует эмоциональное состояние субъекта в необходимый момент времени.

Проект RHUMBO получил финансирование от исследовательской и инновационной программы Horizon 2020 Европейского Союза в рамках грантового соглашения Марии Склодовской-Кюри № 813234.

Литература:

[1]  A. Deak, “Brain and emotion: Cognitive neuroscience of emotions”, Review of psychology,vol. 18, no. 2, pp. 71–80, 2011.

[2]  J. Marın-Morales, J. L. Higuera-Trujillo, A. Greco, J. Guixeres, C. Llinares, E. P. Scilingo,M. Alcañiz, and G. Valenza, “Affective computing in virtual reality: Emotion recognitionfrom brain and heartbeat dynamics using wearable sensors”, Scientific reports, vol. 8, no. 1,p. 13 657, 2018.

[3]  B. Seraglia, L. Gamberini, K. Priftis, P. Scatturin, M. Martinelli, and S. Cutini, “An exploratory fnirs study with immersive virtual reality: A new method for technical implementation”, Frontiers in human neuroscience, vol. 5, p. 176, 2011.

[4]  D. Colombo, J. Fernández-Álvarez, A. G. Palacios, P. Cipresso, C. Botella, and G. Riva,“New technologies for the understanding, assessment, and intervention of emotion regula-tion”,  2019.

[5]  S. Tak and J. C. Ye, “Statistical analysis of fnirs data: A comprehensive review”, Neuroimage,vol. 85, pp. 72–91, 2014.

Поделитесь ссылкой эту страницу

Поделиться в facebook
Facebook
Поделиться в vk
VK
Поделиться в telegram
Telegram
Поделиться в whatsapp
WhatsApp
Поделиться в odnoklassniki
OK
Поделиться в email
Email
favicon3
Похожие статьи

Последние публикации по общим вопросам ближней инфракрасной спектроскопии и ее возможностям

Дорогие коллеги, для вашего удобства мы систематизировали последние выпущенные статьи, посвященные ближней инфракрасной спектроскопии (БИК-спектроскопия) и ее использованию fNIRS-система ми Artinis. Все статьи были разбиты

Читать полностью »

Интервью с Валерией Беллушио. Использование систем OCTAMON и BRITE

Валерия посетила OHBM (ежегодный международный симпозиум посвященный проблемам нейровизуализации, последний съезд прошел 2019года был в Риме – прим.ред.), где выступала с докладом об использования портативных

Читать полностью »

Тестирование fNIRS систем на пилотах

Сотрудники Исследовательского центра Гленна при NASA использовали fNIRS систему (система функциональной ближней инфракрасной спектроскопии) для анализа когнитивных способностей работы мозга пилотов совершающих трансатлантические перелеты. Во

Читать полностью »

Демонстрационные fNIRS системы в Казани

В рамках сотрудничества с Artinis (мировым производителем систем нейровизуализации), наша компания приобрела демонстрационную fNIRS систему Brite24.Brite24 является портативным вариантом более мощной 112-канальной fNIRS (ближняя ИК спектроскопия)

Читать полностью »
Обратная связь
Мы свяжемся с вами в течение 15 минут