Влияние виртуальных конечностей на ощущение владения телом: исследование времени возникновения и продолжительности иллюзии

Эффекты виртуальных конечностей на время возникновения и продолжительность иллюзорного владения телом

Введение: Иллюзорное владение телом через визуально-тактильную синхронизацию

Чувство принадлежности тела самому себе определяется как чувство телесного владения (sense of body ownership). Иллюзорное владение телом возникает, когда человек воспринимает как свое собственное тело, не принадлежащее ему, например, резиновую руку или аватар в виртуальной среде. Это достигается за счет визуально-тактильной синхронизации (визуальное восприятие стимула совпадает с тактильным ощущением) или визуально-моторной синхронизации (визуальное восприятие движения совпадает с собственным движением).

Классическим примером является иллюзия резиновой руки (Rubber Hand Illusion, RHI). При одновременном прикосновении к резиновой руке и собственной руке испытуемого, синхронизированное визуальное и тактильное восприятие создает ощущение, что резиновая рука является собственной. Аналогично, этот принцип можно применить к полному аватару. Стимулируя тело испытуемого и манекен одновременно, и наблюдая за этим через шлем виртуальной реальности (Head-Mounted Display, HMD), можно вызвать иллюзорное владение всем манекеном. Таким образом, интеграция визуальной и тактильной информации является ключевым фактором для создания иллюзии владения как частью тела, так и всем телом.

Визуально-моторная синхронизация как источник иллюзии

Иллюзорное владение телом также может быть вызвано предъявлением визуальных стимулов, синхронизированных с движениями испытуемого. Например, в иллюзии движущейся резиновой руки (moving rubber hand illusion) и иллюзии виртуальной руки (virtual hand illusion) собственная рука испытуемого и рука манекена или виртуальная рука двигались синхронно. Это приводило к ощущению, что виртуальная рука принадлежит испытуемому. Тот же принцип применим и к полному аватару: синхронизированные движения аватара с движениями испытуемого создают ощущение, что все тело аватара является собственным. Отличием от визуально-тактильной интеграции является возникновение чувства авторства (sense of agency) – ощущения, что действие принадлежит самому себе. Однако, исследования показывают, что чувство авторства может возникать даже при отсутствии визуально-моторной синхронизации и движений испытуемого, при наблюдении за движениями «врожденного» тела.

Визуально-проприоцептивная синхронизация и важность положения тела

Наблюдение за манекеном или виртуальным телом, расположенным в той же позиции, что и тело испытуемого, может вызывать иллюзорное владение телом. Это указывает на то, что согласованность проприоцепции (ощущение положения и движения собственного тела) с позой и положением визуального тела достаточна для индукции иллюзии. Исследования также подчеркивают важность неестественной позы и расстояния. Иллюзия резиновой руки не возникает, если резиновая рука повернута на 90° или 180°. Кроме того, чувство владения ослабевает, если резиновая рука находится дальше. Иллюзия полного тела была слабее при наблюдении от третьего лица по сравнению с первым, и не возникала, если виртуальное тело находилось на большом расстоянии.

Время возникновения и продолжительность иллюзии

Ключевыми аспектами для создания иллюзии являются временная и пространственная согласованность мультисенсорной информации. Но как долго длится этот процесс и как долго сохраняется иллюзия?

Исследования показали различные временные рамки:

• Время возникновения иллюзии резиновой руки варьировалось от 5 до 100 секунд, в зависимости от условий эксперимента и методологии. Например, при синхронной стимуляции, время возникновения могло быть около 23 секунд (Kalckert & Ehrsson, 2012), или около 5-15 секунд при меньшем расстоянии между руками (Lloyd, 2007). В других исследованиях, время возникновения могло достигать 100 секунд (Abdulkarim et al., 2014).
• Продолжительность иллюзии также варьировалась. В одном исследовании, иллюзия длилась около 80 секунд при 180-секундной тактильной стимуляции.
• Время возникновения ощущения разобщенности (disownership) было значительно медленнее, чем время возникновения ощущения владения.

Различия во времени возникновения и продолжительности могут быть связаны с особенностями экспериментальной установки, процедурами, а также с соответствием внешнего вида искусственного тела собственному (например, цвет кожи). Нейрокогнитивная модель (Tsakiris et al., 2010) предполагает, что тело-модель в мозге сравнивается с визуальным телом на начальном этапе генерации иллюзии.

В условиях полной видимости (visual-only) и визуально-моторной синхронизации, иллюзия полного тела возникала быстрее (около 5 секунд), чем RHI. Однако, в других исследованиях, где использовались визуально-тактильные стимулы, время возникновения могло достигать 25 секунд. Различия также могут быть связаны с тем, как именно измеряется иллюзия (например, нажатием кнопки при ощущении владения).

Важную роль играет согласованность между визуальными стимулами и проприоцепцией. Представление полного аватара или манекена в той же позиции, что и тело испытуемого, способствует возникновению иллюзии.

Иллюзия невидимого тела

Чувство владения телом может возникать не только для видимых объектов, но и для невидимых рук и невидимого полного тела. В случае невидимой руки, одновременное поглаживание пространства и собственной руки испытуемого вызывало ощущение ее присутствия. Аналогично, невидимое полное тело может быть воспринято через синхронное поглаживание пространства и тела испытуемого, с последующим наблюдением через HMD. Предыдущие исследования показали, что невидимое полное тело может восприниматься в пространстве между руками и ногами, и иллюзорное владение им может быть таким же сильным, как и у видимого полного аватара. Однако, в исследовании, где манипулировалась прозрачность виртуального тела, при увеличении прозрачности чувство владения снижалось, что указывает на важность визуальной информации.

Для индукции владения невидимым телом требуются дополнительные стимулы, такие как визуально-тактильная стимуляция или синхронные движения виртуальных конечностей.

Цель исследования

Хотя время возникновения и продолжительность иллюзий для RHI, полного тела и невидимой руки изучены, остается неясным, как эти параметры изменяются при отсутствии частей тела в полном аватаре. В данном исследовании мы изучали влияние полноты аватара на время возникновения и продолжительность иллюзии, сравнивая три условия:

• Полный аватар.
• Аватар без рук и ног.
• Аватар только с руками и ногами.

Мы также измеряли силу чувства владения телом и чувства авторства. Предполагалось, что иллюзия будет возникать быстрее и длиться дольше в условии с полным аватаром, так как оно предоставляет наибольший объем визуальной информации. Чувство владения и авторства также ожидались наиболее сильными при полном аватаре.

Результаты

Измерения времени возникновения и продолжительности проводились только для участников, набравших более одного балла по опроснику владения телом. Были проведены статистические анализы с использованием теста Уилкоксона и поправки Бонферрони.

Опросник

Чувство владения телом было сильнее в условии с полным аватаром по сравнению с аватаром без конечностей и аватаром только с конечностями. Чувство авторства также было более выраженным в условии с полным аватаром. Значимых различий между условиями без полного тела не обнаружено. Контрольные вопросы не показали существенных различий.

Время возникновения

Статистически значимых различий во времени возникновения иллюзии между условиями не обнаружено. Однако, наблюдалась тенденция к более раннему возникновению иллюзии в следующем порядке: полный аватар, аватар без конечностей, аватар только с конечностями.

Продолжительность

Продолжительность иллюзии была достоверно выше в условии с полным аватаром по сравнению с аватаром только с конечностями. В остальных сравнениях значимых различий не обнаружено.

Частота возникновения иллюзии

Значимо большее количество участников испытали иллюзию в условии с полным аватаром по сравнению с аватаром только с конечностями. Это указывает на то, что полнота тела влияет на вероятность возникновения иллюзии.

Обсуждение

Сводка результатов

Исследование показало, что отсутствие частей тела (рук и ног) в аватаре сокращает продолжительность иллюзии владения телом и снижает чувство владения и авторства. В отличие от этого, время возникновения иллюзии не показало значимых различий между условиями, хотя и наблюдалась тенденция к более быстрому возникновению при более полном аватаре. Количество участников, испытавших иллюзию, было значительно выше при полном аватаре.

Эти результаты согласуются с предыдущими исследованиями, показывающими, что отсутствие частей тела снижает чувство владения и авторства, а также частоту возникновения иллюзии. Это подтверждает, что полнота тела является важным фактором для возникновения и поддержания иллюзии.

Процесс генерации и поддержания иллюзии

Согласно нейрокогнитивной модели (Tsakiris et al., 2010), на начальном этапе генерации иллюзии происходит сравнение телесной модели в мозге с внешним видом искусственного тела. При значительных отличиях (например, отсутствие конечностей) иллюзия может не возникнуть. Однако, поскольку измерения проводились только для тех, кто уже испытал иллюзию, эти ограничения, вероятно, не повлияли на время возникновения и продолжительность.

В данном исследовании, полнота тела влияет на продолжительность иллюзии. Вероятно, при меньшем объеме визуальной информации (в условиях с отсутствующими конечностями) телесная модель обновляется хуже, и иллюзия становится более кратковременной. Для полного понимания этого процесса требуются дальнейшие исследования.

Модель байесовской причинной инференции

Модель байесовской причинной инференции (Friston, 2005; Hohwy, 2007; Clark, 2013) предполагает, что мозг делает выводы о том, являются ли визуальные, тактильные и проприоцептивные сигналы результатом общего источника. В условиях отсутствия конечностей, меньший объем визуальной информации затрудняет вывод о общем источнике сигналов, что приводит к более слабому и кратковременному чувству владения.

Согласно этой модели, вероятность того, что искусственное тело является собственным, постепенно увеличивается на основе предъявляемых стимулов. Иллюзия возникает, когда эта вероятность превышает порог. Результаты данного исследования, где иллюзия возникала быстрее при большем объеме визуальной информации (хотя статистически значимо это не подтвердилось), косвенно поддерживают эту модель.

Влияние отсутствующих частей тела

При отсутствии частей тела, чувство владения и авторства были ниже, а количество испытувших иллюзию – меньше. Это согласуется с исследованием, где наблюдалось снижение владения при отсутствии части руки. Однако, другое исследование показало, что иллюзорное владение не снижается даже при отсутствии кончика виртуальной руки, если иллюзия уже была индуцирована. Это предполагает, что мозг может адаптироваться к изменениям тела после индукции иллюзии.

Сравнение с предыдущими исследованиями

Время возникновения иллюзии полного тела

Время возникновения иллюзии полного тела в данном исследовании (4.6 сек) схоже с результатами других исследований, использующих визуально-моторную синхронизацию. Это указывает на то, что такое взаимодействие может быть более эффективным для быстрой индукции иллюзии. В то же время, использование манекена с визуально-тактильной синхронизацией требовало около 25 секунд.

Сравнение с предыдущими исследованиями невидимого тела

В предыдущих исследованиях невидимого тела, где виртуальные перчатки и носки синхронизировались с движениями испытуемого, иллюзия полного тела была такой же сильной, как и при полном аватаре. Однако, в настоящем исследовании, полный аватар вызывал более сильное чувство владения, чем только конечности. Это может быть связано с тем, что в предыдущих исследованиях, представление стимулов перед испытуемым улучшало видимость и способствовало восприятию невидимого тела. Также, возможно, время обучения (1 минута) было недостаточным для сильной индукции невидимого тела.

Ограничения исследования

• Метод измерения: Время возникновения и продолжительность измерялись путем нажатия кнопки. Неизвестно, насколько сильной была иллюзия в момент нажатия, и происходило ли это непрерывно или дискретно.
• Размер тела: Исследование не проводило точного сравнения влияния разных площадей тела. Возможно, чем меньше площадь, тем слабее чувство владения и короче продолжительность.

В будущих исследованиях планируется использовать непрерывные методы измерения и проводить более точные сравнения размеров и частей тела.

Методы

Участники

В исследовании приняли участие 28 добровольцев (мужчины, средний возраст 22.8 лет, средний рост 169.7 см). Все участники имели нормальное зрение и моторику. Эксперимент был одобрен Этическим комитетом Университета технологий Тоёхаси.

Материалы

Использовались:

• Компьютер для создания визуальных стимулов.
• Шлем виртуальной реальности (HTC Vive Pro Eye) с разрешением 1440x1600 пикселей на глаз и полем зрения 110°.
• Система захвата движений (OptiTrack Prime X 22) с 12 камерами.
• Контроллеры Vive для регистрации нажатий.
• Опросники для оценки владения телом и авторства.
• Зеркало, расположенное перед участником.

Стимулы и условия

Предъявлялись три типа виртуальных тел:

• Полный аватар.
• Аватар без рук и ног.
• Аватар только с руками и ногами.

Виртуальные тела наблюдались от первого лица и двигались синхронно с движениями испытуемого.

Процедуры

Сессия с опросником

Участники адаптировались к виртуальной среде в течение 30 секунд. Затем им предъявлялся виртуальный аватар, и они следовали звуковым сигналам, двигая руками и ногами в течение 1 минуты. После этого они отвечали на вопросы о владении телом и авторстве по 7-балльной шкале.

Сессия измерения времени возникновения и продолжительности

Для участников, чей балл по владению телом был +1 или выше, измерялось время возникновения и продолжительность иллюзии. Участники двигались в течение 1 минуты, и по ощущению, что виртуальное тело является их собственным, нажимали кнопку на контроллере. Они продолжали удерживать кнопку, пока ощущение сохранялось. Время первого нажатия фиксировалось как время возникновения, а общее время удержания кнопки – как продолжительность.

После каждой сессии участники снимали HMD и выполняли движения в течение 30 секунд для устранения остаточного чувства владения.