Sledovanie mozgovej aktivity pri hraní VR digitálnych hier umožňuje skúmať, ako mozog spracúva pohyb, priestor, pozornosť, stres, rozhodovanie aj pocit vlastného tela v imerzívnom prostredí. Virtuálna realita je počítačom generované digitálne prostredie, v ktorom človek zažíva tzv. imerziu, teda ponorenie sa do prostredia, a vďaka tomu môže vzniknúť pocit prítomnosti - „the sense of being there“.
Pri dostatočne presvedčivej simulácii môže mozog vlastnosti virtuálneho tela spracovávať tak, akoby išlo o vlastné biologické telo. Práve preto sa VR hry využívajú nielen na zábavu, ale aj na výskum neuroplasticity, pozornosti, pracovnej pamäti, priestorovej navigácie, kognitívnej záťaže a rehabilitácie.
Ako sa pri hraní VR hier sleduje mozog
Najčastejšou metódou pri sledovaní mozgovej aktivity v reálnom čase je elektroencefalografia, teda EEG. EEG meria elektrickú aktivitu mozgu pomocou elektród umiestnených na hlave. Pri spojení s imerzívnym zážitkom VR poskytuje detailný pohľad na neuronálne reakcie na rôzne podnety vo virtuálnom prostredí.
Výskumníci z University of Texas at Austin upravili komerčný VR headset tak, aby obsahoval neinvazívny systém na meranie mozgovej aktivity. EEG elektródy zabudovali do horného pásku a čelného vankúšika headsetu, pričom flexibilný obvod a zariadenie na záznam EEG sa nachádzali na zadnej strane.
Bežné EEG riešenia často vyžadujú čiapku s elektródami, ktorá nie je kompatibilná s VR headsetom. Konvenčné elektródy navyše môžu mať problém vytvoriť dostatočné spojenie s pokožkou hlavy, najmä pre prekážku v podobe vlasov. Výskumný tím preto vyvinul mäkké vodivé elektródy, ktoré umožňujú pohodlnejšie a dlhšie používanie.
| Metóda | Čo umožňuje sledovať |
|---|---|
| EEG | Elektrickú aktivitu mozgu a časový priebeh neuronálnych reakcií |
| fMRI | Zmeny aktivity v konkrétnych oblastiach mozgu a ich vzájomnú komunikáciu |
| Sledovanie pohybu | Poloha hlavy, tela, rúk a reakcie na virtuálne podnety |
| VR testy a hry | Pozornosť, pamäť, navigáciu, rozhodovanie a kognitívnu záťaž |
Funkčná magnetická rezonancia sa používa najmä v laboratórnych podmienkach, pretože umožňuje porovnať aktivitu mozgu pred tréningom a po ňom. EEG je vhodnejšie na záznam počas samotnej interakcie, pretože poskytuje vysoké časové rozlíšenie a možno ho integrovať priamo do headsetu.
Prečo je VR vhodné na neurovedecký výskum
Virtuálna realita poskytuje bezpečné a kontrolovateľné prostredie, v ktorom možno opakovať experimentálne situácie bez nežiaducej zmeny pôsobiacich podnetov. Umožňuje tiež nastaviť intenzitu a charakter podnetov a systematicky zaznamenávať reakcie používateľa.
VR prostredie môže mať podobu triedy, akvária, dopravnej situácie, leteckého simulátora, hernej arény alebo rozsiahleho priestoru určeného na navigáciu. Výskumník v ňom môže presne kontrolovať rušivé elementy, náročnosť úloh, časový tlak, pohyb avatarov aj zvukové a vizuálne podnety.
Z technického hľadiska virtuálna realita pozostáva z rôznych vstupno-výstupných komponentov. Základom je zobrazovacia jednotka, vo väčšine prípadov VR helma alebo iný Head-Mounted Display. K nej možno pripojiť senzory na sledovanie polohy tela, rukavice, ovládače, volant, oblek či bežecký pás.
Moderné VR headsety ponúkajú presné sledovanie pohybu, nízku latenciu a realistické trojrozmerné prostredia, ktoré mozog často interpretuje ako skutočný priestor. Takéto vlastnosti zvyšujú ekologickú validitu výskumu v porovnaní s klasickými testami na plochej obrazovke.
Virtuálne telo a zmena telesnej reprezentácie
Virtuálna realita dokáže meniť spôsob, akým mozog vníma vlastné telo. Nový experiment čínskych vedcov ukázal, že po niekoľkých hodinách vo VR prostredí začali dobrovoľníci reagovať na virtuálne krídla podobne, ako keby išlo o skutočné časti ich tela.
Výskumníci z Beijing Normal University a Peking University sa zamerali na okcipitotemporálnu kôru, známu ako OTC. Táto časť mozgu zohráva kľúčovú úlohu pri vizuálnom rozpoznávaní častí tela, napríklad rúk alebo nôh.
Vedci vytvorili VR systém, v ktorom účastníci namiesto rúk videli veľké operené krídla. Krídla simulovali realistickú aerodynamiku a reagovali na pohyb používateľa tak, aby pôsobili čo najpresvedčivejšie.
Experiment absolvovalo 25 dobrovoľníkov počas jedného týždňa. Každý účastník absolvoval štyri 30-minútové tréningové sedenia. Vo virtuálnom prostredí plnili úlohy podobné leteckému simulátoru, napríklad prelietavali cez kruhy vo vzduchu alebo manévrovali v priestore pomocou pohybov tela.
Počas celej skúsenosti nevideli vlastné ruky, pretože VR systém ich úplne nahradil krídlami. Vedci následne porovnali snímky mozgu získané pomocou funkčnej magnetickej rezonancie pred tréningom a po ňom.
Výsledky ukázali výraznú zmenu v aktivite OTC oblasti. Mozog po tréningu reagoval na obrázky virtuálnych krídel silnejšie než pred experimentom a nervové vzory pri pohľade na krídla sa začali podobať vzorom, ktoré sa aktivujú pri pohľade na ľudské ruky.
Najvýraznejšie zmeny sa objavili v pravej hemisfére mozgu, ktorá sa často podieľa na spracovaní vizuálnych reprezentácií častí tela. OTC zároveň zosilnila komunikáciu s frontoparietálnymi oblasťami zodpovednými za plánovanie a koordináciu pohybu.
Mozog teda nezačal krídla iba „vidieť“, ale postupne ich začal zapájať aj do systémov riadiacich pohyb. Vedci však zdôrazňujú, že mozog ešte nezačal považovať krídla za plnohodnotnú náhradu ľudských rúk.
Aktivita sa stále viac podobala reakciám na nástroje alebo zvieracie chvosty než na skutočné končatiny. Posun však bol jednoznačný, pretože už niekoľko hodín intenzívnej VR skúsenosti stačilo na merateľnú reorganizáciu mozgových procesov.
VR hry, EEG a meranie pozornosti
Výskumníci na University of Texas at Austin vytvorili VR hru, ktorá simuluje jazdu a hodnotí, ako pozorne používatelia spracúvajú a vykonávajú príkazy na otáčanie, zatiaľ čo EEG priebežne zaznamenáva mozgovú aktivitu.
Takýto typ hry umožňuje sledovať, kedy používateľ zaregistruje podnet, ako rýchlo naň reaguje a či sa pri rozhodovaní zvyšuje kognitívna záťaž. Záznam EEG možno porovnať s pohybom hlavy, reakciami ovládača, úspešnosťou úloh a chybami.
VR prostredie je pritom imerzívnejšie než činnosť na veľkej obrazovke. Používateľ dostáva realistickejší zážitok a technológia umožňuje presnejšie skúmať, ako mozog reaguje na prostredie, v ktorom sa človek cíti fyzicky prítomný.
Jednou z aplikácií tejto technológie je výskum interakcie medzi ľuďmi a robotmi. Používateľ môže sledovať udalosti z pohľadu robota pomocou VR headsetu a výskumníci môžu počas dlhšieho pozorovania zaznamenávať kognitívnu záťaž.
Ak človek vidí očami robota, možno lepšie skúmať jeho reakcie na robota a sledovať bezpečnosť operátora v prípade potenciálnych nehôd. Rovnaký princíp sa môže uplatniť pri ovládaní robotických ramien, dronov alebo exoskeletov.
Čo ukazujú výskumy hrania digitálnych hier
Približne tisíc ľudí z celého sveta sa zúčastnilo špeciálnych testov mozgu a odpovedalo na otázky týkajúce sa svojho životného štýlu. Hráči dosiahli lepšie výsledky v testoch pamäti, pozornosti a uvažovania v porovnaní s ľuďmi, ktorí videohry nehrali.
Videohry predstavujú súbor problémov. Čím komplexnejší problém, tým viac musia zapojiť mozgové bunky. Štúdia zistila, že hráči, ktorí hrajú viac ako päť hodín týždenne, majú posilnenú krátkodobú pamäť a celkové myslenie.
Za najviac prínosné sa považujú strategické hry. Veľa mladých ľudí sa vďaka videohrám učí aj cudzí jazyk, keďže veľká väčšina z nich je v angličtine.
Medzinárodný tím vedcov z Holandska, Nemecka a Švédska analyzoval údaje takmer desaťtisíc amerických detí vo veku 9 až 10 rokov. Deti uvádzali, že denne v priemere strávia dve a pol hodiny pozeraním televízie alebo videí, hodinu hraním videohier a pol hodinu interakciou cez internet.
O dva roky neskôr vedci znovu vyhodnotili údaje od viac než päťtisíc z týchto detí. Zistili, že deti, ktoré hrali videohry dlhšie než bol priemer, zaznamenali vyšší nárast v skóre IQ.
Išlo o nárast o 2,5 bodu nad priemer bežného vývoja v danom veku. Rozdiel síce nebol dramatický, no bol štatisticky významný, pretože analýza zohľadňovala aj genetické predispozície a sociálno-ekonomické zázemie.
Zvýšenie IQ vychádzalo z výkonu detí v úlohách zameraných na čítanie s porozumením, vizuálno-priestorové schopnosti, pracovnú pamäť, flexibilné myslenie a schopnosť samoregulácie. Tieto oblasti patria medzi kľúčové komponenty fluidnej inteligencie, teda schopnosti riešiť nové úlohy bez predchádzajúcej skúsenosti.
Iné formy digitálneho trávenia času, ako sledovanie videí alebo aktivity na sociálnych sieťach, nevykazovali žiadny merateľný vplyv na kognitívny výkon detí - ani pozitívny, ani negatívny.
Výskum však nezohľadňoval všetky možné účinky digitálneho správania. Dôležitá je aj kvalita spánku, úroveň fyzickej aktivity, celková pohoda alebo školské výsledky, ktoré môžu byť pri nadmernej obrazovkovej záťaži ohrozené.
Význam herných úloh pre mozgové funkcie
Štúdie ukázali, že ľudia, ktorí hrali videohry, boli o 27 % rýchlejší a mýlili sa o 37 % menej. Hry založené na pohybe pomáhajú ľuďom s Parkinsonovou chorobou a po dvanástich týždňoch hrania malo 55 % testovaných ľudí lepšiu stabilitu tela, rýchlosť chôdze a dlhšie kroky.
Hranie môže znižovať hodnotu kortizolu, stresového hormónu. Hra Bejeweled dokázala znížiť stresovú aktivitu o 54 %. Hráči boli o 20 % efektívnejší v testoch vnímania a poznávania a dokázali sa sústrediť na šesť vecí naraz, zatiaľ čo ľudia, ktorí nehrali, iba na štyri.
Niekoľkohodinové hranie hier môže viesť k zlepšeniu presnosti pri tabuľkových vyšetreniach. Hranie hier môže tiež odvádzať pozornosť od bolesti, pričom bolesť pacientov pri popáleninách sa počas hrania znižovala o 50 %.
Jedna štúdia ukázala, že hranie násilných hier zvýšilo toleranciu bolesti na 65 %. Hráči boli o 50 % lepší v plánovaní a rozpoznávaní detailov a deti, ktoré hrali hry, mali silnejšiu mozgovú kôru.
Rýchlejšie reakcie hráčov sa spájali aj s úlohami vyžadujúcimi presné mierenie. Ukázalo sa, že reakčný čas hráčov bol skoro rovnaký ako reakčný čas pilotov bojových stíhačiek.
Pri interpretácii týchto výsledkov je dôležité rozlišovať medzi rôznymi druhmi hier, dĺžkou hrania, vekom hráča a tým, či ide o krátkodobé zlepšenie výkonu alebo dlhodobejšiu zmenu kognitívnych schopností.
VR v diagnostike pozornosti a ADHD
Virtuálna realita sa používa aj pri diagnostike poruchy pozornosti s hyperaktivitou. Za najväčšie výhody možno považovať kontrolovateľné a reprodukovateľné prostredie, ktoré môže byť pre deti a adolescentov zaujímavejšie než tradičné testovanie.
Diagnostika môže mať charakter hry, čo môže byť atraktívne najmä pre deti a mladistvých. Virtuálne prostredie umožňuje systematicky prezentovať a zaznamenať rôzne úlohy a hodnotiť zameranie, udržanie, výberovosť, rozdelenie a prenos pozornosti.
Najčastejšie používaným neuropsychologickým testom pozornosti pri hodnotení symptómov ADHD vo virtuálnej triede sa stal Continuous Performance Test, označovaný ako CPT. V rámci CPT sa hodnotia správne odpovede, počet a charakter chýb, reakčný čas a jeho variabilita.
Pri chybe typu comission error participant reaguje v prípade, keď reagovať nemá, čo je ukazovateľom impulzívnosti. Omission error znamená, že participant nereagoval v prípade, keď reagovať mal.
Výskum ukázal, že CPT vo virtuálnej triede je vhodným prostriedkom na odlíšenie detí s ADHD od neurotypických jednotlivcov. Virtuálny CPT test môže predikovať symptómy ADHD aj u adolescentov a dospelých.
Jedným zo špeciálne vyvinutých nástrojov je Nesplora Aquarium, virtuálny CPT test na hodnotenie exekutívnych funkcií adolescentov a dospelých. Participant je „vnorený“ do virtuálneho akvária a reaguje podľa špecifických inštrukcií týkajúcich sa zrakových a sluchových podnetov.
Výsledky ukázali, že množstvo správnych odpovedí a počet omission chýb predikujú súčasné symptómy ADHD aj symptómy z detstva. Virtuálna realita preto predstavuje rozvíjajúcu sa alternatívu k bežne používaným testom.
VR hry ako nástroj tréningu pozornosti
Virtuálna realita môže byť použitá na zlepšenie kognitívnych a exekutívnych funkcií, najmä prostredníctvom špeciálnych hier, kognitívnych testov a cvičení. Špeciálne počítačové hry môžu podporovať každodenné zručnosti, ako sú manažovanie času, pracovná pamäť a sociálne zručnosti.
Virtuálna realita môže napomáhať opisu a porozumeniu určitej formy správania a môže byť prostriedkom na odstránenie rizikových alebo nebezpečných prejavov správania u detí a adolescentov, napríklad simuláciou dopravných situácií.
Terapeutický softvér môže zlepšiť pracovnú pamäť detí s diagnózou ADHD, dokonca vo väčšej miere než medikácia. Pri výskume s virtuálnou triedou sa pamäť testovala pred intervenciou, po nej aj s odstupom času a kladný efekt sa zachoval.
Virtuálna realita môže slúžiť aj na hodnotenie efektivity tréningu kognitívnych funkcií. Jej výhoda spočíva v tom, že v porovnaní s tradičným spôsobom kontroly a testovania má vyššiu ekologickú validitu.
Výskum, ktorý kombinoval virtuálnu realitu a meranie EEG v špeciálne vyvinutej hre s dinosaurom, ukázal, že účastníci po intervencii vykazovali redukciu oboch druhov chýb v CPT teste. Účastníci však neboli diagnostikovaní, išlo o ľudí s predpokladom diagnózy ADHD.
Ďalší systém využívajúci VR a EEG biofeedback bol zameraný na zvýšenie pozornosti. Odohrával sa vo virtuálnej triede, v ktorej sa kognitívne úlohy postupne sťažovali a boli zamerané na predĺženie pozornosti a zvýšenie jej selektivity.
Výhodou virtuálnej reality je možnosť odstrániť rušivé činitele, zaradiť špeciálne stimuly, zvýšiť koncentráciu a predĺžiť epizódu pozornosti. Metaanalýza intervencií ukázala, že VR je vhodná na zvýšenie udržania pozornosti a vigilancie, zatiaľ čo účinky na impulzivitu a inhibičnú kontrolu nie sú presvedčivé.
Priestorová pamäť a navigácia vo virtuálnom svete
Vedci zlepšili priestorovú pamäť ľudí spojením virtuálnej reality a neinvazívnej hĺbkovej mozgovej elektrickej stimulácie. Tento prístup má potenciál pri liečbe kognitívneho poklesu v dôsledku choroby, starnutia alebo zranenia bez nutnosti využitia liekov alebo chirurgického zákroku.
Výskumníci skúmali účinky transkraniálnej temporálnej interferenčnej elektrickej stimulácie na hipokampálno-entorinálny komplex a jeho vzťah s výkonom priestorovej navigácie. Priestorová pracovná pamäť je schopnosť udržať a spracovať v mysli informácie o polohe objektov v prostredí.
Účastníci mali na hlave štyri elektródy, ktoré stimulovali časti mozgu dôležité z hľadiska priestorovej pamäti, teda hipokampus a entorinálny komplex. Neinvazívna technika vysielala cielené impulzy bez toho, aby účastníkom spôsobila problémy alebo bolesť.
Účastníci absolvovali tri rôzne stimulačné protokoly - prerušovanú stimuláciu theta-burst, kontinuálnu stimuláciu theta-burst alebo žiadnu stimuláciu v kontrolnej skupine. Následne si nasadili VR okuliare a pohybovali sa po rôznych miestach, kde si mali zapamätať kľúčové orientačné body.
Aktivitu mozgu im zároveň zaznamenávali pomocou funkčnej magnetickej rezonancie. Pri elektrickej stimulácii sa účastníci orientovali v priestore efektívnejšie, lepšie si pamätali záchytné body a rýchlejšie nachádzali hľadané predmety.
Vedci predpokladajú, že stimuláciou hipokampu a ďalších oblastí dočasne zvýšili plasticitu mozgu, čo v kombinácii s tréningom vo virtuálnom prostredí viedlo k lepšej priestorovej navigácii.
fatsVR by InVeris - Virtual Reality Public Safety Training System
Možnosti využitia pri protézach a robotických končatinách
Doterajšie štúdie ukazovali, že pri používaní nástrojov alebo protéz si mozog väčšinou zachováva jasnú hranicu medzi telom a externým objektom. Používateľ síce predmet ovláda, no stále ho vníma ako niečo cudzie.
Výsledky výskumu s virtuálnymi krídlami naznačujú, že imerzívna virtuálna realita môže túto hranicu oslabiť výraznejšie než klasické fyzické nástroje. VR tréning by mohol pomôcť pacientom lepšie integrovať umelé končatiny do vlastného telesného obrazu.
Vývojári neuroprotéz už pracujú na systémoch, ktoré spájajú robotické končatiny priamo s nervovou sústavou. Problémom však zostáva, že mozog často nevníma protézu ako prirodzenú súčasť tela.
Podobné princípy skúmajú aj armádne a vesmírne programy. Výskumníci analyzujú, či dokáže človek efektívne ovládať dodatočné robotické ramená, exoskeletony alebo drony pripojené k nervovej sústave.
Plasticita mozgu naznačuje, že ľudský nervový systém nemusí byť obmedzený iba na biologické telo, s ktorým sa človek narodil. VR hra tak môže slúžiť ako tréningové rozhranie medzi mozgom, virtuálnym telom a fyzickým zariadením.
Riziká dlhodobého hrania vo VR
S videohrami sa spája aj nebezpečenstvo závislosti. Klinická diagnóza závislosti sa týka len veľmi malého percenta ľudí, ktorí hrajú videohry, no spozornieť treba vtedy, keď hranie vytvára konflikt s pracovnou, školskou alebo sociálnou sférou.
Pri VR existuje riziko straty orientácie v čase a priestore, sociálneho uzavretia a absencie ľudského kontaktu. Dôležitý je dôraz na psychohygienu a vyvážený životný štýl.
Hranie hier môže viesť k psychickej vyčerpanosti alebo bolestiam hlavy, preto treba nastaviť rozumný čas používania. VR nie je vhodná pre všetky psychické ťažkosti a neodporúča sa napríklad pacientom s epilepsiou, pretože blikajúce svetlo môže vyvolať epileptický záchvat.
Obmedzením môže byť aj očná vada alebo vysoké dioptrie, ktoré komplikujú nosenie VR zariadenia. Pri používaní virtuálnej reality treba zohľadniť aj vek, individuálnu citlivosť na svetelné efekty a schopnosť spracovať intenzívny imerzívny zážitok.
Virtuálna realita nemusí mať pri používaní v domácnosti negatívne následky, ak sa používa rozumne. Riziková však môže byť pre ľudí, ktorí majú sklon k závislostnému správaniu alebo pre ktorých sa virtuálny svet stáva náhradou väčšiny bežných činností.
Budúcnosť sledovania mozgu vo VR
Ak sa podobné systémy stanú bežnou súčasťou práce, vzdelávania alebo sociálnych interakcií, môžu postupne meniť aj samotný spôsob, akým mozog definuje hranice ľudského tela.
Vývoj EEG headsetov kompatibilných s VR môže umožniť sledovať mozgové reakcie mimo laboratória, pri dlhšom hraní, pri spolupráci človeka s robotom alebo pri výcviku v simulovanom prostredí.
VR môže pomôcť pri skúmaní pozornosti, pamäti, priestorovej orientácie, rozhodovania, stresu, bolesti, telesnej reprezentácie a interakcie s umelými končatinami. V kombinácii s EEG, fMRI alebo neinvazívnou stimuláciou mozgu môže vytvoriť presnejšie neurotechnologické rozhrania.
Výskumy zároveň ukazujú, že účinky VR hier nie sú jednotné. Závisia od typu hry, náročnosti úloh, dĺžky hrania, kvality simulácie, veku používateľa a jeho zdravotného stavu. Preto je pri hodnotení vplyvu VR dôležité sledovať nielen výkon v hre, ale aj spánok, fyzickú aktivitu, sociálne fungovanie a celkovú psychickú pohodu.