TENS and VR for exploring bodily self-consciousness

Introduction Empirical research has shown that the perception that one has of the own body is influenced by the external stimuli presented to him. In this study field, the famous Full Body Illusion (FBI) experiment was conducted involving a subject standing and looking at a mannequin from its back, through a display placed over his eyes. At some point, the individual feels a stroking on his back while contemporary seeing a stick moving on the mannequin’s back: these represent a tactile and a visual stimulus, respectively. It was demonstrated that when these two were synchronized in time, the subject thought that the fake body was his own one, experiencing what is called Illusory Embodiment; the same, instead, did not happen when they were not matching in time (asynchronous). This resulted from the combination of the two stimuli, called multisensory integration, such that the “felt sensation” (stick on the real body) seemed to be caused by the “seen stimulation” (stick moving on the fake figure in front). Thus, it was proved that, adjusting the provided inputs, it is possible to modulate someone’s self-perception. The project introduced hereafter analyzed these concepts, exploring whether other sensory combinations could lead to identical results. Specifically, the same test was repeated but, differently from literature, making use of novel technologies to deliver the stimuli, namely Virtual Reality (VR) and Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation (TENS). Materials and Method The crucial elements of the used platform were the two new technologies, in fact, its development focused on two main steps: the design of the Virtual Reality (VR) environment and the one of the Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation (TENS). The former is a technology able to generate simulated experience either similar to or completely different from the real world. It was employed for the definition of the surrounding environment: it consisted of a room with simple furniture and a virtual character located in the middle of it in such a way that the real subject was positioned 2 meters behind, seeing it from its back. The use of Virtual Reality was justified by the huge variable manipulation and control enabled by this system; every detail, indeed, such as objects’ position or events’ timing, could be finely regulated. Its realization made use of Unity3D software for the virtual world programming, combined with VR hardware from HTC Vive: a headset placed on the participant head, inserting him in the virtual room, two controllers held in the hands to both localize them and interact with the system and three trackers (two on the feet and one on the chest) to follow these body parts’ movements. The latter, instead, consisted of an electric current used to replace the standard touch stimulus, seen in previous studies, because of its being poorly repeatable and controllable in terms of location, timing and intensity. On the contrary, indeed, the electrical signal could be modulated with respect to many parameters (amplitude, frequency and pulsewidth), allowing a fine characterization of the haptic input, able to repeat itself identical over time. This current was delivered using the nerve stimulator RehaMove3: provided with 4 channels, each one connected to a couple of electrodes, it allowed, as a consequence, to contemporary stimulate 4 different locations. The purpose of this project was to demonstrate that the same impact on the manipulation of self bodily perception, observed in literature with a visuo-tactile synchronization, could be reproduced employing a VR-electrical one too. An additional variable inserted in the protocol was Movement: half of the participant took the trial with movement tracking enabled, while the other half had it disabled. In this latter case, subjects were just standing still while in the former one, their actions were followed, thanks to the VR trackers located on their hands, feet and chest, and the virtual body was animated accordingly. As a result, individuals were seeing all their gestures real-time reproduced by the avatar, creating a matching between what they were doing and what they were looking at. The aim of this condition was to check whether also this visuo-motor synchronization could induce the Embodiment feeling. The evaluation of variables’ effects was carried out implementing multiple metrics, both qualitative and quantitative. The former were represented by questionnaires, retrieved from literature, dealing with the concepts of embodiment and consciousness towards the own body. The latter were the self-localization drift, the dominance time in Continuous Flash Suppression (CFS), the level of Skin Conductance Response (SCR) and the Peri-Personal Space (PPS). All these measures were acquired directly during the VR sessions to avoid any interaction with the real environment that could have added sensory stimulation irrelevant to the experiment. Gathered data were then analyzed doing comparisons between different stimulation cases, using non-parametric statistical tests (Wilcoxon signed rank and Kruskal-Wallis). These evaluated whether data points could come from the same distribution (indicating the two conditions were similar) or not (meaning that a significant difference existed between the two conditions). Results and Discussion In the presented work, the existence of multiple stimuli integrated together was proved to be fundamental for the generation of an illusory embodiment, that is a wrong personification with an external figure. This was possible thanks to an additional tested condition where the subject was just staring at the body in front of him without receiving any input. Resulting ineffective in inducing such phenomenon, this circumstance ruled out the possibility that the only vision of a body in the front space could trigger a mis-identification; as a consequence, it confirmed the essential presence of at least two different signals. After that, stimuli time congruence was manipulated in order to repeat the same tests already developed in literature: synchronous vs asynchronous. Their outcomes were compared and turned out to be identical: an illusory identification was triggered when visual and electrical stimuli were congruent in time. Obtaining uniform results, it was affirmed that, despite of the technologies used to provide the stimuli, a body illusion was induced just in case these latter were synchronized in time and not when a mismatch was instead present. This finding certified TENS as a valid input in body illusion studies, opening many possibilities for further studies because, being finely controllable and flexible, it allows to overcome the limits of a human delivered touch, encountered while going through literature. Another investigated variable was the extension of the TENS input: in some cases current was delivered only to 1 limb (right foot), in some others, instead, to all the 4 ones. What was noticed is that a similar Full Body Illusion was induced in both alternatives meaning that no significant impact was provoked by the stimuli size. This is an interesting point as enables to use this platform for people with limb impairments, such as post-stroke patients, for who it may not be possible to have a 4 Limbs stimulation. Final relevant discoveries regarded movement: actions of the real subject could be either tracked and real-time repeated by the virtual one, or not. The visuo-motor congruence observed in the first circumstance, similarly to the visuo-electrical one, was suggested as a valid trigger for a mis-identification experience with an external body, particularly stimulating a strong sense of agency and control towards it. The same behavior, instead, was not registered in the second situation, where tracking was disabled. The conclusion in this case was that a visuo-motor matching could be used to induce a FBI experience, analogous to a visuo-electrical one. To conclude, one last situation was assessed where a double synchronicity was inserted: both the electrical and the motion one. However, movement effect was weaker under this circumstance, due to the fact that the Full Body Illusion is a binary event, meaning that, once it is induced with a couple of congruent stimuli, it cannot be enhanced by adding other sensory modalities.

Introduzione La ricerca empirica ha mostrato come la percezione che una persona ha del proprio corpo sia influenzata dagli stimoli esterni che gli vengono presentati. In questo campo di analisi è stato condotto un famoso esperimento, noto come Full Body Illusion (FBI), nel quale un soggetto si trova in piedi e, attraverso uno schermo posto sugli occhi (visore), guarda un manichino di fronte a sé, visto da dietro. Ad un certo punto l’individuo sente un tocco sulla sua schiena e, contemporaneamente, vede un bastoncino muoversi sulla schiena del manichino: questi rappresentano rispettivamente lo stimolo tattile e quello visivo. È stato dimostrato che, nel caso in cui questi siano sincronizzati nel tempo, il soggetto pensa che il corpo ”finto” davanti a lui sia il suo, sperimentando quella che viene definita Personificazione Illusoria; la stessa cosa, invece, non avviene quando gli stimoli non sono contemporanei (asincroni). Questo fenomeno è dato della combinazione dei due stimoli, chiamata integrazione multisensoriale, tale per cui la sensazione “percepita” (bastoncino sul corpo “reale”) sembra essere causata da quella “vista” (bastoncino sul corpo “finto”, di fronte). Di conseguenza, viene dimostrato come, regolando gli input forniti al soggetto, sia possibile modulare la sua auto-percezione. Il progetto qui introdotto ha analizzato questi concetti, investigando se altre combinazioni sensoriali potessero condurre a simili risultati. Nello specifico, lo stesso test è stato ripetuto ma, a differenza di quanto fatto in letteratura, sono state utilizzate tecnologie innovative per fornire gli stimoli, ovvero la realtà virtuale e la stimolazione elettrica transcutanea dei nervi. Materiali e Metodi Gli elementi fondamentali della piattaforma utilizzata sono le due nuove tecnologie; infatti, il suo sviluppo si è concentrato su due passaggi cruciali: il design dell’ambiente di realtà virtuale e quello della stimolazione elettrica. La prima è una tecnologia in grado di generare un’esperienza “simulata”, sia simile che completamente diversa dal mondo reale. Questa è stata sfruttata per la definizione dell’ambiente circostante: quest’ultimo consisteva in una stanza con un arredamento semplice e un personaggio virtuale al centro, in modo tale che il soggetto “reale” fosse posizionato 2 metri indietro e lo osservasse dal retro. L’uso della realtà virtuale è stato giustificato dal fatto che quest’ultima consente un’enorme manipolazione e controllo delle variabili; ogni dettaglio, infatti, come la posizione degli oggetti e la tempistica degli eventi, poteva essere regolata finemente. La sua realizzazione ha previsto l’utilizzo del software Unity3D per la programmazione del mondo virtuale, combinato con un set hardware fornito da HTC Vive: un visore posizionato sulla testa del partecipante, che lo inserisce nella stanza virtuale, due telecomandi, tenuti nelle mani, impiegati sia per localizzare queste ultime nello spazio, sia per interagire con il sistema e infine tre tracker (due sui piedi e uno sul petto) per seguire i movimenti di questi segmenti corporei. La seconda tecnologia, invece, consiste in una corrente elettrica impiegata al posto dello stimolo tattile standard, risultato essere scarsamente ripetibile e controllabile in termini di posizione, tempistica e intensità negli esperimenti precedenti. Al contrario, infatti, il segnale elettrico poteva essere modulato rispetto a diversi parametri (ampiezza, frequenza e pulsazione), permettendo una precisa caratterizzazione dell’input tattile, in grado di ripetersi in maniera identica nel tempo. Questa corrente è stata erogata attraverso lo stimolatore RehaMove3: essendo fornito di 4 canali, ognuno collegato ad una coppia di elettrodi, consente di stimolare contemporaneamente 4 punti differenti. L’obiettivo prefissato da questo progetto era quello di dimostrare come, impiegando una sincronizzazione di realtà virtuale e corrente elettrica, fosse possibile ottenere un effetto sulla manipolazione della percezione del proprio corpo, identico a quello osservato in letteratura tramite una coordinazione visuo-tattile. Una variabile aggiuntiva inserita nel protocollo è il Movimento: la metà dei partecipanti hanno svolto il trial con il tracciamento motorio attivo, mentre l’altra metà disattivo. In quest’ultimo caso, i soggetti erano semplicemente in piedi fermi, mentre nel primo le loro azioni venivano tracciate grazie ai tracker della realtà virtuale posizionati su mani, piedi e petto, e il corpo virtuale veniva animato allo stesso modo. Come risultato gli individui vedevano tutte le loro azioni riprodotte in tempo reale dall’avatar; si creava cos`ı una corrispondenza tra ciò che essi facevano e vedevano. L’obiettivo di questa condizione era quello di controllare se anche questa sincronizzazione visuo-motoria potesse indurre una sensazione di Personificazione. La valutazione dell’effetto delle variabili è stata condotta tramite l’implementazione di varie metriche, sia qualitative che quantitative. Le prime erano rappresentate da questionari, ricavati dalla letteratura, riguardanti i concetti di personificazione e coscienza verso il proprio corpo. Le seconde, invece, consistevano in: auto-localizzazione spaziale, tempo di dominanza durante la Continuous Flash Suppression (CFS), livello di conduttanza cutanea e Peri-Personal Space (PPS). Tutte queste misure sono state acquisite direttamente durante la sessione di realtà virtuale per evitare ogni interazione con l’ambiente reale che potesse aggiungere stimolazione sensoriale irrilevante per l’esperimento. I dati raccolti sono stati poi analizzati tramite confronti tra i diversi casi di stimolazione, usando test statistici non parametrici (Wilcoxon signed rank e Kruskal-Wallis). Attraverso questi veniva valutato se i dati potessero provenire dalla stessa distribuzione (indicando che le due condizioni erano simili) o meno (segnalando l’esistenza di una differenza significativa tra le due condizioni). Risultati e Discussione Nel lavoro presentato di seguito, la contemporanea presenza di più stimoli integrati insieme è risultata essere l’elemento fondamentale per la generazione di una Full Body Illusion (FBI) con una figura esterna. Questo è stato osservato grazie all’aggiunta di un’ulteriore condizione testata, dove il soggetto semplicemente fissava il corpo di fronte a sé, senza ricevere alcun input. Poiché questa circostanza è risultata non essere in grado di indurre una FBI, ha permesso di escludere la possibilità che potesse essere la sola visione di un corpo nello spazio di fronte a sé a stimolare una scorretta identificazione; confermando l’essenziale compresenza di almeno due diversi segnali. In seguito, la congruenza temporale degli stimoli è stata manipolata così da ripetere gli stessi test già svolti in letteratura: sincrono e asincrono. I loro esiti sono stati confrontati, rivelandosi identici: un’identificazione illusoria veniva innescata quando gli stimoli visivi ed elettrici erano temporalmente allineati. Ottenendo gli stessi risultati, è stato affermato che, indipendentemente dalle tecnologie utilizzate per fornire gli stimoli, un’illusione corporea viene indotta solo nel caso in cui questi ultimi siano sincronizzati nel tempo e non quando, invece, è presente una discrepanza. Questa scoperta ha validato la TENS come input efficace per gli studi di illusione corporea, aprendo diverse possibilità per lavori futuri poiché, essendo finemente controllabile e flessibile, consente di oltrepassare i limiti di un tocco eseguito da un essere umano, già incontrati in letteratura. Un’altra variabile investigata riguarda l’estensione della TENS: in alcuni casi la corrente veniva somministrata solo ad un arto (piede destro), in altri, invece, a tutti e 4. Ciò che è stato notato è che la risultante Full Body Illusion era simile per entrambe le alternative, dimostrando come la dimensione degli stimoli non provocasse un impatto significativo. Questo aspetto è particolarmente interessante dal momento che consente di utilizzare questa piattaforma per persone con disabilità agli arti, come pazienti post-ictus per i quali potrebbe non essere possibile avere una stimolazione completa ai 4 arti. Ulteriori scoperte rilevanti riguardano il movimento: le azioni del soggetto “reale” potevano essere tracciate e ripetute in tempo reale da quello “virtuale”, o meno. La congruenza visuo-motoria osservata nella prima circostanza, simile a quella visuo-elettrica, è risultata un valido innesco per un’esperienza di errata auto-identificazione con un corpo esterno, stimolando in modo particolare un forte senso di padronanza e controllo verso quest’ultimo. Lo stesso comportamento, invece, non è stato registrato nella seconda situazione, dove il tracciamento era disabilitato. La conclusione, in questo caso, era che anche una corrispondenza visuo-motoria potesse indurre tale illusione, analogamente ad una visuo-elettrica. Per concludere, un’ultima situazione è stata valutata, inserendo una doppia sincronia: sia elettrica che motoria. Tuttavia, l’effetto del movimento in quest’ultimo caso risultava indebolito; questo comportamento è dato dal fatto che la Full Body Illusion è un evento binario, il che indica come, una volta indotta con una coppia di stimoli conformi, non possa essere aumentata aggiungendo altre modalità sensoriali.