Часть 2 | Использование VR для улучшения устойчивости у пожилых людей в искажённых визуальных условиях

Post-hoc анализы показали, что при открытых глазах использование высокочастотной энергии в переднезаднем направлении было на 47% ниже, чем при закрытых глазах (p<0,001) (рис. 1). В переднезаднем направлении участники использовали значительно больше энергии по сравнению с боковым направлением: на 264% больше общей энергии при закрытых глазах (p<0,001), на 257% больше при открытых глазах (p<0,001); на 194% больше низкочастотной энергии при закрытых глазах (p<0,001), на 265% больше при открытых глазах (p<0,001); на 405% больше высокочастотной энергии при закрытых глазах (p<0,001) и на 217% больше при открытых глазах (p<0,001).

В отношении физического состояния участники с более высоким уровнем физической активности, согласно оценкам опросника Френдина/Гримби, использовали меньше низкочастотной энергии в переднезаднем направлении во время первого VR сеанса (p = 0,033, rs = -0,427). Значимой связи между уверенностью в равновесии, измеренной по шкале ABC, и энергией, использованной во время первого VR сеанса (p> 0,198) и пятого VR сеанса (p> 0,093), выявлено не было (таблица S1). Стимулы VR вызвали тошноту у 33% участников в некоторых сеансах, однако это не было связано со стабильностью как на первом, так и на пятом VR сеансах (p> 0,410). (Таблица S1 или ST)

Таблица S1: Влияние различных факторов на использование энергии во время сеансов VR

Данное исследование показывает, что здоровые пожилые люди способны быстро адаптироваться к искажающим визуальным средам, создаваемым 3D VR-видео. Это проявляется в значительном снижении использования энергии как в переднезаднем, так и в боковом направлениях в течение пяти VR-сеансов, проводимых с интервалом в 10 минут. Таким образом, центральная нервная система смогла адаптироваться к информации, полученной из повторных VR-экспозиций, и разработать соответствующие стратегии движения, которые положительно повлияли на постуральную устойчивость в обоих направлениях. Однако, несмотря на то, что пожилые люди значительно уменьшили использование энергии в обоих направлениях, значительно более высокая степень адаптации в боковом направлении по сравнению с переднезадним может указывать на приоритет улучшения устойчивости в боковом направлении у пожилых людей. Поскольку как боковая устойчивость [31, 32], так и переднезадняя [33, 34] были определены как факторы риска падений у пожилых людей, важно отметить, что VR предоставляет метод, позволяющий справиться с многомерными недостатками постуральной устойчивости у данной возрастной группы. Примечательно, что во время первого VR-сеанса постуральная устойчивость была более значительно нарушена в боковом направлении по сравнению с переднезадним (увеличение общей энергии на 612% в боковом направлении против 150% в переднезаднем направлении по сравнению с контрольным тестом с открытыми глазами). На пятом VR-сеансе устойчивость по-прежнему была значительно затронута в обоих направлениях, однако разница между ними стала менее выраженной (увеличение общей энергии на 142% в боковом направлении против 72% в переднезаднем направлении по сравнению с контрольным тестом с открытыми глазами).

Когда здоровые молодые люди подвергались воздействию видеостимулов VR в течение 5 сеансов с использованием аналогичного протокола, результаты были схожи с полученными в данном исследовании: быстрая адаптация приводила к снижению использования энергии как в переднезаднем, так и в боковом направлениях [16]. Однако у молодых людей адаптация была более выражена в переднезаднем направлении, а их реакция на видеостимулы VR была в целом гораздо сильнее. Одной из возможных причин этого различия может быть то, что показанная молодым людям визуальная среда побуждала их использовать иной паттерн реакции и адаптации, который казался им более подходящим для выполнения захватывающих визуальных задач. В данном исследовании с участием пожилых людей участникам демонстрировалось видео «прогулки по продуктовому магазину», тогда как в исследовании с молодыми людьми использовалось видео «катания на американских горках». С точки зрения разработки протокола и оценки концепции было бы полезно иметь объективные методы для измерения того, насколько сильно тот или иной VR-фильм нарушает устойчивость в переднезаднем и боковом направлениях. Насколько нам известно, таких объективных методов или мер пока не существует. Однако важной характеристикой захватывающего VR-фильма, по-видимому, является способность вызывать ощущение собственного движения, т.е. «я двигаюсь», а не просто наблюдение за движением окружающей среды, т.е. «я наблюдаю за движением камеры» [35].

Адаптация к среде VR-видео повлияла как на общую, так и на высокочастотную энергию, использованную в обоих направлениях в течение сессий с первого по пятый сеанс VR. Повышенное использование высокочастотной энергии тесно связано с возникновением проблем с равновесием, например, при воздействии проприоцептивной вибрационной стимуляции [36], а также при наличии физиологических нарушений, таких как снижение вибрационной чувствительности и асимметричная вестибулярная функция [27, 37]. Активность в частотном диапазоне >0,1 Гц включает как когнитивно обусловленные ответы обратной связи, так и быстрые рефлекторные реакции на сенсорную информацию, при которых реакционные процессы происходят быстрее, чем их может контролировать когнитивная обработка. В ходе пяти сеансов VR было отмечено значительное снижение высокочастотной активности во всех статистических тестах. Однако в низкочастотном диапазоне уровни энергии были значительно снижены только в анализе GLM ANOVA, но не при пост-хок оценке при сравнении производительности в первом и пятом сеансах VR. Это открытие отличается от результатов, полученных в исследованиях, где молодые люди неоднократно подвергались воздействию VR [16].

Одной из причин этого различия может быть то, что виртуальная реальность, которую смотрели молодые люди, вызывала гораздо более выраженные проблемы со стабильностью, что отражалось в 3–4 раза более высоких уровнях энергии, зарегистрированных во всех исследованных спектральных диапазонах по сравнению с этим исследованием. Таким образом, значительная адаптация, направленная на снижение низкочастотной активности, вероятнее всего происходит в условиях, когда проблемы со стабильностью более остро выражены. Другая причина может заключаться в том, что низкочастотная активность не является прямым ответом обратной связи на индивидуальные нарушения баланса, а включает процессы стратегической оптимизации, например, через изменение постуральной перестройки. Это подтверждается реакцией участников на повторяющуюся гальваническую вестибулярную и вибрационную проприоцептивную стимуляцию [36].

Старение сопровождается дегенеративными процессами, которые негативно влияют на сенсомоторные системы, ухудшая постуральную устойчивость [9–11] и увеличивая риск падений. Адаптация, которая приводит к снижению высокочастотной энергии при нарушениях стабильности, может свидетельствовать об улучшении когнитивных и рефлекторных центральных процессов, отвечающих за обработку искаженной сенсорной информации [27, 38]. Таким образом, виртуальная реальность может стать новым средством реабилитации, позволяющим создавать индивидуальные визуальные среды для различных видов тренировок, что поможет пациентам постепенно улучшать сенсомоторный контроль и стратегии движения, повышая постуральную устойчивость и предотвращая падения.

Уже проведено несколько рандомизированных контролируемых исследований, в которых использовалась иммерсивная VR для реабилитации [14, 39–41]. Эти исследования и систематические обзоры показывают улучшение постуральной устойчивости (например, по результатам постурографии и тестов на функциональный баланс), а также физической работоспособности (например, тест «вверх-и-иди», скорость походки, сила захвата руки и переднее выдвижение) как в группе VR-тренировок, так и в контрольной группе, выполняющей упражнения на равновесие или проходящей традиционную физиотерапию [14, 40, 41]. Таким образом, эти исследования демонстрируют, что, хотя VR-тренировки не превосходят традиционную физиотерапию, они могут быть ценным дополнением к реабилитационным программам, направленным на улучшение баланса.

Также было установлено, что зрение оказывает ограниченное влияние на постуральный контроль во время тестов на спокойную позу, что свидетельствует о том, что пожилые люди не всегда полагаются на зрительную систему как на основной источник информации для поддержания устойчивости в простых условиях. Однако при воздействии искажающих и захватывающих видеороликов VR стабильность была значительно нарушена, что указывает на то, что изначально визуальная информация активно использовалась для контроля устойчивости. Со временем процессы переоценки позволили участникам полагаться на другие сенсорные системы и стратегии для поддержания устойчивости. Наши результаты согласуются с другими исследованиями [42, 43], которые показывают, что при несложных условиях стабильности зрение оказывает ограниченное влияние на постуральные колебания у пожилых людей. Некоторые исследования также предполагают, что пожилые люди могут отдавать приоритет информации от проприоцептивной системы, а не от зрительной, для поддержания устойчивости [44, 45]. Нарушения проприоцептивной системы, такие как снижение точности соматосенсорной информации, могут привести к чрезмерной постуральной неустойчивости и колебаниям у пожилых людей, даже при наличии зрительной информации [27, 38, 43].

В исследовании была рассмотрена взаимосвязь между устойчивостью во время сеансов VR-видео 1 и 5 и уровнем физической активности, а также уверенностью в равновесии. Пожилые люди с более высоким уровнем физической активности, согласно их собственным оценкам, использовали меньше низкочастотной энергии в переднезаднем направлении во время первого сеанса VR-видео, что указывает на важность физической активности для поддержания равновесия. Однако связи между уверенностью в равновесии и устойчивостью во время VR-сеансов обнаружено не было. Это может быть связано с тем, что в этой группе показатель уверенности в равновесии был очень высоким, со средним значением 94% (SD 5,7) по шкале уверенности, специфичной для активности. Это свидетельствует о том, что пожилые люди в данной когорте чувствовали себя практически полностью уверенно в своем равновесии. Таким образом, взаимосвязь между уверенностью в равновесии и устойчивостью в VR может быть более заметной у людей с более низкими показателями уверенности и требует дальнейшего изучения.

Во время просмотра иммерсивного VR-видео возникает сенсорное несоответствие между визуальной иллюзией ходьбы по продуктовому магазину и вестибулярными и соматосенсорными сигналами, которые сообщают, что тело остается неподвижным. Эти особенности VR-видео и возникающее сенсорное несоответствие вызвали тошноту у 33% участников [46]. Однако это состояние не оказало существенного влияния на зафиксированную устойчивость, и, таким образом, мы не обнаружили причинно-следственной связи между возникновением тошноты и наличием у участников значительных проблем с устойчивостью. С концептуальной точки зрения, негативным аспектом является то, что иммерсивная VR часто вызывает тошноту у пожилых людей. Такая реакция на визуальные искажения может свидетельствовать о том, что центральная нервная система испытывает трудности с обработкой определенной визуальной информации, хотя это не проявляется как недостаток сенсомоторного контроля.

Одним из ограничений нашего исследования является то, что мы не использовали тот же фильм VR, который применялся в исследовании эффективности VR-протокола у молодых людей [16]. Основная причина заключается в том, что фильм, показанный молодым участникам, был настолько захватывающим, что у многих возникала сильная нестабильность, требовавшая вмешательства операторов, чтобы предотвратить падения. Мы посчитали неэтичным подвергать пожилых людей аналогичным рискам и решили изучить, может ли фильм VR с иллюзией более медленного движения вызвать значительные реакции постурального контроля, измеренные с помощью постурографии.

Другим ограничением является то, что мы исследовали только краткосрочные эффекты воздействия VR-видео. Однако виртуальная реальность может также иметь долгосрочные положительные эффекты, такие как улучшение функциональных возможностей в повседневной жизни и профилактика падений. Мы признаем необходимость проведения долгосрочных исследований, но такие исследования должны использовать наиболее эффективные протоколы. Целью нашего исследования было изучение характеристик, которые следует включить в такие протоколы: оптимальная продолжительность сеансов, подходящие фильмы VR для разных возрастных групп, возможные побочные эффекты, такие как тошнота, и т. д.

В это исследование не была включена контрольная группа, не подвергавшаяся воздействию VR. Наш дизайн предусматривал два контрольных теста (стойка с открытыми и закрытыми глазами), чтобы каждый участник выступал в качестве своего собственного контроля для оценки систематического эффекта VR-стимулов. Однако эти контрольные тесты проводились после сеансов VR, что могло повлиять на результаты. В будущих исследованиях мы рекомендуем проводить контрольные тесты до сеансов VR или чередовать их случайным образом до и после сеансов.

Еще одним ограничением было отсутствие адаптера для очков в гарнитуре VR, который позволил бы участникам носить свои собственные очки во время эксперимента. Исследование Хуанга и коллег показало, что миопия может ухудшать постуральную устойчивость во время тестов на статическое равновесие [47], поэтому мы не можем быть уверены, повлияло ли отсутствие очков на результаты. Тем не менее, даже без очков мы зафиксировали значительное снижение энергии, необходимой для поддержания равновесия с первого по пятый сеанс, что указывает на адаптацию. В будущем мы рекомендуем использовать адаптер для очков, чтобы минимизировать вероятность ошибок.

Еще одно ограничение заключается в том, что мы не проводили оценку когнитивных функций участников. Когнитивные нарушения могут влиять на равновесие и увеличивать риск падений [48], поэтому мы не можем с уверенностью сказать, были ли у кого-либо из участников когнитивные нарушения. Однако все участники смогли самостоятельно добраться до лаборатории, что может свидетельствовать о достаточном уровне когнитивных функций.

Наконец, наше исследование было направлено на изучение того, как здоровые пожилые люди справляются с искаженной визуальной информацией. Полученные результаты нельзя обобщать на группы людей с нарушениями или заболеваниями, влияющими на постуральный контроль.

Таким образом, необходимы дальнейшие исследования, чтобы выяснить, как пожилые люди с различными патологиями адаптируются к визуальным стимулам в условиях иммерсивной виртуальной реальности, а также для изучения потенциального применения VR в тренировках равновесия и реабилитации.

Повторное воздействие иммерсивных стимулов виртуальной реальности у здоровых пожилых людей может привести к адаптации, которая значительно снижает затраты энергии на поддержание постуральной устойчивости в условиях визуальных искажений. Эта адаптация была многонаправленной, немедленной и синхронной, с более выраженным снижением энергии в боковом направлении по сравнению с переднезадним. Выяснилось, что зрение оказывает ограниченное влияние на постуральный контроль во время тестов на спокойную позу, что указывает на то, что пожилые люди не всегда полагаются на зрение как на основной источник информации для поддержания устойчивости в простых условиях. Однако под воздействием искажающих иммерсивных видеороликов виртуальной реальности их стабильность значительно ухудшалась, что говорит о том, что изначально визуальная информация играла ключевую роль в контроле за устойчивостью, пока процессы переоценки не привели к большему доверию к другим сенсорным системам и стратегиям поддержания равновесия. Тошнота, возникавшая во время просмотра VR-видео, не повлияла на постуральную устойчивость, однако, учитывая, что 33% участников испытали тошноту в результате воздействия видеороликов, этот эффект следует учитывать при работе с пожилыми людьми в условиях иммерсивной визуальной среды.

Оригинальная статья по ссылке.

Вклад Концептуализация: Дженни А. Лмквист Наэ, Монс Магнуссон, Ева Эквалл Ханссон. Финансирование приобретения: Ева Эквалл Ханссон.
Расследование: Дженни А. Лмквист Наэ, Анастасия Нистром, Франческа Луччини. Методология: Дженни А. Лмквист Наэ, Монс Магнуссон, Ева Эквалл Ханссон. Администрация проекта: Ева Эквалл Ханссон.
Ресурсы: Монс Магнуссон, Ева Эквалл Ханссон.
Супервизия: Дженни А. Лмквист Наэ, Ева Эквалл Ханссон.
Проверка: Дженни А. Лмквист Наэ, Ева Эквалл Ханссон.
Написание сценария – первоначальный вариант: Дженни А. Лмквист Наэ, Ева Эквалл Ханссон.
Написание, рецензирование и редактирование: Дженни А. Лмквист Наэ, Анастасия Нистро, Франческа Луччини, Монс Магнуссон, Ева Эквалл Ханссон.