基于虚拟现实（VR）与脑电图（EEG）的人类防御反应研究：威胁临近性与可逃逸性对Fight/Flight反应及额叶晚期活动的影响

《Frontiers in Human Neuroscience》：Investigation of human defence responses in a virtual reality environment: an EEG study

　　

捕食者临近性连续体（predatory imminence continuum）呈现感知到的威胁临近性，以可视化猎物面临的风险。大多数人类研究采用静态范式，可能缺乏生态效度并限制防御行为的探索。因此，本研究利用虚拟现实（VR）环境，在威胁临近性和可逃逸性变化的条件下，采用脑电图（EEG）研究Fight/ Flight防御反应及其潜在神经相关物。实验包括一个桌面VR环境，包含训练阶段和实验阶段（5种条件）。条件1至4（除条件5外）包含威胁化身。各条件根据威胁临近性（远端/近端）和参与者的可逃逸性（可逃逸/不可逃逸）而不同。呈现20个试次，每种条件呈现4次。参与者对威胁作出Fight/Flight反应，随后为10-s休息场景和5-s注视。观察到反应时存在显著差异，表明可基于威胁临近性和可逃逸性进行区分。在所有条件中均观察到Fight反应增强。该模式可能反映与真实生活场景相比，防御行为缺乏相关后果。在电生理分析中，事件相关电位（ERP）分析表明所有条件下F1电极的晚期额叶活动存在显著差异。这可能提示在防御反应（Fight或Flight）选择和执行前后时期内存在初步的认知加工。总体而言，研究结果表明，尽管缺乏后果可能在VR场景中更多促进Fight反应，但神经反应可能显示出认知加工差异。

在恐惧与生存机制研究中，捕食者临近性连续体（predatory imminence continuum，PIC）用于描述威胁的心理临近性，并可视化猎物当前风险。Fanselow and Lester 创建该连续体，将其从安全到被捕食风险划分，并大体分为 pre-encounter、post-encounter 和 circa-strike 阶段。威胁临近性不仅依赖物理距离、时间或概率，也依赖与捕食者的心理距离。人类防御反应（Fight/Flight）具有进化意义，影响生存、威胁感知和威胁下决策。然而，真实世界研究存在伦理、方法和实践挑战；文本威胁场景可能缺乏 presence、arousal、生态效度和动态性。虚拟现实（virtual reality，VR）可提供受控且动态的环境，系统研究模拟威胁下的防御反应。以往VR研究多关注对AI捕食者的回避和逃跑，Fight反应最少被探索。因此，研究人员旨在研究不同威胁临近性和可逃逸性条件下的人类Fight/Flight防御反应及其EEG神经相关物。研究假设威胁条件会引发可观察的Fight/Flight防御反应，并因威胁临近性和可逃逸性出现差异；同时纳入VR问卷评估范式效度。此前 Azher et al. 报告屏幕式与头戴式VR表现、可用性、认知负荷和情绪体验可比，因此使用屏幕式VR。Lu et al. 将晚期正电位（late positive potential，LPP）与动作准备和动机参与关联，研究人员据此假设防御反应选择和执行期间额叶LPP活动受调节。研究还基于美国国家精神卫生研究所研究域标准（RDoC）中的负性效价系统，聚焦潜在威胁和急性威胁。

技术方法概括：研究含两个参与者队列。初步研究11名（平均年龄24.72，SD=2.76，18–30岁）；主实验39名（平均年龄22.95，SD=3.73；男31，女8），来自研究机构；行为分析39名，EEG分析29名。纳入正常/矫正视力、正常听力、熟悉英语者，排除色盲、神经/精神疾病史、怀孕、其他医学状况及酒精/精神活性物质影响者；经机构人类伦理委员会批准。初步研究用PsychoPy呈现5个听觉刺激，以SAM评定并选威胁化身音频，标准化距离和速度。VR用Unity构建桌面三维城市四车道，含威胁化身、箱子和听觉刺激，行为数据经MySQL/php记录。EEG为8通道，电极Fp1、Fpz、Fp2、F3、F1、Fz、F2、F4，经Lab Streaming Layer同步。程序含训练和实验阶段，5种条件各4次伪随机；遇威胁后7 s内选Fight或Flight，随后10 s休息和5 s注视。行为用GLMM和线性混合模型；EEG用MNE Python预处理、ICA校正，分析LPP及单电极晚期活动。

4.1 Pre-experiment questionnaires：通过STAI-Y (Trait) 和 PANAS 评估实验前焦虑和情绪。STAI-Y (Trait) 显示中等焦虑（Mean=42.21，SD=10.05），PANAS 正性情绪为35.77±6.87、负性情绪为17.69±6.61，处于常模范围，提示所考察效应不太可能由实验前情绪状态造成。4.1.2 Santa Barbara Sense of Direction Scale：SBSOD 显示中等方向感（Mean=4.57，SD=1.08）。4.2 Post-experiment questionnaires：4.2.1 Body-illusion questionnaire 显示Agency、Self-identification、Self-location为中性，Control略高于中性。4.2.2 I-group presence questionnaire 显示一般存在、空间存在、参与和体验真实性为中性至中等。4.2.3 User experience questionnaire 显示沉浸相当高，负性情绪和紧张轻微，挑战很少，疲劳轻微，感知可用性相当高。4.2.4 Subjective dread ratings 显示近端威胁最高（Mean=7.69，SD=2.05），远端次之（6.77±2.16），pre-encounter为3.18±2.48，安全为2.21±2.25，显示威胁操纵增加感知威胁强度。4.2.5 Virtual reality environment questionnaire 显示真实感、暴力、攻击为中性，对威胁化身恐惧、对接近化身恐惧和脆弱性略高于中性，近端威胁恐惧高于远端，可逃逸和不可逃逸评分均中性。4.3 Behavioural results：4.3.1 Defense responses (Fight and Flight responses)：624试次中防御反应609（97.6%），Fight 424（69.6%），Flight 185（30.4%），无反应15（2.4%）。GLMM显示条件对反应发生无显著影响，对Fight vs Flight选择无显著影响；总体上Fight多于Flight，但相对分布在条件间无显著差异。4.3.2 Reaction time：重复测量ANOVA显示条件间反应时显著差异，F(3,114)=4.63，p<0.01，η_p²=0.11；DTE（2.05±0.84）大于PTNE（1.58±0.74）。线性混合模型显示条件主效应显著，DTE长于PTE和PTNE，DTNE长于PTNE；反应类型主效应及条件×反应交互不显著。4.4 Electrophysiological results：额叶电极簇500–1,000 ms LPP在各条件间无显著差异，F(1.84,51.52)=0.65，p=0.52，η_p²=0.02；探索性单电极分析在1,500–2000 ms窗口发现F1电极显著，F(4,112)=3.11，p=0.02，η_p²=0.10，其他电极无显著差异；该F1效应为未校正多重比较的事后探索，仅描述性，不能作为确认性证据。

讨论部分总结：行为上条件未显著影响Fight vs Flight或反应发生，与动物PIC中近端不可逃逸倾向circa-strike fight、远端可逃逸倾向flight的发现不同。各条件中Fight约为Flight两倍，可能因实验任务在选择防御反应后即结束，无真实后果，降低生存成本–收益，使参与者倾向Fight；其他可能因素包括个体反应偏好、游戏经验和VR中感知能动性。可逃逸性操纵可能弱于威胁临近性操纵，VR问卷显示可逃逸与不可逃逸区分有限，这可能解释无行为差异，因此行为差异不能作为感知可逃逸性效应的明确证据。反应时显著条件差异与威胁评估一致：远端可逃逸有更多时间评估，近端不可逃逸需更快反应，说明威胁操纵影响防御反应时序但不影响选择。EEG方面，额叶簇LPP无显著差异，F1晚期活动可能暂时反映威胁评估相关认知加工，但为事后探索无校正，解释为推测性；LPP无差异可能与可逃逸/控制降低威胁体验及LPP在确定性下更大有关。限制包括小样本、性别不平衡、G*Power基于行为重复测量、ERP试次减少、EEG空间分辨率有限、固定基线等。未来需增加样本和试次、性别平衡、加入防御反应后果、增强可逃逸性操纵、使用HMD提高沉浸，并将主观体验作为协变量。

研究结论翻译：本研究考察了虚拟现实环境中不同威胁条件下的行为威胁防御反应及电生理相关物。行为结果表明，参与者在各条件中选择fight反应比flight反应更频繁。结果提示，防御反应不仅受威胁临近性或迫切性和生物体可逃逸性影响，也受防御反应感知后果影响。然而，反应时在各条件间存在显著差异，表明参与者能够区分不同条件。电生理分析未显示额叶电极簇LPP的显著差异；然而，探索性单电极分析在F1发现显著效应。鉴于主要簇水平分析无效应，该局部效应应谨慎解释。虽然它可能提示对威胁刺激的认知加工，仍需进一步研究确定功能意义。总之，这些发现为虚拟现实环境中威胁临近性连续体和防御反应背后的行为差异提供见解，而神经机制证据仍为探索性。