[论文解读] Assessment of Empathy in an Affective VR Environment using EEG Signals

Maryam Alimardani, Annabella Hermans+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2020

EEG and Brain-Computer Interfaces参考文献 42被引用 8

一句话总结

本研究提出了一种基于脑电信号（EEG）的实时方法，用于评估用户在暴露于描绘家庭暴力的共情虚拟现实（VR）环境时的同理心水平。通过分析额叶和中央脑区的脑电不对称性（α、θ、δ频段），研究发现基线额叶α不对称性与自报同理心评分显著相关，表明EEG在社会智能系统中具备实现被动、连续情绪状态监测的潜力。

ABSTRACT

With the advancements in social robotics and virtual avatars, it becomes increasingly important that these agents adapt their behavior to the mood, feelings and personality of their users. One such aspect of the user is empathy. Whereas many studies measure empathy through offline measures that are collected after empathic stimulation (e.g. post-hoc questionnaires), the current study aimed to measure empathy online, using brain activity collected during the experience. Participants watched an affective 360 video of a child experiencing domestic violence in a virtual reality headset while their EEG signals were recorded. Results showed a significant attenuation of alpha, theta and delta asymmetry in the frontal and central areas of the brain. Moreover, a significant relationship between participants' empathy scores and their frontal alpha asymmetry at baseline was found. These results demonstrate specific brain activity alterations when participants are exposed to an affective virtual reality environment, with the level of empathy as a personality trait being visible in brain activity during a baseline measurement. These findings suggest the potential of EEG measurements for development of passive brain-computer interfaces that assess the user's affective responses in real-time and consequently adapt the behavior of socially intelligent agents for a personalized interaction.

研究动机与目标

• 开发一种在沉浸式VR体验过程中使用EEG进行实时、被动同理心评估的方法。
• 探究脑电活动模式（尤其是EEG不对称性）是否与个体在情感VR暴露过程中的同理心差异相关。
• 探索使用EEG实现人机交互中连续、在线情绪状态监测的可行性。
• 评估基于EEG的指标在个性化社交智能代理（如虚拟化身或社交机器人）交互中的潜力。

提出的方法

• 参与者观看了一段360°的情感VR视频，内容为儿童遭受家庭暴力的情境，同时记录脑电信号。
• 对额叶和中央脑区的α、θ和δ频段的EEG不对称性进行分析。
• 在VR暴露前记录基线EEG活动，以评估与特质性同理心相关的脑区模式。
• 通过暴露后问卷收集同理心评分，并与暴露前的EEG不对称性测量值进行相关性分析。
• 统计分析检验了EEG不对称性与同理心评分之间的关系，重点关注额叶区域。
• 本研究采用被试内设计，使用受控的VR刺激和标准化的EEG采集协议。

实验结果

研究问题

• RQ1 暴露于情感VR环境是否会在额叶和中央脑区引发可测量的EEG不对称性变化？
• RQ2 参与者基线额叶α不对称性与自报同理心评分之间是否存在显著相关性？
• RQ3 基线期的EEG不对称性模式能否预测个体在情感VR体验中的同理心差异？
• RQ4 α、θ和δ频段的EEG信号在多大程度上反映了对VR中同理心刺激的实时情绪加工？

主要发现

• 在暴露于情感VR刺激期间，观察到额叶和中央区域的α、θ和δ不对称性显著减弱。
• 发现基线额叶α不对称性与参与者自报同理心评分之间存在显著正相关。
• 基线期的EEG不对称性模式可预测个体的同理心水平，表明存在特质性神经表征。
• 结果表明，EEG能够在沉浸式VR体验中实时检测同理心的神经生理相关性。
• 本研究证明了使用EEG实现人机交互中被动、连续情绪反应监测的可行性。