Disney Research Pionier neue Grenzen mit Virtual Reality

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Wissenschaftler der Forschungsabteilung von Walt Disney Company sind wegweisende innovative Wege, um die Hand-Augen-Koordination zu optimieren, während sie eine Virtual Reality (VR) -Schnittstelle verwenden, um einen echten Tennisball zu fangen. Laut Disney Research verbessert die dynamische Interaktion mit realen physischen Objekten in der virtuellen Realität das VR-Erlebnis dramatisch. Diese Erkenntnisse haben viele potenzielle Anwendungen für Unterhaltung, Spiele, Sporttraining sowie die zukünftige Entwicklung von therapeutischen Interventionen und bildungsbasierten Virtual-Reality-Lernwerkzeugen.

Das Disney-Forschungsteam von Günter Niemeyer und Matthew Pan präsentierte diese Woche auf der Konferenz IEEE Virtual Reality 2017 in Los Angeles ihre allererste Forschungsarbeit "Catching a Ball in Virtual Reality". In einer Stellungnahme an Disney Research sagte der leitende Wissenschaftler Günter Niemeyer:

"Wenn Sie den echten Ball in Ihrer Hand fangen und fühlen, wird VR viel reicher, glaubwürdiger, spannender, interaktiver, dynamischer und realer. Um einen Ball zu fangen, sind viele koordinierte Fähigkeiten erforderlich, die bereits in der frühen Kindheit gelernt wurden, einschließlich einer starken Hand-Augen-Koordination. "

Niemeyer erhielt seinen MS und Ph.D. vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den Bereichen adaptive Robotersteuerung und bilaterale Teleoperation. Seine Forschung bei Disney beschäftigt sich weiterhin mit Mensch-Roboter-Interaktionen und Propriozeption in Virtual-Reality-Umgebungen. (Das Kleinhirn spielt eine zentrale Rolle bei der Koordination der unbewussten Aspekte der Propriozeption.)

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In ihrem neuesten Experiment mit dynamischer VR, um die Teilnehmer zu einem erfolgreichen Ballfang zu führen, Niemeyer und Matthew Pan, Disney Research Lab Associate und ein Ph.D. Student an der Universität von British Columbia, haben (zum ersten Mal) gezeigt, dass die Hand-Auge-Koordination, die erforderlich ist, um einen echten Ball zu fangen, in der virtuellen Realität möglich ist.

Während dieses Experiments untersuchten Pan und Niemeyer drei verschiedene VR-Ballfangsituationen. Interessanterweise hatten die Studienteilnehmer eine Erfolgsquote von 95 Prozent in allen drei VR-Situationen. Tatsächlich hat die Fähigkeit des VR-Systems, den Flug eines Tennisballs vorherzusagen und dem Teilnehmer dabei zu helfen, die Flugbahn des Balls zu visualisieren, dem Fänger einen Übungsvorteil gegeben, der in der realen Welt nicht verfügbar ist. In einer Aussage, die die Gehirnmechanik berührt, die mit dem Fangen eines Balls verbunden ist, erklärte Pan die hohe Erfolgsquote:

"Die offensichtlichste Erklärung ist, dass der Fänger, ohne Informationen über die Position des Balls, sich auf den identifizierten Zielpunkt verlassen muss, indem er die Aufgabe von einer höheren Gehirnfunktion zur Schätzung der Flugbahn zu einer einfacheren, visuell gesteuerten Zeigeaufgabe ändert."

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Bemerkenswerterweise verbesserte die prädiktive Unterstützung von VR-Visualisierungen die Sinneswahrnehmungen des Ballfängers, half aber auch bei der Feinabstimmung einer effektiven Strategie, um den Ball innerhalb von Millisekunden nach dem tatsächlichen Kontakt mit dem Ziel einzufangen, wie Sie im folgenden Video aus dem Disney Research Lab sehen können:

Ihr Kleinhirn ist der Sitz der Propriozeption und Hand-Auge-Koordination erforderlich, um einen Ball zu fangen

Die neue Disney-Forschung taucht nicht tief in die Neurowissenschaft ihrer Fortschritte beim Ballfang in der virtuellen Realität ein. Ich habe Jahrzehnte damit verbracht, zu recherchieren und über die Rolle zu schreiben, die das Kleinhirn (lateinisch für "kleines Gehirn") bei der Optimierung der sportlichen Leistung und des menschlichen Potenzials auf und neben dem Spielfeld spielt.

Basierend auf meiner Faszination für das Kleinhirn, war ich begeistert, das Experiment "Catching a Ball in Virtual Reality" durch die Linse der Kleinhirn-Propriozeption, Hand-Auge-Koordination und VOR zu betrachten. ( Kleinhirn ist das Schwesterwort für zerebrale und bedeutet "in Bezug auf oder im Kleinhirn gelegen.")

Kleinhirn (lateinisch für "kleines Gehirn") in rot.

Quelle: Biowissenschaftsdatenbank / Wikimedia Commons

Der vestibulo-okuläre Reflex (VOR) ist ein automatischer Reflex, der eine Augenbewegung in die Richtung entgegengesetzt zur Kopfbewegung erzeugt, wenn ein Ziel verfolgt oder ein Ball abgefangen wird. Der VOR des Kleinhirns erlaubt es, sich bewegende Objekte in Sport und Leben zu fokussieren und zu verfolgen. Ohne das VOR-System des Kleinhirns könnten Sie keine Hand-Augen-Koordination betreiben oder in der virtuellen Realität einen echten Ball fangen. Auch ein "Auge für den Ball" zu haben, ist ein Spiegelbild eines robusten VOR-Systems.

Wie bereits erwähnt, überwacht Ihr Kleinhirn die unbewusste Propriozeption, die notwendig ist, um die Position Ihres Körpers im Raum ständig zu überwachen. Es orchestriert das genaue Timing fein abgestimmter Muskelbewegungen, indem es die Geschwindigkeit eines ankommenden Objekts mit der Position Ihres Körpers, der Gliedmaßen, der Hände usw. vergleicht. Dies erstreckt sich auch auf den Einsatz eines Fängerhandschuhs, Tennisschlägers, Baseballschlägers oder anderer Sportgeräte einen Ball oder Hockey Puck schlagen.

Aus einer evolutionären Perspektive wird angenommen, dass die "Blindsight" -Kapazität des Kleinhirns ein Überbleibsel unserer Reptilienwurzeln ist. In der heutigen Zeit erlaubt die Blindsight und ein robustes VOR es einem gut trainierten Athleten, einen sich bewegenden Ball oder Hockey Puck mit blitzschnellen Geschwindigkeiten zu verfolgen. . . So wie eine Eidechse im Flug mit der Zunge eine Fliege fängt.

Die Praxis verbessert die Fähigkeiten des Kleinhirns eines Athleten auf der ganzen Linie. Durch jahrelange Übung, Übung und Übung perfektionierte Babe Ruth die Fähigkeiten des Kleinhirns, um einen rasenden Kurvenball aus dem Park zu schlagen. So wie Andy Roddick jahrzehntelang in der Lage ist, ein 155-Meilen-Ass zu spielen, ohne den Tennisball über seinem Kopf zu sehen, während er den Sweetspot seines Schlägers trifft.

Das Kleinhirn ermöglicht Athleten "Sehen ohne zu sehen" und "Ohne zu wissen"

Wayne Gretzky sagte: "Ein guter Hockeyspieler spielt dort, wo der Puck ist. Ein großartiger Hockeyspieler spielt dort, wo der Puck sein wird. "Diese Einsicht berührt die zerebelläre Kraft eines Athleten, um ein" Überdenken "zu vermeiden, während er seinen Bauchinstinkten vertraut.

Mein verstorbener Vater, Richard Bergland, war mein primärer Tennistrainer, als ich aufwuchs und in meiner Jugend. Er war auch Neurowissenschaftler, Neurochirurg und ehemaliger Tennis-Champion, der seine Faszination für das Kleinhirn in sein Tennis-Coaching einfließen ließ. Die Methoden meines Vaters erinnerten mich immer daran, dass Obi-Wan Kenobi versuchte, Luke Skywalker beizubringen, wie man ein Lichtschwert mit dem Explosionsschutz seines Helms benutzt, oder der Force so weit zu vertrauen, dass er den Lenkcomputer in seinem X-Wing Starfighter abstellt.

Als ich zum ersten Mal das Disney Research Video (oben) des Studienteilnehmers sah, der einen Tennisball mit einem Virtual Reality "Schild" erwischte, der seine eigentliche Sicht versperrte, hatte ich Flashbacks auf 1977, als ich ein 11-jähriger aufstrebender Tennisspieler war träumte davon, der nächste Björn Borg zu werden. Und wer war auch besessen davon, wie Luke Skywalker die Macht auf eine Art und Weise benutzt hat, die seine Intuition und seine Blindheit optimiert hat.

Wie Obi-Wan Kenobi in der berühmten Star Wars-Szene sagt: "Lass dieses Mal dein bewusstes Ich los, Luke. Und handle instinktiv. " (Für den Bericht: Ich schätze die archetypischen Lehren von Joseph Campbells Hero's Journey und The Power of Myth, die wissentlich in die Star Wars Film-Erzählungen von George Lucas eingewoben wurden, um mich dazu zu inspirieren, einen Guinness-Weltrekord zu brechen und 'außergewöhnlich' zu erforschen Worlds 'als Ultra-Ausdauersportler und dann zurück in die' normale Welt ', um über die Lektionen zu schreiben, die ich auf meinen Abenteuern für ein Mainstream-Publikum in Der Weg des Athleten: Schweiß und die Biologie der Glückseligkeit. )

Unwissentlich wiederholte der Ratschlag meines Vaters immer den von Obi-Wan Kenobi vor meinem geistigen Auge. Zum Beispiel hat mein Vater mich dazu gebracht, endlos Tennis zu spielen, während ich eine Augenbinde trug. Als ich meinen Aufschlag mit dem Blasterschild von Luke übte, stärkte er meine Kleinhirnfähigkeiten, um zu wissen, wo der Ball war, ohne meine Augen zu benutzen.

Anekdotisch kann ich bestätigen, dass das Muskelgedächtnis, das in meinem Kleinhirn durch diese "Blindsight" -Bohrungen gehalten wird, unauslöschlich in meine neuronale Schaltung im Kleinhirn übertragen wird. Obwohl ich in diesen Tagen nur alle paar Jahre Tennis spiele … nach ein paar Minuten Aufwärmen kann ich erfolgreich einen Tennisball mit geschlossenen Augen servieren – auch wenn es Jahrzehnte her ist, dass ich diesen Tennisschläger mit verbundenen Augen regelmäßig geübt habe.

Als ein auf Neurowissenschaften basierender Tennistrainer würde mein Vater esoterische und potenziell nicht ansprechende Dinge sagen, die mir oft über den Kopf gingen. So wie "Chris, denke darüber nach, mit jedem Schlag die Muskelerinnerung in den Purkinje-Zellen deines Kleinhirns zu hämmern und zu schmieden." Zum Glück hatte mein Vater die intellektuelle Demut zu erklären, was er meinte, ohne mich wie einen "dummen Jock" fühlen zu lassen. als ich mit einem verwirrten Blick auf mein Gesicht fragte: "Was redest du da?!?"

Dennoch habe ich mir in einem fortwährenden Versuch, die akademische und zerebrale Sprache meines Vaters besser verständlich zu machen, immer die Möglichkeit vorgestellt, seinen neurowissenschaftlichen Ratschlag durch filmische Visualisierungen anzuwenden oder so zu tun, als wäre ich der Protagonist, der in den gleichen Schuhen läuft wie meine Vorzeige-Idole.

"Davon bin ich absolut überzeugt. Ein Neurochirurg zu werden, war eine direkte Konsequenz meines Auges für den Ball. "- Richard Bergland, MD

In der Schule verdiente sich Richard (Dick) Bergland den Spitznamen "easy" aufgrund seiner Tennisfähigkeit und seiner Anmut unter Druck.

Quelle: Mit freundlicher Genehmigung von Kay Bergland

Als Neurochirurg beschrieb mein Vater die Fähigkeiten des Kleinhirns, die er auf dem Tennisplatz beherrschte, als eine übertragbare Fähigkeit, die er in den Operationssaal mitbrachte. Er sagte oft: "Davon bin ich absolut überzeugt. Ein Neurochirurg zu werden, war eine direkte Folge meines Auges für den Ball. "

Für meinen Vater war es ein gut ausgebildeter Sportler oder Meisterbildhauer, Hirnchirurg zu werden. Er hielt Neurochirurgie für viel mehr zerebellär als zerebral. Tatsächlich sagte mein Vater, wenn er zu viel darüber nachdenkt, was er im OP macht, würde es ihn aus seinem "Fließkanal" herausnehmen und "in der Zone" sein. Dies machte es schwieriger, Superfluidität zu erfahren und aufrechtzuerhalten Anmut unter Druck.

Die "starre Kontrolle" exekutiver Funktionen in seinem präfrontalen Kortex zu entschärfen, ist eine Visualisierung und Terminologie, die mein Vater von William James "Evangelium der Entspannung" entlehnt hat und mit mir als Anfänger-Athlet teilte, um zu lernen, wie man "Lähmung durch Analyse" vermeidet. auf und neben dem Gericht.

Mein Vater wusste aus der Lebenserfahrung, dass "Überdenken" dazu führte, dass er sich bei beiden Matchpunkten und bei hochgradigen neurochirurgischen Eingriffen anspannte und würgte. Aber durch jahrzehntelange Übung hat er sich selbst beigebracht, wie man dem Kleinhirn "wissend ohne zu wissen", das in seinem Kleinhirn gehalten wird, von ganzem Herzen vertrauen kann. Auf diese Weise wurde er Leiter der Neurochirurgie am BIDMC der Harvard Medical School und anderer Lehrkrankenhäuser.

Aus meiner Popkulturperspektive übersetzte ich immer die akademische Mundart meines Vaters in einen personalisierten Erklärungsstil, wie zum Beispiel in The Force, bei dem es darum ging, meine präfrontalen Exekutivfunktionen zu lösen und mich im Kleinhirn niederzulassen. In meiner Vorstellung spiegelte Obi Wans Weisheit gegenüber Luke den Rat meines Vaters wider, dem Muskelgedächtnis zu vertrauen, das ich durch endloses Üben, Üben und Üben in mein Kleinhirn "gehämmert und geschmiedet" hatte.

Tägliche Übungen optimieren die funktionelle Konnektivität Ihres Kleinhirns und ermöglichen Höchstleistungen, ohne dass Sie zerebrale neurale Schaltkreise zu sehr in Angriff nehmen oder zu viel nachdenken müssen. Natürlich, wenn jemand anfängt, auf dem Spielfeld oder auf dem Tennisplatz zu überdenken, wird er viel eher würgen, fummeln und den Ball fallen lassen. (Ich schrieb darüber in einem Blogpost von " Psychology Today ": "Warum überschlagen Sportler Athleten dazu?")

"Imagineering" Zukünftige Anwendungen der Virtual Reality Technologie

Seit Jahrzehnten wird virtuelle Realität in Flugsimulatoren eingesetzt, um Piloten beizubringen (wie meine Schwester Sandy Bergland, die den Kleinhirnunterricht unseres Vaters anwendete, um ein Boeing 777-Pilot für FedEx zu werden), wie man Probleme löst und Gnade unter Druck hat die Hitze des Augenblicks in Notsituationen im schlimmsten Fall.

Wiederum ist der unterschätzte Wert der VR-Technologie, dass sie automatisch die propriozeptiven Aspekte des Kleinhirns einbezieht, was es jemandem ermöglicht, mit einem gut trainierten impliziten Gedächtnis auf "Autopilot" zu funktionieren, während gleichzeitig das zerebrale Arbeitsgedächtnis zur effektiven Problemlösung freigegeben wird.

Es ist klar, dass Walt Disneys Vorliebe für die Verbindung von Kreativität und Innovation bei Disney Research floriert. In Bezug auf "Imagineering" (ein Ausdruck, den der Vater von Disney prägte, um eine Mischung aus Phantasie und Technik zu repräsentieren) zukünftige Anwendungen von VR-Technologien, die das Leben der Menschen wirklich verbessern könnten, scheinen die Möglichkeiten grenzenlos.

"Mit der zunehmenden Verbreitung von Virtual-Reality-Systemen gewinnt die Idee, dass die Benutzererfahrung durch die dynamische Interaktion mit realen Objekten bereichert werden kann, zunehmend Interesse", sagte kürzlich Markus Gross, Director von Disney Research Zürich . "Diese frühe Arbeit unseres Teams ist verlockend und legt nahe, dass die Verbindung von virtueller und realer Welt nicht nur möglich ist, sondern viele neue Möglichkeiten und Vorteile bietet."

Hybrid-Schnittstellen Die Kombination von VR- und Real-World-Elementen könnte zur Behandlung einer breiten Palette von zerebellären Störungen eingesetzt werden

Letzte Woche stolperten die Wissenschaftler der Stanford University in einem völlig anderen Bereich der neuesten neurowissenschaftlichen Forschung über eine bisher unbekannte Funktion des Kleinhirns, indem sie eine andere hochmoderne Technologie namens "Zweiphotonen-Kalzium-Bildgebung" nutzten. Die Stanford-Forscher entdeckten (Zum ersten Mal), dass Körnerzellen im Kleinhirn Belohnungen kodieren und vorhersagen. Diese Befunde bestätigen eine Fülle von anderen Forschungen in den letzten zwei Jahren, die nahelegen, dass "unbewusste" neuronale Aktivität im Kleinhirn eine Rolle bei der Entwicklung von suchterzeugenden Suchtverhalten spielen könnte.

Ich bin optimistisch, dass die neuesten empirischen Belege aus Stanford, die das Kleinhirn mit belohnungsorientiertem Verhalten verbinden, und die Disney-Forschung, die virtual reality zerebellare Aufgaben mit realen Objekten verschmelzt, eines Tages "imaginiert" werden könnten, um medikamentöse Interventionen zu entwickeln, die zerebelläre Reaktionen auf Medikamente auslösen Hinweise in einer sicheren und kontrollierten VR-Umgebung.

Auch die Kombination von realen Elementen, die eine posttraumatische Belastungsstörung (PTSD) in einer sicheren und gesunden virtuellen Realität auslösen, könnte eine Möglichkeit sein, Veteranen zu helfen, von denen viele eine PTBS haben, die mit Kleinstschädlingen durch Mikrostöße verbunden ist in der Kriegszone. (Ich schrieb über diese Befunde in der Blogpost von Psychology Today , "Kleinhirnschäden können die Wurzel von PTBS in Kampfveteranen sein.")

Eine weitere mögliche Anwendung der VR-Verschmelzung und der realen Welt zur Verbesserung des Wohlbefindens bei Kleinhirn-bedingten Defiziten sind Autismus-Spektrum-Störungen (ASD), von denen gezeigt wurde, dass sie ein definitives zerebelläres Element aufweisen. Zum Beispiel könnte die Kombination von Eye-Tracking-Technologie und vestibulo-okularer Reflex-Übung in einer VR-Umgebung, die die reale Welt irgendwie miteinbezieht, Kindern mit ASD-Übung helfen, prädiktiven Blickkontakt in einer Vielzahl von kontrollierten sozialen Situationen herzustellen. In ähnlicher Weise könnten Virtual-Reality-Technologien entwickelt werden, um Patienten mit Ataxie nach einem Kleinhirnschlag oder Hirntumor zu helfen.

In Bezug auf die positive Psychologie und den alltäglichen Gebrauch von VR in der Zukunft könnten fortgeschrittene Virtual-Reality-Tools, die denen eines Trainers ähneln, auf bestimmte Techniken zugeschnitten werden, um ein Bewerbungsgespräch zu meistern, indem propriozeptive Aspekte menschlicher Interaktion gemeistert werden VOR und Körpersprache.

Auf der potenziell dunklen Seite dieser neuen Technologie besteht immer die Möglichkeit, dass sich zu sehr auf VR-Fortschritte zu verlassen, eine Art "Future Shock" oder eine Trennung von menschlichen Interaktionen von Angesicht zu Angesicht erzeugen könnte. Diese Art von futuristischer Dystopie wurde kürzlich in der "Playtest" -Episode von Black Mirror entdeckt. In dieser Folge gerät der Protagonist (Wyatt Russell) in ein virtuelles Spiel, das kurzschließt. Die Spieleautoren können den Computer nicht ausschalten, was es ihm unmöglich macht, der virtuellen Welt voller tiefster Ängste und Albträume zu entkommen, die von den Spezialisten für VR-Spiele geschaffen wurden.

Abschließend sei noch angemerkt, dass Luke in der letzten Szene des ursprünglichen Star Wars-Films (Eine neue Hoffnung, Episode IV) die Worte von Obi-Wan Kenobi hört: "Nutze die Macht, Luke. Lass los! " Und schaltet sein VR-basiertes Computer-Targeting-System um. Indem er seine Intuition nutzt und sich nicht auf einen VR-Computer verlässt, kann Luke Darth Vader entkommen und den Todesstern in die Luft jagen. In mancher Hinsicht könnte diese Szene im Nachhinein als eine prophetische Erinnerung betrachtet werden, dass wir in einer digitalen Ära des 21. Jahrhunderts vorsichtig sein sollten, zu abhängig von Computertechnologien zu werden und unser Kleinhirn durch reale Lebenserfahrungen stark zu halten wie Sport, tägliche körperliche Aktivitäten und soziales Engagement.

Offensichtlich können (und sollten) viele Dinge, die in der virtuellen Realität gecoacht und gemeistert werden können, auch ohne jegliche VR-Screentime geübt und verfeinert werden. Dies sind aufregende Zeiten für bahnbrechende Forschung sowohl in der virtuellen Realität als auch in den Neurowissenschaften. Hoffentlich werden kommende neurowissenschaftliche und VR-Entdeckungen in einer Verbindung von virtueller Realität mit "alltäglicher Realität" angewandt, die das tägliche Leben verbessert und das Beste in uns allen stärkt.