Individual Predictors of Cybersickness Severity and Cortical Activation in the Temporo-Parieto- Occipital Region during Virtual Reality Exposure

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The clinical application of virtual reality (VR) is hindered by individual differences in cybersickness symptoms. Although associations among cybersickness symptoms, individual characteristics, and cortical activation have been studied, how individual characteristics simultaneously influence both cybersickness severity and neural responses during immersive VR exposure remains unclear. This study aimed to identify individual predictors that affect both cybersickness severity and cortical activation in cybersickness-related regions. Thirty-seven healthy adults participated in this study. Individual characteristics—including sex, motion sickness susceptibility, dizziness-related symptoms, and sensory adaptation and reintegration abilities—were assessed prior to VR exposure. Participants completed an immersive VR roller coaster task while cortical hemodynamic responses were recorded using functional near-infrared spectroscopy. Subjective cybersickness symptoms were evaluated using a simulator sickness questionnaire (SSQ). A three-step analytical framework was employed. Step 1 identified cortical regions engaged during VR exposure. Step 2 examined the associations between cybersickness severity and cortical activation in these VR-responsive regions. Step 3 determined which individual characteristics predicted both subjective cybersickness severity and cortical activation in the regions associated with cybersickness. In Step 1, group-level analysis revealed significantly reduced activation in the angular gyrus, supramarginal gyrus, superior parietal lobule, superior temporal gyrus, middle temporal gyrus, and middle occipital gyrus during VR exposure. In Step 2, individual differences in cortical activation within these regions showed significant positive correlations with SSQ scores, indicating that participants with higher cybersickness severity exhibited relatively greater activation (i.e., smaller reduction in activation). In Step 3, regression analyses demonstrated that female sex and poorer somatosensory adaptation ability significantly predicted higher SSQ scores, while female sex and poorer somatosensory reintegration ability predicted greater cortical activation. Multivariate general linear model confirmed that sex and somatosensory reintegration ability concurrently influenced both subjective cybersickness severity and cortical activation. Individual characteristics—particularly sex and somatosensory reintegration ability—emerged as key predictors of both subjective cybersickness severity and cortical activation in multisensory integration regions during immersive VR exposure. These findings suggest that individual characteristics that are associated with multisensory processing and integration abilities may serve as meaningful indicators for cybersickness susceptibility. Clinically, these results highlight the potential of individual characteristics to predict cybersickness risk and to guide personalized VR rehabilitation.

국문 초록 (Abstract)

가상현실(Virtual Reality, VR)의 임상적 적용은 개인 간 증상의 차이를 보이는 사이버멀미(cybersickness)로 인해 제한되고 있다. 기존 연구에서는 사이버멀미 증상과 관련된 개인적 특성 및 뇌 영역이 보고되어 왔으나, VR 노출 중 개인적 특성이 사이버멀미 중증도와 신경 반응에 동시에 어떠한 영향을 미치는지에 대해서는 명확하지 않다. 따라서 본 연구는 주관적 사이버멀미 증상과 이와 관련된 뇌영역의 활성도를 예측할 수 있는 예측 인자를 조사하고자 하였다. 건강한 성인 37명을 대상으로 VR 노출 이전에 성별, 멀미 민감도, 어지럼증 관련 증상, 시각·전정·체성감각 적응 및 재통합 능력 등 개인적 특성을 측정하였다. 이후 참가자들은 몰입형 VR 롤러코스터 과제를 수행하였으며, 과제 수행 중 기능적 근적외선 분광법(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)을 이용하여 대뇌 피질의 혈역학적 반응을 측정하였다. 주관적 사이버멀미 증상은 시뮬레이터 멀미 설문지(Simulator Sickness Questionnaire, SSQ)를 사용하여 평가하였다. 본 연구는 데이터 분석 간 3단계 분석 프레임워크를 적용하였다. Step 1에서는 VR 노출 동안 반응하는 피질 영역을 조사하였고, Step 2에서는 해당 영역에서의 피질 활성과 사이버멀미 중증도 간의 연관성을 분석하였다. Step 3에서는 사이버멀미와 관련된 피질 활성과 주관적 증상을 예측하는 개인적 특성을 분석하였다. 연구 결과, VR 노출 동안 angular gyrus, supramarginal gyrus, superior parietal lobule, superior temporal gyrus, middle temporal gyrus, middle occipital gyrus가 기준선 대비 상대적으로 감소된 피질 활성 양상을 보였다. 또한, 이들 영역에서의 피질 활성도와 SSQ 점수 간에 유의한 양의 상관관계가 나타났으며, 이는 사이버멀미 중증도가 심한 참가자일수록 해당 영역에서 더 큰 피질 활성, 즉 활성 감소가 덜 나타난다는 것을 의미한다. 개인별 예측 인자를 조사한 결과, 여성 성별과 체성감각 적응 능력 저하는 더 높은 SSQ 점수를 유의하게 예측하였으며, 여성 성별과 체성감각 재통합 능력 저하는 더 큰 피질 활성을 유의하게 예측하였다. 또한 다변량 일반선형모형 분석 결과, 성별과 체성감각 재통합 능력은 주관적 사이버멀미 중증도와 피질 활성 모두에 영향을 미치는 요인으로 확인되었다. 이 결과들은 개인적 특성 중 성별과 체성감각 재통합 능력이 VR 노출 중 사이버멀미 중증도와 이와 관련된 뇌영역의 활성도 모두를 예측하는 개인적 특성임을 의미한다. 이는 다감각 정보 처리 및 통합 능력과 연관된 개인적 특성이 사이버멀미 취약성을 설명하는 의미 있는 지표가 될 수 있음을 시사한다. 임상적으로 본 연구의 결과는 개인적 특성을 기반으로 사이버멀미 위험을 예측하고, 개인 맞춤형 VR 재활 전략을 수립하는 데 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Methods 9
• 1. Participants 9
• 2. Measurements 10
• 2.1. Motion Sickness Susceptibility Questionnaire (MSSQ) 10
• 2.2. Dizziness Handicap Inventory (DHI) 11
• 2.3. Sensory processing: Sensory adaptation and reintegration 12
• 2.4. Functional Near-Infrared Spectroscopy 15
• 2.5. Simulator Sickness Questionnaire (SSQ) 18
• 3. Procedure 19
• 4. Statistical analysis 23
• 4.1. Step 1: Group-level analysis of cortical activation during VR exposure 23
• 4.2. Step 2: Relationship between cybersickness symptoms and cortical activity ·· 24
• 4.3. Step 3: Predictors 25
• 4.3.1. Step 3-1: Individual predictors of subjective cybersickness severity · 26
• 4.3.2. Step 3-2: Individual predictors of cortical activation in the temporo-parieto-occipital region 27
• 4.3.3. Step 3-3: Individual predictors of both subjective cybersickness severity and cortical activation 28
• Ⅲ. Results 29
• 1. Step 1: Group-level analysis of cortical activation during VR exposure 29
• 2. Step 2: Relationship between cybersickness symptoms and cortical activity 32
• 3. Predictors 35
• 3.1. Step 3-1: Individual predictors of subjective cybersickness severity 35
• 3.2. Step 3-2: Individual predictors of cortical activation in the temporo-parieto-occipital region 38
• 3.3. Step 3-3: Individual predictors of both subjective cybersickness severity and cortical activation 42
• Ⅳ. Discussion 44
• 1. Step 1: Group-level analysis of cortical activation during VR exposure 46
• 2. Step 2: Relationship between cybersickness symptoms and cortical activity 48
• 3. Predictors 50
• 3.1. Step 3-1: Individual predictors of subjective cybersickness severity 50
• 3.2. Step 3-2: Individual predictors of cortical activation in the temporo-parieto-occipital region 53
• 3.3. Step 3-3: Individual predictors of both subjective cybersickness severity and cortical activation 56
• 4. Clinical implications 58
• 5. Limitations 59
• V. Conclusion 62
• References 67