Kognitivní augmentace prostřednictvím multimodálního snímání a aurikulární neurostimulace (CAMSAN)

Cílem této studie je zjistit, zda aktivní stimulace tAN může vytvořit uzavřený systém s biosnímací náhlavní soupravou Galea pro zvýšení kognitivního výkonu. Studie je navržena jako randomizovaná, zaslepená, falešně kontrolovaná studie k testování účinků aktivní stimulace tAN v úkolech kognitivní stimulace (úloha Flanker, GradCPT, MATB a úkoly týkající se kybernetické nemoci) směrem ke zlepšení kognitivní výkonnosti.

Studie probíhá ve třech fázích.

• Fáze I je navržena tak, aby stanovila kvantifikovatelný vztah mezi biometrickými údaji a kognitivními stavy (kognitivní zátěž, stres, pozornost a kybernetická nemoc) v rámci úkolů kognitivní stimulace (úkol Flanker, GradCPT, MATB a úkoly týkající se kybernetické nemoci).
• Fáze II zahrnuje vyhodnocení manuálního tAN k ovlivnění kognitivního stavu v paradigmatu otevřené smyčky.
• Třetí fáze zahrnuje použití kvantifikace kognitivního stavu z fáze I a kvantifikovaných účinků tAN objevených ve fázi II ke zkoumání systému kognitivního augmentace s uzavřenou smyčkou.

Předběžné hodnocení kognitivního stavu:

Fáze I experimentu stanoví základní linii výkonu kognitivní úlohy a také umožní kvantifikaci metrik kognitivního stavu na základě biomarkerů. Účastníci budou plnit následující úkoly: Flanker Task, GradCPT, MATB a úkol stimulace kybernetické nemoci. Každý z těchto úkolů má různé systémy kvantifikace a bodování pro hodnocení výkonu a každý má za cíl vyvolat jinou kognitivní stimulaci. Před každým úkolem je po dobu 10 minut zaznamenávána nečinná základní linie kognitivního stavu.

Intervence s otevřenou smyčkou:

Ve fázi II podstoupí všichni účastníci (skupiny 1-2) stejnou sadu úkolů, tentokrát s použitím zařízení Sparrow Link tAN, a skupina 1 zažije aktivní tAN, řízenou výzkumníkem, aby určil optimální nastavení pro ovlivnění kognitivního stavu. .

Intervence s uzavřenou smyčkou:

Ve fázi III budou informace o kvantifikaci kognitivního stavu stanoveného ve fázi I a informace o ovlivnění kognitivního stavu stanoveného ve fázi II použity k vytvoření uzavřeného intervenčního systému využívajícího aktivní tAN (pouze skupina 1), spouštěného na základě podmínek určených vyšetřovací tým. Obě skupiny podstoupí stejnou sadu úkolů jako ve fázi I a fázi II, ale skupina 1 obdrží aktivní tAN a skupina 2 nikoli.

Úkoly Experimentální paradigmata a mechanismy, které prokazatelně vyvolávají stres, ztrátu pozornosti a kybernetické onemocnění, budou použity k vyvolání fyziologických reakcí účastníků studie. Tyto odezvy budou použity ke generování dat pro automatickou charakterizaci cílových kognitivních stavů, určení, jak různé úrovně manuálního tAN ovlivňují tyto stavy, a testování účinnosti neurostimulačního systému s uzavřenou smyčkou. Tato paradigmata a mechanismy jsou popsány níže.

Multi-Attribute Task Battery (MATB) Multi-Attribute Task Battery je počítačová úloha navržená k vyhodnocení výkonu a pracovní zátěže operátora. MATB poskytuje srovnávací soubor úkolů analogických činnostem, které členové posádky letadla vykonávají za letu, ačkoli jej mohou používat i nepilotní jednotlivci. MATB vyžaduje simultánní výkon monitorování dynamické správy zdrojů a sledování úkolů. Současné provádění více úkolů je ústředním rysem MATB a je to vlastnost, která je konzistentní s většinou operačních systémů, takže je užitečná jako výzkumná platforma. V tomto případě použijeme OpenMATB, open-source implementaci experimentálního prostředí MATB napsanou v Pythonu (Cegarra, et al. 2020).

Úloha Flanker Úloha Flanker může být použita k měření zpracování a selektivní pozornosti (Eriksen, 1974). Flanker úkol vyžaduje, aby účastníci reagovali na centrální cílový stimul a ignorovali přilehlé stimuly, které mohou nebo nemusí být shodné s cílovým stimulem (Eriksen, 1974). Tyto úkoly se postupem času stávají náročnějšími, a to buď zkrácením času na reakce, nebo zavedením více protichůdných informací. Odpovědi subjektu a chybovost lze použít k posouzení jeho pozornosti a úrovně stresu. Tyto metriky v kombinaci s vlastními údaji lze použít k vytvoření označených datových sad. Úkol může být podle potřeby upraven pomocí čísel nebo tvarů a přidat tak větší variaci nebo složitost.

GradCPT Úkol kontinuálního výkonu vyžaduje, aby účastníci reagovali na časté podněty a inhibovali reakci na méně časté (Robertson, et al., 1997). GradCPT eliminuje odchylky a nástupy vizuálních podnětů mezi pokusy pomocí postupných přechodů. Výsledkem je, že GradCPT je více závislý na vnitřní kontrole pozornosti a je užitečný pro studium procesů trvalé pozornosti pomocí fyziologických metod. Úloha GradCPT se používá k testování trvalé a selektivní pozornosti subjektu a také inhibice odezvy. Nedostatečná pozornost úkolům může vést k nezamýšleným nebo nesprávným vstupům. Snímky ukazují přechod prvního obrázku na druhý při 100%, 75%, 50%, 25% a 0% koherenci obrázku. Účastníci jsou povinni stisknout tlačítko pokaždé, když je prezentována městská scéna (90 % pokusů) a odmítnout odpověď, když jsou ve zbývajících 10 % pokusů prezentovány zřídkavé horské scény (Fortenbaugh, et al., 2017). Počáteční přechodné období je 800 ms a může být náhodně nebo zkráceno v průběhu času, aby se zvýšila obtížnost a variabilita úkolu.

Mechanismy stimulace kybernetické nemoci Kybernetická nemoc souvisí s tendencí některých uživatelů projevovat příznaky podobné klasické kinetóze jak během, tak i po zážitku virtuální reality (VR). Od kinetózy se liší tím, že uživatel je často nehybný, ale má přesvědčivý pocit vlastního pohybu jako výsledek pohlcujících vizuálních aspektů simulace (LaViola Jr, 2000). Mezi příznaky kybernetické nemoci patří závratě, nevolnost a závratě (Davis & Nalivaiko, 2014) a existuje několik faktorů, o kterých je známo, že vyvolávají kybernetické nemoci, včetně latence (Stauffert et al. 2020) a ztráty kontroly (Davis & Nalivaiko, 2014). . Prevalence citlivosti vůči kybernetické nemoci se pohybuje v rozmezí 20–95 % s pohlcujícími zážitky VR (Yildirim, 2020).

Technologie snímání Tato část popisuje technologie, které budou během experimentu použity k zaznamenání fyziologických reakcí na podněty a charakterizaci metrik kognitivního stavu.

Elektroencefalografie (EEG) Elektroencefalografie (EEG) zaznamenává elektrickou aktivitu mozku umístěním elektrod na pokožku hlavy. Jednou z hlavních výhod použití EEG je, že je neinvazivní, což znamená, že jde o bezpečnou a nízkorizikovou metodu pro studium mozkové aktivity. Je také relativně levná ve srovnání s fMRI nebo MEG. EEG má vysoké časové rozlišení a zachycuje události v milisekundovém časovém měřítku. Nevýhodou EEG je však to, že má velmi omezené prostorové rozlišení, protože elektrody jsou umístěny na pokožce hlavy a mezi mozkem a elektrodami je mnoho mezilehlých vrstev neneuronové tkáně. To způsobuje, že signály jsou rozptýleny a silně zaujaté směrem k periferním strukturám v mozku.

EEG je užitečným nástrojem pro odhadování kognitivních stavů a ​​emocí a stává se silnějším v kombinaci s jinými snímacími modalitami, které monitorují další fyziologické markery. Kombinace EEG s dalšími modalitami zvyšuje pravděpodobnost detekce a kvantifikace kognitivních stavů (Kartsch et al., 2018; Yasemin et al., 2019; Antonenko et al., 2010).

Sada biosenzorů Galea podporuje deset aktivních elektrod EEG a dvě pasivní elektrody EEG. Deset aktivních elektrod je umístěno podél střední linie a ve frontálních, parietálních a okcipitálních lalocích. Konkrétně jejich umístění jsou F1, F2, C3, CZ, C4, P3, P4, PZ, O1, O2, jak je označeno systémem 10-10 pro záznam EEG. Dvě pasivní elektrody jsou umístěny v obličejové masce náhlavní soupravy a měří umístění Fp1 a Fp2, jak je označeno systémem 10-10.

Aktivní elektrody EEG zahrnuté v systému Galea využívají hřebeny vytvořené z vodivého polymeru a zajišťují stabilní kontakt s hlavou přes vlasy a jiné překážky. Pasivní elektrody EEG jsou vyrobeny ze stříbra/chloridu stříbrného (Ag/AgCl) a jsou v kontaktu s čelem subjektů. Zařízení má dva připojené klipy, které se připevňují k uším uživatele. Tyto ušní spony zajišťují potlačení signálu v běžném režimu a slouží jako referenční napětí pro elektrody EEG.

Elektromyografie obličeje (EMG) Elektromyografie (EMG) se týká měření svalů a nervových buněk (motorických neuronů), které je ovládají. Pro měření EMG jsou elektrody umístěny na kůži nebo vloženy do svalu, aby detekovaly elektrickou aktivitu. Výsledné signály jsou pak analyzovány, aby poskytly informace o fungování svalů a nervů.

Sada biosensing Galea obsahuje suché EMG elektrody kolem obličejové masky, která se připojuje k XR komponentu náhlavní soupravy. Tyto elektrody měří aktivitu obličejových svalů a umožňují odhadnout polohu obličeje, když je obličej zakrytý náhlavní soupravou XR. Tři páry elektrod jsou umístěny nad obočím v různých orientacích, aby se zaměřovaly na svaly Frontalis, které zvednou obočí, a také na svaly Depressor Glabellae, Depressor Supercilli a Currugator, které umožňují obočí snížit. Další páry elektrod jsou umístěny na každé z tváří, aby se zacílily na hlavní a vedlejší zygomatic svaly, které umožňují pohyb rtů a tváří. Elektrody jsou standardní suché, ploché elektrody potažené Ag/AgCl.

Fotopletysmografie (PPG) Fotopletysmografie (PPG) je neinvazivní metoda měření průtoku krve v cévách v blízkosti povrchu kůže. PPG poskytuje informace o objemu krve v určité oblasti a může být použit k odvození tepové frekvence, úrovně saturace kyslíkem. Tyto informace mohou přispět ke kvantifikaci kognitivních stavů sledováním změn fyziologických parametrů, které jsou spojeny s duševními aktivitami. PPG lze použít k měření variability tepové frekvence, která se velmi blíží variabilitě srdeční frekvence (Chuang et al., 2015). Variabilita srdeční frekvence (HRV) je měřítkem změny času mezi po sobě jdoucími srdečními údery. Poskytuje informace o činnosti autonomního nervového systému, který reguluje funkce, jako je srdeční frekvence, dýchání a krevní tlak. Studie ukázaly, že HRV může být užitečným indikátorem kognitivních stavů (McDuff et al., 2014). Například nízká HRV byla spojena s vysokou úrovní stresu, úzkosti a deprese, zatímco vysoká HRV byla spojena se zlepšením nálady, kognitivní výkonnosti a celkové pohody (McDuff et al., 2014).

HRV může také poskytnout informace o rovnováze mezi sympatickým a parasympatickým nervovým systémem. Vysoká HRV ukazuje na rovnováhu mezi těmito dvěma systémy, zatímco nízká HRV znamená, že jeden systém je dominantní nad druhým. Navíc bylo zjištěno, že HRV je spolehlivým indikátorem duševního úsilí a kognitivní zátěže (Solhjoo et al., 2019). Bylo například zjištěno, že HRV klesá, když se jednotlivci zabývají psychicky náročnými úkoly, jako je řešení problémů nebo rozhodování. Tento pokles HRV může být použit jako marker duševního úsilí a kognitivní zátěže a může být použit ke sledování změn kognitivních stavů v čase.

Senzor PPG je integrován do jedné z ušních svorek připojených k soupravě biosenzorů Galea. Klip je umístěn na ušním lalůčku, což vede k velmi vysokým signálům signál-šum (SNR) ve srovnání s jinými místy a je dostatečnou náhradou monitorování srdeční frekvence ve srovnání s elektrokardiogramem (Vescio et al., 2018; Weiler et al., 2017).

Elektrodermální aktivita (EDA) Elektrodermální aktivita (EDA) označuje změny v elektrické vodivosti kůže, které jsou způsobeny změnami aktivity potních žláz. EDA lze měřit připojením elektrod na kůži a zaznamenáváním změn vodivosti nebo impedance kůže. Obě metody poskytují dostatečné informace o změnách vodivosti kůže. Aktivita potních žláz je často spojena se zvýšeným emočním vzrušením, zejména se stresem a úzkostí, a EDA je dobře zavedeným fyziologickým měřítkem, které se používá k posouzení změn ve vzrušení, pozornosti a emočních stavech (Leiner et al., 2012). Omezení EDA je však v tom, že poskytuje pouze informace o změnách vodivosti kůže vzhledem k základní linii a neuvádí, s jakým konkrétním kognitivním stavem je změna vodivosti spojena.

Galea měří EDA z čela, což poskytuje podobnou úroveň informací jako perifernější místa měření (Hossain et al., 2022).

Elektrookulografie (EOG) Sada biosenzorů Galea podporuje integrovaný EOG, který měří elektrickou aktivitu oka. Systém detekuje pohyby očí podél vertikální a horizontální osy. Když k těmto pohybům dojde, pohyb oka působí jako dipól a způsobuje velké měřitelné výkyvy, které lze zaznamenat.

Přestože přesné polohy očí je obtížné odhadnout pomocí EOG, je možné použít informace EOG k odhadu pozornosti a dalších kognitivních metrik v kontextu dalších nervových a fyziologických signálů (Perdiz et al., 2017; Morton et al., 2022). Senzory EOG Galea používají stejné ploché Ag/AgCl elektrody jako senzory EMG. Jsou umístěny nad a pod pravým okem pro vertikální EOG a na vnější periferii levého a pravého oka pro horizontální EOG.

Sledování očí a pupilometrie Sledování pohledu očí je dosaženo pomocí infračervených zobrazovacích senzorů, které mapují pohyby očí v reálném čase. Pohled do očí může být nepřímým měřítkem pozornosti a toho, jak jednotlivci přesouvají pozornost mezi různými podněty a upřednostňují zdroje pozornosti (Ziv, 2016). Sledování očí v kombinaci s pupilometrií a dalšími fyziologickými monitorovacími technikami může umožnit pohled na ztrátu pozornosti v důsledku stresu a dalších faktorů (Miller & Unsworth, 2020). Sledování očního pohledu je užitečné pro pochopení toho, kdy je subjekt zaměřen na podnět a kdy posunuje svou pozornost (Armstrong a Olatunji, 2012).

Pupilometrie je měřítkem změn velikosti zornice v reakci na různé scénáře nebo podněty. Pupilometrie je kritická v oblasti kognitivní augmentace, protože je nepřímým měřítkem adrenergní aktivity, zejména aktivity norepinefrinu v mozku. To je užitečné, protože norepinefrin je spojen se vzrušením a pozorností. Norepinefrin se také podílí na regulaci zornice, protože způsobuje dilataci zornice aktivací dilatačních svalů v duhovce. Schopnost detekovat adrenergní aktivitu a následně ji modulovat pomocí tAN umožňuje zmírnění různých symptomů souvisejících se stresem a kinetózou (Badran et al., 2018; Molefi et al., 2023).

Sada biosenzorů Galea obsahuje integrovaný náhlavní displej Varjo XR-3 (HMD). Tyto HMD používají infračervené oční kamery ke sledování pohledu, pohybu očí a pupilometrie. Integrovaný systém sledování očního pohledu a pupilometrie vzorkuje při 200 Hz a je schopen zachytit jemné posuny v pozornosti a koncentraci.

Neurostimulační techniky Transkutánní aurikulární neurostimulace (tAN) je paradigma, které se zaměřuje na trigeminální i vagusové nervy na boltci. V poslední době se ušní boltec stal cílem neuromodulace u celé řady patologií, včetně vysazení opioidů, chronické bolesti břicha a farmakorezistentní epilepsie (Kaniusas et al., 2019). tAN poskytuje mírnou elektrickou stimulaci k modulaci několika větví hlavových nervů v klíčových oblastech dermatomu prostřednictvím malého neinvazivního zařízení umístěného nad levým uchem (ušní boltec). Tyto oblasti pokrývají nebo přiléhají k aferentní senzorické inervaci několika hlavových nervů (V, VII, IX, X) a okcipitálních nervů. V důsledku toho může mít stimulace tAN dopad na udržení úrovně pozornosti (Sharon et al., 2020), snížení akutního stresu (Ylikoski et al., 2020) a zmírnění nevolnosti (Molefi et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al. al., 2023; Eren et al., 2018).

tAN může také zmírnit příznaky kinetózy (MS) a prostorové odchylky (SD) (Molefi et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al., 2023). Vagální a trigeminální aferenty se promítají do nucleus tractus solitarius (NTS), což je hlavní přenosová stanice v mozku. NTS obsahuje trigemino-vestibulo-vagální neurocirkulaci a hraje důležitou roli u RS (Babic & Browning, 2014). Přijímá také přímý nebo nepřímý vstup z páteřního traktu, area postrema, hypotalamu, mozečku a vestibulárního/labyrintového systému a také mozkové kůry, které všechny hrají důležitou roli v regulaci dřeňových reflexů kontrolujících nevolnost a zvracení (Babic & Browning, 2014). tAN také moduluje locus coeruleus, hlavní mozkové jádro pro produkci norepinefrinu, o kterém se předpokládá, že zmírňuje příznaky RS (Badran et al., 2018). Tato spojení naznačují cestu, kterou by tAN mohl modulovat MS, čímž by se snížil dopad příznaků kybernetické nemoci spojených se simulacemi XR.