Kognitiv Augmentation Via Multimodal Sensing og Auricular Neurostimulation (CAMSAN)

Formålet med denne undersøgelse er at afgøre, om aktiv tAN-stimulering kan danne et lukket sløjfesystem med Galea biosensing-headsettet for at forbedre kognitiv ydeevne. Studiet er designet som et randomiseret, blindet, sham-kontrolleret forsøg for at teste virkningerne af aktiv tAN-stimulering i kognitive stimuleringsopgaver (Flanker-opgave, GradCPT, MATB og cybersyge-opgaver) mod forbedring af kognitiv præstation.

Undersøgelsen foregår i tre faser.

• Fase I er designet til at etablere et kvantificerbart forhold mellem biometriske data og kognitive tilstande (kognitiv belastning, stress, opmærksomhed og cybersyge) under kognitive stimuleringsopgaver (Flanker opgave, GradCPT, MATB og cybersyge opgaver).
• Fase II involverer evaluering af manuel tAN for at påvirke kognitiv tilstand i et open-loop-paradigme.
• Den tredje fase involverer at bruge den kognitive tilstandskvantificering fra fase I og de kvantificerede effekter af tAN opdaget i fase II til at undersøge et kognitivt forstærkningssystem med lukket sløjfe.

Foreløbig kognitiv tilstandsvurdering:

Fase I af eksperimentet vil etablere en kognitiv opgavepræstationsbaseline og også give mulighed for kvantificering af kognitive tilstandsmetrikker baseret på biomarkører. Deltagerne vil udføre følgende opgaver: Flankeropgave, GradCPT, MATB og en cybersygestimuleringsopgave. Hver af disse opgaver har forskellige kvantificerings- og scoringssystemer til at evaluere ydeevne, og hver har til formål at inducere forskellig kognitiv stimulation. Før hver opgave registreres en inaktiv basislinje for kognitiv tilstand i 10 minutter.

Open-loop intervention:

I fase II vil alle deltagere (gruppe 1-2) gennemgå det samme sæt opgaver, denne gang mens de bærer Sparrow Link tAN-enheden, og gruppe 1 vil opleve aktiv tAN, styret af efterforskeren for at bestemme optimale indstillinger for at påvirke kognitiv tilstand .

Lukket sløjfe-intervention:

I fase III vil informationen om kvantificering af kognitiv tilstand bestemt i fase I og information om påvirkende kognitiv tilstand bestemt i fase II blive brugt til at skabe et interventionssystem med lukket sløjfe ved hjælp af aktivt tAN (kun gruppe 1), udløst baseret på forhold bestemt af efterforskningsholdet. Begge grupper vil gennemgå det samme sæt opgaver som i fase I og fase II, men gruppe 1 vil modtage aktivt tAN og gruppe 2 vil ikke.

Opgaver Eksperimentelle paradigmer og mekanismer, der har vist sig at inducere stress, tab af opmærksomhed og cybersyge, vil blive brugt til at fremkalde fysiologiske reaktioner fra studiedeltagere. Disse svar vil blive brugt til at generere data til automatisk karakterisering af de kognitive måltilstande, bestemme, hvordan forskellige niveauer af manuel tAN påvirker disse tilstande, og teste effektiviteten af ​​et lukket-loop-neurostimuleringssystem. Disse paradigmer og mekanismer er beskrevet nedenfor.

Multi-Attribute Task Battery (MATB) Multi-Attribute Task Battery er en computerbaseret opgave designet til at evaluere operatørens ydeevne og arbejdsbyrde. MATB giver et benchmark sæt af opgaver, der svarer til aktiviteter, som flybesætningsmedlemmer udfører under flyvningen, selvom det også kan bruges af ikke-pilotpersoner. MATB'en kræver samtidig udførelse af overvågning af dynamisk ressourcestyring og opgavesporing. Den samtidige udførelse af flere opgaver er et centralt træk ved MATB og er den funktion, der er i overensstemmelse med de fleste operationelle systemer, hvilket gør den nyttig som forskningsplatform. I dette tilfælde vil vi bruge OpenMATB, en open source implementering af MATB eksperimentelle miljø skrevet i Python (Cegarra, et al. 2020).

Flankeropgave Flankeropgaven kan bruges til at måle bearbejdning og selektiv opmærksomhed (Eriksen, 1974). Flankeropgaven kræver, at deltagerne reagerer på en central målstimulus, mens de ignorerer flankerende stimuli, der måske eller måske ikke er kongruente med målstimulus (Eriksen, 1974). Disse opgaver bliver mere udfordrende over tid, enten ved at reducere den tid, der er tilladt til reaktioner, eller ved at introducere mere modstridende information. Et emnes svar og fejlrate kan bruges til at måle deres opmærksomheds- og stressniveau. Disse metrics, kombineret med selvrapporterede data, kan bruges til at oprette mærkede datasæt. Opgaven kan ændres med tal eller figurer for at tilføje mere variation eller kompleksitet efter behov.

GradCPT En kontinuerlig præstationsopgave kræver, at deltagerne reagerer på hyppige stimuli og hæmmer at reagere på sjældne stimuli (Robertson, et al., 1997). GradCPT eliminerer forskydninger og begyndelse af visuelle stimuli mellem forsøg ved at bruge gradvise overgange. Som et resultat er GradCPT mere afhængig af intern opmærksomhedskontrol og nyttig til at studere vedvarende opmærksomhedsprocesser ved hjælp af fysiologiske metoder. GradCPT-opgaven bruges til at teste et emnes vedvarende og selektive opmærksomhed samt responshæmning. Utilstrækkelig opmærksomhed på opgaver kan resultere i utilsigtede eller forkerte input. Billeder viser, at det første billede går over til det andet med 100 %, 75 %, 50 %, 25 % og 0 % billedkohærens. Deltagerne skal trykke på en knap, hver gang en byscene præsenteres (90 % af forsøgene) og tilbageholde svar, når sjældne bjergscener præsenteres på de resterende 10 % af forsøgene (Fortenbaugh, et al., 2017). Den indledende overgangsperiode er 800 ms og kan randomiseres eller reduceres over tid for at øge opgavens sværhedsgrad og varians.

Cybersyge-stimuleringsmekanismer Cybersyge relaterer sig til nogle brugeres tendens til at udvise symptomer, der ligner klassisk transportsyge både under og efter en virtual reality-oplevelse (VR). Det adskiller sig fra køresyge ved, at brugeren ofte er stationær, men har en overbevisende følelse af selvbevægelse som et resultat af de fordybende visuelle aspekter af simuleringen (LaViola Jr, 2000). Symptomerne på cybersyge omfatter svimmelhed, kvalme og svimmelhed (Davis & Nalivaiko, 2014), og der er flere faktorer, der er kendt for at inducere cybersyge, herunder latenstid (Stauffert et al. 2020) og tab af kontrol (Davis & Nalivaiko, 2014). . Forekomsten af ​​følsomhed over for cybersyge varierer fra 20-95 % med fordybende VR-oplevelser (Yildirim, 2020).

Sensing Technologies Dette afsnit beskriver de teknologier, der vil blive brugt under eksperimentet til at registrere fysiologiske reaktioner på stimuli og karakterisere kognitive tilstandsmålinger.

Elektroencefalografi (EEG) Elektroencefalografi (EEG) registrerer hjernens elektriske aktivitet via placering af elektroder på hovedbunden. En stor fordel ved at bruge EEG er, at det er ikke-invasivt, hvilket betyder, at det er en sikker og lavrisikometode til at studere hjerneaktivitet. Det er også relativt billigt sammenlignet med fMRI eller MEG. EEG har en høj tidsmæssig opløsning og fanger hændelser på en millisekunds tidsskala. Ulempen ved EEG er dog, at det har meget begrænset rumlig opløsning, da elektroderne er placeret på hovedbunden, og der er flere mellemliggende lag af ikke-neuronalt væv mellem hjernen og elektroderne. Dette bevirker, at signalerne spredes og er stærkt forspændte mod perifere strukturer i hjernen.

EEG er et nyttigt værktøj til at estimere kognitive tilstande og følelser og bliver mere kraftfuldt, når det kombineres med andre sansemodaliteter, der overvåger andre fysiologiske markører. Kombinationen af ​​EEG med andre modaliteter øger sandsynligheden for påvisning og kvantificering af kognitive tilstande (Kartsch et al., 2018; Yasemin et al., 2019; Antonenko et al., 2010).

Galea biosensing suite understøtter ti aktive EEG-elektroder og to passive EEG-elektroder. De ti aktive elektroder er placeret langs midterlinjen og i frontal-, parietal- og occipitallapperne. Specifikt er deres placeringer F1, F2, C3, CZ, C4, P3, P4, PZ, O1, O2 som angivet af 10-10-systemet til EEG-optagelse. De to passive elektroder er placeret i headsettets ansigtsmaske og måler Fp1- og Fp2-placeringerne som angivet af 10-10-systemet.

De aktive EEG-elektroder inkluderet i Galea-systemet bruger kamme dannet af ledende polymer og giver stabil kontakt med hovedet gennem hår og andre forhindringer. De passive EEG-elektroder er lavet af sølv/sølvklorid (Ag/AgCl) og kommer i kontakt med forsøgspersonernes pande. Enheden har to fastgjorte clips, der fastgøres til brugerens ører. Disse øreclips giver common-mode signalafvisning og tjener som referencespænding for EEG-elektroderne.

Ansigtselektromyografi (EMG) Elektromyografi (EMG) vedrører måling af muskler og de nerveceller (motorneuroner), der styrer dem. For at måle EMG placeres elektroder på huden eller indsættes i musklen for at detektere elektrisk aktivitet. De resulterende signaler analyseres derefter for at give information om, hvordan muskler og nerver fungerer.

Galea biosensing suite inkluderer tørre EMG-elektroder omkring en ansigtsmaske, der fastgøres til XR-komponenten af ​​headsettet. Disse elektroder måler ansigtsmuskelaktivitet og giver mulighed for estimering af ansigtsstillinger, når ansigtet er dækket af XR-headsettet. Tre par elektroder er placeret over øjenbrynene i forskellige orienteringer for at målrette frontalis-musklerne, der hæver øjenbrynene, samt Depressor Glabellae, Depressor Supercilli og Currugator-musklerne, der tillader øjenbrynene at sænke. Yderligere elektrodepar er placeret på hver af kinderne for at målrette de Zygomatic Major og Zygomatic Minor muskler, der tillader læberne og kinderne at bevæge sig. Elektroderne er standard tørre, flade elektroder belagt med Ag/AgCl.

Fotoplethysmografi (PPG) Fotopletysmografi (PPG) er en ikke-invasiv metode til at måle blodgennemstrømningen i blodkar tæt på hudens overflade. PPG giver information om mængden af ​​blod i et bestemt område og kan bruges til at udlede pulsfrekvensen og iltmætningsniveauet. Denne information kan bidrage til kvantificeringen af ​​kognitive tilstande ved at overvåge ændringer i fysiologiske parametre, der er forbundet med mentale aktiviteter. PPG kan bruges til at måle pulsfrekvensvariabilitet, som tæt nærmer sig hjertefrekvensvariabilitet (Chuang et al., 2015). Hjertefrekvensvariabilitet (HRV) er et mål for variationen i tid mellem på hinanden følgende hjerteslag. Den giver information om det autonome nervesystems aktivitet, som regulerer funktioner som hjertefrekvens, vejrtrækning og blodtryk. Undersøgelser har vist, at HRV kan være en nyttig indikator for kognitive tilstande (McDuff et al., 2014). For eksempel har lav HRV været forbundet med høje niveauer af stress, angst og depression, mens høj HRV har været forbundet med forbedret humør, kognitiv præstation og overordnet velvære (McDuff et al., 2014).

HRV kan også give information om balancen mellem det sympatiske og parasympatiske nervesystem. Høj HRV indikerer en balance mellem de to systemer, mens lav HRV indikerer at det ene system er dominerende over det andet. Derudover har HRV vist sig at være en pålidelig indikator for mental indsats og kognitiv belastning (Solhjoo et al., 2019). For eksempel har HRV vist sig at falde, når individer er engageret i mentalt krævende opgaver, såsom problemløsning eller beslutningstagning. Dette fald i HRV kan bruges som en markør for mental indsats og kognitiv belastning, og det kan bruges til at overvåge ændringer i kognitive tilstande over tid.

En PPG-sensor er integreret i en af ​​øreklemmerne, der er fastgjort til Galea biosensing suite. Klipset placeres på øreflippen, hvilket resulterer i meget høje signal-til-støj-signaler (SNR) i forhold til andre steder og er en tilstrækkelig erstatning for hjertefrekvensovervågning sammenlignet med elektrokardiogram (Vescio et al., 2018; Weiler et al. al., 2017).

Elektrodermal aktivitet (EDA) Elektrodermal aktivitet (EDA) henviser til ændringer i hudens elektriske ledningsevne, som er forårsaget af ændringer i svedkirtlens aktivitet. EDA kan måles ved at fastgøre elektroder til huden og registrere ændringer i hudens konduktans eller impedans. Begge metoder giver tilstrækkelig information om ændringerne i hudens konduktans. Svedkirtelaktivitet er ofte forbundet med øget følelsesmæssig ophidselse, især med stress og angst, og EDA er et veletableret fysiologisk mål, der bruges til at vurdere ændringer i ophidselse, opmærksomhed og følelsesmæssige tilstande (Leiner et al., 2012). Begrænsningen ved EDA er dog, at den kun giver information om ændringer i hudkonduktans i forhold til en baseline og ikke angiver, hvilken specifik kognitiv tilstand ændringen i konduktans er knyttet til.

Galea måler EDA fra panden, som giver et lignende informationsniveau til mere perifere målesteder (Hossain et al., 2022).

Elektrookulografi (EOG) Galea biosensing suite understøtter integreret EOG, som måler øjets elektriske aktivitet. Systemet registrerer øjenbevægelser langs den lodrette og vandrette akse. Når disse bevægelser opstår, fungerer øjenbevægelsen som en dipol og forårsager store målbare udsving, der kan registreres.

Selvom nøjagtige øjenpositioner er svære at estimere med EOG, er det muligt at bruge EOG-information til at estimere opmærksomhed og andre kognitive målinger i sammenhæng med andre neurale og fysiologiske signaler (Perdiz et al., 2017; Morton et al., 2022). Galea's EOG-sensorer bruger de samme flade Ag/AgCl-elektroder som EMG-ansigtssensorerne. De er placeret over og under højre øje for lodret EOG og på den udvendige periferi af venstre og højre øje for vandret EOG.

Øjensporing og pupillometri Øjebliksporing opnås ved hjælp af infrarøde billedsensorer, der kortlægger øjenbevægelser i realtid. Øjeblik kan være et indirekte mål for opmærksomhed, og hvordan individer flytter opmærksomhed mellem forskellige stimuli og prioriterer opmærksomhedsressourcer (Ziv, 2016). Øjensporing kombineret med pupillometri og andre fysiologiske overvågningsteknikker kan give mulighed for indsigt vedrørende tab af opmærksomhed på grund af stress og andre faktorer (Miller & Unsworth, 2020). Øjeblikssporing er nyttig til at forstå, hvornår et motiv er fokuseret på en stimulus, og hvornår de skifter fokus (Armstrong og Olatunji, 2012).

Pupillometri er et mål for ændringer i pupilstørrelse som reaktion på forskellige scenarier eller stimuli. Pupillometri er kritisk inden for kognitiv augmentation, fordi det er et indirekte mål for adrenerg aktivitet, især noradrenalinaktivitet i hjernen. Dette er nyttigt, fordi noradrenalin er forbundet med ophidselse og opmærksomhed. Noradrenalin er også involveret i reguleringen af ​​pupillen, da det forårsager pupiludvidelse ved at aktivere dilatatormusklerne i iris. Evnen til at detektere adrenerg aktivitet og derefter modulere den med tAN giver mulighed for afbødning af forskellige stress- og køresygerelaterede symptomer (Badran et al., 2018; Molefi et al., 2023).

Galea biosensing suite inkluderer en integreret Varjo XR-3 hovedmonteret skærm (HMD). Disse HMD'er bruger infrarøde øjenkameraer til at spore blik, øjenbevægelser og pupillometri. Det integrerede øjenbliksporing og pupillometrisystem prøver ved 200 Hz og er i stand til at opfange subtile ændringer i opmærksomhed og koncentration.

Neurostimulationsteknikker Transkutan aurikulær neurostimulation (tAN) er et paradigme, der retter sig mod både trigeminus- og vagusnerven på auriklen. For nylig er auriklen blevet et mål for neuromodulation i en lang række patologier, herunder opioidabstinenser, kroniske mavesmerter og lægemiddelresistent epilepsi (Kaniusas et al., 2019). tAN leverer mild elektrisk stimulation til at modulere adskillige kranienervegrene i vigtige dermatomregioner gennem en lille ikke-invasiv enhed placeret over venstre øre (auricle). Disse områder dækker eller støder op til den afferente sensoriske innervation af flere kranienerver (V, VII, IX, X) og occipitale nerver. Som følge heraf kan tAN-stimulering have en indvirkning på at opretholde opmærksomhedsniveauer (Sharon et al., 2020), reducere akut stress (Ylikoski et al., 2020) og lindre kvalme (Molefi et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al. al., 2023; Eren et al., 2018).

tAN kan også dæmpe symptomer på køresyge (MS) og rumlig afvigelse (SD) (Molefi et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al., 2023). Vagal- og trigeminusafferenter projicerer til nucleus tractus solitarius (NTS), som er en stor relæstation i hjernen. NTS indeholder trigemino-vestibulo-vagal neurokredsløb og spiller en vigtig rolle ved MS (Babic & Browning, 2014). Det modtager også direkte eller indirekte input fra rygmarvskanalen, area postrema, hypothalamus, cerebellum og vestibulære/labyrintiske systemer samt hjernebarken, som alle spiller en vigtig rolle i reguleringen af ​​medullære reflekser, der kontrollerer kvalme og opkastning (Baby & Browning, 2014). tAN modulerer også locus coeruleus, en vigtig hjernekerne til produktion af noradrenalin, som er blevet antaget at lindre symptomer på MS (Badran et al., 2018). Disse forbindelser foreslår en vej, hvormed tAN kunne modulere MS, hvilket reducerer virkningen af ​​cybersygesymptomer forbundet med XR-simuleringer.