Kognitive Augmentation durch multimodale Wahrnehmung und aurikuläre Neurostimulation (CAMSAN)

Das Ziel dieser Studie besteht darin, festzustellen, ob eine aktive tAN-Stimulation mit dem Galea-Biosensor-Headset ein geschlossenes Regelkreissystem bilden kann, um die kognitive Leistung zu verbessern. Die Studie ist als randomisierte, verblindete, scheinkontrollierte Studie konzipiert, um die Auswirkungen der aktiven tAN-Stimulation bei kognitiven Stimulationsaufgaben (Flanker-Aufgabe, GradCPT, MATB und Cybersickness-Aufgaben) auf eine Verbesserung der kognitiven Leistung zu testen.

Die Studie erfolgt in drei Phasen.

• Phase I soll eine quantifizierbare Beziehung zwischen biometrischen Daten und kognitiven Zuständen (kognitive Belastung, Stress, Aufmerksamkeit und Cybersickness) im Rahmen kognitiver Stimulationsaufgaben (Flanker-Aufgabe, GradCPT, MATB und Cybersickness-Aufgaben) herstellen.
• Phase II umfasst die Bewertung der manuellen tAN zur Beeinflussung des kognitiven Zustands in einem Open-Loop-Paradigma.
• In der dritten Phase werden die Quantifizierung des kognitiven Zustands aus Phase I und die in Phase II entdeckten quantifizierten Effekte von tAN verwendet, um ein System zur kognitiven Erweiterung mit geschlossenem Regelkreis zu untersuchen.

Vorläufige Beurteilung des kognitiven Zustands:

Phase I des Experiments wird eine Basislinie für die Leistung kognitiver Aufgaben festlegen und auch die Quantifizierung kognitiver Zustandsmetriken auf der Grundlage von Biomarkern ermöglichen. Die Teilnehmer führen die folgenden Aufgaben aus: Flanker-Aufgabe, GradCPT, MATB und eine Aufgabe zur Stimulation der Cyberkrankheit. Jede dieser Aufgaben verfügt über unterschiedliche Quantifizierungs- und Bewertungssysteme zur Bewertung der Leistung und zielt jeweils darauf ab, unterschiedliche kognitive Stimulationen hervorzurufen. Vor jeder Aufgabe wird 10 Minuten lang ein Ruhezustand des kognitiven Zustands aufgezeichnet.

Open-Loop-Intervention:

In Phase II durchlaufen alle Teilnehmer (Gruppen 1-2) die gleichen Aufgaben, dieses Mal beim Tragen des Sparrow Link tAN-Geräts, und Gruppe 1 wird aktives tAN erleben, das vom Prüfer kontrolliert wird, um optimale Einstellungen für die Beeinflussung des kognitiven Zustands zu bestimmen .

Closed-Loop-Intervention:

In Phase III werden die in Phase I ermittelten Informationen zur Quantifizierung des kognitiven Zustands und die in Phase II ermittelten Informationen zur Beeinflussung des kognitiven Zustands verwendet, um ein geschlossenes Interventionssystem mit aktivem tAN (nur Gruppe 1) zu erstellen, das auf der Grundlage von bestimmten Bedingungen ausgelöst wird das Ermittlungsteam. Beide Gruppen durchlaufen die gleichen Aufgaben wie in Phase I und Phase II, Gruppe 1 erhält jedoch aktives tAN und Gruppe 2 nicht.

Aufgaben Experimentelle Paradigmen und Mechanismen, die nachweislich Stress, Aufmerksamkeitsverlust und Cyberkrankheit hervorrufen, werden verwendet, um physiologische Reaktionen bei Studienteilnehmern hervorzurufen. Diese Antworten werden verwendet, um Daten für die automatische Charakterisierung der kognitiven Zielzustände zu generieren, zu bestimmen, wie sich unterschiedliche Ebenen der manuellen tAN auf diese Zustände auswirken, und um die Wirksamkeit eines Neurostimulationssystems mit geschlossenem Regelkreis zu testen. Diese Paradigmen und Mechanismen werden im Folgenden beschrieben.

Multi-Attribute Task Battery (MATB) Die Multi-Attribute Task Battery ist eine computergestützte Aufgabe zur Bewertung der Bedienerleistung und Arbeitsbelastung. MATB bietet eine Reihe von Benchmark-Aufgaben, die den Aktivitäten von Flugzeugbesatzungsmitgliedern im Flug ähneln, kann jedoch auch von Nicht-Piloten verwendet werden. Das MATB erfordert die gleichzeitige Durchführung der Überwachung des dynamischen Ressourcenmanagements und der Aufgabenverfolgung. Die gleichzeitige Ausführung mehrerer Aufgaben ist ein zentrales Merkmal des MATB und das Merkmal, das mit den meisten Betriebssystemen konsistent ist und es als Forschungsplattform nützlich macht. In diesem Fall verwenden wir OpenMATB, eine in Python geschriebene Open-Source-Implementierung der experimentellen MATB-Umgebung (Cegarra, et al. 2020).

Flanker-Aufgabe Die Flanker-Aufgabe kann verwendet werden, um Verarbeitung und selektive Aufmerksamkeit zu messen (Eriksen, 1974). Bei der Flanker-Aufgabe müssen die Teilnehmer auf einen zentralen Zielreiz reagieren und dabei flankierende Reize ignorieren, die möglicherweise mit dem Zielreiz übereinstimmen oder nicht (Eriksen, 1974). Diese Aufgaben werden mit der Zeit immer anspruchsvoller, entweder weil die Zeit für Reaktionen verkürzt wird oder indem widersprüchliche Informationen eingebracht werden. Anhand der Reaktionen und der Fehlerquote einer Testperson können deren Aufmerksamkeits- und Stressniveau gemessen werden. Diese Metriken können in Kombination mit selbst gemeldeten Daten zur Erstellung gekennzeichneter Datensätze verwendet werden. Die Aufgabe kann je nach Bedarf mit Zahlen oder Formen modifiziert werden, um mehr Variation oder Komplexität hinzuzufügen.

GradCPT Bei einer kontinuierlichen Leistungsaufgabe müssen die Teilnehmer auf häufige Reize reagieren und die Reaktion auf seltene Reize hemmen (Robertson et al., 1997). GradCPT eliminiert das Versetzen und Einsetzen visueller Reize zwischen den Versuchen durch die Verwendung allmählicher Übergänge. Infolgedessen ist GradCPT stärker von der internen Aufmerksamkeitskontrolle abhängig und eignet sich für die Untersuchung anhaltender Aufmerksamkeitsprozesse mithilfe physiologischer Methoden. Mit der GradCPT-Aufgabe werden die anhaltende und selektive Aufmerksamkeit sowie die Reaktionshemmung eines Probanden getestet. Unzureichende Aufmerksamkeit für Aufgaben kann zu unbeabsichtigten oder falschen Eingaben führen. Die Bilder zeigen den Übergang des ersten Bildes zum zweiten bei 100 %, 75 %, 50 %, 25 % und 0 % Bildkohärenz. Die Teilnehmer müssen jedes Mal einen Knopf drücken, wenn eine Stadtszene präsentiert wird (90 % der Versuche) und Antworten zurückhalten, wenn seltene Bergszenen in den restlichen 10 % der Versuche präsentiert werden (Fortenbaugh, et al., 2017). Die anfängliche Übergangszeit beträgt 800 ms und kann im Laufe der Zeit randomisiert oder verkürzt werden, um den Schwierigkeitsgrad und die Varianz der Aufgabe zu erhöhen.

Stimulationsmechanismen für Cyberkrankheit Cyberkrankheit bezieht sich auf die Tendenz einiger Benutzer, während und nach einer Virtual-Reality-Erfahrung (VR) Symptome zu zeigen, die der klassischen Reisekrankheit ähneln. Sie unterscheidet sich von der Reisekrankheit dadurch, dass der Benutzer oft stationär ist, aber aufgrund der immersiven visuellen Aspekte der Simulation ein überzeugendes Gefühl der Eigenbewegung hat (LaViola Jr, 2000). Zu den Symptomen der Cyberkrankheit gehören Schwindel, Übelkeit und Benommenheit (Davis & Nalivaiko, 2014), und es gibt mehrere Faktoren, die bekanntermaßen Cyberkrankheit auslösen, darunter Latenz (Stauffert et al. 2020) und Kontrollverlust (Davis & Nalivaiko, 2014). . Die Prävalenz der Empfindlichkeit gegenüber Cyberkrankheit liegt bei immersiven VR-Erlebnissen zwischen 20 und 95 % (Yildirim, 2020).

Sensortechnologien In diesem Abschnitt werden die Technologien beschrieben, die während des Experiments verwendet werden, um physiologische Reaktionen auf Reize aufzuzeichnen und kognitive Zustandsmetriken zu charakterisieren.

Elektroenzephalographie (EEG) Die Elektroenzephalographie (EEG) zeichnet die elektrische Aktivität des Gehirns durch die Platzierung von Elektroden auf der Kopfhaut auf. Ein großer Vorteil des EEG besteht darin, dass es nichtinvasiv ist, was bedeutet, dass es sich um eine sichere und risikoarme Methode zur Untersuchung der Gehirnaktivität handelt. Im Vergleich zu fMRT oder MEG ist es außerdem relativ kostengünstig. Das EEG hat eine hohe zeitliche Auflösung und erfasst Ereignisse im Millisekundenbereich. Der Nachteil des EEG besteht jedoch darin, dass es eine sehr begrenzte räumliche Auflösung hat, da die Elektroden auf der Kopfhaut platziert werden und sich zwischen dem Gehirn und den Elektroden mehrere Zwischenschichten nicht-neuronalen Gewebes befinden. Dadurch werden die Signale gestreut und stark auf periphere Strukturen im Gehirn ausgerichtet.

Das EEG ist ein nützliches Instrument zur Einschätzung kognitiver Zustände und Emotionen und wird leistungsfähiger, wenn es mit anderen Erfassungsmodalitäten kombiniert wird, die andere physiologische Marker überwachen. Die Kombination des EEG mit anderen Modalitäten erhöht die Wahrscheinlichkeit der Erkennung und Quantifizierung kognitiver Zustände (Kartsch et al., 2018; Yasemin et al., 2019; Antonenko et al., 2010).

Die Galea Biosensor-Suite unterstützt zehn aktive EEG-Elektroden und zwei passive EEG-Elektroden. Die zehn aktiven Elektroden befinden sich entlang der Mittellinie sowie im Frontal-, Parietal- und Okzipitallappen. Ihre Standorte sind insbesondere F1, F2, C3, CZ, C4, P3, P4, PZ, O1, O2, wie im 10-10-System für die EEG-Aufzeichnung angegeben. Die beiden passiven Elektroden befinden sich in der Gesichtsmaske des Headsets und messen die Fp1- und Fp2-Positionen gemäß dem 10-10-System.

Die im Galea-System enthaltenen aktiven EEG-Elektroden verwenden Kämme aus leitfähigem Polymer und sorgen für einen stabilen Kontakt mit dem Kopf durch Haare und andere Hindernisse hindurch. Die passiven EEG-Elektroden bestehen aus Silber/Silberchlorid (Ag/AgCl) und haben Kontakt zur Stirn des Probanden. Das Gerät verfügt über zwei angebrachte Clips, die an den Ohren des Benutzers befestigt werden. Diese Ohrclips sorgen für eine Gleichtaktsignalunterdrückung und dienen als Referenzspannung für die EEG-Elektroden.

Gesichtselektromyographie (EMG) Bei der Elektromyographie (EMG) handelt es sich um die Messung von Muskeln und den sie steuernden Nervenzellen (Motoneuronen). Zur EMG-Messung werden Elektroden auf der Haut angebracht oder in den Muskel eingeführt, um elektrische Aktivität zu erfassen. Die resultierenden Signale werden dann analysiert, um Aufschluss über die Funktion von Muskeln und Nerven zu geben.

Die Biosensor-Suite von Galea umfasst trockene EMG-Elektroden um eine Gesichtsmaske, die an der XR-Komponente des Headsets befestigt wird. Diese Elektroden messen die Aktivität der Gesichtsmuskulatur und ermöglichen die Einschätzung der Gesichtshaltung, wenn das Gesicht vom XR-Headset bedeckt ist. Drei Elektrodenpaare werden in unterschiedlicher Ausrichtung über den Augenbrauen platziert, um auf die Frontalis-Muskeln anzusprechen, die die Augenbrauen anheben, sowie auf die Depressor Glabellae-, Depressor Supercilli- und Currugator-Muskeln, die das Absenken der Augenbrauen ermöglichen. Zusätzliche Elektrodenpaare werden auf jeder Wange angebracht, um auf die großen und kleinen Jochbeinmuskeln zu zielen, die die Bewegung der Lippen und Wangen ermöglichen. Bei den Elektroden handelt es sich um standardmäßige trockene, flache Elektroden, die mit Ag/AgCl beschichtet sind.

Photoplethysmographie (PPG) Die Photoplethysmographie (PPG) ist eine nicht-invasive Methode zur Messung des Blutflusses in Blutgefäßen nahe der Hautoberfläche. PPG liefert Informationen über das Blutvolumen in einem bestimmten Bereich und kann verwendet werden, um auf die Pulsfrequenz und die Sauerstoffsättigung zu schließen. Diese Informationen können zur Quantifizierung kognitiver Zustände beitragen, indem sie Veränderungen physiologischer Parameter überwachen, die mit geistigen Aktivitäten verbunden sind. PPG kann zur Messung der Pulsfrequenzvariabilität verwendet werden, die der Herzfrequenzvariabilität sehr nahe kommt (Chuang et al., 2015). Die Herzfrequenzvariabilität (HRV) ist ein Maß für die zeitliche Variation zwischen aufeinanderfolgenden Herzschlägen. Es liefert Informationen über die Aktivität des autonomen Nervensystems, das Funktionen wie Herzfrequenz, Atmung und Blutdruck reguliert. Studien haben gezeigt, dass die HRV ein nützlicher Indikator für kognitive Zustände sein kann (McDuff et al., 2014). Beispielsweise wurde eine niedrige HRV mit einem hohen Maß an Stress, Angstzuständen und Depressionen in Verbindung gebracht, während eine hohe HRV mit einer verbesserten Stimmung, kognitiven Leistung und allgemeinem Wohlbefinden in Verbindung gebracht wurde (McDuff et al., 2014).

HRV kann auch Aufschluss über das Gleichgewicht zwischen sympathischem und parasympathischem Nervensystem geben. Eine hohe HRV weist auf ein Gleichgewicht zwischen den beiden Systemen hin, während eine niedrige HRV darauf hinweist, dass ein System das andere dominiert. Darüber hinaus hat sich herausgestellt, dass die HRV ein verlässlicher Indikator für geistige Anstrengung und kognitive Belastung ist (Solhjoo et al., 2019). Es wurde beispielsweise festgestellt, dass die HRV abnimmt, wenn Personen mit geistig anspruchsvollen Aufgaben wie Problemlösung oder Entscheidungsfindung beschäftigt sind. Dieser Rückgang der HRV kann als Marker für geistige Anstrengung und kognitive Belastung verwendet werden und kann zur Überwachung von Veränderungen kognitiver Zustände im Laufe der Zeit verwendet werden.

Ein PPG-Sensor ist in einen der Ohrclips integriert, die an der Galea-Biosensor-Suite angebracht sind. Der Clip wird am Ohrläppchen angebracht, was im Vergleich zu anderen Stellen zu einem sehr hohen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) führt und im Vergleich zum Elektrokardiogramm einen ausreichenden Ersatz für die Herzfrequenzüberwachung darstellt (Vescio et al., 2018; Weiler et al., 2017).

Elektrodermale Aktivität (EDA) Unter elektrodermaler Aktivität (EDA) versteht man Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit der Haut, die durch Veränderungen der Schweißdrüsenaktivität verursacht werden. EDA kann gemessen werden, indem Elektroden an der Haut angebracht und Änderungen der Hautleitfähigkeit oder -impedanz aufgezeichnet werden. Beide Methoden liefern ausreichende Informationen über die Veränderungen des Hautleitwerts. Die Aktivität der Schweißdrüsen ist oft mit erhöhter emotionaler Erregung verbunden, insbesondere mit Stress und Angstzuständen, und EDA ist ein gut etabliertes physiologisches Maß, das zur Beurteilung von Veränderungen in Erregung, Aufmerksamkeit und emotionalen Zuständen verwendet wird (Leiner et al., 2012). Die Einschränkung der EDA besteht jedoch darin, dass sie nur Informationen über Änderungen des Hautleitwerts relativ zu einem Ausgangswert liefert und nicht angibt, mit welchem ​​spezifischen kognitiven Zustand die Änderung des Leitwerts verbunden ist.

Galea misst EDA von der Stirn aus, was ein ähnliches Informationsniveau wie peripherere Messorte liefert (Hossain et al., 2022).

Elektrookulographie (EOG) Die Galea-Biosensorik-Suite unterstützt integriertes EOG, das die elektrische Aktivität des Auges misst. Das System erkennt Augenbewegungen entlang der vertikalen und horizontalen Achse. Bei diesen Bewegungen wirkt die Augenbewegung als Dipol und verursacht große messbare Schwankungen, die aufgezeichnet werden können.

Obwohl es mit EOG schwierig ist, genaue Augenpositionen abzuschätzen, ist es möglich, EOG-Informationen zu verwenden, um Aufmerksamkeit und andere kognitive Metriken im Kontext anderer neuronaler und physiologischer Signale abzuschätzen (Perdiz et al., 2017; Morton et al., 2022). Die EOG-Sensoren des Galea verwenden die gleichen flachen Ag/AgCl-Elektroden wie die EMG-Sensoren. Sie werden für vertikales EOG oberhalb und unterhalb des rechten Auges und für horizontales EOG an der Außenperipherie des linken und rechten Auges platziert.

Eye-Tracking und Pupillometrie Die Blickverfolgung erfolgt mithilfe von Infrarot-Bildsensoren, die Augenbewegungen in Echtzeit abbilden. Der Blick in die Augen kann ein indirektes Maß für die Aufmerksamkeit sein und dafür, wie Menschen ihre Aufmerksamkeit zwischen verschiedenen Reizen verlagern und Aufmerksamkeitsressourcen priorisieren (Ziv, 2016). Eye-Tracking in Kombination mit Pupillometrie und anderen physiologischen Überwachungstechniken kann Aufschluss über Aufmerksamkeitsverluste aufgrund von Stress und anderen Faktoren geben (Miller & Unsworth, 2020). Die Blickverfolgung ist nützlich, um zu verstehen, wann eine Person auf einen Reiz fokussiert ist und wann sie ihren Fokus verschiebt (Armstrong und Olatunji, 2012).

Die Pupillometrie ist das Maß für Veränderungen der Pupillengröße als Reaktion auf verschiedene Szenarien oder Reize. Die Pupillometrie ist im Bereich der kognitiven Verbesserung von entscheidender Bedeutung, da sie ein indirektes Maß für die adrenerge Aktivität, insbesondere die Noradrenalinaktivität im Gehirn, ist. Dies ist nützlich, da Noradrenalin mit Erregung und Aufmerksamkeit verbunden ist. Noradrenalin ist auch an der Regulierung der Pupille beteiligt, da es durch die Aktivierung der Dilatatormuskeln in der Iris eine Pupillenerweiterung bewirkt. Die Fähigkeit, adrenerge Aktivität zu erkennen und sie dann mit tAN zu modulieren, ermöglicht die Linderung verschiedener stress- und reisekrankheitsbedingter Symptome (Badran et al., 2018; Molefi et al., 2023).

Die Biosensor-Suite von Galea umfasst ein integriertes Varjo XR-3 Head-Mounted Display (HMD). Diese HMDs verwenden Infrarot-Augenkameras, um den Blick, die Augenbewegung und die Pupillometrie zu verfolgen. Das integrierte Blickverfolgungs- und Pupillometriesystem misst mit 200 Hz und ist in der Lage, subtile Veränderungen der Aufmerksamkeit und Konzentration zu erfassen.

Neurostimulationstechniken Die transkutane aurikuläre Neurostimulation (tAN) ist ein Paradigma, das sowohl auf den Trigeminus- als auch auf den Vagusnerv an der Ohrmuschel abzielt. In jüngster Zeit ist die Ohrmuschel zum Ziel der Neuromodulation bei einer Vielzahl von Pathologien geworden, darunter Opioidentzug, chronische Bauchschmerzen und arzneimittelresistente Epilepsie (Kaniusas et al., 2019). tAN liefert eine leichte elektrische Stimulation, um mehrere Hirnnervenäste in wichtigen Dermatomregionen zu modulieren, und zwar über ein kleines, nicht-invasives Gerät, das über dem linken Ohr (Ohrmuschel) platziert wird. Diese Regionen bedecken oder grenzen an die afferente sensorische Innervation mehrerer Hirnnerven (V, VII, IX, X) und Hinterhauptnerven. Infolgedessen kann sich die tAN-Stimulation auf die Aufrechterhaltung des Aufmerksamkeitsniveaus (Sharon et al., 2020), die Reduzierung von akutem Stress (Ylikoski et al., 2020) und die Linderung von Übelkeit (Molefi et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al., 2023; Eren et al., 2018).

tAN kann auch die Symptome der Reisekrankheit (MS) und der räumlichen Abweichung (SD) abschwächen (Molefi et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al., 2023). Vagus- und Trigeminus-Afferenzen projizieren zum Nucleus tractus solitarius (NTS), einer wichtigen Relaisstation im Gehirn. Das NTS enthält trigemino-vestibulo-vagale Neuroschaltkreise und spielt eine wichtige Rolle bei MS (Babic & Browning, 2014). Es erhält auch direkten oder indirekten Input vom Rückenmarkstrakt, der Area postrema, dem Hypothalamus, dem Kleinhirn und dem Vestibular-/Labyrinthsystem sowie der Großhirnrinde, die alle eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Markreflexe spielen, die Übelkeit und Erbrechen kontrollieren (Babic & Erbrechen). Browning, 2014). tAN moduliert auch den Locus coeruleus, einen wichtigen Gehirnkern für die Noradrenalinproduktion, von dem angenommen wird, dass er die Symptome von MS lindert (Badran et al., 2018). Diese Verbindungen legen einen Weg nahe, über den tAN MS modulieren und so die Auswirkungen von Cybersickness-Symptomen im Zusammenhang mit XR-Simulationen verringern könnte.