Aumento cognitivo mediante detección multimodal y neuroestimulación auricular (CAMSAN)

El objetivo de este estudio es determinar si la estimulación activa de tAN puede formar un sistema de circuito cerrado con los auriculares biosensores Galea para mejorar el rendimiento cognitivo. El estudio está diseñado como un ensayo aleatorio, ciego y controlado de forma simulada para probar los efectos de la estimulación tAN activa en tareas de estimulación cognitiva (tarea Flanker, GradCPT, MATB y tareas de ciberenfermedad) para mejorar el rendimiento cognitivo.

El estudio se desarrolla en tres fases.

• La Fase I está diseñada para establecer una relación cuantificable entre datos biométricos y estados cognitivos (carga cognitiva, estrés, atención y ciberenfermedad) bajo tareas de estimulación cognitiva (tarea Flanker, GradCPT, MATB y tareas de ciberenfermedad).
• La fase II implica la evaluación de tAN manual para afectar el estado cognitivo en un paradigma de circuito abierto.
• La tercera fase implica el uso de la cuantificación del estado cognitivo de la Fase I y los efectos cuantificados de tAN descubiertos en la Fase II para examinar un sistema de aumento cognitivo de circuito cerrado.

Evaluación preliminar del estado cognitivo:

La fase I del experimento establecerá una línea de base de desempeño de tareas cognitivas y también permitirá la cuantificación de métricas del estado cognitivo basadas en biomarcadores. Los participantes realizarán las siguientes tareas: Flanker Task, GradCPT, MATB y una tarea de estimulación del cibermareo. Cada una de estas tareas tiene diferentes sistemas de cuantificación y puntuación para evaluar el desempeño, y cada una tiene como objetivo inducir una estimulación cognitiva diferente. Antes de cada tarea, se registra una línea de base inactiva del estado cognitivo durante 10 minutos.

Intervención de circuito abierto:

En la Fase II, todos los participantes (Grupos 1-2) se someterán al mismo conjunto de tareas, esta vez mientras usan el dispositivo Sparrow Link tAN, y el Grupo 1 experimentará tAN activo, controlado por el investigador para determinar la configuración óptima para afectar el estado cognitivo. .

Intervención en circuito cerrado:

En la Fase III, la información sobre la cuantificación del estado cognitivo determinada en la fase I y la información sobre cómo afectar el estado cognitivo determinada en la fase II se utilizarán para crear un sistema de intervención de circuito cerrado utilizando tAN activo (solo Grupo 1), activado en función de las condiciones determinadas por el equipo investigador. Ambos grupos se someterán al mismo conjunto de tareas que en la Fase I y la Fase II, pero el Grupo 1 recibirá tAN activo y el Grupo 2 no.

Tareas Se utilizarán paradigmas y mecanismos experimentales que se ha demostrado que inducen estrés, pérdida de atención y ciberenfermedad para provocar respuestas fisiológicas de los participantes del estudio. Estas respuestas se utilizarán para generar datos para la caracterización automática de los estados cognitivos objetivo, determinar cómo los diferentes niveles de tAN manual afectan estos estados y probar la eficacia de un sistema de neuroestimulación de circuito cerrado. Estos paradigmas y mecanismos se describen a continuación.

Batería de tareas de atributos múltiples (MATB) La batería de tareas de atributos múltiples es una tarea basada en computadora diseñada para evaluar el desempeño y la carga de trabajo del operador. MATB proporciona un conjunto de tareas de referencia análogas a las actividades que realizan los miembros de la tripulación de un avión en vuelo, aunque también puede ser utilizado por personas que no sean pilotos. El MATB requiere la realización simultánea de monitoreo de la gestión dinámica de recursos y seguimiento de tareas. La realización simultánea de múltiples tareas es una característica central del MATB y es la característica que es consistente con la mayoría de los sistemas operativos, lo que lo hace útil como plataforma de investigación. En este caso utilizaremos OpenMATB, una implementación de código abierto del entorno experimental MATB escrita en Python (Cegarra, et al. 2020).

Tarea de flanco La tarea de flanco se puede utilizar para medir el procesamiento y la atención selectiva (Eriksen, 1974). La tarea de flanqueador requiere que los participantes respondan a un estímulo objetivo central mientras ignoran los estímulos flanqueantes que pueden o no ser congruentes con el estímulo objetivo (Eriksen, 1974). Estas tareas se vuelven más desafiantes con el tiempo, ya sea al disminuir el tiempo permitido para las reacciones o al introducir más información contradictoria. Las respuestas de un sujeto y su tasa de error se pueden utilizar para medir sus niveles de atención y estrés. Estas métricas, combinadas con datos autoinformados, se pueden utilizar para crear conjuntos de datos etiquetados. La tarea se puede modificar con números o formas para agregar más variación o complejidad, según sea necesario.

GradCPT Una tarea de desempeño continuo requiere que los participantes respondan a estímulos frecuentes e inhiban la respuesta a estímulos poco frecuentes (Robertson, et al., 1997). GradCPT elimina las compensaciones y apariciones de estímulos visuales entre pruebas mediante el uso de transiciones graduales. Como resultado, GradCPT depende más del control interno de la atención y es útil para estudiar procesos de atención sostenida utilizando métodos fisiológicos. La tarea GradCPT se utiliza para evaluar la atención sostenida y selectiva de un sujeto, así como la inhibición de la respuesta. La atención insuficiente a las tareas puede dar lugar a entradas no deseadas o incorrectas. Las imágenes muestran la primera imagen pasando a la segunda con una coherencia de imagen del 100%, 75%, 50%, 25% y 0%. Los participantes deben presionar un botón cada vez que se presenta una escena de la ciudad (90% de las pruebas) y no responder cuando se presentan escenas de montaña poco frecuentes en el 10% restante de las pruebas (Fortenbaugh, et al., 2017). El período de transición inicial es de 800 ms y se puede aleatorizar o disminuir con el tiempo para aumentar la dificultad y la variación de la tarea.

Mecanismos de estimulación del cibermareo El cibermareo se relaciona con la tendencia de algunos usuarios a exhibir síntomas similares al mareo por movimiento clásico tanto durante como después de una experiencia de realidad virtual (VR). Se diferencia del mareo por movimiento en que el usuario suele estar inmóvil pero tiene una sensación convincente de movimiento propio como resultado de los aspectos visuales inmersivos de la simulación (LaViola Jr, 2000). Los síntomas del ciberenfermo incluyen mareos, náuseas y aturdimiento (Davis y Nalivaiko, 2014), y se sabe que hay varios factores que inducen el ciberenfermo, incluida la latencia (Stauffert et al. 2020) y la pérdida de control (Davis y Nalivaiko, 2014). . La prevalencia de la sensibilidad al ciberenfermo oscila entre el 20% y el 95% con experiencias inmersivas de realidad virtual (Yildirim, 2020).

Tecnologías de detección Esta sección describe las tecnologías que se utilizarán durante el experimento para registrar respuestas fisiológicas a estímulos y caracterizar métricas del estado cognitivo.

Electroencefalografía (EEG) La electroencefalografía (EEG) registra la actividad eléctrica del cerebro mediante la colocación de electrodos en el cuero cabelludo. Una ventaja importante del uso del EEG es que no es invasivo, lo que significa que es un método seguro y de bajo riesgo para estudiar la actividad cerebral. También es relativamente económico en comparación con fMRI o MEG. El EEG tiene una alta resolución temporal y captura eventos en una escala de tiempo de milisegundos. Sin embargo, la desventaja del EEG es que tiene una resolución espacial muy limitada ya que los electrodos se colocan en el cuero cabelludo y existen múltiples capas intermedias de tejido no neuronal entre el cerebro y los electrodos. Esto hace que las señales se dispersen y se desvíen fuertemente hacia las estructuras periféricas del cerebro.

El EEG es una herramienta útil para estimar estados cognitivos y emociones, y se vuelve más poderoso cuando se combina con otras modalidades de detección que monitorean otros marcadores fisiológicos. La combinación de EEG con otras modalidades aumenta la probabilidad de detección y cuantificación de estados cognitivos (Kartsch et al., 2018; Yasemin et al., 2019; Antonenko et al., 2010).

El conjunto de biosensores Galea admite diez electrodos EEG activos y dos electrodos EEG pasivos. Los diez electrodos activos están situados a lo largo de la línea media y en los lóbulos frontal, parietal y occipital. Específicamente, sus ubicaciones son F1, F2, C3, CZ, C4, P3, P4, PZ, O1, O2 como lo indica el sistema 10-10 para registro de EEG. Los dos electrodos pasivos están ubicados en la mascarilla del auricular y miden las ubicaciones de Fp1 y Fp2 como lo indica el sistema 10-10.

Los electrodos activos de EEG incluidos en el sistema Galea utilizan peines formados a partir de polímero conductor y proporcionan un contacto estable con la cabeza a través del cabello y otros obstáculos. Los electrodos pasivos de EEG están hechos de plata/cloruro de plata (Ag/AgCl) y hacen contacto con la frente de los sujetos. El dispositivo tiene dos clips adjuntos que se fijan a los oídos del usuario. Estos clips para los oídos proporcionan rechazo de señal de modo común y sirven como voltaje de referencia para los electrodos de EEG.

Electromiografía facial (EMG) La electromiografía (EMG) se relaciona con la medición de los músculos y las células nerviosas (neuronas motoras) que los controlan. Para medir la EMG, se colocan electrodos en la piel o se insertan en el músculo para detectar la actividad eléctrica. Luego, las señales resultantes se analizan para proporcionar información sobre el funcionamiento de músculos y nervios.

El conjunto de biosensores Galea incluye electrodos EMG secos alrededor de una máscara facial que se conecta al componente XR del auricular. Estos electrodos miden la actividad de los músculos faciales y permiten estimar las posturas de la cara cuando la cara está cubierta por el auricular XR. Se colocan tres pares de electrodos encima de las cejas en diferentes orientaciones para apuntar a los músculos frontales que levantan las cejas, así como a los músculos depresores glabelos, depresores supercilos y currugadores que permiten que las cejas bajen. Se colocan pares de electrodos adicionales en cada una de las mejillas para apuntar a los músculos cigomático mayor y cigomático menor que permiten que los labios y las mejillas se muevan. Los electrodos son electrodos planos secos estándar recubiertos de Ag/AgCl.

Fotopletismografía (PPG) La fotopletismografía (PPG) es un método no invasivo para medir el flujo sanguíneo en los vasos sanguíneos cercanos a la superficie de la piel. PPG proporciona información sobre el volumen de sangre en un área particular y puede usarse para inferir la frecuencia del pulso y los niveles de saturación de oxígeno. Esta información puede contribuir a la cuantificación de estados cognitivos mediante el seguimiento de cambios en los parámetros fisiológicos asociados con las actividades mentales. El PPG se puede utilizar para medir la variabilidad de la frecuencia del pulso, que se aproxima mucho a la variabilidad de la frecuencia cardíaca (Chuang et al., 2015). La variabilidad de la frecuencia cardíaca (VFC) es una medida de la variación en el tiempo entre latidos cardíacos sucesivos. Proporciona información sobre la actividad del sistema nervioso autónomo, que regula funciones como la frecuencia cardíaca, la respiración y la presión arterial. Los estudios han demostrado que la VFC puede ser un indicador útil de los estados cognitivos (McDuff et al., 2014). Por ejemplo, una VFC baja se ha asociado con niveles altos de estrés, ansiedad y depresión, mientras que una VFC alta se ha asociado con una mejora del estado de ánimo, el rendimiento cognitivo y el bienestar general (McDuff et al., 2014).

La VFC también puede proporcionar información sobre el equilibrio entre los sistemas nerviosos simpático y parasimpático. Una VFC alta indica un equilibrio entre los dos sistemas, mientras que una VFC baja indica que un sistema domina sobre el otro. Además, se ha descubierto que la VFC es un indicador fiable del esfuerzo mental y la carga cognitiva (Solhjoo et al., 2019). Por ejemplo, se ha descubierto que la VFC disminuye cuando las personas participan en tareas mentalmente exigentes, como la resolución de problemas o la toma de decisiones. Esta disminución de la VFC se puede utilizar como marcador de esfuerzo mental y carga cognitiva, y se puede utilizar para controlar los cambios en los estados cognitivos a lo largo del tiempo.

Un sensor PPG está integrado en uno de los clips para las orejas adjuntos al conjunto de biosensores Galea. El clip se coloca en el lóbulo de la oreja, lo que genera señales de señal a ruido (SNR) muy altas en comparación con otras ubicaciones y es un reemplazo suficiente para la monitorización de la frecuencia cardíaca en comparación con el electrocardiograma (Vescio et al., 2018; Weiler et otros, 2017).

Actividad electrodérmica (EDA) La actividad electrodérmica (EDA) se refiere a cambios en la conductancia eléctrica de la piel causados ​​por cambios en la actividad de las glándulas sudoríparas. La EDA se puede medir colocando electrodos en la piel y registrando los cambios en la conductancia o impedancia de la piel. Ambos métodos proporcionan información adecuada sobre los cambios en la conductancia de la piel. La actividad de las glándulas sudoríparas a menudo se asocia con una mayor excitación emocional, particularmente con el estrés y la ansiedad, y la EDA es una medida fisiológica bien establecida que se utiliza para evaluar cambios en la excitación, la atención y los estados emocionales (Leiner et al., 2012). Sin embargo, la limitación de la EDA es que solo proporciona información sobre los cambios en la conductancia de la piel en relación con una línea de base y no indica a qué estado cognitivo específico está relacionado el cambio en la conductancia.

Galea mide la EDA desde la frente, lo que proporciona un nivel de información similar a ubicaciones de medición más periféricas (Hossain et al., 2022).

Electrooculografía (EOG) El conjunto de biosensores Galea admite EOG integrado, que mide la actividad eléctrica del ojo. El sistema detecta los movimientos oculares a lo largo de los ejes vertical y horizontal. Cuando se producen estos movimientos, el movimiento ocular actúa como un dipolo y provoca grandes fluctuaciones mensurables que pueden registrarse.

Aunque las posiciones exactas de los ojos son difíciles de estimar con el EOG, es posible utilizar la información del EOG para estimar la atención y otras métricas cognitivas en el contexto de otras señales neuronales y fisiológicas (Perdiz et al., 2017; Morton et al., 2022). Los sensores EOG de Galea utilizan los mismos electrodos planos Ag/AgCl que los sensores frontales EMG. Se colocan encima y debajo del ojo derecho para el EOG vertical y en la periferia exterior de los ojos izquierdo y derecho para el EOG horizontal.

Seguimiento ocular y pupilometría El seguimiento de la mirada se logra mediante sensores de imágenes infrarrojas que mapean los movimientos oculares en tiempo real. La mirada puede ser una medida indirecta de la atención y de cómo los individuos cambian la atención entre diferentes estímulos y priorizan los recursos de atención (Ziv, 2016). El seguimiento ocular combinado con pupilometría y otras técnicas de seguimiento fisiológico puede permitir comprender la pérdida de atención debido al estrés y otros factores (Miller & Unsworth, 2020). El seguimiento de la mirada es útil para comprender cuándo un sujeto está enfocado en un estímulo y cuándo cambia su enfoque (Armstrong y Olatunji, 2012).

La pupilometría es la medida de los cambios en el tamaño de la pupila en respuesta a diferentes escenarios o estímulos. La pupilometría es fundamental en el campo del aumento cognitivo porque es una medida indirecta de la actividad adrenérgica, particularmente de la actividad de la noradrenalina en el cerebro. Esto es útil porque la norepinefrina está asociada con la excitación y la atención. La noradrenalina también interviene en la regulación de la pupila, ya que provoca su dilatación activando los músculos dilatadores del iris. La capacidad de detectar la actividad adrenérgica y luego modularla con tAN permite mitigar diversos síntomas relacionados con el estrés y el mareo (Badran et al., 2018; Molefi et al., 2023).

El conjunto de biosensores Galea incluye una pantalla montada en la cabeza (HMD) Varjo XR-3 integrada. Estos HMD utilizan cámaras oculares infrarrojas para rastrear la mirada, el movimiento ocular y la pupilometría. El sistema integrado de pupilometría y seguimiento de la mirada toma muestras a 200 Hz y es capaz de detectar cambios sutiles en la atención y la concentración.

Técnicas de neuroestimulación La neuroestimulación auricular transcutánea (tAN) es un paradigma que se dirige tanto a los nervios trigémino como a los vagos de la aurícula. Recientemente, la aurícula se ha convertido en un objetivo de la neuromodulación en una amplia variedad de patologías, incluida la abstinencia de opioides, el dolor abdominal crónico y la epilepsia resistente a los medicamentos (Kaniusas et al., 2019). tAN administra una estimulación eléctrica suave para modular varias ramas de los nervios craneales en regiones clave del dermatoma a través de un pequeño dispositivo no invasivo colocado sobre la oreja izquierda (aurícula). Estas regiones cubren o están adyacentes a la inervación sensorial aferente de varios nervios craneales (V, VII, IX, X) y nervios occipitales. Como resultado, la estimulación de tAN puede tener un impacto en el mantenimiento de los niveles de atención (Sharon et al., 2020), la reducción del estrés agudo (Ylikoski et al., 2020) y el alivio de las náuseas (Molefi et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al., 2023; Eren et al., 2018).

La tAN también puede atenuar los síntomas de cinetosis (EM) y desviación espacial (SD) (Molefi et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al., 2023). Las aferencias vagales y trigeminales se proyectan al núcleo del tracto solitario (NTS), que es una importante estación de retransmisión dentro del cerebro. El NTS contiene neurocircuitos trigémino-vestibulovagal y desempeña un papel importante en la EM (Babic & Browning, 2014). También recibe información directa o indirecta del tracto espinal, el área postrema, el hipotálamo, el cerebelo y los sistemas vestibular/laberíntico, así como de la corteza cerebral, todos los cuales desempeñan funciones importantes en la regulación de los reflejos medulares que controlan las náuseas y los vómitos (Babic & Browning, 2014). La tAN también modula el locus coeruleus, un núcleo cerebral importante para la producción de norepinefrina, que se supone que mitiga los síntomas de la EM (Badran et al., 2018). Estas conexiones sugieren una vía por la cual la tAN podría modular la EM, reduciendo el impacto de los síntomas del ciberenfermo asociados con las simulaciones de XR.