Augmentation cognitive via la détection multimodale et la neurostimulation auriculaire (CAMSAN)

L'objectif de cette étude est de déterminer si la stimulation active du tAN peut former un système en boucle fermée avec le casque de biodétection Galea pour améliorer les performances cognitives. L'étude est conçue comme un essai randomisé, en aveugle et contrôlé de manière fictive pour tester les effets de la stimulation tAN active dans les tâches de stimulation cognitive (tâche Flanker, GradCPT, MATB et tâches de cybermaladie) vers l'amélioration des performances cognitives.

L'étude se déroule en trois phases.

• La phase I est conçue pour établir une relation quantifiable entre les données biométriques et les états cognitifs (charge cognitive, stress, attention et cybermaladie) dans le cadre de tâches de stimulation cognitive (tâche Flanker, GradCPT, MATB et tâches de cybermaladie).
• La phase II implique l'évaluation du tAN manuel pour affecter l'état cognitif dans un paradigme en boucle ouverte.
• La troisième phase consiste à utiliser la quantification de l'état cognitif de la phase I et les effets quantifiés du tAN découverts au cours de la phase II pour examiner un système d'augmentation cognitive en boucle fermée.

Évaluation préliminaire de l’état cognitif :

La phase I de l'expérience établira une base de référence pour la performance des tâches cognitives et permettra également de quantifier les mesures de l'état cognitif basées sur des biomarqueurs. Les participants effectueront les tâches suivantes : Flanker Task, GradCPT, MATB et une tâche de stimulation du cybermaladie. Chacune de ces tâches dispose de différents systèmes de quantification et de notation pour évaluer les performances, et chacune vise à induire une stimulation cognitive différente. Avant chaque tâche, une base de référence inactive de l'état cognitif est enregistrée pendant 10 minutes.

Intervention en boucle ouverte :

Au cours de la phase II, tous les participants (groupes 1 et 2) subiront le même ensemble de tâches, cette fois en portant le dispositif Sparrow Link tAN, et le groupe 1 fera l'expérience d'un tAN actif, contrôlé par l'enquêteur pour déterminer les paramètres optimaux pour affecter l'état cognitif. .

Intervention en boucle fermée :

Au cours de la phase III, les informations sur la quantification de l'état cognitif déterminées lors de la phase I et les informations sur l'affectation de l'état cognitif déterminées lors de la phase II seront utilisées pour créer un système d'intervention en boucle fermée utilisant le tAN actif (groupe 1 uniquement), déclenché en fonction des conditions déterminées par l’équipe d’enquête. Les deux groupes subiront le même ensemble de tâches que dans les phases I et II, mais le groupe 1 recevra du tAN actif et le groupe 2 ne le fera pas.

Tâches Des paradigmes et des mécanismes expérimentaux dont il a été démontré qu'ils induisent du stress, une perte d'attention et des cybermaladies seront utilisés pour susciter des réponses physiologiques chez les participants à l'étude. Ces réponses seront utilisées pour générer des données pour la caractérisation automatique des états cognitifs cibles, déterminer comment différents niveaux de tAN manuel affectent ces états et tester l'efficacité d'un système de neurostimulation en boucle fermée. Ces paradigmes et mécanismes sont décrits ci-dessous.

Batterie de tâches multi-attributs (MATB) La batterie de tâches multi-attributs est une tâche informatique conçue pour évaluer les performances et la charge de travail de l'opérateur. MATB fournit un ensemble de tâches de référence analogues aux activités que les membres d’équipage d’avion effectuent en vol, bien qu’il puisse également être utilisé par des personnes non pilotes. Le MATB nécessite des performances simultanées de surveillance de la gestion dynamique des ressources et de suivi des tâches. L'exécution simultanée de plusieurs tâches est une caractéristique centrale du MATB et est la fonctionnalité cohérente avec la plupart des systèmes opérationnels, ce qui le rend utile en tant que plate-forme de recherche. Dans ce cas, nous utiliserons OpenMATB, une implémentation open source de l'environnement expérimental MATB écrit en Python (Cegarra, et al. 2020).

Tâche de flanc La tâche de flanc peut être utilisée pour mesurer le traitement et l'attention sélective (Eriksen, 1974). La tâche de flanc exige que les participants répondent à un stimulus cible central tout en ignorant les stimuli secondaires qui peuvent ou non être congruents avec le stimulus cible (Eriksen, 1974). Ces tâches deviennent plus difficiles avec le temps, soit en réduisant le temps imparti pour les réactions, soit en introduisant davantage d'informations contradictoires. Les réponses et le taux d'erreur d'un sujet peuvent être utilisés pour évaluer son niveau d'attention et de stress. Ces mesures, combinées aux données autodéclarées, peuvent être utilisées pour créer des ensembles de données étiquetés. La tâche peut être modifiée avec des nombres ou des formes pour ajouter plus de variation ou de complexité, selon les besoins.

GradCPT Une tâche de performance continue exige que les participants répondent à des stimuli fréquents et inhibent la réponse à des stimuli peu fréquents (Robertson et al., 1997). GradCPT élimine les décalages et les apparitions de stimuli visuels entre les essais en utilisant des transitions progressives. En conséquence, GradCPT dépend davantage du contrôle interne de l’attention et est utile pour étudier les processus d’attention soutenue à l’aide de méthodes physiologiques. La tâche GradCPT est utilisée pour tester l'attention soutenue et sélective d'un sujet ainsi que l'inhibition de la réponse. Une attention insuffisante portée aux tâches peut entraîner des saisies involontaires ou incorrectes. Les images montrent la première image passant à la seconde avec une cohérence d'image de 100 %, 75 %, 50 %, 25 % et 0 %. Les participants doivent appuyer sur un bouton chaque fois qu'une scène de ville est présentée (90 % des essais) et retenir leurs réponses lorsque des scènes de montagne peu fréquentes sont présentées dans les 10 % restants des essais (Fortenbaugh, et al., 2017). La période de transition initiale est de 800 ms et peut être randomisée ou diminuée au fil du temps pour augmenter la difficulté et la variance des tâches.

Mécanismes de stimulation du cybermaladie Le cybermaladie est lié à la tendance de certains utilisateurs à présenter des symptômes similaires au mal des transports classique pendant et après une expérience de réalité virtuelle (RV). Il se distingue du mal des transports dans la mesure où l'utilisateur est souvent immobile mais a une sensation impérieuse de mouvement grâce aux aspects visuels immersifs de la simulation (LaViola Jr, 2000). Les symptômes du cybermaladie comprennent les étourdissements, les nausées et les étourdissements (Davis & Nalivaiko, 2014), et plusieurs facteurs sont connus pour induire le cybermaladie, notamment la latence (Stauffert et al. 2020) et la perte de contrôle (Davis & Nalivaiko, 2014). . La prévalence de la sensibilité au cybermaladie varie de 20 à 95 % avec les expériences VR immersives (Yildirim, 2020).

Technologies de détection Cette section décrit les technologies qui seront utilisées au cours de l'expérience pour enregistrer les réponses physiologiques aux stimuli et caractériser les mesures de l'état cognitif.

Électroencéphalographie (EEG) L'électroencéphalographie (EEG) enregistre l'activité électrique du cerveau en plaçant des électrodes sur le cuir chevelu. L’un des principaux avantages de l’EEG est qu’il est non invasif, ce qui signifie qu’il s’agit d’une méthode sûre et à faible risque pour étudier l’activité cérébrale. Il est également relativement peu coûteux par rapport à l’IRMf ou au MEG. L'EEG a une résolution temporelle élevée et capture les événements sur une échelle de temps de la milliseconde. Cependant, l’inconvénient de l’EEG est qu’il a une résolution spatiale très limitée car les électrodes sont placées sur le cuir chevelu et il existe de multiples couches intermédiaires de tissu non neuronal entre le cerveau et les électrodes. Cela provoque la dispersion des signaux et leur forte polarisation vers les structures périphériques du cerveau.

L'EEG est un outil utile pour estimer les états cognitifs et les émotions, et devient plus puissant lorsqu'il est combiné avec d'autres modalités de détection qui surveillent d'autres marqueurs physiologiques. La combinaison de l'EEG avec d'autres modalités augmente la probabilité de détection et de quantification des états cognitifs (Kartsch et al., 2018 ; Yasemin et al., 2019 ; Antonenko et al., 2010).

La suite de biodétection Galea prend en charge dix électrodes EEG actives et deux électrodes EEG passives. Les dix électrodes actives sont situées le long de la ligne médiane et dans les lobes frontal, pariétal et occipital. Plus précisément, leurs emplacements sont F1, F2, C3, CZ, C4, P3, P4, PZ, O1, O2, comme indiqué par le système 10-10 pour l'enregistrement EEG. Les deux électrodes passives sont situées dans le masque facial du casque et mesurent les emplacements Fp1 et Fp2 comme indiqué par le système 10-10.

Les électrodes EEG actives incluses dans le système Galea utilisent des peignes formés de polymère conducteur et assurent un contact stable avec la tête à travers les cheveux et autres obstacles. Les électrodes EEG passives sont en argent/chlorure d'argent (Ag/AgCl) et entrent en contact avec le front des sujets. L'appareil est doté de deux clips qui se fixent aux oreilles de l'utilisateur. Ces clips d'oreille assurent le rejet du signal en mode commun et servent de tension de référence pour les électrodes EEG.

Électromyographie faciale (EMG) L'électromyographie (EMG) concerne la mesure des muscles et des cellules nerveuses (neurones moteurs) qui les contrôlent. Pour mesurer l'EMG, des électrodes sont placées sur la peau ou insérées dans le muscle pour détecter l'activité électrique. Les signaux résultants sont ensuite analysés pour fournir des informations sur le fonctionnement des muscles et des nerfs.

La suite de biodétection Galea comprend des électrodes EMG sèches autour d'un masque facial qui se fixe au composant XR du casque. Ces électrodes mesurent l'activité des muscles du visage et permettent d'estimer les poses du visage lorsque le visage est couvert par le casque XR. Trois paires d'électrodes sont placées au-dessus des sourcils dans des orientations différentes afin de cibler les muscles Frontalis qui soulèvent les sourcils, ainsi que les muscles Abaisseur Glabellae, Abaisseur Supercilli et Currugator qui permettent aux sourcils de s'abaisser. Des paires d'électrodes supplémentaires sont placées sur chacune des joues pour cibler les muscles zygomatiques majeurs et zygomatiques mineurs qui permettent aux lèvres et aux joues de bouger. Les électrodes sont des électrodes plates et sèches standard recouvertes d'Ag/AgCl.

Photopléthysmographie (PPG) La photopléthysmographie (PPG) est une méthode non invasive de mesure du flux sanguin dans les vaisseaux sanguins proches de la surface de la peau. PPG fournit des informations sur le volume de sang dans une zone particulière et peut être utilisé pour déduire le pouls et les niveaux de saturation en oxygène. Ces informations peuvent contribuer à la quantification des états cognitifs en surveillant les changements des paramètres physiologiques associés aux activités mentales. PPG peut être utilisé pour mesurer la variabilité de la fréquence du pouls, qui se rapproche étroitement de la variabilité de la fréquence cardiaque (Chuang et al., 2015). La variabilité de la fréquence cardiaque (VRC) est une mesure de la variation de temps entre des battements cardiaques successifs. Il fournit des informations sur l'activité du système nerveux autonome, qui régule des fonctions telles que la fréquence cardiaque, la respiration et la tension artérielle. Des études ont montré que le VRC peut être un indicateur utile des états cognitifs (McDuff et al., 2014). Par exemple, une faible VRC a été associée à des niveaux élevés de stress, d’anxiété et de dépression, tandis qu’une VRC élevée a été associée à une amélioration de l’humeur, des performances cognitives et du bien-être général (McDuff et al., 2014).

Le VRC peut également fournir des informations sur l’équilibre entre les systèmes nerveux sympathique et parasympathique. Un HRV élevé indique un équilibre entre les deux systèmes, tandis qu'un HRV faible indique qu'un système est dominant sur l'autre. De plus, le VRC s’est avéré être un indicateur fiable de l’effort mental et de la charge cognitive (Solhjoo et al., 2019). Par exemple, il a été constaté que la VRC diminue lorsque les individus sont engagés dans des tâches mentalement exigeantes, telles que la résolution de problèmes ou la prise de décision. Cette diminution du VRC peut être utilisée comme marqueur de l’effort mental et de la charge cognitive, et elle peut être utilisée pour surveiller les changements dans les états cognitifs au fil du temps.

Un capteur PPG est intégré dans l’un des clips auriculaires fixés à la suite de biodétection Galea. Le clip est placé sur le lobe de l'oreille, ce qui entraîne des signaux signal/bruit (SNR) très élevés par rapport à d'autres emplacements et constitue un remplacement suffisant pour la surveillance de la fréquence cardiaque par rapport à l'électrocardiogramme (Vescio et al., 2018 ; Weiler et al., 2017).

Activité électrodermique (EDA) L'activité électrodermique (EDA) fait référence à des modifications de la conductance électrique de la peau provoquées par des modifications de l'activité des glandes sudoripares. L'EDA peut être mesurée en fixant des électrodes sur la peau et en enregistrant les changements de conductance ou d'impédance cutanée. Les deux méthodes fournissent des informations adéquates sur les modifications de la conductance cutanée. L'activité des glandes sudoripares est souvent associée à une excitation émotionnelle accrue, en particulier au stress et à l'anxiété, et l'EDA est une mesure physiologique bien établie utilisée pour évaluer les changements dans l'éveil, l'attention et les états émotionnels (Leiner et al., 2012). Cependant, la limite de l’EDA est qu’elle fournit uniquement des informations sur les changements de conductance cutanée par rapport à une ligne de base et n’indique pas à quel état cognitif spécifique le changement de conductance est lié.

Galea mesure l'EDA à partir du front, ce qui fournit un niveau d'information similaire à des emplacements de mesure plus périphériques (Hossain et al., 2022).

Électroculographie (EOG) La suite de biodétection Galea prend en charge l'EOG intégré, qui mesure l'activité électrique de l'œil. Le système détecte les mouvements oculaires le long des axes vertical et horizontal. Lorsque ces mouvements se produisent, le mouvement oculaire agit comme un dipôle et provoque de grandes fluctuations mesurables qui peuvent être enregistrées.

Bien que les positions exactes des yeux soient difficiles à estimer avec l'EOG, il est possible d'utiliser les informations EOG pour estimer l'attention et d'autres mesures cognitives dans le contexte d'autres signaux neuronaux et physiologiques (Perdiz et al., 2017 ; Morton et al., 2022). Les capteurs EOG du Galea utilisent les mêmes électrodes plates Ag/AgCl que les capteurs EMG. Ils sont placés au-dessus et au-dessous de l’œil droit pour l’EOG vertical et sur la périphérie extérieure des yeux gauche et droit pour l’EOG horizontal.

Suivi oculaire et pupillométrie Le suivi du regard est réalisé à l'aide de capteurs d'imagerie infrarouge qui cartographient les mouvements oculaires en temps réel. Le regard peut être une mesure indirecte de l’attention et de la manière dont les individus déplacent leur attention entre différents stimuli et priorisent les ressources attentionnelles (Ziv, 2016). Le suivi oculaire combiné à la pupillométrie et à d'autres techniques de surveillance physiologique peut permettre de mieux comprendre la perte d'attention due au stress et à d'autres facteurs (Miller et Unsworth, 2020). Le suivi du regard est utile pour comprendre quand un sujet se concentre sur un stimulus et quand il change de concentration (Armstrong et Olatunji, 2012).

La pupillométrie est la mesure des changements de taille des pupilles en réponse à différents scénarios ou stimuli. La pupillométrie est essentielle dans le domaine de l'augmentation cognitive car elle constitue une mesure indirecte de l'activité adrénergique, en particulier de l'activité de la noradrénaline dans le cerveau. Ceci est utile car la noradrénaline est associée à l’éveil et à l’attention. La norépinéphrine intervient également dans la régulation de la pupille, car elle provoque une dilatation de la pupille en activant les muscles dilatateurs de l'iris. La capacité de détecter l'activité adrénergique puis de la moduler avec le tAN permet d'atténuer divers symptômes liés au stress et au mal des transports (Badran et al., 2018 ; Molefi et al., 2023).

La suite de biodétection Galea comprend un visiocasque (HMD) Varjo XR-3 intégré. Ces HMD utilisent des caméras oculaires infrarouges pour suivre le regard, les mouvements oculaires et la pupillométrie. Le système intégré de suivi du regard et de pupillométrie échantillonne à 200 Hz et est capable de détecter des changements subtils d’attention et de concentration.

Techniques de neurostimulation La neurostimulation auriculaire transcutanée (tAN) est un paradigme qui cible à la fois les nerfs trijumeau et vague du pavillon d'oreille. Récemment, l'oreillette est devenue une cible de neuromodulation dans une grande variété de pathologies, notamment le sevrage aux opioïdes, les douleurs abdominales chroniques et l'épilepsie pharmacorésistante (Kaniusas et al., 2019). tAN délivre une légère stimulation électrique pour moduler plusieurs branches nerveuses crâniennes dans les régions clés du dermatome grâce à un petit dispositif non invasif placé sur l'oreille gauche (oreillette). Ces régions couvrent ou sont adjacentes à l'innervation sensorielle afférente de plusieurs nerfs crâniens (V, VII, IX, X) et nerfs occipitaux. En conséquence, la stimulation du tAN peut avoir un impact sur le maintien des niveaux d'attention (Sharon et al., 2020), la réduction du stress aigu (Ylikoski et al., 2020) et le soulagement des nausées (Molefi et al., 2023 ; Espinoza-Palavicino et coll., 2023 ; Eren et coll., 2018).

Le tAN peut également atténuer les symptômes du mal des transports (SEP) et de la déviation spatiale (SD) (Molefi et al., 2023 ; Espinoza-Palavicino et al., 2023). Les afférences vagales et trigéminales se projettent vers le noyau du tractus solitarius (NTS), qui est une station relais majeure dans le cerveau. Le NTS contient des neurocircuits trigémino-vestibulo-vagaux et joue un rôle important dans la SEP (Babic et Browning, 2014). Il reçoit également un apport direct ou indirect du tractus rachidien, de la zone postrema, de l'hypothalamus, du cervelet et des systèmes vestibulaire/labyrinthe ainsi que du cortex cérébral, qui jouent tous un rôle important dans la régulation des réflexes médullaires contrôlant les nausées et les vomissements (Babic & Browning, 2014). Le tAN module également le locus coeruleus, un noyau cérébral majeur pour la production de noradrénaline, qui pourrait atténuer les symptômes de la SEP (Badran et al., 2018). Ces connexions suggèrent une voie par laquelle tAN pourrait moduler la SEP, réduisant ainsi l'impact des symptômes de cybermaladie associés aux simulations XR.