Aumento cognitivo tramite rilevamento multimodale e neurostimolazione auricolare (CAMSAN)

L'obiettivo di questo studio è determinare se la stimolazione tAN attiva può formare un sistema a circuito chiuso con le cuffie biosensing Galea per migliorare le prestazioni cognitive. Lo studio è concepito come uno studio randomizzato, in cieco, controllato con simulazione per testare gli effetti della stimolazione tAN attiva nei compiti di stimolazione cognitiva (compito Flanker, GradCPT, MATB e compiti di cybersickness) verso il miglioramento delle prestazioni cognitive.

Lo studio si svolge in tre fasi.

• La fase I è progettata per stabilire una relazione quantificabile tra dati biometrici e stati cognitivi (carico cognitivo, stress, attenzione e cybersickness) nell'ambito di compiti di stimolazione cognitiva (compito Flanker, GradCPT, MATB e compiti di cybersickness).
• La fase II prevede la valutazione della tAN manuale per influenzare lo stato cognitivo in un paradigma a ciclo aperto.
• La terza fase prevede l'utilizzo della quantificazione dello stato cognitivo della Fase I e degli effetti quantificati di tAN scoperti nella Fase II per esaminare un sistema di aumento cognitivo a circuito chiuso.

Valutazione preliminare dello stato cognitivo:

La fase I dell'esperimento stabilirà una base di riferimento per le prestazioni del compito cognitivo e consentirà anche la quantificazione delle metriche dello stato cognitivo basate su biomarcatori. I partecipanti eseguiranno i seguenti compiti: Flanker Task, GradCPT, MATB e un compito di stimolazione della cybersickness. Ciascuno di questi compiti ha diversi sistemi di quantificazione e punteggio per valutare le prestazioni e ciascuno mira a indurre una stimolazione cognitiva diversa. Prima di ogni attività, viene registrata una linea di base dello stato cognitivo per 10 minuti.

Intervento ad anello aperto:

Nella Fase II, tutti i partecipanti (Gruppi 1-2) saranno sottoposti alla stessa serie di compiti, questa volta indossando il dispositivo tAN Sparrow Link, e il Gruppo 1 sperimenterà la tAN attiva, controllata dallo sperimentatore per determinare le impostazioni ottimali per influenzare lo stato cognitivo .

Intervento a circuito chiuso:

Nella Fase III, le informazioni sulla quantificazione dello stato cognitivo determinato nella fase I e le informazioni sull'influenza dello stato cognitivo determinato nella fase II verranno utilizzate per creare un sistema di intervento a circuito chiuso utilizzando tAN attiva (solo Gruppo 1), attivato sulla base di condizioni determinate da la squadra investigativa. Entrambi i gruppi saranno sottoposti alla stessa serie di compiti della Fase I e della Fase II, ma il Gruppo 1 riceverà tAN attivo e il Gruppo 2 no.

Compiti Paradigmi e meccanismi sperimentali che hanno dimostrato di indurre stress, perdita di attenzione e malessere informatico verranno utilizzati per suscitare risposte fisiologiche nei partecipanti allo studio. Queste risposte verranno utilizzate per generare dati per la caratterizzazione automatica degli stati cognitivi target, determinare in che modo diversi livelli di tAN manuale influenzano questi stati e testare l'efficacia di un sistema di neurostimolazione a circuito chiuso. Questi paradigmi e meccanismi sono descritti di seguito.

Batteria di attività multi-attributo (MATB) La batteria di attività multi-attributo è un'attività basata su computer progettata per valutare le prestazioni dell'operatore e il carico di lavoro. MATB fornisce una serie di compiti di riferimento analoghi alle attività svolte dai membri dell'equipaggio dell'aereo in volo, sebbene possa essere utilizzato anche da persone non pilota. Il MATB richiede l'esecuzione simultanea del monitoraggio della gestione dinamica delle risorse e del monitoraggio delle attività. L'esecuzione simultanea di più attività è una caratteristica centrale del MATB ed è la caratteristica coerente con la maggior parte dei sistemi operativi, rendendolo utile come piattaforma di ricerca. In questo caso, utilizzeremo OpenMATB, un'implementazione open source dell'ambiente sperimentale MATB scritto in Python (Cegarra, et al. 2020).

Compito fiancheggiatore Il compito fiancheggiatore può essere utilizzato per misurare l'elaborazione e l'attenzione selettiva (Eriksen, 1974). Il compito fiancheggiatore richiede che i partecipanti rispondano a uno stimolo bersaglio centrale ignorando gli stimoli fiancheggianti che possono o meno essere congruenti con lo stimolo bersaglio (Eriksen, 1974). Questi compiti diventano più impegnativi nel tempo diminuendo il tempo concesso per le reazioni o introducendo informazioni più contrastanti. Le risposte e il tasso di errore di un soggetto possono essere utilizzati per valutare la sua attenzione e i livelli di stress. Queste metriche, combinate con i dati auto-segnalati, possono essere utilizzate per creare set di dati etichettati. L'attività può essere modificata con numeri o forme per aggiungere più variazione o complessità, a seconda delle esigenze.

GradCPT Un compito di prestazione continua richiede che i partecipanti rispondano a stimoli frequenti e inibiscano la risposta a stimoli poco frequenti (Robertson, et al., 1997). GradCPT elimina gli spostamenti e gli attacchi degli stimoli visivi tra le prove utilizzando transizioni graduali. Di conseguenza, GradCPT dipende maggiormente dal controllo dell'attenzione interna ed è utile per studiare i processi di attenzione sostenuta utilizzando metodi fisiologici. Il compito GradCPT viene utilizzato per testare l'attenzione sostenuta e selettiva di un soggetto, nonché l'inibizione della risposta. Un'attenzione insufficiente ai compiti può provocare input involontari o errati. Le immagini mostrano la transizione della prima immagine alla seconda con una coerenza dell'immagine del 100%, 75%, 50%, 25% e 0%. Ai partecipanti viene richiesto di premere un pulsante ogni volta che viene presentata una scena cittadina (90% delle prove) e di trattenere le risposte quando vengono presentate scene di montagna poco frequenti nel restante 10% delle prove (Fortenbaugh, et al., 2017). Il periodo di transizione iniziale è di 800 ms e può essere randomizzato o ridotto nel tempo per aumentare la difficoltà e la varianza dell'attività.

Meccanismi di stimolazione della cinetosi La cibersickness si riferisce alla tendenza di alcuni utenti a mostrare sintomi simili alla cinetosi classica sia durante che dopo un'esperienza di realtà virtuale (VR). È distinto dalla cinetosi in quanto l'utente è spesso fermo ma ha un senso avvincente di movimento autonomo come risultato degli aspetti visivi immersivi della simulazione (LaViola Jr, 2000). I sintomi della malattia informatica includono vertigini, nausea e stordimento (Davis & Nalivaiko, 2014) e sono noti diversi fattori che inducono la malattia informatica, tra cui la latenza (Stauffert et al. 2020) e la perdita di controllo (Davis & Nalivaiko, 2014) . La prevalenza della sensibilità alla malattia informatica varia dal 20 al 95% con esperienze VR immersive (Yildirim, 2020).

Tecnologie di rilevamento Questa sezione descrive le tecnologie che verranno utilizzate durante l'esperimento per registrare le risposte fisiologiche agli stimoli e caratterizzare le metriche dello stato cognitivo.

Elettroencefalografia (EEG) L'elettroencefalografia (EEG) registra l'attività elettrica cerebrale tramite il posizionamento di elettrodi sul cuoio capelluto. Uno dei principali vantaggi dell’uso dell’EEG è che non è invasivo, il che significa che è un metodo sicuro e a basso rischio per studiare l’attività cerebrale. È anche relativamente economico rispetto alla fMRI o alla MEG. L'EEG ha un'elevata risoluzione temporale e cattura gli eventi su una scala temporale di millisecondi. Tuttavia, lo svantaggio dell’EEG è che ha una risoluzione spaziale molto limitata poiché gli elettrodi sono posizionati sul cuoio capelluto e sono presenti più strati intermedi di tessuto non neuronale tra il cervello e gli elettrodi. Ciò fa sì che i segnali siano dispersi e fortemente distorti verso le strutture periferiche del cervello.

L'EEG è uno strumento utile per stimare gli stati cognitivi e le emozioni e diventa più potente se combinato con altre modalità di rilevamento che monitorano altri marcatori fisiologici. La combinazione dell'EEG con altre modalità aumenta la probabilità di rilevamento e quantificazione degli stati cognitivi (Kartsch et al., 2018; Yasemin et al., 2019; Antonenko et al., 2010).

La suite di biosensing Galea supporta dieci elettrodi EEG attivi e due elettrodi EEG passivi. I dieci elettrodi attivi sono situati lungo la linea mediana e nei lobi frontale, parietale e occipitale. Nello specifico, le loro posizioni sono F1, F2, C3, CZ, C4, P3, P4, PZ, O1, O2 come indicato dal sistema 10-10 per la registrazione EEG. I due elettrodi passivi si trovano nella maschera facciale del visore e misurano le posizioni Fp1 e Fp2 come indicato dal sistema 10-10.

Gli elettrodi EEG attivi inclusi nel sistema Galea utilizzano pettini formati da polimero conduttivo e forniscono un contatto stabile con la testa attraverso i capelli e altri ostacoli. Gli elettrodi EEG passivi sono realizzati in argento/cloruro di argento (Ag/AgCl) e entrano in contatto con la fronte dei soggetti. Il dispositivo è dotato di due clip collegate che si fissano alle orecchie dell'utente. Queste clip auricolari forniscono la reiezione del segnale di modo comune e fungono da tensione di riferimento per gli elettrodi EEG.

Elettromiografia facciale (EMG) L'elettromiografia (EMG) riguarda la misurazione dei muscoli e delle cellule nervose (motoneuroni) che li controllano. Per misurare l'EMG, gli elettrodi vengono posizionati sulla pelle o inseriti nel muscolo per rilevare l'attività elettrica. I segnali risultanti vengono quindi analizzati per fornire informazioni sul funzionamento di muscoli e nervi.

La suite di biorilevamento Galea comprende elettrodi EMG secchi attorno a una maschera facciale che si collega al componente XR del visore. Questi elettrodi misurano l'attività dei muscoli facciali e consentono di stimare le pose del viso quando il viso è coperto dal visore XR. Tre paia di elettrodi vengono posizionati sopra le sopracciglia in diversi orientamenti per agire sui muscoli frontali che sollevano le sopracciglia, nonché sui muscoli depressore glabellare, depressore supercilli e currugatore che consentono alle sopracciglia di abbassarsi. Ulteriori coppie di elettrodi vengono posizionate su ciascuna guancia per colpire i muscoli zigomatico maggiore e minore zigomatico che consentono alle labbra e alle guance di muoversi. Gli elettrodi sono elettrodi piatti standard asciutti rivestiti in Ag/AgCl.

Fotopletismografia (PPG) La fotopletismografia (PPG) è un metodo non invasivo per misurare il flusso sanguigno nei vasi sanguigni vicino alla superficie della pelle. Il PPG fornisce informazioni sul volume del sangue in una particolare area e può essere utilizzato per dedurre la frequenza del polso e i livelli di saturazione dell'ossigeno. Queste informazioni possono contribuire alla quantificazione degli stati cognitivi monitorando i cambiamenti nei parametri fisiologici associati alle attività mentali. Il PPG può essere utilizzato per misurare la variabilità della frequenza cardiaca, che si avvicina molto alla variabilità della frequenza cardiaca (Chuang et al., 2015). La variabilità della frequenza cardiaca (HRV) è una misura della variazione nel tempo tra battiti cardiaci successivi. Fornisce informazioni sull'attività del sistema nervoso autonomo, che regola funzioni come la frequenza cardiaca, la respirazione e la pressione sanguigna. Gli studi hanno dimostrato che l'HRV può essere un utile indicatore degli stati cognitivi (McDuff et al., 2014). Ad esempio, un HRV basso è stato associato a livelli elevati di stress, ansia e depressione, mentre un HRV elevato è stato associato a un miglioramento dell’umore, delle prestazioni cognitive e del benessere generale (McDuff et al., 2014).

L'HRV può anche fornire informazioni sull'equilibrio tra il sistema nervoso simpatico e parasimpatico. Un HRV elevato indica un equilibrio tra i due sistemi, mentre un HRV basso indica che un sistema è dominante sull’altro. Inoltre, l’HRV si è rivelato un indicatore affidabile dello sforzo mentale e del carico cognitivo (Solhjoo et al., 2019). Ad esempio, è stato riscontrato che l’HRV diminuisce quando gli individui sono impegnati in compiti mentalmente impegnativi, come la risoluzione di problemi o il processo decisionale. Questa diminuzione dell’HRV può essere utilizzata come indicatore dello sforzo mentale e del carico cognitivo e può essere utilizzata per monitorare i cambiamenti negli stati cognitivi nel tempo.

Un sensore PPG è integrato in una delle clip auricolari collegate alla suite di biosensori Galea. La clip è posizionata sul lobo dell'orecchio, il che si traduce in segnali segnale-rumore (SNR) molto elevati rispetto ad altre posizioni ed è un sostituto sufficiente per il monitoraggio della frequenza cardiaca rispetto all'elettrocardiogramma (Vescio et al., 2018; Weiler et al., 2017).

Attività elettrodermica (EDA) L'attività elettrodermica (EDA) si riferisce ai cambiamenti nella conduttanza elettrica della pelle causati da cambiamenti nell'attività delle ghiandole sudoripare. L'EDA può essere misurato collegando elettrodi alla pelle e registrando i cambiamenti nella conduttanza o impedenza della pelle. Entrambi i metodi forniscono informazioni adeguate sui cambiamenti nella conduttanza cutanea. L'attività delle ghiandole sudoripare è spesso associata ad una maggiore eccitazione emotiva, in particolare a stress e ansia, e l'EDA è una misura fisiologica ben consolidata che viene utilizzata per valutare i cambiamenti nell'eccitazione, nell'attenzione e negli stati emotivi (Leiner et al., 2012). Tuttavia, il limite dell’EDA è che fornisce solo informazioni sui cambiamenti nella conduttanza cutanea rispetto a un valore di base e non indica a quale stato cognitivo specifico è collegato il cambiamento nella conduttanza.

Galea misura l'EDA dalla fronte, il che fornisce un livello di informazioni simile a luoghi di misurazione più periferici (Hossain et al., 2022).

Elettrooculografia (EOG) La suite di biosensing Galea supporta l'EOG integrato, che misura l'attività elettrica dell'occhio. Il sistema rileva i movimenti oculari lungo gli assi verticale e orizzontale. Quando si verificano questi movimenti, il movimento oculare agisce come un dipolo e provoca grandi fluttuazioni misurabili che possono essere registrate.

Sebbene le posizioni esatte degli occhi siano difficili da stimare con l'EOG, è possibile utilizzare le informazioni dell'EOG per stimare l'attenzione e altri parametri cognitivi nel contesto di altri segnali neurali e fisiologici (Perdiz et al., 2017; Morton et al., 2022). I sensori EOG del Galea utilizzano gli stessi elettrodi piatti Ag/AgCl dei sensori frontali EMG. Sono posizionati sopra e sotto l'occhio destro per l'EOG verticale e sulla periferia esterna degli occhi sinistro e destro per l'EOG orizzontale.

Tracciamento oculare e pupillometria Il tracciamento dello sguardo oculare viene ottenuto utilizzando sensori di imaging a infrarossi che mappano i movimenti oculari in tempo reale. Lo sguardo può essere una misura indiretta dell'attenzione e del modo in cui gli individui spostano l'attenzione tra diversi stimoli e danno priorità alle risorse attenzionali (Ziv, 2016). Il tracciamento oculare combinato con la pupillometria e altre tecniche di monitoraggio fisiologico possono consentire di comprendere meglio la perdita di attenzione dovuta allo stress e ad altri fattori (Miller & Unsworth, 2020). Il tracciamento dello sguardo è utile per capire quando un soggetto è concentrato su uno stimolo e quando sposta la messa a fuoco (Armstrong e Olatunji, 2012).

La pupillometria è la misura delle variazioni delle dimensioni della pupilla in risposta a diversi scenari o stimoli. La pupillometria è fondamentale nel campo dell'aumento cognitivo perché è una misura indiretta dell'attività adrenergica, in particolare dell'attività della norepinefrina nel cervello. Ciò è utile perché la norepinefrina è associata all'eccitazione e all'attenzione. La noradrenalina è coinvolta anche nella regolazione della pupilla, poiché provoca la dilatazione della pupilla attivando i muscoli dilatatori dell'iride. La capacità di rilevare l'attività adrenergica e quindi di modularla con tAN consente di mitigare vari sintomi legati allo stress e alla chinetosi (Badran et al., 2018; Molefi et al., 2023).

La suite di biorilevamento Galea include un display montato sulla testa (HMD) Varjo XR-3 integrato. Questi HMD utilizzano telecamere oculari a infrarossi per monitorare lo sguardo, il movimento degli occhi e la pupillometria. Il sistema integrato di tracciamento dello sguardo e pupillometria campiona a 200 Hz ed è in grado di rilevare sottili cambiamenti nell'attenzione e nella concentrazione.

Tecniche di neurostimolazione La neurostimolazione auricolare transcutanea (tAN) è un paradigma che prende di mira sia il nervo trigemino che quello vago sul padiglione auricolare. Recentemente, il padiglione auricolare è diventato un bersaglio per la neuromodulazione in un’ampia varietà di patologie, tra cui l’astinenza da oppioidi, il dolore addominale cronico e l’epilessia resistente ai farmaci (Kaniusas et al., 2019). tAN fornisce una lieve stimolazione elettrica per modulare diversi rami dei nervi cranici nelle regioni chiave del dermatomero attraverso un piccolo dispositivo non invasivo posizionato sopra l'orecchio sinistro (padiglione auricolare). Queste regioni coprono o sono adiacenti all'innervazione sensoriale afferente di diversi nervi cranici (V, VII, IX, X) e dei nervi occipitali. Di conseguenza, la stimolazione tAN può avere un impatto sul mantenimento dei livelli di attenzione (Sharon et al., 2020), riducendo lo stress acuto (Ylikoski et al., 2020) e alleviando la nausea (Molefi et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al., 2023; Eren et al., 2018).

La tAN può anche attenuare i sintomi della chinetosi (SM) e della deviazione spaziale (SD) (Molefi et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al., 2023). Le afferenze vagali e trigeminali proiettano al nucleo del tratto solitario (NTS), che è un'importante stazione di rilancio all'interno del cervello. L'NTS contiene neurocircuiti trigemino-vestibolo-vagali e svolge un ruolo importante nella SM (Babic & Browning, 2014). Riceve anche input diretti o indiretti dal tratto spinale, dall'area postrema, dall'ipotalamo, dal cervelletto e dai sistemi vestibolare/labirintico nonché dalla corteccia cerebrale, che svolgono tutti un ruolo importante nella regolazione dei riflessi midollari che controllano nausea e vomito (Babic & Browning, 2014). tAN modula anche il locus coeruleus, un importante nucleo cerebrale per la produzione di norepinefrina, che si ipotizza possa mitigare i sintomi della SM (Badran et al., 2018). Queste connessioni suggeriscono un percorso attraverso il quale tAN potrebbe modulare la SM, riducendo l’impatto dei sintomi di cybersickness associati alle simulazioni XR.