Cognitieve augmentatie via multimodale detectie en auriculaire neurostimulatie (CAMSAN)

Het doel van deze studie is om te bepalen of actieve tAN-stimulatie een gesloten-lussysteem kan vormen met de Galea biosensing-headset om de cognitieve prestaties te verbeteren. De studie is opgezet als een gerandomiseerde, geblindeerde, schijngecontroleerde studie om de effecten van actieve tAN-stimulatie bij cognitieve stimulatietaken (Flanker-taak, GradCPT, MATB en cybersickness-taken) te testen op het verbeteren van cognitieve prestaties.

Het onderzoek verloopt in drie fasen.

• Fase I is ontworpen om een ​​kwantificeerbare relatie tot stand te brengen tussen biometrische gegevens en cognitieve toestanden (cognitieve belasting, stress, aandacht en cyberziekte) onder cognitieve stimulatietaken (Flanker-taak, GradCPT, MATB en cyberziektetaken).
• Fase II omvat de evaluatie van handmatige tAN om de cognitieve toestand te beïnvloeden in een open-loop-paradigma.
• De derde fase omvat het gebruik van de kwantificering van de cognitieve toestand uit fase I en de gekwantificeerde effecten van tAN ontdekt in fase II om een ​​cognitief augmentatiesysteem met gesloten lus te onderzoeken.

Voorlopige beoordeling van de cognitieve toestand:

Fase I van het experiment zal een basislijn voor cognitieve taakprestaties vaststellen en ook kwantificering van cognitieve toestandsmetrieken op basis van biomarkers mogelijk maken. Deelnemers zullen de volgende taken uitvoeren: Flanker Task, GradCPT, MATB en een cyberziekte-stimulatietaak. Elk van deze taken heeft verschillende kwantificerings- en scoresystemen om de prestaties te evalueren, en elk heeft tot doel verschillende cognitieve stimulatie te induceren. Vóór elke taak wordt gedurende 10 minuten een inactieve basislijn van de cognitieve toestand geregistreerd.

Open-lus-interventie:

In Fase II zullen alle deelnemers (Groepen 1-2) dezelfde reeks taken ondergaan, dit keer terwijl ze het Sparrow Link tAN-apparaat dragen, en Groep 1 zal actieve tAN ervaren, gecontroleerd door de onderzoeker om optimale instellingen te bepalen voor het beïnvloeden van de cognitieve toestand. .

Gesloten-lusinterventie:

In fase III zal de informatie over het kwantificeren van de cognitieve toestand, bepaald in fase I, en de informatie over het beïnvloeden van de cognitieve toestand, bepaald in fase II, worden gebruikt om een ​​gesloten-lus interventiesysteem te creëren met behulp van actieve tAN (alleen Groep 1), geactiveerd op basis van omstandigheden bepaald door het onderzoeksteam. Beide groepen zullen hetzelfde takenpakket ondergaan als in Fase I en Fase II, maar Groep 1 krijgt actieve tAN en Groep 2 niet.

Taken Experimentele paradigma's en mechanismen waarvan is aangetoond dat ze stress, aandachtsverlies en cyberziekte veroorzaken, zullen worden gebruikt om fysiologische reacties uit te lokken bij studiedeelnemers. Deze reacties zullen worden gebruikt om gegevens te genereren voor automatische karakterisering van de beoogde cognitieve toestanden, om te bepalen hoe verschillende niveaus van handmatige tAN deze toestanden beïnvloeden, en om de werkzaamheid van een gesloten-lus neurostimulatiesysteem te testen. Deze paradigma’s en mechanismen worden hieronder beschreven.

Multi-Attribute Task Battery (MATB) De Multi-Attribute Task Battery is een computergebaseerde taak die is ontworpen om de prestaties en werklast van de operator te evalueren. MATB biedt een benchmarkset van taken die analoog zijn aan de activiteiten die bemanningsleden van vliegtuigbemanningen tijdens de vlucht uitvoeren, hoewel deze ook kan worden gebruikt door niet-piloot-individuen. De MATB vereist gelijktijdige prestaties van het monitoren van dynamisch resourcebeheer en het volgen van taken. De gelijktijdige uitvoering van meerdere taken is een centraal kenmerk van de MATB, en is het kenmerk dat consistent is met de meeste operationele systemen, waardoor het nuttig is als onderzoeksplatform. In dit geval zullen we OpenMATB gebruiken, een open-source implementatie van de experimentele omgeving MATB geschreven in Python (Cegarra, et al. 2020).

Flanker-taak De flanker-taak kan worden gebruikt om de verwerking en selectieve aandacht te meten (Eriksen, 1974). De flankertaak vereist dat deelnemers reageren op een centrale doelstimulus, terwijl zij flankerende stimuli negeren die al dan niet congruent zijn met de doelstimulus (Eriksen, 1974). Deze taken worden in de loop van de tijd steeds uitdagender, hetzij door de toegestane reactietijd te verkorten, hetzij door meer tegenstrijdige informatie te introduceren. De reacties en het foutenpercentage van een proefpersoon kunnen worden gebruikt om hun aandacht en stressniveau te meten. Deze statistieken, gecombineerd met zelfgerapporteerde gegevens, kunnen worden gebruikt om gelabelde datasets te maken. De taak kan indien nodig worden aangepast met cijfers of vormen om meer variatie of complexiteit toe te voegen.

GradCPT Een continue prestatietaak vereist dat de deelnemers reageren op frequente stimuli en het reageren op niet-frequente stimuli remmen (Robertson, et al., 1997). GradCPT elimineert de verschuivingen en aanvangen van visuele stimuli tussen proeven door gebruik te maken van geleidelijke overgangen. Als gevolg hiervan is GradCPT meer afhankelijk van interne aandachtscontrole en nuttig voor het bestuderen van aanhoudende aandachtsprocessen met behulp van fysiologische methoden. De GradCPT-taak wordt gebruikt om de aanhoudende en selectieve aandacht van een proefpersoon te testen, evenals de remming van de respons. Onvoldoende aandacht voor taken kan leiden tot onbedoelde of onjuiste invoer. Afbeeldingen laten zien dat het eerste beeld overgaat naar het tweede met een beeldcoherentie van 100%, 75%, 50%, 25% en 0%. Deelnemers moeten elke keer dat een stadsscène wordt gepresenteerd op een knop drukken (90% van de proeven) en reacties achterhouden als er in de resterende 10% van de proeven zeldzame bergscènes worden gepresenteerd (Fortenbaugh, et al., 2017). De initiële overgangsperiode bedraagt ​​800 ms en kan in de loop van de tijd worden gerandomiseerd of verkort om de moeilijkheidsgraad en variantie van de taak te vergroten.

Stimulatiemechanismen voor cyberziekte Cyberziekte heeft betrekking op de neiging van sommige gebruikers om symptomen te vertonen die lijken op klassieke bewegingsziekte, zowel tijdens als na een virtual reality (VR)-ervaring. Het onderscheidt zich van bewegingsziekte doordat de gebruiker vaak stilstaat, maar een overtuigend gevoel van zelfbeweging heeft als resultaat van de meeslepende visuele aspecten van de simulatie (LaViola Jr, 2000). De symptomen van cyberziekte zijn onder meer duizeligheid, misselijkheid en duizeligheid (Davis & Nalivaiko, 2014), en er zijn verschillende factoren waarvan bekend is dat ze cyberziekte veroorzaken, waaronder latentie (Stauffert et al. 2020) en controleverlies (Davis & Nalivaiko, 2014). . De prevalentie van gevoeligheid voor cyberziekte varieert van 20-95% bij meeslepende VR-ervaringen (Yildirim, 2020).

Sensingtechnologieën In dit gedeelte worden de technologieën beschreven die tijdens het experiment zullen worden gebruikt om fysiologische reacties op stimuli vast te leggen en cognitieve toestandsmetrieken te karakteriseren.

Elektro-encefalografie (EEG) Elektro-encefalografie (EEG) registreert de elektrische activiteit van de hersenen via plaatsing van elektroden op de hoofdhuid. Een groot voordeel van het gebruik van EEG is dat het niet-invasief is, wat betekent dat het een veilige en laagrisicomethode is voor het bestuderen van hersenactiviteit. Het is ook relatief goedkoop in vergelijking met fMRI of MEG. EEG heeft een hoge temporele resolutie en legt gebeurtenissen vast op een tijdschaal van milliseconden. Het nadeel van EEG is echter dat het een zeer beperkte ruimtelijke resolutie heeft, omdat de elektroden op de hoofdhuid worden geplaatst en er meerdere tussenlagen van niet-neuronaal weefsel tussen de hersenen en de elektroden zitten. Dit zorgt ervoor dat de signalen worden verspreid en sterk worden beïnvloed naar perifere structuren in de hersenen.

EEG is een nuttig hulpmiddel voor het inschatten van cognitieve toestanden en emoties, en wordt krachtiger in combinatie met andere detectiemodaliteiten die andere fysiologische markers monitoren. De combinatie van EEG met andere modaliteiten vergroot de kans op detectie en kwantificering van cognitieve toestanden (Kartsch et al., 2018; Yasemin et al., 2019; Antonenko et al., 2010).

De biosensorensuite van Galea ondersteunt tien actieve EEG-elektroden en twee passieve EEG-elektroden. De tien actieve elektroden bevinden zich langs de middellijn en in de frontale, pariëtale en occipitale kwabben. Concreet zijn hun locaties F1, F2, C3, CZ, C4, P3, P4, PZ, O1, O2 zoals aangegeven door het 10-10-systeem voor EEG-opname. De twee passieve elektroden bevinden zich in het gezichtsmasker van de headset en meten de Fp1- en Fp2-locaties zoals aangegeven door het 10-10-systeem.

De actieve EEG-elektroden in het Galea-systeem maken gebruik van kammen die zijn gevormd uit geleidend polymeer en zorgen voor stabiel contact met het hoofd door haar en andere obstakels heen. De passieve EEG-elektroden zijn gemaakt van zilver/zilverchloride (Ag/AgCl) en maken contact met het voorhoofd van de proefpersonen. Het apparaat heeft twee bevestigde clips die aan de oren van de gebruiker worden bevestigd. Deze oorclips zorgen voor signaalonderdrukking in de common-mode en dienen als referentiespanning voor de EEG-elektroden.

Gezichtselektromyografie (EMG) Elektromyografie (EMG) heeft betrekking op het meten van spieren en de zenuwcellen (motorneuronen) die deze aansturen. Om EMG te meten, worden elektroden op de huid geplaatst of in de spier gestoken om elektrische activiteit te detecteren. De resulterende signalen worden vervolgens geanalyseerd om informatie te verschaffen over het functioneren van spieren en zenuwen.

De biosensorensuite van Galea omvat droge EMG-elektroden rond een gezichtsmasker dat aan het XR-onderdeel van de headset wordt bevestigd. Deze elektroden meten de gezichtsspieractiviteit en maken een schatting van de gezichtshoudingen mogelijk wanneer het gezicht wordt bedekt door de XR-headset. Drie paar elektroden worden in verschillende richtingen boven de wenkbrauwen geplaatst om zich te richten op de Frontalis-spieren die de wenkbrauwen optrekken, evenals op de Depressor Glabellae-, Depressor Supercilli- en Currugator-spieren die ervoor zorgen dat de wenkbrauwen omlaag gaan. Er worden extra elektrodenparen op elk van de wangen geplaatst om de Zygomatic Major- en Zygomatic Minor-spieren te targeten, waardoor de lippen en wangen kunnen bewegen. De elektroden zijn standaard droge, platte elektroden bedekt met Ag/AgCl.

Fotoplethysmografie (PPG) Fotoplethysmografie (PPG) is een niet-invasieve methode voor het meten van de bloedstroom in bloedvaten dicht bij het huidoppervlak. PPG geeft informatie over het bloedvolume in een bepaald gebied en kan worden gebruikt om de hartslag en het zuurstofverzadigingsniveau af te leiden. Deze informatie kan bijdragen aan de kwantificering van cognitieve toestanden door veranderingen in fysiologische parameters te monitoren die verband houden met mentale activiteiten. PPG kan worden gebruikt om de hartslagvariabiliteit te meten, die de hartslagvariabiliteit dicht benadert (Chuang et al., 2015). Hartslagvariabiliteit (HRV) is een maatstaf voor de variatie in de tijd tussen opeenvolgende hartslagen. Het geeft informatie over de activiteit van het autonome zenuwstelsel, dat functies zoals hartslag, ademhaling en bloeddruk reguleert. Studies hebben aangetoond dat HRV een nuttige indicator kan zijn van cognitieve toestanden (McDuff et al., 2014). Een lage HRV is bijvoorbeeld in verband gebracht met hoge niveaus van stress, angst en depressie, terwijl een hoge HRV in verband is gebracht met een beter humeur, cognitieve prestaties en algeheel welzijn (McDuff et al., 2014).

HRV kan ook informatie verschaffen over de balans tussen het sympathische en parasympathische zenuwstelsel. Een hoge HRV duidt op een evenwicht tussen de twee systemen, terwijl een lage HRV aangeeft dat het ene systeem dominant is over het andere. Bovendien is gebleken dat HRV een betrouwbare indicator is van mentale inspanning en cognitieve belasting (Solhjoo et al., 2019). Er is bijvoorbeeld gebleken dat de HRV afneemt wanneer individuen bezig zijn met mentaal veeleisende taken, zoals het oplossen van problemen of het nemen van beslissingen. Deze afname van de HRV kan worden gebruikt als een indicator voor mentale inspanning en cognitieve belasting, en kan worden gebruikt om veranderingen in cognitieve toestanden in de loop van de tijd te monitoren.

Een PPG-sensor is geïntegreerd in een van de oorclips die aan de Galea-biosensorsuite is bevestigd. De clip wordt op de oorlel geplaatst, wat resulteert in zeer hoge signaal-ruissignalen (SNR) in vergelijking met andere locaties en is een voldoende vervanging voor hartslagmeting in vergelijking met een elektrocardiogram (Vescio et al., 2018; Weiler et al. al., 2017).

Elektrodermale activiteit (EDA) Elektrodermale activiteit (EDA) verwijst naar veranderingen in de elektrische geleiding van de huid die worden veroorzaakt door veranderingen in de activiteit van de zweetklieren. EDA kan worden gemeten door elektroden op de huid te bevestigen en veranderingen in de huidgeleiding of impedantie te registreren. Beide methoden geven adequate informatie over de veranderingen in de huidgeleiding. Zweetklieractiviteit wordt vaak geassocieerd met verhoogde emotionele opwinding, vooral met stress en angst, en EDA is een gevestigde fysiologische maatstaf die wordt gebruikt om veranderingen in opwinding, aandacht en emotionele toestanden te beoordelen (Leiner et al., 2012). De beperking van EDA is echter dat het alleen informatie geeft over veranderingen in de huidgeleiding ten opzichte van een basislijn, en niet aangeeft aan welke specifieke cognitieve toestand de verandering in de geleiding is gekoppeld.

Galea meet EDA vanaf het voorhoofd, wat een vergelijkbaar informatieniveau oplevert voor meer perifere meetlocaties (Hossain et al., 2022).

Elektro-oculografie (EOG) De biosensorensuite van Galea ondersteunt geïntegreerde EOG, die de elektrische activiteit van het oog meet. Het systeem detecteert oogbewegingen langs de verticale en horizontale assen. Wanneer deze bewegingen optreden, fungeert de oogbeweging als een dipool en veroorzaakt grote meetbare fluctuaties die kunnen worden geregistreerd.

Hoewel de exacte oogposities moeilijk in te schatten zijn met EOG, is het mogelijk om EOG-informatie te gebruiken om de aandacht en andere cognitieve meetgegevens te schatten in de context van andere neurale en fysiologische signalen (Perdiz et al., 2017; Morton et al., 2022). De EOG-sensoren van de Galea gebruiken dezelfde platte Ag/AgCl-elektroden als de EMG-gezichtssensoren. Ze worden boven en onder het rechteroog geplaatst voor verticale EOG en aan de buitenrand van het linker- en rechteroog voor horizontale EOG.

Oogtracking en pupillometrie Het volgen van oogbewegingen wordt bereikt met behulp van infraroodbeeldsensoren die oogbewegingen in realtime in kaart brengen. Oogblik kan een indirecte maatstaf zijn voor aandacht, en voor de manier waarop individuen de aandacht verschuiven tussen verschillende stimuli en prioriteit geven aan aandachtsbronnen (Ziv, 2016). Eye-tracking gecombineerd met pupillometrie en andere fysiologische monitoringtechnieken kunnen inzicht geven in aandachtsverlies als gevolg van stress en andere factoren (Miller & Unsworth, 2020). Het volgen van oogbewegingen is nuttig om te begrijpen wanneer een onderwerp gefocust is op een stimulus en wanneer hij zijn focus verlegt (Armstrong en Olatunji, 2012).

Pupillometrie is de maatstaf voor veranderingen in de pupilgrootte als reactie op verschillende scenario's of stimuli. Pupillometrie is van cruciaal belang op het gebied van cognitieve augmentatie omdat het een indirecte maatstaf is voor de adrenerge activiteit, met name de noradrenalineactiviteit in de hersenen. Dit is nuttig omdat noradrenaline wordt geassocieerd met opwinding en aandacht. Noradrenaline is ook betrokken bij de regulatie van de pupil, omdat het pupilverwijding veroorzaakt door de dilatatorspieren in de iris te activeren. Het vermogen om adrenerge activiteit te detecteren en deze vervolgens te moduleren met tAN zorgt voor de verlichting van verschillende stress- en bewegingsziektegerelateerde symptomen (Badran et al., 2018; Molefi et al., 2023).

De biosensorsuite van Galea bevat een geïntegreerd Varjo XR-3 op het hoofd gemonteerd display (HMD). Deze HMD's gebruiken infrarood-oogcamera's om blik, oogbewegingen en pupillometrie te volgen. Het geïntegreerde oog- en pupillometriesysteem bemonstert op 200 Hz en kan subtiele verschuivingen in aandacht en concentratie opmerken.

Neurostimulatietechnieken Transcutane auriculaire neurostimulatie (tAN) is een paradigma dat zich richt op zowel de trigeminus- als de nervus vagus op de oorschelp. Onlangs is de oorschelp een doelwit geworden voor neuromodulatie bij een breed scala aan pathologieën, waaronder ontwenningsverschijnselen van opioïden, chronische buikpijn en medicijnresistente epilepsie (Kaniusas et al., 2019). tAN levert milde elektrische stimulatie om verschillende hersenzenuwtakken in belangrijke dermatoomgebieden te moduleren via een klein, niet-invasief apparaat dat over het linkeroor (oorschelp) wordt geplaatst. Deze gebieden bedekken of grenzen aan de afferente sensorische innervatie van verschillende hersenzenuwen (V, VII, IX, X) en occipitale zenuwen. Als gevolg hiervan kan tAN-stimulatie een impact hebben op het behouden van het aandachtsniveau (Sharon et al., 2020), het verminderen van acute stress (Ylikoski et al., 2020) en het verlichten van misselijkheid (Molefi et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al. al., 2023; Eren et al., 2018).

tAN kan ook de symptomen van bewegingsziekte (MS) en ruimtelijke afwijkingen (SD) verzwakken (Molefi et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al., 2023). Vagale en trigeminale afferenten projecteren naar de nucleus tractus solitarius (NTS), een belangrijk relaisstation in de hersenen. De NTS bevat trigemino-vestibulo-vagale neurocircuits en speelt een belangrijke rol bij MS (Babic & Browning, 2014). Het ontvangt ook directe of indirecte input van het ruggenmerg, area postrema, hypothalamus, het cerebellum en het vestibulaire/labyrintachtige systeem, evenals de hersenschors, die allemaal een belangrijke rol spelen bij de regulatie van medullaire reflexen die misselijkheid en braken beheersen (Babic & Browning, 2014). tAN moduleert ook de locus coeruleus, een belangrijke hersenkern voor de productie van noradrenaline, waarvan wordt aangenomen dat het de symptomen van MS verlicht (Badran et al., 2018). Deze verbindingen suggereren een route waarlangs tAN MS zou kunnen moduleren, waardoor de impact van cyberziektesymptomen geassocieerd met XR-simulaties zou kunnen worden verminderd.