Kognitiv forsterkning via multimodal sansing og aurikulær nevrostimulering (CAMSAN)

Målet med denne studien er å finne ut om aktiv tAN-stimulering kan danne et lukket sløyfesystem med Galea biosensing-headsettet for å forbedre kognitiv ytelse. Studien er designet som en randomisert, blindet, sham-kontrollert studie for å teste effekten av aktiv tAN-stimulering i kognitive stimuleringsoppgaver (Flanker task, GradCPT, MATB og cybersickness-oppgaver) mot forbedring av kognitiv ytelse.

Studien foregår i tre faser.

• Fase I er designet for å etablere et kvantifiserbart forhold mellom biometriske data og kognitive tilstander (kognitiv belastning, stress, oppmerksomhet og cybersykdom) under kognitive stimuleringsoppgaver (Flankeroppgave, GradCPT, MATB og cybersykeoppgaver).
• Fase II involverer evaluering av manuell tAN for å påvirke kognitiv tilstand i et open-loop-paradigme.
• Den tredje fasen innebærer å bruke den kognitive tilstandskvantifiseringen fra fase I, og de kvantifiserte effektene av tAN oppdaget i fase II for å undersøke et kognitivt forsterkningssystem med lukket sløyfe.

Foreløpig kognitiv tilstandsvurdering:

Fase I av eksperimentet vil etablere en baseline for kognitiv oppgaveytelse, og også tillate kvantifisering av kognitive tilstandsmålinger basert på biomarkører. Deltakerne skal utføre følgende oppgaver: Flankeroppgave, GradCPT, MATB og en cybersykestimuleringsoppgave. Hver av disse oppgavene har forskjellige kvantifiserings- og poengsystemer for å evaluere ytelse, og hver har som mål å indusere forskjellig kognitiv stimulering. Før hver oppgave registreres en inaktiv basislinje for kognitiv tilstand i 10 minutter.

Åpen sløyfe intervensjon:

I fase II vil alle deltakerne (gruppe 1-2) gjennomgå det samme settet med oppgaver, denne gangen mens de har på seg Sparrow Link tAN-enheten, og gruppe 1 vil oppleve aktiv tAN, kontrollert av etterforskeren for å bestemme optimale innstillinger for å påvirke kognitiv tilstand .

Closed-loop intervensjon:

I fase III vil informasjonen om kvantifisering av kognitiv tilstand bestemt i fase I og informasjon om påvirkende kognitiv tilstand bestemt i fase II brukes til å lage et intervensjonssystem med lukket sløyfe ved bruk av aktivt tAN (kun gruppe 1), utløst basert på forhold bestemt av etterforskningsteamet. Begge gruppene vil gjennomgå samme sett med oppgaver som i fase I og fase II, men gruppe 1 vil motta aktiv tAN og gruppe 2 ikke.

Oppgaver Eksperimentelle paradigmer og mekanismer som har vist seg å indusere stress, tap av oppmerksomhet og cybersyke vil bli brukt for å fremkalle fysiologiske responser fra studiedeltakerne. Disse svarene vil bli brukt til å generere data for automatisk karakterisering av de kognitive måltilstandene, bestemme hvordan ulike nivåer av manuell tAN påvirker disse tilstandene, og teste effektiviteten til et lukket sløyfe-nevrostimuleringssystem. Disse paradigmene og mekanismene er beskrevet nedenfor.

Multi-Attribute Task Battery (MATB) Multi-Attribute Task Battery er en datamaskinbasert oppgave designet for å evaluere operatørens ytelse og arbeidsbelastning. MATB gir et referansesett med oppgaver analogt med aktiviteter som flybesetningsmedlemmer utfører under flyging, selv om det også kan brukes av personer som ikke er piloter. MATB krever samtidig ytelse av overvåking av dynamisk ressursstyring og oppgavesporing. Samtidig utførelse av flere oppgaver er en sentral funksjon i MATB, og er funksjonen som er konsistent med de fleste operasjonelle systemer, noe som gjør den nyttig som en forskningsplattform. I dette tilfellet vil vi bruke OpenMATB, en åpen kildekode-implementering av MATB-eksperimentmiljøet skrevet i Python (Cegarra, et al. 2020).

Flankeoppgave Flankeoppgaven kan brukes til å måle prosessering og selektiv oppmerksomhet (Eriksen, 1974). Flankeroppgaven krever at deltakerne reagerer på en sentral målstimulus mens de ignorerer flankerende stimuli som kanskje eller ikke er kongruente med målstimulusen (Eriksen, 1974). Disse oppgavene blir mer utfordrende over tid, enten ved å redusere tiden som er tillatt for reaksjoner eller ved å introdusere mer motstridende informasjon. Et emnes svar og feilrate kan brukes til å måle oppmerksomheten og stressnivået. Disse beregningene, kombinert med selvrapporterte data, kan brukes til å lage merkede datasett. Oppgaven kan endres med tall eller former for å legge til mer variasjon eller kompleksitet, etter behov.

GradCPT En kontinuerlig ytelsesoppgave krever at deltakerne reagerer på hyppige stimuli og hindrer respons på sjeldne stimuli (Robertson, et al., 1997). GradCPT eliminerer forskyvninger og utbrudd av visuelle stimuli mellom forsøk ved å bruke gradvise overganger. Som et resultat er GradCPT mer avhengig av intern oppmerksomhetskontroll og nyttig for å studere vedvarende oppmerksomhetsprosesser ved bruk av fysiologiske metoder. GradCPT-oppgaven brukes til å teste et emnes vedvarende og selektive oppmerksomhet samt responshemming. Utilstrekkelig oppmerksomhet på oppgaver kan føre til utilsiktede eller feilaktige inndata. Bilder viser det første bildet som går over til det andre med 100 %, 75 %, 50 %, 25 % og 0 % bildekoherens. Deltakerne må trykke på en knapp hver gang en byscene presenteres (90 % av forsøkene) og holde tilbake svar når sjeldne fjellscener presenteres på de resterende 10 % av forsøkene (Fortenbaugh, et al., 2017). Den første overgangsperioden er 800 ms, og kan randomiseres eller reduseres over tid for å øke oppgavens vanskelighetsgrad og varians.

Cybersickness-stimuleringsmekanismer Cybersickness relaterer seg til noen brukeres tendens til å vise symptomer som ligner på klassisk reisesyke både under og etter en virtuell virkelighet (VR) opplevelse. Det er forskjellig fra reisesyke ved at brukeren ofte er stasjonær, men har en overbevisende følelse av selvbevegelse som et resultat av de oppslukende visuelle aspektene ved simuleringen (LaViola Jr, 2000). Symptomene på nettsyke inkluderer svimmelhet, kvalme og svimmelhet (Davis & Nalivaiko, 2014), og det er flere faktorer som er kjent for å indusere nettsyke, inkludert latens (Stauffert et al. 2020) og tap av kontroll (Davis & Nalivaiko, 2014). . Forekomsten av sensitivitet for nettsyke varierer fra 20-95 % med oppslukende VR-opplevelser (Yildirim, 2020).

Sensing Technologies Denne delen beskriver teknologiene som vil bli brukt under eksperimentet for å registrere fysiologiske responser på stimuli og karakterisere kognitive tilstandsmålinger.

Elektroencefalografi (EEG) Elektroencefalografi (EEG) registrerer hjernens elektriske aktivitet via plassering av elektroder i hodebunnen. En stor fordel med å bruke EEG er at det er ikke-invasivt, noe som betyr at det er en trygg og lavrisikometode for å studere hjerneaktivitet. Det er også relativt billig sammenlignet med fMRI eller MEG. EEG har en høy tidsoppløsning og fanger opp hendelser på en millisekunds tidsskala. Ulempen med EEG er imidlertid at den har svært begrenset romlig oppløsning da elektrodene er plassert på hodebunnen og det er flere mellomliggende lag av ikke-nevronalt vev mellom hjernen og elektrodene. Dette fører til at signalene blir spredt og sterkt skjev mot perifere strukturer i hjernen.

EEG er et nyttig verktøy for å estimere kognitive tilstander og følelser, og blir kraftigere når det kombineres med andre sansemodaliteter som overvåker andre fysiologiske markører. Kombinasjonen av EEG med andre modaliteter øker sannsynligheten for deteksjon og kvantifisering av kognitive tilstander (Kartsch et al., 2018; Yasemin et al., 2019; Antonenko et al., 2010).

Galea biosensing suite støtter ti aktive EEG-elektroder og to passive EEG-elektroder. De ti aktive elektrodene er plassert langs midtlinjen og i frontal-, parietal- og occipitallappene. Nærmere bestemt er plasseringene deres F1, F2, C3, CZ, C4, P3, P4, PZ, O1, O2 som angitt av 10-10-systemet for EEG-opptak. De to passive elektrodene er plassert i hodesettets ansiktsmaske og måler Fp1- og Fp2-plasseringene som angitt av 10-10-systemet.

De aktive EEG-elektrodene som inngår i Galea-systemet bruker kammer laget av ledende polymer og gir stabil kontakt med hodet gjennom hår og andre hindringer. De passive EEG-elektrodene er laget av sølv/sølvklorid (Ag/AgCl) og får kontakt med forsøkspersonenes panne. Enheten har to festede klips som festes til ørene til brukeren. Disse øreklemmene gir signalavvisning i vanlig modus og fungerer som en referansespenning for EEG-elektrodene.

Ansiktselektromyografi (EMG) Elektromyografi (EMG) er relatert til måling av muskler og nervecellene (motoriske nevroner) som kontrollerer dem. For å måle EMG plasseres elektroder på huden eller settes inn i muskelen for å oppdage elektrisk aktivitet. De resulterende signalene blir deretter analysert for å gi informasjon om funksjonen til muskler og nerver.

Galea biosensing suite inkluderer tørre EMG-elektroder rundt en ansiktsmaske som festes til XR-komponenten til hodesettet. Disse elektrodene måler ansiktsmuskelaktivitet og gir mulighet for estimering av ansiktsposisjoner når ansiktet dekkes av XR-headsettet. Tre par elektroder er plassert over øyenbrynene i forskjellige retninger for å målrette mot Frontalis-musklene som hever øyenbrynene, samt Depressor Glabellae, Depressor Supercilli og Currugator-musklene som lar øyenbrynene senkes. Ytterligere elektrodepar er plassert på hvert av kinnene for å målrette mot Zygomatic Major og Zygomatic Minor musklene som lar leppene og kinnene bevege seg. Elektrodene er standard tørre, flate elektroder belagt med Ag/AgCl.

Fotopletysmografi (PPG) Fotopletysmografi (PPG) er en ikke-invasiv metode for å måle blodstrømmen i blodårene nær hudens overflate. PPG gir informasjon om volumet av blod i et bestemt område og kan brukes til å utlede pulsfrekvensen, oksygenmetningsnivåene. Denne informasjonen kan bidra til kvantifisering av kognitive tilstander ved å overvåke endringer i fysiologiske parametere som er assosiert med mentale aktiviteter. PPG kan brukes til å måle variasjon i pulsfrekvens, som nærmer seg hjertefrekvensvariabilitet (Chuang et al., 2015). Hjertefrekvensvariabilitet (HRV) er et mål på variasjonen i tid mellom påfølgende hjerteslag. Den gir informasjon om det autonome nervesystemets aktivitet, som regulerer funksjoner som hjertefrekvens, pust og blodtrykk. Studier har vist at HRV kan være en nyttig indikator på kognitive tilstander (McDuff et al., 2014). For eksempel har lav HRV vært assosiert med høye nivåer av stress, angst og depresjon, mens høy HRV har vært assosiert med forbedret humør, kognitiv ytelse og generell velvære (McDuff et al., 2014).

HRV kan også gi informasjon om balansen mellom det sympatiske og det parasympatiske nervesystemet. Høy HRV indikerer en balanse mellom de to systemene, mens lav HRV indikerer at det ene systemet er dominerende over det andre. I tillegg har HRV vist seg å være en pålitelig indikator på mental innsats og kognitiv belastning (Solhjoo et al., 2019). For eksempel har HRV vist seg å avta når individer er engasjert i mentalt krevende oppgaver, som problemløsning eller beslutningstaking. Denne reduksjonen i HRV kan brukes som en markør for mental innsats og kognitiv belastning, og den kan brukes til å overvåke endringer i kognitive tilstander over tid.

En PPG-sensor er integrert i en av øreklemmene som er festet til Galea biosensing suite. Klippet er plassert på øreflippen, noe som resulterer i svært høye signal-til-støy-signaler (SNR) i forhold til andre steder og er en tilstrekkelig erstatning for hjertefrekvensovervåking sammenlignet med elektrokardiogram (Vescio et al., 2018; Weiler et al. al., 2017).

Elektrodermal aktivitet (EDA) Elektrodermal aktivitet (EDA) refererer til endringer i hudens elektriske ledningsevne som er forårsaket av endringer i svettekjertelaktivitet. EDA kan måles ved å feste elektroder til huden og registrere endringer i hudens konduktans eller impedans. Begge metodene gir tilstrekkelig informasjon om endringene i hudens konduktans. Svettekjertelaktivitet er ofte assosiert med økt emosjonell opphisselse, spesielt med stress og angst, og EDA er et veletablert fysiologisk mål som brukes til å vurdere endringer i opphisselse, oppmerksomhet og emosjonelle tilstander (Leiner et al., 2012). Begrensningen til EDA er imidlertid at den kun gir informasjon om endringer i hudkonduktans i forhold til en baseline, og indikerer ikke hvilken spesifikk kognitiv tilstand endringen i konduktans er knyttet til.

Galea måler EDA fra pannen, som gir et lignende informasjonsnivå til mer perifere målesteder (Hossain et al., 2022).

Elektrookulografi (EOG) Galea biosensing suite støtter integrert EOG, som måler øyets elektriske aktivitet. Systemet registrerer øyebevegelser langs den vertikale og horisontale aksen. Når disse bevegelsene oppstår, fungerer øyebevegelsen som en dipol og forårsaker store målbare svingninger som kan registreres.

Selv om eksakte øyeposisjoner er vanskelig å estimere med EOG, er det mulig å bruke EOG-informasjon til å estimere oppmerksomhet og andre kognitive beregninger i sammenheng med andre nevrale og fysiologiske signaler (Perdiz et al., 2017; Morton et al., 2022). Galea sine EOG-sensorer bruker de samme flate Ag/AgCl-elektrodene som EMG-ansiktssensorene. De er plassert over og under høyre øye for vertikal EOG og på utsiden av venstre og høyre øye for horisontal EOG.

Øyesporing og pupillometri Øyeblikksporing oppnås ved hjelp av infrarøde bildesensorer som kartlegger øyebevegelser i sanntid. Øyeblikk kan være et indirekte mål på oppmerksomhet, og hvordan individer flytter oppmerksomhet mellom ulike stimuli og prioriterer oppmerksomhetsressurser (Ziv, 2016). Øyesporing kombinert med pupillometri og andre fysiologiske overvåkingsteknikker kan gi innsikt om tap i oppmerksomhet på grunn av stress og andre faktorer (Miller & Unsworth, 2020). Øyeblikksporing er nyttig for å forstå når et motiv er fokusert på en stimulus og når de skifter fokus (Armstrong og Olatunji, 2012).

Pupillometri er et mål på endringer i pupillstørrelse som respons på forskjellige scenarier eller stimuli. Pupillometri er kritisk innen kognitiv forsterkning fordi det er et indirekte mål på adrenerg aktivitet, spesielt noradrenalinaktivitet i hjernen. Dette er nyttig fordi noradrenalin er assosiert med opphisselse og oppmerksomhet. Noradrenalin er også involvert i reguleringen av pupillen, da det forårsaker pupillutvidelse ved å aktivere dilatatormusklene i iris. Evnen til å oppdage adrenerg aktivitet og deretter modulere den med tAN gjør det mulig å dempe ulike stress- og reisesyke-relaterte symptomer (Badran et al., 2018; Molefi et al., 2023).

Galea biosensing suite inkluderer en integrert Varjo XR-3 hodemontert skjerm (HMD). Disse HMD-ene bruker infrarøde øyekameraer for å spore blikk, øyebevegelser og pupillometri. Det integrerte øyeblikkets sporing og pupillometrisystemet prøver ved 200 Hz og er i stand til å fange opp subtile endringer i oppmerksomhet og konsentrasjon.

Nevrostimuleringsteknikker Transkutan aurikulær neurostimulering (tAN) er et paradigme som retter seg mot både trigeminus- og vagusnervene på aurikkelen. Nylig har aurikelen blitt et mål for nevromodulering i en lang rekke patologier, inkludert opioidabstinenser, kroniske magesmerter og medikamentresistent epilepsi (Kaniusas et al., 2019). tAN leverer mild elektrisk stimulering for å modulere flere kranienervegrener i viktige dermatomregioner gjennom en liten ikke-invasiv enhet plassert over venstre øre (auricle). Disse områdene dekker eller ligger ved siden av den afferente sensoriske innerveringen av flere kranialnerver (V, VII, IX, X) og occipitale nerver. Som et resultat kan tAN-stimulering ha en innvirkning på å opprettholde oppmerksomhetsnivåer (Sharon et al., 2020), redusere akutt stress (Ylikoski et al., 2020) og lindre kvalme (Molefi et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al. al., 2023; Eren et al., 2018).

tAN kan også dempe symptomer på reisesyke (MS) og romlig avvik (SD) (Molefi et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al., 2023). Vagal- og trigeminusafferenter projiserer til nucleus tractus solitarius (NTS), som er en viktig reléstasjon i hjernen. NTS inneholder trigemino-vestibulo-vagal nevrokretsløp og spiller en viktig rolle ved MS (Babic & Browning, 2014). Den mottar også direkte eller indirekte input fra ryggmargskanalen, postrema, hypothalamus, lillehjernen og vestibulære/labyrintsystemer samt hjernebarken, som alle spiller viktige roller i reguleringen av medullære reflekser som kontrollerer kvalme og oppkast (Babic & Browning, 2014). tAN modulerer også locus coeruleus, en viktig hjernekjerne for noradrenalinproduksjon, som har blitt antatt å dempe symptomer på MS (Badran et al., 2018). Disse forbindelsene antyder en vei der tAN kan modulere MS, og redusere virkningen av cybersykesymptomer assosiert med XR-simuleringer.