Wzmocnienie funkcji poznawczych poprzez wykrywanie multimodalne i neurostymulację uszu (CAMSAN)

Celem tego badania jest określenie, czy aktywna stymulacja tAN może utworzyć system w zamkniętej pętli z zestawem biosensingowym Galea w celu poprawy wydajności poznawczej. Badanie zaprojektowano jako randomizowane, zaślepione, pozornie kontrolowane badanie mające na celu sprawdzenie wpływu aktywnej stymulacji tAN w zadaniach stymulacji poznawczej (zadanie Flankera, GradCPT, MATB i zadania związane z cybersickness) w kierunku poprawy wydajności poznawczej.

Badanie przebiega w trzech fazach.

• Faza I ma na celu ustalenie wymiernej zależności pomiędzy danymi biometrycznymi a stanami poznawczymi (obciążenie poznawcze, stres, uwaga i cyberchoroba) w ramach zadań stymulacji poznawczej (zadanie Flankera, GradCPT, MATB i zadania związane z cybersickness).
• Faza II obejmuje ocenę ręcznego tAN pod kątem wpływu na stan poznawczy w paradygmacie otwartej pętli.
• Trzecia faza polega na wykorzystaniu kwantyfikacji stanu poznawczego z fazy I oraz ilościowego wpływu tAN odkrytego w fazie II w celu zbadania systemu wzmacniania funkcji poznawczych w zamkniętej pętli.

Wstępna ocena stanu poznawczego:

Pierwsza faza eksperymentu ustali podstawę wykonania zadań poznawczych, a także umożliwi ilościową ocenę wskaźników stanu poznawczego w oparciu o biomarkery. Uczestnicy wykonają następujące zadania: Flanker Task, GradCPT, MATB oraz zadanie stymulujące cyberchorobę. Każde z tych zadań ma inny system kwantyfikacji i punktacji służący do oceny wyników, a każde z nich ma na celu wywołanie innej stymulacji poznawczej. Przed każdym zadaniem rejestrowany jest stan bazowy stanu poznawczego w stanie spoczynku przez 10 minut.

Interwencja w pętli otwartej:

W fazie II wszyscy uczestnicy (Grupy 1-2) zostaną poddani temu samemu zestawowi zadań, tym razem podczas noszenia urządzenia Sparrow Link tAN, a Grupa 1 doświadczy aktywnego tAN, kontrolowanego przez badacza w celu określenia optymalnych ustawień wpływających na stan poznawczy .

Interwencja w pętli zamkniętej:

W Fazie III informacje dotyczące ilościowego określenia stanu poznawczego określone w fazie I oraz informacje dotyczące wpływu na stan poznawczy określone w fazie II zostaną wykorzystane do stworzenia systemu interwencyjnego o zamkniętej pętli wykorzystującego aktywny tAN (tylko Grupa 1), uruchamianego na podstawie warunków określonych przez zespół śledczy. Obie grupy zostaną poddane temu samemu zestawowi zadań, co w fazie I i fazie II, ale grupa 1 otrzyma aktywny tAN, a grupa 2 nie.

Zadania Do wywołania reakcji fizjologicznych u uczestników badania zostaną wykorzystane eksperymentalne paradygmaty i mechanizmy, które, jak wykazano, powodują stres, utratę uwagi i cyberchorobę. Odpowiedzi te zostaną wykorzystane do wygenerowania danych do automatycznego scharakteryzowania docelowych stanów poznawczych, określenia, w jaki sposób różne poziomy manualnego tAN wpływają na te stany, a także do przetestowania skuteczności systemu neurostymulacji w pętli zamkniętej. Te paradygmaty i mechanizmy opisano poniżej.

Bateria zadaniowa o wielu atrybutach (MATB) Bateria zadaniowa o wielu atrybutach to zadanie komputerowe, zaprojektowane w celu oceny wydajności operatora i obciążenia pracą. MATB zapewnia wzorcowy zestaw zadań analogicznych do czynności, które członkowie załogi statku powietrznego wykonują w locie, chociaż może być również wykorzystywany przez osoby niebędące pilotami. MATB wymaga jednoczesnego monitorowania dynamicznego zarządzania zasobami i śledzenia zadań. Jednoczesne wykonywanie wielu zadań jest główną cechą MATB i jest cechą spójną z większością systemów operacyjnych, co czyni go użytecznym jako platforma badawcza. W tym przypadku użyjemy OpenMATB, otwartej implementacji środowiska eksperymentalnego MATB napisanej w Pythonie (Cegarra i in. 2020).

Zadanie flankera Zadanie flankera można wykorzystać do pomiaru przetwarzania i uwagi selektywnej (Eriksen, 1974). Zadanie flankera wymaga od uczestników reakcji na centralny bodziec docelowy, ignorując bodźce flankujące, które mogą, ale nie muszą, być zgodne z bodźcem docelowym (Eriksen, 1974). Z biegiem czasu zadania te stają się coraz trudniejsze, albo poprzez skrócenie czasu przeznaczonego na reakcję, albo przez wprowadzenie bardziej sprzecznych informacji. Reakcje osoby badanej i poziom błędów można wykorzystać do oceny jej uwagi i poziomu stresu. Metryki te, w połączeniu z danymi zgłaszanymi przez siebie, można wykorzystać do tworzenia oznaczonych etykiet zbiorów danych. W razie potrzeby zadanie można modyfikować za pomocą liczb lub kształtów, aby dodać więcej różnorodności lub złożoności.

GradCPT Zadanie polegające na ciągłym wykonywaniu zadań wymaga od uczestników reagowania na częste bodźce i hamowania reagowania na bodźce rzadkie (Robertson i in., 1997). GradCPT eliminuje przesunięcia i początki bodźców wzrokowych pomiędzy próbami, stosując stopniowe przejścia. W rezultacie GradCPT jest bardziej zależny od wewnętrznej kontroli uwagi i przydatny do badania procesów utrzymywania uwagi przy użyciu metod fizjologicznych. Zadanie GradCPT służy do testowania ciągłej i selektywnej uwagi osoby badanej, a także hamowania reakcji. Niewystarczająca uwaga na zadaniach może skutkować niezamierzonymi lub nieprawidłowymi danymi wejściowymi. Obrazy przedstawiają przejście pierwszego obrazu do drugiego przy spójności obrazu 100%, 75%, 50%, 25% i 0%. Uczestnicy muszą nacisnąć przycisk za każdym razem, gdy prezentowana jest scena miejska (90% prób) i wstrzymać się z odpowiedzią, gdy w pozostałych 10% prób prezentowane są rzadkie sceny górskie (Fortenbaugh i in., 2017). Początkowy okres przejściowy wynosi 800 ms i z czasem może być losowy lub skracany, aby zwiększyć trudność i wariancję zadania.

Mechanizmy stymulacji cyberchoroby Cyberchoroba wiąże się ze skłonnością niektórych użytkowników do wykazywania objawów podobnych do klasycznej choroby lokomocyjnej zarówno podczas, jak i po doświadczeniu wirtualnej rzeczywistości (VR). Różni się od choroby lokomocyjnej tym, że użytkownik często pozostaje w bezruchu, ale ma przekonujące poczucie ruchu w wyniku wciągających wizualnych aspektów symulacji (LaViola Jr, 2000). Objawy cyberchoroby obejmują zawroty głowy, nudności i oszołomienie (Davis i Nalivaiko, 2014). Istnieje kilka czynników, które wywołują cyberchorobę, w tym utajenie (Stauffert i in. 2020) i utrata kontroli (Davis i Nalivaiko, 2014). . Częstość występowania wrażliwości na cyberchorobę waha się od 20–95% w przypadku wciągających doświadczeń VR (Yildirim, 2020).

Technologie wyczuwania W tej części opisano technologie, które zostaną wykorzystane podczas eksperymentu w celu zarejestrowania reakcji fizjologicznych na bodźce i scharakteryzowania wskaźników stanu poznawczego.

Elektroencefalografia (EEG) Elektroencefalografia (EEG) rejestruje aktywność elektryczną mózgu poprzez umieszczenie elektrod na skórze głowy. Jedną z głównych zalet stosowania EEG jest to, że jest ono nieinwazyjne, co oznacza, że ​​jest bezpieczną i obarczoną niskim ryzykiem metodą badania aktywności mózgu. Jest również stosunkowo niedrogi w porównaniu do fMRI lub MEG. EEG charakteryzuje się wysoką rozdzielczością czasową i rejestruje zdarzenia w skali milisekundowej. Jednak wadą EEG jest to, że ma bardzo ograniczoną rozdzielczość przestrzenną, ponieważ elektrody są umieszczone na skórze głowy, a pomiędzy mózgiem a elektrodami znajduje się wiele pośrednich warstw tkanki nieneuronalnej. Powoduje to, że sygnały są rozproszone i silnie ukierunkowane na struktury peryferyjne w mózgu.

EEG jest użytecznym narzędziem do oceny stanów poznawczych i emocji, a staje się skuteczniejszy w połączeniu z innymi modalnościami sensorycznymi monitorującymi inne markery fizjologiczne. Połączenie EEG z innymi modalnościami zwiększa prawdopodobieństwo wykrycia i ilościowego określenia stanów poznawczych (Kartsch i in., 2018; Yasemin i in., 2019; Antonenko i in., 2010).

Pakiet biosensingu Galea obsługuje dziesięć aktywnych elektrod EEG i dwie pasywne elektrody EEG. Dziesięć aktywnych elektrod rozmieszczonych jest wzdłuż linii środkowej oraz w płatach czołowych, ciemieniowych i potylicznych. W szczególności ich lokalizacje to F1, F2, C3, CZ, C4, P3, P4, PZ, O1, O2, zgodnie z systemem 10-10 zapisu EEG. Dwie elektrody pasywne znajdują się w masce zestawu słuchawkowego i mierzą położenie Fp1 i Fp2 zgodnie z systemem 10-10.

Aktywne elektrody EEG zawarte w systemie Galea wykorzystują grzebienie utworzone z przewodzącego polimeru i zapewniają stabilny kontakt z głową przez włosy i inne przeszkody. Pasywne elektrody EEG są wykonane ze srebra/chlorku srebra (Ag/AgCl) i stykają się z czołem pacjentów. Do urządzenia dołączone są dwa klipsy, które mocuje się do uszu użytkownika. Te zaciski na uszy zapewniają tłumienie sygnału wspólnego i służą jako napięcie odniesienia dla elektrod EEG.

Elektromiografia twarzy (EMG) Elektromiografia (EMG) dotyczy pomiaru mięśni i komórek nerwowych (neuronów ruchowych), które je kontrolują. Aby zmierzyć EMG, elektrody umieszcza się na skórze lub wprowadza do mięśnia w celu wykrycia aktywności elektrycznej. Uzyskane sygnały są następnie analizowane w celu uzyskania informacji o funkcjonowaniu mięśni i nerwów.

Zestaw biosensorów Galea obejmuje suche elektrody EMG umieszczone wokół maski twarzowej, którą można przymocować do elementu XR zestawu słuchawkowego. Elektrody te mierzą aktywność mięśni twarzy i pozwalają oszacować ułożenie twarzy, gdy twarz jest zakryta przez zestaw słuchawkowy XR. Trzy pary elektrod umieszcza się nad brwiami w różnych orientacjach, aby namierzyć mięśnie czołowe, które unoszą brwi, a także mięśnie Depressor Glabellae, Depressor Supercilli i Currugator, które umożliwiają obniżenie brwi. Dodatkowe pary elektrod umieszcza się na każdym policzku, aby nakierować je na mięśnie jarzmowe większe i mniejsze, które umożliwiają ruch warg i policzków. Elektrody to standardowe, suche, płaskie elektrody pokryte Ag/AgCl.

Fotopletyzmografia (PPG) Fotopletyzmografia (PPG) to nieinwazyjna metoda pomiaru przepływu krwi w naczyniach krwionośnych znajdujących się blisko powierzchni skóry. PPG dostarcza informacji o objętości krwi w danym obszarze i może być wykorzystana do wywnioskowania częstości tętna i poziomu nasycenia tlenem. Informacje te mogą przyczynić się do ilościowego określenia stanów poznawczych poprzez monitorowanie zmian parametrów fizjologicznych związanych z czynnościami umysłowymi. PPG można wykorzystać do pomiaru zmienności tętna, która jest bardzo zbliżona do zmienności tętna (Chuang i in., 2015). Zmienność rytmu serca (HRV) jest miarą zmienności czasu pomiędzy kolejnymi uderzeniami serca. Dostarcza informacji o aktywności autonomicznego układu nerwowego, który reguluje takie funkcje, jak tętno, oddychanie i ciśnienie krwi. Badania wykazały, że HRV może być użytecznym wskaźnikiem stanów poznawczych (McDuff i in., 2014). Na przykład niskie HRV wiąże się z wysokim poziomem stresu, lęku i depresji, podczas gdy wysokie HRV wiąże się z poprawą nastroju, wydajności poznawczej i ogólnego samopoczucia (McDuff i in., 2014).

HRV może również dostarczyć informacji na temat równowagi pomiędzy współczulnym i przywspółczulnym układem nerwowym. Wysokie HRV wskazuje na równowagę między dwoma systemami, podczas gdy niskie HRV wskazuje, że jeden system dominuje nad drugim. Ponadto stwierdzono, że HRV jest wiarygodnym wskaźnikiem wysiłku umysłowego i obciążenia poznawczego (Solhjoo i in., 2019). Na przykład stwierdzono, że HRV spada, gdy ludzie są zaangażowani w zadania wymagające wysiłku umysłowego, takie jak rozwiązywanie problemów lub podejmowanie decyzji. Ten spadek HRV można wykorzystać jako wskaźnik wysiłku umysłowego i obciążenia poznawczego, a także można go wykorzystać do monitorowania zmian stanów poznawczych w czasie.

Czujnik PPG jest zintegrowany z jednym z klipsów na ucho dołączonych do pakietu biosensingowego Galea. Klips umieszczany jest na płatku ucha, co skutkuje bardzo wysokim stosunkiem sygnału do szumu (SNR) w porównaniu z innymi lokalizacjami i stanowi wystarczający zamiennik monitorowania tętna w porównaniu z elektrokardiogramem (Vescio i in., 2018; Weiler i in. in., 2017).

Aktywność elektrodermalna (EDA) Aktywność elektrodermalna (EDA) odnosi się do zmian w przewodnictwie elektrycznym skóry, które są spowodowane zmianami w aktywności gruczołów potowych. EDA można zmierzyć poprzez przymocowanie elektrod do skóry i rejestrację zmian w przewodności lub impedancji skóry. Obie metody dostarczają odpowiednich informacji na temat zmian przewodnictwa skóry. Aktywność gruczołów potowych często wiąże się ze zwiększonym pobudzeniem emocjonalnym, szczególnie w przypadku stresu i lęku, a EDA jest dobrze ugruntowaną miarą fizjologiczną stosowaną do oceny zmian w pobudzeniu, uwadze i stanach emocjonalnych (Leiner i in., 2012). Jednakże ograniczenie EDA polega na tym, że dostarcza jedynie informacji o zmianach przewodnictwa skóry w stosunku do wartości wyjściowych i nie wskazuje, z jakim konkretnym stanem poznawczym jest powiązana zmiana przewodnictwa.

Galea mierzy EDA z czoła, co zapewnia podobny poziom informacji co bardziej peryferyjne miejsca pomiaru (Hossain i in., 2022).

Elektrookulografia (EOG) Pakiet biosensingowy Galea obsługuje zintegrowany EOG, który mierzy aktywność elektryczną oka. System wykrywa ruchy oczu w osi pionowej i poziomej. Kiedy te ruchy występują, ruch gałek ocznych działa jak dipol i powoduje duże mierzalne wahania, które można zarejestrować.

Chociaż dokładne położenie oczu jest trudne do oszacowania za pomocą EOG, możliwe jest wykorzystanie informacji EOG do oszacowania uwagi i innych wskaźników poznawczych w kontekście innych sygnałów neuronowych i fizjologicznych (Perdiz i in., 2017; Morton i in., 2022). Czujniki EOG Galea wykorzystują te same płaskie elektrody Ag/AgCl, co czujniki czołowe EMG. Umieszcza się je powyżej i poniżej prawego oka w przypadku pionowego EOG oraz na zewnętrznym obwodzie lewego i prawego oka w przypadku poziomego EOG.

Śledzenie wzroku i pupillometria Śledzenie wzroku odbywa się za pomocą czujników obrazu na podczerwień, które odwzorowują ruchy oczu w czasie rzeczywistym. Wzrok może być pośrednią miarą uwagi oraz tego, jak jednostki przenoszą uwagę między różnymi bodźcami i ustalają priorytety dla zasobów uwagi (Ziv, 2016). Śledzenie wzroku w połączeniu z pupilometrią i innymi technikami monitorowania fizjologicznego może pozwolić na wgląd w utratę uwagi spowodowaną stresem i innymi czynnikami (Miller i Unsworth, 2020). Śledzenie wzroku jest przydatne do zrozumienia, kiedy obiekt koncentruje się na bodźcu, a kiedy zmienia ostrość (Armstrong i Olatunji, 2012).

Pupilometria to miara zmian wielkości źrenicy w odpowiedzi na różne scenariusze lub bodźce. Pupilometria ma kluczowe znaczenie w dziedzinie poprawy funkcji poznawczych, ponieważ jest pośrednią miarą aktywności adrenergicznej, zwłaszcza aktywności noradrenaliny w mózgu. Jest to przydatne, ponieważ noradrenalina wiąże się z pobudzeniem i uwagą. Noradrenalina bierze również udział w regulacji źrenicy, ponieważ powoduje jej rozszerzenie poprzez aktywację mięśni rozszerzających tęczówkę. Możliwość wykrywania aktywności adrenergicznej, a następnie modulowania jej za pomocą tAN pozwala na łagodzenie różnorodnych objawów związanych ze stresem i chorobą lokomocyjną (Badran i in., 2018; Molefi i in., 2023).

Zestaw biosensorów Galea zawiera zintegrowany wyświetlacz montowany na głowie Varjo XR-3 (HMD). Te HMD wykorzystują kamery na podczerwień do śledzenia wzroku, ruchu oczu i źrenicometrii. Zintegrowany system śledzenia wzroku i pupilometrii pobiera próbki z częstotliwością 200 Hz i jest w stanie wychwycić subtelne zmiany uwagi i koncentracji.

Techniki neurostymulacji Przezskórna neurostymulacja uszu (tAN) to paradygmat ukierunkowany zarówno na nerw trójdzielny, jak i nerw błędny na małżowinie usznej. Ostatnio małżowina uszna stała się celem neuromodulacji w przypadku wielu różnych patologii, w tym odstawienia opioidów, przewlekłego bólu brzucha i padaczki lekoopornej (Kaniusas i in., 2019). tAN zapewnia łagodną stymulację elektryczną w celu modulowania kilku gałęzi nerwów czaszkowych w kluczowych obszarach dermatomu za pomocą małego, nieinwazyjnego urządzenia umieszczonego nad lewym uchem (małżowiną uszną). Regiony te pokrywają lub sąsiadują z doprowadzającym unerwieniem czuciowym kilku nerwów czaszkowych (V, VII, IX, X) i nerwów potylicznych. W efekcie stymulacja tAN może mieć wpływ na utrzymanie poziomu uwagi (Sharon i in., 2020), redukcję ostrego stresu (Ylikoski i in., 2020) oraz łagodzenie nudności (Molefi i in., 2023; Espinoza-Palavicino i in. in., 2023; Eren i in., 2018).

tAN może również łagodzić objawy choroby lokomocyjnej (MS) i odchyleń przestrzennych (SD) (Molefi i in., 2023; Espinoza-Palavicino i in., 2023). Doprowadzające nerwy nerwu błędnego i trójdzielnego wystają do jądra przewodu solitarius (NTS), które jest główną stacją przekaźnikową w mózgu. NTS zawiera układ nerwowy trójdzielno-przedsionkowo-błędny i odgrywa ważną rolę w stwardnieniu rozsianym (Babic i Browning, 2014). Otrzymuje również bezpośredni lub pośredni sygnał wejściowy z kręgosłupa, obszaru postrema, podwzgórza, móżdżku i układu przedsionkowego/błędnika, a także kory mózgowej, z których wszystkie odgrywają ważną rolę w regulacji odruchów rdzeniowych kontrolujących nudności i wymioty (Babic i Browninga, 2014). tAN moduluje także miejsce sinawe, główne jądro mózgu odpowiedzialne za produkcję noradrenaliny, które, jak przypuszcza się, łagodzi objawy stwardnienia rozsianego (Badran i in., 2018). Połączenia te sugerują ścieżkę, za pomocą której tAN może modulować stwardnienie rozsiane, zmniejszając wpływ objawów cyberchoroby związanych z symulacjami XR.