Aumento cognitivo via detecção multimodal e neuroestimulação auricular (CAMSAN)

O objetivo deste estudo é determinar se a estimulação tAN ativa pode formar um sistema de circuito fechado com o fone de ouvido com biossensor Galea para melhorar o desempenho cognitivo. O estudo foi concebido como um ensaio randomizado, cego e controlado por simulação para testar os efeitos da estimulação tAN ativa em tarefas de estimulação cognitiva (tarefa Flanker, GradCPT, MATB e tarefas de doença cibernética) para a melhoria do desempenho cognitivo.

O estudo ocorre em três fases.

• A Fase I foi projetada para estabelecer uma relação quantificável entre dados biométricos e estados cognitivos (carga cognitiva, estresse, atenção e doença cibernética) em tarefas de estimulação cognitiva (tarefa de Flanker, GradCPT, MATB e tarefas de doença cibernética).
• A Fase II envolve a avaliação do tAN manual para afetar o estado cognitivo em um paradigma de circuito aberto.
• A terceira fase envolve o uso da quantificação do estado cognitivo da Fase I e os efeitos quantificados do tAN descobertos na Fase II para examinar um sistema de aumento cognitivo de circuito fechado.

Avaliação preliminar do estado cognitivo:

A Fase I do experimento estabelecerá uma linha de base de desempenho de tarefas cognitivas e também permitirá a quantificação de métricas de estado cognitivo baseadas em biomarcadores. Os participantes realizarão as seguintes tarefas: Flanker Task, GradCPT, MATB e uma tarefa de estimulação da doença cibernética. Cada uma dessas tarefas possui diferentes sistemas de quantificação e pontuação para avaliar o desempenho, e cada uma visa induzir diferentes estímulos cognitivos. Antes de cada tarefa, uma linha de base ociosa do estado cognitivo é registrada por 10 minutos.

Intervenção em circuito aberto:

Na Fase II, todos os participantes (Grupos 1-2) serão submetidos ao mesmo conjunto de tarefas, desta vez usando o dispositivo Sparrow Link tAN, e o Grupo 1 experimentará tAN ativo, controlado pelo investigador para determinar as configurações ideais para afetar o estado cognitivo .

Intervenção em circuito fechado:

Na Fase III, as informações sobre a quantificação do estado cognitivo determinado na fase I e as informações sobre como afetar o estado cognitivo determinado na fase II serão usadas para criar um sistema de intervenção em circuito fechado usando tAN ativo (apenas Grupo 1), acionado com base nas condições determinadas por a equipe de investigação. Ambos os grupos passarão pelo mesmo conjunto de tarefas da Fase I e Fase II, mas o Grupo 1 receberá tAN ativo e o Grupo 2 não.

Tarefas Paradigmas experimentais e mecanismos que demonstraram induzir estresse, perda de atenção e ciberenjôo serão usados ​​para provocar respostas fisiológicas dos participantes do estudo. Essas respostas serão usadas para gerar dados para caracterização automática dos estados cognitivos alvo, determinar como diferentes níveis de tAN manual afetam esses estados e testar a eficácia de um sistema de neuroestimulação de circuito fechado. Esses paradigmas e mecanismos são descritos abaixo.

Bateria de tarefas multiatributos (MATB) A bateria de tarefas multiatributos é uma tarefa baseada em computador projetada para avaliar o desempenho e a carga de trabalho do operador. O MATB fornece um conjunto de tarefas de referência análogas às atividades que os tripulantes da aeronave realizam em voo, embora também possa ser utilizado por indivíduos não-pilotos. O MATB requer desempenho simultâneo de monitoramento, gerenciamento dinâmico de recursos e rastreamento de tarefas. O desempenho simultâneo de múltiplas tarefas é uma característica central do MATB, e é a característica consistente com a maioria dos sistemas operacionais, tornando-o útil como plataforma de pesquisa. Neste caso, utilizaremos OpenMATB, uma implementação de código aberto do ambiente experimental MATB escrito em Python (Cegarra, et al. 2020).

Tarefa Flanker A tarefa flanker pode ser usada para medir o processamento e a atenção seletiva (Eriksen, 1974). A tarefa de flanqueamento exige que os participantes respondam a um estímulo alvo central enquanto ignoram estímulos flanqueadores que podem ou não ser congruentes com o estímulo alvo (Eriksen, 1974). Estas tarefas tornam-se mais desafiantes ao longo do tempo, quer pela diminuição do tempo permitido para reações, quer pela introdução de mais informações contraditórias. As respostas e a taxa de erro de um sujeito podem ser usadas para avaliar sua atenção e níveis de estresse. Essas métricas, combinadas com dados auto-relatados, podem ser usadas para criar conjuntos de dados rotulados. A tarefa pode ser modificada com números ou formas para adicionar mais variação ou complexidade, conforme necessário.

GradCPT Uma tarefa de desempenho contínuo exige que os participantes respondam a estímulos frequentes e inibam a resposta a estímulos pouco frequentes (Robertson, et al., 1997). GradCPT elimina os deslocamentos e inícios de estímulos visuais entre os testes usando transições graduais. Como resultado, o GradCPT é mais dependente do controle interno da atenção e útil para estudar processos de atenção sustentada utilizando métodos fisiológicos. A tarefa GradCPT é usada para testar a atenção sustentada e seletiva de um sujeito, bem como a inibição da resposta. Atenção insuficiente às tarefas pode resultar em entradas não intencionais ou incorretas. As imagens mostram a transição da primeira imagem para a segunda com 100%, 75%, 50%, 25% e 0% de coerência de imagem. Os participantes são obrigados a pressionar um botão cada vez que uma cena de cidade é apresentada (90% dos ensaios) e reter respostas quando cenas de montanha pouco frequentes são apresentadas nos restantes 10% dos ensaios (Fortenbaugh, et al., 2017). O período de transição inicial é de 800ms e pode ser randomizado ou diminuído ao longo do tempo para aumentar a dificuldade e a variância da tarefa.

Mecanismos de estimulação da doença cibernética A doença cibernética está relacionada à tendência de alguns usuários de apresentar sintomas semelhantes ao enjôo clássico durante e após uma experiência de realidade virtual (VR). É diferente do enjôo porque o usuário geralmente fica parado, mas tem uma sensação convincente de movimento próprio como resultado dos aspectos visuais imersivos da simulação (LaViola Jr, 2000). Os sintomas da doença cibernética incluem tonturas, náuseas e desmaios (Davis & Nalivaiko, 2014), e há vários fatores que são conhecidos por induzir a doença cibernética, incluindo latência (Stauffert et al. 2020) e perda de controle (Davis & Nalivaiko, 2014) . A prevalência de sensibilidade à doença cibernética varia de 20 a 95% com experiências imersivas de RV (Yildirim, 2020).

Tecnologias de detecção Esta seção descreve as tecnologias que serão usadas durante o experimento para registrar respostas fisiológicas a estímulos e caracterizar métricas de estado cognitivo.

Eletroencefalografia (EEG) A eletroencefalografia (EEG) registra a atividade elétrica cerebral por meio da colocação de eletrodos no couro cabeludo. Uma grande vantagem do uso do EEG é que ele não é invasivo, o que significa que é um método seguro e de baixo risco para estudar a atividade cerebral. Também é relativamente barato quando comparado com fMRI ou MEG. O EEG tem alta resolução temporal e captura eventos em uma escala de milissegundos. No entanto, a desvantagem do EEG é que ele tem uma resolução espacial muito limitada, pois os eletrodos são colocados no couro cabeludo e existem múltiplas camadas intermediárias de tecido não neuronal entre o cérebro e os eletrodos. Isso faz com que os sinais sejam dispersos e fortemente direcionados para as estruturas periféricas do cérebro.

O EEG é uma ferramenta útil para estimar estados cognitivos e emoções, e torna-se mais poderoso quando combinado com outras modalidades de detecção que monitoram outros marcadores fisiológicos. A combinação do EEG com outras modalidades aumenta a probabilidade de detecção e quantificação de estados cognitivos (Kartsch et al., 2018; Yasemin et al., 2019; Antonenko et al., 2010).

O conjunto de biosensor Galea suporta dez eletrodos EEG ativos e dois eletrodos EEG passivos. Os dez eletrodos ativos estão localizados ao longo da linha média e nos lobos frontal, parietal e occipital. Especificamente, suas localizações são F1, F2, C3, CZ, C4, P3, P4, PZ, O1, O2 conforme indicado pelo sistema 10-10 para gravação de EEG. Os dois eletrodos passivos estão localizados na máscara facial do headset e medem as localizações Fp1 e Fp2 conforme indicado pelo sistema 10-10.

Os eletrodos ativos de EEG incluídos no sistema Galea utilizam pentes formados a partir de polímero condutor e proporcionam contato estável com a cabeça através de cabelos e outros obstáculos. Os eletrodos passivos de EEG são feitos de prata/cloreto de prata (Ag/AgCl) e fazem contato com a testa dos sujeitos. O dispositivo possui dois clipes que se prendem aos ouvidos do usuário. Esses clipes auriculares fornecem rejeição de sinal de modo comum e servem como tensão de referência para os eletrodos de EEG.

Eletromiografia facial (EMG) A eletromiografia (EMG) está relacionada à medição dos músculos e das células nervosas (neurônios motores) que os controlam. Para medir EMG, eletrodos são colocados na pele ou inseridos no músculo para detectar atividade elétrica. Os sinais resultantes são então analisados ​​para fornecer informações sobre o funcionamento dos músculos e nervos.

O conjunto de biosensor Galea inclui eletrodos EMG secos ao redor de uma máscara facial que se conecta ao componente XR do fone de ouvido. Esses eletrodos medem a atividade muscular facial e permitem estimar as poses do rosto quando o rosto está coberto pelo fone de ouvido XR. Três pares de eletrodos são colocados acima das sobrancelhas em diferentes orientações para atingir os músculos frontal que levantam as sobrancelhas, bem como os músculos depressor da glabela, depressor dos supercílios e currugador que permitem que as sobrancelhas abaixem. Pares de eletrodos adicionais são colocados em cada uma das bochechas para atingir os músculos zigomático maior e zigomático menor que permitem que os lábios e bochechas se movam. Os eletrodos são eletrodos planos secos padrão revestidos com Ag/AgCl.

Fotopletismografia (PPG) A fotopletismografia (PPG) é um método não invasivo de medir o fluxo sanguíneo nos vasos sanguíneos próximos à superfície da pele. O PPG fornece informações sobre o volume de sangue em uma área específica e pode ser usado para inferir a frequência de pulso e os níveis de saturação de oxigênio. Essas informações podem contribuir para a quantificação dos estados cognitivos, monitorando alterações nos parâmetros fisiológicos associados às atividades mentais. O PPG pode ser usado para medir a variabilidade da frequência cardíaca, que se aproxima muito da variabilidade da frequência cardíaca (Chuang et al., 2015). A variabilidade da frequência cardíaca (VFC) é uma medida da variação no tempo entre batimentos cardíacos sucessivos. Ele fornece informações sobre a atividade do sistema nervoso autônomo, que regula funções como frequência cardíaca, respiração e pressão arterial. Estudos demonstraram que a VFC pode ser um indicador útil de estados cognitivos (McDuff et al., 2014). Por exemplo, a baixa VFC tem sido associada a altos níveis de estresse, ansiedade e depressão, enquanto a alta VFC tem sido associada à melhora do humor, do desempenho cognitivo e do bem-estar geral (McDuff et al., 2014).

A VFC também pode fornecer informações sobre o equilíbrio entre os sistemas nervosos simpático e parassimpático. Uma alta VFC indica um equilíbrio entre os dois sistemas, enquanto uma baixa VFC indica que um sistema é dominante sobre o outro. Além disso, descobriu-se que a VFC é um indicador confiável de esforço mental e carga cognitiva (Solhjoo et al., 2019). Por exemplo, descobriu-se que a VFC diminui quando os indivíduos estão envolvidos em tarefas mentalmente exigentes, como resolução de problemas ou tomada de decisões. Esta diminuição na VFC pode ser usada como um marcador de esforço mental e carga cognitiva, e pode ser usada para monitorar mudanças nos estados cognitivos ao longo do tempo.

Um sensor PPG está integrado em um dos clipes de ouvido conectados ao conjunto de biossensor Galea. O clipe é colocado no lóbulo da orelha, o que resulta em sinais de sinal-ruído (SNR) muito elevados, em relação a outros locais e é um substituto suficiente para o monitoramento da frequência cardíaca quando comparado ao eletrocardiograma (Vescio et al., 2018; Weiler et al., 2018; Weiler et al., 2018; Weiler et al., 2018; Weiler et al., 2018; Weiler et al. al., 2017).

Atividade eletrodérmica (EDA) A atividade eletrodérmica (EDA) refere-se a alterações na condutância elétrica da pele que são causadas por alterações na atividade das glândulas sudoríparas. O EDA pode ser medido anexando eletrodos à pele e registrando alterações na condutância ou impedância da pele. Ambos os métodos fornecem informações adequadas sobre as alterações na condutância da pele. A atividade das glândulas sudoríparas está frequentemente associada ao aumento da excitação emocional, particularmente com estresse e ansiedade, e a EDA é uma medida fisiológica bem estabelecida que é usada para avaliar mudanças na excitação, atenção e estados emocionais (Leiner et al., 2012). No entanto, a limitação da EDA é que ela apenas fornece informações sobre alterações na condutância da pele em relação a uma linha de base e não indica a qual estado cognitivo específico a alteração na condutância está ligada.

Galea mede a EDA a partir da testa, o que fornece um nível de informação semelhante a locais de medição mais periféricos (Hossain et al., 2022).

Eletrooculografia (EOG) O conjunto de biossensor Galea suporta EOG integrado, que mede a atividade elétrica ocular. O sistema detecta movimentos oculares ao longo dos eixos vertical e horizontal. Quando esses movimentos ocorrem, o movimento ocular atua como um dipolo e causa grandes flutuações mensuráveis ​​que podem ser registradas.

Embora as posições exatas dos olhos sejam difíceis de estimar com o EOG, é possível usar as informações do EOG para estimar a atenção e outras métricas cognitivas no contexto de outros sinais neurais e fisiológicos (Perdiz et al., 2017; Morton et al., 2022). Os sensores EOG do Galea usam os mesmos eletrodos planos Ag/AgCl que os sensores EMG enfrentam. Eles são colocados acima e abaixo do olho direito para EOG vertical e na periferia externa dos olhos esquerdo e direito para EOG horizontal.

Rastreamento ocular e pupilometria O rastreamento do olhar ocular é obtido usando sensores de imagem infravermelho que mapeiam os movimentos oculares em tempo real. O olhar fixo pode ser uma medida indireta de atenção e como os indivíduos mudam a atenção entre diferentes estímulos e priorizam recursos atencionais (Ziv, 2016). O rastreamento ocular combinado com a pupilometria e outras técnicas de monitoramento fisiológico pode permitir insights sobre a perda de atenção devido ao estresse e outros fatores (Miller & Unsworth, 2020). O rastreamento do olhar ocular é útil para entender quando um sujeito está focado em um estímulo e quando muda de foco (Armstrong e Olatunji, 2012).

A pupilometria é a medida das mudanças no tamanho da pupila em resposta a diferentes cenários ou estímulos. A pupilometria é crítica no campo do aumento cognitivo porque é uma medida indireta da atividade adrenérgica, particularmente da atividade da norepinefrina no cérebro. Isso é útil porque a norepinefrina está associada à excitação e à atenção. A noradrenalina também está envolvida na regulação da pupila, pois causa dilatação da pupila ao ativar os músculos dilatadores da íris. A capacidade de detectar atividade adrenérgica e depois modulá-la com tAN permite a mitigação de vários sintomas relacionados ao estresse e ao enjôo (Badran et al., 2018; Molefi et al., 2023).

O conjunto de biossensor Galea inclui um head-mounted display (HMD) Varjo XR-3 integrado. Esses HMDs usam câmeras oculares infravermelhas para rastrear o olhar, o movimento dos olhos e a pupilometria. O sistema integrado de rastreamento do olhar e pupilometria faz amostras a 200 Hz e é capaz de detectar mudanças sutis na atenção e concentração.

Técnicas de neuroestimulação A neuroestimulação auricular transcutânea (tAN) é um paradigma que atinge os nervos trigêmeo e vago na orelha. Recentemente, a orelha tornou-se alvo de neuromodulação numa ampla variedade de patologias, incluindo abstinência de opiáceos, dor abdominal crónica e epilepsia resistente a medicamentos (Kaniusas et al., 2019). tAN fornece estimulação elétrica suave para modular vários ramos de nervos cranianos em regiões-chave de dermátomos através de um pequeno dispositivo não invasivo colocado sobre a orelha esquerda (aurícula). Essas regiões cobrem ou são adjacentes à inervação sensorial aferente de vários nervos cranianos (V, VII, IX, X) e nervos occipitais. Como resultado, a estimulação tAN pode ter um impacto na manutenção dos níveis de atenção (Sharon et al., 2020), na redução do estresse agudo (Ylikoski et al., 2020) e no alívio de náuseas (Molefi et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al., 2020). al., 2023;

tAN também pode atenuar sintomas de enjôo (EM) e desvio espacial (SD) (Molefi et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al., 2023). Aferentes vagais e trigêmeos projetam-se para o núcleo do trato solitário (NTS), que é uma importante estação retransmissora dentro do cérebro. O NTS contém neurocircuitos trigemino-vestíbulo-vagal e desempenha um papel importante na EM (Babic & Browning, 2014). Também recebe informações diretas ou indiretas do trato espinhal, área postrema, hipotálamo, cerebelo e sistemas vestibular/labiríntico, bem como do córtex cerebral, todos os quais desempenham papéis importantes na regulação dos reflexos medulares controlando náuseas e vômitos (Babic & Browning, 2014). tAN também modula o locus coeruleus, um importante núcleo cerebral para a produção de norepinefrina, que tem a hipótese de atenuar os sintomas da EM (Badran et al., 2018). Essas conexões sugerem um caminho pelo qual o tAN poderia modular a EM, reduzindo o impacto dos sintomas de doença cibernética associados às simulações de XR.