Когнитивное улучшение посредством мультимодального зондирования и аурикулярной нейростимуляции (CAMSAN)

Цель этого исследования — определить, может ли активная стимуляция tAN сформировать замкнутую систему с биосенсорной гарнитурой Galea для улучшения когнитивных функций. Исследование задумано как рандомизированное, слепое, ложно-контролируемое исследование для проверки влияния активной стимуляции tAN на задачи когнитивной стимуляции (задача Фланкера, GradCPT, MATB и задачи по киберболезни) на улучшение когнитивных функций.

Исследование происходит в три этапа.

• Фаза I предназначена для установления количественной связи между биометрическими данными и когнитивными состояниями (когнитивная нагрузка, стресс, внимание и киберболезнь) при выполнении задач когнитивной стимуляции (задача Фланкера, GradCPT, MATB и задачи по киберболезни).
• Фаза II включает оценку ручного tAN для воздействия на когнитивное состояние в парадигме разомкнутого цикла.
• Третий этап включает использование количественной оценки когнитивного состояния, полученной на этапе I, и количественных эффектов tAN, обнаруженных на этапе II, для изучения системы когнитивного расширения с замкнутым контуром.

Предварительная оценка когнитивного состояния:

Фаза I эксперимента установит базовый уровень производительности когнитивных задач, а также позволит количественно оценить показатели когнитивного состояния на основе биомаркеров. Участникам предстоит выполнить следующие задания: Flanker Task, GradCPT, MATB и задание по стимуляции киберболезни. Каждая из этих задач имеет разные системы количественной оценки и оценки производительности, и каждая из них направлена ​​на различную когнитивную стимуляцию. Перед каждым заданием в течение 10 минут записывается базовый уровень когнитивного состояния.

Открытое вмешательство:

На этапе II все участники (группы 1–2) будут выполнять один и тот же набор задач, на этот раз при ношении устройства tAN Sparrow Link, а группа 1 будет испытывать активный tAN, контролируемый исследователем для определения оптимальных настроек для воздействия на когнитивное состояние. .

Замкнутое вмешательство:

На этапе III информация о количественной оценке когнитивного состояния, определенная на этапе I, и информация о влиянии на когнитивное состояние, определенное на этапе II, будет использоваться для создания системы вмешательства с замкнутым контуром с использованием активного tAN (только для группы 1), запускаемого на основе условий, определенных следственная группа. Обе группы будут выполнять тот же набор задач, что и на этапе I и этапе II, но группа 1 получит активный tAN, а группа 2 — нет.

Задачи Экспериментальные парадигмы и механизмы, которые, как было доказано, вызывают стресс, потерю внимания и киберболезнь, будут использоваться для выявления физиологических реакций у участников исследования. Эти ответы будут использоваться для генерации данных для автоматической характеристики целевых когнитивных состояний, определения того, как различные уровни ручного tAN влияют на эти состояния, и проверки эффективности системы нейростимуляции с замкнутым контуром. Эти парадигмы и механизмы описаны ниже.

Батарея многоатрибутных задач (MATB) Батарея многоатрибутных задач — это компьютерная задача, предназначенная для оценки производительности и рабочей нагрузки оператора. MATB предоставляет эталонный набор задач, аналогичных действиям, которые выполняют члены экипажа самолета в полете, хотя его также могут использовать лица, не являющиеся пилотами. MATB требует одновременного выполнения мониторинга динамического управления ресурсами и отслеживания задач. Одновременное выполнение нескольких задач является центральной особенностью MATB и функцией, которая совместима с большинством операционных систем, что делает его полезным в качестве исследовательской платформы. В этом случае мы будем использовать OpenMATB, реализацию экспериментальной среды MATB с открытым исходным кодом, написанную на Python (Cegarra и др., 2020).

Задача «Фланкер» Задача «Фланкер» может использоваться для измерения обработки и избирательного внимания (Эриксен, 1974). Задача фланкера требует, чтобы участники реагировали на центральный целевой стимул, игнорируя при этом фланкирующие стимулы, которые могут совпадать или не совпадать с целевым стимулом (Eriksen, 1974). Эти задачи со временем усложняются либо за счет сокращения времени, отведенного на реакцию, либо за счет введения более противоречивой информации. Реакции субъекта и частота ошибок можно использовать для оценки его внимания и уровня стресса. Эти показатели в сочетании с данными самоотчетов можно использовать для создания маркированных наборов данных. При необходимости задачу можно изменить с помощью цифр или фигур, чтобы добавить больше разнообразия или сложности.

GradCPT Задача непрерывного выполнения требует, чтобы участники реагировали на частые стимулы и подавляли реакцию на редкие стимулы (Робертсон и др., 1997). GradCPT устраняет смещения и появления зрительных стимулов между испытаниями, используя постепенные переходы. В результате GradCPT более зависим от внутреннего контроля внимания и полезен для изучения процессов устойчивого внимания с использованием физиологических методов. Задача GradCPT используется для проверки устойчивого и избирательного внимания испытуемого, а также торможения реакции. Недостаточное внимание к задачам может привести к непреднамеренному или неправильному вводу данных. На изображениях показано, как первое изображение переходит во второе с когерентностью 100 %, 75 %, 50 %, 25 % и 0 %. Участникам необходимо нажимать кнопку каждый раз, когда отображается городская сцена (90% испытаний), и воздерживаться от ответов, когда в оставшихся 10% испытаний представлены нечастые горные сцены (Fortenbaugh et al., 2017). Начальный период перехода составляет 800 мс и может быть рандомизирован или уменьшен с течением времени, чтобы увеличить сложность и вариативность задачи.

Механизмы стимулирования киберболезни Киберболезнь связана с тенденцией некоторых пользователей проявлять симптомы, похожие на классическую укачивание, как во время, так и после опыта виртуальной реальности (VR). Оно отличается от укачивания тем, что пользователь часто неподвижен, но имеет убедительное ощущение собственного движения в результате иммерсивных визуальных аспектов симуляции (LaViola Jr, 2000). Симптомы киберболезни включают головокружение, тошноту и дурноту (Davis & Nalivaiko, 2014), а также существует несколько факторов, которые, как известно, вызывают киберболезнь, включая задержку (Stauffert et al. 2020) и потерю контроля (Davis & Nalivaiko, 2014). . Распространенность чувствительности к киберболезни колеблется от 20 до 95% при использовании иммерсивного опыта виртуальной реальности (Yildirim, 2020).

Сенсорные технологии В этом разделе описаны технологии, которые будут использоваться во время эксперимента для регистрации физиологических реакций на стимулы и характеристики показателей когнитивного состояния.

Электроэнцефалография (ЭЭГ) Электроэнцефалография (ЭЭГ) регистрирует электрическую активность мозга посредством размещения электродов на коже головы. Одним из основных преимуществ использования ЭЭГ является то, что она неинвазивна, то есть является безопасным и малорискованным методом изучения активности мозга. Это также относительно недорого по сравнению с фМРТ или МЭГ. ЭЭГ имеет высокое временное разрешение и фиксирует события в миллисекундном масштабе времени. Однако недостатком ЭЭГ является то, что она имеет очень ограниченное пространственное разрешение, поскольку электроды размещаются на коже головы, а между мозгом и электродами имеется множество промежуточных слоев ненейрональной ткани. Это приводит к тому, что сигналы рассеиваются и сильно смещаются в сторону периферических структур мозга.

ЭЭГ — полезный инструмент для оценки когнитивных состояний и эмоций, который становится более мощным в сочетании с другими методами восприятия, которые контролируют другие физиологические маркеры. Сочетание ЭЭГ с другими методами повышает вероятность выявления и количественной оценки когнитивных состояний (Картч и др., 2018; Ясемин и др., 2019; Антоненко и др., 2010).

Комплекс биосенсоров Galea поддерживает десять активных ЭЭГ-электродов и два пассивных ЭЭГ-электрода. Десять активных электродов расположены по средней линии, в лобной, теменной и затылочной долях. В частности, их расположением являются F1, F2, C3, CZ, C4, P3, P4, PZ, O1, O2, что обозначено системой 10-10 для записи ЭЭГ. Два пассивных электрода расположены в лицевой маске гарнитуры и измеряют местоположения Fp1 и Fp2, как обозначено системой 10-10.

Активные ЭЭГ-электроды, входящие в систему Galea, используют гребни, изготовленные из проводящего полимера, и обеспечивают стабильный контакт с головой через волосы и другие препятствия. Пассивные электроды ЭЭГ изготовлены из серебра/хлорида серебра (Ag/AgCl) и контактируют со лбом испытуемых. Устройство имеет два прикрепленных зажима, которые крепятся к ушам пользователя. Эти ушные зажимы обеспечивают подавление синфазного сигнала и служат опорным напряжением для электродов ЭЭГ.

Электромиография лица (ЭМГ) Электромиография (ЭМГ) относится к измерению мышц и нервных клеток (моторных нейронов), которые их контролируют. Для измерения ЭМГ электроды помещаются на кожу или вводятся в мышцу для обнаружения электрической активности. Полученные сигналы затем анализируются, чтобы получить информацию о функционировании мышц и нервов.

Комплекс биосенсоров Galea включает в себя сухие ЭМГ-электроды вокруг лицевой маски, которая крепится к XR-компоненту гарнитуры. Эти электроды измеряют активность мышц лица и позволяют оценить позу лица, когда лицо закрыто гарнитурой XR. Три пары электродов размещаются над бровями в разных направлениях, чтобы воздействовать на лобные мышцы, поднимающие брови, а также на мышцы, опускающие брови, депрессор суперцилли и скручивающую мышцу, которые позволяют бровям опускаться. Дополнительные пары электродов размещаются на каждой щеке для воздействия на большую и малую скуловые мышцы, которые позволяют губам и щекам двигаться. Электроды представляют собой стандартные сухие плоские электроды, покрытые Ag/AgCl.

Фотоплетизмография (ФПГ) Фотоплетизмография (ФПГ) — это неинвазивный метод измерения кровотока в кровеносных сосудах, расположенных близко к поверхности кожи. PPG предоставляет информацию об объеме крови в определенной области и может использоваться для определения частоты пульса и уровня насыщения кислородом. Эта информация может способствовать количественной оценке когнитивных состояний путем мониторинга изменений физиологических параметров, связанных с умственной деятельностью. PPG можно использовать для измерения вариабельности частоты пульса, которая близко соответствует вариабельности сердечного ритма (Chuang et al., 2015). Вариабельность сердечного ритма (ВСР) — это мера разницы во времени между последовательными ударами сердца. Он предоставляет информацию об активности вегетативной нервной системы, которая регулирует такие функции, как частота сердечных сокращений, дыхание и кровяное давление. Исследования показали, что ВСР может быть полезным индикатором когнитивного состояния (McDuff et al., 2014). Например, низкая ВСР связана с высоким уровнем стресса, тревоги и депрессии, тогда как высокая ВСР связана с улучшением настроения, когнитивных функций и общего самочувствия (McDuff et al., 2014).

ВСР также может предоставить информацию о балансе между симпатической и парасимпатической нервной системой. Высокая ВСР указывает на баланс между двумя системами, тогда как низкая ВСР указывает на доминирование одной системы над другой. Кроме того, было обнаружено, что ВСР является надежным индикатором умственных усилий и когнитивной нагрузки (Solhjoo et al., 2019). Например, было обнаружено, что ВСР снижается, когда люди занимаются сложными умственными задачами, такими как решение проблем или принятие решений. Это снижение ВСР можно использовать в качестве маркера умственных усилий и когнитивной нагрузки, а также для мониторинга изменений когнитивных состояний с течением времени.

Датчик PPG встроен в один из ушных зажимов, прикрепленных к комплексу биосенсоров Galea. Зажим помещается на мочку уха, что приводит к очень высокому соотношению сигнал/шум (SNR) по сравнению с другими местами и является достаточной заменой мониторинга сердечного ритма по сравнению с электрокардиограммой (Vescio et al., 2018; Weiler et др., 2017).

Электродермальная активность (ЭДА) Электродермальная активность (ЭДА) означает изменения электропроводности кожи, вызванные изменениями активности потовых желез. ЭДА можно измерить, прикрепив электроды к коже и регистрируя изменения проводимости или импеданса кожи. Оба метода предоставляют адекватную информацию об изменениях проводимости кожи. Активность потовых желез часто связана с повышенным эмоциональным возбуждением, особенно со стрессом и тревогой, а EDA является хорошо зарекомендовавшим себя физиологическим показателем, который используется для оценки изменений в возбуждении, внимании и эмоциональном состоянии (Leiner et al., 2012). Однако ограничением EDA является то, что он предоставляет информацию только об изменениях проводимости кожи относительно исходного уровня и не указывает, с каким конкретным когнитивным состоянием связано изменение проводимости.

Галеа измеряет ЭДА со лба, что обеспечивает тот же уровень информации, что и в более периферических местах измерения (Hossain et al., 2022).

Электроокулография (ЭОГ) Комплекс биосенсоров Galea поддерживает встроенную ЭОГ, которая измеряет электрическую активность глаза. Система распознает движения глаз по вертикальной и горизонтальной осям. Когда происходят эти движения, движение глаз действует как диполь и вызывает большие измеримые колебания, которые можно записать.

Хотя точное положение глаз трудно оценить с помощью ЭОГ, можно использовать информацию ЭОГ для оценки внимания и других когнитивных показателей в контексте других нервных и физиологических сигналов (Perdiz et al., 2017; Morton et al., 2022). В датчиках EOG Galea используются те же плоские электроды Ag/AgCl, что и в датчиках EMG для лица. Они располагаются над и под правым глазом при вертикальной ЭОГ и на внешней периферии левого и правого глаза при горизонтальной ЭОГ.

Отслеживание глаз и пупиллометрия. Отслеживание взгляда достигается с помощью инфракрасных датчиков изображения, которые отображают движения глаз в реальном времени. Взгляд глаз может быть косвенным показателем внимания, а также того, как люди переключают внимание между различными стимулами и расставляют приоритеты ресурсов внимания (Зив, 2016). Отслеживание взгляда в сочетании с пупиллометрией и другими методами физиологического мониторинга может помочь понять потерю внимания из-за стресса и других факторов (Miller & Unsworth, 2020). Отслеживание взгляда полезно для понимания того, когда субъект сосредоточен на стимуле, а когда он смещает фокус (Армстронг и Олатунджи, 2012).

Пупиллометрия — это измерение изменения размера зрачков в ответ на различные сценарии или стимулы. Пупиллометрия имеет решающее значение в области когнитивного улучшения, поскольку она является косвенным показателем адренергической активности, особенно активности норадреналина в мозге. Это полезно, поскольку норадреналин связан с возбуждением и вниманием. Норадреналин также участвует в регуляции зрачка, поскольку он вызывает расширение зрачка за счет активации расширительных мышц радужной оболочки. Способность обнаруживать адренергическую активность и затем модулировать ее с помощью tAN позволяет смягчать различные симптомы, связанные со стрессом и укачиванием (Badran et al., 2018; Molefi et al., 2023).

Комплекс биосенсоров Galea включает в себя встроенный головной дисплей Varjo XR-3 (HMD). Эти HMD используют инфракрасные камеры для отслеживания взгляда, движения глаз и пупиллометрии. Встроенная система отслеживания взгляда и пупиллометрии производит выборку с частотой 200 Гц и способна улавливать едва заметные изменения во внимании и концентрации.

Методы нейростимуляции. Чрескожная аурикулярная нейростимуляция (ТАН) представляет собой метод, воздействующий как на тройничный, так и на блуждающий нервы ушной раковины. В последнее время ушная раковина стала мишенью нейромодуляции при широком спектре патологий, включая отмену опиоидов, хронические боли в животе и лекарственно-резистентную эпилепсию (Kaniusas et al., 2019). Тан обеспечивает мягкую электрическую стимуляцию для модуляции нескольких ветвей черепных нервов в ключевых областях дерматома с помощью небольшого неинвазивного устройства, расположенного над левым ухом (ушной раковиной). Эти области покрывают или прилегают к афферентной чувствительной иннервации ряда черепно-мозговых нервов (V, VII, IX, X) и затылочных нервов. В результате стимуляция tAN может влиять на поддержание уровня внимания (Sharon et al., 2020), снижение острого стресса (Ylikoski et al., 2020) и облегчение тошноты (Molefi et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al., 2020). др., 2023; Эрен и др., 2018).

tAN может также ослаблять симптомы морской болезни (MS) и пространственных отклонений (SD) (Molefi et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al., 2023). Афференты блуждающего нерва и тройничного нерва направляются к одиночному ядру (NTS), которое является основной ретрансляционной станцией в головном мозге. NTS содержит тригемино-вестибуло-вагальную нейросхему и играет важную роль при рассеянном склерозе (Babic & Browning, 2014). Он также получает прямые или косвенные сигналы от спинномозгового тракта, постремной области, гипоталамуса, мозжечка и вестибулярной/лабиринтной систем, а также коры головного мозга, которые играют важную роль в регуляции медуллярных рефлексов, контролирующих тошноту и рвоту (Babic & Браунинг, 2014). tAN также модулирует голубое пятно, главное ядро ​​мозга, отвечающее за выработку норадреналина, который, как предполагается, смягчает симптомы рассеянного склероза (Badran et al., 2018). Эти связи предполагают путь, с помощью которого tAN может модулировать рассеянный склероз, уменьшая влияние симптомов киберболезни, связанных с XR-симуляциями.