Kognitiv förstärkning via Multimodal Sensing och Auricular Neurostimulering (CAMSAN)

Syftet med denna studie är att avgöra om aktiv tAN-stimulering kan bilda ett slutet system med Galea biosensing-headset för att förbättra kognitiva prestanda. Studien är utformad som en randomiserad, blindad, skenkontrollerad studie för att testa effekterna av aktiv tAN-stimulering i kognitiva stimuleringsuppgifter (Flanker task, GradCPT, MATB och cybersickness uppgifter) mot förbättring av kognitiva prestationer.

Studien sker i tre faser.

• Fas I är utformad för att etablera ett kvantifierbart samband mellan biometriska data och kognitiva tillstånd (kognitiv belastning, stress, uppmärksamhet och cybersjuka) under kognitiva stimuleringsuppgifter (Flanker task, GradCPT, MATB och cybersickness uppgifter).
• Fas II involverar utvärdering av manuell tAN för att påverka kognitiva tillstånd i ett paradigm med öppen loop.
• Den tredje fasen innebär att man använder den kognitiva tillståndskvantifieringen från Fas I och de kvantifierade effekterna av tAN som upptäcktes i Fas II för att undersöka ett kognitivt förstärkningssystem med sluten slinga.

Preliminär bedömning av kognitiv tillstånd:

Fas I av experimentet kommer att fastställa en kognitiv uppgiftsprestandabaslinje och även möjliggöra kvantifiering av kognitiva tillståndsmått baserat på biomarkörer. Deltagarna kommer att utföra följande uppgifter: Flanker Task, GradCPT, MATB och en stimuleringsuppgift för cybersjuka. Var och en av dessa uppgifter har olika kvantifierings- och poängsystem för att utvärdera prestanda, och alla syftar till att inducera olika kognitiv stimulering. Före varje uppgift registreras en ledig baslinje för kognitivt tillstånd under 10 minuter.

Open-loop-intervention:

I fas II kommer alla deltagare (Grupp 1-2) att genomgå samma uppsättning uppgifter, denna gång medan de bär Sparrow Link tAN-enheten, och Grupp 1 kommer att uppleva aktiv tAN, kontrollerad av utredaren för att fastställa optimala inställningar för att påverka kognitiva tillstånd .

Sluten slinga intervention:

I fas III kommer informationen om kvantifiering av kognitivt tillstånd som bestämts i fas I och information om påverkande kognitivt tillstånd som bestämts i fas II att användas för att skapa ett interventionssystem med sluten slinga som använder aktivt tAN (endast grupp 1), utlöst baserat på förhållanden som bestäms av utredningsgruppen. Båda grupperna kommer att genomgå samma uppsättning uppgifter som i fas I och fas II, men grupp 1 kommer att få aktiv tAN och grupp 2 inte.

Uppgifter Experimentella paradigm och mekanismer som har visat sig inducera stress, förlust av uppmärksamhet och cybersjuka kommer att användas för att framkalla fysiologiska svar från studiedeltagare. Dessa svar kommer att användas för att generera data för automatisk karakterisering av de kognitiva måltillstånden, bestämma hur olika nivåer av manuell tAN påverkar dessa tillstånd och testa effektiviteten av ett neurostimuleringssystem med sluten slinga. Dessa paradigm och mekanismer beskrivs nedan.

Multi-Attribute Task Battery (MATB) Multi-Attribute Task Battery är en datorbaserad uppgift utformad för att utvärdera operatörens prestanda och arbetsbelastning. MATB tillhandahåller en referensuppsättning uppgifter som är analoga med aktiviteter som flygplansbesättningsmedlemmar utför under flygning, även om den också kan användas av icke-piloter. MATB kräver samtidig prestanda för övervakning av dynamisk resurshantering och uppgiftsspårning. Samtidigt utförande av flera uppgifter är en central funktion i MATB och är den funktion som är förenlig med de flesta operativa system, vilket gör den användbar som en forskningsplattform. I det här fallet kommer vi att använda OpenMATB, en öppen källkodsimplementering av MATB-experimentmiljön skriven i Python (Cegarra, et al. 2020).

Flankeruppgift Flankeruppgiften kan användas för att mäta bearbetning och selektiv uppmärksamhet (Eriksen, 1974). Flankeruppgiften kräver att deltagarna reagerar på ett centralt målstimulus samtidigt som de ignorerar flankerande stimuli som kan eller kanske inte är kongruenta med målstimulansen (Eriksen, 1974). Dessa uppgifter blir mer utmanande med tiden antingen genom att minska den tid som tillåts för reaktioner eller genom att introducera mer motstridig information. En persons svar och felfrekvens kan användas för att mäta deras uppmärksamhet och stressnivåer. Dessa mätvärden, i kombination med självrapporterade data, kan användas för att skapa märkta datamängder. Uppgiften kan modifieras med siffror eller former för att lägga till mer variation eller komplexitet, efter behov.

GradCPT En kontinuerlig prestationsuppgift kräver att deltagarna svarar på frekventa stimuli och förhindrar att de svarar på sällsynta stimuli (Robertson, et al., 1997). GradCPT eliminerar förskjutningarna och debuten av visuella stimuli mellan försöken genom att använda gradvisa övergångar. Som ett resultat är GradCPT mer beroende av intern uppmärksamhetskontroll och användbar för att studera ihållande uppmärksamhetsprocesser med fysiologiska metoder. GradCPT-uppgiften används för att testa en subjekts ihållande och selektiva uppmärksamhet såväl som responshämning. Otillräcklig uppmärksamhet på uppgifter kan resultera i oavsiktliga eller felaktiga inmatningar. Bilder visar att den första bilden övergår till den andra med 100 %, 75 %, 50 %, 25 % och 0 % bildkoherens. Deltagarna måste trycka på en knapp varje gång en stadsscen presenteras (90 % av försöken) och undanhålla svar när sällsynta bergsscener presenteras på de återstående 10 % av försöken (Fortenbaugh, et al., 2017). Den initiala övergångsperioden är 800 ms och kan randomiseras eller minskas över tiden för att öka uppgiftens svårighetsgrad och varians.

Cybersjuka-stimuleringsmekanismer Cybersjuka relaterar till tendensen hos vissa användare att uppvisa symtom som liknar klassisk åksjuka både under och efter en virtuell verklighetsupplevelse (VR). Det skiljer sig från åksjuka genom att användaren ofta är stillastående men har en övertygande känsla av självrörelse som ett resultat av de uppslukande visuella aspekterna av simuleringen (LaViola Jr, 2000). Symtomen på cybersjuka inkluderar yrsel, illamående och yrsel (Davis & Nalivaiko, 2014), och det finns flera faktorer som är kända för att inducera cybersjuka inklusive latens (Stauffert et al. 2020) och förlust av kontroll (Davis & Nalivaiko, 2014). . Prevalensen av känslighet för cybersjuka varierar från 20-95 % med uppslukande VR-upplevelser (Yildirim, 2020).

Sensing Technologies Det här avsnittet beskriver de teknologier som kommer att användas under experimentet för att registrera fysiologiska svar på stimuli och karakterisera kognitiva tillståndsmått.

Elektroencefalografi (EEG) Elektroencefalografi (EEG) registrerar hjärnans elektriska aktivitet via placering av elektroder i hårbotten. En stor fördel med att använda EEG är att det är icke-invasivt, vilket innebär att det är en säker och lågriskmetod för att studera hjärnaktivitet. Det är också relativt billigt jämfört med fMRI eller MEG. EEG har en hög tidsupplösning och fångar händelser på en millisekundsskala. Nackdelen med EEG är dock att den har mycket begränsad rumslig upplösning eftersom elektroderna är placerade på hårbotten och det finns flera mellanliggande lager av icke-neuronal vävnad mellan hjärnan och elektroderna. Detta gör att signalerna sprids och är kraftigt partiska mot perifera strukturer i hjärnan.

EEG är ett användbart verktyg för att uppskatta kognitiva tillstånd och känslor, och blir kraftfullare när det kombineras med andra avkänningsmodaliteter som övervakar andra fysiologiska markörer. Kombinationen av EEG med andra modaliteter ökar sannolikheten för upptäckt och kvantifiering av kognitiva tillstånd (Kartsch et al., 2018; Yasemin et al., 2019; Antonenko et al., 2010).

Galea bioavkänningssvit stöder tio aktiva EEG-elektroder och två passiva EEG-elektroder. De tio aktiva elektroderna är placerade längs mittlinjen och i frontal-, parietal- och occipitalloberna. Specifikt är deras platser F1, F2, C3, CZ, C4, P3, P4, PZ, O1, O2 som betecknas av 10-10-systemet för EEG-inspelning. De två passiva elektroderna är placerade i headsetets ansiktsmask och mäter Fp1- och Fp2-platserna enligt 10-10-systemet.

De aktiva EEG-elektroderna som ingår i Galea-systemet använder kammar gjorda av ledande polymer och ger stabil kontakt med huvudet genom hår och andra hinder. De passiva EEG-elektroderna är gjorda av silver/silverklorid (Ag/AgCl) och kommer i kontakt med försökspersonernas panna. Enheten har två fästa klämmor som fästs i användarens öron. Dessa öronklämmor ger common-mode signalavstötning och fungerar som referensspänning för EEG-elektroderna.

Ansiktselektromyografi (EMG) Elektromyografi (EMG) avser mätning av muskler och de nervceller (motorneuroner) som styr dem. För att mäta EMG placeras elektroder på huden eller sätts in i muskeln för att upptäcka elektrisk aktivitet. De resulterande signalerna analyseras sedan för att ge information om hur muskler och nerver fungerar.

Galea biosensorsviten inkluderar torra EMG-elektroder runt en ansiktsmask som fästs på XR-komponenten i headsetet. Dessa elektroder mäter ansiktsmuskelaktivitet och möjliggör uppskattning av ansiktsställningar när ansiktet täcks av XR-headsetet. Tre par elektroder placeras ovanför ögonbrynen i olika riktningar för att rikta in sig på Frontalis-musklerna som höjer ögonbrynen, samt musklerna Depressor Glabellae, Depressor Supercilli och Currugator som gör att ögonbrynen kan sänkas. Ytterligare elektrodpar placeras på var och en av kinderna för att rikta in sig på Zygomatic Major och Zygomatic Minor musklerna som låter läpparna och kinderna röra sig. Elektroderna är vanliga torra, platta elektroder belagda i Ag/AgCl.

Fotopletysmografi (PPG) Fotopletysmografi (PPG) är en icke-invasiv metod för att mäta blodflödet i blodkärl nära hudens yta. PPG ger information om blodvolymen i ett visst område och kan användas för att härleda pulsfrekvensen, syremättnadsnivåerna. Denna information kan bidra till kvantifieringen av kognitiva tillstånd genom att övervaka förändringar i fysiologiska parametrar som är associerade med mentala aktiviteter. PPG kan användas för att mäta pulsfrekvensvariation, vilket nära approximerar hjärtfrekvensvariation (Chuang et al., 2015). Hjärtfrekvensvariabilitet (HRV) är ett mått på variationen i tid mellan på varandra följande hjärtslag. Den ger information om det autonoma nervsystemets aktivitet, som reglerar funktioner som hjärtfrekvens, andning och blodtryck. Studier har visat att HRV kan vara en användbar indikator på kognitiva tillstånd (McDuff et al., 2014). Till exempel har låg HRV associerats med höga nivåer av stress, ångest och depression, medan hög HRV har associerats med förbättrat humör, kognitiv prestation och allmänt välbefinnande (McDuff et al., 2014).

HRV kan också ge information om balansen mellan det sympatiska och det parasympatiska nervsystemet. Hög HRV indikerar en balans mellan de två systemen, medan låg HRV indikerar att det ena systemet är dominant över det andra. Dessutom har HRV visat sig vara en tillförlitlig indikator på mental ansträngning och kognitiv belastning (Solhjoo et al., 2019). Till exempel har HRV visat sig minska när individer är engagerade i mentalt krävande uppgifter, såsom problemlösning eller beslutsfattande. Denna minskning av HRV kan användas som en markör för mental ansträngning och kognitiv belastning, och den kan användas för att övervaka förändringar i kognitiva tillstånd över tid.

En PPG-sensor är integrerad i ett av öronklämmorna som är fästa på Galea biosensorsvit. Klämman placeras på örsnibben, vilket resulterar i mycket höga signal-till-brus-signaler (SNR) i förhållande till andra platser och är en tillräcklig ersättning för hjärtfrekvensövervakning jämfört med elektrokardiogram (Vescio et al., 2018; Weiler et al. al., 2017).

Elektrodermal aktivitet (EDA) Elektrodermal aktivitet (EDA) hänvisar till förändringar i hudens elektriska konduktans som orsakas av förändringar i svettkörtelaktivitet. EDA kan mätas genom att fästa elektroder på huden och registrera förändringar i hudens konduktans eller impedans. Båda metoderna ger adekvat information om förändringarna i hudens konduktans. Svettkörtelaktivitet är ofta associerad med ökad emotionell upphetsning, särskilt med stress och ångest, och EDA är ett väletablerat fysiologiskt mått som används för att bedöma förändringar i upphetsning, uppmärksamhet och känslomässiga tillstånd (Leiner et al., 2012). Begränsningen för EDA är dock att den endast ger information om förändringar i hudens konduktans i förhållande till en baslinje, och indikerar inte vilket specifikt kognitivt tillstånd förändringen i konduktans är kopplad till.

Galea mäter EDA från pannan, vilket ger en liknande informationsnivå till mer perifera mätplatser (Hossain et al., 2022).

Elektrookulografi (EOG) Galea bioavkänningssvit stöder integrerad EOG, som mäter ögonens elektriska aktivitet. Systemet känner av ögonrörelser längs de vertikala och horisontella axlarna. När dessa rörelser inträffar fungerar ögonrörelsen som en dipol och orsakar stora mätbara fluktuationer som kan registreras.

Även om exakta ögonpositioner är svåra att uppskatta med EOG, är det möjligt att använda EOG-information för att uppskatta uppmärksamhet och andra kognitiva mått i samband med andra neurala och fysiologiska signaler (Perdiz et al., 2017; Morton et al., 2022). Galeas EOG-sensorer använder samma platta Ag/AgCl-elektroder som EMG-ansiktssensorerna. De är placerade över och under höger öga för vertikal EOG och på utsidan av vänster och höger öga för horisontell EOG.

Eye Tracking och Pupillometri Eye Gaze Tracking uppnås med hjälp av infraröda bildsensorer som kartlägger ögonrörelser i realtid. Ögonblick kan vara ett indirekt mått på uppmärksamhet, och hur individer flyttar uppmärksamheten mellan olika stimuli och prioriterar uppmärksamhetsresurser (Ziv, 2016). Ögonspårning i kombination med pupillometri och andra fysiologiska övervakningstekniker kan möjliggöra insikt om förlust av uppmärksamhet på grund av stress och andra faktorer (Miller & Unsworth, 2020). Ögonblicksspårning är användbar för att förstå när ett motiv är fokuserat på en stimulans och när de ändrar fokus (Armstrong och Olatunji, 2012).

Pupillometri är måttet på förändringar i pupillstorlek som svar på olika scenarier eller stimuli. Pupillometri är kritisk inom området kognitiv förstärkning eftersom det är ett indirekt mått på adrenerg aktivitet, särskilt noradrenalinaktivitet i hjärnan. Detta är användbart eftersom noradrenalin är förknippat med upphetsning och uppmärksamhet. Noradrenalin är också involverat i regleringen av pupillen, eftersom det orsakar pupillvidgning genom att aktivera dilatatormusklerna i iris. Förmågan att upptäcka adrenerg aktivitet och sedan modulera den med tAN möjliggör mildring av olika stress- och åksjukrelaterade symtom (Badran et al., 2018; Molefi et al., 2023).

Galea biosensorsviten inkluderar en integrerad Varjo XR-3 huvudmonterad display (HMD). Dessa HMD:er använder infraröda ögonkameror för att spåra blick, ögonrörelser och pupillometri. Det integrerade ögonblicksspårningen och pupillometrisystemet tar prover vid 200 Hz och kan fånga upp subtila förändringar i uppmärksamhet och koncentration.

Neurostimuleringstekniker Transkutan aurikulär neurostimulering (tAN) är ett paradigm som riktar sig till både trigeminus- och vagusnerverna på aurikeln. Nyligen har öronen blivit ett mål för neuromodulering i en mängd olika patologier, inklusive abstinens av opioid, kronisk buksmärta och läkemedelsresistent epilepsi (Kaniusas et al., 2019). tAN levererar mild elektrisk stimulering för att modulera flera kranialnervsgrenar i viktiga dermatomregioner genom en liten icke-invasiv enhet placerad över vänster öra (öraurikel). Dessa regioner täcker eller ligger intill den afferenta sensoriska innerveringen av flera kranialnerver (V, VII, IX, X) och occipitala nerver. Som ett resultat kan tAN-stimulering ha en inverkan på att upprätthålla uppmärksamhetsnivåer (Sharon et al., 2020), minska akut stress (Ylikoski et al., 2020) och lindra illamående (Molefi et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al. al., 2023; Eren et al., 2018).

tAN kan också dämpa symtom på åksjuka (MS) och rumslig avvikelse (SD) (Molefi et al., 2023; Espinoza-Palavicino et al., 2023). Vagala och trigeminala afferenter projicerar till nucleus tractus solitarius (NTS), som är en stor relästation i hjärnan. NTS innehåller trigemino-vestibulo-vagala neurokretsar och spelar en viktig roll vid MS (Babic & Browning, 2014). Den får också direkt eller indirekt input från ryggradskanalen, postrema, hypotalamus, lillhjärnan och vestibulära/labyrintsystem samt hjärnbarken, som alla spelar en viktig roll i regleringen av märgreflexer som kontrollerar illamående och kräkningar (Babic & Browning, 2014). tAN modulerar också locus coeruleus, en viktig hjärnkärna för produktion av noradrenalin, som har antagits lindra symtom på MS (Badran et al., 2018). Dessa kopplingar föreslår en väg genom vilken tAN kan modulera MS, vilket minskar effekten av cybersjukesymtom associerade med XR-simuleringar.