Aqui, apresentamos uma tarefa nova, breve e ativa de navegação espacial que avalia tanto a navegação espacial quanto a capacidade de memória episódica. É importante ressaltar que a navegação espacial e a memória episódica foram associadas uma à outra, e essa tarefa demonstrou sensibilidade ao exercício.
A navegação espacial (SN) é a capacidade de se locomover pelo ambiente, o que requer uma compreensão de onde se está localizado no tempo e no espaço. Sabe-se que essa capacidade depende do disparo sequencial de células de lugar dentro do hipocampo. A SN é um comportamento importante a ser investigado, pois esse processo se deteriora com a idade, especialmente em distúrbios neurodegenerativos. No entanto, a investigação da NS é limitada pela falta de técnicas comportamentais sofisticadas para avaliar essa tarefa dependente do hipocampo. Portanto, o objetivo deste protocolo era desenvolver uma nova abordagem do mundo real para estudar SN em humanos. Especificamente, uma tarefa SN virtual ativa foi desenvolvida usando um mecanismo de jogo multiplataforma. Durante a fase de codificação, os participantes navegaram por uma cidade virtual para localizar pontos de referência. Durante a fase de lembrança, os participantes se lembraram de onde estavam esses locais de recompensa e entregaram itens nesses locais. O tempo para encontrar cada local foi capturado e a memória episódica foi avaliada por uma fase de recordação livre, incluindo aspectos de lugar, ordem, item e associação. O comportamento de movimento (coordenadas x, y e z) foi avaliado por meio de um ativo disponível no motor de jogo. É importante ressaltar que os resultados dessa tarefa demonstram que ela captura com precisão as habilidades de aprendizado espacial e memória, bem como a memória episódica. Além disso, os resultados indicam que essa tarefa é sensível ao exercício, o que melhora o funcionamento do hipocampo. No geral, as descobertas sugerem uma nova maneira de rastrear o funcionamento do hipocampo humano ao longo do tempo, com esse comportamento sendo sensível aos paradigmas de treinamento de atividade física.
Mover o corpo através do tempo e do espaço é fundamental para aprender e lembrar informações sobre o ambiente. Essa habilidade é conhecida como navegação espacial e, evolutivamente falando, é uma ferramenta de sobrevivência essencial para localizar comida, água, contrapartes sociais e outras recompensas no ambiente 1,2. A navegação espacial depende do hipocampo, uma estrutura do sistema límbico em forma de C no lobo temporal medial. O hipocampo consiste nas sub-regiões CA1, CA2, CA3 e giro denteado. O hipocampo suporta a codificação, consolidação e recuperação de memórias que ajudam a definir a experiência consciente. Especificamente, a navegação espacial suporta a memória episódica, uma forma de memória explícita que se refere à memória da experiência pessoal, incluindo aspectos de tempo, lugar e detalhes relevantes associados à experiência (por exemplo, imagens, sons, cheiros, emoções). À medida que navegamos espacialmente por ambientes distintos, os neurônios conhecidos como células de lugar disparam sistematicamente, permitindo-nos entender onde estamos no tempo e no espaço. De fato, a estimulação óptica direta desses neurônios demonstrou influenciar o comportamento dos roedores em relação à sua localização física (ou seja, campos de lugar) 3.
A avaliação da navegação espacial em roedores tem sido tradicionalmente estudada por meio de paradigmas comportamentais como o labirinto de água de Morris, labirinto em Y, labirinto em T e labirinto de braço radial 4,5. É importante ressaltar que essas tarefas comportamentais permitem a investigação in vivo dos correlatos neurais da navegação espacial usando técnicas como registros de profundidade eletrofisiológica. No entanto, avaliar a navegação espacial em humanos provou ser cientificamente desafiador porque a maioria das investigações científicas acontece em laboratórios e não no mundo real. Estudos anteriores em humanos avaliaram habilidades espaciais com tarefas tradicionais baseadas em papel, como tarefas de aprendizado de mapas bidirecionais, tarefas de rotação mental ou tarefas de memória espacial 6,7. Outros utilizaram tarefas baseadas em computador, como a Tarefa Virtual da Água de Morris ou outras tarefas de labirinto virtual, que demonstraram estar correlacionadas com medidas psicométricas mais tradicionais de habilidade espacial 8,9. Além disso, com a acessibilidade de pacotes de software de videogame gratuitos e disponíveis publicamente, os pesquisadores começaram a desenvolver ambientes virtuais tridimensionais que podem ser apresentados em uma tela de computador ou em realidade virtual 10,11,12,13,14,15. Os avanços científicos em imagens móveis do cérebro-corpo (MoBI) também permitiram que os pesquisadores começassem a explorar a navegação espacial em ambientes do mundo real 16,17,18.
É importante ressaltar que a aprendizagem espacial e a memória são uma habilidade cognitiva que se deteriora com a idade, com os idosos sendo mais propensos a perder a noção de onde estão ou se perder quando tentam voltar para casa. Esse déficit é provavelmente devido à neurodegeneração que ocorre no nível do hipocampo – uma área cerebral altamente plástica que é uma das primeiras a se deteriorar aos19 anos. Portanto, o desenvolvimento de métodos do mundo real para avaliar as habilidades de navegação espacial e memória episódica é uma importante via de pesquisa. No nível clínico, esses tipos de tarefas podem ajudar a determinar a progressão do declínio da memória ou diagnosticar comprometimento cognitivo leve, doença de Alzheimer ou outras formas de demência. Por outro lado, a atividade física foi identificada como um dos melhores mecanismos para melhorar as habilidades de navegação espacial. Estudos em roedores mostraram que o exercício melhora o aprendizado e a memória em várias tarefas espaciais, incluindo o labirinto de água de Morris, labirinto em Y, labirinto em T e labirinto de braço radial20. Melhorias induzidas pelo exercício nas habilidades espaciais também foram demonstradas em humanos, com esse efeito sendo significativamente relacionado a um aumento no volume do hipocampo7. No entanto, esse efeito comportamental foi demonstrado usando uma tarefa de memória espacial em que os participantes foram solicitados a lembrar a localização dos pontos em uma tela – uma tarefa que pode não ter muita validade ecológica para a navegação espacial do mundo real. Poucas pesquisas investigaram o impacto do exercício em humanos nas tarefas de navegação espacial apresentadas em ambientes virtuais.
Portanto, uma tarefa cognitiva foi projetada para avaliar a aprendizagem espacial e a memória juntamente com a memória episódica usando um ambiente virtual. É importante ressaltar que a tarefa foi projetada usando software de videogame moderno para permitir designs gráficos atualizados e recursos realistas (por exemplo, nuvens em movimento no céu). Esta tarefa foi testada em um grupo de adultos saudáveis antes e depois de experimentarem a prática de exercícios aeróbicos de longo prazo. Os resultados indicam que os participantes podem codificar e lembrar informações espaciais e memórias episódicas sobre sua experiência virtual. Além disso, os resultados indicam que o desempenho nessa tarefa é plástico, sendo afetado pelo exercício.
Especificamente, um ambiente virtual foi desenvolvido por meio de um mecanismo de jogo multiplataforma21 que avaliou a navegação espacial e a capacidade de memória episódica, habilidades cognitivas únicas suportadas pelo hipocampo. O mapa utilizado para esse ambiente foi derivado de Miller et al. (2013)22. O mecanismo de jogo utilizado permite que os desenvolvedores baixem ativos para adicionar recursos exclusivos para fins de construção de ambientes virtuais. Foi utilizado um ativo23 que nos permitiu construir um ambiente urbano realista com estradas e edifícios pelos quais os participantes pudessem navegar. Além disso, foi utilizado um ativo24 que permitiu o rastreamento das coordenadas x, y e z e rotação dos participantes enquanto eles viajavam pelo ambiente virtual. O recurso mencionado acima permitiu a gravação desses recursos em uma escala de tempo de milissegundos (~33 ms). O ambiente virtual foi então compilado e administrado como uma tarefa de navegação espacial que os participantes poderiam concluir em casa em um laptop ou computador desktop. O protocolo abaixo detalha como administrar e se envolver com essa tarefa de navegação espacial.
Este estudo examinou a eficácia de uma nova tarefa de realidade virtual na avaliação da navegação espacial em humanos. Essa tarefa cognitiva, que leva apenas cerca de 10 minutos para ser concluída, pode ser utilizada para avaliar dois tipos únicos de cognição dependente do hipocampo – navegação espacial e capacidade de memória episódica. É importante ressaltar que a capacidade de navegação espacial foi significativamente associada à capacidade de memória episódica. Por fim, essa tarefa foi sensível a um paradigma de treinamento de atividade física. Ou seja, o aumento do exercício foi associado ao aumento do desempenho. Esta tarefa foi inspirada no trabalho de Miller et al. (2013) que investigaram ambientes virtuais em pacientes com epilepsia resistente a medicamentos e eletrodos de profundidade do hipocampo colocados para fins de localização de convulsões. Eles descobriram que durante a fase de familiarização da tarefa de navegação espacial (ou seja, a fase de codificação), as células responsivas ao local no hipocampo e as estruturas do lobo temporal medial associadas foram ativadas22. Além disso, eles descobriram que quando os participantes estavam envolvidos em um componente de recordação livre (ou seja, uma fase de lembrança que não envolvia navegação ativa), as mesmas células responsivas ao local que estavam ativas durante a codificação tornaram-se ativas novamente. Estudos existentes em roedores utilizando ambientes de campo aberto e labirínticos mostraram a existência de tais células locais, com os Drs. John O’Keefe, May-Britt Moser e Edvard Moser ganhando o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 2014 por esta descoberta 2,29,30,31. Além disso, estudos usando ambientes virtuais em humanos mostraram que células semelhantes no hipocampo humano codificam viagens através do tempo e do espaço22 , 32 , 33 . Embora a tarefa seja semelhante à apresentada em Miller et al. (2013) e outros 22,34,35,36,37,38, ela foi desenvolvida com o mecanismo e as tecnologias de jogo multiplataforma mais atuais, utilizando recursos do mundo real, como nuvens em movimento e pontos de referência claros da cidade e recursos de vitrine. Outros pesquisadores utilizaram outras tarefas de navegação espacial em humanos; no entanto, essas tarefas são limitadas em sua validade ecológica. Por exemplo, a tarefa virtual Starmaze é usada para avaliar as habilidades de navegação, mas coloca os participantes em um labirinto em forma de estrela 39,40,41,42,43,44. Além disso, o NavWell é uma plataforma acessível que hospeda experimentos de navegação espacial e memória semelhantes ao Morris Water Maze em roedores (colocando os participantes em uma arena circular) e fornece aos desenvolvedores formas geométricas básicas para construir um ambiente45. Além disso, os ativos de Landmarks em mecanismos de jogos multiplataforma estão disponíveis para criar e desenvolver tarefas de navegação espacial que existem em uma configuração quadrada12. A tarefa atual é única, pois fornece aos usuários um cenário e uma tarefa semelhantes ao mundo real – navegar em uma paisagem urbana e memorizar pontos de referência e ações. A tarefa também é diferente da tarefa virtual Starmaze e do NavWell porque avalia a memória episódica, além da navegação espacial.
Nesta tarefa, a capacidade de navegação espacial foi significativamente relacionada à capacidade de memória episódica. Outros mostraram que essas duas habilidades cognitivas são de fato distintas e que dependem de diferentes regiões do hipocampo38,46. A popular “Teoria do Mapa Cognitivo” afirma que o cérebro constrói e armazena um “mapa” do ambiente espacial de um indivíduo para que possa ser usado posteriormente no futuro para orientar ações e comportamentos47. A pesquisa sugeriu que o hipocampo codifica informações espaciais ao mesmo tempo em que suporta a formação de memória episódica. Mais especificamente, acredita-se que o hipocampo direito codifica a memória espacial, enquanto o hipocampo esquerdo armazena memórias episódicas38. Os resultados da nova tarefa de navegação espacial atual, que demonstram uma ligação clara entre memória espacial e episódica, dão suporte à Teoria dos Mapas Cognitivos e sugerem que essa tarefa poderia ser usada para examinar a relação entre navegação espacial e memória episódica em populações não clínicas. Estudos futuros devem procurar examinar essa relação em populações clínicas, incluindo aquelas com distúrbios neurodegenerativos, como comprometimento cognitivo leve, doença de Alzheimer ou outros tipos de demência.
Esta tarefa foi sensível ao exercício ou à quantidade total de sessões de ciclismo realizadas durante um período de 3 meses. Estudos anteriores em roedores mostraram que o exercício é uma das formas mais potentes de aumentar a cognição dependente do hipocampo, incluindo memória de longo prazo, separação de padrões, alternância espontânea, condicionamento contextual do medo, aprendizado de evitação passiva e reconhecimento de novos objetos, com esse efeito sendo dependente do aumento induzido pelo exercício na neurogênese do hipocampo 48,49,50 . Além disso, a literatura mostrou que o exercício de longo prazo melhora o funcionamento do hipocampo em humanos, com melhorias observadas na lembrança da lista de palavras, na lembrança da história e na memória relacional espacial e não espacial; Acredita-se que esse efeito seja impulsionado por aumentos induzidos pelo exercício no volume do hipocampo 7,27,51,52,53,54,55. Esta nova tarefa de navegação espacial complementa as descobertas de roedores e contribui para a literatura humana, mostrando a importância da atividade física para as habilidades de navegação espacial.
Embora nas investigações iniciais a idade tenha sido negativamente associada à capacidade de navegação espacial, esse efeito foi eliminado ao aplicar uma correção de Bonferroni. Isso indica que a capacidade de navegação espacial pode ser preservada até os 55 anos. Outra literatura demonstra que a navegação espacial é uma habilidade cognitiva que diminui com a idadede 56,57,58. Estudos de neuroimagem revelaram que a neurodegeneração relacionada à idade em áreas como hipocampo, giro parahipocampal, córtex cingulado posterior (córtex retroesplenial), lobos parietais e córtex pré-frontal pode estar envolvida nesse declínio cognitivo relacionado à idade58. Considerando que a faixa etária foi limitada (25-55 anos de idade), ao incluir uma faixa etária maior, especialmente adultos mais velhos (65+), futuros pesquisadores podem ver uma correlação significativa entre idade e capacidade de navegação espacial. Estudos futuros devem considerar a realização dessa tarefa de navegação espacial em adultos com 65 anos ou mais e até mesmo naqueles com comprometimento cognitivo leve ou outros distúrbios semelhantes à demência.
Um elo perdido óbvio nas tarefas de navegação virtual é a falta da relação corpo-cérebro. Ou seja, ao navegar por ambientes do mundo real, a ativação ocorre no nível dos sistemas nervosos periférico e central, incluindo a ativação dos proprioceptores, exteroceptores, interoceptores e sistema vestibular junto com os córtices sensório-motores, gânglios da base e cerebelo. Sem essa entrada física, a navegação virtual pode ser distintamente diferente da navegação física. Apesar disso, estudos mostraram que os ambientes virtuais estimulam as mesmas regiões cerebrais que a navegação no mundo real 22,32,33. Tornar a tarefa mais ativa, como foi o projeto da tarefa atual, pode ajudar a convencer o cérebro de que está se movendo fisicamente no tempo e no espaço, imitando a navegação espacial natural. Outros encontraram apoio para essa hipótese. Um estudo de Meade et al. (2019) examinou as diferenças entre codificação ativa e passiva ao usar uma tarefa de navegação espacial virtual semelhante59. A navegação ativa refere-se aos participantes que podem se mover por conta própria pelo espaço virtual (semelhante ao presente estudo), enquanto a navegação passiva consiste em uma visita guiada onde os participantes não se movem, mas sim a rota de navegação. Os autores sugeriram que a navegação ativa pode ser mais benéfica para populações mais velhas devido ao envolvimento de componentes físicos (por exemplo, locomoção e propriocepção) e cognitivos (por exemplo, tomada de decisão e atenção), e pode servir para melhorar o desempenho da memória por meio do envolvimento direto no processo de codificação da memória. A navegação ativa utilizada no presente estudo pôde explicar os resultados, demonstrando que os participantes foram capazes de recordar com precisão memórias episódicas de suas experiências.
A navegação ativa também pode ajudar a envolver áreas de integração multissensorial, como o complexo retroesplenial (RSC) 60 , 61 , 62 . Um estudo recente descobriu que a deambulação real durante uma tarefa de navegação espacial de realidade virtual que exigia que os participantes viajassem entre locais enquanto se lembravam de locais de referência e de origem resultou em oscilações RSC (ou seja, oscilações neuronais de 4-8 hertz registradas com EEG)16. Esse aumento da potência foi mais proeminente durante as mudanças e rotações de direção da cabeça. Em roedores, foi demonstrado que a atividade RSC é essencial para a codificação espacial envolvendo células de grade e computação da direção da cabeça63,64. O RSC também é considerado importante para usar pistas do ambiente para ancorar o mapa cognitivo de um ser humano47.
Embora as tarefas de navegação espacial virtual ofereçam muitos benefícios, elas impedem o indivíduo de se mover fisicamente no tempo e no espaço, causando ativação limitada dos sistemas proprioceptivo, vestibular e sensório-motor. Existe uma incongruência entre os processos sensoriais e motores, o que pode fazer com que alguns participantes fiquem tontos ou enjoados. Na presente tarefa, isso foi limitado pelo controle da velocidade com que os participantes foram capazes de se mover e olhar ao redor do ambiente. Para ser capaz de codificar todos os aspectos do ambiente, era necessário ser capaz de olhar ao redor (ou seja, se envolver em rotação de cabeça virtual); no entanto, essa habilidade precisava ser lenta o suficiente para garantir que os participantes não ficassem fisicamente doentes. Apesar disso, a capacidade de navegar espacialmente enquanto sedentário é vantajosa, pois permite que os pesquisadores estudem indivíduos que apresentam problemas de mobilidade, fadiga física ou outras deficiências que impedem um indivíduo de ser ambulatorial. Outra limitação é que essa tarefa ainda não foi testada quanto à confiabilidade e validade, enquanto outras tarefas estão se movendo nessa direção, incluindo a avaliação da navegação espacial virtual (VSNA)65. Pesquisas futuras podem examinar a atividade neural associada por meio de eletroencefalografia ou ressonância magnética funcional enquanto os participantes completam essa tarefa de navegação espacial. Os participantes também podem ser equipados com dispositivos que medem variáveis fisiológicas, como variabilidade da frequência cardíaca e atividade eletrodérmica. Isso permitiria um exame dos mecanismos periféricos e centrais que ocorrem durante a navegação em ambientes virtuais. É importante ressaltar que essa tarefa pode ser usada para avaliar as mudanças na capacidade de navegação espacial ao longo do tempo. Estudos futuros podem utilizar essa tarefa para investigar como o envelhecimento ou condições neurodegenerativas, como a doença de Alzheimer ou Parkinson, afetam a navegação espacial e a memória episódica de um indivíduo. Por outro lado, essa tarefa pode ser usada para explorar como intervenções adicionais mente-corpo-movimento afetam a navegação espacial e a memória episódica, incluindo dança, ioga ou meditação.
The authors have nothing to disclose.
Este trabalho foi apoiado pelo iTHRIV Scholars Program, que é apoiado em parte pelo Centro Nacional para o Avanço das Ciências Translacionais do NIH (UL1TR003015 e KL2TR003016). Gostaríamos de agradecer ao Dr. Samuel McKenzie, Michael Astolfi, Meet Parekh e Andrei Marks por suas contribuições de programação de computadores.
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