Здесь мы представляем новую, краткую и активную задачу пространственной навигации, которая оценивает как пространственную навигацию, так и способность эпизодической памяти. Важно отметить, что пространственная навигация и эпизодическая память были связаны друг с другом, и эта задача продемонстрировала чувствительность к физическим упражнениям.
Пространственная навигация (СН) — это способность перемещаться по окружающей среде, что требует понимания того, где человек находится во времени и пространстве. Известно, что эта способность зависит от последовательного возбуждения клеток места в гиппокампе. СН является важным поведением для исследования, поскольку этот процесс ухудшается с возрастом, особенно при нейродегенеративных расстройствах. Тем не менее, исследование СН ограничено отсутствием сложных поведенческих техник для оценки этой задачи, зависящей от гиппокампа. Таким образом, целью данного протокола была разработка нового, реального подхода к изучению СН у людей. В частности, активная виртуальная задача SN была разработана с использованием кроссплатформенного игрового движка. На этапе кодирования участники перемещались по виртуальному городу, чтобы найти достопримечательности. На этапе запоминания участники запоминали, где находились эти места с наградами, и доставляли предметы в эти места. Время на поиск каждого места фиксировалось, и эпизодическая память оценивалась по фазе свободного вспоминания, включая аспекты места, порядка, предмета и ассоциации. Поведение движения (координаты x, y и z) оценивалось с помощью актива, доступного в игровом движке. Важно отметить, что результаты этой задачи демонстрируют, что она точно фиксирует как пространственное обучение и способности памяти, так и эпизодическую память. Кроме того, результаты показывают, что эта задача чувствительна к физическим упражнениям, которые улучшают функционирование гиппокампа. В целом, полученные данные свидетельствуют о новом способе отслеживания функционирования гиппокампа человека с течением времени, при этом это поведение чувствительно к парадигмам тренировки физической активности.
Перемещение тела во времени и пространстве имеет решающее значение для изучения и запоминания информации об окружающей среде. Эта способность известна как пространственная навигация, и с эволюционной точки зрения она является важным инструментом выживания для поиска пищи, воды, социальных аналогов и других вознагражденийв окружающей среде. Пространственная навигация зависит от гиппокампа, С-образной структуры лимбической системы в медиальной височной доле. Гиппокамп состоит из подобластей CA1, CA2, CA3 и зубчатой извилины. Гиппокамп поддерживает кодирование, консолидацию и извлечение воспоминаний, которые помогают определить сознательный опыт. В частности, пространственная навигация поддерживает эпизодическую память, форму эксплицитной памяти, которая относится к памяти о личном опыте, включая аспекты времени, места и соответствующие детали, связанные с этим опытом (например, зрительные образы, звуки, запахи, эмоции). Когда мы пространственно перемещаемся по различным средам, нейроны, известные как клетки места, систематически возбуждаются, позволяя нам понять, где мы находимся как во времени, так и в пространстве. На самом деле, было показано, что прямая оптическая стимуляция этих нейронов смещает поведение грызунов в сторону их физического местоположения (т.е. полей места)3.
Оценка пространственной навигации у грызунов традиционно изучалась с помощью таких поведенческих парадигм, как водный лабиринт Морриса, Y-образный лабиринт, Т-образный лабиринт и радиальный рукавный лабиринт 4,5. Важно отметить, что эти поведенческие задачи позволяют in vivo исследовать нейронные корреляты пространственной навигации с использованием таких методов, как электрофизиологическая запись глубины. Тем не менее, оценка пространственной навигации у людей оказалась сложной с научной точки зрения, потому что большинство научных исследований проводятся в лабораториях, а не в реальном мире. В предыдущих исследованиях на людях оценивались пространственные способности с помощью традиционных бумажных заданий, таких как задачи на изучение двунаправленной карты, задачи на мысленное вращение или задачи на пространственную память 6,7. Другие использовали компьютерные задачи, такие как «Виртуальная задача Морриса» или другие задачи виртуального лабиринта, которые, как было показано, коррелируют с более традиционными психометрическими показателями пространственных способностей 8,9. Кроме того, с появлением общедоступных и бесплатных пакетов программного обеспечения для видеоигр, исследователи начали разрабатывать трехмерные виртуальные среды, которые могут быть представлены либо на экране компьютера, либо в виртуальной реальности 10,11,12,12,13,14,15. Научные достижения в области мобильной визуализации мозга и тела (MoBI) также позволили исследователям начать изучать пространственную навигацию вреальных условиях.
Важно отметить, что пространственное обучение и память — это когнитивные способности, которые ухудшаются с возрастом, причем пожилые люди с большей вероятностью теряют представление о том, где они находятся, или теряются, когда пытаются вернуться домой. Этот дефицит, скорее всего, связан с нейродегенерацией, которая происходит на уровне гиппокампа – высокопластичной области мозга, которая одной из первых ухудшается с19 годами. Таким образом, разработка реальных методов для оценки способностей пространственной навигации и эпизодической памяти является важным направлением исследований. На клиническом уровне эти типы заданий могут помочь определить прогрессирование снижения памяти или диагностировать легкие когнитивные нарушения, болезнь Альцгеймера или другие формы деменции. И наоборот, физическая активность была определена как один из лучших механизмов для улучшения способностей к пространственной навигации. Исследования на грызунах показали, что физические упражнения улучшают обучение и память при выполнении различных пространственных задач, включая водный лабиринт Морриса, Y-образный лабиринт, Т-образный лабиринт и радиальный лабиринт20. Улучшение пространственных способностей, вызванное физическими упражнениями, также было продемонстрировано у людей, причем этот эффект в значительной степени связан с увеличением объема гиппокампа7. Тем не менее, этот поведенческий эффект был продемонстрирован с помощью задания на пространственную память, где участников попросили запомнить расположение точек на экране – задача, которая может не иметь большой экологической ценности для реальной пространственной навигации. Мало исследований изучало влияние физических упражнений у людей на задачи пространственной навигации, представленные в виртуальных средах.
Поэтому была разработана когнитивная задача для оценки пространственного обучения и памяти наряду с эпизодической памятью с использованием виртуальной среды. Важно отметить, что задача была разработана с использованием современного программного обеспечения для видеоигр, чтобы обеспечить современный графический дизайн и реалистичные функции (например, движущиеся облака в небе). Эта задача была проверена на группе здоровых взрослых людей до и после длительной практики аэробных упражнений. Результаты показывают, что участники могут кодировать и запоминать как пространственную информацию, так и эпизодические воспоминания о своем виртуальном опыте. Кроме того, результаты показывают, что производительность в этой задаче пластична, на нее влияют физические упражнения.
В частности, виртуальная среда была разработана с помощью кроссплатформенного игрового движка21 , который оценивал пространственную навигацию и способность эпизодической памяти, уникальные когнитивные навыки, поддерживаемые гиппокампом. Карта, использованная для этой среды, была получена из Miller et al. (2013)22. Используемый игровой движок позволяет разработчикам загружать ресурсы для добавления уникальных функций для создания виртуальных сред. Был использован актив23 , который позволил нам создать реалистичную городскую среду с дорогами и зданиями, по которым участники могли бы перемещаться. Кроме того, был использован актив24 , который позволял отслеживать координаты x, y и z участников и их вращение во время их перемещения по виртуальной среде. Вышеупомянутый актив позволял записывать эти функции в миллисекундном масштабе времени (~33 мс). Затем виртуальная среда была скомпилирована и администрирована в виде задачи пространственной навигации, которую участники могли выполнить дома на ноутбуке или настольном компьютере. В приведенном ниже протоколе подробно описано, как администрировать эту задачу пространственной навигации и взаимодействовать с ней.
В этом исследовании изучалась эффективность новой задачи виртуальной реальности для оценки пространственной навигации у людей. Эта когнитивная задача, выполнение которой занимает всего около 10 минут, может быть использована для оценки двух уникальных типов когнитивных функций, зависящих от гиппокампа – пространственной навигации и способности эпизодической памяти. Важно отметить, что способность к пространственной навигации была в значительной степени связана со способностью к эпизодической памяти. Наконец, эта задача была чувствительна к парадигме тренировки физической активности. То есть, увеличение физических нагрузок было связано с повышением работоспособности. Эта задача была вдохновлена работой Miller et al. (2013), которые исследовали виртуальные среды у пациентов с лекарственно-устойчивой эпилепсией и электроды глубины гиппокампа, размещенные с целью локализации припадка. Они обнаружили, что во время фазы ознакомления в задаче пространственной навигации (т.е. фазы кодирования) чувствительные к месту клетки в гиппокампе и связанные с ними структуры медиальной височной долиактивировались. Кроме того, они обнаружили, что когда участники были вовлечены в компонент свободного вспоминания (т.е. фазу запоминания, которая не включала активную навигацию), те же самые чувствительные к месту клетки, которые были активны во время кодирования, снова становились активными. Существующие исследования на грызунах, использующих открытые поля и лабиринты, показали существование таких клеток, а доктора Джон О’Киф, Мэй-Бритт Мозер и Эдвард Мозер получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2014 года за это открытие 2,29,30,31. Кроме того, исследования с использованием виртуальной среды у людей показали, что подобные клетки в гиппокампе человека кодируют путешествия во времени и пространстве 22,32,33. Хотя задача аналогична той, что представлена в Miller et al. (2013) и других 22,34,35,36,37,38, она была разработана с использованием самых современных кроссплатформенных игровых движков и технологий, использующих реальные функции, такие как движущиеся облака и четкие городские достопримечательности и функции витрин магазинов. Другие исследователи использовали другие задачи пространственной навигации у людей; Однако эти задачи ограничены в своей экологической обоснованности. Например, виртуальное задание «Звездный лабиринт» используется для оценки навигационных способностей, но помещает участников в лабиринт в форме звезды 39,40,41,42,43,44. Более того, NavWell — это доступная платформа, которая проводит эксперименты с пространственной навигацией и памятью, похожие на водный лабиринт Морриса у грызунов (размещение участников на круглой арене), и предоставляет разработчикам базовые геометрические формы длясоздания среды. Кроме того, ассеты Landmarks на кроссплатформенных игровых движках доступны для создания и разработки задач пространственной навигации, которые существуют в квадратной обстановке12. Данное задание уникально тем, что оно предоставляет пользователям обстановку и задачу, аналогичную реальному миру – навигацию по городскому пейзажу и запоминание достопримечательностей и действий. Эта задача также отличается от задачи виртуального Starmaze и NavWell, поскольку она оценивает эпизодическую память в дополнение к пространственной навигации.
В этой задаче способность к пространственной навигации была в значительной степени связана со способностью к эпизодической памяти. Другие исследования показали, что эти две когнитивные способности действительно различны и что они зависят от разных областей гиппокампа 38,46. Популярная «теория когнитивных карт» утверждает, что мозг строит и хранит «карту» пространственного окружения человека, чтобы впоследствии использовать ее в будущем для управления действиями иповедением. Исследования показали, что гиппокамп кодирует пространственную информацию, а также поддерживает формирование эпизодической памяти. В частности, считается, что правый гиппокамп кодирует пространственную память, в то время как левый гиппокамп хранит эпизодические воспоминания. Результаты текущей новой задачи пространственной навигации, которые демонстрируют четкую связь между пространственной и эпизодической памятью, поддерживают теорию когнитивных карт и предполагают, что эта задача потенциально может быть использована для изучения взаимосвязи между пространственной навигацией и эпизодической памятью в неклинических популяциях. Будущие исследования должны быть направлены на изучение этой взаимосвязи в клинических популяциях, в том числе с нейродегенеративными расстройствами, такими как легкие когнитивные нарушения, болезнь Альцгеймера или другие типы деменции.
Эта задача была чувствительна к физическим упражнениям или общему количеству велосипедных сессий, проведенных в течение 3-месячного периода. Предыдущие исследования на грызунах показали, что физические упражнения являются одним из наиболее мощных способов увеличения когнитивных способностей, зависящих от гиппокампа, включая долговременную память, разделение образов, спонтанное чередование, контекстуальное обусловливание страха, пассивное обучение избеганию и распознавание новых объектов, причем этот эффект зависит от вызванного физическими упражнениями увеличения нейрогенеза гиппокампа 48,49,50 . Кроме того, литература показала, что длительные физические упражнения улучшают функционирование гиппокампа у людей, при этом наблюдаются улучшения в запоминании списка слов, воспоминании историй, а также в пространственной и непространственной реляционной памяти; Считается, что этот эффект обусловлен увеличением объема гиппокампа под действием физических упражнений 7,27,51,52,53,54,55. Эта новая задача пространственной навигации дополняет находки на грызунах и дополняет литературу по человеку, показывая важность физической активности для способностей к пространственной навигации.
Хотя в первоначальных исследованиях возраст был отрицательно связан со способностью к пространственной навигации, этот эффект был устранен при применении поправки Бонферрони. Это указывает на то, что способность к пространственной навигации может сохраняться до 55 лет. Другая литература показывает, что пространственная навигация — это когнитивная способность, которая снижается с возрастом56, 57, 58 лет. Нейровизуализационные исследования показали, что возрастная нейродегенерация в таких областях, как гиппокамп, парагиппокампальная извилина, задняя поясная кора (ретроспленальная кора), теменные доли и префронтальная кора, может быть вовлечена в такое возрастноеснижение когнитивных функций. Учитывая, что возрастной диапазон был ограничен (25-55 лет), за счет включения более широкого возрастного диапазона, особенно пожилых людей (65+), будущие исследователи могут увидеть значительную корреляцию между возрастом и способностью к пространственной навигации. В будущих исследованиях следует рассмотреть возможность выполнения этой задачи пространственной навигации у взрослых в возрасте 65 лет и старше и даже у людей с легкими когнитивными нарушениями или другими расстройствами, подобными деменции.
Одним из очевидных недостающих звеньев в задачах виртуальной навигации является отсутствие взаимосвязи между телом и мозгом. То есть, при навигации по реальной среде активация происходит на уровне периферической и центральной нервной системы, включая активацию проприорецепторов, экстерорецепторов, интероцепторов и вестибулярной системы, а также сенсомоторной коры, базальных ганглиев и мозжечка. Без этих физических входных данных виртуальная навигация может заметно отличаться от физической. Несмотря на это, исследования показали, что виртуальная среда стимулирует те же области мозга, что и навигация в реальном мире. Если сделать задачу более активной, как это было задумано в текущей задаче, это может помочь убедить мозг в том, что он физически движется во времени и пространстве, имитируя естественную пространственную навигацию. Другие нашли поддержку этой гипотезе. В исследовании Meade et al. (2019) изучались различия между активным и пассивным кодированием при использовании аналогичной задачи виртуальной пространственной навигации59. Активная навигация относится к тому, что участники могут самостоятельно перемещаться по виртуальному пространству (сродни настоящему исследованию), в то время как пассивная навигация состоит из экскурсии, где участники не двигаются, а им показывают навигационный маршрут. Авторы предположили, что активная навигация может быть более полезной для пожилых людей из-за вовлечения физических (например, локомоция и проприоцепция) и когнитивных компонентов (например, принятия решений и внимания), и может служить для улучшения производительности памяти за счет непосредственного участия в процессе кодирования памяти. Активная навигация, использованная в настоящем исследовании, может объяснить результаты, демонстрируя, что участники были способны точно вспоминать эпизодические воспоминания о своем опыте.
Активная навигация также может помочь задействовать области мультисенсорной интеграции, такие как ретросплениальный комплекс (RSC)60,61,62. Недавнее исследование показало, что фактическая ходьба во время задачи пространственной навигации в виртуальной реальности, требующая от участников перемещения между местами, запоминая дома и достопримечательности, приводила к тета-колебаниям RSC (т.е. 4-8 герцовым нейронным колебаниям, записанным с помощью ЭЭГ)16. Эта повышенная тета-сила была наиболее заметна во время изменения направления движения головы и вращений. У грызунов было показано, что тета-активность RSC имеет важное значение для пространственного кодирования, включающего клетки сетки и вычисление направления головы63,64. RSC также считается важным для использования сигналов из окружающей среды для закрепления когнитивной карты человека47.
В то время как задачи виртуальной пространственной навигации дают много преимуществ, они не позволяют человеку физически перемещаться во времени и пространстве, вызывая ограниченную активацию проприоцептивной, вестибулярной и сенсомоторной систем. Существует несоответствие между сенсорными и двигательными процессами, что может вызвать у некоторых участников головокружение или тошноту. В данной задаче это было ограничено контролем скорости, с которой участники могли перемещаться по окружающей среде и осматривать ее. Чтобы иметь возможность кодировать все аспекты окружающей среды, необходимо было иметь возможность смотреть по сторонам (т.е. участвовать в виртуальном вращении головы); Тем не менее, эта способность должна быть достаточно медленной, чтобы гарантировать, что участники не заболеют физически. Несмотря на это, способность к пространственной навигации в сидячем положении выгодна тем, что позволяет исследователям изучать людей, которые испытывают проблемы с подвижностью, физическую усталость или другие нарушения, препятствующие передвижению. Еще одним ограничением является то, что эта задача еще не была проверена на надежность и валидность, в то время как другие задачи движутся в этом направлении, в том числе оценка виртуальной пространственной навигации (VSNA)65. Будущие исследования могут изучить связанную с ней нейронную активность с помощью электроэнцефалографии или функциональной магнитно-резонансной томографии, пока участники выполняют эту задачу пространственной навигации. Участники также могут быть оснащены устройствами для измерения физиологических переменных, таких как вариабельность сердечного ритма и электродермальная активность. Это позволило бы изучить как периферийные, так и центральные механизмы, которые возникают при навигации по виртуальным средам. Важно отметить, что эта задача может быть использована для оценки изменений в способности пространственной навигации с течением времени. Будущие исследования могут использовать эту задачу для изучения того, как старение или нейродегенеративные состояния, такие как болезнь Альцгеймера или болезнь Паркинсона, влияют на пространственную навигацию и эпизодическую память человека. И наоборот, эта задача может быть использована для изучения того, как дополнительные вмешательства в сознание, тело и движение влияют на пространственную навигацию и эпизодическую память, включая танец, йогу или медитацию.
The authors have nothing to disclose.
Эта работа была поддержана программой iTHRIV Scholars Program, которая частично поддерживается Национальным центром развития трансляционных наук NIH (UL1TR003015 и KL2TR003016). Мы хотели бы выразить признательность доктору Сэмюэлю Маккензи, Майклу Астольфи, Знакомьтесь, Пареху и Андрею Марксу за их вклад в компьютерное программирование.
Unity Real-Time Development Platform | Unity | Unity Student / Unity Personal | https://unity.com/ |