Vurdering af menneskelig rumlig navigation i et virtuelt rum og dets følsomhed over for træning

Summary

Her præsenterer vi en ny, kort og aktiv rumlig navigationsopgave, der vurderer både rumlig navigation og episodisk hukommelsesevne. Det er vigtigt, at rumlig navigation og episodisk hukommelse var forbundet med hinanden, og denne opgave demonstrerede følsomhed over for træning.

Abstract

Rumlig navigation (SN) er evnen til at bevæge sig gennem miljøet, hvilket kræver en forståelse af, hvor man befinder sig i tid og rum. Denne kapacitet er kendt for at være afhængig af sekventiel affyring af stedceller i hippocampus. SN er en vigtig adfærd at undersøge, da denne proces forværres med alderen, især ved neurodegenerative lidelser. Undersøgelsen af SN er dog begrænset af manglen på sofistikerede adfærdsteknikker til at vurdere denne hippocampus-afhængige opgave. Derfor var målet med denne protokol at udvikle en ny, virkelig tilgang til at studere SN hos mennesker. Specifikt blev en aktiv virtuel SN-opgave udviklet ved hjælp af en spilmotor på tværs af platforme. I kodningsfasen navigerede deltagerne sig gennem en virtuel by for at finde vartegn. I erindringsfasen huskede deltagerne, hvor disse belønningssteder var, og leverede varer til disse steder. Tiden til at finde hvert sted blev registreret, og episodisk hukommelse blev vurderet ved en fri genkaldelsesfase, herunder aspekter af sted, rækkefølge, genstand og tilknytning. Bevægelsesadfærd (x-, y- og z-koordinater) blev vurderet gennem et aktiv, der var tilgængeligt i spilmotoren. Det er vigtigt, at resultaterne fra denne opgave viser, at den nøjagtigt fanger både rumlig læring og hukommelsesevner såvel som episodisk hukommelse. Yderligere tyder resultaterne på, at denne opgave er følsom over for træning, hvilket forbedrer hippocampusfunktionen. Samlet set tyder resultaterne på en ny måde at spore menneskelig hippocampusfunktion over tid, hvor denne adfærd er følsom over for træningsparadigmer for fysisk aktivitet.

Introduction

At bevæge kroppen gennem tid og rum er afgørende for at lære og huske information om miljøet. Denne evne er kendt som rumlig navigation, og evolutionært set er det et vigtigt overlevelsesværktøj til at lokalisere mad, vand, sociale modstykker og andre belønninger i miljøet ^1,2. Rumlig navigation er afhængig af hippocampus, en c-formet limbisk systemstruktur i den mediale tindingelapp. Hippocampus består af underregionerne CA1, CA2, CA3 og dentate gyrus. Hippocampus understøtter kodning, konsolidering og hentning af minder, der hjælper med at definere den bevidste oplevelse. Specifikt understøtter rumlig navigation episodisk hukommelse, en form for eksplicit hukommelse, der refererer til hukommelsen af personlig oplevelse, herunder aspekter af tid, sted og relevante detaljer forbundet med oplevelsen (f.eks. seværdigheder, lyde, lugte, følelser). Når vi rumligt navigerer gennem forskellige miljøer, affyrer neuroner kendt som stedceller systematisk, hvilket gør os i stand til at forstå, hvor vi er i både tid og rum. Faktisk har direkte optisk stimulering af disse neuroner vist sig at påvirke gnaveres adfærd mod deres fysiske placering (dvs. stedfelter)³.

Vurdering af rumlig navigation hos gnavere er traditionelt blevet undersøgt gennem sådanne adfærdsparadigmer som Morris Water Maze, Y labyrint, T-labyrint og radial armlabyrint ^4,5. Det er vigtigt, at disse adfærdsmæssige opgaver giver mulighed for in vivo-undersøgelse af de neurale korrelater af rumlig navigation ved hjælp af teknikker såsom elektrofysiologiske dybderegistreringer. Vurdering af rumlig navigation hos mennesker har imidlertid vist sig at være videnskabeligt udfordrende, fordi de fleste videnskabelige undersøgelser sker i laboratorier og ikke ude i den virkelige verden. Tidligere undersøgelser på mennesker har vurderet rumlige evner med traditionelle papirbaserede opgaver såsom tovejs kortindlæringsopgaver, mentale rotationsopgaver eller rumlige hukommelsesopgaver ^6,7. Andre har brugt computerbaserede opgaver såsom Virtual Morris Water Task eller andre virtuelle labyrintopgaver, som har vist sig at være korreleret med mere traditionelle psykometriske mål for rumlig evne ^8,9. Derudover er forskere med tilgængeligheden af offentligt tilgængelige og gratis videospilsoftwarepakker begyndt at udvikle 3-dimensionelle virtuelle miljøer, der enten kan præsenteres på en computerskærm eller i virtual reality 10,11,12,13,14,15. Videnskabelige fremskridt inden for mobil hjerne-krop-billeddannelse (MoBI) har også gjort det muligt for forskere at begynde at udforske rumlig navigation i virkelige omgivelser 16,17,18.

Det er vigtigt, at rumlig læring og hukommelse er en kognitiv evne, der forringes med alderen, hvor ældre personer er mere tilbøjelige til at miste overblikket over, hvor de er eller fare vild, når de forsøger at vende hjem. Dette underskud skyldes højst sandsynligt neurodegeneration, der opstår på niveau med hippocampus - et meget plastisk hjerneområde, der er et af de første, der forringes med^{19-årsalderen}. Derfor er udvikling af metoder i den virkelige verden til at vurdere rumlige navigations- og episodiske hukommelsesevner en vigtig forskningsvej. På det kliniske niveau kan disse typer opgaver hjælpe med at bestemme udviklingen af hukommelsesfald eller diagnosticere mild kognitiv svækkelse, Alzheimers sygdom eller andre former for demens. Omvendt er fysisk aktivitet blevet identificeret som en af de bedste mekanismer til at forbedre rumlige navigationsevner. Undersøgelser af gnavere har vist, at motion forbedrer indlæring og hukommelse på forskellige rumlige opgaver, herunder Morris Water Labyrint, Y-labyrint, T-labyrint og radial armlabyrint²⁰. Træningsinducerede forbedringer i rumlige evner er også blevet påvist hos mennesker, hvor denne effekt er signifikant relateret til en stigning i hippocampus volumen⁷. Denne adfærdseffekt blev dog demonstreret ved hjælp af en rumlig hukommelsesopgave, hvor deltagerne blev bedt om at huske placeringen af prikker på en skærm - en opgave, der måske ikke har meget økologisk gyldighed for rumlig navigation i den virkelige verden. Lidt forskning har undersøgt virkningen af træning hos mennesker på rumlige navigationsopgaver præsenteret i virtuelle miljøer.

Derfor blev en kognitiv opgave designet til at vurdere rumlig læring og hukommelse sammen med episodisk hukommelse ved hjælp af et virtuelt miljø. Det er vigtigt, at opgaven blev designet ved hjælp af moderne videospilsoftware for at muliggøre opdaterede grafiske designs og realistiske funktioner (f.eks. bevægelige skyer på himlen). Denne opgave blev testet i en gruppe raske voksne før og efter, at de oplevede langvarig aerob træning. Resultaterne indikerer, at deltagerne kan kode og huske både rumlig information såvel som episodiske minder om deres virtuelle oplevelse. Derudover tyder resultaterne på, at præstationen på denne opgave er plastisk og påvirkes af træning.

Specifikt blev et virtuelt miljø udviklet gennem en spilmotor på tværs af platforme²¹ , der evaluerede rumlig navigation og episodisk hukommelsesevne, unikke kognitive færdigheder understøttet af hippocampus. Kortet, der blev brugt til dette miljø, blev afledt af Miller et al. (2013)²². Spilmotoren, der blev brugt, giver udviklere mulighed for at downloade aktiver for at tilføje unikke funktioner med henblik på at opbygge virtuelle miljøer. Et aktiv²³ blev brugt, der gjorde det muligt for os at opbygge et realistisk bymiljø med veje og bygninger, som deltagerne kunne navigere igennem. Derudover blev der brugt et aktiv²⁴ , der gjorde det muligt at spore deltagernes x-, y- og z-koordinater og rotation, mens de rejste gennem det virtuelle miljø. Det førnævnte aktiv tillod optagelse af disse funktioner på en millisekunders tidsskala (~33 ms). Det virtuelle miljø blev derefter kompileret og administreret som en rumlig navigationsopgave, som deltagerne kunne udføre derhjemme på en bærbar eller stationær computer. Nedenstående protokol beskriver, hvordan du administrerer og interagerer med denne rumlige navigationsopgave.

Protocol

Al undersøgelsesdokumentation og dataindsamlingsmetoder blev godkendt af og i overensstemmelse med New York University Committee on Activities Involving Human Subjects. Deltagerne gav deres informerede samtykke, før de deltog i undersøgelsesrelaterede aktiviteter.

1. Opsætning af gameplay

1. Download de nødvendige filer fra følgende offentlige lager: https://github.com/embodiedbrainlab/BassoSpatialNavigationTask
2. Download Unity Hub fra unity.com/download, og installer Unity version 5.3.1f1.
3. Åbn den fil, der er downloadet fra lageret i trin 1.1 som et projekt på Unity.
4. Når projektet er oprettet med de downloadede filer, skal du vælge fanen Filer øverst i vinduet og vælge Byg og kør.
5. Vinduet Bygindstillinger vises først. Vælg SpatialNavigation > Scener > Storby B-lokker og scener/LeFin. Vælg pc, Mac og Linux enkeltstående , og klik derefter på knappen Byg og kør .
   BEMÆRK: Der vises et vindue, der beder forskeren om at gemme en .exe (Application) file. Når forskeren har bygget applikationen, kan de dobbeltklikke på applikationen for at køre fremtidige iterationer af protokollen. Hvis forskeren beslutter at køre denne fil, gemmes dens respektive resultater i den samme mappe, hvor applikationen er placeret.
6. Et vindue med titlen SpatialNavWeb Configuration vises. Juster skærmopløsningen og grafikkvaliteten under fanen Grafik . Skift kontrollerne i spillet under fanen Input .
7. Klik på Afspil! for at starte opgaven med rumlig navigation.

2. Registrering af hjerneaktivitet med elektroencefalografi (EEG) under den rumlige navigationsopgave

BEMÆRK: EEG måler aktiviteten af neuroner i cortex i den menneskelige hjerne i mikrovolt på en millisekunds tidsskala gennem elektroder placeret på hovedbunden. EEG er en ikke-invasiv form for hjernebilleddannelse, der gør det muligt at scanne en deltagers hjerne, mens de udfører andre aktiviteter, såsom at navigere i virtuelle miljøer.

1. Brug et målebånd til at måle deltagerens hoved fra inion til nasion for at sikre, at EEG-hætten sidder korrekt.
2. Placer elektroder i EEG-hætten (hvis nødvendigt) og udstyr deltageren med EEG-hætten, og sørg for korrekt montering og placering (figur 1A).
3. Start EEG-softwaren. Fyld hver elektrode med elektrodegel for at sikre, at impedansmålingerne er under 25 kΩ.
4. Når EEG-signalet ser rent ud og uden væsentlige artefakter, skal du begynde at optage.
5. Få et medlem af forskerholdet til at holde øje med deltageren, mens deltageren udfører nedenstående trin.
6. Send en triggerpuls til EEG-registreringssystemet ved hver af følgende hændelser (figur 1B)
   Start af kodningsfasen
   Afslutning af kodningsfasen
   Start af huskefasen
   Afslutning af huskefasen
   Start af den episodiske hukommelsesfase
   Afslutning af den episodiske hukommelsesfase
   Eventuelle andre begivenheder, som forskeren finder interessante

Figur 1: Elektroencefalografioptagelse under rumlig navigation. (A) Billede af en person, der er udstyret med en mobil elektroencefalografi (EEG) enhed, mens han udfører den rumlige navigationsopgave. Effektspektral tæthedsplot af theta-aktivitet (4-8 Hz) under (B) kodningsfasen, (C) huskefasen og (D) episodisk hukommelsesfase. Alle data blev forbehandlet og effekt normaliseret efter frekvens (uV²/Hz). Klik her for at se en større version af denne figur.

BEMÆRK: Forskere, der bruger Arduino-teknologier, kan muligvis også sende synkroniserede triggere mellem EEG-optagelsen og spilmotormiljøet, så en nøjagtig parring mellem de neurofysiologiske og adfærdsmæssige data kan forekomme på en millisekunds tidsskala. Med disse markører vil forskere være i stand til at henvise tilbage til deltagerens hjerneaktivitet før, under og efter kritiske interaktioner med det virtuelle miljø. Forskere kan også overveje at gennemføre en periode med baseline hjerneaktivitet før og/eller efter engagement i det virtuelle miljø, så senere sammenligninger kan foretages.

3. Instruktioner til den rumlige navigationsopgave (figur 2)

1. Instruktioner: Sørg for, at deltageren sidder behageligt, ideelt set med fødderne på gulvet. Få deltageren til at læse instruktionerne på skærmen, som vil bede dem om at besøge specifikke vartegn i et bybillede, mens de forsøger at huske deres omgivelser og de stier, de tog (figur 2A).
2. Sørg for, at deltageren er orienteret mod musen og tastaturet. Instruer deltageren i at bruge musen og venstreklikke for at starte opgaven (Figur 2A).
3. Sørg for, at deltageren forstår, at de bliver nødt til at navigere i miljøet med tasterne W, A, S og D på deres tastatur. W-tasten flytter dem fremad, mens S-tasten flytter dem bagud. Alternativt vil op- og ned-pilene også flytte dem frem og tilbage. A-tasten flytter dem til venstre, og D-tasten flytter dem til højre.
4. Sørg for, at deltageren ved, at de kan bruge computermusen til at flytte motivets synsvinkel, som om deltageren bevægede hovedet. Deltagerne kan kigge op, ned, til venstre og til højre; Ingen museklik er nødvendige for at flytte deres synspunkt.
   BEMÆRK VENLIGST: Anvisninger til at navigere i det virtuelle miljø vises i øverste højre hjørne af deltagernes skærm (Figur 2A-F).

Figur 2: Billeder af rumlig navigationsopgave. Skærmbilleder af den rumlige navigation og episodiske hukommelsesopgave udviklet i en spilmotor på tværs af platforme. Eksempler på skærmbilleder præsenteres fra venstre mod højre, startende i øverste venstre hjørne: (A) overordnede instruktioner; B) kørsel i kodningsfasen (C) lokalisering af butiksfacader i kodningsfasen D) kørsel i kodningsfasen E) instruktioner til at huske fase (F) leveringsdel af huskefasen; (G) instruktioner for episodisk hukommelsesfase H) episodisk hukommelsesfase (I) Spillets afslutning. Klik her for at se en større version af denne figur.

4. Kodningsfasen af den rumlige navigationsopgave

1. Få deltageren til at besøge de første vartegn (figur 3) ved at få dem til aktivt at følge en grøn sti med grønne pile (figur 2B).
2. Når deltageren ankommer til det første vartegn, skal du få deltageren til at gå gennem den grønne diamant på det sted (Figur 2C).
3. Når deltageren har samlet den grønne diamant, skal du få deltageren til at besøge det næste vartegn ved at følge den grønne sti. Når deltageren ankommer til det andet vartegn, skal du få deltageren til at gå gennem den grønne diamant på det pågældende sted.
4. Få deltageren til at fortsætte med at udføre denne opgave, indtil deltageren besøger alle fem vartegn og samler alle fem diamanter (figur 2D).
   BEMÆRK: Gennem hele kodningsfasen af denne opgave vil deltagerne blive bedt om at huske placeringen af de fem vartegn i hele byen (Figur 3). Et fugleperspektiv af opgaven er vist i figur 4.

Figur 3: Billeder af butiksfacader. Deltagerne besøgte fem af de atten lokationer, der er udviklet i miljøet, hver med en unik og detaljeret butiksfacade. Eksempler på disse steder omfattede (A) en pizzeria, (B) en vitaminbutik, (C) en møbelbutik, (D) en bryllupsbutik, (E) en kiosk og (F) et kasino. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 4: Kort over rumlig navigationsopgave. Fugleperspektiv af det virtuelle miljø, som deltagerne navigerede igennem. Klik her for at se en større version af denne figur.

5. Huskefasen af den rumlige navigationsopgave

1. Lad derefter deltageren genbesøge hvert vartegn (dvs. huske fase; Figur 2E).
   BEMÆRK: Deltagerne begynder huskefasen fra det sidste sted, de besøgte i kodningsfasen.
2. Få deltageren til at bruge musen og venstreklikke oven på Begynd (Figur 2E).
3. Få deltageren til at besøge det første vartegn, som deltageren besøgte i kodningsfasen.
4. Få deltageren til at "levere" en unik genstand til dette første vartegn.
   BEMÆRK: Der vil ikke blive tilbudt nogen grøn sti/pile under denne del af opgaven (Figur 2F).
5. Når deltageren har leveret varen, skal du få deltageren til at navigere til det andet vartegn og levere den næste unikke genstand. Få deltageren til at fortsætte med at udføre denne opgave, indtil deltageren besøger alle fem vartegn og leverer alle fem genstande.
   BEMÆRK: Denne del af opgaven vil vurdere deltagerens rumlige læring og hukommelsesevne. For at gøre dette beregner programmet automatisk tiden til at finde hvert vartegn, den gennemsnitlige søgetid og den samlede tid for opgaven.

6. Episodisk hukommelsesfase af den rumlige navigationsopgave

BEMÆRK VENLIGST: Episodisk hukommelsestest vil finde sted, når huskefasen er afsluttet.

1. For at begynde skal du få deltageren til at bruge musen til at venstreklikke oven på Begynd (Figur 2G).
2. Få deltageren til at huske de landemærker, deltageren besøgte, og de genstande, deltageren leverede i nøjagtig rækkefølge som instrueret tidligere i huskefasen (figur 2G). Få deltageren til at skrive svarene ved hjælp af computerens tastatur (Figur 2H).

7. Fuldførelse af opgaven

1. Få deltageren til at læse den sidste prompt for at bekræfte afslutningen af opgaven og indsendelsen af dataene (figur 2I).

8. Dataindsamling og -analyse

1. Adfærdsmæssige data
   1. Find den Results.csv fil i programmets mappe (se f.eks. Supplerende fil 1 ).
      BEMÆRK: Hvis forskeren beslutter sig for at klikke på Build and Run under fanen Filer i Unity-applikationen, gemmes Results-filen i den downloadede BassoSpatialNavigationTask-main-mappe . Hvis forskeren i stedet kørte miljøet ved at dobbeltklikke på det byggede program (trin 1.5), vises resultatfilen i samme mappe som programmet. Resultatfilen overskrives efter hver fuldførelse af det virtuelle miljø. Det anbefales derfor at udtrække disse resultater efter hver afslutning af opgaven og kompilere dem i en separat fil for flere deltagere og forsøg.
   2. Sørg for, at dataene er rene og ser rimelige ud.
   3. Brug supplerende fil 2 til at beregne de relevante scorer, herunder starttidspunkt, sluttidspunkt, gennemsnitlig søgevarighed, placeringsscore, genstandsscore, ordrescore, associationsscore og episodisk hukommelsesscore.
      BEMÆRK: Specifikt beregnes placeringsscoren ved at tælle antallet af korrekt tilbagekaldte landemærker. Ordrescore beregnes ved at bestemme antallet af landemærker, der genkaldes i den korrekte rækkefølge. Item score beregnes ved at tælle antallet af korrekt tilbagekaldte elementer. Associationsscoren beregnes ved at tælle den korrekte parring af sted til genstand. Endelig beregnes den samlede episodiske hukommelsesscore ved at summere sted-, ordens-, genstands- og associationsscorerne. Bemærk, at det rå output for X/Z-koordinaterne ikke er i den korrekte tidsmæssige rækkefølge. Du kan afhjælpe dette ved at sortere dataene i kolonnen Tid fra de mindste til de største værdier.
   4. Indtast dataene i en database efter eget valg.
   5. Analyser dataene ved hjælp af uafhængige prøver t-test, variansanalyse eller andre passende statistiske tests.
2. EEG-data
   1. Brug en forbehandlingsrørledning til at rense EEG-dataene²⁵.
   2. Brug en passende softwarepakke til at udføre tidsfrekvensanalyse af EEG-data over længere perioder, hvor deltageren navigerede i det virtuelle miljø, såsom under kodnings- og huskefaserne af opgaven.
   3. Udfør hændelsesrelateret potentialeanalyse, hvis du er interesseret i specifikke tidsperioder, hvor deltageren interagerede med det virtuelle miljø.
   4. Udfør statistisk analyse, der er relevant for EEG-dataene, og overvej at korrelere adfærdsdataene med EEG-dataene.

Representative Results

Beskrivelse af gameplay fra et kodningsperspektiv: I "kodningsfasen" blev en række af atten waypoints placeret rundt om det 3-dimensionelle rum, hvor hver havde en tilknyttet "Delivery Item" (dvs. genstand, der skulle leveres til stedet). Referencer til disse waypoints blev gemt i spillercontrolleren og sorteret statisk, før opgaven begyndte; Det vil sige, at hvis pizzabutikken blev placeret i position et, ville den altid være i position et i starten. For at give en vis grad af tilfældighed til de waypoints, som deltagerne stødte på, blev waypoint-listen blandet via Fisher-Yates-blandingsalgoritmen. Fisher-Yates-blandingen, som den blev implementeret til denne undersøgelse, genererer en pseudotilfældig permutation af den oprindelige sekvens på plads. Enhver mulig permutation kan genereres med samme sandsynlighed. Algoritmen begynder med at vælge et element fra slutningen af listen (n). Et pseudotilfældigt tal genereres i området [0, n] og tildeles værdien k. Den n. værdi byttes derefter med den k^th værdi. Dernæst reduceres værdien af n med én, og processen gentages, indtil der kun er et enkelt indeks, der endnu ikke er taget i betragtning.

Efter at listen over waypoints var blandet, blev de første fem elementer valgt. Optimale stier blev genereret via spilmotorens navigationsmaskesystem og indbyggede optimale stiberegninger. Denne serie af stier begyndte ved deltagerens startsted og skabte en forbundet kæde mellem hvert af waypoints, der sluttede ved det sidste waypoint. Når deltagerne fik kontrol, blev de bedt om at følge disse stier, udpeget af en grøn linje og en bevægelig pil, der gav tilsigtet retningsinformation. Selvom denne grønne linje og bevægelige pil blev leveret, var deltagerne i stand til aktivt at navigere gennem det virtuelle miljø. Når deltageren angav waypointets grænser, blev den viste sti byttet ud med den næste sti på listen.

Efter at have besøgt det tilsigtede antal waypoint-elementer gik deltageren ind i "huske"-fasen (kaldet RevisitIntermission i koden), hvor de blev bedt om at genbesøge vartegnene i den rækkefølge, de tidligere blev vist. Da deltageren forsøgte at genbesøge de steder, der blev præsenteret under den guidede tur, blev de præsenteret for et billede specificeret af waypoints tilhørende "Delivery Item". De blev ikke præsenteret for en foreslået vej. Deres bevægelser blev sporet med en objektbevægelsessporingskomponent hentet fra aktivlageret.

Da deltagerne var færdige med at rejse til hvert præsenteret waypoint, fik de instruktioner, der ledte dem til den næste skærm for at huske de steder, de havde besøgt, og de genstande, der blev leveret til hver enkelt. I tilbagekaldelsesfasen blev deltagerne præsenteret for en prompt med to tekstposter. Den første dikterede det waypoint, som deltageren blev bedt om at rejse til. Den anden dikterede "Leveringsvaren", der var knyttet til dette waypoint. Svar- og svartid blev registreret for hver prompt.

Ved afslutningen af opgaven blev dataene indsamlet og gemt i JSON-repræsentation. Den første sektion registrerede genbesøgsfasen, hvor deltagerne blev bedt om at finde steder uden hjælp fra en guidelinje. Registrerede værdier omfattede waypoint-navnet, navnet "Delivery Item" og den tid, det tog at ankomme til waypointet. Den anden sektion registrerede de svar, der blev præsenteret under tilbagekaldelsesfasen. Dette afsnit omfattede deltagernes svar på placering, "Leveringsvare" og den tid, det tog at svare på de førnævnte prompter. Al kode kan findes og downloades på https://github.com/embodiedbrainlab/BassoSpatialNavigationTask.

Effektanalyse og statistik: En korrelationspunktsbiseriel modeleffektanalyse blev udført med G*Power 3.1 ved hjælp af en tosidet test, en effektstørrelse på 0.3, alfaniveau på 0.05 og en potens på 0.8 for at bestemme en stikprøvestørrelse på n = 82²⁶. Beskrivende statistikker blev brugt til at vurdere deltagernes alder, antal cykelklasser og generelle målinger, herunder både rumlig navigation og episodiske hukommelsesevner. En uafhængig prøve t-test blev brugt til at teste signifikante forskelle mellem det samlede antal træninger mellem eksperimentelle og kontrolgrupper. I betragtning af at ikke alle data var normalfordelt, som vurderet af Shapiro-Wilks test (s<0,05), brugte vi den ikke-parametriske Spearmans rho-korrelationskoefficient til at vurdere forholdet mellem rumlig navigation og episodiske hukommelsesevner samt alder og rumlige navigationsevner. En alfaværdi på 0,05 blev brugt til at bestemme statistisk signifikans. Bonferroni-korrektioner blev anvendt i en familie af statistiske tests, hvor det var relevant. IBM SPSS Statistics Version 26 blev brugt til alle statistiske analyser. Pearsons produkt-øjeblik-korrelation blev brugt til at vurdere forholdet mellem det samlede antal cykeltræninger og rumlige navigationsevner, da dette var proceduren udført af Basso et al. (2022)²⁷.

Deltagere: N = 130 deltagere blev rekrutteret fra Austin, TX, gennem forskellige teknikker, herunder online- og flyer-annoncer. Inklusionskriterierne omfattede at have engelsk som deres primære sprog og at være mellem 25-55 år (gennemsnit 30,16 ± 0,49). Derudover skulle alle deltagere rapportere, at de var fysisk sunde og havde et moderat og regelmæssigt træningsregime (defineret som at træne en eller to gange om ugen i 20 minutter eller mere i de sidste 3 måneder). Eksklusionskriterierne omfattede at være en nuværende ryger eller allerede eksisterende fysiske helbredstilstande, der gjorde motion vanskelig eller usikker. Eksklusionskriterierne omfattede også at have en aktuel diagnose af og/eller tage medicin for psykiatriske eller neurologiske tilstande, herunder angst, depression, bipolar lidelse, skizofreni eller epilepsi.

For præ-interventionsdata manglede n = 11 deltagere data på grund af tekniske problemer, og n = 1 deltager blev ekskluderet på grund af ikke-opgaveoverholdelse, hvilket efterlod i alt n = 117 deltagere til analyse. Af de n = 80 deltagere, der gennemførte det tre måneder lange træningsprogram, gennemførte n = 11 deltagere ikke den endelige rumlige navigationsopgave, hvilket efterlod i alt n = 69 deltagere til analyse af data efter intervention og gentagne målinger. Denne mindre stikprøvestørrelse blev brugt til at undersøge forholdet mellem antallet af cykelsessioner og rumlige navigationsevner. Kontrolgruppen deltog i 20,73 (± 0,72) træninger i løbet af interventionen, mens forsøgsgruppen deltog i 47,87 (± 2,24) træninger, hvilket repræsenterede en statistisk signifikant forskel (t[45,76] = −11,554, p < 0,001).

Generelle målinger og deres relationer: Denne nye virtuelle miljøopgave måler både rumlig navigation og episodisk hukommelseskapacitet. I løbet af den indledende testperiode før intervention tog opgaven i gennemsnit 318,69 (±21,56) s at fuldføre, hvor den gennemsnitlige søgetid for hvert af de fem steder var 82,88 (±5,19) s (figur 5A); Disse datapunkter repræsenterer rumlig navigationsevne (dvs. rumlig læring og hukommelse). Derudover var deltagerne i stand til at kode steds-, genstands-, ordre- og associationsaspekter af den virtuelle oplevelse, hvor deltagerne huskede 14,84 (±0,37) ud af 20 nye oplevelser i deres miljø (figur 5B); Disse datapunkter repræsenterer episodisk hukommelsesevne. Det er vigtigt, at den samlede tid (figur 6A; r = -0,314, p < 0,001) og den gennemsnitlige søgetid (figur 6B; r = -0,286, p < 0,001) var signifikant korreleret med den episodiske hukommelsesscore, hvilket indikerer, at rumlig navigationsevne er forbundet med episodisk hukommelse i denne opgave.

Figur 5: Tidspunkt for opgaven. Gennemsnitlig (± SEM) for både (A) rumlig navigationsevne repræsenteret i både gennemsnitlig søgetid og samlet søgetid (angivet i sekunder) og (B) episodisk hukommelsesevne repræsenteret i kodning og hukommelse af sted, genstand, rækkefølge, association og samlet episodisk hukommelsesscore. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 6: Forholdet mellem rumlig navigationsevne og episodisk hukommelse. Forbedret rumlig navigationsevne som repræsenteret af kortere (A) gennemsnitlig søgetid og (B) samlet søgetid er forbundet med forbedret episodisk hukommelse som repræsenteret af den episodiske hukommelsesscore. *p < 0,001. Klik her for at se en større version af denne figur.

X- og z-koordinater repræsenteret i det virtuelle rum: Ved hjælp af et objektbevægelsessporingsaktiv blev x- og z-koordinater sporet i dette 3-dimensionelle virtuelle rum (supplerende fil 1). Da det ikke er muligt at bevæge sig op og ned i spillet (dvs. hoppe) i denne rumlige navigationsopgave, gav y-koordinater ikke nyttige oplysninger. X- og z-koordinaterne gjorde det dog muligt for os at vurdere, hvordan deltageren bevægede sig gennem spillet. Baseret på disse data blev computerkode designet til visuelt at vise et varmekort over, hvor deltageren rejste gennem kortet. Figur 7 viser et varmekort fra en repræsentativ deltager, som fremhæver den rute, deltageren tog i huskefasen. De steder, der er fremhævet med gult/rødt, svarer til leveringsstederne (dvs. belønningsstederne) på kortet.

Figur 7: Varmekort over belægning. Belægningsvarmekort, der viser deltagerens rute. Gule/røde sektioner af grafen repræsenterer de steder, hvor deltageren besøgte og svarer til steder i den rumlige navigationsopgave, hvor deltagerne skulle levere genstande (dvs. belønningssteder). Klik her for at se en større version af denne figur.

Forholdet mellem alder og rumlige navigationsevner: Indledende undersøgelser viste, at rumlig navigationsevne vurderet ved den samlede søgetid var signifikant forbundet med alder (figur 8; r = 0,157, p = 0,045). Efterhånden som alderen stiger, falder den rumlige navigationsevne, hvilket fremgår af en øget samlet søgetid. Men når Bonferroni-korrektionen blev anvendt, hvor statistisk signifikans blev vurderet til p = 0,025 for to korrelationer (dvs. total søgetid og gennemsnitlig søgevarighed), var korrelationen ikke længere signifikant.

Figur 8: Forholdet mellem rumlig navigationsevne og alder. Ved evaluering ved hjælp af en Bonferonni-korrektion (p < 0,025) var alder ikke signifikant forbundet med rumlig navigationsevne repræsenteret ved total søgetid. Klik her for at se en større version af denne figur.

Forholdet mellem aerob træning og rumlige navigationsevner: Aerob træning fandt sted i et indendørs cykelstudie²⁸. Alle klasser var 45 minutter lange og inkluderede cykling med moderat til kraftig intensitet gennem hele timen. Deltagerne gennemgik tilfældig tildeling for enten at opretholde deres eksisterende træningsprogram eller øge deres træningsprogram. Deltagere, der opretholdt deres træningsprogram, deltog i 1 til 2 klasser om ugen, mens deltagere, der øgede deres træningsprogram, deltog i 4 til 7 klasser om ugen. Deltagerne deltog i deres tildelte træningsprogram i en periode på 3 måneder. Rumlig navigation og episodisk hukommelsesevne blev testet før og efter træningstræning. Yderligere detaljer om interventionen kan findes i Basso et al. (2022) ²⁷. Det samlede antal cykelklasser i løbet af tre måneder var signifikant forbundet med gennemsnitlig søgevarighed (figur 9A; r = -0,321, p = 0,007) og samlet søgetid (figur 9B; r = -0,242, p = 0,045). Men når Bonferroni-korrektionen blev anvendt, hvor statistisk signifikans blev vurderet til p = 0,025 for to korrelationer (dvs. total søgetid og gennemsnitlig søgevarighed), var korrelationen for total søgetid ikke længere signifikant. Yderligere resultater fra interventionen kan findes i Basso et al. (2022)²⁷.

Figur 9: Forholdet mellem rumlig navigationsevne og øvelse. Et øget antal cykelsessioner er forbundet med forbedret rumlig navigationsevne som repræsenteret ved (A) gennemsnitlig søgetid og (B) samlet søgetid. *p < 0,05. Dette tal er blevet ændret med tilladelse fra Basso et ^al.27. Klik her for at se en større version af denne figur.

Supplerende fil 1: Rådata 1. Rådata, herunder oplysninger om hukommelsesfasen (genbesøg) og episodisk hukommelse (genkaldelse) af den rumlige navigationsopgave. Data vedrørende deltagerens x- og z-koordinater fra at rejse rundt i det 3-dimensionelle virtuelle rum under eksperimentets kodnings- og huskefaser præsenteres også. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende fil 2: Rådata 2. Rådata med beregninger (vist med rødt) for at bestemme starttidspunkt, sluttidspunkt, gennemsnitlig søgevarighed, placeringsscore, genstandsscore, ordrescore, associationsscore og episodisk hukommelsesscore. Klik her for at downloade denne fil.

Discussion

Denne undersøgelse undersøgte effektiviteten af en ny virtual reality-opgave til at vurdere rumlig navigation hos mennesker. Denne kognitive opgave, som kun tager omkring 10 minutter at udføre, kan bruges til at vurdere to unikke typer hippocampus-afhængig kognition - rumlig navigation og episodisk hukommelsesevne. Det er vigtigt, at rumlig navigationsevne var signifikant forbundet med episodisk hukommelsesevne. Endelig var denne opgave følsom over for et træningsparadigme for fysisk aktivitet. Det vil sige, at øget motion var forbundet med øget ydeevne. Denne opgave var inspireret af Miller et al. (2013), der undersøgte virtuelle miljøer hos patienter med lægemiddelresistent epilepsi og hippocampusdybdeelektroder placeret med henblik på anfaldslokalisering. De fandt, at under fortrolighedsfasen af den rumlige navigationsopgave (dvs. kodningsfasen) blev stedsresponsive celler i hippocampus og tilhørende mediale temporallapstrukturer aktiveret²². Derudover fandt de, at når deltagerne var engageret i en fri genkaldelseskomponent (dvs. en huskefase, der ikke involverede aktiv navigation), blev de samme stedfølsomme celler, der var aktive under kodningen, aktive igen. Eksisterende undersøgelser af gnavere, der bruger åbne felter og labyrintlignende miljøer, har vist eksistensen af sådanne stedceller, hvor Dr. John O'Keefe, May-Britt Moser og Edvard Moser vandt Nobelprisen i fysiologi eller medicin i 2014 for denne opdagelse ^2,29,30,31. Derudover har undersøgelser, der bruger virtuelle miljøer hos mennesker, vist, at lignende celler i den menneskelige hippocampus koder for rejser gennem tid og rum 22,32,33. Selvom opgaven ligner den, der blev præsenteret i Miller et al. (2013) og andre 22,34,35,36,37,38, blev den udviklet med den nyeste spilmotor og teknologier på tværs af platforme, der bruger funktioner i den virkelige verden såsom bevægelige skyer og klare byvartegn og butiksfacadefunktioner. Andre forskere har brugt andre rumlige navigationsopgaver hos mennesker; Disse opgaver er dog begrænsede i deres økologiske gyldighed. For eksempel bruges den virtuelle Starmaze-opgave til at vurdere navigationsevner, men placerer deltagerne i en stjerneformet labyrint 39,40,41,42,43,44. Desuden er NavWell en tilgængelig platform, der er vært for rumlige navigations- og hukommelseseksperimenter beslægtet med Morris Water Maze hos gnavere (placerer deltagerne i en cirkulær arena) og giver udviklere grundlæggende geometriske former til at opbygge et miljø⁴⁵. Derudover er Landmarks-aktiverne på spilmotorer på tværs af platforme tilgængelige til opbygning og udvikling af rumlige navigationsopgaver, der findes i en firkantet indstilling¹². Den nuværende opgave er unik, fordi den giver brugerne en indstilling og opgave, der ligner den virkelige verden - at navigere i et bybillede og huske vartegn og handlinger. Opgaven er også forskellig fra den virtuelle Starmaze-opgave og NavWell, fordi den vurderer episodisk hukommelse ud over rumlig navigation.

I denne opgave var rumlig navigationsevne signifikant relateret til episodisk hukommelsesevne. Andre har vist, at disse to kognitive evner faktisk er forskellige, og at de er afhængige af forskellige regioner i hippocampus^38,46. Den populære "Cognitive Map Theory" siger, at hjernen bygger og gemmer et "kort" over et individs rumlige miljø, så det senere kan bruges i fremtiden til at guide handlinger og adfærd⁴⁷. Forskning har antydet, at hippocampus koder for rumlig information, samtidig med at den understøtter episodisk hukommelsesdannelse. Mere specifikt menes det, at den højre hippocampus koder for rumlig hukommelse, mens den venstre hippocampus gemmer episodiske minder³⁸. Resultaterne af den nuværende nye rumlige navigationsopgave, som viser en klar sammenhæng mellem rumlig og episodisk hukommelse, giver støtte til den kognitive kortteori og antyder, at denne opgave potentielt kan bruges til at undersøge forholdet mellem rumlig navigation og episodisk hukommelse i ikke-kliniske populationer. Fremtidige undersøgelser bør søge at undersøge dette forhold i kliniske populationer, herunder dem med neurodegenerative lidelser såsom mild kognitiv svækkelse, Alzheimers sygdom eller andre former for demens.

Denne opgave var følsom over for motion eller den samlede mængde cykelsessioner, der blev udført over en 3-måneders periode. Tidligere undersøgelser af gnavere har vist, at motion er en af de mest potente måder at øge hippocampus-afhængig kognition på, herunder langtidshukommelse, mønsteradskillelse, spontan vekslen, kontekstuel frygtkonditionering, passiv undgåelseslæring og ny objektgenkendelse, hvor denne effekt er afhængig af træningsinducerede stigninger i hippocampus neurogenese 48,49,50 . Derudover har litteraturen vist, at langvarig træning forbedrer hippocampusfunktionen hos mennesker, med forbedringer set i ordlistegenkaldelse, historiegenkaldelse og både rumlig og ikke-rumlig relationel hukommelse; Denne effekt menes at være drevet af træningsinducerede stigninger i hippocampusvolumen 7,27,51,52,53,54,55. Denne nye rumlige navigationsopgave supplerer gnaverfundene og bidrager til den menneskelige litteratur og viser vigtigheden af fysisk aktivitet for rumlige navigationsevner.

Selvom alder i indledende undersøgelser var negativt forbundet med rumlig navigationsevne, blev denne effekt elimineret ved anvendelse af en Bonferroni-korrektion. Dette indikerer, at evnen til at sejle i rummet kan bevares indtil 55-årsalderen. Anden litteratur viser, at rumlig navigation er en kognitiv evne, der falder med^alderen 56,57,58. Neuroimaging-undersøgelser har afsløret, at aldersrelateret neurodegeneration i områder, herunder hippocampus, parahippocampus gyrus, posterior cingulate cortex (retrosplenial cortex), parietallapper og præfrontal cortex kan være involveret i en sådan aldersrelateret kognitiv tilbagegang⁵⁸. I betragtning af at aldersgruppen var begrænset (25-55 år), ved at inkludere en større aldersgruppe, især ældre voksne (65+), kan fremtidige forskere se en signifikant sammenhæng mellem alder og rumlig navigationsevne. Fremtidige undersøgelser bør overveje at udføre denne rumlige navigationsopgave hos voksne 65 år og ældre og endda dem med mild kognitiv svækkelse eller andre demenslignende lidelser.

Et åbenlyst manglende led i virtuelle navigationsopgaver er manglen på forholdet mellem krop og hjerne. Det vil sige, at når man navigerer gennem virkelige miljøer, sker aktiveringen på niveau med det perifere og centrale nervesystem, herunder aktivering af proprioceptorerne, eksteroceptorerne, interoceptorerne og det vestibulære system sammen med de sensori-motoriske cortices, basalganglier og lillehjernen. Uden dette fysiske input kan virtuel navigation være tydeligt anderledes end fysisk navigation. På trods af dette har undersøgelser vist, at virtuelle miljøer stimulerer de samme hjerneområder som navigation i den virkelige verden 22,32,33. At gøre opgaven mere aktiv, som designet i den aktuelle opgave var, kan hjælpe med at overbevise hjernen om, at den fysisk bevæger sig gennem tid og rum og efterligner naturlig rumlig navigation. Andre har fundet støtte til denne hypotese. En undersøgelse af Meade et al. (2019) undersøgte forskellene mellem aktiv og passiv kodning, mens man brugte en lignende virtuel rumlig navigationsopgave⁵⁹. Aktiv navigation refererer til, at deltagerne kan bevæge sig på egen hånd gennem det virtuelle rum (beslægtet med denne undersøgelse), mens passiv navigation består af en guidet tur, hvor deltagerne ikke bevæger sig, men snarere får vist navigationsruten. Forfatterne foreslog, at aktiv navigation kan være mere gavnlig for ældre befolkninger på grund af involvering af fysiske (f.eks. bevægelse og proprioception) og kognitive komponenter (f.eks. beslutningstagning og opmærksomhed) og kan tjene til at forbedre hukommelsens ydeevne gennem direkte involvering i processen med hukommelseskodning. Den aktive navigation, der blev brugt i denne undersøgelse, kunne forklare resultaterne og demonstrere, at deltagerne var i stand til nøjagtigt at genkalde episodiske minder om deres oplevelser.

Aktiv navigation kan også bidrage til at engagere multisensoriske integrationsområder som f.eks. retrosplenialkomplekset (RSC)60,61,62. En nylig undersøgelse viste, at faktisk ambulation under en virtual reality rumlig navigationsopgave, der krævede, at deltagerne rejste mellem steder, mens de huskede hjem og vartegn, resulterede i RSC-theta-oscillationer (dvs. 4-8 hertz neuronale oscillationer registreret med EEG)¹⁶. Denne øgede theta-kraft var mest fremtrædende under ændringer og rotationer af hovedretningen. Hos gnavere har det vist sig, at RSC-theta-aktivitet er afgørende for rumlig kodning, der involverer gitterceller og hovedretningsberegning^63,64. RSC menes også at være vigtig for at bruge signaler fra miljøet til at forankre et menneskes kognitive kort⁴⁷.

Mens virtuelle rumlige navigationsopgaver giver mange fordele, forhindrer de individet i fysisk at bevæge sig gennem tid og rum, hvilket forårsager begrænset aktivering af de proprioceptive, vestibulære og sensori-motoriske systemer. Der er en inkongruens mellem sensoriske og motoriske processer, hvilket kan få nogle deltagere til at blive svimle eller få kvalme. I denne opgave var dette begrænset ved at kontrollere den hastighed, hvormed deltagerne var i stand til at bevæge sig gennem og se sig omkring i omgivelserne. For at kunne kode alle aspekter af miljøet var det nødvendigt at kunne se sig omkring (dvs. engagere sig i virtuel hovedrotation); Denne evne skulle dog være langsom nok til at sikre, at deltagerne ikke blev fysisk syge. På trods af dette er evnen til at navigere rumligt, mens man er stillesiddende, fordelagtig, idet den giver forskere mulighed for at studere personer, der oplever mobilitetsproblemer, fysisk træthed eller andre handicap, der forhindrer en person i at være ambulant. En anden begrænsning er, at denne opgave endnu ikke er blevet testet for pålidelighed og validitet, mens andre opgaver bevæger sig i denne retning, herunder den virtuelle rumlige navigationsvurdering (VSNA)⁶⁵. Fremtidig forskning kan undersøge associeret neural aktivitet gennem elektroencefalografi eller funktionel magnetisk resonansbilleddannelse, mens deltagerne udfører denne rumlige navigationsopgave. Deltagerne kan også udstyres med enheder, der måler fysiologiske variabler såsom pulsvariation og elektrodermal aktivitet. Dette ville give mulighed for en undersøgelse af både de perifere og centrale mekanismer, der opstår, mens man navigerer i virtuelle miljøer. Det er vigtigt, at denne opgave kan bruges til at vurdere ændringer i rumlig navigationsevne over tid. Fremtidige undersøgelser kan bruge denne opgave til at undersøge, hvordan aldring eller neurodegenerative tilstande som Alzheimers eller Parkinsons sygdom påvirker en persons rumlige navigation og episodiske hukommelse. Omvendt kan denne opgave bruges til at udforske, hvordan yderligere sind-krop-bevægelsesinterventioner påvirker rumlig navigation og episodisk hukommelse, herunder dans, yoga eller meditation.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Unity Real-Time Development Platform	Unity	Unity Student / Unity Personal	https://unity.com/