Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Behavior
Click here for the English version

Behavior

Vurdering av menneskelig romlig navigasjon i et virtuelt rom og dets følsomhet for trening

Published: January 26, 2024 doi: 10.3791/65332
Automatic Translation
1, 2, 3, 4, 4, 3, 1,4,5
1School of Neuroscience, Virginia Tech, 2Graduate Program in Translational Biology, Medicine, and Health, Virginia Tech, 3Center for Neural Science, New York University, 4Department of Human Nutrition, Foods, and Exercise, Virginia Tech, 5Center for Health Behaviors Research, Fralin Biomedical Research Institute at VTC

Summary

Her presenterer vi en ny, kort og aktiv romlig navigasjonsoppgave som vurderer både romlig navigasjon og episodisk hukommelsesevne. Viktigere var at romlig navigasjon og episodisk hukommelse var assosiert med hverandre, og denne oppgaven demonstrerte følsomhet for trening.

Abstract

Romlig navigasjon (SN) er evnen til å bevege seg gjennom omgivelsene, noe som krever forståelse av hvor man befinner seg i tid og rom. Denne kapasiteten er kjent for å være avhengig av sekvensiell avfyring av stedsceller i hippocampus. SN er en viktig atferd å undersøke da denne prosessen forverres med alderen, spesielt ved nevrodegenerative lidelser. Undersøkelsen av SN er imidlertid begrenset av mangelen på sofistikerte atferdsteknikker for å vurdere denne hippocampus-avhengige oppgaven. Derfor var målet med denne protokollen å utvikle en ny, virkelig tilnærming til å studere SN hos mennesker. Nærmere bestemt ble en aktiv virtuell SN-oppgave utviklet ved hjelp av en spillmotor på tvers av plattformer. I løpet av kodingsfasen navigerte deltakerne seg gjennom en virtuell by for å finne landemerker. I løpet av huskefasen husket deltakerne hvor disse belønningsstedene var og leverte varer til disse stedene. Tid for å finne hvert sted ble fanget opp og episodisk hukommelse ble vurdert av en fri tilbakekallingsfase, inkludert aspekter av sted, orden, gjenstand og assosiasjon. Bevegelsesatferd (x-, y- og z-koordinater) ble vurdert gjennom en ressurs tilgjengelig i spillmotoren. Viktigere er at resultatene fra denne oppgaven viser at den nøyaktig fanger opp både romlig læring og hukommelsesevner så vel som episodisk hukommelse. Videre indikerer funn at denne oppgaven er følsom for trening, noe som forbedrer hippocampusfunksjonen. Samlet sett antyder funnene en ny måte å spore menneskelig hippocampusfunksjon over tid, med denne atferden som er følsom for treningsparadigmer for fysisk aktivitet.

Introduction

Å bevege kroppen gjennom tid og rom er avgjørende for å lære og huske informasjon om miljøet. Denne evnen er kjent som romlig navigasjon, og evolusjonært sett er den et viktig overlevelsesverktøy for å finne mat, vann, sosiale motstykker og andre belønninger i miljøet 1,2. Romlig navigasjon er avhengig av hippocampus, en c-formet limbisk systemstruktur i den mediale temporallappen. Hippocampus består av underregionene CA1, CA2, CA3 og dentate gyrus. Hippocampus støtter koding, konsolidering og gjenfinning av minner som bidrar til å definere den bevisste opplevelsen. Nærmere bestemt støtter romlig navigasjon episodisk hukommelse, en form for eksplisitt minne som refererer til minnet om personlig opplevelse, inkludert aspekter av tid, sted og relevante detaljer knyttet til opplevelsen (f.eks. severdigheter, lyder, lukter, følelser). Når vi romlig navigerer gjennom distinkte miljøer, skyter nevroner kjent som stedsceller systematisk, noe som gjør oss i stand til å forstå hvor vi er i både tid og rom. Faktisk har direkte optisk stimulering av disse nevronene vist seg å påvirke oppførselen til gnagere mot deres fysiske plassering (dvs. stedsfelt)3.

Vurdering av romlig navigasjon hos gnagere har tradisjonelt blitt studert gjennom slike atferdsparadigmer som Morris Water Laze, Y-labyrint, T-labyrint og radialarmlabyrint 4,5. Viktigere er at disse atferdsoppgavene tillater in vivo-undersøkelse av de nevrale korrelatene til romlig navigasjon ved hjelp av teknikker som elektrofysiologiske dybdeopptak. Å vurdere romlig navigasjon hos mennesker har imidlertid vist seg å være vitenskapelig utfordrende fordi de fleste vitenskapelige undersøkelser skjer i laboratorier og ikke ute i den virkelige verden. Tidligere studier på mennesker har vurdert romlige evner med tradisjonelle papirbaserte oppgaver som toveis kartlæringsoppgaver, mentale rotasjonsoppgaver eller romlige minneoppgaver 6,7. Andre har benyttet seg av databaserte oppgaver som Virtual Morris Water Task eller andre virtuelle labyrintoppgaver, som har vist seg å være korrelert med mer tradisjonelle psykometriske mål på romlig evne 8,9. I tillegg, med tilgjengeligheten til offentlig tilgjengelige og gratis programvarepakker for videospill, har forskere begynt å utvikle 3-dimensjonale virtuelle miljøer som enten kan presenteres på en dataskjerm eller i virtuell virkelighet 10,11,12,13,14,15. Vitenskapelige fremskritt innen mobil hjerne-kropp-avbildning (MoBI) har også gjort det mulig for forskere å begynne å utforske romlig navigasjon i virkelige omgivelser 16,17,18.

Viktigere er at romlig læring og hukommelse er en kognitiv evne som forverres med alderen, med eldre individer som er mer sannsynlig å miste oversikten over hvor de er eller gå seg vill når de prøver å komme hjem. Dette underskuddet skyldes mest sannsynlig nevrodegenerasjon som oppstår på nivå med hippocampus - et svært plastisk hjerneområde som er et av de første som forverres med19 år. Derfor er utvikling av virkelige metoder for å vurdere romlige navigasjons- og episodiske hukommelsesevner en viktig forskningsvei. På klinisk nivå kan denne typen oppgaver bidra til å bestemme progresjonen av hukommelsessvikt eller diagnostisere mild kognitiv svikt, Alzheimers sykdom eller andre former for demens. Omvendt har fysisk aktivitet blitt identifisert som en av de beste mekanismene for å forbedre romlige navigasjonsevner. Studier på gnagere har vist at trening forbedrer læring og hukommelse på ulike romlige oppgaver, inkludert Morris Water Laze, Y-labyrint, T-labyrint og radialarmlabyrint20. Treningsinduserte forbedringer i romlige evner er også demonstrert hos mennesker, med denne effekten signifikant relatert til en økning i hippocampus volum7. Imidlertid ble denne atferdseffekten demonstrert ved hjelp av en romlig minneoppgave der deltakerne ble bedt om å huske plasseringen av prikker på en skjerm - en oppgave som kanskje ikke har mye økologisk gyldighet for romlig navigasjon i den virkelige verden. Lite forskning har undersøkt effekten av trening hos mennesker på romlige navigasjonsoppgaver presentert i virtuelle miljøer.

Derfor ble en kognitiv oppgave designet for å vurdere romlig læring og hukommelse sammen med episodisk minne ved hjelp av et virtuelt miljø. Viktigere er at oppgaven ble designet ved hjelp av moderne videospillprogramvare for å muliggjøre oppdatert grafisk design og realistiske funksjoner (f.eks. bevegelige skyer på himmelen). Denne oppgaven ble testet i en gruppe friske voksne før og etter at de opplevde langvarig aerob trening. Resultatene indikerer at deltakerne kan kode og huske både romlig informasjon så vel som episodiske minner om deres virtuelle opplevelse. I tillegg indikerer funn at ytelsen på denne oppgaven er plastisk, og påvirkes av trening.

Nærmere bestemt ble et virtuelt miljø utviklet gjennom en spillmotor på tvers av plattformer21 som evaluerte romlig navigasjon og episodisk hukommelsesevne, unike kognitive ferdigheter støttet av hippocampus. Kartet som ble brukt for dette miljøet ble avledet fra Miller et al. (2013)22. Spillmotoren som ble brukt lar utviklere laste ned eiendeler for å legge til unike funksjoner med det formål å bygge virtuelle miljøer. En ressurs23 ble brukt som tillot oss å bygge et realistisk bymiljø med veier og bygninger som deltakerne kunne navigere gjennom. I tillegg ble en eiendel24 brukt som tillot sporing av deltakernes x-, y- og z-koordinater og rotasjon mens de reiste gjennom det virtuelle miljøet. Den nevnte ressursen tillot opptak av disse funksjonene på en millisekunders tidsskala (~33 ms). Det virtuelle miljøet ble deretter kompilert og administrert som en romlig navigasjonsoppgave som deltakerne kunne fullføre hjemme på en bærbar eller stasjonær datamaskin. Protokollen nedenfor beskriver hvordan du administrerer og engasjerer deg i denne romlige navigasjonsoppgaven.

Protocol

All studiedokumentasjon og datainnsamlingsmetoder ble godkjent av og i samsvar med New York University Committee on Activities Involving Human Subjects. Deltakerne ga sitt informerte samtykke før de deltok i studierelaterte aktiviteter.

1. Sette opp spilling

  1. Last ned de nødvendige filene fra følgende offentlige repositorium: https://github.com/embodiedbrainlab/BassoSpatialNavigationTask
  2. Last ned Unity Hub fra unity.com/download og installer Unity versjon 5.3.1f1.
  3. Åpne filen som ble lastet ned fra depotet i trinn 1.1 som et Project on Unity.
  4. Når prosjektet er opprettet med de nedlastede filene, velger du Fil-fanen øverst i vinduet og velger Bygg og kjør.
  5. Vinduet Bygginnstillinger vises først. Velg SpatialNavigation > Scener > Big City B-lokker og scener/LeFin. Velg PC, Mac og Linux frittstående, og klikk deretter på Bygg og kjør-knappen.
    MERK: Et vindu vil dukke opp som ber forskeren om å lagre en .exe (Application) file. Når forskeren har bygget applikasjonen, kan de dobbeltklikke på applikasjonen for å kjøre fremtidige iterasjoner av protokollen. Hvis forskeren bestemmer seg for å kjøre denne filen, vil dens respektive resultater bli lagret i samme katalog som applikasjonen befinner seg i.
  6. Et vindu med tittelen SpatialNavWeb Configuration vises. Juster skjermoppløsningen og grafikkkvaliteten under kategorien Grafikk . Endre kontrollene for spillet under Input-fanen .
  7. Klikk på Spill! for å starte den romlige navigasjonsoppgaven.

2. Registrering av hjerneaktivitet med elektroencefalografi (EEG) under den romlige navigasjonsoppgaven

MERK: EEG måler aktiviteten til nevroner i cortex i den menneskelige hjernen i mikrovolt på en millisekunds tidsskala gjennom elektroder plassert i hodebunnen. EEG er en ikke-invasiv form for hjerneavbildning som gjør at en deltakers hjerne kan skannes mens de utfører andre aktiviteter, for eksempel å navigere i virtuelle miljøer.

  1. Bruk et målebånd til å måle deltakerens hode fra inion til nasion for å sikre riktig passform av EEG-hetten.
  2. Plasser elektroder i EEG-hetten (om nødvendig) og utstyr deltakeren med EEG-hetten, og sørg for riktig montering og plassering (figur 1A).
  3. Start EEG-programvaren. Fyll hver elektrode med elektrodegel for å sikre at impedansmålingene er under 25 kΩ.
  4. Når EEG-signalet ser rent ut og uten vesentlige artefakter, begynn å ta opp.
  5. Få et medlem av forskerteamet til å se deltakeren mens deltakeren utfører trinnene nedenfor.
  6. Send en triggerpuls til EEG-registreringssystemet ved hver av følgende hendelser (figur 1B)
    Start av kodingsfasen
    Slutt på kodingsfasen
    Start av huskefasen
    Slutt på huskefasen
    Start av den episodiske hukommelsesfasen
    Slutt på den episodiske minnefasen
    Eventuelle andre hendelser som forskeren finner av interesse

Figure 1
Figur 1: Elektroencefalografiopptak under romlig navigasjon. (A) Bilde av en person utstyrt med en mobil elektroencefalografi (EEG) enhet mens han utfører den romlige navigasjonsoppgaven. Effektspektral tetthetsplott av theta-aktivitet (4-8 Hz) under (B) kodingsfasen, (C) huskefasen og (D) episodisk minnefase. Alle data ble forhåndsbehandlet og effekt normalisert etter frekvens (uV2/Hz). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

MERK: Forskere som bruker Arduino-teknologier kan også være i stand til å sende synkroniserte triggere mellom EEG-opptaket og spillmotormiljøet, slik at en nøyaktig sammenkobling mellom nevrofysiologiske og atferdsdata kan skje på en millisekunders tidsskala. Med disse markørene vil forskere kunne referere tilbake til deltakerens hjerneaktivitet før, under og etter kritiske interaksjoner med det virtuelle miljøet. Forskere kan også vurdere å gjennomføre en periode med baseline hjerneaktivitet før og/eller etter engasjement med det virtuelle miljøet, slik at senere sammenligninger kan gjøres.

3. Instruksjoner for den romlige navigasjonsoppgaven (figur 2)

  1. Instruksjoner: Sørg for at deltakeren sitter komfortabelt, helst med føttene på gulvet. Be deltakeren lese instruksjonene på skjermen, som vil be dem om å besøke spesifikke landemerker i et bybilde mens de prøver å huske omgivelsene og stiene de tok (Figur 2A).
  2. Sørg for at deltakeren er orientert mot musen og tastaturet. Be deltakeren om å bruke musen og venstreklikke for å starte oppgaven (Figur 2A).
  3. Sørg for at deltakeren forstår at de må navigere i miljøet med W-, A-, S- og D-tastene på tastaturet.. W-tasten vil flytte dem fremover, mens S-tasten vil flytte dem bakover. Alternativt vil opp- og nedpilene også flytte dem fremover og bakover. A-tasten flytter dem til venstre, og D-tasten flytter dem til høyre.
  4. Sørg for at deltakeren vet at de kan bruke datamusen til å flytte motivets synsvinkel som om deltakeren beveget hodet. Deltakerne kan se opp, ned, til venstre og høyre; Ingen museklikk er nødvendig for å flytte synspunktet deres.
    MERK: Veibeskrivelser for å navigere i det virtuelle miljøet vises øverst til høyre på deltakernes skjerm (Figur 2A-F).

Figure 2
Figur 2: Bilder av romlig navigasjonsoppgave. Skjermbilder av romlig navigasjon og episodisk minneoppgave utviklet i en spillmotor på tvers av plattformer. Eksempler på skjermbilder presenteres fra venstre til høyre, fra øverste venstre hjørne: (A) generelle instruksjoner; (B) reise under kodingsfasen; (C) lokalisering av butikkfront under kodingsfasen; (D) reise under kodingsfasen; (E) instruksjoner for å huske fase; (F) leveringsdelen av huskefasen; (G) instruksjoner for episodisk minnefase; (H) episodisk minnefase; (I) slutten av spillet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

4. Kodingsfasen av den romlige navigasjonsoppgaven

  1. La deltakeren besøke de første landemerkene (figur 3) ved å la dem aktivt følge en grønn sti med grønne piler (figur 2B).
  2. Når deltakeren ankommer det første landemerket, la deltakeren gå gjennom den grønne diamanten på det stedet (figur 2C).
  3. Når deltakeren har samlet den grønne diamanten, la deltakeren besøke neste landemerke ved å følge den grønne stien. Når deltakeren ankommer det andre landemerket, la deltakeren gå gjennom den grønne diamanten på det stedet.
  4. Be deltakeren fortsette å utføre denne oppgaven til deltakeren besøker alle fem landemerkene og samler alle fem diamantene (figur 2D).
    MERK: Gjennom hele kodingsfasen av denne oppgaven vil deltakerne bli bedt om å huske plasseringen av de fem landemerkene i hele byen (figur 3). Et fugleperspektiv av oppgaven er presentert i figur 4.

Figure 3
Figur 3: Bilder av butikkfronter. Deltakerne besøkte fem av de atten stedene som er utviklet i miljøet, hver med en unik og detaljert butikkfront. Eksempler på disse stedene inkluderte (A) en pizzabar, (B) en vitaminbutikk, (C) en møbelbutikk, (D) en bryllupsbutikk, (E) en kiosk og (F) et kasino. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Kart over romlig navigasjonsoppgave. Fugleperspektiv av det virtuelle miljøet som deltakerne navigerte gjennom. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

5. Huske fasen av den romlige navigasjonsoppgaven

  1. Deretter ber du deltakeren om å gå tilbake til hvert landemerke (dvs. huske fase; Figur 2E).
    MERK: Deltakerne vil begynne huskefasen fra det siste stedet de besøkte under kodingsfasen.
  2. Be deltakeren bruke musen og venstreklikke på toppen av Begin (Figur 2E).
  3. Be deltakeren om å besøke det første landemerket som deltakeren besøkte i kodingsfasen.
  4. Få deltakeren til å "levere" en unik gjenstand til dette første landemerket.
    MERK: Ingen grønn bane/piler vil bli tilbudt under denne delen av oppgaven (Figur 2F).
  5. Når deltakeren har levert elementet, ber du deltakeren om å navigere til det andre landemerket og levere det neste unike elementet. Be deltakeren fortsette å utføre denne oppgaven til deltakeren besøker alle fem landemerkene og leverer alle fem elementene.
    MERK: Denne delen av oppgaven vil vurdere deltakerens romlige læring og hukommelsesevne. For å gjøre dette vil programmet automatisk beregne tiden for å finne hvert landemerke, gjennomsnittlig søketid og den totale tiden for oppgaven.

6. Episodisk minnefase av den romlige navigasjonsoppgaven

MERK: Episodisk minnetesting vil finne sted etter at huskefasen er fullført.

  1. For å begynne, la deltakeren bruke musen til å venstreklikke på toppen av Begin (Figur 2G).
  2. Be deltakeren om å huske landemerkene deltakeren besøkte og gjenstandene deltakeren leverte i nøyaktig rekkefølge som instruert tidligere i huskefasen (figur 2G). Be deltakeren om å skrive inn svarene ved hjelp av datamaskinens tastatur (Figur 2H).

7. Fullføre oppgaven

  1. Be deltakeren lese den siste ledeteksten for å bekrefte fullføringen av oppgaven og innsending av dataene (figur 2I).

8. Datainnsamling og analyse

  1. Atferdsmessige data
    1. Finn den Results.csv filen i programmets katalog (se for eksempel tilleggsfil 1 ).
      MERK: Hvis forskeren bestemmer seg for å klikke på Bygg og kjør under Fil-fanen på Unity-applikasjonen, vil resultatfilen bli lagret i den nedlastede BassoSpatialNavigationTask-main-mappen . Hvis forskeren i stedet kjørte miljøet ved å dobbeltklikke på den bygde applikasjonen (trinn 1.5), vil resultatfilen vises i samme katalog som applikasjonen. Resultatfilen overskrives etter hver fullføring av det virtuelle miljøet. Derfor anbefales det å trekke ut disse resultatene etter hver fullføring av oppgaven og kompilere dem i en egen fil for flere deltakere og forsøk.
    2. Sørg for at dataene er rene og ser rimelige ut.
    3. Bruk tilleggsfil 2 til å beregne de riktige poengsummene, inkludert starttid, sluttid, gjennomsnittlig søkevarighet, plasseringspoengsum, elementpoengsum, ordrepoengsum, assosiasjonspoengsum og episodisk minnepoengsum.
      MERK: Nærmere bestemt beregnes plasseringspoengsummen ved å telle antall landemerker som er riktig tilbakekalt. Ordrepoengsummen beregnes ved å bestemme antall landemerker som hentes frem i riktig rekkefølge. Elementpoengsummen beregnes ved å telle antall elementer som er riktig tilbakekalt. Assosiasjonspoengsummen beregnes ved å telle riktig sammenkobling av sted til gjenstand. Til slutt beregnes den totale episodiske minnepoengsummen ved å summere poengsummene for sted, rekkefølge, gjenstand og assosiasjon. Merk at råutgangen for X/Z-koordinatene ikke er i riktig tidsrekkefølge. Du kan løse dette ved å sortere dataene i Tid-kolonnen fra de minste til største verdiene.
    4. Skriv inn dataene i en database du velger.
    5. Analyser dataene ved hjelp av uavhengige prøver t-test, variansanalyse eller andre passende statistiske tester.
  2. EEG-data
    1. Bruk en forbehandlingsrørledning for å rense EEG-dataene25.
    2. Bruk en passende programvarepakke til å utføre tidsfrekvensanalyse på EEG-data over lengre perioder der deltakeren navigerte i det virtuelle miljøet, for eksempel under kodings- og huskefasene av oppgaven.
    3. Gjennomfør hendelsesrelatert potensialanalyse hvis du er interessert i spesifikke tidsperioder som deltakeren samhandlet med det virtuelle miljøet.
    4. Gjennomfør statistisk analyse som er relevant for EEG-dataene og vurder å korrelere atferdsdataene med EEG-dataene.

Representative Results

Beskrivelse av spilling fra et kodeperspektiv: For «koding»-fasen ble en serie på atten veipunkter plassert rundt det 3-dimensjonale rommet, der hver hadde en tilknyttet «Delivery Item» (dvs. gjenstand som skulle leveres til stedet). Referanser til disse veipunktene ble lagret i spillerkontrolleren og sortert statisk før oppgaven startet; det vil si at hvis pizzabutikken ble plassert i posisjon én, ville den alltid være i posisjon én i begynnelsen. For å gi en viss grad av tilfeldighet til veipunktene som deltakerne møtte, ble veipunktlisten stokket via Fisher-Yates-stokkealgoritmen. Fisher-Yates-blandingen, slik den ble implementert for denne studien, genererer en pseudotilfeldig permutasjon av den opprinnelige sekvensen på plass. Enhver mulig permutasjon kan genereres med like stor sannsynlighet. Algoritmen begynner med å velge et element fra slutten av listen (n). Et pseudotilfeldig tall genereres i området [0, n] og tilordnes verdien k. Den n-teverdien byttes deretter med den kth verdien. Deretter reduseres verdien av n med én, og prosessen gjentas til det bare er en enkelt indeks som ennå ikke er vurdert.

Etter at listen over veipunkter ble stokket, ble de fem første elementene valgt. Optimale baner ble generert via spillmotorens navigasjonsnettsystem og innebygde optimale baneberegninger. Denne serien med stier begynte ved startstedet til deltakeren og skapte en koblet kjede mellom hvert av veipunktene, og endte ved det siste veipunktet. Når deltakerne fikk kontroll, ble de bedt om å følge disse stiene, markert med en grønn linje og en bevegelig pil som ga tiltenkt retningsinformasjon. Selv om denne grønne linjen og den bevegelige pilen ble gitt, kunne deltakerne aktivt navigere gjennom det virtuelle miljøet. Når deltakeren angav grensene for veipunktet, ble den viste banen byttet med neste bane i listen.

Etter å ha besøkt det tiltenkte antallet veipunktelementer, gikk deltakeren inn i "huske"-fasen (kalt RevisitIntermission i koden), hvor de ble bedt om å besøke landemerkene på nytt i den rekkefølgen de tidligere ble vist. Da deltakeren forsøkte å besøke stedene som ble presentert under den guidede turen, ble de presentert for et bilde spesifisert av veipunktenes tilknyttede "Delivery Item". De ble ikke presentert for en foreslått vei. Bevegelsene deres ble sporet med en objektbevegelsessporingskomponent hentet fra aktivabutikken.

Når deltakerne var ferdige med å reise til hvert presenterte veipunkt, fikk de instruksjoner som ledet dem til neste skjerm for å huske stedene de hadde besøkt og gjenstandene levert til hver enkelt. I tilbakekallingsfasen ble deltakerne presentert for en melding med to tekstoppføringer. Den første dikterte veipunktet deltakeren ble bedt om å reise til. Den andre dikterte "Leveringsvaren" knyttet til dette veipunktet. Svar- og responstid ble registrert for hver forespørsel.

På slutten av oppgaven ble dataene samlet inn og lagret i JSON-representasjon. Den første delen registrerte gjenbesøksfasen, hvor deltakerne ble bedt om å finne steder uten hjelp av en veiledning. Registrerte verdier inkluderte veipunktnavnet, "Leveringsvare"-navnet og tiden det tok å ankomme veipunktet. Den andre delen registrerte svarene som ble presentert under tilbakekallingsfasen. Denne delen inkluderte deltakernes svar for plassering, "Leveringsvare" og tiden det tok å svare på de nevnte meldingene. All kode kan finnes og lastes ned på https://github.com/embodiedbrainlab/BassoSpatialNavigationTask.

Effektanalyse og statistikk: En korrelasjonspunkt biseriell modelleffektanalyse ble utført med G*Power 3.1 ved bruk av en tosidig test, en effektstørrelse på 0.3, alfanivå på 0.05 og en potens på 0.8 for å bestemme en prøvestørrelse på n = 8226. Beskrivende statistikk ble brukt for å vurdere deltakernes alder, antall sykkeltimer og generelle mål, inkludert både romlig navigasjon og episodiske hukommelsesevner. En uavhengig prøve t-test ble brukt til å teste signifikante forskjeller mellom det totale antallet treningsøkter mellom eksperimentelle og kontrollgrupper. Tatt i betraktning at ikke alle data var normalfordelt, som vurdert av Shapiro-Wilks test (s<0.05), brukte vi den ikke-parametriske Spearmans rho-korrelasjonskoeffisient for å vurdere sammenhenger mellom romlig navigasjon og episodiske hukommelsesevner samt alder og romlige navigasjonsevner. En alfaverdi på 0,05 ble brukt for å bestemme statistisk signifikans. Bonferroni-korreksjoner ble brukt i en familie av statistiske tester der det var hensiktsmessig. IBM SPSS Statistics versjon 26 ble brukt for alle statistiske analyser. Pearsons produkt-moment-korrelasjon ble brukt til å vurdere forholdet mellom det totale antallet sykkeløkter og romlige navigasjonsevner, da dette var prosedyren utført av Basso et al. (2022)27.

Deltakere: N = 130 deltakere ble rekruttert fra Austin, TX, gjennom ulike teknikker, inkludert nett- og flyerannonser. Inklusjonskriteriene inkluderte å ha engelsk som hovedspråk og å være mellom 25-55 år og å være mellom 25-55 år (gjennomsnitt 30,16 ± 0,49). I tillegg måtte alle deltakerne rapportere at de var fysisk sunne og hadde et moderat og regelmessig treningsregime (definert som å trene en eller to ganger i uken i 20 minutter eller mer de siste 3 månedene). Eksklusjonskriterier inkluderte å være en nåværende røyker eller eksisterende fysiske helsetilstander som gjorde trening vanskelig eller utrygg. Eksklusjonskriterier inkluderte også å ha en aktuell diagnose av og/eller ta medisiner for psykiatriske eller nevrologiske tilstander, inkludert angst, depresjon, bipolar lidelse, schizofreni eller epilepsi.

For pre-intervensjonsdata manglet n = 11 deltakere data på grunn av tekniske problemer, og n = 1 deltaker ble ekskludert på grunn av ikke-oppgaveoverholdelse, noe som etterlot totalt n = 117 deltakere for analyse. Av de n = 80 deltakerne som fullførte det tre måneder lange treningsregimet, fullførte n = 11 deltakere ikke den endelige romlige navigasjonsoppgaven, noe som etterlot totalt n = 69 deltakere for analyse av data etter intervensjon og gjentatte tiltak. Denne mindre utvalgsstørrelsen ble brukt til å undersøke forholdet mellom antall sykkeløkter og romlige navigasjonsevner. Kontrollgruppen deltok i 20,73 (± 0,72) treningsøkter i løpet av intervensjonen, mens forsøksgruppen deltok i 47,87 (± 2,24) treningsøkter, som representerte en statistisk signifikant forskjell (t[45,76] = −11,554, p < 0,001).

Generelle mål og deres relasjoner: Denne nye virtuelle miljøoppgaven måler både romlig navigasjon og episodisk minnekapasitet. I løpet av den første testperioden før intervensjon tok oppgaven i gjennomsnitt 318,69 (±21,56) s å fullføre, med gjennomsnittlig søketid for hvert av de fem stedene på 82,88 (±5,19) s (figur 5A); Disse datapunktene representerer romlig navigasjonsevne (dvs. romlig læring og minne). I tillegg var deltakerne i stand til å kode steds-, gjenstands-, ordens- og assosiasjonsaspekter av den virtuelle opplevelsen, med deltakerne som husket 14,84 (±0,37) av 20 nye opplevelser i miljøet (figur 5B); Disse datapunktene representerer episodisk minneevne. Det er viktig å merke seg at den totale tiden (figur 6A; r = -0,314, p < 0,001) og gjennomsnittlig søketid (figur 6B; r = -0,286, p < 0,001) var signifikant korrelert med den episodiske minnescoren, noe som indikerer at romlig navigasjonsevne er assosiert med episodisk minne i denne oppgaven.

Figure 5
Figur 5: Tidspunkt for oppgaven. Gjennomsnittlig (± SEM) for både (A) romlig navigasjonsevne representert i både gjennomsnittlig søketid og total søketid (oppgitt i sekunder) og (B) episodisk minneevne representert i koding og hukommelse av sted, element, rekkefølge, assosiasjon og total episodisk minnescore. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Forholdet mellom romlig navigasjonsevne og episodisk hukommelse. Forbedret romlig navigasjonsevne som representert av kortere (A) gjennomsnittlig søketid og (B) total søketid er assosiert med forbedret episodisk minne som representert av den episodiske minnepoengsummen. *p < 0,001. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

X- og z-koordinater representert i det virtuelle rommet: Ved hjelp av en objektbevegelsessporingsressurs ble x- og z-koordinater sporet i dette 3-dimensjonale virtuelle rommet (tilleggsfil 1). Siden det ikke er aktivert å bevege seg opp og ned i spillet (dvs. hoppe) i denne romlige navigasjonsoppgaven, ga ikke y-koordinater nyttig informasjon. X- og z-koordinatene gjorde det imidlertid mulig for oss å vurdere hvordan deltakeren beveget seg gjennom spillet. Basert på disse dataene ble datakoden designet for å visuelt vise et varmekart over hvor deltakeren reiste gjennom kartet. Figur 7 viser et varmekart fra en representativ deltaker, som fremhever ruten deltakeren tok under huskefasen. Stedene som er uthevet i gult/rødt, samsvarer med leveringsstedene (dvs. belønningsstedene) på kartet.

Figure 7
Figur 7: Varmekart over belegg. Beleggsvarmekart som viser ruten til deltakeren. Gule/røde deler av grafen representerer de stedene der deltakeren besøkte og tilsvarer steder i den romlige navigasjonsoppgaven der deltakerne måtte levere gjenstander (dvs. belønningssteder). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Forholdet mellom alder og romlige navigasjonsevner: Innledende undersøkelser indikerte at romlig navigasjonsevne vurdert ved total søketid var signifikant assosiert med alder (figur 8; r = 0,157, p = 0,045). Etter hvert som alderen øker, reduseres romlig navigasjonsevne, noe som fremgår av en økt total søketid. Men når Bonferroni-korreksjonen ble brukt, med statistisk signifikans vurdert til p = 0,025 for to korrelasjoner (dvs. total søketid og gjennomsnittlig søkevarighet), var korrelasjonen ikke lenger signifikant.

Figure 8
Figur 8: Forholdet mellom romlig navigasjonsevne og alder. Når den ble evaluert ved hjelp av en Bonferonni-korreksjon (p < 0,025), var alder ikke signifikant assosiert med romlig navigasjonsevne representert ved total søketid. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Forholdet mellom aerob treningstrening og romlige navigasjonsevner: Aerob treningstrening fant sted på et innendørs sykkelstudio28. Alle timene var 45 minutter lange og inkluderte sykling med moderat til kraftig intensitet gjennom hele timen. Deltakerne gjennomgikk tilfeldig tildeling for enten å opprettholde sitt eksisterende treningsregime eller øke treningsregimet. Deltakere som opprettholdt treningsregimet deltok i 1 til 2 klasser per uke, mens deltakere som økte treningsregimet deltok i 4 til 7 klasser per uke. Deltakerne engasjerte seg i sitt tildelte treningsregime i en periode på 3 måneder. Romlig navigasjon og episodisk hukommelsesevne ble testet før og etter treningstrening. Ytterligere detaljer om intervensjonen finnes i Basso et al. (2022)27. Det totale antallet sykkeltimer i løpet av tre måneder var signifikant assosiert med gjennomsnittlig søkevarighet (figur 9A; r = -0,321, p = 0,007) og total søketid (figur 9B; r = -0,242, p = 0,045). Men når Bonferroni-korreksjonen ble brukt, med statistisk signifikans vurdert til p = 0,025 for to korrelasjoner (dvs. total søketid og gjennomsnittlig søkevarighet), var korrelasjonen for total søketid ikke lenger signifikant. Ytterligere funn fra intervensjonen finnes i Basso et al. (2022)27.

Figure 9
Figur 9: Forholdet mellom romlig navigasjonsevne og trening. Et økt antall sykkeløkter er assosiert med forbedret romlig navigasjonsevne som representert ved (A) gjennomsnittlig søketid og (B) total søketid. *p < 0,05. Dette tallet er modifisert med tillatelse fra Basso et al.27. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tilleggsfil 1: Rådata 1. Rådata, inkludert informasjon om huskefasen (revisit) og episodisk minnefase (tilbakekalling) av den romlige navigasjonsoppgaven. Data om deltakerens x- og z-koordinater fra å reise rundt i det 3-dimensjonale virtuelle rommet under kodings- og huskefasene av eksperimentet presenteres også. Klikk her for å laste ned denne filen.

Tilleggsfil 2: Rådata 2. Rådata med beregninger (presentert i rødt) for å bestemme starttid, sluttid, gjennomsnittlig søkevarighet, stedspoengsum, varepoengsum, ordrepoengsum, assosiasjonspoengsum og episodisk minnepoengsum. Klikk her for å laste ned denne filen.

Discussion

Denne studien undersøkte effektiviteten av en ny virtuell virkelighetsoppgave for å vurdere romlig navigasjon hos mennesker. Denne kognitive oppgaven, som bare tar omtrent 10 minutter å fullføre, kan brukes til å vurdere to unike typer hippocampus-avhengig kognisjon - romlig navigasjon og episodisk hukommelsesevne. Det er viktig å merke seg at romlig navigasjonsevne var signifikant assosiert med episodisk hukommelsesevne. Til slutt var denne oppgaven følsom for et treningsparadigme for fysisk aktivitet. Det vil si at økt trening var assosiert med økt ytelse. Denne oppgaven var inspirert av arbeidet til Miller et al. (2013) som undersøkte virtuelle miljøer hos pasienter med medikamentresistent epilepsi og hippocampusdybdeelektroder plassert med det formål å lokalisere anfall. De fant at i løpet av familiariseringsfasen av den romlige navigasjonsoppgaven (dvs. kodingsfasen), ble stedsresponsive celler i hippocampus og tilhørende mediale temporallappstrukturer aktivert22. I tillegg fant de at når deltakerne var engasjert i en gratis tilbakekallingskomponent (dvs. en huskefase som ikke involverte aktiv navigering), ble de samme stedsresponsive cellene som var aktive under koding aktive igjen. Eksisterende studier på gnagere som bruker åpent felt og labyrintlignende miljøer har vist eksistensen av slike stedsceller, med Dr. John O'Keefe, May-Britt Moser og Edvard Moser som vant Nobelprisen i fysiologi eller medisin i 2014 for denne oppdagelsen 2,29,30,31. I tillegg har studier som bruker virtuelle miljøer hos mennesker vist at lignende celler i den menneskelige hippocampus koder for reiser gjennom tid og rom 22,32,33. Selv om oppgaven ligner på den som ble presentert i Miller et al. (2013) og andre 22,34,35,36,37,38, ble den utviklet med den nyeste spillmotoren og teknologiene på tvers av plattformer, ved å bruke virkelige funksjoner som bevegelige skyer og klare landemerker og butikkfrontfunksjoner. Andre forskere har brukt andre romlige navigasjonsoppgaver hos mennesker; disse oppgavene er imidlertid begrenset i sin økologiske gyldighet. For eksempel brukes den virtuelle Starmaze-oppgaven til å vurdere navigasjonsevner, men plasserer deltakerne i en stjerneformet labyrint 39,40,41,42,43,44. Dessuten er NavWell en tilgjengelig plattform som er vert for romlige navigasjons- og minneeksperimenter som ligner på Morris Water Maze hos gnagere (plasserer deltakerne i en sirkulær arena), og gir utviklere grunnleggende geometriske former for å bygge et miljø45. I tillegg er Landmarks-ressursene på spillmotorer på tvers av plattformer tilgjengelige for å bygge og utvikle romlige navigasjonsoppgaver som finnes i en firkantet setting12. Den nåværende oppgaven er unik ved at den gir brukerne en setting og oppgave som ligner på den virkelige verden - å navigere i et bybilde og huske landemerker og handlinger. Oppgaven er også forskjellig fra den virtuelle Starmaze-oppgaven og NavWell fordi den vurderer episodisk minne i tillegg til romlig navigasjon.

I denne oppgaven var romlig navigasjonsevne signifikant relatert til episodisk hukommelsesevne. Andre har vist at disse to kognitive evnene faktisk er distinkte og at de er avhengige av forskjellige regioner i hippocampus38,46. Den populære "Cognitive Map Theory" sier at hjernen bygger og lagrer et "kart" over et individs romlige miljø slik at det senere kan brukes i fremtiden til å veilede handlinger og atferd47. Forskning har antydet at hippocampus koder for romlig informasjon samtidig som den støtter episodisk minnedannelse. Mer spesifikt antas det at høyre hippocampus koder for romlig minne mens venstre hippocampus lagrer episodiske minner38. Resultatene av den nåværende nye romlige navigasjonsoppgaven, som viser en klar sammenheng mellom romlig og episodisk hukommelse, gir støtte til den kognitive kartteorien og antyder at denne oppgaven potensielt kan brukes til å undersøke forholdet mellom romlig navigasjon og episodisk hukommelse i ikke-kliniske populasjoner. Fremtidige studier bør søke å undersøke dette forholdet i kliniske populasjoner, inkludert de med nevrodegenerative lidelser som mild kognitiv svikt, Alzheimers sykdom eller andre typer demens.

Denne oppgaven var følsom for trening eller den totale mengden sykkeløkter som ble engasjert i over en 3-måneders periode. Tidligere studier på gnagere har vist at trening er en av de mest potente måtene å øke hippocampusavhengig kognisjon på, inkludert langtidshukommelse, mønsterseparasjon, spontan veksling, kontekstuell fryktkondisjonering, passiv unngåelseslæring og ny objektgjenkjenning, med denne effekten avhengig av treningsinduserte økninger i hippocampus nevrogenese 48,49,50. I tillegg har litteraturen vist at langvarig trening forbedrer hippocampus-funksjonen hos mennesker, med forbedringer sett i ordlistegjenkalling, historiegjenkalling og både romlig og ikke-romlig relasjonshukommelse; Denne effekten antas å være drevet av treningsinduserte økninger i hippocampusvolum 7,27,51,52,53,54,55. Denne nye romlige navigasjonsoppgaven utfyller gnagerfunnene og legger til den menneskelige litteraturen, og viser viktigheten av fysisk aktivitet for romlige navigasjonsevner.

Selv om alder i innledende undersøkelser var negativt assosiert med romlig navigasjonsevne, ble denne effekten eliminert ved bruk av en Bonferroni-korreksjon. Dette indikerer at romlig navigasjonsevne kan bevares til og med fylte 55 år. Annen litteratur viser at romlig navigasjon er en kognitiv evne som avtar medalderen 56,57,58. Nevroimaging-studier har avslørt at aldersrelatert nevrodegenerasjon i områder inkludert hippocampus, parahippocampus gyrus, posterior cingulate cortex (retrosplenial cortex), parietallapper og prefrontal cortex kan være involvert i slik aldersrelatert kognitiv nedgang58. Tatt i betraktning at aldersspennet var begrenset (25-55 år), ved å inkludere et større aldersspenn, spesielt eldre voksne (65+), kan fremtidige forskere se en signifikant sammenheng mellom alder og romlig navigasjonsevne. Fremtidige studier bør vurdere å utføre denne romlige navigasjonsoppgaven hos voksne 65 år og eldre og til og med de med mild kognitiv svikt eller andre demenslignende lidelser.

En åpenbar manglende lenke i virtuelle navigasjonsoppgaver er mangelen på forholdet mellom kropp og hjerne. Det vil si at når du navigerer gjennom virkelige miljøer, skjer aktiveringen på nivå med det perifere og sentralnervesystemet, inkludert aktivering av proprioseptorene, eksteroseptorene, interoseptorene og det vestibulære systemet sammen med de sensori-motoriske cortices, basalgangliene og lillehjernen. Uten denne fysiske inngangen kan virtuell navigasjon være tydelig forskjellig fra fysisk navigasjon. Til tross for dette har studier vist at virtuelle miljøer stimulerer de samme hjerneområdene som navigasjon i den virkelige verden 22,32,33. Å gjøre oppgaven mer aktiv, slik designet var i den nåværende oppgaven, kan bidra til å overbevise hjernen om at den fysisk beveger seg gjennom tid og rom, og etterligner naturlig romlig navigasjon. Andre har funnet støtte for denne hypotesen. En studie av Meade et al. (2019) undersøkte forskjellene mellom aktiv og passiv koding mens du brukte en lignende virtuell romlig navigasjonsoppgave59. Aktiv navigasjon refererer til at deltakerne kan bevege seg på egen hånd gjennom det virtuelle rommet (i likhet med denne studien), mens passiv navigasjon består av en guidet tur der deltakerne ikke beveger seg, men heller blir vist navigasjonsruten. Forfatterne antydet at aktiv navigasjon kan være mer fordelaktig for eldre populasjoner på grunn av involvering av fysiske (f.eks. bevegelse og propriosepsjon) og kognitive komponenter (f.eks. beslutningstaking og oppmerksomhet), og kan tjene til å forbedre hukommelsesytelsen gjennom direkte involvering i prosessen med minnekoding. Den aktive navigasjonen som ble brukt i denne studien kan forklare resultatene, og demonstrere at deltakerne var i stand til nøyaktig å huske episodiske minner om sine opplevelser.

Aktiv navigasjon kan også bidra til å engasjere multisensoriske integrasjonsområder som retrosplenialkomplekset (RSC)60,61,62. En fersk studie fant at faktisk ambulering under en romlig navigasjonsoppgave i virtuell virkelighet som krever at deltakerne reiser mellom steder mens de husker hjem og landemerker, resulterte i RSC-theta-oscillasjoner (dvs. 4-8 hertz nevronale oscillasjoner registrert med EEG)16. Denne økte theta-kraften var mest fremtredende under hoderetningsendringer og rotasjoner. Hos gnagere har det vist seg at RSC-thetaaktivitet er avgjørende for romlig koding som involverer rutenettceller og hoderetningsberegning63,64. RSC antas også å være viktig for å bruke signaler fra miljøet for å forankre et menneskes kognitive kart47.

Mens virtuelle romlige navigasjonsoppgaver gir mange fordeler, hindrer de individet i å bevege seg fysisk gjennom tid og rom, noe som forårsaker begrenset aktivering av de proprioseptive, vestibulære og sensorimotoriske systemene. Det eksisterer en inkongruens mellom sensoriske og motoriske prosesser, noe som kan føre til at noen deltakere blir svimle eller kvalme. I denne oppgaven ble dette begrenset ved å kontrollere hastigheten som deltakerne var i stand til å bevege seg gjennom og se seg rundt i omgivelsene. For å kunne kode alle aspekter av miljøet, var det nødvendig å kunne se seg rundt (dvs. delta i virtuell hoderotasjon); Denne evnen måtte imidlertid være langsom nok til å sikre at deltakerne ikke ble fysisk syke. Til tross for dette er evnen til å navigere romlig mens du er stillesittende fordelaktig ved at den lar forskere studere individer som opplever mobilitetsproblemer, fysisk tretthet eller andre funksjonshemminger som hindrer en person i å være ambulerende. En annen begrensning er at denne oppgaven ennå ikke er testet for pålitelighet og validitet, mens andre oppgaver beveger seg i denne retningen, inkludert den virtuelle romlige navigasjonsvurderingen (VSNA)65. Fremtidig forskning kan undersøke assosiert nevral aktivitet gjennom elektroencefalografi eller funksjonell magnetisk resonansavbildning mens deltakerne fullfører denne romlige navigasjonsoppgaven. Deltakerne kan også utstyres med enheter som måler fysiologiske variabler som hjertefrekvensvariabilitet og elektrodermal aktivitet. Dette vil tillate en undersøkelse av både de perifere og sentrale mekanismene som oppstår mens du navigerer i virtuelle miljøer. Det er viktig at denne oppgaven kan brukes til å vurdere endringer i romlig navigasjonsevne over tid. Fremtidige studier kan bruke denne oppgaven til å undersøke hvordan aldring eller nevrodegenerative tilstander som Alzheimers eller Parkinsons sykdom påvirker et individs romlige navigasjon og episodiske hukommelse. Omvendt kan denne oppgaven brukes til å utforske hvordan ytterligere sinn-kropp-bevegelsesintervensjoner påvirker romlig navigasjon og episodisk hukommelse, inkludert dans, yoga eller meditasjon.

Disclosures

Forfatterne har ingen avsløringer å rapportere.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av iTHRIV Scholars Program, som delvis støttes av National Center for Advancing Translational Sciences of the NIH (UL1TR003015 og KL2TR003016). Vi vil gjerne takke Dr. Samuel McKenzie, Michael Astolfi, Meet Parekh og Andrei for deres bidrag til dataprogrammering.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Maguire, E. A., Burgess, N., O'Keefe, J. Human spatial navigation: cognitive maps, sexual dimorphism, and neural substrates. Current Opinion in Neurobiology. 9 (2), 171-177 (1999).
  2. Buzsáki, G., Moser, E. I. Memory, navigation and theta rhythm in the hippocampal-entorhinal system. Nature Neuroscience. 16 (2), 130-138 (2013).
  3. Robinson, N. T. M., et al. Targeted activation of hippocampal place cells drives memory-guided spatial behavior. Cell. 183 (7), 2041-2042 (2020).
  4. Fordyce, D. E., Farrar, R. P. Physical activity effects on hippocampal and parietal cortical cholinergic function and spatial learning in F344 rats. Behavioural Brain Research. 43 (2), 115-123 (1991).
  5. van Praag, H. Neurogenesis and exercise: past and future directions. Neuromolecular Medicine. 10 (2), 128-140 (2008).
  6. Heo, S., et al. Resting hippocampal blood flow, spatial memory and aging. Brain Research. 1315, 119-127 (2010).
  7. Erickson, K. I., et al. Exercise training increases size of hippocampus and improves memory. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (7), 3017-3022 (2011).
  8. Dobbels, B., et al. The virtual Morris water task in 64 patients with bilateral vestibulopathy and the impact of hearing status. Frontiers in Neurology. 11, 710 (2020).
  9. Moffat, S. D., Hampson, E., Hatzipantelis, M. Navigation in a "Virtual" maze: Sex Differences and correlation with psychometric measures of spatial ability in humans. Evolution and Human Behavior. 19 (2), 73-87 (1998).
  10. Ijaz, K., Ahmadpour, N., Naismith, S. L., Calvo, R. A. An immersive virtual reality platform for assessing spatial navigation memory in predementia screening: Feasibility and usability study. JMIR Mental Health. 6 (9), 13887 (2019).
  11. Sakhare, A. R., Yang, V., Stradford, J., Tsang, I., Ravichandran, R., Pa, J. Cycling and spatial navigation in an enriched, immersive 3d virtual park environment: A feasibility study in younger and older adults. Frontiers in Aging Neuroscience. 11, 218 (2019).
  12. Starrett, M. J., et al. Landmarks: A solution for spatial navigation and memory experiments in virtual reality. Behavior Research Methods. 53 (3), 1046-1059 (2021).
  13. Diersch, N., Wolbers, T. The potential of virtual reality for spatial navigation research across the adult lifespan. The Journal of Experimental Biology. 222, Suppl 1 187252 (2019).
  14. Kuhrt, D., St John, N. R., Bellmund, J. L. S., Kaplan, R., Doeller, C. F. An immersive first-person navigation task for abstract knowledge acquisition). Scientific Reports. 11 (1), 5612 (2021).
  15. Castelli, L., Latini Corazzini, L., Geminiani, G. C. Spatial navigation in large-scale virtual environments: Gender differences in survey tasks. Computers in Human Behavior. 24 (4), 1643-1667 (2008).
  16. Do, T. -T. N., Lin, C. -T., Gramann, K. Human brain dynamics in active spatial navigation. Scientific Reports. 11 (1), 13036 (2021).
  17. Jungnickel, E., Gramann, K. Mobile brain/body imaging (MoBI) of physical interaction with dynamically moving objects. Frontiers in Human Neuroscience. 10, 306 (2016).
  18. Park, J. L., Dudchenko, P. A., Donaldson, D. I. Navigation in real-world environments: New opportunities afforded by advances in mobile brain imaging. Frontiers in Human Neuroscience. 12, 361 (2018).
  19. Bettio, L. E. B., Rajendran, L., Gil-Mohapel, J. The effects of aging in the hippocampus and cognitive decline. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 79, 66-86 (2017).
  20. Wang, Z., van Praag, H. Exercise and the Brain: Neurogenesis, Synaptic Plasticity, Spine Density, and Angiogenesis. Functional Neuroimaging in Exercise and Sport Sciences. Boecker, H., Hillman, C., Scheef, L., Struder, H. , Springer. New York, NY. (2012).
  21. Unity Real-Time Development Platform. Unity. , Available from: https://unity.com/ (2023).
  22. Miller, J. F., et al. Neural activity in human hippocampal formation reveals the spatial context of retrieved memories. Science. 342 (6162), 1111-1114 (2013).
  23. Theory, Q. Urban construction pack. Unity asset store. At. , Available from: https://assetstore.unity.com/packages/3d/environments/urban-construction-pack-8081#reviews (2018).
  24. Object Motion Tracker. Unity. , Available from: https://forum.unity.com/threads/object-motion-traker-engine-trails-time-travel-game-mechanics-and-more.241544/ (2014).
  25. Makoto's preprocessing pipeline. EEGLAB. , Available from: https://sccn.ucsd.edu/wiki/Makotos_preprocessing_pipeline (2023).
  26. Faul, F., Erdfelder, E., Buchner, A., Lang, A. -G. Statistical power analyses using G*Power 3.1: tests for correlation and regression analyses. Behavior Research Methods. 41 (4), 1149-1160 (2009).
  27. Basso, J. C., et al. Examining the effect of increased aerobic exercise in moderately fit adults on psychological state and cognitive function. Frontiers in Human Neuroscience. 16, 833149 (2022).
  28. RIDE Indoor Cycling. , Available from: www.ride-indoorcycling.com (2023).
  29. Keefe, J. O., Nadel, L. The Hippocampus as a Cognitive Map. , Clarendon Press. Oxford, England. (1978).
  30. Eichenbaum, H. The Hippocampus as a Cognitive Map . . . of Social Space. Neuron. 87 (1), 9-11 (2015).
  31. Moser, E. I., Kropff, E., Moser, M. -B. Place cells, grid cells, and the brain's spatial representation system. Annual Review of Neuroscience. 31, 69-89 (2008).
  32. Ekstrom, A. D., et al. Cellular networks underlying human spatial navigation. Nature. 425 (6954), 184-188 (2003).
  33. Jacobs, J., Kahana, M. J., Ekstrom, A. D., Mollison, M. V., Fried, I. A sense of direction in human entorhinal cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (14), 6487-6492 (2010).
  34. Spiers, H. J., Burgess, N., Hartley, T., Vargha-Khadem, F., O'Keefe, J. Bilateral hippocampal pathology impairs topographical and episodic memory but not visual pattern matching. Hippocampus. 11 (6), 715-725 (2001).
  35. Spiers, H. J., et al. Unilateral temporal lobectomy patients show lateralized topographical and episodic memory deficits in a virtual town. Brain. 124, 2476-2489 (2001).
  36. Maguire, E. A., Burgess, N., Donnett, J. G., Frackowiak, R. S., Frith, C. D., O'Keefe, J. Knowing where and getting there: a human navigation network). Science. 280 (5365), 921-924 (1998).
  37. King, J. A., Burgess, N., Hartley, T., Vargha-Khadem, F., O'Keefe, J. Human hippocampus and viewpoint dependence in spatial memory. Hippocampus. 12 (6), 811-820 (2002).
  38. Burgess, N., Maguire, E. A., O'Keefe, J. The human hippocampus and spatial and episodic memory. Neuron. 35 (4), 625-641 (2002).
  39. Laidi, C., et al. Preserved navigation abilities and spatio-temporal memory in individuals with autism spectrum disorder. Autism Research. 16 (2), 280-293 (2023).
  40. Iglói, K., Zaoui, M., Berthoz, A., Rondi-Reig, L. Sequential egocentric strategy is acquired as early as allocentric strategy: Parallel acquisition of these two navigation strategies. Hippocampus. 19 (12), 1199-1211 (2009).
  41. Bullens, J., Iglói, K., Berthoz, A., Postma, A., Rondi-Reig, L. Developmental time course of the acquisition of sequential egocentric and allocentric navigation strategies. Journal of Experimental Child Psychology. 107 (3), 337-350 (2010).
  42. Bellassen, V., Iglói, K., de Souza, L. C., Dubois, B., Rondi-Reig, L. Temporal order memory assessed during spatiotemporal navigation as a behavioral cognitive marker for differential Alzheimer's disease diagnosis. The Journal of Neuroscience. 32 (6), 1942-1952 (2012).
  43. Iglói, K., et al. Interaction between hippocampus and cerebellum crus I in sequence-based but not place-based navigation. Cerebral Cortex. 25 (11), 4146-4154 (2015).
  44. Iglói, K., Doeller, C. F., Berthoz, A., Rondi-Reig, L., Burgess, N. Lateralized human hippocampal activity predicts navigation based on sequence or place memory. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (32), 14466-14471 (2010).
  45. Commins, S., et al. NavWell: A simplified virtual-reality platform for spatial navigation and memory experiments. Behavior Research Methods. 52 (3), 1189-1207 (2020).
  46. Fan, C. L., Abdi, H., Levine, B. On the relationship between trait autobiographical episodic memory and spatial navigation. Memory & Cognition. 49 (2), 265-275 (2021).
  47. Epstein, R. A., Patai, E. Z., Julian, J. B., Spiers, H. J. The cognitive map in humans: spatial navigation and beyond. Nature Neuroscience. 20 (11), 1504-1513 (2017).
  48. van Praag, H., Kempermann, G., Gage, F. H. Running increases cell proliferation and neurogenesis in the adult mouse dentate gyrus. Nature Neuroscience. 2 (3), 266-270 (1999).
  49. van Praag, H., Christie, B. R., Sejnowski, T. J., Gage, F. H. Running enhances neurogenesis, learning, and long-term potentiation in mice. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 96 (23), 13427-13431 (1999).
  50. Voss, M. W., Soto, C., Yoo, S., Sodoma, M., Vivar, C., van Praag, H. Exercise and hippocampal memory systems. Trends in Cognitive Sciences. 23 (4), 318-333 (2019).
  51. Jennen, L., Mazereel, V., Lecei, A., Samaey, C., Vancampfort, D., van Winkel, R. Exercise to spot the differences: a framework for the effect of exercise on hippocampal pattern separation in humans. Reviews in the Neurosciences. 33 (5), 555-582 (2022).
  52. Griffin, ÉW., Mullally, S., Foley, C., Warmington, S. A., O'Mara, S. M., Kelly, A. M. Aerobic exercise improves hippocampal function and increases BDNF in the serum of young adult males. Physiology & Behavior. 104 (5), 934-941 (2011).
  53. Firth, J., et al. Effect of aerobic exercise on hippocampal volume in humans: A systematic review and meta-analysis. NeuroImage. 166, 230-238 (2018).
  54. Voss, M. W., Vivar, C., Kramer, A. F., van Praag, H. Bridging animal and human models of exercise-induced brain plasticity. Trends in Cognitive Sciences. 17 (10), 525-544 (2013).
  55. Pereira, A. C., et al. An in vivo correlate of exercise-induced neurogenesis in the adult dentate gyrus. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 104 (13), 5638-5643 (2007).
  56. vander Ham, I. J. M., Claessen, M. H. G. How age relates to spatial navigation performance: Functional and methodological considerations. Ageing Research Reviews. 58, 101020 (2020).
  57. Zhong, J. Y., Moffat, S. D. Extrahippocampal contributions to age-related changes in spatial navigation ability. Frontiers in Human Neuroscience. 12, 272 (2018).
  58. Moffat, S. D. Aging and spatial navigation: what do we know and where do we go. Neuropsychology Review. 19 (4), 478-489 (2009).
  59. Meade, M. E., Meade, J. G., Sauzeon, H., Fernandes, M. A. Active navigation in virtual environments benefits spatial memory in older adults. Brain Sciences. 9 (3), 47 (2019).
  60. Powell, A., et al. Stable encoding of visual cues in the mouse retrosplenial cortex. Cerebral Cortex. 30 (8), 4424-4437 (2020).
  61. Fischer, L. F., Mojica Soto-Albors, R., Buck, F., Harnett, M. T. Representation of visual landmarks in retrosplenial cortex. eLife. 9, 51458 (2020).
  62. Stacho, M., Manahan-Vaughan, D. Mechanistic flexibility of the retrosplenial cortex enables its contribution to spatial cognition. Trends in Neurosciences. 45 (4), 284-296 (2022).
  63. Yoder, R. M., Clark, B. J., Taube, J. S. Origins of landmark encoding in the brain. Trends in Neurosciences. 34 (11), 561-571 (2011).
  64. Lozano, Y. R., Page, H., Jacob, P. -Y., Lomi, E., Street, J., Jeffery, K. Retrosplenial and postsubicular head direction cells compared during visual landmark discrimination. Brain and Neuroscience Advances. 1, 2398212817721859 (2017).
  65. Ventura, M., Shute, V., Wright, T., Zhao, W. An investigation of the validity of the virtual spatial navigation assessment. Frontiers in Psychology. 4, 852 (2013).

Tags

Atferd utgave 203 Stedsceller Romlig læring Episodisk hukommelse Trening Menneskelig atferdsvurdering
Vurdering av menneskelig romlig navigasjon i et virtuelt rom og dets følsomhet for trening
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Smith, A. J., Tasnim, N., Psaras,… More

Smith, A. J., Tasnim, N., Psaras, Z., Gyamfi, D., Makani, K., Suzuki, W. A., Basso, J. C. Assessing Human Spatial Navigation in a Virtual Space and its Sensitivity to Exercise. J. Vis. Exp. (203), e65332, doi:10.3791/65332 (2024).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter