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Avaliação da Navegação Espacial Humana em um Espaço Virtual e sua Sensibilidade ao Exercício

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

Aqui, apresentamos uma tarefa nova, breve e ativa de navegação espacial que avalia tanto a navegação espacial quanto a capacidade de memória episódica. É importante ressaltar que a navegação espacial e a memória episódica foram associadas uma à outra, e essa tarefa demonstrou sensibilidade ao exercício.

Abstract

A navegação espacial (SN) é a capacidade de se locomover pelo ambiente, o que requer uma compreensão de onde se está localizado no tempo e no espaço. Sabe-se que essa capacidade depende do disparo sequencial de células de lugar dentro do hipocampo. A SN é um comportamento importante a ser investigado, pois esse processo se deteriora com a idade, especialmente em distúrbios neurodegenerativos. No entanto, a investigação da NS é limitada pela falta de técnicas comportamentais sofisticadas para avaliar essa tarefa dependente do hipocampo. Portanto, o objetivo deste protocolo era desenvolver uma nova abordagem do mundo real para estudar SN em humanos. Especificamente, uma tarefa SN virtual ativa foi desenvolvida usando um mecanismo de jogo multiplataforma. Durante a fase de codificação, os participantes navegaram por uma cidade virtual para localizar pontos de referência. Durante a fase de lembrança, os participantes se lembraram de onde estavam esses locais de recompensa e entregaram itens nesses locais. O tempo para encontrar cada local foi capturado e a memória episódica foi avaliada por uma fase de recordação livre, incluindo aspectos de lugar, ordem, item e associação. O comportamento de movimento (coordenadas x, y e z) foi avaliado por meio de um ativo disponível no motor de jogo. É importante ressaltar que os resultados dessa tarefa demonstram que ela captura com precisão as habilidades de aprendizado espacial e memória, bem como a memória episódica. Além disso, os resultados indicam que essa tarefa é sensível ao exercício, o que melhora o funcionamento do hipocampo. No geral, as descobertas sugerem uma nova maneira de rastrear o funcionamento do hipocampo humano ao longo do tempo, com esse comportamento sendo sensível aos paradigmas de treinamento de atividade física.

Introduction

Mover o corpo através do tempo e do espaço é fundamental para aprender e lembrar informações sobre o ambiente. Essa habilidade é conhecida como navegação espacial e, evolutivamente falando, é uma ferramenta de sobrevivência essencial para localizar comida, água, contrapartes sociais e outras recompensas no ambiente 1,2. A navegação espacial depende do hipocampo, uma estrutura do sistema límbico em forma de C no lobo temporal medial. O hipocampo consiste nas sub-regiões CA1, CA2, CA3 e giro denteado. O hipocampo suporta a codificação, consolidação e recuperação de memórias que ajudam a definir a experiência consciente. Especificamente, a navegação espacial suporta a memória episódica, uma forma de memória explícita que se refere à memória da experiência pessoal, incluindo aspectos de tempo, lugar e detalhes relevantes associados à experiência (por exemplo, imagens, sons, cheiros, emoções). À medida que navegamos espacialmente por ambientes distintos, os neurônios conhecidos como células de lugar disparam sistematicamente, permitindo-nos entender onde estamos no tempo e no espaço. De fato, a estimulação óptica direta desses neurônios demonstrou influenciar o comportamento dos roedores em relação à sua localização física (ou seja, campos de lugar) 3.

A avaliação da navegação espacial em roedores tem sido tradicionalmente estudada por meio de paradigmas comportamentais como o labirinto de água de Morris, labirinto em Y, labirinto em T e labirinto de braço radial 4,5. É importante ressaltar que essas tarefas comportamentais permitem a investigação in vivo dos correlatos neurais da navegação espacial usando técnicas como registros de profundidade eletrofisiológica. No entanto, avaliar a navegação espacial em humanos provou ser cientificamente desafiador porque a maioria das investigações científicas acontece em laboratórios e não no mundo real. Estudos anteriores em humanos avaliaram habilidades espaciais com tarefas tradicionais baseadas em papel, como tarefas de aprendizado de mapas bidirecionais, tarefas de rotação mental ou tarefas de memória espacial 6,7. Outros utilizaram tarefas baseadas em computador, como a Tarefa Virtual da Água de Morris ou outras tarefas de labirinto virtual, que demonstraram estar correlacionadas com medidas psicométricas mais tradicionais de habilidade espacial 8,9. Além disso, com a acessibilidade de pacotes de software de videogame gratuitos e disponíveis publicamente, os pesquisadores começaram a desenvolver ambientes virtuais tridimensionais que podem ser apresentados em uma tela de computador ou em realidade virtual 10,11,12,13,14,15. Os avanços científicos em imagens móveis do cérebro-corpo (MoBI) também permitiram que os pesquisadores começassem a explorar a navegação espacial em ambientes do mundo real 16,17,18.

É importante ressaltar que a aprendizagem espacial e a memória são uma habilidade cognitiva que se deteriora com a idade, com os idosos sendo mais propensos a perder a noção de onde estão ou se perder quando tentam voltar para casa. Esse déficit é provavelmente devido à neurodegeneração que ocorre no nível do hipocampo - uma área cerebral altamente plástica que é uma das primeiras a se deteriorar aos19 anos. Portanto, o desenvolvimento de métodos do mundo real para avaliar as habilidades de navegação espacial e memória episódica é uma importante via de pesquisa. No nível clínico, esses tipos de tarefas podem ajudar a determinar a progressão do declínio da memória ou diagnosticar comprometimento cognitivo leve, doença de Alzheimer ou outras formas de demência. Por outro lado, a atividade física foi identificada como um dos melhores mecanismos para melhorar as habilidades de navegação espacial. Estudos em roedores mostraram que o exercício melhora o aprendizado e a memória em várias tarefas espaciais, incluindo o labirinto de água de Morris, labirinto em Y, labirinto em T e labirinto de braço radial20. Melhorias induzidas pelo exercício nas habilidades espaciais também foram demonstradas em humanos, com esse efeito sendo significativamente relacionado a um aumento no volume do hipocampo7. No entanto, esse efeito comportamental foi demonstrado usando uma tarefa de memória espacial em que os participantes foram solicitados a lembrar a localização dos pontos em uma tela - uma tarefa que pode não ter muita validade ecológica para a navegação espacial do mundo real. Poucas pesquisas investigaram o impacto do exercício em humanos nas tarefas de navegação espacial apresentadas em ambientes virtuais.

Portanto, uma tarefa cognitiva foi projetada para avaliar a aprendizagem espacial e a memória juntamente com a memória episódica usando um ambiente virtual. É importante ressaltar que a tarefa foi projetada usando software de videogame moderno para permitir designs gráficos atualizados e recursos realistas (por exemplo, nuvens em movimento no céu). Esta tarefa foi testada em um grupo de adultos saudáveis antes e depois de experimentarem a prática de exercícios aeróbicos de longo prazo. Os resultados indicam que os participantes podem codificar e lembrar informações espaciais e memórias episódicas sobre sua experiência virtual. Além disso, os resultados indicam que o desempenho nessa tarefa é plástico, sendo afetado pelo exercício.

Especificamente, um ambiente virtual foi desenvolvido por meio de um mecanismo de jogo multiplataforma21 que avaliou a navegação espacial e a capacidade de memória episódica, habilidades cognitivas únicas suportadas pelo hipocampo. O mapa utilizado para esse ambiente foi derivado de Miller et al. (2013)22. O mecanismo de jogo utilizado permite que os desenvolvedores baixem ativos para adicionar recursos exclusivos para fins de construção de ambientes virtuais. Foi utilizado um ativo23 que nos permitiu construir um ambiente urbano realista com estradas e edifícios pelos quais os participantes pudessem navegar. Além disso, foi utilizado um ativo24 que permitiu o rastreamento das coordenadas x, y e z e rotação dos participantes enquanto eles viajavam pelo ambiente virtual. O recurso mencionado acima permitiu a gravação desses recursos em uma escala de tempo de milissegundos (~33 ms). O ambiente virtual foi então compilado e administrado como uma tarefa de navegação espacial que os participantes poderiam concluir em casa em um laptop ou computador desktop. O protocolo abaixo detalha como administrar e se envolver com essa tarefa de navegação espacial.

Protocol

Toda a documentação do estudo e métodos de coleta de dados foram aprovados e em conformidade com o Comitê de Atividades Envolvendo Seres Humanos da Universidade de Nova York. Os participantes deram seu consentimento informado antes de participar de qualquer atividade relacionada ao estudo.

1. Configurando a jogabilidade

  1. Baixe os arquivos necessários do seguinte repositório público: https://github.com/embodiedbrainlab/BassoSpatialNavigationTask
  2. Baixe o Unity Hub do unity.com/download e instale o Unity versão 5.3.1f1.
  3. Abra o arquivo baixado do repositório na etapa 1.1 como um projeto no Unity.
  4. Depois que o projeto for criado com os arquivos baixados, selecione a guia Arquivo na parte superior da janela e selecione Compilar e executar.
  5. A janela Configurações de compilação aparecerá primeiro. Selecione SpatialNavigation > Cenas > Iscas e Cenas B da Cidade Grande/LeFin. Selecione o PC, Mac e Linux Standalone e clique no botão Compilar e Executar .
    NOTA: Uma janela aparecerá solicitando que o pesquisador salve um arquivo .exe (Aplicativo). Depois que o pesquisador tiver criado o aplicativo, ele poderá clicar duas vezes no aplicativo para executar iterações futuras do protocolo. Se o pesquisador decidir executar este arquivo, seus respectivos resultados serão salvos no mesmo diretório em que o aplicativo está localizado.
  6. Uma janela intitulada SpatialNavWeb Configuration será exibida. Ajuste a resolução da tela e a qualidade gráfica na guia Gráficos . Altere os controles do jogo na guia Entrada .
  7. Clique em Jogar! para iniciar a tarefa de navegação espacial.

2. Registro da atividade cerebral com eletroencefalografia (EEG) durante a tarefa de navegação espacial

NOTA: O EEG mede a atividade dos neurônios no córtex do cérebro humano em microvolts em uma escala de tempo de milissegundos por meio de eletrodos colocados no couro cabeludo. O EEG é uma forma não invasiva de imagem cerebral que permite que o cérebro de um participante seja escaneado enquanto ele realiza outras atividades, como navegar em ambientes virtuais.

  1. Usando uma fita métrica, meça a cabeça do participante de inion a násio para garantir o encaixe adequado da tampa de EEG.
  2. Coloque os eletrodos na touca de EEG (se necessário) e equipe o participante com a touca de EEG, garantindo o ajuste e a colocação adequados (Figura 1A).
  3. Inicie o software de EEG. Encha cada eletrodo com gel de eletrodo para garantir que as medições de impedância estejam abaixo de 25 kΩ.
  4. Assim que o sinal de EEG parecer limpo e sem artefatos significativos, comece a gravar.
  5. Peça a um membro da equipe de pesquisa que observe o participante enquanto ele executa as etapas abaixo.
  6. Envie um pulso de disparo para o sistema de registro de EEG em cada um dos seguintes eventos (Figura 1B)
    Início da fase de codificação
    Fim da fase de codificação
    Início da fase de lembrança
    Fim da fase de lembrança
    Início da fase de memória episódica
    Fim da fase de memória episódica
    Quaisquer outros eventos que o pesquisador considere de interesse

Figure 1
Figura 1: Gravação de eletroencefalografia durante o jogo de navegação espacial. (A) Imagem de uma pessoa equipada com um dispositivo móvel de eletroencefalografia (EEG) durante a execução da tarefa de navegação espacial. Gráfico de densidade espectral de potência da atividade (4-8 Hz) durante a fase de codificação (B), (C) fase de lembrança e (D) fase de memória episódica. Todos os dados foram pré-processados e a potência normalizada por frequência (uV2/Hz). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

NOTA: Os pesquisadores que usam tecnologias Arduino também podem enviar gatilhos sincronizados entre a gravação de EEG e o ambiente do mecanismo de jogo para que um emparelhamento exato entre os dados neurofisiológicos e comportamentais possa ocorrer em uma escala de tempo de milissegundos. Com esses marcadores, os pesquisadores poderão se referir à atividade cerebral do participante antes, durante e depois das interações críticas com o ambiente virtual. Os pesquisadores também podem considerar a realização de um período de atividade cerebral basal antes e/ou depois do envolvimento com o ambiente virtual para que comparações posteriores possam ser feitas.

3. Instruções para a tarefa de navegação espacial (figura 2)

  1. Instruções: Certifique-se de que o participante esteja sentado confortavelmente, de preferência com os pés no chão. Peça ao participante que leia as instruções na tela, que pedirão que ele visite pontos de referência específicos dentro de uma paisagem urbana enquanto tenta se lembrar de seus arredores e dos caminhos que percorreu (Figura 2A).
  2. Certifique-se de que o participante esteja orientado para o mouse e o teclado. Instrua o participante a usar o mouse e clicar com o botão esquerdo para iniciar a tarefa (Figura 2A).
  3. Certifique-se de que o participante entenda que precisará navegar no ambiente com as teclas W, A, S e D do teclado. A tecla W irá movê-los para frente, enquanto a tecla S irá movê-los para trás. Alternativamente, as setas para cima e para baixo também os moverão para frente e para trás. A tecla A os moverá para a esquerda e a tecla D os moverá para a direita.
  4. Certifique-se de que o participante saiba que pode usar o mouse do computador para mover o ponto de vista do sujeito como se o participante estivesse movendo a cabeça. Os participantes podem olhar para cima, para baixo, para a esquerda e para a direita; Não são necessários cliques do mouse para mover seu ponto de vista.
    NOTA: As instruções sobre como navegar no ambiente virtual aparecerão no canto superior direito da tela dos participantes (Figura 2A-F).

Figure 2
Figura 2: Imagens da tarefa de navegação espacial. Capturas de tela da tarefa de navegação espacial e memória episódica desenvolvida em um mecanismo de jogo multiplataforma. Exemplos de capturas de tela são apresentados da esquerda para a direita, começando no canto superior esquerdo: (A) instruções gerais; (B) viajar durante a fase de codificação; (C) localização da vitrine durante a fase de codificação; (D) viajar durante a fase de codificação; (E) instruções para lembrar a fase; (F) parte de entrega da fase de lembrança; (G) instruções para a fase de memória episódica; (H) fase de memória episódica; (I) fim do jogo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

4. Fase de codificação da tarefa de navegação espacial

  1. Peça ao participante que visite os primeiros pontos de referência (Figura 3), fazendo com que ele siga ativamente um caminho verde com setas verdes (Figura 2B).
  2. Assim que o participante chegar ao primeiro ponto de referência, peça-lhe que caminhe pelo diamante verde naquele local (Figura 2C).
  3. Depois que o participante coletar o diamante verde, faça com que ele visite o próximo ponto de referência seguindo o caminho verde. Assim que o participante chegar ao segundo ponto de referência, peça-lhe que atravesse o diamante verde naquele local.
  4. Faça com que o participante continue realizando essa tarefa até que ele visite todos os cinco pontos de referência e colete todos os cinco diamantes (Figura 2D).
    NOTA: Ao longo da fase de codificação desta tarefa, os participantes serão solicitados a memorizar a localização dos cinco pontos de referência em toda a cidade (Figura 3). Uma visão panorâmica da tarefa é apresentada na Figura 4.

Figure 3
Figura 3: Imagens de vitrines. Os participantes visitaram cinco dos dezoito locais desenvolvidos no ambiente, cada um com uma vitrine única e detalhada. Exemplos desses locais incluem (A) uma pizzaria, (B) uma loja de vitaminas, (C) uma loja de móveis, (D) uma loja de casamentos, (E) um quiosque e (F) um cassino. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Mapa da tarefa de navegação espacial. Visão aérea do ambiente virtual pelo qual os participantes navegaram. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

5. Fase de lembrança da tarefa de navegação espacial

  1. Em seguida, peça ao participante que revise cada ponto de referência (ou seja, a fase de lembrança; Figura 2E).
    NOTA: Os participantes começarão a fase de lembrança a partir do último local que visitaram durante a fase de codificação.
  2. Peça ao participante que use o mouse e clique com o botão esquerdo na parte superior de Begin (Figura 2E).
  3. Peça ao participante que visite o primeiro ponto de referência que o participante visitou durante a fase de codificação.
  4. Peça ao participante que "entregue" um item exclusivo para este primeiro ponto de referência.
    NOTA: Nenhum caminho/setas verdes serão oferecidos durante esta parte da tarefa (Figura 2F).
  5. Depois que o participante entregar o item, peça-lhe que navegue até o segundo ponto de referência e entregue o próximo item exclusivo. Faça com que o participante continue realizando essa tarefa até que visite todos os cinco pontos de referência e entregue todos os cinco itens.
    NOTA: Esta parte da tarefa avaliará o aprendizado espacial e a capacidade de memória do participante. Para fazer isso, o programa calculará automaticamente o tempo para encontrar cada ponto de referência, o tempo médio de busca e o tempo total da tarefa.

6. Fase de memória episódica da tarefa de navegação espacial

NOTA: O teste de memória episódica ocorrerá após a conclusão da fase de lembrança.

  1. Para começar, peça ao participante que use o mouse para clicar com o botão esquerdo na parte superior de Begin (Figura 2G).
  2. Peça ao participante que se lembre dos pontos de referência que o participante visitou e dos itens que o participante entregou na ordem exata, conforme instruído anteriormente na fase de lembrança (Figura 2G). Peça ao participante que digite as respostas usando o teclado do computador (Figura 2H).

7. Concluindo a tarefa

  1. Peça ao participante que leia o prompt final para confirmar a conclusão da tarefa e o envio dos dados (Figura 2I).

8. Coleta e análise de dados

  1. Dados comportamentais
    1. Localize o arquivo Results.csv no diretório do aplicativo (consulte Arquivo Suplementar 1 , por exemplo).
      NOTA: Se o pesquisador decidir clicar em Compilar e Executar na guia Arquivo no Aplicativo Unity, o arquivo de resultados será salvo na pasta BassoSpatialNavigationTask-main baixada. Se, em vez disso, o pesquisador executou o ambiente clicando duas vezes no aplicativo criado (etapa 1.5), o arquivo Resultados aparecerá no mesmo diretório que o aplicativo. O arquivo Resultados é substituído após cada conclusão do ambiente virtual. Assim, recomenda-se extrair esses resultados após cada conclusão da tarefa e compilá-los em um arquivo separado para vários participantes e ensaios.
    2. Certifique-se de que os dados estejam limpos e pareçam razoáveis.
    3. Utilize o Arquivo Suplementar 2 para calcular as pontuações apropriadas, incluindo hora de início, hora de término, duração média da busca, pontuação do local, pontuação do item, pontuação do pedido, pontuação da associação e pontuação da memória episódica.
      NOTA: Especificamente, a pontuação do local é calculada pela contagem do número de pontos de referência lembrados corretamente. A pontuação do pedido é calculada determinando o número de pontos de referência recuperados na sequência correta. A pontuação do item é calculada pela contagem do número de itens recuperados corretamente. A pontuação de associação é calculada pela contagem do emparelhamento correto de lugar com item. Finalmente, a pontuação geral da memória episódica é calculada somando as pontuações de local, ordem, item e associação. Observe que a saída bruta para as coordenadas X/Z não está na sequência temporal correta. Para corrigir isso, classifique os dados na coluna Tempo do menor para o maior valor.
    4. Insira os dados em um banco de dados de sua escolha.
    5. Analise os dados usando teste t de amostras independentes, análise de variância ou outros testes estatísticos apropriados.
  2. Dados de EEG
    1. Use um pipeline de pré-processamento para limpar os dados do EEG25.
    2. Usando um pacote de software apropriado, realize análises de frequência de tempo nos dados de EEG por períodos prolongados de tempo em que o participante navegou no ambiente virtual, como durante as fases de codificação e lembrança da tarefa.
    3. Realize análises de potencial relacionadas ao evento se estiver interessado em períodos de tempo específicos em que o participante interagiu com o ambiente virtual.
    4. Realize análises estatísticas relevantes para os dados do EEG e considere correlacionar os dados comportamentais com os dados do EEG.

Representative Results

Descrição da jogabilidade de uma perspectiva de codificação: Para a fase de "codificação", uma série de dezoito waypoints foram colocados ao redor do espaço tridimensional, cada um com um "Item de Entrega" associado (ou seja, item para entregar no local). As referências a esses waypoints foram armazenadas no controlador do player e ordenadas estaticamente antes de iniciar a tarefa; Ou seja, se a pizzaria fosse colocada na posição um, ela sempre estaria na posição um no início. A fim de fornecer algum grau de aleatoriedade aos waypoints que os participantes encontraram, a lista de waypoints foi embaralhada por meio do algoritmo de embaralhamento de Fisher-Yates. O embaralhamento de Fisher-Yates, conforme implementado para este estudo, gera uma permutação pseudoaleatória da sequência original no local. Qualquer permutação possível pode ser gerada com igual probabilidade. O algoritmo começa selecionando um elemento do final da lista (n). Um número pseudoaleatório é gerado no intervalo de [0, n] e atribuído ao valor k. O enésimovalor é então trocado pelo késimo valor. Em seguida, o valor de n é diminuído em um, e o processo se repete até que haja apenas um único índice ainda não considerado.

Depois que a lista de waypoints foi embaralhada, os cinco primeiros elementos foram selecionados. Os caminhos ideais foram gerados por meio do sistema de malha de navegação do mecanismo de jogo e cálculos de caminho ideal integrados. Essa série de caminhos começou no local de partida do participante e criou uma cadeia vinculada entre cada um dos waypoints, terminando no waypoint final. Quando os participantes ganharam o controle, eles foram orientados a seguir esses caminhos, designados por uma linha verde e uma seta em movimento que fornecia as informações de direção pretendidas. Embora essa linha verde e seta em movimento tenham sido fornecidas, os participantes puderam navegar ativamente pelo ambiente virtual. Quando o participante entrava nos limites do waypoint, o caminho exibido era trocado pelo próximo caminho da lista.

Ao visitar o número pretendido de elementos de waypoint, o participante entrou na fase de "lembrança" (denominada RevisitIntermission no código), onde foi direcionado a revisitar os pontos de referência na ordem em que foram mostrados anteriormente. À medida que o participante tentava revisitar os locais apresentados durante a visita guiada, era apresentada uma imagem especificada pelo "Item de Entrega" associado aos pontos de passagem. Eles não foram apresentados a um caminho sugerido. Seus movimentos foram rastreados com um componente de rastreamento de movimento de objeto proveniente da loja de ativos.

Quando os participantes terminaram de viajar para cada ponto de passagem apresentado, eles receberam instruções direcionando-os para a próxima tela para lembrar os locais que visitaram e os itens entregues a cada um. Durante a fase de recordação, os participantes receberam um prompt com duas entradas de texto. O primeiro ditou o ponto de passagem para o qual o participante foi solicitado a viajar. O segundo ditava o "Item de Entrega" associado a este waypoint. A resposta e o tempo de resposta foram registrados para cada prompt.

Ao final da tarefa, os dados foram coletados e armazenados em representação JSON. A primeira seção registrou a fase de revisita, onde os participantes foram solicitados a encontrar locais sem o auxílio de uma linha orientadora. Os valores registrados incluíam o nome do waypoint, o nome do "Item de entrega" e o tempo que levava para chegar ao waypoint. A segunda seção registrou as respostas apresentadas durante a fase de recordação. Esta seção incluiu as respostas dos participantes para localização, "Item de entrega" e o tempo necessário para responder às solicitações mencionadas acima. Todo o código pode ser encontrado e baixado em https://github.com/embodiedbrainlab/BassoSpatialNavigationTask.

Análise de poder e estatística: Uma análise de poder do modelo bisserial de ponto de correlação foi conduzida com G*Power 3.1 usando um teste bicaudal, um tamanho de efeito de 0,3, nível alfa de 0,05 e um poder de 0,8 para determinar um tamanho de amostra de n = 8226. Estatísticas descritivas foram usadas para avaliar a idade dos participantes, o número de aulas de ciclismo e medidas gerais, incluindo navegação espacial e habilidades de memória episódica. Um teste t de amostras independentes foi utilizado para testar diferenças significativas entre o número total de treinos entre os grupos experimental e controle. Considerando que nem todos os dados estavam com distribuição normal, avaliados pelo teste de Shapiro-Wilk (p<0,05), utilizamos o coeficiente de correlação rho de Spearman não paramétrico para avaliar as relações entre navegação espacial e habilidades de memória episódica, bem como idade e habilidades de navegação espacial. Um valor alfa de 0,05 foi utilizado para determinar a significância estatística. As correções de Bonferroni foram usadas em uma família de testes estatísticos, quando apropriado. O IBM SPSS Statistics Versão 26 foi utilizado para todas as análises estatísticas. A correlação produto-momento de Pearson foi utilizada para avaliar a relação entre o número total de exercícios de ciclismo e as habilidades de navegação espacial, pois esse foi o procedimento conduzido por Basso et al. (2022)27.

Participantes: N = 130 participantes foram recrutados em Austin, TX, por meio de várias técnicas, incluindo anúncios online e panfletos. Os critérios de inclusão incluíram ter o inglês como idioma principal e ter entre 25 e 55 anos de idade (média de 30,16 ± 0,49). Além disso, todos os participantes precisavam relatar ser fisicamente saudáveis e ter um regime de exercícios moderados e regulares (definido como se exercitar uma ou duas vezes por semana por 20 minutos ou mais nos últimos 3 meses). Os critérios de exclusão incluíram ser fumante atual ou condições de saúde física preexistentes que tornassem o exercício difícil ou inseguro. Os critérios de exclusão também incluíram ter um diagnóstico atual e/ou tomar medicamentos para condições psiquiátricas ou neurológicas, incluindo ansiedade, depressão, transtorno bipolar, esquizofrenia ou epilepsia.

Para os dados pré-intervenção, n = 11 participantes estavam faltando dados devido a questões técnicas, e n = 1 participante foi excluído devido à não adesão à tarefa, deixando um total de n = 117 participantes para análise. Dos n = 80 participantes que completaram o regime de exercícios de três meses, n = 11 participantes não completaram a tarefa final de navegação espacial, deixando um total de n = 69 participantes para análise dos dados pós-intervenção e medidas repetidas. Esse tamanho de amostra menor foi utilizado para examinar a relação entre o número de sessões de ciclismo e as habilidades de navegação espacial. O grupo controle realizou 20,73 (± 0,72) treinos ao longo da intervenção, enquanto o grupo experimental realizou 47,87 (± 2,24) treinos, o que representou uma diferença estatisticamente significativa (t [45,76] = −11,554, p < 0,001).

Medidas gerais e suas relações: essa nova tarefa de ambiente virtual mede a navegação espacial e a capacidade de memória episódica. Durante o período inicial de teste pré-intervenção, a tarefa levou em média 318,69 (±21,56) s para ser concluída, com o tempo médio de busca para cada um dos cinco locais sendo 82,88 (±5,19) s (Figura 5A); Esses pontos de dados representam a capacidade de navegação espacial (ou seja, aprendizado espacial e memória). Além disso, os participantes foram capazes de codificar aspectos de lugar, item, ordem e associação da experiência virtual, com os participantes lembrando 14,84 (±0,37) de 20 novas experiências em seu ambiente (Figura 5B); Esses pontos de dados representam a capacidade de memória episódica. É importante ressaltar que o tempo total (Figura 6A; r = -0,314, p < 0,001) e o tempo médio de busca (Figura 6B; r = -0,286, p < 0,001) foram significativamente correlacionados com o escore de memória episódica, indicando que a habilidade de navegação espacial está associada à memória episódica nesta tarefa.

Figure 5
Figura 5: Tempo da tarefa. Média (± SEM) para (A) capacidade de navegação espacial representada no tempo médio de busca e tempo total de busca (fornecido em segundos) e (B) capacidade de memória episódica representada na codificação e lembrança de lugar, item, ordem, associação e pontuação geral de memória episódica. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: Relação da capacidade de navegação espacial com a memória episódica. A capacidade de navegação espacial aprimorada, representada por (A) tempo médio de busca mais curto e (B) tempo total de busca, está associada à memória episódica aprimorada, representada pela pontuação de memória episódica. *p < 0,001. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Coordenadas X e z representadas no espaço virtual: Usando um ativo de rastreador de movimento de objeto, as coordenadas x e z foram rastreadas neste espaço virtual tridimensional (Arquivo Suplementar 1). Como subir e descer no jogo (ou seja, pular) não está habilitado nesta tarefa de navegação espacial, as coordenadas y não forneceram informações úteis. No entanto, as coordenadas x e z permitiram avaliar como o participante se movimentou ao longo do jogo. Com base nesses dados, o código de computador foi projetado para exibir visualmente um mapa de calor de onde o participante viajou pelo mapa. A Figura 7 exibe um mapa de calor de um participante representativo, que destaca a rota que o participante percorreu durante a fase de lembrança. Os pontos destacados em amarelo/vermelho correspondem aos locais de entrega (ou seja, recompensa) no mapa.

Figure 7
Figura 7: Mapa de calor de ocupação. Mapa de calor de ocupação demonstrando a rota do participante. As seções amarelas/vermelhas do gráfico representam os locais onde o participante frequentou e correspondem a locais na tarefa de navegação espacial onde os participantes tiveram que entregar itens (ou seja, locais de recompensa). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Relação entre idade e habilidades de navegação espacial: As investigações iniciais indicaram que a habilidade de navegação espacial, avaliada pelo tempo total de busca, foi significativamente associada à idade (Figura 8; r = 0,157, p = 0,045). À medida que a idade aumenta, a capacidade de navegação espacial diminui, como evidenciado por um aumento do tempo total de busca. No entanto, quando a correção de Bonferroni foi aplicada, com significância estatística sendo avaliada em p = 0,025 para duas correlações (ou seja, tempo total de busca e duração média da busca), a correlação não foi mais significativa.

Figure 8
Figura 8: Relação da capacidade de navegação espacial com a idade. Quando avaliada por meio de uma correção de Bonferonni (p < 0,025), a idade não foi significativamente associada à habilidade de navegação espacial representada pelo tempo total de busca. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Relação entre o treinamento físico aeróbico e as habilidades de navegação espacial: O treinamento físico aeróbio ocorreu em um estúdio de ciclismo indoor28. Todas as aulas tiveram 45 minutos de duração e incluíram ciclismo em intensidades moderadas a vigorosas durante toda a duração da aula. Os participantes foram submetidos a tarefas aleatórias para manter seu regime de exercícios existente ou aumentar seu regime de exercícios. Os participantes que mantiveram seu regime de exercícios participaram de 1 a 2 aulas por semana, enquanto os participantes que aumentaram seu regime de exercícios participaram de 4 a 7 aulas por semana. Os participantes se envolveram em seu regime de exercícios designado por um período de 3 meses. A navegação espacial e a capacidade de memória episódica foram testadas antes e após o treinamento físico. Detalhes adicionais da intervenção podem ser encontrados em Basso et al. (2022)27. O número total de aulas de ciclismo ao longo de três meses foi significativamente associado à duração média da busca (Figura 9A; r = -0,321, p = 0,007) e ao tempo total de busca (Figura 9B; r = -0,242, p = 0,045). No entanto, quando a correção de Bonferroni foi aplicada, com significância estatística sendo avaliada em p = 0,025 para duas correlações (ou seja, tempo total de busca e duração média da busca), a correlação para o tempo total de busca não foi mais significativa. Achados adicionais da intervenção podem ser encontrados em Basso et al. (2022)27.

Figure 9
Figura 9: Relação da capacidade de navegação espacial com o exercício. Um número maior de sessões de ciclismo está associado a uma melhor capacidade de navegação espacial, representada por (A) tempo médio de busca e (B) tempo total de busca. *p < 0,05. Essa figura foi modificada com permissão de Basso et al.27. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Arquivo suplementar 1: Dados brutos 1. Dados brutos, incluindo informações sobre a fase de lembrança (revisita) e memória episódica (recordação) da tarefa de navegação espacial. Dados sobre as coordenadas x e z do participante ao viajar pelo espaço virtual tridimensional durante as fases de codificação e lembrança do experimento também são apresentados. Clique aqui para baixar este arquivo.

Arquivo suplementar 2: Dados brutos 2. Dados brutos com cálculos (apresentados em vermelho) para determinar a hora de início, hora de término, duração média da busca, pontuação de colocação, pontuação de item, pontuação de ordem, pontuação de associação e pontuação de memória episódica. Clique aqui para baixar este arquivo.

Discussion

Este estudo examinou a eficácia de uma nova tarefa de realidade virtual na avaliação da navegação espacial em humanos. Essa tarefa cognitiva, que leva apenas cerca de 10 minutos para ser concluída, pode ser utilizada para avaliar dois tipos únicos de cognição dependente do hipocampo - navegação espacial e capacidade de memória episódica. É importante ressaltar que a capacidade de navegação espacial foi significativamente associada à capacidade de memória episódica. Por fim, essa tarefa foi sensível a um paradigma de treinamento de atividade física. Ou seja, o aumento do exercício foi associado ao aumento do desempenho. Esta tarefa foi inspirada no trabalho de Miller et al. (2013) que investigaram ambientes virtuais em pacientes com epilepsia resistente a medicamentos e eletrodos de profundidade do hipocampo colocados para fins de localização de convulsões. Eles descobriram que durante a fase de familiarização da tarefa de navegação espacial (ou seja, a fase de codificação), as células responsivas ao local no hipocampo e as estruturas do lobo temporal medial associadas foram ativadas22. Além disso, eles descobriram que quando os participantes estavam envolvidos em um componente de recordação livre (ou seja, uma fase de lembrança que não envolvia navegação ativa), as mesmas células responsivas ao local que estavam ativas durante a codificação tornaram-se ativas novamente. Estudos existentes em roedores utilizando ambientes de campo aberto e labirínticos mostraram a existência de tais células locais, com os Drs. John O'Keefe, May-Britt Moser e Edvard Moser ganhando o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 2014 por esta descoberta 2,29,30,31. Além disso, estudos usando ambientes virtuais em humanos mostraram que células semelhantes no hipocampo humano codificam viagens através do tempo e do espaço22 , 32 , 33 . Embora a tarefa seja semelhante à apresentada em Miller et al. (2013) e outros 22,34,35,36,37,38, ela foi desenvolvida com o mecanismo e as tecnologias de jogo multiplataforma mais atuais, utilizando recursos do mundo real, como nuvens em movimento e pontos de referência claros da cidade e recursos de vitrine. Outros pesquisadores utilizaram outras tarefas de navegação espacial em humanos; no entanto, essas tarefas são limitadas em sua validade ecológica. Por exemplo, a tarefa virtual Starmaze é usada para avaliar as habilidades de navegação, mas coloca os participantes em um labirinto em forma de estrela 39,40,41,42,43,44. Além disso, o NavWell é uma plataforma acessível que hospeda experimentos de navegação espacial e memória semelhantes ao Morris Water Maze em roedores (colocando os participantes em uma arena circular) e fornece aos desenvolvedores formas geométricas básicas para construir um ambiente45. Além disso, os ativos de Landmarks em mecanismos de jogos multiplataforma estão disponíveis para criar e desenvolver tarefas de navegação espacial que existem em uma configuração quadrada12. A tarefa atual é única, pois fornece aos usuários um cenário e uma tarefa semelhantes ao mundo real - navegar em uma paisagem urbana e memorizar pontos de referência e ações. A tarefa também é diferente da tarefa virtual Starmaze e do NavWell porque avalia a memória episódica, além da navegação espacial.

Nesta tarefa, a capacidade de navegação espacial foi significativamente relacionada à capacidade de memória episódica. Outros mostraram que essas duas habilidades cognitivas são de fato distintas e que dependem de diferentes regiões do hipocampo38,46. A popular "Teoria do Mapa Cognitivo" afirma que o cérebro constrói e armazena um "mapa" do ambiente espacial de um indivíduo para que possa ser usado posteriormente no futuro para orientar ações e comportamentos47. A pesquisa sugeriu que o hipocampo codifica informações espaciais ao mesmo tempo em que suporta a formação de memória episódica. Mais especificamente, acredita-se que o hipocampo direito codifica a memória espacial, enquanto o hipocampo esquerdo armazena memórias episódicas38. Os resultados da nova tarefa de navegação espacial atual, que demonstram uma ligação clara entre memória espacial e episódica, dão suporte à Teoria dos Mapas Cognitivos e sugerem que essa tarefa poderia ser usada para examinar a relação entre navegação espacial e memória episódica em populações não clínicas. Estudos futuros devem procurar examinar essa relação em populações clínicas, incluindo aquelas com distúrbios neurodegenerativos, como comprometimento cognitivo leve, doença de Alzheimer ou outros tipos de demência.

Esta tarefa foi sensível ao exercício ou à quantidade total de sessões de ciclismo realizadas durante um período de 3 meses. Estudos anteriores em roedores mostraram que o exercício é uma das formas mais potentes de aumentar a cognição dependente do hipocampo, incluindo memória de longo prazo, separação de padrões, alternância espontânea, condicionamento contextual do medo, aprendizado de evitação passiva e reconhecimento de novos objetos, com esse efeito sendo dependente do aumento induzido pelo exercício na neurogênese do hipocampo 48,49,50 . Além disso, a literatura mostrou que o exercício de longo prazo melhora o funcionamento do hipocampo em humanos, com melhorias observadas na lembrança da lista de palavras, na lembrança da história e na memória relacional espacial e não espacial; Acredita-se que esse efeito seja impulsionado por aumentos induzidos pelo exercício no volume do hipocampo 7,27,51,52,53,54,55. Esta nova tarefa de navegação espacial complementa as descobertas de roedores e contribui para a literatura humana, mostrando a importância da atividade física para as habilidades de navegação espacial.

Embora nas investigações iniciais a idade tenha sido negativamente associada à capacidade de navegação espacial, esse efeito foi eliminado ao aplicar uma correção de Bonferroni. Isso indica que a capacidade de navegação espacial pode ser preservada até os 55 anos. Outra literatura demonstra que a navegação espacial é uma habilidade cognitiva que diminui com a idadede 56,57,58. Estudos de neuroimagem revelaram que a neurodegeneração relacionada à idade em áreas como hipocampo, giro parahipocampal, córtex cingulado posterior (córtex retroesplenial), lobos parietais e córtex pré-frontal pode estar envolvida nesse declínio cognitivo relacionado à idade58. Considerando que a faixa etária foi limitada (25-55 anos de idade), ao incluir uma faixa etária maior, especialmente adultos mais velhos (65+), futuros pesquisadores podem ver uma correlação significativa entre idade e capacidade de navegação espacial. Estudos futuros devem considerar a realização dessa tarefa de navegação espacial em adultos com 65 anos ou mais e até mesmo naqueles com comprometimento cognitivo leve ou outros distúrbios semelhantes à demência.

Um elo perdido óbvio nas tarefas de navegação virtual é a falta da relação corpo-cérebro. Ou seja, ao navegar por ambientes do mundo real, a ativação ocorre no nível dos sistemas nervosos periférico e central, incluindo a ativação dos proprioceptores, exteroceptores, interoceptores e sistema vestibular junto com os córtices sensório-motores, gânglios da base e cerebelo. Sem essa entrada física, a navegação virtual pode ser distintamente diferente da navegação física. Apesar disso, estudos mostraram que os ambientes virtuais estimulam as mesmas regiões cerebrais que a navegação no mundo real 22,32,33. Tornar a tarefa mais ativa, como foi o projeto da tarefa atual, pode ajudar a convencer o cérebro de que está se movendo fisicamente no tempo e no espaço, imitando a navegação espacial natural. Outros encontraram apoio para essa hipótese. Um estudo de Meade et al. (2019) examinou as diferenças entre codificação ativa e passiva ao usar uma tarefa de navegação espacial virtual semelhante59. A navegação ativa refere-se aos participantes que podem se mover por conta própria pelo espaço virtual (semelhante ao presente estudo), enquanto a navegação passiva consiste em uma visita guiada onde os participantes não se movem, mas sim a rota de navegação. Os autores sugeriram que a navegação ativa pode ser mais benéfica para populações mais velhas devido ao envolvimento de componentes físicos (por exemplo, locomoção e propriocepção) e cognitivos (por exemplo, tomada de decisão e atenção), e pode servir para melhorar o desempenho da memória por meio do envolvimento direto no processo de codificação da memória. A navegação ativa utilizada no presente estudo pôde explicar os resultados, demonstrando que os participantes foram capazes de recordar com precisão memórias episódicas de suas experiências.

A navegação ativa também pode ajudar a envolver áreas de integração multissensorial, como o complexo retroesplenial (RSC) 60 , 61 , 62 . Um estudo recente descobriu que a deambulação real durante uma tarefa de navegação espacial de realidade virtual que exigia que os participantes viajassem entre locais enquanto se lembravam de locais de referência e de origem resultou em oscilações RSC (ou seja, oscilações neuronais de 4-8 hertz registradas com EEG)16. Esse aumento da potência foi mais proeminente durante as mudanças e rotações de direção da cabeça. Em roedores, foi demonstrado que a atividade RSC é essencial para a codificação espacial envolvendo células de grade e computação da direção da cabeça63,64. O RSC também é considerado importante para usar pistas do ambiente para ancorar o mapa cognitivo de um ser humano47.

Embora as tarefas de navegação espacial virtual ofereçam muitos benefícios, elas impedem o indivíduo de se mover fisicamente no tempo e no espaço, causando ativação limitada dos sistemas proprioceptivo, vestibular e sensório-motor. Existe uma incongruência entre os processos sensoriais e motores, o que pode fazer com que alguns participantes fiquem tontos ou enjoados. Na presente tarefa, isso foi limitado pelo controle da velocidade com que os participantes foram capazes de se mover e olhar ao redor do ambiente. Para ser capaz de codificar todos os aspectos do ambiente, era necessário ser capaz de olhar ao redor (ou seja, se envolver em rotação de cabeça virtual); no entanto, essa habilidade precisava ser lenta o suficiente para garantir que os participantes não ficassem fisicamente doentes. Apesar disso, a capacidade de navegar espacialmente enquanto sedentário é vantajosa, pois permite que os pesquisadores estudem indivíduos que apresentam problemas de mobilidade, fadiga física ou outras deficiências que impedem um indivíduo de ser ambulatorial. Outra limitação é que essa tarefa ainda não foi testada quanto à confiabilidade e validade, enquanto outras tarefas estão se movendo nessa direção, incluindo a avaliação da navegação espacial virtual (VSNA)65. Pesquisas futuras podem examinar a atividade neural associada por meio de eletroencefalografia ou ressonância magnética funcional enquanto os participantes completam essa tarefa de navegação espacial. Os participantes também podem ser equipados com dispositivos que medem variáveis fisiológicas, como variabilidade da frequência cardíaca e atividade eletrodérmica. Isso permitiria um exame dos mecanismos periféricos e centrais que ocorrem durante a navegação em ambientes virtuais. É importante ressaltar que essa tarefa pode ser usada para avaliar as mudanças na capacidade de navegação espacial ao longo do tempo. Estudos futuros podem utilizar essa tarefa para investigar como o envelhecimento ou condições neurodegenerativas, como a doença de Alzheimer ou Parkinson, afetam a navegação espacial e a memória episódica de um indivíduo. Por outro lado, essa tarefa pode ser usada para explorar como intervenções adicionais mente-corpo-movimento afetam a navegação espacial e a memória episódica, incluindo dança, ioga ou meditação.

Disclosures

Os autores não têm divulgações a relatar.

Acknowledgments

Este trabalho foi apoiado pelo iTHRIV Scholars Program, que é apoiado em parte pelo Centro Nacional para o Avanço das Ciências Translacionais do NIH (UL1TR003015 e KL2TR003016). Gostaríamos de agradecer ao Dr. Samuel McKenzie, Michael Astolfi, Meet Parekh e Andrei Marks por suas contribuições de programação de computadores.

Materials

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