Bedömning av mänsklig rumslig navigering i ett virtuellt utrymme och dess känslighet för träning

Summary

Här presenterar vi en ny, kort och aktiv spatial navigationsuppgift som bedömer både spatial navigering och episodisk minnesförmåga. Det är viktigt att notera att spatial navigering och episodiskt minne var associerade med varandra, och denna uppgift visade på känslighet för träning.

Abstract

Spatial navigation (SN) är förmågan att förflytta sig genom miljön, vilket kräver en förståelse för var man befinner sig i tid och rum. Denna kapacitet är känd för att förlita sig på den sekventiella avfyrningen av platsceller i hippocampus. SN är ett viktigt beteende att undersöka eftersom denna process försämras med åldern, särskilt vid neurodegenerativa sjukdomar. Undersökningen av SN är dock begränsad av bristen på sofistikerade beteendetekniker för att bedöma denna hippocampusberoende uppgift. Därför var målet med detta protokoll att utveckla ett nytt, verkligt tillvägagångssätt för att studera SN hos människor. Specifikt utvecklades en aktiv virtuell SN-uppgift med hjälp av en plattformsoberoende spelmotor. Under kodningsfasen navigerade deltagarna sig fram genom en virtuell stad för att hitta landmärken. Under minnesfasen kom deltagarna ihåg var dessa belöningsplatser låg och levererade föremål till dessa platser. Tiden för att hitta varje plats fångades och det episodiska minnet bedömdes genom en fri återkallningsfas, inklusive aspekter av plats, ordning, föremål och association. Rörelsebeteende (x-, y- och z-koordinater) bedömdes med hjälp av en tillgång som fanns tillgänglig i spelmotorn. Det är viktigt att notera att resultaten från denna uppgift visar att den på ett korrekt sätt fångar både spatial inlärning och minnesförmågor samt episodiskt minne. Vidare tyder resultaten på att denna uppgift är känslig för träning, vilket förbättrar hippocampusfunktionen. Sammantaget tyder resultaten på ett nytt sätt att spåra mänsklig hippocampusfunktion över tid, där detta beteende är känsligt för träningsparadigm för fysisk aktivitet.

Introduction

Att förflytta kroppen genom tid och rum är avgörande för att lära sig och komma ihåg information om miljön. Denna förmåga är känd som spatial navigering, och evolutionärt sett är den ett viktigt överlevnadsverktyg för att lokalisera mat, vatten, sociala motsvarigheter och andra belöningar i miljön ^1,2. Spatial navigering är beroende av hippocampus, en c-formad limbisk systemstruktur i den mediala temporalloben. Hippocampus består av underregionerna CA1, CA2, CA3 och gyrus dentata. Hippocampus stöder kodning, konsolidering och hämtning av minnen som hjälper till att definiera den medvetna upplevelsen. Specifikt stöder spatial navigering episodiskt minne, en form av explicit minne som hänvisar till minnet av personlig erfarenhet, inklusive aspekter av tid, plats och relevanta detaljer som är förknippade med upplevelsen (t.ex. syner, ljud, lukter, känslor). När vi rumsligt navigerar genom olika miljöer avfyras neuroner som kallas platsceller systematiskt, vilket gör det möjligt för oss att förstå var vi befinner oss i både tid och rum. Faktum är att direkt optisk stimulering av dessa neuroner har visat sig påverka gnagarnas beteende mot deras fysiska plats (dvs. platsfält)³.

Bedömning av rumslig navigering hos gnagare har traditionellt studerats genom sådana beteendeparadigm som Morris Water Maze, Y Maze, T maze och radial arm^{maze 4,5}. Det är viktigt att dessa beteendeuppgifter möjliggör in vivo-undersökning av de neurala korrelaten för rumslig navigering med hjälp av tekniker som elektrofysiologiska djupregistreringar. Att bedöma rumslig navigering hos människor har dock visat sig vara vetenskapligt utmanande eftersom de flesta vetenskapliga undersökningar sker i laboratorier och inte ute i den verkliga världen. Tidigare studier på människor har bedömt spatiala förmågor med traditionella pappersbaserade uppgifter som dubbelriktade kartinlärningsuppgifter, mentala rotationsuppgifter eller spatiala minnesuppgifter ^6,7. Andra har använt sig av datorbaserade uppgifter som Virtual Morris Water Task eller andra virtuella labyrintuppgifter, som har visat sig vara korrelerade med mer traditionella psykometriska mått på spatial förmåga ^8,9. Dessutom, med tillgängligheten av allmänt tillgängliga och gratis videospelsprogrampaket, har forskare börjat utveckla 3-dimensionella virtuella miljöer som antingen kan presenteras på en datorskärm eller i virtuell verklighet 10,11,12,13,14,15. Vetenskapliga framsteg inom mobil hjärna-kroppsavbildning (MoBI) har också gjort det möjligt för forskare att börja utforska rumslig navigering i verkliga miljöer 16,17,18.

Det är viktigt att notera att spatial inlärning och minne är en kognitiv förmåga som försämras med åldern, där äldre personer är mer benägna att tappa koll på var de är eller gå vilse när de försöker återvända hem. Detta underskott beror troligen på neurodegeneration som sker på hippocampusnivå - ett mycket plastiskt hjärnområde som är ett av de första som försämras vid¹⁹ års ålder. Därför är det viktigt att utveckla verkliga metoder för att bedöma spatial navigering och episodiskt minne. På klinisk nivå kan dessa typer av uppgifter hjälpa till att bestämma utvecklingen av minnesförsämring eller diagnostisera mild kognitiv försämring, Alzheimers sjukdom eller andra former av demens. Omvänt har fysisk aktivitet identifierats som en av de bästa mekanismerna för att förbättra den spatiala navigationsförmågan. Studier på gnagare har visat att träning förbättrar inlärning och minne på olika spatiala uppgifter, inklusive Morris Water Maze, Y maze, T maze och radial arm maze²⁰. Ansträngningsutlösta förbättringar av spatiala förmågor har också visats hos människor, och denna effekt är signifikant relaterad till en ökning av hippocampus volym⁷. Denna beteendeeffekt demonstrerades dock med hjälp av en spatial minnesuppgift där deltagarna ombads att komma ihåg platserna för prickar på en skärm - en uppgift som kanske inte har så mycket ekologisk giltighet för verklig rumslig navigering. Lite forskning har undersökt effekten av träning hos människor på rumsliga navigationsuppgifter som presenteras i virtuella miljöer.

Därför utformades en kognitiv uppgift för att bedöma spatial inlärning och minne tillsammans med episodiskt minne med hjälp av en virtuell miljö. Det är viktigt att uppgiften utformades med hjälp av modern videospelsprogramvara för att möjliggöra uppdaterad grafisk design och realistiska funktioner (t.ex. rörliga moln på himlen). Denna uppgift testades i en grupp friska vuxna före och efter att de upplevde långvarig aerob träning. Resultaten indikerar att deltagarna kan koda och komma ihåg både rumslig information och episodiska minnen gällande sin virtuella upplevelse. Dessutom tyder resultaten på att prestationen på denna uppgift är plastisk och påverkas av träning.

Specifikt utvecklades en virtuell miljö genom en plattformsoberoende spelmotor²¹ som utvärderade spatial navigering och episodisk minnesförmåga, unika kognitiva färdigheter som stöds av hippocampus. Kartan som används för denna miljö härstammar från Miller et al. (2013)²². Spelmotorn som användes gör det möjligt för utvecklare att ladda ner tillgångar för att lägga till unika funktioner i syfte att bygga virtuella miljöer. En tillgång²³ utnyttjades som gjorde det möjligt för oss att bygga upp en realistisk stadsmiljö med vägar och byggnader som deltagarna kunde navigera igenom. Dessutom användes en tillgång²⁴ som gjorde det möjligt att spåra deltagarnas x-, y- och z-koordinater och rotation medan de reste genom den virtuella miljön. Den tidigare nämnda tillgången gjorde det möjligt att registrera dessa funktioner på en millisekunds tidsskala (~33 ms). Den virtuella miljön kompilerades sedan och administrerades som en rumslig navigationsuppgift som deltagarna kunde utföra hemma på en bärbar eller stationär dator. Protokollet nedan beskriver hur du administrerar och engagerar dig i den här rumsliga navigeringsuppgiften.

Protocol

All studiedokumentation och datainsamlingsmetoder har godkänts av och i överensstämmelse med New York University Committee on Activities Involving Human Subjects. Deltagarna gav sitt informerade samtycke innan de deltog i några studierelaterade aktiviteter.

1. Ställa in spelet

1. Ladda ned de nödvändiga filerna från följande offentliga lagringsplats: https://github.com/embodiedbrainlab/BassoSpatialNavigationTask
2. Ladda ned Unity Hub från unity.com/download och installera Unity version 5.3.1f1.
3. Öppna filen som laddats ned från lagringsplatsen i steg 1.1 som ett projekt i Unity.
4. När projektet har skapats med de nedladdade filerna väljer du fliken Arkiv överst i fönstret och väljer Skapa och kör.
5. Fönstret Build Inställningar (bygginställningar ) visas först. Välj SpatialNavigation > Scenes > Big City B Lures and Scenes/LeFin. Välj PC, Mac och Linux Standalone och klicka sedan på knappen Skapa och kör .
   OBS: Ett fönster visas som ber forskaren att spara en .exe (Application) file. När forskaren har byggt applikationen kan de dubbelklicka på applikationen för att köra framtida iterationer av protokollet. Om forskaren bestämmer sig för att köra den här filen kommer dess respektive resultat att sparas i samma katalog som programmet finns i.
6. Ett fönster med namnet SpatialNavWeb Configuration visas. Justera skärmupplösningen och grafikkvaliteten under fliken Grafik . Ändra kontrollerna för spelet under fliken Inmatning .
7. Klicka på Spela! för att påbörja den rumsliga navigeringsuppgiften.

2. Registrering av hjärnaktivitet med elektroencefalografi (EEG) under den rumsliga navigeringsuppgiften

OBS: EEG mäter aktiviteten hos neuroner i cortex i den mänskliga hjärnan i mikrovolt på en millisekunds tidsskala genom elektroder placerade på hårbotten. EEG är en icke-invasiv form av hjärnavbildning som gör det möjligt att skanna en deltagares hjärna medan de utför andra aktiviteter, till exempel att navigera i virtuella miljöer.

1. Använd ett måttband för att mäta deltagarens huvud från inion till näsa för att säkerställa att EEG-locket sitter korrekt.
2. Placera elektroder i EEG-locket (om det behövs) och utrusta deltagaren med EEG-locket, se till att det passar och placeras korrekt (Figur 1A).
3. Starta EEG-programvaran. Fyll varje elektrod med elektrodgel för att säkerställa att impedansmätningarna är under 25 kΩ.
4. När EEG-signalen ser ren ut och utan signifikanta artefakter börjar du spela in.
5. Låt en medlem av forskargruppen titta på deltagaren när deltagaren utför stegen nedan.
6. Skicka en triggerpuls till EEG-registreringssystemet vid var och en av följande händelser (Figur 1B)
   Början av kodningsfasen
   Slut på kodningsfasen
   Början av minnesfasen
   Slutet på minnesfasen
   Början av den episodiska minnesfasen
   Slutet av den episodiska minnesfasen
   Eventuella andra händelser som forskaren finner av intresse

Figur 1: Elektroencefalografiinspelning under spel med rumslig navigering. (A) Bild av en person som är utrustad med en mobil elektroencefalografienhet (EEG) när han utför den rumsliga navigeringsuppgiften. Kraftspektraldensitetsdiagram för theta-aktivitet (4-8 Hz) under (B) kodningsfasen, (C) minnesfasen och (D) episodiska minnesfasen. All data förbehandlades och effekten normaliserades efter frekvens (uV²/Hz). Klicka här för att se en större version av denna figur.

OBS: Forskare som använder Arduino-teknik kan också skicka synkroniserade triggers mellan EEG-inspelningen och spelmotormiljön så att en exakt parning mellan neurofysiologiska och beteendemässiga data kan ske på en millisekunds tidsskala. Med dessa markörer kommer forskare att kunna hänvisa tillbaka till deltagarens hjärnaktivitet före, under och efter kritiska interaktioner med den virtuella miljön. Forskare kan också överväga att genomföra en period av grundläggande hjärnaktivitet före och/eller efter engagemang i den virtuella miljön så att senare jämförelser kan göras.

3. Instruktioner för den rumsliga navigeringsuppgiften (figur 2)

1. Instruktioner: Se till att deltagaren sitter bekvämt, helst med fötterna på golvet. Låt deltagaren läsa instruktionerna på skärmen, som kommer att be dem att besöka specifika landmärken i en stadsbild samtidigt som de försöker komma ihåg sin omgivning och de vägar de tog (Figur 2A).
2. Se till att mötesdeltagaren är orienterad mot musen och tangentbordet. Instruera deltagaren att använda musen och vänsterklicka för att påbörja uppgiften (Figur 2A).
3. Se till att deltagaren förstår att de kommer att behöva navigera i miljön med W-, A-, S- och D-tangenterna på tangentbordet. W-tangenten kommer att flytta dem framåt, medan S-tangenten kommer att flytta dem bakåt. Alternativt kommer upp- och nedpilarna också att flytta dem framåt och bakåt. A-tangenten flyttar dem till vänster och D-tangenten flyttar dem till höger.
4. Se till att deltagaren vet att han eller hon kan använda datormusen för att flytta motivets synvinkel som om deltagaren rörde på huvudet. Deltagarna kan titta uppåt, nedåt, åt vänster och åt höger. Inga musklick är nödvändiga för att flytta deras synvinkel.
   OBS: Anvisningar om hur man navigerar i den virtuella miljön visas i det övre högra hörnet av deltagarnas skärm (Figur 2A-F).

Figur 2: Bilder av rumslig navigeringsuppgift. Skärmdumpar av uppgiften för spatial navigering och episodiskt minne som utvecklats i en plattformsoberoende spelmotor. Exempel på skärmdumpar visas från vänster till höger, med början i det övre vänstra hörnet: (A) övergripande instruktioner; (B) Resor under kodningsfasen. (C) Lokalisering av skyltfönster under kodningsfasen. (D) Resor under kodningsfasen. (E) instruktioner för att komma ihåg fasen; (F) Leveransdelen av minnesfasen; G) Instruktioner för episodisk minnesfas. H) Episodisk minnesfas. (I) slut på spelet. Klicka här för att se en större version av denna figur.

4. Kodningsfasen för den rumsliga navigeringsuppgiften

1. Låt deltagaren besöka de första landmärkena (Figur 3) genom att låta dem aktivt följa en grön stig med gröna pilar (Figur 2B).
2. När deltagaren anländer till det första landmärket ska deltagaren låta deltagaren gå genom den gröna diamanten på den platsen (Figur 2C).
3. När deltagaren har samlat in den gröna diamanten låter du deltagaren besöka nästa landmärke genom att följa den gröna stigen. När deltagaren anländer till det andra landmärket låter du deltagaren gå genom den gröna diamanten på den platsen.
4. Låt deltagaren fortsätta att utföra den här uppgiften tills deltagaren besöker alla fem landmärken och samlar in alla fem diamanterna (Figur 2D).
   OBS: Under hela kodningsfasen av den här uppgiften kommer deltagarna att bli ombedda att memorera platsen för de fem landmärkena i hela staden (figur 3). Ett fågelperspektiv över uppgiften visas i figur 4.

Figur 3: Bilder av skyltfönster. Deltagarna besökte fem av de arton platser som utvecklats i miljön, var och en med ett unikt och detaljerat skyltfönster. Exempel på dessa platser var (A) en pizzeria, (B) en vitaminbutik, (C) en möbelaffär, (D) en bröllopsbutik, (E) en kiosk och (F) ett kasino. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 4: Karta över rumslig navigeringsuppgift. Fågelperspektiv över den virtuella miljö som deltagarna navigerade genom. Klicka här för att se en större version av denna figur.

5. Komma ihåg fasen av den rumsliga navigeringsuppgiften

1. Låt sedan deltagaren gå tillbaka till varje landmärke (dvs. minnesfasen; Figur 2E).
   OBS: Deltagarna kommer att börja minnesfasen från den senaste platsen de besökte under kodningsfasen.
2. Låt deltagaren använda musen och vänsterklicka ovanpå Börja (Figur 2E).
3. Låt deltagaren besöka det första landmärket som deltagaren besökte under kodningsfasen.
4. Låt deltagaren "leverera" ett unikt föremål till det första landmärket.
   OBS: Ingen grön sökväg/pilar kommer att erbjudas under denna del av uppgiften (Figur 2F).
5. När deltagaren har levererat föremålet ber du deltagaren att navigera till det andra landmärket och leverera nästa unika föremål. Låt deltagaren fortsätta att utföra den här uppgiften tills deltagaren besöker alla fem landmärken och levererar alla fem föremålen.
   OBS: Denna del av uppgiften kommer att bedöma deltagarens spatiala inlärning och minnesförmåga. För att göra detta kommer programmet automatiskt att beräkna tiden för att hitta varje landmärke, den genomsnittliga söktiden och den totala tiden för uppgiften.

6. Episodisk minnesfas av den rumsliga navigeringsuppgiften

OBS: Episodisk minnestestning kommer att äga rum efter att minnesfasen är klar.

1. Börja genom att låta deltagaren använda musen för att vänsterklicka ovanpå Börja (Figur 2G).
2. Låt deltagaren komma ihåg de landmärken som deltagaren besökte och de föremål som deltagaren levererade i exakt den ordning som instruerats tidigare i minnesfasen (Figur 2G). Låt deltagaren skriva svaren med hjälp av datorns tangentbord (Figur 2H).

7. Slutföra uppgiften

1. Låt deltagaren läsa den slutliga uppmaningen för att bekräfta att uppgiften har slutförts och att uppgifterna har lämnats in (Figur 2I).

8. Datainsamling och analys

1. Uppgifter om beteende
   1. Leta reda på den Results.csv filen i programmets katalog (se till exempel Tilläggsfil 1 ).
      Om forskaren bestämmer sig för att klicka på Skapa och kör under fliken Arkiv i Unity-programmet sparas resultatfilen i den nedladdade mappen BassoSpatialNavigationTask-main . Om forskaren istället körde miljön genom att dubbelklicka på den inbyggda applikationen (steg 1.5) kommer resultatfilen att visas i samma katalog som applikationen. Resultatfilen skrivs över efter varje slutförande av den virtuella miljön. Därför rekommenderas det att extrahera dessa resultat efter varje slutförande av uppgiften och sammanställa dem i en separat fil för flera deltagare och prövningar.
   2. Se till att data är rena och ser rimliga ut.
   3. Använd Supplementary File 2 för att beräkna lämpliga poäng, inklusive starttid, sluttid, genomsnittlig söktid, placeringspoäng, objektpoäng, orderpoäng, associationspoäng och episodisk minnespoäng.
      OBS: Placeringspoängen beräknas genom att räkna antalet landmärken som återkallats korrekt. Orderpoängen beräknas genom att bestämma antalet landmärken som återkallas i rätt ordning. Föremålspoängen beräknas genom att räkna antalet föremål som återkallats korrekt. Associationspoängen beräknas genom att räkna ihop den korrekta parningen av plats till objekt. Slutligen beräknas den totala poängen för episodiskt minne genom att summera poängen för plats, ordning, objekt och associationer. Observera att råutdata för X/Z-koordinaterna inte är i rätt tidssekvens. Du kan åtgärda detta genom att sortera data i kolumnen Tid från de minsta till de största värdena.
   4. Mata in data i en valfri databas.
   5. Analysera data med hjälp av oberoende urval t-test, variansanalys eller andra lämpliga statistiska tester.
2. EEG-data
   1. Använd en förbehandlingspipeline för att rengöra EEG-data²⁵.
   2. Med hjälp av ett lämpligt mjukvarupaket kan du utföra tidsfrekvensanalys på EEG-data under långa tidsperioder där deltagaren navigerade i den virtuella miljön, till exempel under kodnings- och minnesfaserna av uppgiften.
   3. Genomför händelserelaterad potentialanalys om du är intresserad av specifika tidsperioder som deltagaren interagerade med den virtuella miljön.
   4. Genomför statistisk analys som är relevant för EEG-data och överväg att korrelera beteendedata med EEG-data.

Representative Results

Beskrivning av spelet ur ett kodningsperspektiv: För "kodningsfasen" placerades en serie av arton waypoints runt det 3-dimensionella utrymmet, där var och en hade en tillhörande "leveransartikel" (dvs. föremål som ska levereras till platsen). Referenser till dessa waypoints lagrades i spelarkontrollen och ordnades statiskt innan uppgiften påbörjades. Det vill säga, om pizzerian placerades i position ett, skulle den alltid vara i position ett först. För att ge en viss grad av slumpmässighet till de waypoints som deltagarna stötte på, blandades waypointlistan via Fisher-Yates shuffle-algoritm. Fisher-Yates-blandningen, som implementerats för denna studie, genererar en pseudoslumpmässig permutation av den ursprungliga sekvensen på plats. Varje möjlig permutation kan genereras med samma sannolikhet. Algoritmen börjar med att välja ett element från slutet av listan (n). Ett pseudoslumptal genereras i intervallet [0, n] och tilldelas värdet k. Det n:te värdet byts sedan ut mot det k^:te värdet. Därefter minskas värdet på n med ett, och processen upprepas tills det bara finns ett enda index som ännu inte beaktas.

Efter att listan över waypoints har blandats valdes de första fem elementen. Optimala banor genererades via spelmotorns navigationsnätsystem och inbyggda optimala banberäkningar. Denna serie av vägar började vid deltagarens startplats och skapade en länkad kedja mellan var och en av waypoints och slutade vid den slutliga waypointen. När deltagarna fick kontroll instruerades de att följa dessa vägar, markerade med en grön linje och en rörlig pil som gav avsedd riktningsinformation. Även om denna gröna linje och rörliga pil tillhandahölls, kunde deltagarna aktivt navigera i den virtuella miljön. När deltagaren angav gränserna för waypointen byttes den visade sökvägen ut mot nästa sökväg i listan.

Efter att ha besökt det avsedda antalet waypoint-element gick deltagaren in i "minnesfasen" (kallad RevisitIntermission i koden), där de instruerades att gå tillbaka till landmärkena i den ordning som de tidigare visades. När deltagaren försökte återbesöka de platser som presenterades under den guidade rundturen presenterades de för en bild som specificerades av waypoints tillhörande "Delivery Item". De fick inte något förslag till väg. Deras rörelser spårades med en komponent för rörelsespårning av objekt som hämtades från tillgångslagret.

När deltagarna var klara med att resa till varje presenterad waypoint fick de instruktioner som dirigerade dem till nästa skärm för att komma ihåg de platser de hade besökt och de föremål som levererats till var och en. Under återkallningsfasen fick deltagarna en uppmaning med två textinmatningar. Den första dikterade den waypoint som deltagaren ombads att resa till. Den andra dikterade "Leveransartikel" som var kopplad till denna waypoint. Svar och svarstid registrerades för varje uppmaning.

I slutet av uppgiften samlades data in och lagrades i JSON-representation. I den första delen spelades återbesöksfasen in, där deltagarna ombads att hitta platser utan hjälp av en riktlinje. Registrerade värden inkluderade waypointens namn, namnet på "Delivery Item" och den tid det tog att komma fram till waypointen. I det andra avsnittet registrerades de svar som presenterades under återkallningsfasen. Det här avsnittet innehöll deltagarnas svar för plats, "Leveransartikel" och den tid det tog att svara på de ovannämnda uppmaningarna. All kod kan hittas och laddas ner på https://github.com/embodiedbrainlab/BassoSpatialNavigationTask.

Effektanalys och statistik: En korrelationspunktsanalys av biseriell modell utfördes med G*Power 3.1 med hjälp av ett tvåsidigt test, en effektstorlek på 0,3, alfanivå på 0,05 och en potens på 0,8 för att bestämma en provstorlek på n = 82²⁶. Deskriptiv statistik användes för att bedöma deltagarnas ålder, antal cykelklasser och allmänna mått, inklusive både spatial navigering och episodisk minnesförmåga. Ett oberoende t-test användes för att testa signifikanta skillnader mellan det totala antalet träningspass mellan experiment- och kontrollgrupper. Med tanke på att inte alla data var normalfördelade, enligt Shapiro-Wilks test (p<0,05), använde vi den icke-parametriska Spearmans rho-korrelationskoefficient för att bedöma samband mellan spatial navigering och episodiska minnesförmågor samt ålder och spatial navigeringsförmåga. Ett alfavärde på 0,05 användes för att bestämma statistisk signifikans. Bonferroni-korrektioner användes i en familj av statistiska tester där så var lämpligt. IBM SPSS Statistics Version 26 användes för alla statistiska analyser. Pearsons korrelation mellan produkt och ögonblick användes för att bedöma förhållandet mellan det totala antalet cykelträningspass och spatial navigeringsförmåga, eftersom detta var den procedur som utfördes av Basso et al. (2022)²⁷.

Deltagare: N = 130 deltagare rekryterades från Austin, TX, genom olika tekniker, inklusive online- och flygbladsannonser. Inklusionskriterier inkluderade att ha engelska som huvudspråk och att vara mellan 25-55 år (genomsnitt 30,16 ± 0,49). Dessutom behövde alla deltagare rapportera att de var fysiskt friska och hade ett måttligt och regelbundet träningsprogram (definierat som att träna en eller två gånger i veckan i 20 minuter eller mer under de senaste 3 månaderna). Exklusionskriterier inkluderade att vara en nuvarande rökare eller redan existerande fysiska hälsotillstånd som gjorde träning svår eller osäker. Exklusionskriterier inkluderade också att ha en aktuell diagnos av och/eller ta medicin för psykiatriska eller neurologiska tillstånd, inklusive ångest, depression, bipolär sjukdom, schizofreni eller epilepsi.

För data före interventionen saknade n = 11 deltagare data på grund av tekniska problem, och n = 1 deltagare uteslöts på grund av att de inte följde uppgiften, vilket lämnade totalt n = 117 deltagare för analys. Av de n = 80 deltagare som slutförde det tre månader långa träningsprogrammet slutförde n = 11 deltagare inte den slutliga rumsliga navigeringsuppgiften, vilket lämnade totalt n = 69 deltagare för analys av data efter intervention och upprepade mätningar. Detta mindre urval användes för att undersöka sambandet mellan antalet cykelpass och spatial navigationsförmåga. Kontrollgruppen ägnade sig åt 20,73 (± 0,72) träningspass under interventionens gång, medan experimentgruppen ägnade sig åt 47,87 (± 2,24) träningspass, vilket representerade en statistiskt signifikant skillnad (t[45,76] = −11,554, p < 0,001).

Generella mått och deras relationer: Denna nya uppgift i den virtuella miljön mäter både rumslig navigering och episodisk minneskapacitet. Under den inledande testperioden före ingripandet tog uppgiften i genomsnitt 318,69 (±21,56) s att slutföra, med den genomsnittliga söktiden för var och en av de fem platserna på 82,88 (±5,19) s (figur 5A); Dessa datapunkter representerar spatial navigeringsförmåga (dvs. spatial inlärning och minne). Dessutom kunde deltagarna koda plats-, objekt-, ordnings- och associationsaspekter av den virtuella upplevelsen, där deltagarna kom ihåg 14,84 (±0,37) av 20 nya upplevelser i sin miljö (figur 5B); Dessa datapunkter representerar episodisk minnesförmåga. Det är viktigt att notera att den totala tiden (Figur 6A; r = -0,314, p < 0,001) och den genomsnittliga söktiden (Figur 6B; r = -0,286, p < 0,001) var signifikant korrelerade med den episodiska minnespoängen, vilket indikerar att spatial navigationsförmåga är förknippad med episodiskt minne i denna uppgift.

Bild 5: Tid för uppgiften. Medelvärde (± SEM) för både (A) spatial navigationsförmåga representerad i både genomsnittlig söktid och total söktid (tillhandahållen i sekunder) och (B) episodisk minnesförmåga representerad i kodning och minne av plats, objekt, ordning, association och övergripande episodisk minnespoäng. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 6: Förhållandet mellan spatial navigeringsförmåga och episodiskt minne. Förbättrad spatial navigeringsförmåga, som representeras av kortare (A) genomsnittlig söktid och (B) total söktid, är förknippad med förbättrat episodiskt minne som representeras av den episodiska minnespoängen. *p < 0,001. Klicka här för att se en större version av denna figur.

X- och z-koordinater representerade i virtuellt utrymme: Med hjälp av en objektrörelsespårare spårades x- och z-koordinater i detta 3-dimensionella virtuella utrymme (tilläggsfil 1). Eftersom det inte är aktiverat att röra sig uppåt och nedåt i spelet (d.v.s. hoppa) i den här rumsliga navigeringsuppgiften, gav y-koordinaterna inte användbar information. X- och z-koordinaterna gjorde det dock möjligt för oss att bedöma hur deltagaren rörde sig under spelets gång. Baserat på dessa data utformades datorkoden för att visuellt visa en värmekarta över var deltagaren reste genom hela kartan. Figur 7 visar en värmekarta från en representativ deltagare, som visar den rutt som deltagaren tog under minnesfasen. De platser som är markerade i gult/rött motsvarar leveransplatserna (dvs. belöningen) på kartan.

Figur 7: Värmekarta över beläggning. Värmekarta över beläggning som visar deltagarens rutt. Gula/röda sektioner i diagrammet representerar de platser som deltagaren besökte och motsvarar platser i den rumsliga navigeringsuppgiften där deltagarna var tvungna att leverera föremål (dvs. belöningsplatser). Klicka här för att se en större version av denna figur.

Samband mellan ålder och spatial navigeringsförmåga: Initiala undersökningar indikerade att spatial navigeringsförmåga bedömd som total söktid var signifikant associerad med ålder (Figur 8; r = 0,157, p = 0,045). Med stigande ålder minskar den spatiala navigeringsförmågan, vilket framgår av en ökad total söktid. Men när Bonferroni-korrigeringen tillämpades, där statistisk signifikans bedömdes till p = 0,025 för två korrelationer (dvs. total söktid och genomsnittlig söktid), var korrelationen inte längre signifikant.

Figur 8: Förhållandet mellan spatial navigeringsförmåga och ålder. Vid utvärdering med hjälp av en Bonferonni-korrigering (p < 0,025) var ålder inte signifikant associerad med spatial navigeringsförmåga som representeras av total söktid. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Samband mellan aerob träning och spatial navigationsförmåga: Aerob träning, träningen ägde rum på en inomhuscykelstudio²⁸. Alla klasser var 45 minuter långa och inkluderade cykling med måttlig till kraftig intensitet under hela klassen. Deltagarna genomgick slumpmässiga tilldelningar för att antingen behålla sitt befintliga träningsprogram eller öka sitt träningsprogram. Deltagare som behöll sitt träningsprogram deltog i 1 till 2 klasser per vecka, medan deltagare som ökade sitt träningsprogram deltog i 4 till 7 klasser per vecka. Deltagarna ägnade sig åt sitt tilldelade träningsprogram under en period av 3 månader. Spatial navigering och episodisk minnesförmåga testades före och efter träning. Ytterligare detaljer om interventionen finns i Basso et al. (2022)²⁷. Det totala antalet cykelklasser under loppet av tre månader var signifikant associerat med genomsnittlig söktid (Figur 9A; r = -0,321, p = 0,007) och total söktid (Figur 9B; r = -0,242, p = 0,045). Men när Bonferroni-korrigeringen tillämpades, där statistisk signifikans bedömdes till p = 0,025 för två korrelationer (dvs. total söktid och genomsnittlig söktid), var korrelationen för total söktid inte längre signifikant. Ytterligare resultat från interventionen finns i Basso et al. (2022)²⁷.

Figur 9: Förhållandet mellan spatial navigeringsförmåga och träning. Ett ökat antal cykelpass är förknippat med förbättrad spatial navigeringsförmåga, vilket representeras av (A) genomsnittlig söktid och (B) total söktid. *p < 0,05. Denna siffra har modifierats med tillstånd från Basso et ^al.27. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Tilläggsfil 1: Rådata 1. Rådata, inklusive information om fasen för att komma ihåg (återbesök) och episodiskt minne (återkalla) i den rumsliga navigeringsuppgiften. Data om deltagarnas x- och z-koordinater från att resa runt i det 3-dimensionella virtuella rummet under kodnings- och minnesfaserna av experimentet presenteras också. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Tilläggsfil 2: Rådata 2. Rådata med beräkningar (visas i rött) för att bestämma starttid, sluttid, genomsnittlig söktid, placeringspoäng, objektpoäng, orderpoäng, associationspoäng och episodisk minnespoäng. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Discussion

Denna studie undersökte effektiviteten av en ny virtuell verklighetsuppgift för att bedöma rumslig navigering hos människor. Denna kognitiva uppgift, som bara tar cirka 10 minuter att slutföra, kan användas för att bedöma två unika typer av hippocampusberoende kognition - spatial navigering och episodisk minnesförmåga. Det är viktigt att notera att spatial navigationsförmåga var signifikant associerad med episodisk minnesförmåga. Slutligen var denna uppgift känslig för ett träningsparadigm för fysisk aktivitet. Det vill säga, ökad träning var förknippad med ökad prestation. Denna uppgift inspirerades av arbetet av Miller et al. (2013) som undersökte virtuella miljöer hos patienter med läkemedelsresistent epilepsi och hippocampus djupelektroder placerade i syfte att lokalisera anfall. De fann att under förtrogenhetsfasen av den rumsliga navigeringsuppgiften (dvs. kodningsfasen) aktiverades platsresponsiva celler i hippocampus och associerade mediala temporallobsstrukturer²². Dessutom fann de att när deltagarna var engagerade i en fri återkallningskomponent (dvs. en minnesfas som inte involverade aktiv navigering), blev samma platsresponsiva celler som var aktiva under kodningen aktiva igen. Befintliga studier på gnagare som använder öppna fält och labyrintliknande miljöer har visat att det finns sådana platsceller, och Dr. John O'Keefe, May-Britt Moser och Edvard Moser vann 2014 års Nobelpris i fysiologi eller medicin för denna upptäckt 2,29,30,31. Dessutom har studier med virtuella miljöer på människor visat att liknande celler i människans hippocampus kodar för resor genom tid och rum 22,32,33. Även om uppgiften liknar den som presenteras i Miller et al. (2013) och andra 22,34,35,36,37,38^, utvecklades den med den senaste plattformsoberoende spelmotorn och tekniken, med hjälp av verkliga funktioner som rörliga moln och tydliga stadslandmärken och skyltfönsterfunktioner. Andra forskare har utnyttjat andra rumsliga navigeringsuppgifter hos människor; Dessa uppgifter är dock begränsade i sin ekologiska giltighet. Till exempel används den virtuella Starmaze-uppgiften för att bedöma navigeringsförmågor men placerar deltagarna i en stjärnformad labyrint 39,40,41,42,43,44. Dessutom är NavWell en tillgänglig plattform som är värd för rumslig navigering och minnesexperiment som liknar Morris Water Maze hos gnagare (vilket placerar deltagarna i en cirkulär arena), och ger utvecklare grundläggande geometriska former för att bygga en miljö⁴⁵. Dessutom är Landmarks-tillgångarna på plattformsoberoende spelmotorer tillgängliga för att bygga och utveckla rumsliga navigeringsuppgifter som finns i en kvadratisk miljö¹². Den aktuella uppgiften är unik eftersom den ger användarna en miljö och uppgift som liknar den verkliga världen - att navigera i en stadsbild och memorera landmärken och handlingar. Uppgiften skiljer sig också från den virtuella Starmaze-uppgiften och NavWell eftersom den bedömer episodiskt minne utöver rumslig navigering.

I denna uppgift var spatial navigationsförmåga signifikant relaterad till episodisk minnesförmåga. Andra har visat att dessa två kognitiva förmågor verkligen är distinkta och att de är beroende av olika regioner i hippocampus^38,46. Den populära "Cognitive Map Theory" säger att hjärnan bygger och lagrar en "karta" över en individs rumsliga miljö så att den senare kan användas i framtiden för att vägleda handlingar och beteenden⁴⁷. Forskning har föreslagit att hippocampus kodar för rumslig information samtidigt som den stöder episodisk minnesbildning. Mer specifikt tror man att den högra hippocampus kodar för spatialt minne medan den vänstra hippocampus lagrar episodiska minnen³⁸. Resultaten av den aktuella nya spatiala navigationsuppgiften, som visar en tydlig koppling mellan spatialt och episodiskt minne, ger stöd till Cognitive Map Theory och föreslår att denna uppgift potentiellt kan användas för att undersöka förhållandet mellan spatial navigering och episodiskt minne i icke-kliniska populationer. Framtida studier bör försöka undersöka detta förhållande i kliniska populationer, inklusive de med neurodegenerativa sjukdomar som mild kognitiv funktionsnedsättning, Alzheimers sjukdom eller andra typer av demens.

Denna uppgift var känslig för träning eller det totala antalet cykelpass som genomfördes under en 3-månadersperiod. Tidigare studier på gnagare har visat att träning är ett av de mest potenta sätten att öka hippocampusberoende kognition, inklusive långtidsminne, mönsterseparation, spontan växling, kontextuell rädslobetingning, passiv undvikande inlärning och ny objektigenkänning, med denna effekt beroende av träningsinducerade ökningar av hippocampus neurogenes 48,49,50. Dessutom har litteraturen visat att långvarig träning förbättrar hippocampusfunktionen hos människor, med förbättringar som ses i återkallande av ordlista, återkallande av berättelser och både spatialt och icke-spatialt relationellt minne; Denna effekt tros drivas av ansträngningsutlösta ökningar av hippocampus volym 7,27,51,52,53,54,55. Denna nya uppgift i rumslig navigering kompletterar resultaten från gnagare och bidrar till den mänskliga litteraturen, vilket visar vikten av fysisk aktivitet för rumslig navigeringsförmåga.

Även om ålder i de första undersökningarna var negativt associerat med spatial navigationsförmåga, eliminerades denna effekt när man tillämpade en Bonferroni-korrigering. Detta indikerar att den rumsliga navigeringsförmågan kan bevaras till och med 55 års ålder. Annan litteratur visar att spatial navigering är en kognitiv förmåga som minskar vid 56,57,58 års ålder. Neuroradiologiska studier har visat att åldersrelaterad neurodegeneration i områden inklusive hippocampus, parahippocampus gyrus, bakre gördelvindlingen (retrosplenial cortex), parietallober och prefrontala cortex kan vara inblandade i sådan åldersrelaterad kognitiv försämring⁵⁸. Med tanke på att åldersspannet var begränsat (25-55 år), genom att inkludera ett större åldersintervall, särskilt äldre vuxna (65+), kan framtida forskare se ett signifikant samband mellan ålder och spatial navigationsförmåga. Framtida studier bör överväga att utföra denna rumsliga navigeringsuppgift hos vuxna 65 år och äldre och även de med mild kognitiv funktionsnedsättning eller andra demensliknande störningar.

En uppenbar felande länk i virtuella navigationsuppgifter är bristen på förhållandet mellan kropp och hjärna. Det vill säga, vid navigering genom verkliga miljöer sker aktiveringen på nivån för det perifera och centrala nervsystemet, inklusive aktivering av proprioceptorer, exteroceptorer, interoceptorer och vestibulära systemet tillsammans med de sensomotoriska kortikerna, basala ganglierna och lillhjärnan. Utan denna fysiska inmatning kan virtuell navigering skilja sig markant från fysisk navigering. Trots detta har studier visat att virtuella miljöer stimulerar samma hjärnregioner som navigering i den verkliga världen 22,32,33. Att göra uppgiften mer aktiv, som var designen i den aktuella uppgiften, kan hjälpa till att övertyga hjärnan om att den fysiskt rör sig genom tid och rum, vilket efterliknar naturlig rumslig navigering. Andra har funnit stöd för denna hypotes. En studie av Meade et al. (2019) undersökte skillnaderna mellan aktiv och passiv kodning vid användning av en liknande virtuell rumslig navigeringsuppgift⁵⁹. Aktiv navigering innebär att deltagarna kan röra sig på egen hand genom det virtuella rummet (i likhet med den aktuella studien), medan passiv navigering består av en guidad tur där deltagarna inte rör sig utan snarare visas navigeringsvägen. Författarna föreslog att aktiv navigering kan vara mer fördelaktig för äldre befolkningar på grund av involveringen av fysiska (t.ex. rörelse och proprioception) och kognitiva komponenter (t.ex. beslutsfattande och uppmärksamhet), och kan tjäna till att förbättra minnesprestanda genom direkt inblandning i processen för minneskodning. Den aktiva navigeringen som användes i den aktuella studien kunde förklara resultaten och visa att deltagarna kunde återkalla episodiska minnen av sina upplevelser på ett korrekt sätt.

Aktiv navigering kan också bidra till att engagera multisensoriska integrationsområden som retrosplenial complex (RSC)60,61,62. En nyligen genomförd studie visade att faktisk förflyttning under en rumslig navigeringsuppgift i virtuell verklighet, som krävde att deltagarna reste mellan platser samtidigt som de kom ihåg hem- och landmärken, resulterade i RSC theta-oscillationer (dvs. 4-8 hertz neuronala svängningar registrerade med EEG)¹⁶. Denna ökade theta-kraft var mest framträdande under förändringar och rotationer av huvudets riktning. Hos gnagare har det visats att RSC theta-aktivitet är avgörande för rumslig kodning som involverar rutnätsceller och beräkning av huvudriktning^63,64. RSC anses också vara viktigt för att använda ledtrådar från omgivningen för att förankra en människas kognitiva karta⁴⁷.

Även om virtuella rumsliga navigeringsuppgifter ger många fördelar, hindrar de individen från att fysiskt röra sig genom tid och rum, vilket orsakar begränsad aktivering av de proprioceptiva, vestibulära och sensomotoriska systemen. Det finns en inkongruens mellan sensoriska och motoriska processer, vilket kan leda till att vissa deltagare blir yra eller illamående. I den aktuella uppgiften begränsades detta genom att kontrollera hastigheten med vilken deltagarna kunde röra sig och se sig omkring i omgivningen. För att kunna koda alla aspekter av miljön var det nödvändigt att kunna se sig omkring (dvs. ägna sig åt virtuell huvudrotation); Denna förmåga behövde dock vara tillräckligt långsam för att säkerställa att deltagarna inte blev fysiskt sjuka. Trots detta är förmågan att spatialt navigera när man är stillasittande fördelaktig eftersom det gör det möjligt för forskare att studera individer som upplever rörlighetsproblem, fysisk trötthet eller andra funktionshinder som hindrar en individ från att vara ambulerande. En annan begränsning är att denna uppgift ännu inte har testats för tillförlitlighet och validitet, medan andra uppgifter rör sig i denna riktning, inklusive virtuell rumslig navigeringsbedömning (VSNA)⁶⁵. Framtida forskning skulle kunna undersöka associerad neural aktivitet genom elektroencefalografi eller funktionell magnetisk resonanstomografi medan deltagarna slutför denna rumsliga navigeringsuppgift. Deltagarna kunde också utrustas med enheter som mäter fysiologiska variabler som hjärtfrekvensvariabilitet och elektrodermal aktivitet. Detta skulle göra det möjligt att undersöka både de perifera och centrala mekanismer som uppstår när man navigerar i virtuella miljöer. Det är viktigt att denna uppgift kan användas för att bedöma förändringar i rumslig navigeringsförmåga över tid. Framtida studier skulle kunna använda denna uppgift för att undersöka hur åldrande eller neurodegenerativa tillstånd som Alzheimers eller Parkinsons sjukdom påverkar en individs rumsliga navigering och episodiska minne. Omvänt kan denna uppgift användas för att utforska hur ytterligare interventioner för kropp, själ och rörelse påverkar rumslig navigering och episodiskt minne, inklusive dans, yoga eller meditation.

Materials

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