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Behavior

Valutazione della navigazione spaziale umana in uno spazio virtuale e della sua sensibilità all'esercizio fisico

Published: January 26, 2024
doi:
10.3791/65332
, , , , , ,
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

Qui, presentiamo un compito di navigazione spaziale nuovo, breve e attivo che valuta sia la navigazione spaziale che la capacità di memoria episodica. È importante sottolineare che la navigazione spaziale e la memoria episodica erano associate l’una all’altra e questo compito ha dimostrato sensibilità all’esercizio.

Abstract

La navigazione spaziale (SN) è la capacità di muoversi attraverso l’ambiente, che richiede una comprensione di dove ci si trova nel tempo e nello spazio. Questa capacità è nota per basarsi sull’attivazione sequenziale delle cellule di posizione all’interno dell’ippocampo. La SN è un comportamento importante da indagare poiché questo processo si deteriora con l’età, specialmente nelle malattie neurodegenerative. Tuttavia, l’indagine sulla SN è limitata dalla mancanza di sofisticate tecniche comportamentali per valutare questo compito ippocampale-dipendente. Pertanto, l’obiettivo di questo protocollo era quello di sviluppare un nuovo approccio al mondo reale per studiare la SN negli esseri umani. In particolare, è stato sviluppato un task SN virtuale attivo utilizzando un motore di gioco multipiattaforma. Durante la fase di codifica, i partecipanti si sono fatti strada attraverso una città virtuale per individuare i punti di riferimento. Durante la fase di ricordo, i partecipanti ricordavano dove si trovavano queste posizioni di ricompensa e consegnavano gli articoli a queste posizioni. Il tempo per trovare ogni posizione è stato catturato e la memoria episodica è stata valutata da una fase di richiamo libero, inclusi gli aspetti di luogo, ordine, oggetto e associazione. Il comportamento del movimento (coordinate x, y e z) è stato valutato attraverso una risorsa disponibile nel motore di gioco. È importante sottolineare che i risultati di questo compito dimostrano che cattura accuratamente sia l’apprendimento spaziale che le capacità di memoria, nonché la memoria episodica. Inoltre, i risultati indicano che questo compito è sensibile all’esercizio, che migliora il funzionamento dell’ippocampo. Nel complesso, i risultati suggeriscono un nuovo modo per monitorare il funzionamento dell’ippocampo umano nel corso del tempo, con questo comportamento sensibile ai paradigmi di allenamento dell’attività fisica.

Introduction

Muovere il corpo nel tempo e nello spazio è fondamentale per apprendere e ricordare le informazioni sull’ambiente. Questa capacità è nota come navigazione spaziale e, evolutivamente parlando, è uno strumento di sopravvivenza essenziale per localizzare cibo, acqua, controparti sociali e altre ricompense nell’ambiente 1,2. La navigazione spaziale dipende dall’ippocampo, una struttura del sistema limbico a forma di C nel lobo temporale mediale. L’ippocampo è costituito dalle sottoregioni CA1, CA2, CA3 e giro dentato. L’ippocampo supporta la codifica, il consolidamento e il recupero dei ricordi che aiutano a definire l’esperienza cosciente. In particolare, la navigazione spaziale supporta la memoria episodica, una forma di memoria esplicita che si riferisce alla memoria dell’esperienza personale, inclusi aspetti del tempo, del luogo e dettagli rilevanti associati all’esperienza (ad esempio, immagini, suoni, odori, emozioni). Mentre navighiamo spazialmente attraverso ambienti distinti, i neuroni noti come cellule di posizione si attivano sistematicamente, permettendoci di capire dove ci troviamo sia nel tempo che nello spazio. Infatti, è stato dimostrato che la stimolazione ottica diretta di questi neuroni distorce il comportamento dei roditori verso la loro posizione fisica (cioè i campi di luogo)3.

La valutazione della navigazione spaziale nei roditori è stata tradizionalmente studiata attraverso paradigmi comportamentali come il labirinto d’acqua di Morris, il labirinto a Y, il labirinto a T e il labirinto a braccio radiale 4,5. È importante sottolineare che questi compiti comportamentali consentono lo studio in vivo dei correlati neurali della navigazione spaziale utilizzando tecniche come le registrazioni elettrofisiologiche della profondità. Tuttavia, la valutazione della navigazione spaziale negli esseri umani si è dimostrata scientificamente impegnativa perché la maggior parte delle indagini scientifiche avviene in laboratorio e non nel mondo reale. Precedenti studi sull’uomo hanno valutato le abilità spaziali con compiti cartacei tradizionali come compiti di apprendimento bidirezionale delle mappe, compiti di rotazione mentale o compiti di memoria spaziale 6,7. Altri hanno utilizzato compiti basati su computer come il Virtual Morris Water Task o altri compiti di labirinto virtuale, che hanno dimostrato di essere correlati con misure psicometriche più tradizionali di abilità spaziale 8,9. Inoltre, con l’accessibilità di pacchetti software per videogiochi disponibili al pubblico e gratuiti, i ricercatori hanno iniziato a sviluppare ambienti virtuali tridimensionali che possono essere presentati sullo schermo di un computer o in realtà virtuale 10,11,12,13,14,15. I progressi scientifici nell’imaging mobile cervello-corpo (MoBI) hanno anche permesso ai ricercatori di iniziare a esplorare la navigazione spaziale in contesti del mondo reale 16,17,18.

È importante sottolineare che l’apprendimento spaziale e la memoria sono un’abilità cognitiva che si deteriora con l’età, con le persone anziane che hanno maggiori probabilità di perdere traccia di dove si trovano o di perdersi quando cercano di tornare a casa. Questo deficit è molto probabilmente dovuto alla neurodegenerazione che si verifica a livello dell’ippocampo, un’area cerebrale altamente plastica che è una delle prime a deteriorarsi con i19 anni. Pertanto, lo sviluppo di metodi del mondo reale per valutare le capacità di navigazione spaziale e di memoria episodica è un’importante via di ricerca. A livello clinico, questi tipi di compiti possono aiutare a determinare la progressione del declino della memoria o diagnosticare un lieve deterioramento cognitivo, il morbo di Alzheimer o altre forme di demenza. Al contrario, l’attività fisica è stata identificata come uno dei migliori meccanismi per migliorare le capacità di navigazione spaziale. Gli studi sui roditori hanno dimostrato che l’esercizio fisico migliora l’apprendimento e la memoria in vari compiti spaziali, tra cui il labirinto d’acqua Morris, il labirinto a Y, il labirinto a T e il labirinto a braccio radiale20. I miglioramenti indotti dall’esercizio fisico nelle abilità spaziali sono stati dimostrati anche negli esseri umani, con questo effetto significativamente correlato a un aumento del volume dell’ippocampo7. Tuttavia, questo effetto comportamentale è stato dimostrato utilizzando un compito di memoria spaziale in cui ai partecipanti è stato chiesto di ricordare le posizioni dei punti su uno schermo, un compito che potrebbe non avere molta validità ecologica per la navigazione spaziale del mondo reale. Poche ricerche hanno studiato l’impatto dell’esercizio fisico negli esseri umani sui compiti di navigazione spaziale presentati in ambienti virtuali.

Pertanto, è stato progettato un compito cognitivo per valutare l’apprendimento spaziale e la memoria insieme alla memoria episodica utilizzando un ambiente virtuale. È importante sottolineare che l’attività è stata progettata utilizzando i moderni software per videogiochi per consentire progetti grafici aggiornati e funzionalità realistiche (ad esempio, nuvole in movimento nel cielo). Questo compito è stato testato in un gruppo di adulti sani prima e dopo aver sperimentato la pratica di esercizio aerobico a lungo termine. I risultati indicano che i partecipanti possono codificare e ricordare sia le informazioni spaziali che i ricordi episodici relativi alla loro esperienza virtuale. Inoltre, i risultati indicano che le prestazioni in questo compito sono plastiche, essendo influenzate dall’esercizio.

Nello specifico, è stato sviluppato un ambiente virtuale attraverso un motore di gioco multipiattaforma21 che ha valutato la navigazione spaziale e la capacità di memoria episodica, abilità cognitive uniche supportate dall’ippocampo. La mappa utilizzata per questo ambiente è stata derivata da Miller et al. (2013)22. Il motore di gioco utilizzato consente agli sviluppatori di scaricare risorse per aggiungere funzionalità uniche allo scopo di creare ambienti virtuali. È stato utilizzato un asset23 che ci ha permesso di costruire un ambiente urbano realistico con strade ed edifici attraverso i quali i partecipanti potevano navigare. Inoltre, è stato utilizzato un asset24 che ha permesso di tracciare le coordinate x, y e z e la rotazione dei partecipanti mentre viaggiavano attraverso l’ambiente virtuale. L’asset di cui sopra ha permesso la registrazione di queste caratteristiche su una scala temporale di millisecondi (~33 ms). L’ambiente virtuale è stato quindi compilato e amministrato come un’attività di navigazione spaziale che i partecipanti potevano completare a casa su un laptop o un computer desktop. Il protocollo seguente descrive in dettaglio come amministrare e interagire con questa attività di navigazione spaziale.

Protocol

Tutta la documentazione dello studio e i metodi di raccolta dei dati sono stati approvati e in conformità con il Comitato dell’Università di New York per le attività che coinvolgono soggetti umani. I partecipanti hanno dato il loro consenso informato prima di partecipare a qualsiasi attività correlata allo studio. 1. Impostazione del gioco Scarica i file necessari dal seguente repository pubblico: https://github.com/embodiedbrainlab/BassoSpatialNavigationTask Scarica Unity Hub da unity.com/download e installa Unity versione 5.3.1f1. Aprire il file scaricato dal repository nel passaggio 1.1 come progetto su Unity. Dopo aver creato il progetto con i file scaricati, selezionare la scheda File nella parte superiore della finestra e selezionare Compila ed esegui. Apparirà prima la finestra Impostazioni build . Selezionare SpatialNavigation > Scene > Esche e scene Big City B/LeFin. Seleziona PC, Mac e Linux Standalone e fai clic sul pulsante Crea ed esegui .NOTA: Apparirà una finestra che chiede al ricercatore di salvare un file .exe (Applicazione). Una volta che il ricercatore ha creato l’applicazione, può fare doppio clic sull’applicazione per eseguire le future iterazioni del protocollo. Se il ricercatore decide di eseguire questo file, i rispettivi risultati verranno salvati nella stessa directory in cui si trova l’applicazione. Apparirà una finestra intitolata Configurazione SpatialNavWeb . Regola la risoluzione dello schermo e la qualità grafica nella scheda Grafica . Cambia i controlli del gioco nella scheda Input . Fai clic su Gioca! per avviare l’attività di spostamento spaziale. 2. Registrazione dell’attività cerebrale con l’elettroencefalografia (EEG) durante l’attività di navigazione spaziale NOTA: L’EEG misura l’attività dei neuroni nella corteccia del cervello umano in microvolt su una scala temporale di millisecondi attraverso elettrodi posizionati sul cuoio capelluto. L’EEG è una forma non invasiva di imaging cerebrale che consente di scansionare il cervello di un partecipante mentre svolge altre attività, come la navigazione in ambienti virtuali. Utilizzando un metro a nastro, misurare la testa del partecipante da un ione all’altro per garantire il corretto montaggio della cuffia EEG. Posizionare gli elettrodi nella cuffia EEG (se necessario) e dotare il partecipante della cuffia EEG, assicurandosi che l’adattamento e il posizionamento siano corretti (Figura 1A). Avviare il software EEG. Riempire ogni elettrodo con gel per elettrodi per assicurarsi che le misure di impedenza siano inferiori a 25 kΩ. Una volta che il segnale EEG appare pulito e senza artefatti significativi, inizia a registrare. Chiedi a un membro del team di ricerca di osservare il partecipante mentre esegue i passaggi seguenti. Inviare un impulso di attivazione al sistema di registrazione EEG in corrispondenza di ciascuno dei seguenti eventi (Figura 1B)Inizio della fase di codificaFine della fase di codificaInizio della fase del ricordoFine della fase del ricordoInizio della fase di memoria episodicaFine della fase di memoria episodicaQualsiasi altro evento che il ricercatore ritenga di interesse Figura 1: Registrazione dell’elettroencefalografia durante il gioco di navigazione spaziale. (A) Immagine di una persona dotata di un dispositivo mobile per elettroencefalografia (EEG) durante l’esecuzione dell’attività di navigazione spaziale. Grafico della densità spettrale di potenza dell’attività theta (4-8 Hz) durante la fase di codifica (B), (C) fase di memoria e (D) fase di memoria episodica. Tutti i dati sono stati pre-elaborati e la potenza normalizzata in base alla frequenza (uV2/Hz). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. NOTA: I ricercatori che utilizzano le tecnologie Arduino potrebbero anche essere in grado di inviare trigger sincronizzati tra la registrazione EEG e l’ambiente del motore di gioco in modo che possa verificarsi un accoppiamento esatto tra i dati neurofisiologici e comportamentali su una scala temporale di millisecondi. Con questi marcatori, i ricercatori saranno in grado di fare riferimento all’attività cerebrale del partecipante prima, durante e dopo le interazioni critiche con l’ambiente virtuale. I ricercatori possono anche prendere in considerazione la possibilità di condurre un periodo di attività cerebrale di base prima e/o dopo l’interazione con l’ambiente virtuale in modo da poter effettuare confronti successivi. 3. Istruzioni per l’attività di navigazione spaziale (Figura 2) Istruzioni: Assicurarsi che il partecipante sia seduto comodamente, idealmente con i piedi sul pavimento. Chiedi al partecipante di leggere le istruzioni sullo schermo, che gli chiederanno di visitare punti di riferimento specifici all’interno di un paesaggio urbano mentre cercano di ricordare l’ambiente circostante e i percorsi che hanno seguito (Figura 2A). Assicurarsi che il partecipante sia orientato verso il mouse e la tastiera. Chiedi al partecipante di utilizzare il mouse e fare clic con il pulsante sinistro del mouse per iniziare l’attività (Figura 2A). Assicurati che il partecipante capisca che dovrà navigare nell’ambiente con i tasti W, A, S e D sulla tastiera. Il tasto W li sposterà in avanti, mentre il tasto S li sposterà indietro. In alternativa, le frecce su e giù le sposteranno anche avanti e indietro. Il tasto A li sposterà a sinistra e il tasto D li sposterà a destra. Assicurati che il partecipante sappia che può usare il mouse del computer per spostare il punto di vista del soggetto come se il partecipante stesse muovendo la testa. I partecipanti possono guardare in alto, in basso, a sinistra e a destra; Non sono necessari clic del mouse per spostare il loro punto di vista.NOTA: Le indicazioni per la navigazione nell’ambiente virtuale appariranno nell’angolo in alto a destra dello schermo dei partecipanti (Figura 2A-F). Figura 2: Immagini dell’attività di navigazione spaziale. Screenshot della navigazione spaziale e dell’attività di memoria episodica sviluppata in un motore di gioco multipiattaforma. Esempi di screenshot sono presentati da sinistra a destra, a partire dall’angolo in alto a sinistra: (A) istruzioni generali; (B) viaggiare durante la fase di codifica; (C) localizzazione della vetrina durante la fase di codifica; (D) viaggiare durante la fase di codifica; (E) istruzioni per la fase di memorizzazione; (F) parte di consegna della fase di ricordo; (G) istruzioni per la fase di memoria episodica; (H) fase di memoria episodica; (I) fine del gioco. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. 4. Fase di codifica dell’attività di navigazione spaziale Chiedi al partecipante di visitare i primi punti di riferimento (Figura 3) facendogli seguire attivamente un percorso verde con frecce verdi (Figura 2B). Una volta che il partecipante arriva al primo punto di riferimento, chiedigli di camminare attraverso il diamante verde in quel punto (Figura 2C). Una volta che il partecipante ha raccolto il diamante verde, chiedi al partecipante di visitare il punto di riferimento successivo seguendo il percorso verde. Una volta che il partecipante arriva al secondo punto di riferimento, chiedigli di attraversare il diamante verde in quel punto. Chiedi al partecipante di continuare a svolgere questa attività fino a quando non visita tutti e cinque i punti di riferimento e raccoglie tutti e cinque i diamanti (Figura 2D).NOTA: Durante la fase di codifica di questa attività, ai partecipanti verrà chiesto di memorizzare la posizione dei cinque punti di riferimento in tutta la città (Figura 3). Una visione a volo d’uccello dell’attività è presentata nella Figura 4. Figura 3: Immagini di vetrine. I partecipanti hanno visitato cinque delle diciotto sedi sviluppate nell’ambiente, ognuna con una vetrina unica e dettagliata. Esempi di questi luoghi includevano (A) una pizzeria, (B) un negozio di vitamine, (C) un negozio di mobili, (D) un negozio di matrimoni, (E) un chiosco e (F) un casinò. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 4: Mappa del compito di navigazione spaziale. Vista a volo d’uccello dell’ambiente virtuale attraverso il quale i partecipanti hanno navigato. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. 5. Fase di memorizzazione dell’attività di navigazione spaziale Successivamente, chiedi al partecipante di rivisitare ogni punto di riferimento (ad esempio, la fase di ricordo; Figura 2E).NOTA: I partecipanti inizieranno la fase di memorizzazione dall’ultima posizione visitata durante la fase di codifica. Chiedi al partecipante di utilizzare il mouse e fare clic con il pulsante sinistro del mouse sulla parte superiore di Begin (Figura 2E). Chiedi al partecipante di visitare il primo punto di riferimento che ha visitato durante la fase di codifica. Chiedi al partecipante di “consegnare” un oggetto unico a questo primo punto di riferimento.NOTA: Durante questa parte dell’attività non verranno offerti percorsi/frecce verdi (Figura 2F). Una volta che il partecipante ha consegnato l’articolo, chiedi al partecipante di raggiungere il secondo punto di riferimento e di consegnare il successivo articolo unico. Chiedi al partecipante di continuare a eseguire questa attività fino a quando non visita tutti e cinque i punti di riferimento e consegna tutti e cinque gli elementi.NOTA: Questa parte del compito valuterà l’apprendimento spaziale e la capacità di memoria del partecipante. Per fare ciò, il programma calcolerà automaticamente il tempo per trovare ogni punto di riferimento, il tempo medio di ricerca e il tempo totale dell’attività. 6. Fase di memoria episodica del compito di navigazione spaziale NOTA: Il test episodico della memoria verrà eseguito al termine della fase di memorizzazione. Per iniziare, chiedere al partecipante di utilizzare il mouse per fare clic con il pulsante sinistro del mouse sulla parte superiore di Begin (Figura 2G). Chiedi al partecipante di ricordare i punti di riferimento che ha visitato e gli articoli che il partecipante ha consegnato nell’ordine esatto, come indicato in precedenza nella fase di ricordo (Figura 2G). Chiedi al partecipante di digitare le risposte utilizzando la tastiera del computer (Figura 2H). 7. Completamento dell’attività Chiedi al partecipante di leggere il prompt finale per confermare il completamento dell’attività e l’invio dei dati (Figura 2I). 8. Raccolta e analisi dei dati Dati comportamentaliIndividuare il file Results.csv nella directory dell’applicazione (vedere ad esempio File supplementare 1 ).NOTA: se il ricercatore decide di fare clic su Compila ed esegui nella scheda File dell’applicazione Unity, il file dei risultati verrà salvato nella cartella principale BassoSpatialNavigationTask-main scaricata. Se il ricercatore ha invece eseguito l’ambiente facendo doppio clic sull’applicazione compilata (passaggio 1.5), il file dei risultati verrà visualizzato nella stessa directory dell’applicazione. Il file dei risultati viene sovrascritto dopo ogni completamento dell’ambiente virtuale. Pertanto, si consiglia di estrarre questi risultati dopo ogni completamento dell’attività e di compilarli in un file separato per più partecipanti e prove. Assicurati che i dati siano puliti e abbiano un aspetto ragionevole. Utilizza il file supplementare 2 per calcolare i punteggi appropriati, tra cui l’ora di inizio, l’ora di fine, la durata media della ricerca, il punteggio del luogo, il punteggio dell’elemento, il punteggio dell’ordine, il punteggio di associazione e il punteggio della memoria episodica.NOTA: Nello specifico, il punteggio del luogo viene calcolato sommando il numero di punti di riferimento correttamente ricordati. Il punteggio dell’ordine viene calcolato determinando il numero di punti di riferimento richiamati nella sequenza corretta. Il punteggio dell’elemento viene calcolato sommando il numero di elementi richiamati correttamente. Il punteggio di associazione viene calcolato sommando l’abbinamento corretto di luogo a elemento. Infine, il punteggio complessivo della memoria episodica viene calcolato sommando i punteggi di luogo, ordine, elemento e associazione. Si noti che l’output non elaborato per le coordinate X/Z non è nella sequenza temporale corretta. Per risolvere questo problema, ordinare i dati nella colonna Tempo dal valore più piccolo a quello più grande. Inserire i dati in un database di scelta. Analizza i dati utilizzando campioni indipendenti t-test, analisi della varianza o altri test statistici appropriati. Dati EEGUtilizzare una pipeline di pre-elaborazione per pulire i dati EEG25. Utilizzando un pacchetto software appropriato, condurre analisi tempo-frequenza sui dati EEG per periodi di tempo prolungati in cui il partecipante ha navigato nell’ambiente virtuale, ad esempio durante le fasi di codifica e ricordo del compito. Condurre un’analisi del potenziale correlata all’evento se interessato a periodi di tempo specifici in cui il partecipante ha interagito con l’ambiente virtuale. Condurre analisi statistiche pertinenti ai dati EEG e considerare la correlazione dei dati comportamentali con i dati EEG.

Representative Results

Descrizione del gameplay dal punto di vista della codifica: per la fase di “codifica”, una serie di diciotto waypoint sono stati posizionati intorno allo spazio tridimensionale, ognuno dei quali aveva un “Delivery Item” (cioè un oggetto da consegnare alla posizione). I riferimenti a questi waypoint venivano memorizzati nel controller del giocatore e ordinati staticamente prima di iniziare l’attività; Cioè, se la pizzeria fosse stata collocata in posizione uno, sarebbe sempre stata in posizione uno all’inizio. Al fine di fornire un certo grado di casualità ai waypoint incontrati dai partecipanti, l’elenco dei waypoint è stato mescolato tramite l’algoritmo di riproduzione casuale di Fisher-Yates. Lo shuffle di Fisher-Yates, come implementato per questo studio, genera una permutazione pseudocasuale della sequenza originale in atto. Qualsiasi possibile permutazione può essere generata con uguale probabilità. L’algoritmo inizia selezionando un elemento dalla fine dell’elenco (n). Un numero pseudocasuale viene generato nell’intervallo di [0, n] e assegnato al valore k. L’n-esimovalore viene quindi scambiato con il k-esimo valore. Successivamente, il valore di n viene decrementato di uno e il processo si ripete fino a quando non c’è un solo indice non ancora considerato. Dopo che l’elenco dei waypoint è stato mescolato, sono stati selezionati i primi cinque elementi. I percorsi ottimali sono stati generati tramite il sistema mesh di navigazione del motore di gioco e i calcoli dei percorsi ottimali integrati. Questa serie di percorsi iniziava nella posizione di partenza del partecipante e creava una catena collegata tra ciascuno dei waypoint, terminando al waypoint finale. Quando i partecipanti hanno ottenuto il controllo, sono stati indirizzati a seguire questi percorsi, indicati da una linea verde e da una freccia mobile che forniva informazioni sulla direzione prevista. Sebbene questa linea verde e questa freccia mobile siano state fornite, i partecipanti sono stati in grado di navigare attivamente in tutto l’ambiente virtuale. Quando il partecipante entrava nei limiti del waypoint, il percorso visualizzato veniva scambiato con il percorso successivo nell’elenco. Dopo aver visitato il numero previsto di elementi waypoint, il partecipante è entrato nella fase di “ricordo” (chiamata RevisitIntermission nel codice), in cui è stato indirizzato a rivisitare i punti di riferimento nell’ordine in cui erano stati precedentemente mostrati. Quando il partecipante ha tentato di rivisitare i luoghi presentati durante la visita guidata, gli è stata presentata un’immagine specificata dall'”Articolo di consegna” associato ai waypoint. Non è stato presentato loro un percorso suggerito. I loro movimenti sono stati tracciati con un componente di tracciamento del movimento di oggetti proveniente dall’archivio di asset. Quando i partecipanti hanno terminato il viaggio verso ogni waypoint presentato, sono state fornite istruzioni che li indirizzavano alla schermata successiva per ricordare i luoghi che avevano visitato e gli articoli consegnati a ciascuno di essi. Durante la fase di richiamo, ai partecipanti è stato presentato un prompt con due voci di testo. Il primo dettava il waypoint verso cui il partecipante era invitato a viaggiare. Il secondo dettava l'”Elemento di consegna” associato a questo waypoint. La risposta e il tempo di risposta sono stati registrati per ogni richiesta. Al termine dell’attività, i dati sono stati raccolti e archiviati in rappresentazione JSON. La prima sezione ha registrato la fase di rivisitazione, in cui ai partecipanti è stato chiesto di trovare luoghi senza l’ausilio di una linea guida. I valori registrati includevano il nome del waypoint, il nome dell'”Articolo di consegna” e il tempo impiegato per arrivare al waypoint. La seconda sezione ha registrato le risposte presentate durante la fase di richiamo. Questa sezione includeva le risposte dei partecipanti per la posizione, l'”Articolo di consegna” e il tempo necessario per rispondere alle richieste di cui sopra. Tutto il codice può essere trovato e scaricato all’indirizzo https://github.com/embodiedbrainlab/BassoSpatialNavigationTask. Analisi e statistiche di potenza: è stata condotta un’analisi della potenza del modello biseriale a punti di correlazione con G*Power 3.1 utilizzando un test a due code, una dimensione dell’effetto di 0,3, un livello alfa di 0,05 e una potenza di 0,8 per determinare una dimensione del campione di n = 8226. Le statistiche descrittive sono state utilizzate per valutare l’età dei partecipanti, il numero di lezioni di ciclismo e le misure generali, tra cui la navigazione spaziale e le capacità di memoria episodica. Un t-test a campioni indipendenti è stato utilizzato per testare differenze significative tra il numero totale di allenamenti tra i gruppi sperimentali e di controllo. Considerando che non tutti i dati erano distribuiti normalmente, come valutato dal test di Shapiro-Wilk (p<0,05), abbiamo utilizzato il coefficiente di correlazione rho di Spearman non parametrico per valutare le relazioni tra la navigazione spaziale e le capacità di memoria episodica, nonché l'età e le capacità di navigazione spaziale. Un valore alfa di 0,05 è stato utilizzato per determinare la significatività statistica. Le correzioni di Bonferroni sono state utilizzate in una famiglia di test statistici, ove appropriato. IBM SPSS Statistics versione 26 è stato utilizzato per tutte le analisi statistiche. La correlazione prodotto-momento di Pearson è stata utilizzata per valutare la relazione tra il numero totale di allenamenti in bicicletta e le capacità di navigazione spaziale, poiché questa era la procedura condotta da Basso et al. (2022)27. Partecipanti: N = 130 partecipanti sono stati reclutati da Austin, TX, attraverso varie tecniche, tra cui pubblicità online e volantini. I criteri di inclusione includevano l’inglese come lingua principale e l’età compresa tra i 25 e i 55 anni (media 30,16 ± 0,49). Inoltre, tutti i partecipanti dovevano riferire di essere fisicamente sani e di avere un regime di esercizio moderato e regolare (definito come esercizio fisico una o due volte a settimana per 20 minuti o più negli ultimi 3 mesi). I criteri di esclusione includevano l’essere un fumatore attuale o condizioni di salute fisica preesistenti che rendevano l’esercizio difficile o non sicuro. I criteri di esclusione includevano anche una diagnosi attuale e/o l’assunzione di farmaci per condizioni psichiatriche o neurologiche, tra cui ansia, depressione, disturbo bipolare, schizofrenia o epilessia. Per i dati pre-intervento, n = 11 partecipanti mancavano di dati a causa di problemi tecnici e n = 1 partecipante è stato escluso a causa della mancata aderenza al compito, lasciando un totale di n = 117 partecipanti per l’analisi. Degli n = 80 partecipanti che hanno completato il regime di esercizi di tre mesi, n = 11 partecipanti non hanno completato il compito finale di navigazione spaziale, lasciando un totale di n = 69 partecipanti per l’analisi dei dati post-intervento e delle misure ripetute. Questa dimensione del campione più piccola è stata utilizzata per esaminare la relazione tra il numero di sessioni di ciclismo e le capacità di navigazione spaziale. Il gruppo di controllo si è impegnato in 20,73 (± 0,72) allenamenti nel corso dell’intervento, mentre il gruppo sperimentale si è impegnato in 47,87 (± 2,24) allenamenti, che rappresentavano una differenza statisticamente significativa (t [45,76] = -11,554, p < 0,001). Misure generali e loro relazioni: questo nuovo compito dell’ambiente virtuale misura sia la navigazione spaziale che la capacità di memoria episodica. Durante il periodo iniziale di test pre-intervento, l’attività ha richiesto una media di 318,69 (±21,56) s per essere completata, con un tempo medio di ricerca per ciascuno dei cinque siti di 82,88 (±5,19) s (Figura 5A); Questi punti dati rappresentano la capacità di navigazione spaziale (cioè l’apprendimento spaziale e la memoria). Inoltre, i partecipanti sono stati in grado di codificare gli aspetti di luogo, oggetto, ordine e associazione dell’esperienza virtuale, con i partecipanti che ricordavano 14,84 (±0,37) su 20 nuove esperienze nel loro ambiente (Figura 5B); Questi punti dati rappresentano la capacità di memoria episodica. È importante sottolineare che il tempo totale (Figura 6A; r = -0,314, p < 0,001) e il tempo medio di ricerca (Figura 6B; r = -0,286, p < 0,001) erano significativamente correlati con il punteggio della memoria episodica, indicando che la capacità di navigazione spaziale è associata alla memoria episodica in questo compito. Figura 5: Tempo dell’attività. Media (± SEM) sia per (A) capacità di navigazione spaziale rappresentata sia nel tempo medio di ricerca che nel tempo di ricerca totale (fornito in secondi) e (B) capacità di memoria episodica rappresentata nella codifica e nel ricordo di luogo, oggetto, ordine, associazione e punteggio complessivo della memoria episodica. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 6: Relazione tra la capacità di navigazione spaziale e la memoria episodica. Il miglioramento della capacità di navigazione spaziale, rappresentato da un tempo di ricerca medio più breve (A) e dal tempo di ricerca totale (B) è associato a una maggiore memoria episodica, rappresentata dal punteggio di memoria episodica. *P < 0,001. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Coordinate X e Z rappresentate nello spazio virtuale: Utilizzando un object motion tracker, le coordinate x e z sono state tracciate in questo spazio virtuale tridimensionale (File supplementare 1). Poiché lo spostamento su e giù nel gioco (ad esempio, il salto) non è abilitato in questa attività di navigazione spaziale, le coordinate y non fornivano informazioni utili. Tuttavia, le coordinate x e z ci hanno permesso di valutare come si muoveva il partecipante durante il gioco. Sulla base di questi dati, il codice informatico è stato progettato per visualizzare visivamente una mappa di calore di dove il partecipante ha viaggiato in tutta la mappa. La Figura 7 mostra una mappa di calore di un partecipante rappresentativo, che evidenzia il percorso che il partecipante ha seguito durante la fase di memorizzazione. I punti evidenziati in giallo/rosso corrispondono alle posizioni di consegna (cioè ricompensa) sulla mappa. Figura 7: Mappa termica dell’occupazione. Mappa termica dell’occupazione che mostra il percorso del partecipante. Le sezioni giallo/rosse del grafico rappresentano i luoghi frequentati dal partecipante e corrispondono ai luoghi del compito di navigazione spaziale in cui i partecipanti dovevano consegnare gli articoli (ad esempio, i luoghi di ricompensa). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Relazione tra età e capacità di navigazione spaziale: Le indagini iniziali hanno indicato che la capacità di navigazione spaziale, valutata dal tempo di ricerca totale, era significativamente associata all’età (Figura 8; r = 0,157, p = 0,045). Con l’aumentare dell’età, la capacità di navigazione spaziale diminuisce, come evidenziato da un aumento del tempo di ricerca totale. Tuttavia, quando è stata applicata la correzione di Bonferroni, con la significatività statistica valutata a p = 0,025 per due correlazioni (cioè il tempo di ricerca totale e la durata media della ricerca), la correlazione non era più significativa. Figura 8: Relazione tra la capacità di navigazione spaziale e l’età. Quando è stata valutata utilizzando una correzione di Bonferonni (p < 0,025), l'età non era significativamente associata alla capacità di navigazione spaziale rappresentata dal tempo di ricerca totale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Relazione tra l’esercizio aerobico e le capacità di navigazione spaziale: L’allenamento aerobico si è svolto in uno studio di ciclismo indoor28. Tutte le lezioni duravano 45 minuti e includevano il ciclismo a intensità da moderata a vigorosa per tutta la durata della lezione. I partecipanti sono stati sottoposti a un’assegnazione casuale per mantenere il loro regime di esercizio esistente o aumentare il loro regime di esercizio. I partecipanti che hanno mantenuto il loro regime di esercizi si sono impegnati in 1 o 2 lezioni a settimana, mentre i partecipanti che hanno aumentato il loro regime di esercizi si sono impegnati in 4-7 lezioni a settimana. I partecipanti si sono impegnati nel regime di esercizi assegnato per un periodo di 3 mesi. La navigazione spaziale e la capacità di memoria episodica sono state testate prima e dopo l’allenamento. Ulteriori dettagli sull’intervento sono disponibili in Basso et al. (2022)27. Il numero totale di lezioni di ciclismo nel corso di tre mesi è stato significativamente associato alla durata media della ricerca (Figura 9A; r = -0,321, p = 0,007) e al tempo di ricerca totale (Figura 9B; r = -0,242, p = 0,045). Tuttavia, quando è stata applicata la correzione di Bonferroni, con la significatività statistica valutata a p = 0,025 per due correlazioni (cioè il tempo di ricerca totale e la durata media della ricerca), la correlazione per il tempo di ricerca totale non era più significativa. Ulteriori risultati dell’intervento sono disponibili in Basso et al. (2022)27. Figura 9: Relazione tra la capacità di navigazione spaziale e l’esercizio. Un aumento del numero di sessioni ciclistiche è associato a una migliore capacità di navigazione spaziale, rappresentata da (A) tempo medio di ricerca e (B) tempo di ricerca totale. *P < 0,05. Questa cifra è stata modificata con il permesso di Basso et al.27. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. File supplementare 1: Dati grezzi 1. Dati grezzi, comprese le informazioni relative alla fase di ricordo (rivisitazione) e di memoria episodica (richiamo) dell’attività di navigazione spaziale. Vengono inoltre presentati i dati relativi alle coordinate x e z del partecipante che viaggiano nello spazio virtuale tridimensionale durante le fasi di codifica e memorizzazione dell’esperimento. Clicca qui per scaricare questo file. File supplementare 2: Dati grezzi 2. Dati non elaborati con calcoli (presentati in rosso) per determinare l’ora di inizio, l’ora di fine, la durata media della ricerca, il punteggio di posizione, il punteggio dell’elemento, il punteggio dell’ordine, il punteggio di associazione e il punteggio della memoria episodica. Clicca qui per scaricare questo file.

Discussion

Questo studio ha esaminato l’efficacia di un nuovo compito di realtà virtuale nella valutazione della navigazione spaziale negli esseri umani. Questo compito cognitivo, che richiede solo circa 10 minuti per essere completato, può essere utilizzato per valutare due tipi unici di cognizione ippocampale-dipendente: la navigazione spaziale e la capacità di memoria episodica. È importante sottolineare che la capacità di navigazione spaziale era significativamente associata alla capacità di memoria episodica. Infine, questo compito era sensibile a un paradigma di allenamento dell’attività fisica. Cioè, un aumento dell’esercizio fisico era associato a un aumento delle prestazioni. Questo compito è stato ispirato dal lavoro di Miller et al. (2013) che hanno studiato gli ambienti virtuali in pazienti con epilessia resistente ai farmaci e gli elettrodi di profondità dell’ippocampo posizionati allo scopo di localizzare le crisi. Hanno scoperto che durante la fase di familiarizzazione del compito di navigazione spaziale (cioè la fase di codifica), le cellule sensibili al luogo nell’ippocampo e le strutture del lobo temporale mediale associate si attivavano22. Inoltre, hanno scoperto che quando i partecipanti erano impegnati in una componente di richiamo libero (cioè una fase di ricordo che non coinvolgeva la navigazione attiva), le stesse cellule sensibili al luogo che erano attive durante la codifica diventavano di nuovo attive. Gli studi esistenti sui roditori che utilizzano ambienti in campo aperto e labirintici hanno dimostrato l’esistenza di tali cellule di posizione, con i dottori John O’Keefe, May-Britt Moser e Edvard Moser che hanno vinto il Premio Nobel 2014 per la Fisiologia o la Medicina per questa scoperta 2,29,30,31. Inoltre, gli studi che utilizzano ambienti virtuali negli esseri umani hanno dimostrato che cellule simili nell’ippocampo umano codificano il viaggio attraverso il tempo e lo spazio 22,32,33. Sebbene il compito sia simile a quello presentato in Miller et al. (2013) e altri 22,34,35,36,37,38, è stato sviluppato con il motore e le tecnologie di gioco multipiattaforma più recenti, utilizzando funzionalità del mondo reale come nuvole in movimento e punti di riferimento urbani chiari e funzionalità di vetrina. Altri ricercatori hanno utilizzato altri compiti di navigazione spaziale negli esseri umani; Tuttavia, questi compiti sono limitati nella loro validità ecologica. Ad esempio, l’attività Starmaze virtuale viene utilizzata per valutare le capacità di navigazione, ma posiziona i partecipanti in un labirinto a forma di stella 39,40,41,42,43,44. Inoltre, NavWell è una piattaforma accessibile che ospita esperimenti di navigazione spaziale e memoria simili al labirinto d’acqua di Morris nei roditori (posizionando i partecipanti in un’arena circolare) e fornisce agli sviluppatori forme geometriche di base per costruire un ambiente45. Inoltre, le risorse Landmarks sui motori di gioco multipiattaforma sono disponibili per la creazione e lo sviluppo di attività di navigazione spaziale che esistono in un’impostazione quadrata12. L’attività attuale è unica in quanto fornisce agli utenti un’impostazione e un compito simili al mondo reale: navigare in un paesaggio urbano e memorizzare punti di riferimento e azioni. L’attività è anche diversa dall’attività Starmaze virtuale e NavWell perché valuta la memoria episodica oltre alla navigazione spaziale.

In questo compito, la capacità di navigazione spaziale era significativamente correlata alla capacità di memoria episodica. Altri hanno dimostrato che queste due abilità cognitive sono effettivamente distinte e che si basano su regioni diverse dell’ippocampo38,46. La popolare “Teoria della Mappa Cognitiva” afferma che il cervello costruisce e memorizza una “mappa” dell’ambiente spaziale di un individuo in modo che possa essere successivamente utilizzata in futuro per guidare azioni e comportamenti47. La ricerca ha suggerito che l’ippocampo codifica le informazioni spaziali supportando anche la formazione della memoria episodica. Più specificamente, si pensa che l’ippocampo destro codifichi la memoria spaziale mentre l’ippocampo sinistro immagazzina memorie episodiche38. I risultati dell’attuale nuovo compito di navigazione spaziale, che dimostrano un chiaro legame tra memoria spaziale ed episodica, supportano la teoria delle mappe cognitive e suggeriscono che questo compito potrebbe potenzialmente essere utilizzato per esaminare la relazione tra navigazione spaziale e memoria episodica in popolazioni non cliniche. Gli studi futuri dovrebbero cercare di esaminare questa relazione nelle popolazioni cliniche, comprese quelle con disturbi neurodegenerativi come il deterioramento cognitivo lieve, il morbo di Alzheimer o altri tipi di demenza.

Questo compito era sensibile all’esercizio fisico o alla quantità totale di sessioni di ciclismo impegnate in un periodo di 3 mesi. Precedenti studi sui roditori hanno dimostrato che l’esercizio fisico è uno dei modi più potenti per aumentare la cognizione ippocampale-dipendente, tra cui la memoria a lungo termine, la separazione dei modelli, l’alternanza spontanea, il condizionamento contestuale della paura, l’apprendimento passivo di evitamento e il riconoscimento di nuovi oggetti, con questo effetto che dipende dagli aumenti indotti dall’esercizio nella neurogenesi ippocampale 48,49,50 . Inoltre, la letteratura ha dimostrato che l’esercizio a lungo termine migliora il funzionamento dell’ippocampo negli esseri umani, con miglioramenti osservati nel richiamo dell’elenco di parole, nel ricordo della storia e nella memoria relazionale sia spaziale che non spaziale; Si ritiene che questo effetto sia guidato dall’aumentodel volume dell’ippocampo indotto dall’esercizio 7,27,51,52,53,54,55. Questo nuovo compito di navigazione spaziale integra i risultati dei roditori e si aggiunge alla letteratura umana, mostrando l’importanza dell’attività fisica per le capacità di navigazione spaziale.

Sebbene nelle indagini iniziali l’età fosse associata negativamente alla capacità di navigazione spaziale, questo effetto è stato eliminato applicando una correzione di Bonferroni. Ciò indica che la capacità di navigazione spaziale può essere preservata fino all’età di 55 anni. Altra letteratura dimostra che la navigazione spaziale è un’abilità cognitiva che diminuisce con l’etàdi 56,57,58 anni. Gli studi di neuroimaging hanno rivelato che la neurodegenerazione legata all’età in aree tra cui l’ippocampo, il giro paraippocampale, la corteccia cingolata posteriore (corteccia retrospleniale), i lobi parietali e la corteccia prefrontale può essere coinvolta in tale declino cognitivo legato all’età58. Considerando che la fascia d’età era limitata (25-55 anni), includendo una fascia d’età più ampia, in particolare gli adulti più anziani (65+), i futuri ricercatori potrebbero vedere una correlazione significativa tra età e capacità di navigazione spaziale. Gli studi futuri dovrebbero prendere in considerazione la possibilità di condurre questo compito di navigazione spaziale negli adulti di età pari o superiore a 65 anni e anche in quelli con lieve deterioramento cognitivo o altri disturbi simili alla demenza.

Un ovvio anello mancante nelle attività di navigazione virtuale è la mancanza della relazione corpo-cervello. Cioè, nella navigazione attraverso ambienti del mondo reale, l’attivazione avviene a livello del sistema nervoso periferico e centrale, compresa l’attivazione dei propriocettori, degli esterocettori, degli interocettori e del sistema vestibolare insieme alle cortecce senso-motorie, ai gangli della base e al cervelletto. Senza questo input fisico, la navigazione virtuale può essere nettamente diversa dalla navigazione fisica. Nonostante ciò, gli studi hanno dimostrato che gli ambienti virtuali stimolano le stesse regioni del cervello della navigazione nel mondo reale 22,32,33. Rendere il compito più attivo, come lo era il design del compito attuale, può aiutare a convincere il cervello che si sta muovendo fisicamente attraverso il tempo e lo spazio, imitando la navigazione spaziale naturale. Altri hanno trovato sostegno a questa ipotesi. Uno studio di Meade et al. (2019) ha esaminato le differenze tra codifica attiva e passiva durante l’utilizzo di un’attività di navigazione spaziale virtuale simile59. La navigazione attiva si riferisce alla capacità dei partecipanti di muoversi da soli attraverso lo spazio virtuale (simile al presente studio), mentre la navigazione passiva consiste in una visita guidata in cui i partecipanti non si muovono, ma piuttosto viene mostrato il percorso di navigazione. Gli autori hanno suggerito che la navigazione attiva può essere più vantaggiosa per le popolazioni più anziane a causa del coinvolgimento di componenti fisiche (ad esempio, locomozione e propriocezione) e cognitive (ad esempio, processo decisionale e attenzione) e può servire a migliorare le prestazioni della memoria attraverso il coinvolgimento diretto nel processo di codifica della memoria. La navigazione attiva utilizzata nel presente studio potrebbe spiegare i risultati, dimostrando che i partecipanti sono stati in grado di ricordare con precisione i ricordi episodici delle loro esperienze.

La navigazione attiva può anche aiutare a coinvolgere aree di integrazione multisensoriale come il complesso retrospleniale (RSC)60,61,62. Uno studio recente ha rilevato che la deambulazione effettiva durante un’attività di navigazione spaziale in realtà virtuale che richiede ai partecipanti di viaggiare tra i luoghi ricordando le posizioni di casa e di riferimento ha provocato oscillazioni RSC theta (cioè oscillazioni neuronali da 4-8 hertz registrate con EEG)16. Questo aumento della potenza theta era più evidente durante i cambi di direzione e le rotazioni della testa. Nei roditori, è stato dimostrato che l’attività dell’RSC theta è essenziale per la codifica spaziale che coinvolge le cellule della griglia e il calcolo della direzione della testa63,64. Si ritiene inoltre che l’RSC sia importante per l’utilizzo di segnali provenienti dall’ambiente per ancorare la mappa cognitiva di un essere umano47.

Sebbene le attività di navigazione spaziale virtuale forniscano molti vantaggi, precludono all’individuo di muoversi fisicamente nel tempo e nello spazio, causando un’attivazione limitata dei sistemi propriocettivi, vestibolari e senso-motori. Esiste un’incongruenza tra i processi sensoriali e motori, che può causare vertigini o nausea ad alcuni partecipanti. Nel presente compito, questo è stato limitato dal controllo della velocità con cui i partecipanti erano in grado di muoversi e guardare intorno all’ambiente. Per essere in grado di codificare tutti gli aspetti dell’ambiente, era necessario essere in grado di guardarsi intorno (cioè impegnarsi in una rotazione virtuale della testa); Tuttavia, questa capacità doveva essere abbastanza lenta da garantire che i partecipanti non si ammalassero fisicamente. Nonostante ciò, la capacità di navigare spazialmente mentre si è sedentari è vantaggiosa in quanto consente ai ricercatori di studiare individui che soffrono di problemi di mobilità, affaticamento fisico o altre disabilità che impediscono a un individuo di essere deambulante. Un’altra limitazione è che questa attività non è stata ancora testata per verificarne l’affidabilità e la validità, mentre altre attività si stanno muovendo in questa direzione, tra cui la valutazione della navigazione spaziale virtuale (VSNA)65. La ricerca futura potrebbe esaminare l’attività neurale associata attraverso l’elettroencefalografia o la risonanza magnetica funzionale mentre i partecipanti completano questo compito di navigazione spaziale. I partecipanti potrebbero anche essere dotati di dispositivi che misurano variabili fisiologiche come la variabilità della frequenza cardiaca e l’attività elettrodermica. Ciò consentirebbe un esame dei meccanismi periferici e centrali che si verificano durante la navigazione in ambienti virtuali. È importante sottolineare che questo compito può essere utilizzato per valutare i cambiamenti nella capacità di navigazione spaziale nel tempo. Studi futuri potrebbero utilizzare questo compito per indagare su come l’invecchiamento o le condizioni neurodegenerative come l’Alzheimer o il morbo di Parkinson influenzano la navigazione spaziale e la memoria episodica di un individuo. Al contrario, questo compito potrebbe essere utilizzato per esplorare come ulteriori interventi mente-corpo-movimento influenzano la navigazione spaziale e la memoria episodica, tra cui la danza, lo yoga o la meditazione.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato sostenuto dall’iTHRIV Scholars Program, che è supportato in parte dal National Center for Advancing Translational Sciences del NIH (UL1TR003015 e KL2TR003016). Ringraziamo il Dr. Samuel McKenzie, Michael Astolfi, Meet Parekh e Andrei Marks per i loro contributi alla programmazione informatica.

Materials

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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).
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