تم دعم هذا العمل من قبل برنامج iTHRIV Scholars ، والذي يدعمه جزئيا المركز الوطني لتطوير العلوم الانتقالية التابع للمعاهد الوطنية للصحة (UL1TR003015 و KL2TR003016). نود أن نعرب عن تقديرنا للدكتور صموئيل ماكنزي ومايكل أستولفي وميت باريخ وأندريه ماركس لمساهماتهم في برمجة الكمبيوتر.

الاستكشاف القائم على الألعاب: إطلاق العنان لقدرات الملاحة المكانية البشرية

ليس لدى المؤلفين أي إفصاحات للإبلاغ عنها.

فحصت هذه الدراسة فعالية مهمة الواقع الافتراضي الجديدة في تقييم الملاحة المكانية لدى البشر. يمكن استخدام هذه المهمة المعرفية ، التي تستغرق حوالي 10 دقائق فقط لإكمالها ، لتقييم نوعين فريدين من الإدراك المعتمد على الحصين - الملاحة المكانية وقدرة الذاكرة العرضية. الأهم من ذلك ، ارتبطت القدرة الملاحية المكانية بشكل كبير بقدرة الذاكرة العرضية. أخيرا ، كانت هذه المهمة حساسة لنموذج تدريب النشاط البدني. أي أن زيادة التمرين ارتبطت بزيادة الأداء. هذه المهمة مستوحاة من عمل Miller et al. (2013) الذي حقق في البيئات الافتراضية في المرضى الذين يعانون من الصرع المقاوم للأدوية وأقطاب عمق الحصين الموضوعة لغرض توطين النوبات. ووجدوا أنه خلال مرحلة التعرف على مهمة الملاحة المكانية (أي مرحلة الترميز) ، تم تنشيط الخلايا المستجيبة للمكان في الحصين وهياكل الفص الصدغي الإنسي المرتبطةبها 22. بالإضافة إلى ذلك ، وجدوا أنه عندما كان المشاركون منخرطين في مكون استدعاء حر (أي مرحلة تذكر لا تتضمن التنقل النشط) ، أصبحت نفس الخلايا المستجيبة للمكان التي كانت نشطة أثناء الترميز نشطة مرة أخرى. أظهرت الدراسات الموجودة في القوارض التي تستخدم بيئات الحقول المفتوحة والشبيهة بالمتاهة وجود مثل هذه الخلايا المكانية ، حيث فاز الدكاترة جون أوكيف وماي بريت موسر وإدوارد موسر بجائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب لعام 2014 لهذا الاكتشاف2،29،30،31. بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت الدراسات التي تستخدم البيئات الافتراضية في البشر أن الخلايا المماثلة في الحصين البشري تشفر السفر عبر الزمان والمكان22،32،33. على الرغم من أن المهمة تشبه تلك المقدمة في Miller et al. (2013) وآخرون22،34،35،36،37،38 ، فقد تم تطويرها باستخدام أحدث محركات وتقنيات الألعاب عبر الأنظمة الأساسية ، باستخدام ميزات العالم الحقيقي مثل السحب المتحركة ومعالم المدينة الواضحة وميزات واجهة المتجر. استخدم باحثون آخرون مهام الملاحة المكانية الأخرى في البشر. ومع ذلك ، فإن هذه المهام محدودة في صلاحيتها البيئية. على سبيل المثال ، يتم استخدام مهمة Starmaze الافتراضية لتقييم قدرات التنقل ولكنها تضع المشاركين في متاهة على شكل نجمة39،40،41،42،43،44. علاوة على ذلك ، فإن NavWell عبارة عن منصة يمكن الوصول إليها تستضيف تجارب الملاحة المكانية والذاكرة المشابهة لمتاهة موريس المائية في القوارض (وضع المشاركين في ساحة دائرية) ، وتوفر للمطورين أشكالا هندسية أساسية لبناء بيئة45. بالإضافة إلى ذلك ، تتوفر أصول المعالم على محركات الألعاب عبر الأنظمة الأساسية لبناء وتطوير مهام التنقل المكاني الموجودة في إعداد مربع12. المهمة الحالية فريدة من نوعها من حيث أنها توفر للمستخدمين إعدادا ومهمة مشابهة للعالم الحقيقي - التنقل في منظر المدينة وحفظ المعالم والإجراءات. تختلف المهمة أيضا عن مهمة Starmaze الافتراضية و NavWell لأنها تقيم الذاكرة العرضية بالإضافة إلى التنقل المكاني.
في هذه المهمة ، كانت قدرة الملاحة المكانية مرتبطة بشكل كبير بقدرة الذاكرة العرضية. وقد أظهر آخرون أن هاتين القدرتين المعرفيتين متميزتان بالفعل وأنهما يعتمدان على مناطق مختلفة من الحصين 38,46. تنص "نظرية الخريطة المعرفية" الشائعة على أن الدماغ يبني ويخزن "خريطة" للبيئة المكانية للفرد بحيث يمكن استخدامها لاحقا في المستقبل لتوجيه الإجراءات والسلوكيات47. أشارت الأبحاث إلى أن الحصين يشفر المعلومات المكانية بينما يدعم أيضا تكوين الذاكرة العرضية. وبشكل أكثر تحديدا ، يعتقد أن الحصين الأيمن يشفر الذاكرة المكانية بينما يخزن الحصين الأيسر ذكريات عرضية38. نتائج مهمة الملاحة المكانية الجديدة الحالية ، والتي تظهر وجود صلة واضحة بين الذاكرة المكانية والعرضية ، تدعم نظرية الخريطة المعرفية وتشير إلى أنه يمكن استخدام هذه المهمة لفحص العلاقة بين الملاحة المكانية والذاكرة العرضية في المجموعات السكانية غير السريرية. يجب أن تسعى الدراسات المستقبلية إلى فحص هذه العلاقة في السكان السريريين ، بما في ذلك أولئك الذين يعانون من اضطرابات تنكسية عصبية مثل الضعف الإدراكي المعتدل أو مرض الزهايمر أو أنواع أخرى من الخرف.
كانت هذه المهمة حساسة للتمرين أو المقدار الإجمالي لجلسات ركوب الدراجات التي تم المشاركة فيها على مدار 3 أشهر. أظهرت الدراسات السابقة التي أجريت على القوارض أن التمرين هو أحد أقوى الطرق لزيادة الإدراك المعتمد على الحصين ، بما في ذلك الذاكرة طويلة المدى ، وفصل الأنماط ، والتناوب التلقائي ، وتكييف الخوف السياقي ، وتعلم التجنب السلبي ، والتعرف على الأشياء الجديدة ، مع اعتماد هذا التأثير على الزيادات التي يسببها التمرين في تكوين الخلايا العصبية الحصين48،49،50. بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت الأدبيات أن التمرين طويل الأمد يعزز أداء الحصين لدى البشر ، مع تحسينات شوهدت في تذكر قائمة الكلمات ، وتذكر القصة ، والذاكرة العلائقية المكانية وغير المكانية. يعتقد أن هذا التأثير مدفوع بالزيادات التي يسببها التمرين في حجم الحصين7،27،51،52،53،54،55. تكمل مهمة الملاحة المكانية الجديدة هذه نتائج القوارض وتضيف إلى الأدبيات البشرية ، مما يدل على أهمية النشاط البدني لقدرات الملاحة المكانية.
على الرغم من أنه في التحقيقات الأولية ، ارتبط العمر سلبا بقدرة الملاحة المكانية ، فقد تم التخلص من هذا التأثير عند تطبيق تصحيح Bonferroni. يشير هذا إلى أنه يمكن الحفاظ على قدرة الملاحة المكانية حتى سن 55. توضح الأدبيات الأخرى أن التنقل المكاني هو قدرة معرفية تنخفض مع تقدم العمر56،57،58. كشفت دراسات التصوير العصبي أن التنكس العصبي المرتبط بالعمر في مناطق تشمل الحصين ، والتلفيف المجاور للحصين ، والقشرة الحزامية الخلفية (القشرة خلف الطحال) ، والفصوص الجدارية ، وقشرة الفص الجبهي قد تشارك في مثل هذا التدهور المعرفي المرتبط بالعمر58. بالنظر إلى أن الفئة العمرية كانت محدودة (25-55 سنة) ، من خلال تضمين نطاق عمري أكبر ، وخاصة كبار السن (65+) ، قد يرى الباحثون في المستقبل علاقة كبيرة بين العمر والقدرة على الملاحة المكانية. يجب أن تفكر الدراسات المستقبلية في إجراء مهمة الملاحة المكانية هذه لدى البالغين الذين تبلغ أعمارهم 65 عاما أو أكبر وحتى أولئك الذين يعانون من ضعف إدراكي معتدل أو اضطرابات أخرى شبيهة بالخرف.
إحدى الحلقات المفقودة الواضحة في مهام الملاحة الافتراضية هي عدم وجود علاقة بين الجسم والدماغ. أي أنه عند التنقل عبر بيئات العالم الحقيقي ، يحدث التنشيط على مستوى الجهاز العصبي المحيطي والمركزي ، بما في ذلك تنشيط المستقبلات العميقة والمستقبلات الخارجية والمستقبلات البينية والجهاز الدهليزي جنبا إلى جنب مع القشرة الحسية الحركية والعقد القاعدية والمخيخ. بدون هذا الإدخال المادي ، قد يكون التنقل الافتراضي مختلفا بشكل واضح عن التنقل الفعلي. على الرغم من ذلك ، أظهرت الدراسات أن البيئات الافتراضية تحفز نفس مناطق الدماغ مثل التنقل في العالم الحقيقي22،32،33. إن جعل المهمة أكثر نشاطا ، كما كان التصميم في المهمة الحالية ، قد يساعد في إقناع الدماغ بأنه يتحرك جسديا عبر الزمان والمكان ، ويحاكي الملاحة المكانية الطبيعية. وقد وجد آخرون دعما لهذه الفرضية. فحصت دراسة أجراها Meade et al. (2019) الاختلافات بين الترميز النشط والسلبي أثناء استخدام مهمة تنقل مكاني افتراضية مماثلة59. يشير التنقل النشط إلى قدرة المشاركين على التحرك بمفردهم عبر الفضاء الافتراضي (على غرار الدراسة الحالية) ، بينما يتكون التنقل السلبي من جولة إرشادية حيث لا يتحرك المشاركون بل يتم عرض مسار الملاحة. اقترح المؤلفون أن الملاحة النشطة قد تكون أكثر فائدة لكبار السن بسبب مشاركة المكونات الجسدية (على سبيل المثال ، الحركة واستقبال الحس العميق) والمكونات المعرفية (مثل صنع القرار والانتباه) ، وقد تعمل على تعزيز أداء الذاكرة من خلال المشاركة المباشرة في عملية تشفير الذاكرة. يمكن أن يفسر التنقل النشط المستخدم في هذه الدراسة النتائج ، مما يدل على أن المشاركين كانوا قادرين على تذكر الذكريات العرضية لتجاربهم بدقة.
قد يساعد التنقل النشط أيضا في إشراك مناطق التكامل متعددة الحواس مثل مجمع خلف الطحال (RSC) 60،61،62. وجدت دراسة حديثة أن التجول الفعلي أثناء مهمة الملاحة المكانية للواقع الافتراضي التي تتطلب من المشاركين السفر بين المواقع أثناء تذكر مواقع المنزل والمعالم أدى إلى تذبذبات RSC theta (أي تذبذبات عصبية 4-8 هرتز مسجلة باستخدام EEG)16. كانت قوة ثيتا المتزايدة هذه أكثر بروزا أثناء تغييرات اتجاه الرأس والدوران. في القوارض ، ثبت أن نشاط RSC theta ضروري للترميز المكاني الذي يتضمن خلايا الشبكة وحساب اتجاه الرأس63,64. يعتقد أيضا أن RSC مهم لاستخدام إشارات من البيئة لترسيخ الخريطة المعرفية للإنسان47.
في حين أن مهام الملاحة المكانية الافتراضية توفر العديد من الفوائد ، إلا أنها تمنع الفرد من التحرك جسديا عبر الزمان والمكان ، مما يتسبب في تنشيط محدود للأنظمة الحسية والدهليزية والحسية الحركية. يوجد تناقض بين العمليات الحسية والحركية ، مما قد يتسبب في إصابة بعض المشاركين بالدوار أو الغثيان. في المهمة الحالية ، كان هذا محدودا من خلال التحكم في السرعة التي تمكن بها المشاركون من التحرك والنظر حول البيئة. ولكي تكون قادرا على ترميز جميع جوانب البيئة، كان من الضروري أن تكون قادرا على النظر حولك (أي الانخراط في دوران الرأس الافتراضي)؛ ومع ذلك ، يجب أن تكون هذه القدرة بطيئة بما يكفي لضمان عدم إصابة المشاركين بمرض جسدي. على الرغم من ذلك ، فإن القدرة على التنقل المكاني أثناء الجلوس مفيدة من حيث أنها تسمح للباحثين بدراسة الأفراد الذين يعانون من مشاكل في الحركة أو التعب البدني أو الإعاقات الأخرى التي تمنع الفرد من أن يكون متنقلا. وثمة قيد آخر هو أن هذه المهمة لم تختبر بعد للتأكد من موثوقيتها وصلاحيتها، في حين أن هناك مهام أخرى تتحرك في هذا الاتجاه، بما في ذلك تقييم الملاحة المكانية الافتراضية (VSNA)65. يمكن للأبحاث المستقبلية فحص النشاط العصبي المرتبط من خلال تخطيط كهربية الدماغ أو التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي بينما يكمل المشاركون مهمة الملاحة المكانية هذه. يمكن أيضا تزويد المشاركين بأجهزة تقيس المتغيرات الفسيولوجية مثل تقلب معدل ضربات القلب والنشاط الكهربائي للجلد. وهذا من شأنه أن يسمح بفحص كل من الآليات الطرفية والمركزية التي تحدث أثناء التنقل في البيئات الافتراضية. الأهم من ذلك ، يمكن استخدام هذه المهمة لتقييم التغييرات في قدرة الملاحة المكانية بمرور الوقت. يمكن للدراسات المستقبلية الاستفادة من هذه المهمة للتحقيق في كيفية تأثير الشيخوخة أو الحالات التنكسية العصبية مثل مرض الزهايمر أو مرض باركنسون على الملاحة المكانية للفرد والذاكرة العرضية. على العكس من ذلك ، يمكن استخدام هذه المهمة لاستكشاف كيفية تأثير التدخلات الإضافية لحركة العقل والجسم على الملاحة المكانية والذاكرة العرضية ، بما في ذلك الرقص أو اليوغا أو التأمل.

يعد تحريك الجسم عبر الزمان والمكان أمرا بالغ الأهمية لتعلم وتذكر المعلومات حول البيئة. تعرف هذه القدرة باسم الملاحة المكانية ، ومن الناحية التطورية ، فهي أداة بقاء أساسية لتحديد موقع الطعام والماء والنظراء الاجتماعيين والمكافآت الأخرى في البيئة 1,2. يعتمد التنقل المكاني على الحصين ، وهو هيكل نظام حوفي على شكل حرف C في الفص الصدغي الإنسي. يتكون الحصين من المناطق الفرعية CA1 و CA2 و CA3 والتلفيف المسنن. يدعم الحصين ترميز وتوحيد واسترجاع الذكريات التي تساعد في تحديد التجربة الواعية. على وجه التحديد ، يدعم التنقل المكاني الذاكرة العرضية ، وهي شكل من أشكال الذاكرة الصريحة التي تشير إلى ذاكرة التجربة الشخصية ، بما في ذلك جوانب الزمان والمكان والتفاصيل ذات الصلة المرتبطة بالتجربة (مثل المشاهد والأصوات والروائح والعواطف). بينما نتنقل مكانيا عبر بيئات متميزة ، تنطلق الخلايا العصبية المعروفة باسم خلايا المكان بشكل منهجي ، مما يمكننا من فهم مكاننا في الزمان والمكان. في الواقع ، ثبت أن التحفيز البصري المباشر لهذه الخلايا العصبية ينحاز إلى سلوك القوارض نحو موقعها المادي (أي حقول المكان)3.
تمت دراسة تقييم الملاحة المكانية في القوارض تقليديا من خلال نماذج سلوكية مثل متاهة موريس المائية ، ومتاهة Y ، ومتاهة T ، ومتاهة الذراع الشعاعية 4,5. الأهم من ذلك ، أن هذه المهام السلوكية تسمح بالتحقيق في الجسم الحي للارتباطات العصبية للملاحة المكانية باستخدام تقنيات مثل تسجيلات العمق الكهربيولوجي. ومع ذلك ، فقد ثبت أن تقييم الملاحة المكانية في البشر يمثل تحديا علميا لأن معظم التحقيقات العلمية تحدث في المختبرات وليس في العالم الحقيقي. قامت الدراسات السابقة التي أجريت على البشر بتقييم القدرات المكانية باستخدام المهام الورقية التقليدية مثل مهام تعلم الخرائط ثنائية الاتجاه أو مهام الدوران العقلي أو مهام الذاكرة المكانية 6,7. استخدم آخرون المهام المستندة إلى الكمبيوتر مثل مهمة مياه موريس الافتراضية أو مهام المتاهة الافتراضية الأخرى ، والتي ثبت أنها مرتبطة بمقاييس نفسية أكثر تقليدية للقدرة المكانية 8,9. بالإضافة إلى ذلك ، مع إمكانية الوصول إلى حزم برامج ألعاب الفيديو المتاحة للجمهور والمجانية ، بدأ الباحثون في تطوير بيئات افتراضية ثلاثية الأبعاد يمكن تقديمها إما على شاشة الكمبيوتر أو في الواقع الافتراضي10،11،12،13،14،15. كما سمحت التطورات العلمية في تصوير الدماغ والجسم المحمول (MoBI) للباحثين بالبدء في استكشاف الملاحة المكانية في إعدادات العالم الحقيقي16،17،18.
الأهم من ذلك ، أن التعلم المكاني والذاكرة هي قدرة معرفية تتدهور مع تقدم العمر ، حيث يكون الأفراد المسنون أكثر عرضة لفقدان المسار الذي هم فيه أو يضيعون عندما يحاولون العودة إلى ديارهم. هذا العجز هو على الأرجح بسبب التنكس العصبي الذي يحدث على مستوى الحصين - وهي منطقة دماغية عالية التنسج تعد واحدة من أولى المناطق التي تتدهور مع سن19. لذلك ، يعد تطوير طرق العالم الحقيقي لتقييم قدرات الذاكرة الملاحية والعرضية وسيلة مهمة للبحث. على المستوى السريري ، قد تساعد هذه الأنواع من المهام في تحديد تطور تدهور الذاكرة أو تشخيص الضعف الإدراكي المعتدل أو مرض الزهايمر أو أشكال أخرى من الخرف. على العكس من ذلك ، تم تحديد النشاط البدني كواحد من أفضل الآليات لتحسين القدرات الملاحية المكانية. أظهرت الدراسات التي أجريت على القوارض أن التمرين يعزز التعلم والذاكرة في المهام المكانية المختلفة ، بما في ذلك متاهة موريس المائية ، ومتاهة Y ، ومتاهة T ، ومتاهة الذراع الشعاعية20. كما تم إثبات التحسينات التي يسببها التمرين في القدرات المكانية في البشر ، مع ارتباط هذا التأثير بشكل كبير بزيادة حجم الحصين7. ومع ذلك ، تم إثبات هذا التأثير السلوكي باستخدام مهمة الذاكرة المكانية حيث طلب من المشاركين تذكر مواقع النقاط على الشاشة - وهي مهمة قد لا تحمل الكثير من الصلاحية البيئية للملاحة المكانية في العالم الحقيقي. لقد بحثت أبحاث قليلة في تأثير التمرين في البشر على مهام الملاحة المكانية المقدمة في البيئات الافتراضية.
لذلك ، تم تصميم مهمة معرفية لتقييم التعلم المكاني والذاكرة جنبا إلى جنب مع الذاكرة العرضية باستخدام بيئة افتراضية. الأهم من ذلك ، تم تصميم المهمة باستخدام برنامج ألعاب الفيديو الحديث لتمكين التصميمات الرسومية الحديثة والميزات الواقعية (على سبيل المثال ، السحب المتحركة في السماء). تم اختبار هذه المهمة على مجموعة من البالغين الأصحاء قبل وبعد ممارسة التمارين الهوائية على المدى الطويل. تشير النتائج إلى أنه يمكن للمشاركين تشفير وتذكر كل من المعلومات المكانية وكذلك الذكريات العرضية المتعلقة بتجربتهم الافتراضية. بالإضافة إلى ذلك ، تشير النتائج إلى أن الأداء في هذه المهمة هو البلاستيك ، ويتأثر بالتمرين.
على وجه التحديد ، تم تطوير بيئة افتراضية من خلال محرك لعبة عبر الأنظمة الأساسية21 قام بتقييم الملاحة المكانية وقدرة الذاكرة العرضية ، والمهارات المعرفية الفريدة التي يدعمها الحصين. تم اشتقاق الخريطة المستخدمة لهذه البيئة من Miller et al. (2013) 22. يسمح محرك اللعبة الذي تم استخدامه للمطورين بتنزيل الأصول لإضافة ميزات فريدة لأغراض بناء بيئات افتراضية. تم استخدام الأصل23 الذي سمح لنا ببناء بيئة مدينة واقعية مع الطرق والمباني التي يمكن للمشاركين التنقل من خلالها. بالإضافة إلى ذلك ، تم استخدام الأصل24 الذي سمح بتتبع إحداثيات x و y و z للمشاركين ودورانهم أثناء سفرهم عبر البيئة الافتراضية. سمح الأصل المذكور أعلاه بتسجيل هذه الميزات على مقياس زمني بالمللي ثانية (~ 33 مللي ثانية). ثم تم تجميع البيئة الافتراضية وإدارتها كمهمة ملاحة مكانية يمكن للمشاركين إكمالها في المنزل على كمبيوتر محمول أو كمبيوتر مكتبي. يوضح البروتوكول أدناه كيفية إدارة مهمة التنقل المكاني هذه والتعامل معها.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Unity Real-Time Development Platform</td>
			<td>Unity</td>
			<td>Unity Student / Unity Personal</td>
			<td>https://unity.com/</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

assessing human spatial navigation in a virtual space and its sensitivity to exercise

الملاحة المكانية (SN) هي القدرة على الانطلاق عبر البيئة ، الأمر الذي يتطلب فهما لمكان وجود المرء في الزمان والمكان. من المعروف أن هذه القدرة تعتمد على الإطلاق المتسلسل لخلايا المكان داخل الحصين. SN هو سلوك مهم للتحقيق فيه لأن هذه العملية تتدهور مع تقدم العمر ، خاصة في الاضطرابات التنكسية العصبية. ومع ذلك ، فإن التحقيق في SN محدود بسبب عدم وجود تقنيات سلوكية متطورة لتقييم هذه المهمة المعتمدة على الحصين. لذلك ، كان الهدف من هذا البروتوكول هو تطوير نهج جديد في العالم الحقيقي لدراسة SN في البشر. على وجه التحديد ، تم تطوير مهمة SN افتراضية نشطة باستخدام محرك لعبة عبر الأنظمة الأساسية. خلال مرحلة الترميز ، شق المشاركون طريقهم عبر مدينة افتراضية لتحديد المعالم. خلال مرحلة التذكر ، تذكر المشاركون مكان مواقع المكافآت هذه وقاموا بتسليم العناصر إلى هذه المواقع. تم التقاط الوقت للعثور على كل موقع وتم تقييم الذاكرة العرضية من خلال مرحلة الاستدعاء الحر ، بما في ذلك جوانب المكان والنظام والعنصر والارتباط. تم تقييم سلوك الحركة (إحداثيات x و y و z) من خلال أصل متاح في محرك اللعبة. الأهم من ذلك ، أن نتائج هذه المهمة تظهر أنها تلتقط بدقة كل من التعلم المكاني وقدرات الذاكرة وكذلك الذاكرة العرضية. علاوة على ذلك ، تشير النتائج إلى أن هذه المهمة حساسة للتمرين ، مما يحسن أداء الحصين. بشكل عام ، تشير النتائج إلى طريقة جديدة لتتبع أداء الحصين البشري على مدار الوقت ، مع كون هذا السلوك حساسا لنماذج تدريب النشاط البدني.

Moving the body through time and space is critical for learning and remembering information about the environment. This ability is known as spatial navigation, and evolutionarily speaking, it is an essential survival tool for locating food, water, social counterparts, and other rewards in the environment1,2. Spatial navigation is dependent upon the hippocampus, a c-shaped limbic system structure in the medial temporal lobe. The hippocampus consists of the CA1, CA2, CA3, and dentate gyrus subregions. The hippocampus supports the encoding, consolidation, and retrieval of memories that help define the conscious experience. Specifically, spatial navigation supports episodic memory, a form of explicit memory that refers to the memory of personal experience, including aspects of time, place, and relevant details associated with the experience (e.g., sights, sounds, smells, emotions). As we spatially navigate through distinct environments, neurons known as place cells systematically fire, enabling us to understand where we are in both time and space. In fact, direct optical stimulation of these neurons has been shown to bias the behavior of rodents towards their physical location (i.e., place fields)3.
Assessing spatial navigation in rodents has traditionally been studied through such behavioral paradigms as the Morris Water Maze, Y maze, T maze, and radial arm maze4,5. Importantly, these behavioral tasks allow for the in vivo investigation of the neural correlates of spatial navigation using techniques such as electrophysiological depth recordings. However, assessing spatial navigation in humans has proven scientifically challenging because most scientific investigations happen in laboratories and not out in the real world. Previous studies in humans have assessed spatial abilities with traditional paper-based tasks such as bi-directional map learning tasks, mental rotation tasks, or spatial memory tasks6,7. Others have utilized computer-based tasks such as the Virtual Morris Water Task or other virtual maze tasks, which have been shown to be correlated with more traditional psychometric measures of spatial ability8,9. Additionally, with the accessibility of publicly available and free video game software packages, researchers have begun to develop 3-dimensional virtual environments that can either be presented on a computer screen or in virtual reality10,11,12,13,14,15. Scientific advances in mobile brain-body imaging (MoBI) have also allowed researchers to begin to explore spatial navigation in real-world settings16,17,18.
Importantly, spatial learning and memory is a cognitive ability that deteriorates with age, with elderly individuals being more likely to lose track of where they are or become lost when they try to return home. This deficit is most likely due to neurodegeneration that occurs at the level of the hippocampus - a highly plastic brain area that is one of the first to deteriorate with age19. Therefore, developing real-world methods to assess spatial navigational and episodic memory abilities is an important avenue of research. At the clinical level, these types of tasks may help determine the progression of memory decline or diagnose mild cognitive impairment, Alzheimer&#39;s disease, or other forms of dementia. Conversely, physical activity has been identified as one of the best mechanisms to improve spatial navigational abilities. Studies in rodents have shown that exercise enhances learning and memory on various spatial tasks, including the Morris Water Maze, Y maze, T maze, and radial arm maze20. Exercise-induced improvements in spatial abilities have also been demonstrated in humans, with this effect being significantly related to an increase in hippocampal volume7. However, this behavioral effect was demonstrated using a spatial memory task where participants were asked to remember the locations of dots on a screen - a task that may not hold much ecological validity to real-world spatial navigation. Little research has investigated the impact of exercise in humans on spatial navigational tasks presented in virtual environments.
Therefore, a cognitive task was designed to assess spatial learning and memory along with episodic memory using a virtual environment. Importantly, the task was designed using modern-day video game software to enable up-to-date graphic designs and realistic features (e.g., moving clouds in the sky). This task was tested in a group of healthy adults before and after they experienced long-term aerobic exercise practice. Results indicate that participants can encode and remember both spatial information as well as episodic memories regarding their virtual experience. Additionally, findings indicate that performance on this task is plastic, being affected by exercise.
Specifically, a virtual environment was developed through a cross-platform game engine21 that evaluated spatial navigation and episodic memory ability, unique cognitive skills supported by the hippocampus. The map used for this environment was derived from Miller et al. (2013)22. The game engine that was utilized allows developers to download assets to add unique features for the purposes of building virtual environments. An asset23 was utilized that allowed us to build a realistic city environment with roads and buildings through which participants could navigate. Additionally, an asset24 was used that allowed tracking of participants&#39; x, y, and z coordinates and rotation while they traveled through the virtual environment. The aforementioned asset allowed the recording of these features on a millisecond timescale (~33 ms). The virtual environment was then compiled and administered as a spatial navigation task that participants could complete at home on a laptop or desktop computer. The below protocol details how to administer and engage with this spatial navigation task.

تسليط الضوء على المؤلف: التحقيق في آثار ممارسات حركة العقل والجسم على وظائف المخ

تقييم الملاحة المكانية البشرية في الفضاء الافتراضي وحساسيتها للتمرين

Our research at the Embodied Brain Lab examines the effects of mind-body movement practices like dance, yoga, and meditation on brain function and physiology. And specifically we're looking at the concept of brain plasticity, also known as neuroplasticity, which is really how the body and other things in the environment affect the brain. Our research has shown that exercise and other physical activity practices like dance affect mental health, increasing positive affect, decreasing negative affect, and also enhancing social connection.And we found this at the level of behavior, but we're also looking at how neural activity changes or neural oscillations change in the brain as well.

Watch this Scientific Journal Video about Assessing Human Spatial Navigation in a Virtual Space and its Sensitivity to Exercise at JoVE.com

هنا ، نقدم مهمة تنقل مكاني جديدة وموجزة ونشطة تقيم كلا من التنقل المكاني وقدرة الذاكرة العرضية. الأهم من ذلك ، ارتبطت الملاحة المكانية والذاكرة العرضية ببعضها البعض ، وأظهرت هذه المهمة حساسية للتمرين.

Spatial navigation (SN) is the ability to locomote through the environment, which requires an understanding of where one is located in time and space. ...

يفحص بحثنا في مختبر الدماغ المتجسد آثار ممارسات حركة العقل والجسم مثل الرقص واليوغا والتأمل على وظائف المخ وعلم وظائف الأعضاء. وعلى وجه التحديد نحن ننظر إلى مفهوم لدونة الدماغ ، المعروف أيضا باسم المرونة العصبية ، وهو حقا كيف يؤثر الجسم والأشياء الأخرى في البيئة على الدماغ. أظهر بحثنا أن التمارين الرياضية وممارسات النشاط البدني الأخرى مثل الرقص تؤثر على الصحة العقلية ، وتزيد من التأثير الإيجابي ، وتقلل من التأثير السلبي ، وتعزز أيضا التواصل الاجتماعي.ووجدنا هذا على مستوى السلوك ، لكننا ننظر أيضا في كيفية تغير النشاط العصبي أو تغير التذبذبات العصبية في الدماغ أيضا.

assessing-human-spatial-navigation-virtual-space-its-sensitivity-to

Research

JoVE Journal

Behavior

Assessing Human Spatial Navigation in a Virtual Space and its Sensitivity to Exercise

951 Views.  Virginia Tech. يفحص بحثنا في مختبر الدماغ المتجسد آثار ممارسات حركة العقل والجسم مثل الرقص واليوغا والتأمل على وظائف المخ وعلم وظائف الأعضاء. وعلى وجه التحديد نحن ننظر إلى مفهوم لدونة الدماغ ، المعروف أيضا باسم المرونة العصبية ، وهو حقا كيف يؤثر الجسم والأشياء الأخرى في البيئة على الدما?...

Video: تسليط الضوء على المؤلف: التحقيق في آثار ممارسات حركة العقل والجسم على وظائف المخ

Spatial navigation (SN) is the ability to locomote through the environment, which requires an understanding of where one is located in time and space. This capacity is known to rely on the sequential firing of place cells within the hippocampus. SN is an important behavior to investigate as this process deteriorates with age, especially in neurodegenerative disorders. However, the investigation of SN is limited by the lack of sophisticated behavioral techniques to assess this hippocampal-dependent task. Therefore, the goal of this protocol was to develop a novel, real-world approach to studying SN in humans. Specifically, an active virtual SN task was developed using a cross-platform game engine. During the encoding phase, participants navigated their way through a virtual city to locate landmarks. During the remembering phase, participants remembered where these reward locations were and delivered items to these locations. Time to find each location was captured and episodic memory was assessed by a free recall phase, including aspects of place, order, item, and association. Movement behavior (x, y, and z coordinates) was assessed through an asset available in the game engine. Importantly, results from this task demonstrate that it accurately captures both spatial learning and memory abilities as well as episodic memory. Further, findings indicate that this task is sensitive to exercise, which improves hippocampal functioning. Overall, the findings suggest a novel way to track human hippocampal functioning over the course of time, with this behavior being sensitive to physical activity training paradigms.

Here, we present a novel, brief, and active spatial navigation task that assesses both spatial navigation and episodic memory ability. Importantly, spatial navigation and episodic memory were associated with one another, and this task demonstrated sensitivity to exercise.

Setting Up Gameplay to Perform a Virtual Spatial Navigation Task

Begin by downloading the necessary files for the Unity project. Download Unity Hub from the official website and install Unity version 5.3.1f1. Locate and open the downloaded files as a project within the Unity environment.After creating the project, navigate to the File tab and select the Build and Run option to proceed. Navigate and select Spatial Navigation/scenes/Big City B Lures and Scenes and LaFin. Choose the PC, Mac, and Linux Standalone options.Then click on the Build and Run button. Click the Graphics tab to adjust the screen resolution and the graphics quality. Then move to the Input tab to modify the game's control settings.Afterward, simply click on Play button to begin the spatial navigation task.

إعداد طريقة اللعب لأداء مهمة التنقل المكاني الافتراضية

Recording Brain Activity with Electroencephalography (EEG) During the Virtual Spatial Navigation Task

To begin, use a measuring tape to measure the participant's head from inion to nasion to ensure the proper fitting of the EEG cap. Place electrodes into the EEG cap and outfit the participant with the EEG cap ensuring proper fitting in placement. Now, start the EEG software.Fill each electrode with electrode gel to ensure that impedance measurements are below 25 kiloohms and start the recording. Recruit a member of the research team to watch the participant as the participant performs the spatial task. Send a trigger pulse to the EEG recording system at the start and end of the encoding, remembering an episodic memory phase.

تسجيل نشاط الدماغ باستخدام تخطيط كهربية الدماغ (EEG) أثناء مهمة الملاحة المكانية الافتراضية

Performing a Virtual Spatial Navigation Task to Assess Spatial Learning and Memory

To begin, equip the participant with a mobile electroencephalography device. Ensure the participant is seated comfortably with their feet on the floor. Present on screen instructions, prompting participants to visit landmarks and recall paths in a cityscape.Then instruct the participant to use the mouse in left click to initiate the task. Confirm that the participant comprehends the requirement to navigate the environment using the W, A, S and D keys on their keyboard. Ensure the participant is aware that they can utilize the computer mouse to adjust the subject's point of view simulating head movement.Ask the participant to follow a green path with green arrows to visit the first landmarks. Then instruct the participant to walk through the green diamond at that location. After collecting the green diamond, ask the participant to follow the path to visit the next landmark.Once the participant arrives at the second landmark, instruct them to walk through the green diamond at that location. In the remembering phase, instruct the participant to revisit each landmark. Then, use the mouse and left click on top of Begin.Ask the participant to visit the first landmark that they visited during the encoding phase and deliver a unique item to the first landmark. Once the participant delivers the item, navigate to the second landmark and deliver the next unique item. Instruct the participant to use the mouse to left click on top of begin.Recall the landmarks they visited and the items they delivered in the exact order as instructed earlier in the remembering phase. Instruct the participant to read the final prompt to confirm the completion of the task and the submission of the data. Once the task is completed, locate the results.CSB file in the applications directory. Use the raw data to calculate the appropriate scores, including start time, end time, average seek duration, place score, item score, order score, association score, and episodic memory score. Initial pre-intervention tests revealed an average completion time of 318.69 seconds and an average seek time of 82.88 seconds for the five sites, reflecting spatial navigation ability.Furthermore, participants successfully encoded various aspects of the virtual experience indicative of their episodic memory capacity. Both total time and average seek time, displayed significant correlations with the episodic memory score suggesting a connection between spatial navigation and episodic memory. Preliminary findings showed a significant correlation between age and spatial navigation ability with older age correlating with decreased spatial navigation skills.A significant association was observed between the number of cycling classes, average seek duration, and total seek time.