VRARMR · 2021年 12月 4日

增强 VR:认知训练和监控的多感官方法

认知训练系统旨在通过让用户参与认知要求高的任务来改善特定领域或全局认知。虽然基于屏幕的应用程序可以提高受过训练的认知能力的表现,但它们经常因在日常生活活动中的可移植性差而受到批评。然而,这些系统排除了用户的身体和运动技能,这总是限制用户体验。相比之下,沉浸式虚拟现实 (IVR) 系统向用户呈现与身体相关的信息,例如本体感受和视觉运动信息,从而实现对环境的沉浸式和具身体验。此功能使 VR 成为认知训练和神经康复应用非常有吸引力的工具。我们提出增强 VR,一个基于 IVR 的认知训练和监控应用程序,提供简短的日常认知锻炼。这些游戏旨在训练和监控特定的认知领域,例如记忆、任务灵活性、信息处理、定向、注意力、解决问题和运动控制。目的是测试在 IVR 环境中呈现的认知要求高的任务是否提供了一个自然系统来训练和监控认知能力。

一、简介

认知能力下降,即认知能力和功能的逐渐恶化,与年龄同步发展,并且在有神经退行性疾病风险的人群中变得更加明显(图 1A)。认知能力的下降直接影响日常生活活动 (ADL) 的执行,并对自主性和幸福感产生负面影响。随着预期寿命的持续增加,老年人口的数量以及因此认知障碍的患病率预计将增加(WHO 欧洲,nd)。已提出将健康饮食、适度运动和认知刺激相结合作为尝试减缓认知衰退进展的策略1-3)。其中,认知训练系统旨在通过特定认知领域的结构化实践来维持有效的认知功能。此外,当以计算机化形式呈现时,锻炼难度可以根据个人的表现进行调整,这比纸笔格式具有优势 ( 4 )。图1

图 1。Enhance VR 提供了一个虚拟现实认知练习库。(A)认知能力在个体的整个生命周期中发生变化。认知训练解决方案,加上体育锻炼和健康均衡的饮食,已显示出对老年人认知能力的潜在改善。(B)基于屏幕的认知训练解决方案在训练的认知能力方面显示出潜在的改善,但对全球认知功能和日常生活活动的影响仍有待确定。虚拟现实系统为用户提供了认知练习的具体体验,这可能会增加利益转移的可能性。(C)增强 VR 练习跨越七个认知类别(及其各自的子类别)。即注意力、认知灵活性、信息处理、记忆、解决问题、运动控制和空间定向。后者是 IVR 环境所固有的。

因此,计算机化认知训练 (CCT) 可能作为一种非药物干预来维持健康和认知受损个体的整个生命周期的认知功能。CCT 已被证明可以减少健康老龄化中的认知能力下降 ( 5 ),但在延迟工具性 ADL 困难方面没有明显的效果。CCT 项目显示出训练的认知能力(即记忆力、推理或处理速度)(6)的改善,这种能力维持了 5(7)甚至 10 年(8)。一项荟萃分析发现对健康老年人的认知功能有微小而显着的影响(9)。总体而言,CCT 在全球认知功能方面显示出有希望但异质的结果 ( 10 )。然而,基于屏幕的 CCT 解决方案未能显示转移到未经训练的认知类别和任务以及 iADL ( 6 , 11 ),因此未能显示收益转移。此外,基于计算机的干预措施显示出认知和非认知测量(例如情绪)的改善,但未能改善痴呆症患者的 ADL ( 12 )。一项为期 12 周的计划显示,早期阿尔茨海默病 (AD) 的能力有所提高,但对 ADL 没有积极影响 ( 13 )。

基于筛选的 CCT 缺乏生态有效性可以部分解释为什么这些系统不会将益处转移到 ADL 和一般认知。虽然基于屏幕的系统无法提供与身体相关的感官信息(例如,本体感觉),但虚拟现实 (VR) 环境通过多感官体现体验天生就提供了它 ( 14 )。VR 环境产生对实验变量进行精确控制的生态有效环境场景 ( 15 , 16 )。VR 已被证明可能与老年人的认知训练相关,因为它具有许多不同的特征,例如环境的灵活性和收集丰富数据的可能性,这是增加沉浸感的结果 ( 17)。因此,VR 中的认知训练可以潜在地改善健康和有风险的老年人的认知功能,并促进利益的转移(图 1B)。

2. 虚拟现实环境作为认知训练和监控工具

2.1。使用 VR 环境的优势

与基于屏幕的认知训练方法相比,VR 场景提供了许多优势。传统方法必须权衡外部有效性(即,任务如何准确地表示现实生活场景中的测量)和在受控实验室环境中使用受控变量执行任务的内部有效性(18)。另一方面,VR 提供了对理想实验变量高度控制的现实场景(15),例如刺激、干扰物的存在等等。VR 系统的其他优势包括可以创建适合个人需求或无法在现实生活场景中重现的情况,并收集物理运动的精确测量值,同时获取大量行为数据 ( 18 )。

此外,沉浸式 VR (IVR) 系统通过带有嵌入式头部跟踪的头戴式显示器显示,根据参与者的移动更新环境,允许与环境进行自然交互。在这些场景中,环境的行为与参与者行为的预期身体和运动后果相匹配。这也被称为似是而非的错觉。此外,IVR 环境使感觉运动系统参与增强了虚拟身体或身体部位的具体化幻觉 ( 19 , 20)。通过提供场景的沉浸式体验,虚拟环境提供虚拟世界是真实世界的感觉,并提供在虚拟环境中实际“存在”的感觉(即,放置错觉)。虚拟环境中的临场感已显示出增加学习的动力和对任务的关注(21),它依赖于硬件和软件(22)。这三种幻觉有助于环境的沉浸式体验(23)。

因此,感觉运动意外事件对于沉浸感很重要。VR 系统在这个问题上特别有趣,因为它们允许整合本体感受、视觉和运动信息 ( 14 )。最终,VR 场景提供了高度的真实感,从而引发了参与者的自然主义行为 ( 24 )。与虚拟环境中的存在感和沉浸感一起,与环境的自然交互提供了比当前基于屏幕或纸笔解决方案更高程度的生态有效性。因此,VR 系统成为不同人群认知功能训练和康复的有趣工具 ( 25 )。

2.2. VR 中的认知训练和康复

VR 可实现更强的感官沉浸,促进更高的认知处理和学习,并在分析基于 VR 的游戏和模拟的效果时发现对学习结果有积极影响 ( 21 , 26 , 27 )。此外,与基于屏幕的系统相比,VR 增强了信息的学习和应用(28)。VR 越来越多地用于认知康复领域,例如中风后患者的康复 ( 25 ),并表明了对帕金森病的潜在应用 ( 29 )。VR 中的寻路范式训练显示出未经训练的记忆类别的改善(30)。最后,VR 已被证明可用于研究 AD 患者的姿势不稳定性 ( 31 )。

半沉浸式 VR 中的练习代表了虚拟超市与体育活动(例如使用跑步机)的混合,已被提议作为一种替代方案,最终可以转化为日常生活活动的改善(32)。有证据表明,在患有轻度认知障碍 (MCI)(AD 的前驱状态)患者中使用 VR 认知训练系统对整体认知功能有中等影响 ( 33 )。使用生态有效的模拟 ADLs 情景的中风康复可以对中风后个体产生积极影响,显示出比传统方法更大的改善 ( 34)。患有 MCI 和痴呆症的人报告说,他们更喜欢 VR 格式而不是纸笔版本,因此,这表明有可能增加对非药物干预的参与和依从性 ( 35 )。代表 ADL 的 VR 认知训练系统在老年人的执行功能和视觉记忆以及一般认知方面显示出积极的改善 ( 36 )。一项旨在训练记忆力、注意力和执行功能的计划改善了健康和 MCI 个体 ( 37 )。

IVR 的优势不仅限于认知训练,还为认知评估提供沉浸式场景 ( 38 )。由于自然交互和现实场景,VR 认知评估提供了准确测量个人认知表现的机会。

3. 增强 VR,虚拟现实中的认知训练和监控工具

Enhance VR 是一款商用应用程序,由 Virtuleap(美国 Virtuleap,virtuleap.com)开发的认知练习库(以下简称游戏)组成。Enhance VR 系统利用沉浸式 VR 环境的多感官体验来训练和监控特定的认知类别(即记忆、注意力、任务灵活性、信息处理、定向和解决问题)和运动控制(图 1C)。

Enhance VR 应用程序旨在以短期锻炼的形式定期播放。每个锻炼由三个随机选择的游戏组成。每个游戏的机制都是由经过验证的神经心理学原理的机制驱动的。每个游戏都源于科学家和游戏设计师之间的合作,以确保每个测试的机制得到维护,而体验是神经心理学验证测试的游戏化和引人入胜的表现(表 1)。每场比赛都以一个基准测试开始,旨在找出参与者当前的表现水平。从那里开始,每个会话都从用户停止的级别开始。Enhance VR 应用程序的难度取决于游戏,并通过调整每个练习的相关参数来控制。Enhance VR 兼容多种市售头戴式耳机 ( https://virtuleap.com/download/ )。表格1

表 1。增强 VR 游戏描述。

个人进步由增强 VR 性能指数 (EPI) 跟踪,除每场游戏的得分、主要认知类别和子类别得分外,该指数计算为所有认知类别的加权绩效总和。该应用程序在每次锻炼开始时收集有关自我报告的情绪和睡眠时间的数据。最重要的是,还可以从游戏特定事件获得的行为数据集合中获得游戏模式,最终允许 Enhance VR 系统计算反应时间、准确性和其他行为变量。

4。讨论

随着预期寿命的延长和人口的老龄化,预计患有认知障碍和丧失自主权的老年人口数量将会增加。预计到 2050 年,全球受 AD 影响的老年人人数将达到 16 亿 ( 55 )。因此,制定和实施扩展面临认知衰退风险的个体的自主性和独立性的策略至关重要。尚未证明药物干预在帮助阻止患有神经退行性疾病的人的认知和功能下降方面完全有用。在潜在的非药物干预中,认知训练提供了扩展个人自主性和独立性的机会 ( 2 , 56 )。

暴露于多域活动视频游戏本身已被证明会导致任务之间的利益转移(57),这种情况可以维持长达六个月的随访期。因此,游戏环境是一种很有前途的利益转移工具(58)。已提议在类似游戏的 IVR 场景中进行训练,作为提高神经康复参与度和积极性的一种手段(59)。此外,沉浸式 VR 场景提供了一个生态有效的环境,可以潜在地改善全球认知功能并对未经训练的认知能力产生积极影响。Enhance VR 应用程序利用 VR 环境的沉浸式和生态有效性,为认知训练提供结构化和可控的环境。Enhance VR 应用程序可以被认为是一个认知训练系统,它提供具有挑战性的心理练习,旨在训练以结构化方式呈现的特定认知技能,并提取认知健康的行为测量 ( 60 )。Enhance VR 应用程序有可能实现强大的临场感、高位置和合理性错觉,从而提高其环境的生态有效性 ( 61 )。

迄今为止,很少有研究使用 IVR 环境对健康老年人 ( 17 , 62 ) 或 MCI ( 63 ) 人群进行认知训练。最近的研究表明,老年人在使用 VR 环境时表现出积极的态度(64)。此外,研究表明,在患有主观认知障碍和 MCI ( 65 ) 的老年人和轻度痴呆患者 ( 66 ) 的可接受性和可用性方面,结果令人鼓舞。),总体上表明,认知训练的结构化和受控环境为有认知能力下降风险的老年人提供了一个很有前途的工具。因此,我们建议,接触认知要求高、身体参与和感官丰富的沉浸式和游戏化练习,例如通过 Enhance VR 游戏提供的练习,可能会增加对 iADL 的益处转移,并在有认知风险的人群中增加全球认知功能衰退。

IVR 系统提供了一个独特的机会来收集潜在的生态有效数据 ( 15 ),而认知评估系统已被证明可用于评估认知功能 ( 38 )。因此,长时间和定期使用 Enhance VR 应用程序可以收集代表自然场景的纵向数据。因此,Enhance VR 应用程序也可以充当认知监控工具。测试的 VR 改编已被证明在评估记忆功能方面是有用的 ( 67 )。

每个单独的 Enhance VR 游戏的设计都可以与为设计认知评估练习而提出的其他工作流程进行比较(68)。只要确定了对特定认知类别的需求,就会选择和评估不同的经典范式,以最大限度地提高 IVR 环境中的训练能力。一旦确定了候选范式,广泛的文献回顾就会确定任务要求。即,(1)范式的机制,(2)参与者需要采取的行动,(3)刺激的类别和类型,(4)对评估至关重要的任务预期的结果测量认知能力,以及 (5) 确定可以修改以增加任务难度的参数。

此外,VR 场景提供了在现实日常生活场景中评估认知功能的机会,并提高了生态有效性 ( 38 )。例如,VR 范式可以在超市测试导航技能并收集生态相关数据,而不会让参与者面临在这些实际场景中导航的危险(即实验控制良好)(68)。Enhance VR 游戏的机制源自神经心理学原理,例如 n-back 任务 ( 47 ) 或 Stroop 任务 ( 43 ))。我们建议认知评估测试的 VR 版本可以提供一种自然主义的方法来测量认知能力,因为 IVR 促进了与身体相关的多感官信息 ( 69 )。

IVR 系统的另一个优势是能够收集大量多样的行为数据集 ( 17 )。当参与者参与到 Enhance VR 游戏中时,系统不仅会收集参与者的表现,还会收集大量与游戏相关的变量。其中一些变量包括运动输出(例如,运动坐标或手部偏好)和反应时间等。这些数据点与有监督的机器学习算法相结合,可以通过收集数字健康技术的特征来提供新的非侵入性认知状态数字生物标志物,这些特征可用于监测生物或致病过程并评估对药物干预的反应(70)。因此,该应用程序提供了独立于实验者的认知功能监测,同时允许研究人员和临床工作人员访问这些数据。Enhance VR 应用程序符合 GDPR 和 HIPAA 法规,以确保它能够满足数据隐私标准 ( 61 )。

使用 VR 环境进行认知训练和监测(或评估)提出了一些需要解决的问题,因为它们的使用变得越来越普遍(61、68)。其中,将不利影响降至最低的需求至关重要。例如,晕车会对个人的认知表现产生负面影响(71)。可以通过硬件和软件来努力减少晕机病(61)。首先,Enhance VR 应用程序利用了硬件技术方面的优势,支持最先进的现成头显。Enhance VR 应用程序可用于具有六个自由度 (6DoF) 的头显,通过使用控制器 ( 72 ) 提供与环境的看似自然的交互。此外,Enhance VR 应用程序提供了可能有助于避免晕车的高质量软件 ( 61 )。最后,参与者不需要在虚拟环境中移动,这进一步有助于减少晕车的可能性。未来的研究将评估 VR 环境中是否存在不利影响 ( 73 )。

硬件的成本在过去几年中显着降低,并且越来越容易用于研究和临床目的 ( 23 )。然而,高质量沉浸式环境的开发既耗时又昂贵(68)。因此,利用资源开发认知培训软件的企业和具有验证这些系统的手段的研究机构之间的合作非常重要。Enhance VR 系统可随时用于研究目的。此外,它还附带使其成为有趣工具的附加功能,例如允许监视组织内用户的数据仪表板;允许远程医疗干预的远程控制功能;以及集成在 Enhance VR 系统中的可定制调查系统。

5。结论

随着老年人口的不断增长,实施战略以保持他们的自主权和独立性变得至关重要。在提出的策略中,认知训练解决方案提供了一个结构化系统,可以在具有自适应困难的场景中训练多种认知能力。虽然计算机化的认知训练解决方案已显示出积极的结果,但基于屏幕的系统缺乏自然互动,并且对日常生活活动和全球认知功能的益处转移有限。

另一方面,IVR 系统向用户呈现多感官环境,从而产生沉浸式和具身化的虚拟场景体验。通过利用此功能,Enhance VR 应用程序旨在使用对认知要求高的沉浸式游戏来训练和监控认知功能。看似自然的环境的呈现可以提供优于基于屏幕的系统的优势,从而增强 VR 可以成为认知监控和训练的有效工具。

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