空间导航的测量及其在认知老化中的应用
发布时间：2021-11-05 07:26
空间导航是日常生活所必需的高级认知功能,参与空间导航的海马及内嗅皮层等脑区易受到老化的影响并导致结构萎缩或功能紊乱。早期研究多利用动物实验、纸笔测验、现实环境等实验范式考察老年人的空间导航老化特点。由于具有与现实环境相似的场景、兼容磁共振成像扫描以及导航者可以与场景交互等优点,虚拟现实技术被越来越多地被应用到空间导航的老化研究中,并进一步揭示了海马等内侧颞叶脑区在空间导航老化中的重要作用。
【文章来源】：心理科学进展. 2019,27(12)北大核心CSSCICSCD
【文章页数】：15 页
【部分图文】：
图1 两类空间导航迷宫范式。A.莫里斯水迷宫范式,不同的试次中,导航者(小鼠)从圆形水池的不同起点出发,通过近处、远处地标线索来定位隐藏平台,并最终到达这一终点以避开厌恶刺激(水淹),图片来自van Meer和Raber(2005);B.蜂巢迷宫范式,当导航者处于任意平台时(除终点),临近的平台中至多两块平台处于可通行状态,导航者需要回忆终点位置,通过反复地二择一,最终到达终点。灰色正六边形为当前所处平台,蓝色与橙色正六边形为抬升的紧邻平台;C.蜂巢迷宫范式的立体图。两类迷宫外围均存在远处的标志物,以提供空间相对位置关系。黄色五角星代表正确的终点,小鼠图标代表空间导航的起点,蓝色平台更靠近终点,为正确平台,橙色平台距离终点更远,为错误平台。
近年来,虚拟现实技术越来越多地被用来测量人类空间导航能力的老化。虚拟现实技术指通过呈现视觉图像以及非视觉的多媒体刺激,提供能够进行交互的场景,并让使用者相信自己真实地沉浸于这样的虚拟环境当中(Garcia-Betances,Arredondo Waldmeyer,Fico,&Cabrera-Umpierrez,2015)。相对在现实环境进行的空间导航老化研究,虚拟现实技术相对省时省力,且能够严格控制实验环境,减少了无关变量的影响(Garcia-Betances et al.,2015)。虚拟现实空间导航实验与前述提到的计算机呈现的空间导航相关任务存在两点主要不同：虚拟现实环境与交互性。首先,虚拟现实空间导航任务采用与现实环境相似的场景(利用照片或构建虚拟现实环境),而非简单的视觉流或视觉线索。其次,导航者与虚拟现实环境之间存在交互,通过主动操作或被动观看的方式,导航者在虚拟现实环境中的空间位置存在一定的位移。虚拟现实环境及交互性使得虚拟现实空间导航实验与传统空间认知任务区分开来,从而为研究者提供了测量空间导航老化更优化的方式。有研究者对比了现实空间导航与虚拟现实空间导航的成绩,利用计算机构建了与现实环境相同的虚拟现实环境,并测量了各项空间导航成绩,包括路线学习、地标回忆、照片回忆等,结果表明无论是青年人、老年人、轻度认知损伤患者,还是早期阿尔茨海默症患者,在现实环境与虚拟现实环境的整体空间导航成绩上均存在强相关(r=0.73),这也证明了虚拟现实技术在空间导航老化研究上的有效性(Cushman,Stein,&Duffy,2008)。虚拟现实技术结合精细设计的刺激,并加上传统小鼠空间导航实验范式已经很好地应用在人类被试身上,比如八臂迷宫或十二臂迷宫(Bohbot,Lerch,Thorndycraft,Iaria,&Zijdenbos,2007;Iaria,Petrides,Dagher,Pike,&Bohbot,2003;Konishi&Bohbot,2013),十字迷宫(Harris,Wiener,&Wolbers,2012),星型迷宫(王芳芳,2017;Igloi et al.,2015;Igloi,Zaoui,Berthoz,&Rondi-Reig,2009),以及莫里斯水迷宫(Driscoll,Hamilton,Yeo,Brooks,&Sutherland,2005)等。根据研究目的,这些虚拟现实研究范式可以进一步地分为不同类型。莫里斯水迷宫关注于空间导航成绩,包括空间导航速度、错误率等效率指标(Daugherty et al.,2015;Fouquet et al.,2010;Kunz et al.,2015)。与动物研究结果类似,这类虚拟现实空间导航研究表明老年人在这些指标上存在损伤,例如空间导航速度减慢,错误率增加等(Techentin,Voyer,&Voyer,2014)。在莫里斯水迷宫实验范式的基础上,研究者设计了圆形竞技场范式,该范式与莫里斯水迷宫范式相似,导航者需要记忆不同物体在环境中的位置并进行移动,通过反应距离误差、移动距离、反应时等指标衡量导航者的空间导航成绩(Horner,Bisby,Zotow,Bush,&Burgess,2016;Julian,Ryan,Hamilton,&Epstein,2016)。利用该范式,结合磁共振成像技术,研究者首次在人类身上发现了类似网格细胞的表征。研究者发现携带阿尔茨海默病高风险基因的健康成年人已经出现了类似网格细胞的表征激活下降(Kunz et al.,2015),而健康老年人同样表现出这一表征激活水平的下降,这可能解释了空间导航成绩的损伤机制(Stangl et al.,2018)。
虚拟现实技术与空间导航实验范式的结合并不仅仅应用于理论研究领域,在临床诊断、老化干预、康复等领域同样展现出巨大的应用价值(Bohil,Alicea,&Biocca,2011;Cogne et al.,2017)。已有研究发现利用虚拟现实空间导航成绩可以将阿尔茨海默病患者与健康老年人以及其他患者区分出来(武文博等,2015;Bellassen et al.,2012;Hort et al.,2007)。例如,研究者利用虚拟现实星型迷宫实验范式测量了健康青年人、健康老年人、额颞叶退化患者、轻度认知损伤患者与阿尔茨海默病患者的空间导航成绩。研究表明,相比于传统的神经认知测验,空间导航成绩能够更为有效地将阿尔茨海默病患者同健康老年人、额颞叶退化患者区分开来,且更为准确地预测轻度认知损伤患者6个月后转化为阿尔茨海默病的比率(Bellassen et al.,2012)。在老化干预领域,同样有研究表明利用虚拟现实空间导航训练可以改善空间导航成绩,甚至是减缓大脑灰质体积的萎缩(Lovden et al.,2012;Nemmi et al.,2017)。例如,有研究者利用跑步机,结合虚拟现实空间导航任务对老年人进行了长达4个月的干预。这一研究中,跑步机正前方的屏幕上投影着虚拟现实环境,被试在跑步机上的移动将直接反映在虚拟现实环境中。训练过程中,被试需要学习并寻找分散在虚拟现实环境中的物体。通过对比训练前后的结构磁共振成像数据,研究者发现,虚拟现实空间导航任务可以减缓海马体积的萎缩(Lovden et al.,2012)。这些研究反映了虚拟现实空间导航任务的重要现实意义。5 空间导航老化的神经机制
【参考文献】：
期刊论文
[1]游泳训练次数对大鼠Morris水迷宫成绩的影响[J]. 胡志红,闫君宝,杨东伟. 山西医科大学学报. 2016(01)
[2]空间导航:路标学习和路径整合的关系[J]. 李丹,杨昭宁. 心理科学进展. 2015(10)
[3]空间导航——阿尔兹海默病早期诊断的新指标[J]. 武文博,张冰,徐运. 中国实用内科杂志. 2015(02)
[4]Morris水迷宫检测大鼠记忆力方法的探讨[J]. 罗小泉,骆利平,陈海芳,涂明珠,黎艳刚,袁金斌,杨武亮. 时珍国医国药. 2010(10)
[5]Morris水迷宫检测的记忆属性与方法学初探[J]. 胡镜清,温泽淮,赖世隆. 广州中医药大学学报. 2000(02)
硕士论文
[1]APOE风险基因和性别差异对空间导航能力相关脑结构的影响[D]. 王芳芳.南京大学 2017
[2]年龄和认知状态对空间导航能力影响的行为学研究及其脑网络基础[D]. 武文博.南京医科大学 2015
本文编号：3477348
【文章来源】：心理科学进展. 2019,27(12)北大核心CSSCICSCD
【文章页数】：15 页
【部分图文】：
图1 两类空间导航迷宫范式。A.莫里斯水迷宫范式,不同的试次中,导航者(小鼠)从圆形水池的不同起点出发,通过近处、远处地标线索来定位隐藏平台,并最终到达这一终点以避开厌恶刺激(水淹),图片来自van Meer和Raber(2005);B.蜂巢迷宫范式,当导航者处于任意平台时(除终点),临近的平台中至多两块平台处于可通行状态,导航者需要回忆终点位置,通过反复地二择一,最终到达终点。灰色正六边形为当前所处平台,蓝色与橙色正六边形为抬升的紧邻平台;C.蜂巢迷宫范式的立体图。两类迷宫外围均存在远处的标志物,以提供空间相对位置关系。黄色五角星代表正确的终点,小鼠图标代表空间导航的起点,蓝色平台更靠近终点,为正确平台,橙色平台距离终点更远,为错误平台。
近年来,虚拟现实技术越来越多地被用来测量人类空间导航能力的老化。虚拟现实技术指通过呈现视觉图像以及非视觉的多媒体刺激,提供能够进行交互的场景,并让使用者相信自己真实地沉浸于这样的虚拟环境当中(Garcia-Betances,Arredondo Waldmeyer,Fico,&Cabrera-Umpierrez,2015)。相对在现实环境进行的空间导航老化研究,虚拟现实技术相对省时省力,且能够严格控制实验环境,减少了无关变量的影响(Garcia-Betances et al.,2015)。虚拟现实空间导航实验与前述提到的计算机呈现的空间导航相关任务存在两点主要不同：虚拟现实环境与交互性。首先,虚拟现实空间导航任务采用与现实环境相似的场景(利用照片或构建虚拟现实环境),而非简单的视觉流或视觉线索。其次,导航者与虚拟现实环境之间存在交互,通过主动操作或被动观看的方式,导航者在虚拟现实环境中的空间位置存在一定的位移。虚拟现实环境及交互性使得虚拟现实空间导航实验与传统空间认知任务区分开来,从而为研究者提供了测量空间导航老化更优化的方式。有研究者对比了现实空间导航与虚拟现实空间导航的成绩,利用计算机构建了与现实环境相同的虚拟现实环境,并测量了各项空间导航成绩,包括路线学习、地标回忆、照片回忆等,结果表明无论是青年人、老年人、轻度认知损伤患者,还是早期阿尔茨海默症患者,在现实环境与虚拟现实环境的整体空间导航成绩上均存在强相关(r=0.73),这也证明了虚拟现实技术在空间导航老化研究上的有效性(Cushman,Stein,&Duffy,2008)。虚拟现实技术结合精细设计的刺激,并加上传统小鼠空间导航实验范式已经很好地应用在人类被试身上,比如八臂迷宫或十二臂迷宫(Bohbot,Lerch,Thorndycraft,Iaria,&Zijdenbos,2007;Iaria,Petrides,Dagher,Pike,&Bohbot,2003;Konishi&Bohbot,2013),十字迷宫(Harris,Wiener,&Wolbers,2012),星型迷宫(王芳芳,2017;Igloi et al.,2015;Igloi,Zaoui,Berthoz,&Rondi-Reig,2009),以及莫里斯水迷宫(Driscoll,Hamilton,Yeo,Brooks,&Sutherland,2005)等。根据研究目的,这些虚拟现实研究范式可以进一步地分为不同类型。莫里斯水迷宫关注于空间导航成绩,包括空间导航速度、错误率等效率指标(Daugherty et al.,2015;Fouquet et al.,2010;Kunz et al.,2015)。与动物研究结果类似,这类虚拟现实空间导航研究表明老年人在这些指标上存在损伤,例如空间导航速度减慢,错误率增加等(Techentin,Voyer,&Voyer,2014)。在莫里斯水迷宫实验范式的基础上,研究者设计了圆形竞技场范式,该范式与莫里斯水迷宫范式相似,导航者需要记忆不同物体在环境中的位置并进行移动,通过反应距离误差、移动距离、反应时等指标衡量导航者的空间导航成绩(Horner,Bisby,Zotow,Bush,&Burgess,2016;Julian,Ryan,Hamilton,&Epstein,2016)。利用该范式,结合磁共振成像技术,研究者首次在人类身上发现了类似网格细胞的表征。研究者发现携带阿尔茨海默病高风险基因的健康成年人已经出现了类似网格细胞的表征激活下降(Kunz et al.,2015),而健康老年人同样表现出这一表征激活水平的下降,这可能解释了空间导航成绩的损伤机制(Stangl et al.,2018)。
虚拟现实技术与空间导航实验范式的结合并不仅仅应用于理论研究领域,在临床诊断、老化干预、康复等领域同样展现出巨大的应用价值(Bohil,Alicea,&Biocca,2011;Cogne et al.,2017)。已有研究发现利用虚拟现实空间导航成绩可以将阿尔茨海默病患者与健康老年人以及其他患者区分出来(武文博等,2015;Bellassen et al.,2012;Hort et al.,2007)。例如,研究者利用虚拟现实星型迷宫实验范式测量了健康青年人、健康老年人、额颞叶退化患者、轻度认知损伤患者与阿尔茨海默病患者的空间导航成绩。研究表明,相比于传统的神经认知测验,空间导航成绩能够更为有效地将阿尔茨海默病患者同健康老年人、额颞叶退化患者区分开来,且更为准确地预测轻度认知损伤患者6个月后转化为阿尔茨海默病的比率(Bellassen et al.,2012)。在老化干预领域,同样有研究表明利用虚拟现实空间导航训练可以改善空间导航成绩,甚至是减缓大脑灰质体积的萎缩(Lovden et al.,2012;Nemmi et al.,2017)。例如,有研究者利用跑步机,结合虚拟现实空间导航任务对老年人进行了长达4个月的干预。这一研究中,跑步机正前方的屏幕上投影着虚拟现实环境,被试在跑步机上的移动将直接反映在虚拟现实环境中。训练过程中,被试需要学习并寻找分散在虚拟现实环境中的物体。通过对比训练前后的结构磁共振成像数据,研究者发现,虚拟现实空间导航任务可以减缓海马体积的萎缩(Lovden et al.,2012)。这些研究反映了虚拟现实空间导航任务的重要现实意义。5 空间导航老化的神经机制
【参考文献】：
期刊论文
[1]游泳训练次数对大鼠Morris水迷宫成绩的影响[J]. 胡志红,闫君宝,杨东伟. 山西医科大学学报. 2016(01)
[2]空间导航:路标学习和路径整合的关系[J]. 李丹,杨昭宁. 心理科学进展. 2015(10)
[3]空间导航——阿尔兹海默病早期诊断的新指标[J]. 武文博,张冰,徐运. 中国实用内科杂志. 2015(02)
[4]Morris水迷宫检测大鼠记忆力方法的探讨[J]. 罗小泉,骆利平,陈海芳,涂明珠,黎艳刚,袁金斌,杨武亮. 时珍国医国药. 2010(10)
[5]Morris水迷宫检测的记忆属性与方法学初探[J]. 胡镜清,温泽淮,赖世隆. 广州中医药大学学报. 2000(02)
硕士论文
[1]APOE风险基因和性别差异对空间导航能力相关脑结构的影响[D]. 王芳芳.南京大学 2017
[2]年龄和认知状态对空间导航能力影响的行为学研究及其脑网络基础[D]. 武文博.南京医科大学 2015
本文编号：3477348
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