Virtual reality is a trending, widely accessible, contemporary technology of increasing utility to biomedical and health applications. However, most implementations of VR environments are tailored to specific applications. We describe the complete development of a novel, open-source virtual reality environment that is suitable for multipurpose biomedical and healthcare applications. The developed environment simulates an immersive (first-person perspective) run in the countryside, in a virtual landscape with various salient features. The utility of the developed VR environment has been validated via two test usage cases: an application in the context of motor rehabilitation following injury of the lower limbs and an application in the context of real-time functional magnetic resonance imaging neurofeedback, to regulate brain function in specific regions of interest. The resulting test applications suggest that the implemented approach is robust, versatile and efficient. Both applications are publicly available via a GitHub repository, in support of the Open Science initiative. We anticipate our contribution to catalyze further progress and replicability with regards to the usage of virtual reality in biomedical and health applications.

Hippocampal hyperactivity is a precursor of Alzheimer disease and more prominent in APOE-ε4 carriers. It is therefore important to investigate the processes of hippocampal self-regulation, to monitor therapeutic efficacy of preclinical interventions. We have developed a closed-loop, virtual reality neurofeedback paradigm for real-time fMRI, that provides a standardized method for quantifying processes of hippocampal self-regulation. We acquired multi-modal neuroimaging data from a sample of 53 cognitively unimpaired subjects at risk for AD and applied standard methods of structural and functional connectomics. The analyses reveal significant negative associations between hippocampal CA1 down-regulation performance and APOE-ε4 alleles, as well as hippocampal streamline density volume. Better memory performance was associated with increased, bilateral hippocampal functional connectivity during the neurofeedback task. These are the first results to link neurofeedback performance to a genetic risk factor and structural connectivity. Further, these are the first evidence that functional cohesion between the hippocampi can reflect subtle differences in memory function, in cognitively unimpaired individuals at risk for AD. We provide a novel method to assess hippocampal function in preclinical AD, and propose it can be used to derive proxies for neural reserve.

Hippocampal down-regulation is associated with genetic predisposition to Alzheimer disease (AD), neurodevelopmental processes and disease symptoms. Resting state eigenvector centrality (EC) patterns resemble those of FDG-PET in AD, they can predict self-regulation performance and they are related to functional compensation across the pathophysiological continuum of AD. We acquired cerebrospinal fluid (CSF) biomarkers from a cognitively unimpaired sample at risk for AD (N=48), to investigate the effect of β-amyloid peptide 42 (Aβ42) and phosphorylated tau (p-Tau) levels on EC during the down-regulation of hippocampal subfield cornu ammonis 1, with real-time fMRI closed-loop neurofeedback. Controlling the effects of confounding variables (age, sex, number of APOE ε4 alleles, cognitive reserve, brain reserve and hippocampal down-regulation performance), CSF Aβ42 levels correlated positively with EC in the anterior cingulate cortex (BA24, BA32) and primary motor cortex (BA4). CSF p-Tau levels correlated with EC positively in the ACC (BA32, BA10) ventral striatum (caudate, nucleus accumbens, putamen) and left primary somatosensory cortex (BA2), as well as negatively in the posterior cingulate cortex, precuneus, cuneus and left frontal pole (BA9). Controlling for CSF biomarkers and other prognosis variables, age correlated negatively with EC in the midcingulate cortex, insula, primary somatosensory cortex (BA2) and inferior parietal lobule (BA40), as well as positively with EC in the inferior temporal gyri. Taken together, we identified patterns of functional connectomics in individuals at risk of AD during hippocampal down-regulation, which resemble those found during resting state at advanced AD stages. Moreover, we provide a standard paradigm to replicate and extend this work on a global level. This opens new avenues for further research applications, which quantify and monitor disease progression, by identifying early alterations in the self-regulation of brain function, with potential for non-invasive prognostic screening.