Samstämmighet mellan hjärnans kortikala funktioner och neurokognitiva föreställning under Förändrad Gravity Villkor

Summary

Effekten av tyngdlöshet och hypergravity på både hemodynamiska och elektrofysiologiska processer i hjärnan kommer att följas under parabelflygning av EEG och NIRS tekniker. En förstudie av en mer komplex experiment, vilket är planerat att genomföra under medellång och lång sikt rymdfärder.

Abstract

Tidigare studier av kognitiva, psykiska och / eller motoriska processer under kort, medellång och lång sikt tyngdlöshet har bara beskrivande karaktär, och fokuserat på psykologiska aspekter. Hittills har objektiva observation av neurofysiologisk parametrar inte utförts - utan tvekan eftersom de tekniska och metodologiska medel inte har varit tillgängliga -, undersökningar av neurofysiologiska effekterna av tyngdlöshet är i sin linda (Schneider et al 2008.).

Medan avbildningstekniker som positronemissionstomografi (PET) och magnetisk resonanstomografi (MRT) skulle knappast tillämpas i rymden, representerar den icke-invasiva nära infraröd spektroskopi (NIRS) teknik en metod för kartläggning hemodynamiska processer i hjärnan i realtid som är både relativt billigt och som kan användas även under extrema förhållanden. I kombination med elektroencefalografi (EEG) öppnar för möjligheten att följa electrocortical processer under föränderliga gravitation förhållanden med ett finare tidsupplösning samt med djupare lokalisering, t.ex. med electrotomography (Loreta).

Tidigare studier visade en ökning av beta frekvens aktivitet under normala gravitation förhållanden och en nedgång i tyngdlöshet förhållanden under en parabolisk flygning (Schneider et al. 2008a + b). Tilt studier visat på olika förändringar i hjärnans funktion, som låter antyda, att förändringar i parabelflygning kan spegla emotionella processer snarare än hemodynamiska förändringar. Det är dock fortfarande oklart om dessa effekter av ändrade gravitation eller hemodynamiska förändringar i hjärnan. Kombinera EEG / Loreta och NIRS ska för första gången gör det möjligt att kartlägga effekten av tyngdlöshet och minskad vikt på både hemodynamiska och elektrofysiologiska processer i hjärnan. Inledningsvis ska detta göras som en del av en förstudie under en parabolisk flygning. Efteråt är det också planerat att använda både teknikerna under medellång och lång sikt rymdfärder.

Det kan antas att den långsiktiga omfördelning av blodvolymen och tillhörande ökning av syretillförseln till hjärnan leder till förändringar i centrala nervsystemet som även ansvarar för anemiska processer, och som i sin tur kan minska prestanda (de Santo et al. 2005), vilket innebär att de kan vara avgörande för framgången och säkerhet av ett uppdrag (Genik et al. 2005, Ellis 2000).

Beroende på dessa resultat, blir det nödvändigt att utveckla och använda omfattande motåtgärder. De första resultaten för MARS500 studie tyder på att, förutom att deras betydelse i samband med hjärt-och rörelseorganen system, idrott och fysisk aktivitet kan spela en roll i att förbättra neurokognitiva parametrar. Innan detta kan vara helt etablerad, dock verkar det nödvändigt att lära sig mer om påverkan av förändrade gravitationen villkoren på neurofysiologiska processer och tillhörande neurokognitiva nedskrivningar.

Protocol

1. Tillvägagångssätt

1. På marken före flygning förberedelser - är ämnet förberedelser görs i ett separat rum på flygplatsen. (1-2 timmar innan flyget)
   1. Montering av EEG / NIRS cap
      1. Elektroder och NIR-sensorer är fästa i hårbotten med hjälp av ett EEG-mössa. Denna metod garanterar rätt position av sensorerna.
      2. Storleken av den gemensamma jordbrukspolitiken bestäms av storleken på motivet huvud
      3. Operatören ser i rätt position för den gemensamma jordbrukspolitiken. CZ elektroden på vertex (den punkt mitt emellan nasion och lök), den PO9-PO10 samt FP1-FP2 elektroder är horisontella, är locket symmetrisk.
      4. Hjärtfrekvensen elektroden är placerad på bröstet
   2. Minimering av Impedans
      1. Hjärnan Produkter actiCAP elektroder är anslutna till kontrollboxen.
      2. Varje elektrod innehåller lysdioder, som blir röda när impedansen mätningen påbörjas.
      3. Håret är flyttade från spetsen av elektroden med en trubbig spets nål.
      4. Gel injiceras mellan spetsen av elektroden och ytan av huden.
      5. Färgen på lysdioderna förändring eftersom impedansen minskar. Den ursprungliga röda färgen blir gul blir gul grön, om målet impedans värde uppnås.
      6. Målet impedans är 25 kOhm, eftersom den aktiva elektroderna ger bra signal-brus-ration under detta värde. Därför locket Preparatet är snabbt och bekvämt.
      7. Operatören börjar arbetet med referens och marken elektroder, och upprepar för alla andra elektroder.
2. Ombord före flygning förberedelse
   1. Pre-mätningar
      1. Ämnen placeras i experimentuppställning, är säkerhetsbältet löst
      2. Kablarna är anslutna, är batterierna laddade.
      3. Operatören startar EEG och NIRS modul styr anslutningsmöjligheter och kvaliteten på den EEG / NIRS signal.
      4. Inspelning vilotillstånd EEG / NIRS. Försökspersonerna har inte någon uppgift.
      5. Inspelningen stoppas.
      6. Ämnena utföra kognitiva uppgifter på marken. Den kognitiva uppgiften är en uppmärksamhet / beräkning uppgift ( http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833?mt=8 ), där ämnen har för att identifiera den sida av en ekvation som är större än andra i förhållande till hastighet och precision.
   2. Förvaring av utrustningen
      1. Operatören lagrar kameran och iPhones för start.
3. Under flygning mätning
   1. Förberedelser
      1. Operatör monterar video-kameran till handledare och startar inspelningen.
      2. Den iPhone är placerade på den övre delen av försökspersonerna.
      3. Operatören startar EEG och NIRS modul kontrollerar kvaliteten på den EEG / NIRS signal, och startar inspelningen.
   2. Mätning
      1. Ämnena utför kognitiv uppgift under två block om fem parabler mellan parabel 11-15 och 16-20. Uppgift kommer att utföras i en slumpmässig ordning i tyngdlöshet eller normal gravitation. Endast vilotillstånd EEG / NIRS spelas in under de första 10 parabler. Den sista parabler kommer att användas i händelse av saknade tidigare mätningar (se figur 1).
      2. Operatören kontrollerar inspelningen, och instruerar ämnen. Operatören kommer att skriva ner alla resultat av de kognitiva tester och tider.
4. På marken efter flygningen mätning
   1. Vilotillstånd EEG / NIRS mätning utförs.

Vi förväntar oss att finna en ökad cerebral aktivering under tyngdlöshet som visas innan (Schneider et. Al 2008 + 2009). Vi förväntar oss vidare så se ökat syresatt vävnad i den främre hjärnan i tyngdlöshet och lägre syresatt vävnad i hypergravity. Uppmärksamheten uppgift är tänkt att vara nedsatt under hela flygningen jämfört med före och efter flygning och kanske ännu mer i tyngdlöshet på grund av högre centrala aktivering och upphetsning i tyngdlöshet.

2. Representativa resultat

Kartläggning övergången från hypergravity fas till tyngdlöshet vi kunnat observera en ökad hjärnan kortikal aktivitet i frontala cortex och minskad aktivitet i den temporala och nacken cortex 2000 - 2350 ms efter debuten av viktlöshet (figur 2a, b). sLORETA tillåtet lokalisera denna ökade frontal aktivering i Brodmann område 9 i dorsolaterala prefrontala cortex, som är känt för att vara inblandade i ledande uppgifter vid integrationen av sensoriska och mnemonic information i samband med motoriska planering, organisation och reglering, (figur 3a, b). Dessutom visade föremål 2 en ökning av Brodmann område 6, premotor cortex, som spelar en roll i sensoriska vägledning under kroppen stabilisering (se figur 3b).

Genomsnitt under de första 10 parabler, avslöjade NIRS analys minskade syresatt hemoglobin (HHB) koncentration av både patienter i hypergravity samt ökade syresatt hemoglobin (O2Hb) i tyngdlöshet. För HHB hemoglobin Ämne 1 hittade vi en trend av ett ökat hypergravity fasen före viktlöshet samt en minskning under tyngdlöshet och hypergravity fas efter tyngdlöshet. I detta ämne O2Hb var tillbaka till utgångsvärdet 10 till 15 sekunder efter parabel. I kontrast föremål 2 visade en liten ökning tillsammans med minskningen av O2Hb i hypergravity fasen före tyngdlöshet, en ökning under tyngdlöshet och en minskning under hypergravity efter tyngdlöshet. För detta ämne O2Hb återstod att sänkas i ca 30 sek efter parabel (figur 4a, b)

De kognitiva uppgiften resulterade i minskad prestanda poäng för både deltagare i normal gravitation under flygningen jämfört med en preflight-session. Endast föremål 2 visade en minskad poäng i weightlessnes (Figur 5).

Figur 1. Parabelflygning sekvens. Beställ av uppgifter och mätningar under flygning, antal parabler anges i grått, nummer med apostrofen ange hur lång längre pauser mellan parabler.

Figur 2 Kartläggning syn på två personer över den tid på 500 ms innan tyngdlöshet (i hypergravity) tills 2500 ms i tyngdlöshet. View är från ovan huvudet, små cirklar visar elektrod positioner, blå minskar färg och gul till röd färg ökningar av electrocortical aktivitet i mikro Volt.

Figur 3 Tre Loreta åsikter. (Topp: från ovan, nere till vänster: från vänster sida, längst ner till höger: från baksidan) för två personer över tidsramen för 2000 ms till 2350 ms efter debut av tyngdlöshet. Röd färg indikerar en ökad hjärnaktivitet.

Figur 4 NIRS spår (röd: syresatt hemoglobin, blå: syrefattigt hemoglobin, svart: gravitation nivå). Under perioden för en parabel från 40 sekunder innan parabeln i normal gravitation (1G: gul area), över den första hypergravity fasen (1,8 G: blå område), tyngdlöshet (0G: röda området) och den andra hypergravity fas (1,8 g: blå området) förrän 40 sekunder efter parabel. Gravity nivå visas invers (minskning med spår innebär ökning av gravitationen från 0 motsvarar till normal vikt (1G). Redovisade siffrorna är ett genomsnitt över 10 parabler.

Figur 5. Föreställning värdering av kognitiva uppgiften att deltagare 1 (blå spår) och 2 (rött spår) för mätning utbildning inför flygningen och inflight i tyngdlöshet (0G) och normal gravitation (1G).

Discussion

På grund av saknade brain-imaging metoder under extrema förhållanden så långt det underliggande neurofysiologiska processer för nedskrivning kognitiv förmåga och mentala tillstånd inte har utvärderats. I denna skrift har vi kunnat visa förändringar i hjärnan kortikal aktivitet och syresättning nivå under loppet av en parabolisk flygning och för att lokalisera dessa förändringar i hjärnan med hjälp av EEG kombination med Loreta och NIRS. Som väntat fann vi en ökning i electrocortical aktivitet under tyngdlöshet, som var lokaliserade i frontala områden i hjärnan (Brodmann områden 9 6). Resultaten tyder på att ungefär 2000 ms efter övergången hjärnans kortikala aktiviteten är förändrad främst i främre hjärnan. Det kan antas att denna ökade aktivitet i Brodmann område 6 och 9 speglar de mekanismer i hjärnan upptäcka och behandla förändrade gravitationen förutsättningar för att hålla kroppen stabilitet samt motorisk förmåga i annan gravitation förhållanden.

När det gäller hemodynamiska förändringar, visade NIRS att O2Hb av fronten hjärnan dramatiskt minskar i den första hypergravity fas och ökar i tyngdlöshet, medan HHB visade endast måttliga förändringar. Därför denna effekt inte kan hänföras till en förskjutning av blodvolym ensam. Mer sannolikt detta verkar spegla en sorts cerebral autoreglering, särskilt som ökningen av O2Hb sker långt innan övergången från 1,8 G till 0G (särskilt i figur 4). I motsats O2Hb och HHB både minska i den andra hypergravity fasen.

Resultaten av den kognitiva uppgiften visar ingen tydlig försämring under normal gravitation eller tyngdlöshet Inflight jämfört med en preflight-session. Baserat på resultaten från två individer har ingen tydlig förklaring är möjligt om huruvida parabelflygningar eller tyngdlöshet tillsammans med ökad hjärnaktivitet och syresättning nivå har ett inflytande på kognitiva prestationer. Tidigare studier ger anledning att tro att i detta sammanhang betonar också kan spela en roll (Schneider et al. 2007), kunde ändå inga förändringar i kortisol koncentrationen erhållas för båda ämnena. Ytterligare data behövs för att validera dessa fynd och för att möjliggöra korrelation av förändringar i hjärnans kortikala aktivitet, hemodynamiska förändringar samt kognitiva prestationer.

Denna uppsats syftar till att visa att övervakning av lokala förändringar i hjärnan kortikal aktivitet och syresättning nivå under olika faser av ändrad gravitationen är möjligt med hjälp av EEG i kombination med NIRS och Loreta. Dessa resultat är en framgång för rymdforskning och möjliggör visning av komplexa och lokala förändringar i hjärnans kortikala aktiviteten i hypergravity eller tyngdlöshet och korrelera psykiska eller motoriska tester med objektiva förändringar i hjärnan. Nästa steg är att tillämpa denna metod vid långvarig rymduppdrag.