Согласованность между функции коры головного мозга и Нейрокогнитивная Производительность при изменившихся условиях гравитации

Brümmer, V., Schneider, S., Vogt, T., Strüder, H., Carnahan, H., Askew, C. D., et al. Coherence between Brain Cortical Function and Neurocognitive Performance during Changed Gravity Conditions. J. Vis. Exp. (51), e2670, doi:10.3791/2670 (2011).

1. Экспериментальная процедура

1. На первом предполетного препарат - предмет подготовки производится в отдельном помещении в аэропорту. (1-2 часа до вылета)
   1. Монтаж ЭЭГ CAP / НИРС
      1. Электроды и датчики NIR крепятся к коже головы использованием ЭЭГ шапку. Этот метод гарантирует правильное положение датчиков.
      2. Размер крышки определяется размером с голову испытуемого
      3. Оператор гарантирует, из правильного положения крышки. Электрода Cz находится на вершине (точка посередине между Насьон и луком), PO9-PO10 и Fp1-Fp2 электроды горизонтальные, шапка симметрична.
      4. Электрода частоту сердечных сокращений помещается на груди
   2. Сведение к минимуму сопротивление
      1. Мозг электродов Продукты actiCAP подключены к блоку управления.
      2. Каждый электрод содержит светодиоды, которые становятся красными, когда измерения импеданса запущен.
      3. Волосы отошли от кончика электрода с тупым наконечником иглы.
      4. Гель вводится между кончиком электрода и поверхностью кожи.
      5. Цвет Светодиоды изменят цвет, а сопротивление уменьшается. Начальная красный цвет становится желтым, желтый становится зеленым, если целевым значением сопротивления достигается.
      6. Целевой импеданс 25 кОм, так как активные электроды обеспечивают хороший сигнал-шум рациона ниже этого значения. Поэтому крышка препарат быстро и удобно.
      7. Оператор начинает работать на ссылку и наземных электродов, и повторяет для всех остальных электродов.
2. На борту предполетной подготовки
   1. Предварительно измерений
      1. Субъекты помещаются в экспериментальной установке, ремни безопасности крепятся свободно
      2. Кабели подключения батарей загружены.
      3. Оператор начинает ЭЭГ и НИРС модуль, контролирует соединения и качество ЭЭГ сигнал / НИРС.
      4. Запись ЭЭГ покоя / НИРС. Субъекты не имеют никаких задач.
      5. Запись будет остановлена.
      6. Субъектов выполнять когнитивные задачи на земле. Задача когнитивной это внимания / расчет задачи ( http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833?mt=8 ), где субъекты должны определить ту сторону уравнения, которое больше другие в зависимости от скорости и точности.
   2. Хранение оборудования
      1. Оператор магазинах камеры и IPhones для взлета.
3. В полете измерения
   1. Подготовка
      1. Оператор монтирует видео-камеры, чтобы перила и начинает запись.
      2. Iphones расположены на верхней части ноги субъектов.
      3. Оператор начинает ЭЭГ и НИРС модуль, контролирует качество ЭЭГ сигнал / НИРС, и начинает запись.
   2. Измерение
      1. Субъектов выполнять когнитивные задачи в течение двух блоков из пяти параболы между параболой 11-15 и 16-20. Задача будет выполнена в случайном порядке в невесомости или нормальной тяжести. Только состояние покоя ЭЭГ / НИРС записан в течение первых 10 парабол. Последний параболы будет использоваться в случае отсутствия предыдущих измерений (см. Рисунок 1).
      2. Оператор управляет записью, и поручает предметам. Оператор запишет все результаты когнитивных тестов и времени.
4. На первом после полета измерения
   1. Состоянии покоя ЭЭГ / НИРС Измерение проводилось.

Мы ожидаем, чтобы найти увеличился мозговой активации в невесомости, как показано ранее (Шнайдер и др.. Др. 2008 + 2009). Кроме того, мы ожидаем, так что увидеть увеличенный кислородом ткани в лобных мозга в невесомости и нижней кислородом ткани в гипергравитации. Внимание задачей должно быть нарушено в течение всего полета по сравнению с пре-и пост полета и, возможно, даже более в условиях невесомости за счет более высокой центральной активации и возбуждения в невесомости.

2. Представитель Результаты

Отображение перехода от фазы гипергравитации к невесомости, мы имели возможность наблюдать увеличился мозга корковой активности в лобной коре и снижением активности в височной и затылочной коры 2000 - 2350 мс после наступления невесомости (рис. 2а, б). sLORETA позволило локализации этого увеличилась фронтальной активации в Бродмана области 9 из дорсолатеральной префронтальной коре, которая, как известно, участвует в исполнительной функции интеграции сенсорной и мнемонической информации в ходе двигателя планирования, организации и регулирования (рис. 3а, б). Кроме того, с учетом 2 показали увеличение Бродмана области 6, премоторной коры, который играет роль в сенсорной руководством в ходе теле стабилизации (см. рисунок 3б).

Усредненные за первые 10 парабол, НИРС анализ показал, снизилась кислородом гемоглобин (HHB) концентрация обоих субъектов в гипергравитации а также увеличение кислородом гемоглобин (O2Hb) в невесомости. Для HHB гемоглобина в теме 1 мы обнаружили тенденцию увеличения гипергравитации фазе до невесомости, а также уменьшаются в невесомости и гипергравитации фазу после невесомости. В этой теме O2Hb вернулась к исходному уровню 10 до 15 сек после параболы. В отличие от предмета 2 показал небольшой рост, наряду с уменьшением O2Hb в гипергравитации фазе до невесомости, увеличивается во время невесомости и уменьшаются в гипергравитации после невесомости. По этой теме O2Hb остался должен быть уменьшен в течение приблизительно 30 секунд следующие параболы (рис. 4а, б)

Задача когнитивной привело к снижению оценки производительности для обоих участников в нормальном тяжести во время полета по сравнению с предполетной сессии. Только тема 2 показал, снизилась оценка в weightlessnes (рис. 5).

Рисунок 1. Параболические последовательности полета. Орден задач и измерений во время полета; число парабол выделены серым цветом, номера с апострофа указывает длину длительных перерывов между парабол.

Рисунок 2 карты зрения двух лиц старше срок от 500 мс до невесомости (в гипергравитации) до 2500 мс в невесомости. Посмотреть это сверху головы; кружочки показывают электрода позиции, синий цвет и уменьшается желтого до красного цвета увеличивает электрокорковых деятельности в микро Volt.

Рисунок 3 Три LORETA взглядов. (Сверху: сверху, внизу слева: с левой стороны, внизу справа: со спины) двух субъектов в течение срока от 2000 мс до 2350 мс после наступления невесомости. Красный цвет указывает на усиление мозговой активности.

Рисунок 4 НИРС следы (красный: оксигемоглобина, синий: венозная гемоглобина, черный: гравитация уровне). За период одного параболы от 40 сек до параболы в нормальной тяжести (1G: желтая область), в течение первой фазы гипергравитации (1,8 G: синяя область), невесомости (0G: красная зона) и второй этап гипергравитации (1,8 г: синяя область) до 40 сек после параболы. Гравитация уровень отображается обратный (уменьшение следов означает увеличение тяжести, начиная с 0 равна нормальной тяжести (1G). Отображаются данные о среднем более 10 парабол.

Рисунок 5. Производительность оценка познавательных задач участником 1 (синяя линия) и 2 (красная линия) для измерения подготовку перед полетом и на борту в невесомости (0G) и нормальной силы тяжести (1G).

Из-за отсутствия мозгов изображений методы в экстремальных условиях до сих пор лежащий в основе нейрофизиологических процессов на предмет обесценения в когнитивных функций и психического состояния не были оценены. В этой статье мы были в состоянии отображать изменения в мозговой активности коры и оксигенации уровне в ходе параболический полет и локализовать эти изменения внутри мозга с помощью ЭЭГ в сочетании с LORETA и НИРС. Как и ожидалось, мы обнаружили увеличение электрокорковых деятельности в невесомости, который был локализован в лобных областях мозга (Бродмана районах 9 +6). Результаты показывают, что около 2000 мс после перехода мозга корковой активности изменяется в основном в лобных областях мозга. Можно предположить, что этот рост активности в области Бродмана 6 и 9 отражает механизмы мозга обнаружения и обработки изменившихся условиях гравитации для того, чтобы держать тело стабильности, а также двигатель способности в изменившихся условиях гравитации.

Что касается изменений гемодинамики, НИРС, показало, что O2Hb лобного мозга резко уменьшается в первой фазе гипергравитации и увеличивается в невесомости, в то время, HHB показал лишь умеренные изменения. Соответственно этот эффект не может быть отнесена к изменению объема крови исключительно. Скорее всего, это, кажется, отражают своего рода мозговой саморегуляции, тем более что увеличение O2Hb происходит задолго до перехода с 1,8 G на 0G (особенно в рисунок 4). В отличие O2Hb и HHB как снижение во второй фазе гипергравитации.

Результаты указывают на когнитивные задачи нет четкого нарушения при нормальной гравитации или невесомости полете по сравнению с предполетной сессии. По результатам двух субъектов нет четкого заявления можно ли параболических полетов или невесомости вместе с его увеличением активности мозга и оксигенации уровня имеют влияние на когнитивные функции. Ранее проведенные исследования дают основания полагать, что в этом контексте стресс может также сыграть определенную роль (Schneider и соавт. 2007), тем не менее, никаких изменений в концентрации кортизола может быть получена для обоих субъектов. Дальнейшие данные необходимы для подтверждения этих выводов и чтобы соотношение изменения в мозговой активности коры головного мозга, гемодинамические изменения, а также когнитивных функций.

Эта статья призвана показать, что мониторинг локальных изменений мозга корковой активности и оксигенации уровне на протяжении различных этапов изменили тяжести можно с помощью ЭЭГ в сочетании с НИРС и LORETA. Эти результаты успеха для космических исследований и позволит отображать сложные и локальные изменения головного мозга корковой активности в гипергравитации или невесомости и корреляции психических и моторных испытаний с объективными изменениями в мозгу. Следующим шагом является применение этого метода при длительном космических миссий.

Производство этой статьи был организован мозг Продукты, GmbH. Роланд Csuhaj является сотрудником мозга Продукты, GmbH, которая производит инструмент, используемый в этой статье.

Мы хотели бы поблагодарить мозга Products GmbH для обеспечения их оборудованием, знаниями и помощью. Это исследование было профинансировано Федеральным министерством экономики и технологий через грант от немецкого космического агентства (DLR) 50WB0819.

1. De Santo, N.G., Cirillo, M., Kirsch, K.A., Correale, G., Drummer, C., Frassl, W., Perna, A.F., Di Stazio, E., Bellini, L., Gunga, H.C. Anemia and erythropoietin in space flights. Semin Nephrol 25, 379-387 (2005).
2. Ellis, S. Collisions in space. Ergonomics in Design 8, 4-9 (2000).
3. Genik, R.J. 2nd, Green, C.C., Graydon, F.X., Armstrong, R.E. Cognitive avionics and watching spaceflight crews think: generation-after-next research tools in functional neuroimaging. Aviat Space Environ Med 76, B208-212 (2005).
4. Schneider, S., Brummer, V., Carnahan, H., Dubrowski, A., Askew, C.D., Struder, H.K. What happens to the brain in weightlessness? A first approach by EEG tomography. Neuroimage 42, 1316-1323 (2008).
5. Schneider, S., Brummer, V., Mierau, A., Carnahan, H., Dubrowski, A., Strueder, H.K. Increased brain cortical activity during parabolic flights has no influence on a motor tracking task. Exp Brain Res 185, 4: 571-579 (2008).
6. Schneider, S., Brummer, V., Gobel, S., Carnahan, H., Dubrowski, A., and Struder, H.K. Parabolic flight experience is related to increased release of stress hormones. Eur J Appl Physiol. 100, 301-308 (2007).

0 Comments

You must be signed in to post a comment. Please sign in or create an account.