JoVE   
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Biology

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Neuroscience

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Immunology and Infection

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Clinical and Translational Medicine

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Bioengineering

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Applied Physics

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Chemistry

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Behavior

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Environment

|   

JoVE Science Education

General Laboratory Techniques

You do not have subscription access to videos in this collection. Learn more about access.

Basic Methods in Cellular and Molecular Biology

You do not have subscription access to videos in this collection. Learn more about access.

Model Organisms I

You do not have subscription access to videos in this collection. Learn more about access.

Model Organisms II

You do not have subscription access to videos in this collection. Learn more about access.

Automatic Translation

This translation into Turkish was automatically generated through Google Translate.
English Version | Other Languages

 JoVE Neuroscience

Beyin Kortikal Fonksiyon ve değiştirildi Yerçekimi Koşullar sırasında Nörobilişsel Performansı arasındaki uyum,

1, 1, 1, 1, 2, 3, 4

1Institute of Movement and Neurosciences, German Sport University Cologne, 2Deptartment of Surgical Skills, University of Toronto, 3School of Human Movement Studies, Institute of Health and Biomedical Innovation, Queensland University of Technology, 4Brain Products GmbH, Scientific Support, Gilching, Germany

Article
    Downloads Comments Metrics
     

    Summary

    Ağırlıksız ve hypergravity beyin hem de hemodinamik ve elektrofizyolojik süreçlerin etkisi EEG ve NIRS teknikleri parabolik uçuş sırasında takip edilecek. Daha karmaşık bir deney, orta ve uzun vadeli uzay uçuşu sırasında yürütmek için planlanan bir fizibilite çalışması.

    Date Published: 5/23/2011, Issue 51; doi: 10.3791/2670

    Cite this Article

    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).

    Abstract

    Önceki çalışmalar, bilişsel, zihinsel ve / veya motor süreçler kısa, orta ve uzun vadeli ağırlıksız sırasında doğada sadece açıklayıcı ve psikolojik yönleri üzerinde duruldu. Şimdiye kadar, nörofizyolojik parametreler objektif gözlem yapılmıştır değil, teknik ve metodolojik araçları henüz hiç kuşkusuz, çünkü, ağırlıksız nörofizyolojik etkileri soruşturma bebeklik döneminde (Schneider ve ark 2008) .

    Pozitron emisyon tomografisi (PET) ve manyetik rezonans görüntüleme (MRG) gibi görüntüleme teknikleri uzayda pek uygulanabilir olmasına rağmen, non-invaziv, yakın-kızılötesi spektroskopi (NIRS) tekniği, gerçek zamanlı olarak beyinde hemodinamik süreçleri haritalama yöntemi temsil eder hem nispeten ucuz olduğunu ve zor koşullar altında bile istihdam edilebilir. Elektroensefalografi (EEG) ile kombinasyonu, örneğin electrotomography (Loreta) ile, ince bir zamansal çözünürlüğü yanı sıra derin yerleşimli yerçekimi değişen şartlar altında electrocortical süreçler aşağıdaki olasılığını açar.

    Önceki çalışmaları, normal yerçekimi şartlar altında bir artış ve beta frekans aktivitesi parabolik uçuş sırasında ağırlıksız koşullar altında bir azalma gösterdi (Schneider ve ark. 2008a + b). Tilt çalışmalar parabolik uçuş değişiklikler hemodinamik değişiklikler ziyade duygusal süreçleri yansıtıyor olabilir, önerdiğimiz beyin fonksiyonu farklı değişiklikler saptandı. Ancak, bu değişen yerçekimi veya beynin içinde hemodinamik değişikliklere etkilerinin olup olmadığı hala belirsiz. Loreta / EEG ve NIRS birleştiren ilk kez mümkün beyin hem de hemodinamik ve elektrofizyolojik süreçlerin ağırlıksız ve düşük yerçekimi etkisi harita yapmak gerekir. Başlangıçta, bu parabolik uçuş sırasında bir fizibilite çalışmasının bir parçası olarak yapılacak. Daha sonra, aynı zamanda orta ve uzun vadeli uzay uçuşu sırasında her iki tekniğin kullanılması planlandı.

    Bu, kan hacmi ve oksijen beyin için tedarik artışa uzun vadeli bir yeniden dağıtım anemik süreçler için de sorumlu olan merkezi sinir sisteminde değişikliklere neden olacağını kabul edilebilir ve azaltmak, performansı açabilirsiniz (De Santo ve ark 2005), onlar için çok önemli bir misyon (Genik ve ark, 2005, Ellis 2000) başarı ve emniyet anlamına gelir.

    Bu sonuçlara bağlı olarak, geniş kapsamlı önlemler geliştirmek ve istihdam için gerekli olacaktır. MARS500 çalışma için ilk sonuçları, kardiyovasküler ve lokomotor sistem, spor ve fiziksel aktivite bağlamında önemlerini yanı sıra bilişsel parametrelerin iyileştirilmesi önemli bir rol oynayabilir, o öneririz. Ancak, bu tam olarak kurulmadan önce, nörofizyolojik süreçler ve bununla ilişkili bilişsel bozukluğu ağırlık değişen koşullara etkisi hakkında daha fazla bilgi edinmek için gerekli gibi görünmektedir.

    Protocol

    1. Deneysel İşlemler

    1. Zemin uçuş öncesi hazırlanması konusu hazırlık havaalanında ayrı bir odada yapılır. (1-2 saat uçuştan önce)
      1. Montaj EEG / NIRS kap
        1. Elektrotlar ve NUR sensörleri EEG kap kullanarak saç derisine eklenir. Bu yöntem, sensörlerin doğru konumda sağlar.
        2. Kapağın boyutu konusu başın büyüklüğüne göre belirlenir.
        3. Operatör kapağın doğru pozisyona emin yapar. Taşlı elektrot vertex (nokta yarıda nasion ve soğan arasındaki), PÇ9-PÇ10 ve Fp1 FP2 elektrotlar yatay, kapağı simetriktir.
        4. Göğüs kalp hızı elektrot yerleştirilir.
      2. Empedans aza indirilmesi
        1. Beyin Ürünler actiCAP elektrotlar kontrol kutusuna bağlı.
        2. Her elektrot empedansı ölçümü başlatıldığında, kızarır LED'ler, içerir.
        3. Saç künt uçlu bir iğne ile elektrot ucu uzak taşınır.
        4. Jel elektrodun ucu ve cilt yüzeyi arasındaki enjekte edilir.
        5. Empedans azaldıkça LED'ler değişim renk. Hedef empedans değerini elde ise ilk kırmızı rengi sarı olur, sarı, yeşil olur.
        6. Aktif elektrotlar, bu değerin oldukça altında iyi sinyal-gürültü oranı sağlayan bu yana hedef empedans, 25 kOhm. Bu nedenle kapağı hazırlama, hızlı ve rahat.
        7. Operatör referans ve topraklama elektrotları ve diğer tüm elektrotlar için tekrarlar üzerine çalışmaya başlar.
    2. Kurulu öncesi uçuş hazırlığı
      1. Ön-ölçümler
        1. Başlık deney düzeneği yerleştirilen emniyet kemerleri gevşek tutturulmuş
        2. Kabloların bağlı, pilleri yüklenir.
        3. Operatör EEG ve NIRS modülü başlar, bağlantı ve EEG / NIRS sinyal kalitesini kontrol eder.
        4. Kayıt dinlenme devlet EEG / NIRS. Konularda herhangi bir görev yoktur.
        5. Kayıt durdurulur.
        6. Konular yere bilişsel görevi gerçekleştirmek. Bilişsel görev dikkat / hesaplama görev ( http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833?mt=8 konularda daha büyük bir denklem bu yan belirlemek için), hız ve doğruluk ile ilgili diğer.
      2. Ekipman saklama
        1. Operatör, kamera ve take off için iPhone saklar.
    3. Uçuş ölçümünde
      1. Hazırlık
        1. Operatör, video kamera küpeşte monte edilir ve kayıt başlar.
        2. IPhone'lar konuların üst bacak üzerine yerleştirilir.
        3. Operatör EEG ve NIRS modülü başlar, EEG / NIRS sinyal kalite kontrolleri ve kaydetmeye başlar.
      2. Ölçüm
        1. Denekler, parabol, 11-15 ve 16-20 arasında beş parabolas iki blok boyunca bilişsel görevi gerçekleştirmek. Görev ağırlıksız veya normal ağırlık rastgele sırayla yapılacaktır. Sadece dinlenme devlet EEG / NIRS ilk 10 parabolas sırasında kaydedilir. Son parabolas (bkz. Şekil 1) kayıp önceki ölçümleri durumda kullanılır.
        2. Operatör kayıt denetimleri ve konular talimat. Operatör bilişsel testler ve saatleri tüm sonuçlar yazmak.
    4. Zemin uçuş sonrası ölçümü
        1. Dinlenme devlet NIRS / EEG ölçümü yapılmaktadır.

    Biz (+ 2009 Schneider ve arkadaşları 2008) önce gösterildiği gibi ağırlıksız sırasında artan serebral aktivasyon bulmak için bekliyoruz. Bu yüzden ağırlıksız frontal beyin artış oksijenli doku ve hypergravity düşük oksijenli doku daha fazla bekliyoruz. Dikkat görev öncesi ve sonrası uçuş ve ağırlıksız olarak bile belki daha nedeniyle ağırlıksız yüksek merkezi aktivasyon ve uyarılma göre tüm uçuş sırasında engelli olması gerekiyordu.

    2. Temsilcisi Sonuçlar

    Hypergravity aşamasından ağırlıksız geçiş Haritalama, frontal korteks artan beyin kortikal aktivite gözlemlemek mümkün ve temporal ve oksipital korteks 2000 yılında aktivitede azalma - ağırlıksız başlamasından sonra (Şekil 2a, b) 2350 ms. sLORETA Brodmann alan 9 dorsolateral prefrontal korteks, yürütücü işlevlerde, duyusal ve motor planlama, organizasyon ve düzenleme sırasında anımsatıcı bilgi entegrasyonu ile ilgili olarak bilinir (Şekil 3a, b, bu artmış frontal aktivasyon lokalize izin.) Buna ek olarak, konu 2 (bkz. Şekil 3b) duyusal rehberlik vücut istikrar içerisinde önemli bir rol oynar Brodmann alan 6, premotor korteks, bir artış gösterdi.

    Ilk 10 parabolas üzerinden ortalama, NIRS analiz hypergravity hem konuların oksijenli hemoglobin (HHB) konsantrasyonu gibi ağırlıksız oksijenli hemoglobin artışı (O2Hb) azalma saptandı. Tabi 1 HHB hemoglobin için ağırlıksız sonra ağırlıksız ve hypergravity faz sırasında bir azalma gibi ağırlıksız önce hypergravity aşamasında bir artış eğilimi bulundu. Bu konuda O2Hb parabol başlangıca geri 10 - 15 sn. Kontrast konuda 2 önce ağırlıksız hypergravity aşamasında O2Hb azalma ile birlikte hafif bir artış, ağırlıksız sonra hypergravity sırasında, ağırlıksız sırasında bir artış ve azalma gösterdi. Bu konu O2Hb için yaklaşık 30 saniye aşağıdaki parabol (Şekil 4a, b) azaltılabilir kaldı

    Bilişsel görev preflight bir oturuma göre uçuş sırasında, normal ağırlık hem de katılımcılar için düşük performans puanları sonuçlandı. Konu 2 weightlessnes bir azalma puan (Şekil 5) gösterdi.

    Şekil 1
    Şekil 1 parabolik uçuş dizisi. Uçuş sırasında görev ve ölçümler Sipariş parabolas sayısı gri olarak gösterilir, kesme işareti olan sayılar parabolas arasında uzun tatili uzunluğu göstermektedir.

    Şekil 2a
    Şekil 2b
    Şekil 2 Haritalama ağırlıksız 2500 ms kadar ağırlıksız önce 500 ms (hypergravity) zaman dilimi içinde iki konu görünüm. Profil başının üstünde değil; küçük daireler elektrot pozisyonları, mavi renk azalır ve kırmızı renk mikro Volt electrocortical aktivite artar sarı gösterir.

    Şekil 3a
    Şekil 3b
    Şekil 3. Üç Loreta kez (üst: Yukarıda sol alt sol tarafında, sağ alt arka) kadar 2000 ms zaman dilimi içinde iki konu ağırlıksız başlamasından sonra 2350 ms. Kırmızı renk, artan beyin aktivitesi gösterir.

    Şekil 4a
    Şekil 4b
    Şekil 4 NIRS izleri (kırmızı: yerçekimi seviyesi oksijenli hemoglobin, mavi: deoxygenated hemoglobin, siyah), normal ağırlık parabol parabol bir süre içinde önce 40 sn ilk hypergravity aşaması boyunca (1G: sarı alan), (1.8 G: mavi alan), ağırlıksız (0g: kırmızı alan) ve 40 sn kadar parabol sonra, ikinci hypergravity aşaması (1.8G: mavi alan). Yerçekimi seviyesi (iz düşmesi normal ağırlık (1G) eşittir 0 'dan başlayan ağırlık artışı anlamına gelir. Gösterilen veriler üzerinden ortalama 10 parabolas ters görüntülenir.

    Şekil 5
    Şekil 5 için performans ölçümleri, uçuş öncesi eğitim ve ağırlıksız uçak içi (0g) ve normal ağırlık (1G) bilişsel görev katılımcı 1 puan (mavi trace) ve 2 (kırmızı iz) .

    Discussion

    Nedeniyle zor koşullar altında beyin görüntüleme yöntemleri eksik bugüne kadar, bilişsel performans ve ruhsal durumunu değer düşüklüğü karşılığı yatan nörofizyolojik süreçler değerlendirilmemiştir. Bu yazıda beyin kortikal aktivite değişiklikleri ve parabolik uçuş sırasında oksijenasyon düzeyi görüntülemek için kullanarak beynin içinde bu değişiklikleri yerelleştirmek başardık EEG Loreta ve NIRS ile birleştirdi. Beklendiği gibi, frontal beyin bölgelerinde lokalize (Brodmann alanlarda 9 +6) electrocortical aktivite sırasında ağırlıksız bir artış bulundu. Sonuçlar geçiş beyin kortikal aktivite sonrası yaklaşık 2000 ms frontal beyin bölgelerinde ağırlıklı olarak değiştirilmiş olduğunu göstermektedir. Brodmann alan 6 ve 9 Bu aktivite artışı, beyin, vücut istikrarın yanı sıra değişmiş yerçekimi koşullarında motorun yeteneği tutmak için tespit ve yerçekimi koşulları değişti işleme mekanizmalarını yansıttığını kabul olabilir.

    Hemodinamik değişiklikler ile ilgili olarak, NIRS HHB sadece ılımlı değişiklikler gösterdi, oysa frontal beyin O2Hb dramatik ilk hypergravity faz ve ağırlıksız artış azaldığını ortaya koydu. Buna göre, bu etki sadece kan hacmi bir kayma isnat edilemez. Daha büyük olasılıkla bu O2Hb artışı 1,8 G 0g (özellikle Şekil 4) geçiş uzun süre önce oluşur, özellikle serebral otoregülasyon bir tür yansıtacak gibi görünüyor. Kontrast O2Hb ve HHB düşüş ikinci hypergravity aşamasında her iki.

    Bilişsel görev sonuç normal yerçekimi veya uçuş ağırlıksız bir ön kontrol oturuma göre açık sırasında herhangi bir bozulma göstermektedir. Iki konuda net bir bildirimde sonuçlarına göre, parabolik uçuşlar veya beyin aktivite ve oksijen düzeyi artışı ile birlikte ağırlıksız bilişsel performansı üzerinde bir etkisi olup olmadığını mümkündür. Daha önceki çalışmalar, bu bağlamda stres de rol (Schneider ve ark 2007) oynayabileceğini söyledi inanmak için gerekçe, yine de herhangi bir değişiklik kortizol konsantrasyonu her iki denekler için elde edilebilir. Er veriler, bu bulguları doğrulamak ve beyin kortikal aktivite değişiklikleri, hemodinamik değişikliklerin yanı sıra bilişsel performansı korelasyon izin için gereklidir.

    Bu yazıda beyin kortikal aktivite ve oksijen düzeyi değişen ağırlık farklı aşamalarında yerel değişiklikler bu izleme göstermek için tasarlanmıştır NIRS ve Loreta birlikte EEG kullanarak mümkündür. Bu sonuçlar, uzay araştırmaları için bir başarı ve hypergravity veya ağırlıksız beyin kortikal aktivite karmaşık ve yerel değişiklikleri gösterme ve zihinsel veya motor test beyin objektif değişiklikler ile korele sağlayacaktır. Bir sonraki adım, uzun süreli uzay sırasında bu yöntemi uygulamak için.

    Disclosures

    Bu makalenin üretim Beyin Ürünleri, GmbH tarafından sponsor oldu. Roland Csuhaj Bu makalede kullanılan bir araç üreten Beyin Ürünler GmbH, bir çalışanın.

    Acknowledgements

    Beyin Products GmbH, kendi ekipman, uzmanlık ve yardım sağlamak için teşekkür etmek istiyorum. Bu çalışma, Ekonomi ve Alman Uzay Ajansı (DLR) 50WB0819 hibe yoluyla Teknoloji Federal Bakanlığı tarafından finanse edildi.

    References

    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).

    Comments

    0 Comments

    Post a Question / Comment / Request

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

    Metrics

    Waiting
    simple hit counter