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 JoVE Neuroscience

Cohérence entre la fonction cérébrale corticale et la performance neurocognitifs dans des conditions de gravité Changé

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
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    Summary

    L'effet de l'apesanteur et hypergravité sur les deux processus hémodynamiques et électrophysiologiques dans le cerveau va être suivi pendant un vol parabolique par des techniques EEG et SPIR. Une étude de faisabilité d'une expérience de plus complexe, ce qui est prévu de réaliser pendant un vol spatial à moyen et long terme.

    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

    Des études antérieures sur les processus cognitifs, mentaux et / ou le moteur lors de courts-, l'apesanteur à moyen et long terme n'ont été de nature descriptive, et axé sur les aspects psychologiques. Jusqu'à présent, l'observation objective des paramètres neurophysiologiques n'a pas été effectué - sans doute parce que les moyens techniques et méthodologiques n'ont pas été disponibles -, les enquêtes sur les effets neurophysiologiques de l'apesanteur sont à leurs balbutiements (Schneider et al 2008)..

    Alors que les techniques d'imagerie telles que la tomographie par émission de positrons (TEP) et l'imagerie par résonance magnétique (IRM) serait difficilement applicable dans l'espace, le non-invasive spectroscopie proche infrarouge (SPIR) technique représente une méthode de cartographie des processus hémodynamiques dans le cerveau en temps réel qui est à la fois relativement peu coûteux et qui peuvent être utilisés même dans des conditions extrêmes. La combinaison avec l'électroencéphalographie (EEG) ouvre la possibilité de suivre le processus électrocorticale dans des conditions changeantes gravité avec une résolution plus fine temporelle ainsi que la localisation profonde, par exemple avec electrotomography (LORETA).

    Des études antérieures ont montré une augmentation de l'activité de fréquence bêta dans des conditions normales de gravité et d'une diminution des conditions d'apesanteur lors d'un vol parabolique (Schneider et al. 2008a + b). Des études ont révélé des changements d'inclinaison différente de la fonction cérébrale, ce qui laisse suggérer que les changements en vol parabolique pourrait refléter des processus émotionnels plutôt que des changements hémodynamiques. Cependant, il est encore difficile de savoir si ce sont des effets de la gravité modifiés ou les changements hémodynamiques dans le cerveau. Combinant EEG / Loreta et SPIR devrait pour la première fois permettent de cartographier les effets de l'apesanteur et la gravité réduite sur les deux processus hémodynamiques et électrophysiologiques dans le cerveau. Initialement, ce qui doit être fait dans le cadre d'une étude de faisabilité au cours d'un vol parabolique. Ensuite, il est également prévu d'utiliser les deux techniques pendant un vol spatial à moyen et long terme.

    On peut supposer que la redistribution à long terme du volume sanguin et de la hausse de l'apport d'oxygène au cerveau va entraîner des changements dans le système nerveux central qui sont aussi responsables de processus anémiques, et qui peut à son tour de réduire les performances (De Santo et coll. 2005), ce qui signifie qu'ils pourraient être cruciales pour le succès et la sécurité d'une mission (Genik et al. 2005, Ellis 2000).

    Selon ces résultats, il sera nécessaire de développer et employer des contre-mesures étendues. Les premiers résultats de l'étude suggèrent que MARS500, en plus de leur importance dans le contexte des systèmes cardiovasculaire et locomoteur, le sport et l'activité physique peut jouer un rôle dans l'amélioration des paramètres neurocognitifs. Avant que cela puisse être pleinement établi, toutefois, il semble nécessaire d'en apprendre davantage sur l'influence de l'évolution des conditions de gravité sur les processus neurophysiologiques et de la déficience neurocognitive associée.

    Protocol

    1. Procédure expérimentale

    1. Sur terrain préparation pré-vol - La préparation sujet est fait dans une pièce séparée à l'aéroport. (1-2 heures avant le vol)
      1. Montage du bouchon EEG / SPIR
        1. Les électrodes et les capteurs PIR sont attachés au cuir chevelu à l'aide d'un plafond EEG. Cette méthode garantit la bonne position des capteurs.
        2. La taille de la calotte est déterminée par la taille de la tête du sujet
        3. L'opérateur s'assure de la bonne position du bouchon. L'électrode Cz est sur le vertex (le point milieu entre le nasion et l'oignon), le PO9-PO10 et les électrodes FP1-Fp2 sont horizontales, le bouchon est symétrique.
        4. L'électrode de la fréquence cardiaque est placé sur la poitrine
      2. Minimisation des Impédance
        1. Les électrodes cérébrales actiCAP produits sont connectés à la boîte de contrôle.
        2. Chaque électrode contient LED, qui virent au rouge, quand la mesure d'impédance est démarré.
        3. Les cheveux sont éloignés de la pointe de l'électrode avec une aiguille à pointe émoussée.
        4. Gel est injecté entre la pointe de l'électrode et la surface de la peau.
        5. La couleur de la LED change, avec la diminution de l'impédance. La couleur initiale rouge devient jaune, le jaune devient vert, si la valeur d'impédance cible est atteint.
        6. L'impédance cible est de 25 kOhm, puisque les électrodes actives offrent un bon rapport signal-bruit de rationnement ci-dessous de cette valeur. C'est pourquoi la préparation de la PAC est rapide et pratique.
        7. L'opérateur commence à travailler sur les électrodes de référence et la terre, et répète pour tous les autres électrodes.
    2. A bord de préparation avant le vol
      1. Pré-mesures
        1. Les sujets sont placés dans le dispositif expérimental, les ceintures de sécurité sont fixés librement
        2. Les câbles sont connectés, les batteries sont chargées.
        3. L'opérateur démarre le module de l'EEG et SPIR, les contrôles de la connectivité et la qualité du signal EEG / SPIR.
        4. Enregistrement de repos Etat EEG / SPIR. Les sujets n'ont pas la tâche.
        5. L'enregistrement est arrêté.
        6. Les sujets réalisent la tâche cognitive sur le terrain. La tâche cognitive est une tâche d'attention / calcul ( http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833?mt=8 ), où les sujets ont à identifier ce côté d'une équation qui est plus grand que le d'autres en relation avec rapidité et précision.
      2. D'entreposer l'équipement
        1. L'opérateur enregistre la caméra et les iPhones pour le décollage.
    3. Dans la mesure de vol
      1. Préparation
        1. Opérateur monte la vidéo-caméra à la main courante et l'enregistrement commence.
        2. Les iPhones sont placées sur le haut de la jambe des sujets.
        3. L'opérateur démarre le module de l'EEG et SPIR, les contrôles de la qualité du signal EEG / NIRS, et commence l'enregistrement.
      2. Mesure
        1. Les sujets réalisent la tâche cognitive pendant deux blocs de cinq paraboles entre parabole 11-15 et 16-20. Tâche sera exécutée dans un ordre aléatoire en apesanteur ou la gravité normale. Seul l'état de repos EEG / SPIR est enregistrée pendant les 10 premières paraboles. Les paraboles dernière sera utilisée en cas de manquant mesures précédentes (voir Figure 1).
        2. L'opérateur contrôle l'enregistrement, et instruit les sujets. L'opérateur va écrire tous les résultats des tests cognitifs et des temps.
    4. Sur la terre après le vol de mesure
        1. Repos Etat EEG / SPIR mesure est effectuée.

    Nous nous attendons à trouver plus d'activation cérébrale en apesanteur, comme indiqué précédemment (Schneider et al. Al 2008 + 2009). Nous attendons encore pour voir une augmentation du tissu oxygéné dans le cerveau frontal en apesanteur et inférieure du tissu oxygéné dans hypergravité. La tâche d'attention est censé être altérée au cours du vol par rapport à l'ensemble de vol pré et post et peut-être encore plus en apesanteur due à l'activation centrale élevée et l'excitation en apesanteur.

    2. Les résultats représentatifs

    Cartographie de la transition de la phase hypergravité à l'apesanteur, nous avons pu observer l'activité cérébrale accrue corticale dans le cortex frontal et une diminution de l'activité dans le cortex temporal et occipital 2000 - 2350 ms après le début de l'apesanteur (figure 2a, b). sLORETA a permis la localisation de cette activation accrue frontal dans l'aire de Brodmann 9 du cortex préfrontal dorsolatéral, qui est connue pour être impliquée dans les fonctions exécutives avec l'intégration des informations sensorielles et mnémoniques dans le cadre de la planification motrice, d'organisation et de régulation, (figure 3a, b). En outre, sous réserve 2 ont montré une augmentation de la zone 6 de Brodmann, le cortex prémoteur, qui joue un rôle dans l'orientation sensorielle dans le cadre de la stabilisation du corps (voir figure 3b).

    En moyenne sur les 10 premières paraboles, l'analyse a révélé une diminution SPIR oxygénée hémoglobine (HHb) la concentration de ces deux sujets dans hypergravité ainsi que l'augmentation hémoglobine oxygénée (O2Hb) en apesanteur. Pour l'hémoglobine HHb dans une réserve, nous avons trouvé une tendance d'augmentation de la phase préalable à l'apesanteur hypergravité ainsi qu'à une diminution au cours de la phase de l'apesanteur et hypergravité après apesanteur. Dans ce O2Hb objet était de retour à la normale 10 à 15 sec après la parabole. En revanche l'objet 2 a montré une légère augmentation avec la diminution des O2Hb dans la phase hypergravité avant apesanteur, une augmentation en apesanteur et une diminution au cours hypergravité après apesanteur. Pour cette O2Hb sujet restait à être diminué d'environ 30 secondes suivantes parabole (figure 4a, b)

    La tâche cognitive conduit à une diminution des scores de performance pour les deux participants à la pesanteur normale au cours du vol par rapport à une session de contrôle en amont. Seulement 2 sujet a montré un score diminué dans weightlessnes (figure 5).

    Figure 1
    Figure 1. Séquence de vol parabolique. Ordre des tâches et des mesures pendant le vol, le nombre de paraboles sont indiqués en gris, les numéros avec une apostrophe indiquer la longueur des pauses plus longues entre les paraboles.

    Figure 2a
    Figure 2b
    Vue Cartographie figure 2 de deux sujets au cours de la période de 500 ms avant l'apesanteur (dans hypergravité) jusqu'à 2500 ms en apesanteur. Voir ci-dessus est de la tête; petits cercles indiquent les positions des électrodes, diminue la couleur bleue et jaune à la couleur rouge augmente l'activité de micro électrocorticale Volt.

    La figure 3a
    Figure 3b
    Figure 3 Trois vues LORETA. (En haut: d'en haut, en bas à gauche: le côté gauche, en bas à droite: à l'arrière) de deux sujets au cours de la période de 2000 ms jusqu'à 2350 ms après le début de l'apesanteur. La couleur rouge indique l'activité cérébrale accrue.

    La figure 4a
    Figure 4b
    La figure 4 trace SPIR (rouge: l'hémoglobine oxygénée, bleu: hémoglobine désoxygénée, noir: le niveau de gravité). Au cours de la période d'un parabole de 40 secondes avant la parabole en gravité normale (1G: zone jaune), au cours de la phase de hypergravité première (1,8 G: zone bleue), l'apesanteur (0G: zone rouge) et la phase hypergravité seconde (1,8 g: zone bleue) jusqu'à 40 secondes après la parabole. Niveau de gravité est affiché inverse (baisse de la trace signifie augmentation de la gravité à partir de 0 égale à la pesanteur normale (1G). Les données indiquées sont une moyenne de plus de 10 paraboles.

    Figure 5
    Figure 5. Score de performance de la tâche cognitive des participants 1 (bleu trace) et 2 (trace rouge) pour la formation des mesures avant le vol et le vol en apesanteur (0G) et la gravité normale (1G).

    Discussion

    En raison de manque de méthodes d'imagerie cérébrale dans des conditions extrêmes jusqu'à présent processus sous-jacents neurophysiologiques pour dépréciation des performances cognitives et l'état mental n'ont pas été évaluées. Dans ce papier nous avons été en mesure d'afficher des changements dans l'activité cérébrale corticale et le niveau d'oxygénation dans le cadre d'un vol parabolique et de localiser ces changements dans le cerveau en utilisant l'EEG combiné avec Loreta et SPIR. Comme prévu, nous avons trouvé une augmentation de l'activité électrocorticale en apesanteur, qui a été localisée dans les régions frontales (aires de Brodmann 9 6). Les résultats indiquent que près de 2000 ms après l'activité cérébrale corticale de transition est altérée principalement dans les régions frontales du cerveau. On pourrait supposer que cette activité a augmenté dans l'aire de Brodmann 6 et 9 reflète les mécanismes du cerveau détection et de traitement des conditions de gravité a changé afin de maintenir la stabilité du corps ainsi que la capacité du moteur dans des conditions de gravité est altérée.

    En ce qui concerne les changements hémodynamiques, la SPIR a révélé que la O2Hb du cerveau frontal diminue de façon spectaculaire dans la phase hypergravité première et augmente en apesanteur, tandis que, HHB a montré que des changements modérés. En conséquence cet effet ne peut être attribué à un déplacement de volume sanguin uniquement. Plus vraisemblablement, cela semble refléter une sorte d'autorégulation cérébrale, d'autant que l'augmentation de la O2Hb intervient longtemps avant la transition, passant de 1,8 G 0G (en particulier dans la figure 4). En revanche O2Hb et HHB fois diminution de la phase hypergravité secondes.

    Les résultats de la tâche cognitive montrent aucune dépréciation clair pendant la pesanteur normale ou en apesanteur à bord par rapport à une session de contrôle en amont. Basé sur les résultats de deux sujets sans déclaration claire est possible si les vols paraboliques en apesanteur ou en collaboration avec son augmentation de l'activité cérébrale et le niveau d'oxygénation ont une influence sur les performances cognitives. Des études antérieures donnent à croire que dans ce contexte, le stress pourrait aussi jouer un rôle (Schneider et coll. 2007), pourtant aucun changement dans la concentration de cortisol pourrait être obtenue pour les deux sujets. Des données supplémentaires sont nécessaires pour valider ces résultats et pour permettre la corrélation des changements dans l'activité cérébrale corticale, des changements hémodynamiques ainsi que les performances cognitives.

    Ce document vise à montrer que la surveillance des changements locaux dans l'activité cérébrale corticale et niveau d'oxygénation à travers les différentes phases de gravité a changé est possible en utilisant l'EEG en combinaison avec la SPIR et Loreta. Ces résultats sont un succès pour la recherche spatiale et permettra d'afficher des changements complexes et locaux d'activité du cerveau cortical dans hypergravité ou l'apesanteur et la corrélation de test mental ou moteur avec des changements objectifs dans le cerveau. La prochaine étape est d'appliquer cette méthode au cours des missions spatiales de longue durée.

    Disclosures

    La production de cet article a été parrainé par les produits du cerveau, GmbH. Roland Csuhaj est un employé de produits du cerveau, GmbH, qui fabrique un instrument utilisé dans cet article.

    Acknowledgements

    Nous tenons à remercier le cerveau Products GmbH pour fournir leur équipement, d'expertise et d'aide. Cette étude a été financée par le Ministère fédéral de l'Économie et de la technologie grâce à une subvention de l'Agence spatiale allemande (DLR) 50WB0819.

    References

    1. Santo, N. G. D. e, Cirillo, M., Kirsch, K. A., Correale, G., Drummer, C., Frassl, W., Perna, A. F., Stazio, E. D. i, Bellini, L., Gunga, H. C. Anemia and erythropoietin in space flights. Semin Nephrol. 25, 379-387 (2005).
    2. Ellis, S. Collisions in space. 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. 208-212 (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, 571-579 (2008).
    6. Schneider, S., Brummer, V., Gobel, S., Carnahan, H., Dubrowski, A., Struder, H. K. Parabolic flight experience is related to increased release of stress hormones. Eur J Appl Physiol. 100, 301-308 (2007).

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