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 JoVE Neuroscience

Die Kohärenz zwischen Gehirn Kortikale Funktion und neurokognitiven Leistungsfähigkeit während Changed Schwerelosigkeit

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

    Die Wirkung der Schwerelosigkeit und Hypergravitation auf beiden hämodynamischen und elektrophysiologischen Vorgänge im Gehirn wird sich während der Parabelflug von EEG-und NIRS-Techniken verfolgt werden. Eine Machbarkeitsstudie für eine komplexere Experiment, das geplant durchführen, bei mittel-und langfristige Raumfahrt ist.

    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

    Frühere Studien der kognitiven, psychischen und / oder motorische Prozesse während der kurz-, mittel-und langfristige Schwerelosigkeit bisher nur in der Natur beschreibend, und konzentrierte sich auf psychologische Aspekte. Bis jetzt hat objektive Beobachtung der neurophysiologischen Parameter nicht durchgeführt - ohne Zweifel, weil die technischen und methodischen Mittel bisher nicht zur Verfügung -, Untersuchungen zu den neurophysiologischen Auswirkungen der Schwerelosigkeit noch in den Kinderschuhen (Schneider et al 2008)..

    Während bildgebende Verfahren wie die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Magnetresonanztomographie (MRT) wäre kaum anwendbar im Raum, stellt die nicht-invasive Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS)-Technik eine Methode zur Kartierung hämodynamische Vorgänge im Gehirn in Echtzeit das ist sowohl relativ kostengünstig, und das kann auch unter extremen Bedingungen eingesetzt werden. Die Kombination mit der Elektroenzephalographie (EEG) eröffnet die Möglichkeit, im Anschluss an die electrocortical Prozesse unter sich ändernden Bedingungen der Schwerkraft mit einer feineren zeitlichen Auflösung sowie mit tieferen Lokalisation, zum Beispiel mit electrotomography (LORETA).

    Frühere Studien zeigten eine Zunahme der Beta-Frequenz Tätigkeit unter normalen Bedingungen der Schwerkraft und eine Abnahme unter Schwerelosigkeit während eines Parabelflug (Schneider et al. 2008a + b). Tilt Studien zeigten unterschiedliche Veränderungen der Gehirnfunktion, die darauf hindeuten lassen, dass Änderungen in Parabelflug kann emotionale Prozesse statt hämodynamischen Veränderungen anzupassen. Es ist jedoch noch unklar, ob diese Auswirkungen veränderter Schwerkraft oder hämodynamischen Veränderungen im Gehirn sind. Die Kombination EEG / LORETA und NIRS sollte zum ersten Mal machen es möglich, die Wirkung der Schwerelosigkeit und reduzierter Schwerkraft auf beiden hämodynamischen und elektrophysiologischen Vorgänge im Gehirn abzubilden. Zunächst ist dies als Teil einer Machbarkeitsstudie bei einem Parabelflug durchgeführt werden. Danach ist es auch geplant, beide Techniken im mittel-und langfristige Nutzung der Raumfahrt.

    Es ist davon auszugehen, dass die langfristige Umverteilung des Blutvolumens und der damit verbundenen Erhöhung der Sauerstoffversorgung des Gehirns zu Veränderungen im zentralen Nervensystem, die auch verantwortlich für die anämische Prozesse führen werden, und die wiederum die Leistung reduzieren (De Santo et al. 2005), was bedeutet, dass sie sein könnten entscheidend für den Erfolg und die Sicherheit einer Mission (Genik et al. 2005, Ellis 2000).

    Abhängig von diesen Ergebnissen wird es notwendig sein, zur Entwicklung und Nutzung umfangreicher Gegenmaßnahmen. Erste Ergebnisse für die MARS500 Studie deuten darauf hin, dass, zusätzlich zu ihrer Bedeutung im Kontext des Herz-Kreislauf-und Bewegungsapparat, Sport und körperliche Aktivität können eine Rolle bei der Verbesserung der neurokognitiven Parametern spielen. Vor diesem vollständig eingeführt werden kann, jedoch scheint es notwendig, mehr über den Einfluss der wechselnden Zustand der Schwerelosigkeit auf neurophysiologische Prozesse und die damit verbundenen neurokognitiven Beeinträchtigungen.

    Protocol

    1. Versuchsdurchführung

    1. Am Boden Flugvorbereitung - Das Thema Vorbereitung ist in einem separaten Raum am Flughafen erfolgen. (1-2 Stunden vor dem Flug)
      1. Montage des EEG / NIRS Kappe
        1. Elektroden und NIR-Sensoren sind an der Kopfhaut mit einer EEG-Haube befestigt. Diese Methode sorgt für die richtige Position der Sensoren.
        2. Die Größe der Kappe wird durch die Größe des Motivs den Kopf bestimmt
        3. Der Betreiber stellt sicher, dass der korrekte Position der Kappe. Die Cz Elektrode wird auf den Scheitel (der Punkt in der Mitte zwischen dem Nasion und Zwiebeln), die PO9-PO10 und der FP1-Fp2 Elektroden sind horizontal, ist die Kappe symmetrisch.
        4. Die Herzfrequenz-Elektrode auf der Brust platziert
      2. Minimierung der Impedanz
        1. Die Brain Products actiCAP Elektroden werden an die Steuerung angeschlossen.
        2. Jede Elektrode enthält LEDs, die rot werden, wenn die Impedanz-Messung wird gestartet.
        3. Das Haar ist weg von der Spitze der Elektrode mit einer stumpfen Nadel verschoben.
        4. Gel wird zwischen der Spitze der Elektrode und der Oberfläche der Haut injiziert.
        5. Die Farbe der LEDs ändern, da die Impedanz sinkt. Die erste rote Farbe wird gelb, wird die gelb-grün, wenn das Ziel Impedanz Wert erreicht.
        6. Das Ziel Impedanz 25 kOhm, da die aktiven Elektroden gutes Signal-Rausch-Verhältnis unter diesem Wert liefern. Deshalb ist die Kappe Zubereitung ist schnell und bequem.
        7. Der Bediener startet auf der Referenz-und Masseelektroden und wiederholt für alle anderen Elektroden zu arbeiten.
    2. An Bord Flugvorbereitung
      1. Pre-Messungen
        1. Themen in den Versuchsaufbau eingesetzt werden, sind die Gurte befestigt locker
        2. Kabel angeschlossen sind, werden die Batterien geladen werden.
        3. Der Bediener startet die EEG-und NIRS-Modul steuert die Konnektivität und die Qualität des EEG / NIRS-Signal.
        4. Recording Ruhezustand EEG / NIRS. Die Probanden haben noch keine Aufgabe.
        5. Die Aufnahme wird gestoppt.
        6. Die Themen führen die kognitive Aufgabe auf dem Boden. Die kognitive Aufgabe ist es, eine Aufmerksamkeit / Berechnung Aufgabe ( http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833?mt=8 ), wo Themen haben, die Seite einer Gleichung, die größer ist als die zu identifizieren anderen in Bezug auf Geschwindigkeit und Genauigkeit.
      2. Lagern Sie die Geräte
        1. Der Betreiber speichert die Kamera und die iPhones for take off.
    3. Im Flug-Messung
      1. Vorbereitung
        1. Operator mountet die Video-Kamera an Handlauf und startet die Aufnahme.
        2. Die iPhones sind auf dem Oberschenkel des Patienten platziert.
        3. Der Bediener startet die EEG-und NIRS-Modul kontrolliert die Qualität des EEG / NIRS-Signal und startet die Aufnahme.
      2. Messung
        1. Die Themen führen die kognitive Aufgabe in zwei Blöcken zu je fünf Parabeln zwischen Parabel 11-15 und 16-20. Aufgabe wird in einer zufälligen Reihenfolge in der Schwerelosigkeit oder normaler Schwerkraft durchgeführt werden. Nur Ruhezustand EEG / NIRS ist während der ersten 10 Parabeln aufgezeichnet. Die letzten Parabeln verwendet bei fehlenden vorherigen Messungen werden (siehe Abbildung 1).
        2. Der Bediener steuert die Aufnahme und weist die Untertanen. Der Betreiber wird alles aufschreiben Ergebnisse der kognitiven Tests und-zeiten.
    4. Am Boden post-flight-Messung
        1. Ruhezustand EEG / NIRS-Messung durchgeführt.

    Wir erwarten, dass erhöhte zerebrale Aktivierung in der Schwerelosigkeit zu finden, wie zuvor beschrieben (Schneider et. Al 2008 + 2009) gezeigt. Wir erwarten weitere so sehen erhöhten Sauerstoff Gewebe im Frontalhirn in der Schwerelosigkeit und unteren oxygenierten Gewebe in Hypergravitation. Die Aufmerksamkeit Aufgabe soll während des gesamten Fluges im Vergleich zu vor und nach dem Flug und vielleicht sogar noch mehr in der Schwerelosigkeit durch höhere zentrale Aktivierung und Erregung in der Schwerelosigkeit beeinträchtigt werden.

    2. Repräsentative Ergebnisse

    Mapping der Übergang von der Hypergravitation Phase der Schwerelosigkeit konnten wir erhöhte Gehirn kortikale Aktivität im frontalen Kortex zu beobachten und verminderte Aktivität in der zeitlichen und okzipitalen Kortex 2000 - 2350 ms nach dem Beginn der Schwerelosigkeit (Abbildung 2a, b). sLORETA erlaubt die Lokalisierung dieses erhöhte frontale Aktivierung in Brodmann 9 des dorsolateralen präfrontalen Kortex, die bekanntlich in leitenden Funktionen bei der Integration von sensorischen und mnemonic Informationen im Laufe der motorischen Planung, Organisation und Regulierung beteiligt ist (Abbildung 3a, b). Darüber hinaus zeigte Sachgebiet 2 eine Erhöhung der Brodmann Area 6, im prämotorischen Cortex, die eine Rolle spielt bei der sensorischen Führung im Laufe des Körpers zu stabilisieren (siehe Abbildung 3b).

    Gemittelt über die ersten 10 Parabeln, offenbarte NIRS-Analyse oxygenierten Hämoglobins (HHb) Konzentration der beiden Fächer in Hypergravitation sowie erhöhte oxygenierten Hämoglobins (O2Hb) in der Schwerelosigkeit verringert. Für HHb Hämoglobin zu Sachgebiet 1 fanden wir einen Trend zu einer Erhöhung der Hypergravitation Phase vor der Schwerelosigkeit sowie eine Abnahme in der Schwerelosigkeit und der Hypergravitation Phase nach Schwerelosigkeit. In diesem Thema O2Hb war wieder auf den Ausgangswert von 10 bis 15 sec nach der Parabel. Im Gegensatz zu Sachgebiet 2 zeigte einen leichten Anstieg mit dem Rückgang der O2Hb in der Hypergravitation Phase vor der Schwerelosigkeit, ein Anstieg in der Schwerelosigkeit und einen Rückgang bei Hypergravitation nach Schwerelosigkeit. Zu diesem Thema O2Hb blieb für ca. 30 sec folgende Parabel (Abb. 4a, b) herabgesetzt werden

    Die kognitive Aufgabe führte zu einer verringerten Leistung Partituren für beide Teilnehmer in normaler Schwerkraft während des Fluges im Vergleich zu einem Preflight-Sitzung. Nur zu Sachgebiet 2 zeigten eine verminderte Punktzahl in Schwerelosigkeit (Abbildung 5).

    Abbildung 1
    Abbildung 1. Parabelflug-Sequenz. Reihenfolge der Aufgaben und Messungen während des Fluges; Anzahl der Parabeln in grau angezeigt, zeigen Zahlen mit Apostroph die Länge der längeren Pausen zwischen den Parabeln.

    Abbildung 2a
    Abbildung 2b
    Abbildung 2 Mapping Ansicht von zwei Probanden über den Zeitraum von 500 ms, bevor der Schwerelosigkeit (in Hypergravitation) bis 2500 ms in der Schwerelosigkeit. Blick von oben den Kopf; kleine Kreise zeigen Elektrodenpositionen, blaue Farbe ab und gelb bis rot steigt der electrocortical Aktivität in Mikro-Volt.

    Abbildung 3a
    Abbildung 3b
    Abbildung 3 Drei LORETA Aussicht. (Oben: von oben, unten links: von der linken Seite, unten rechts: von hinten) von zwei Probanden über den Zeitraum von 2000 ms bis 2350 ms nach Beginn der Schwerelosigkeit. Rote Farbe zeigt erhöhte Aktivität des Gehirns.

    Abbildung 4a
    Abbildung 4b
    Abbildung 4 NIRS Spuren (rot: oxygenierten Hämoglobins, blau: BOLD, schwarz: Schwerkraft-Ebene). Über den Zeitraum von einem Parabel von 40 Sekunden vor der Parabel in normaler Gravitation (1G: gelber Bereich), über die ersten Hypergravitation Phase (1,8 G: blaue Fläche), Schwerelosigkeit (0G: rote Fläche) und die zweite Hypergravitation Phase (1.8G: blaue Fläche), bis 40 sec nach der Parabel. Gravity Ebene wird invers dargestellt (Abnahme von Spurenelementen mittels Erhöhung der Schwerkraft ab 0 gleich normalen Schwerkraft (1G). Gezeigten Daten ist ein Durchschnittswert über 10 Parabeln.

    Abbildung 5
    Abbildung 5. Spielpartitur der kognitiven Aufgabe des Teilnehmers 1 (blaue Kurve) und 2 (rote Kurve) für die Messungen Training vor dem Flug und während des Fluges in Schwerelosigkeit (0G) und normaler Gravitation (1G).

    Discussion

    Aufgrund fehlender bildgebenden Methoden unter extremen Bedingungen so weit das zugrunde liegende neurophysiologische Prozesse für Wertminderungen in die kognitive Leistungsfähigkeit und psychische Verfassung wurden nicht untersucht. In diesem Papier waren wir in der Lage, Veränderungen im Gehirn kortikale Aktivität und die Sauerstoffversorgung Ebene im Rahmen einer Parabelflug-Display und zu lokalisieren diese Veränderungen innerhalb des Gehirns mittels EEG in Verbindung mit LORETA und NIRS. Wie erwartet, fanden wir eine Zunahme in electrocortical Aktivität während der Schwerelosigkeit, die in frontaler Hirnregionen (Brodmann Bereiche 9 +6) lokalisiert wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass etwa 2000 ms nach dem Übergang Gehirn kortikale Aktivität vor allem in frontalen Hirnregionen verändert. Man könnte annehmen, dass diese erhöhte Aktivität in Brodmann Area 6 und 9, die Mechanismen des Gehirns Erfassung und Verarbeitung verändert Schwerelosigkeit, um Körper Stabilität sowie motorischen Fähigkeiten in veränderter Schwerkraft Bedingungen halten reflektiert werden.

    In Bezug auf hämodynamische Veränderungen ergaben, dass die NIRS O2Hb des Frontalhirns dramatisch sinkt in der ersten Phase Hypergravitation und erhöht in der Schwerelosigkeit, während HHb zeigte nur moderate Änderungen. Dementsprechend kann dieser Effekt nicht zu einer Verlagerung des Blutvolumens allein zugeschrieben werden. Wahrscheinlicher scheint dies eine Art der zerebralen Autoregulation widerspiegeln, zumal die Erhöhung der O2Hb lange auftritt, bevor der Übergang von 1,8 G auf 0G (vor allem in Abbildung 4). Im Gegensatz O2Hb und HHB beide Rückgang im zweiten Hypergravitation Phase.

    Die Ergebnisse der kognitiven Aufgabe zeigen keine deutlichen Beeinträchtigung während der normalen Schwerkraft oder Schwerelosigkeit an Bord im Vergleich zu einem Preflight-Sitzung. Basierend auf den Ergebnissen von zwei Themen keine klare Aussage möglich ist, ob Parabelflügen Schwerelosigkeit zusammen mit seiner Steigerung der Hirnaktivität und die Sauerstoffversorgung Ebene einen Einfluss auf die kognitive Leistungsfähigkeit haben. Frühere Studien geben Grund zu der Annahme, dass in diesem Zusammenhang betonen, könnte auch eine Rolle spielen (Schneider et al. 2007), konnte jedoch keine Veränderungen in Cortisol-Konzentration für beide Fächer gewonnen werden. Weitere Daten werden benötigt, um diese Ergebnisse zu validieren und Korrelation der Veränderungen im Gehirn kortikale Aktivität, hämodynamischen Veränderungen sowie die kognitive Leistung zu ermöglichen.

    Dieses Papier soll die Überwachung der lokalen Veränderungen im Gehirn kortikale Aktivität und die Sauerstoffversorgung Ebene in unterschiedlichen Phasen der veränderten Schwerkraft zeigen, wird durch die Verwendung in Kombination mit NIRS und LORETA EEG möglich. Diese Ergebnisse sind ein Erfolg für die Weltraumforschung und ermöglicht die Anzeige komplexer und lokalen Veränderungen des Gehirns kortikale Aktivität in Hypergravitation oder Schwerelosigkeit und korrelierende psychische oder motorische Tests mit objektiven Veränderungen im Gehirn. Der nächste Schritt ist, diese Methode bei langfristigen Weltraummissionen gelten.

    Disclosures

    Die Produktion dieser Artikel wurde von Brain Products, GmbH gesponsert. Roland Csuhaj ist ein Mitarbeiter von Brain Products GmbH, die ein Instrument in diesem Artikel verwendet produziert.

    Acknowledgements

    Wir möchten Brain Products GmbH für die Bereitstellung ihrer Ausrüstung, Know-how und Hilfe bedanken. Diese Studie wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über ein Stipendium des Deutschen Raumfahrtagentur (DLR) 50WB0819 finanziert.

    References

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    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).

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