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 JoVE Neuroscience

La coherencia entre la función cerebral cortical y rendimiento neurocognitivo en condiciones de gravedad ha cambiado

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

    El efecto de la ingravidez y hipergravedad en ambos procesos hemodinámicos y electrofisiológicos en el cerebro se va a seguir durante el vuelo parabólico con técnicas de EEG y NIRS. Un estudio de viabilidad de un experimento más complejo, que está previsto llevar a cabo durante el vuelo espacial a medio y largo plazo.

    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

    Los procesos de estudios previos de habilidades cognitivas, mentales y / o del motor durante la corta, la ingravidez de mediano y largo plazo, sólo han sido de carácter descriptivo, y se centró en los aspectos psicológicos. Hasta ahora, la observación objetiva de los parámetros neurofisiológicos no se ha llevado a cabo -, sin duda, porque los medios técnicos y metodológicos que no han estado disponibles -, las investigaciones sobre los efectos neurofisiológicos de la ingravidez en su infancia (Schneider et al 2008)..

    Aunque las técnicas de imagen como la tomografía por emisión de positrones (PET) y resonancia magnética (MRI) no sería aplicable en el espacio, y no-invasivas espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) técnica representa un método de mapeo de los procesos de hemodinámica en el cerebro en tiempo real que es a la vez relativamente barato y que se pueden utilizar incluso en condiciones extremas. La combinación con la electroencefalografía (EEG) se abre la posibilidad de seguir los procesos electrocortical bajo condiciones cambiantes de gravedad con una resolución más fina temporal, así como con la localización más profunda, por ejemplo, con electrotomography (Loreta).

    Estudios anteriores mostraron un aumento de la frecuencia de la actividad beta en condiciones de gravedad normal y una disminución en condiciones de ingravidez durante un vuelo parabólico (Schneider et al. 2008a + b). Los estudios revelaron cambios de inclinación diferente en función del cerebro, que permiten sugerir que los cambios en vuelo parabólico podría reflejar procesos emocionales en vez de los cambios hemodinámicos. Sin embargo, todavía no está claro si estos efectos son de gravedad cambia o cambios hemodinámicos en el cerebro. La combinación de EEG / NIRS Loreta y debe, por primera vez hacen posible el mapa del efecto de la ingravidez y gravedad reducida en ambos procesos hemodinámicos y electrofisiológicos en el cerebro. Inicialmente, esto se debe hacer como parte de un estudio de factibilidad durante un vuelo parabólico. Después, también está previsto utilizar ambas técnicas durante el vuelo espacial a medio y largo plazo.

    Se puede suponer que la redistribución a largo plazo del volumen de sangre y el consiguiente aumento en el suministro de oxígeno al cerebro dará lugar a cambios en el sistema nervioso central, que también son responsables de los procesos anémicos, y que a su vez puede reducir el rendimiento (De Santo et al. 2005), lo que significa que podría ser crucial para el éxito y la seguridad de una misión (Genik et al. 2005, Ellis 2000).

    Dependiendo de estos resultados, será necesario para desarrollar y emplear medidas amplias. Los resultados iniciales del estudio MARS500 sugieren que, además de su importancia en el contexto de los sistemas cardiovascular y locomotor, el deporte y la actividad física puede desempeñar un papel en la mejora de los parámetros neurocognitivos. Antes de que esto puede ser totalmente establecido, sin embargo, parece necesario para aprender más sobre la influencia de los cambios en las condiciones de gravedad en los procesos neurofisiológicos y deterioro neurocognitivo asociado.

    Protocol

    1. Procedimiento experimental

    1. En el suelo la preparación prevuelo - La preparación de sujetos se realiza en un cuarto separado en el aeropuerto. (1-2 horas antes del vuelo)
      1. Montaje de la tapa de EEG / NIRS
        1. Electrodos y sensores de NIR son adheridos al cuero cabelludo con una tapa de EEG. Este método garantiza la correcta posición de los sensores.
        2. El tamaño de la tapa se determina por el tamaño de la cabeza del sujeto
        3. El operador se asegura de la correcta posición de la tapa. El electrodo Cz se encuentra en el vértice (el punto medio entre el nasion y cebolla), la PO9 PO10-y los electrodos de FP1, FP2 es horizontal, el límite es simétrica.
        4. El electrodo de la frecuencia cardíaca se coloca en el pecho
      2. Reducción al mínimo de impedancia
        1. Los productos del cerebro electrodos actiCAP están conectados a la caja de control.
        2. Cada electrodo contiene LEDs, que a su vez de color rojo, cuando la medición de la impedancia se ha iniciado.
        3. El pelo se mueve lejos de la punta del electrodo con una aguja de punta roma.
        4. Gel se inyecta entre la punta del electrodo y la superficie de la piel.
        5. El color de los pilotos cambian, a medida que disminuye la impedancia. El color rojo inicial se convierte en amarillo, el amarillo a verde, si el valor de la impedancia objetivo se logra.
        6. La impedancia es de 25 kOhm objetivo, ya que los electrodos activos ofrecen una buena relación señal-ruido de la ración por debajo de este valor. Por lo tanto, la preparación de la PAC es rápido y conveniente.
        7. El operador comienza a trabajar en los electrodos de referencia y el suelo, y se repite para todos los otros electrodos.
    2. A bordo de preparación previa al vuelo
      1. Pre-medidas
        1. Los sujetos se colocan en el montaje experimental, los cinturones de seguridad se fijan libremente
        2. Los cables están conectados, las baterías se cargan.
        3. El operador inicia el módulo de EEG y NIRS, los controles de la conectividad y la calidad de la señal de EEG / NIRS.
        4. Grabación de estado de reposo EEG / NIRS. Los sujetos no tienen ninguna tarea.
        5. La grabación se detiene.
        6. Los sujetos realizan la tarea cognitiva en el suelo. La tarea cognitiva es una tarea de atención / cálculo ( http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833?mt=8 ), donde los sujetos tienen que identificar de que lado de la ecuación, que es mayor que el otros en relación con la velocidad y precisión.
      2. El almacenamiento del equipo
        1. El operador de tiendas de la cámara y los iPhones para el despegue.
    3. En la medición de vuelo
      1. Preparación
        1. Operador monta la cámara de video de pasamanos y comienza la grabación.
        2. Los iPhones se encuentran en el tramo superior de los sujetos.
        3. El operador inicia el módulo de EEG y NIRS, controla la calidad de la señal de EEG / NIRS, y comienza la grabación.
      2. Medición
        1. Los sujetos realizan la tarea cognitiva en dos bloques de cinco parábolas parábola entre 11-15 y 16-20. Tarea se llevará a cabo en un orden aleatorio en condiciones de ingravidez o gravedad normal. Sólo estado de reposo EEG / NIRS se registra durante los primeros 10 parábolas. Las parábolas última se utilizará en caso de falta de mediciones anteriores (ver Figura 1).
        2. El operador controla la grabación, e instruye a los sujetos. El operador se escribe todos los resultados de las pruebas cognitivas y los tiempos.
    4. En el suelo después del vuelo de medición
        1. Estado de reposo EEG / NIRS medición se lleva a cabo.

    Esperamos encontrar una mayor activación cerebral durante la ingravidez, como se muestra antes (Schneider et. Al 2008 + 2009). Esperamos además que ve aumento del tejido oxigenada en el cerebro frontal en condiciones de ingravidez y menor tejido oxigenada en hipergravedad. La tarea de atención se supone que es afectada durante todo el vuelo en comparación con el pre y post vuelo y tal vez aún más en condiciones de ingravidez, debido a una mayor activación central y la excitación en condiciones de ingravidez.

    2. Resultados representante

    Mapeo de la transición de la fase de hipergravedad a la ingravidez, pudimos observar una mayor actividad de la corteza cerebral en la corteza frontal y disminución de la actividad en la corteza temporal y occipital 2000 - 2350 ms después del inicio de la ingravidez (Figura 2a, b). sLORETA permitido la localización de esta activación frontal aumento en el área de Brodmann 9 de la corteza prefrontal dorsolateral, que es conocido por estar involucrado en las funciones ejecutivas con la integración de la información sensorial y mnemónica en el curso de la planificación motora, organización y regulación, (Figura 3a, b). Además, dos sujetos mostraron un aumento en el área 6 de Brodmann, la corteza premotora, que desempeña un papel en la orientación sensorial en el curso de la estabilización del cuerpo (ver Figura 3b).

    Promedio durante los primeros 10 parábolas, análisis NIRS reveló disminución de la hemoglobina oxigenada (HHb) la concentración de ambos temas en hipergravedad, así como aumento de la hemoglobina oxigenada (O2Hb) en condiciones de ingravidez. Para la hemoglobina HHb en un tema nos encontramos con una tendencia a un aumento en la fase previa a la ingravidez hipergravedad, así como una disminución en la ingravidez y la fase de hipergravedad después de la ingravidez. En este O2Hb tema volvió a la línea de base 10 a 15 segundos después de la parábola. En materia de contraste 2 mostró un ligero aumento, junto con la disminución de la O2Hb en la fase previa a la ingravidez hipergravedad, un aumento en la ingravidez y una disminución en hipergravedad después de la ingravidez. Por esta O2Hb tema aún no se redujo durante unos 30 segundos después de la parábola (Figura 4a, b)

    La tarea cognitiva como resultado una disminución del rendimiento en las puntuaciones de los dos participantes en la gravedad normal durante el vuelo en comparación con una sesión previa al vuelo. Sólo dos sujetos mostraron una puntuación menor en weightlessnes (Figura 5).

    Figura 1
    Figura 1. Secuencia de vuelo parabólico. Orden de las tareas y las mediciones durante el vuelo, el número de parábolas se indican en gris, los números con apóstrofe indica la longitud de descansos más largos entre las parábolas.

    Figura 2a
    Figura 2b
    Figura 2 Mapa visión de dos sujetos en el marco de tiempo de 500 ms antes de ingravidez (en hipergravedad) hasta 2500 ms en condiciones de ingravidez. Punto de vista es desde arriba de la cabeza, pequeños círculos indican las posiciones de los electrodos, disminuye el color azul y amarillo a los aumentos de color rojo de la actividad electrocortical en micro voltios.

    Figura 3a
    Figura 3b
    Figura 3 Tres vistas Loreta. (Arriba: desde arriba, abajo a la izquierda: desde el lado izquierdo, abajo a la derecha: desde la parte posterior) de dos sujetos en el marco de tiempo de 2000 ms hasta 2350 ms después del inicio de la ingravidez. El color rojo indica una mayor actividad cerebral.

    Figura 4a
    Figura 4b
    Figura 4 rastros NIRS (rojo: la hemoglobina oxigenada, azul: la hemoglobina oxigenada, negro: nivel de gravedad). Durante el período de una parábola de 40 segundos antes de la parábola de la gravedad normal (1G: área amarilla), en la fase de hipergravedad primero (1,8 G: área azul), la ingravidez (0G: zona roja) y la fase hipergravedad segundo (1,8 g: zona azul) hasta 40 segundos después de la parábola. Nivel de gravedad se muestra inversa (reducción de la huella que suponga el incremento de la gravedad a partir de igual a gravedad normal (1G) 0. Los datos que se muestra es un promedio de más de 10 parábolas.

    Figura 5
    Figura 5. Puntuación de rendimiento de la tarea cognitiva del participante 1 (azul traza) y 2 (rojo traza) para la formación de las mediciones antes del vuelo y durante el vuelo en condiciones de ingravidez (0G) y la gravedad normal (1G).

    Discussion

    Debido a la falta de imágenes del cerebro métodos en condiciones extremas hasta ahora los procesos neurofisiológicos subyacentes del deterioro en el rendimiento cognitivo y el estado mental no han sido evaluadas. En este trabajo hemos sido capaces de mostrar los cambios en la actividad cerebral cortical y el nivel de oxigenación en el curso de un vuelo parabólico y la localización de estos cambios en el cerebro con EEG combinado con Loreta y NIRS. Como era de esperar, se encontró un aumento en la actividad electrocortical en ingravidez, que fue localizado en las regiones frontales del cerebro (las áreas de Brodmann 9 6). Los resultados indican que aproximadamente 2000 ms después de la actividad cerebral cortical transición se altera sobre todo en las regiones frontales del cerebro. Se podría suponer que este aumento de la actividad en el área de Brodmann 6 y 9 refleja los mecanismos del cerebro para detectar y procesar las nuevas condiciones de la gravedad para mantener la estabilidad del cuerpo, así como la capacidad del motor en condiciones de gravedad alterada.

    En cuanto a los cambios hemodinámicos, NIRS reveló que el O2Hb de la región frontal del cerebro disminuye en gran medida en la fase de hipergravedad primero y el aumento de la ingravidez, mientras que, HHb mostró sólo cambios moderados. En consecuencia, este efecto no puede ser atribuido a un cambio de volumen de sangre únicamente. Más probable es que esto parece reflejar una especie de autorregulación cerebral, especialmente en el aumento de la O2Hb ocurre mucho antes de la transición de 1,8 G a 0G (especialmente en la figura 4). Por el contrario O2Hb y HHB tanto disminución de la fase de hipergravedad segundo.

    Los resultados de la tarea cognitiva indican que no hay un claro deterioro en la gravedad normal o la ingravidez en vuelo en comparación con una sesión previa al vuelo. Basándose en los resultados de dos sujetos no declaración clara es posible si los vuelos parabólicos o gravedad junto con el aumento en la actividad cerebral y el nivel de oxigenación tienen una influencia en el rendimiento cognitivo. Estudios anteriores dan motivos para creer que en este contexto, el estrés también podría desempeñar un papel (Schneider et al. 2007), sin embargo, no hay cambios en la concentración de cortisol podrían ser obtenidos por las distintas asignaturas. Se necesitan más datos para validar estos resultados y permitir la correlación de los cambios en la actividad cerebral cortical, alteraciones hemodinámicas, así como el rendimiento cognitivo.

    Este trabajo pretende demostrar que el seguimiento de los cambios locales en la actividad cerebral cortical y el nivel de oxigenación a través de las diferentes fases de gravedad cambia es posible mediante el uso de EEG en combinación con NIRS y Loreta. Estos resultados son un éxito para la investigación espacial y permitirá mostrar los cambios complejos y locales de la actividad cerebral cortical en hipergravedad o la ingravidez y la correlación test mental o de motor con cambios objetivos en el cerebro. El siguiente paso es aplicar este método durante las misiones espaciales de larga duración.

    Disclosures

    La producción de este artículo fue patrocinado por los productos del cerebro, GmbH. Roland Csuhaj es un empleado de los productos del cerebro, GmbH, que fabrica un instrumento utilizado en este artículo.

    Acknowledgements

    Nos gustaría dar las gracias al cerebro Products GmbH para proporcionar a sus equipos, experiencia y ayuda. Este estudio fue financiado por el Ministerio Federal de Economía y Tecnología a través de una donación de la Agencia Espacial Alemana (DLR) 50WB0819.

    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, 571-579 (2008).
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