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.

Essentials of
Neuroscience

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

Automatic Translation

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

 JoVE Neuroscience

Samenhang tussen Brain Cortical Functie en neurocognitieve prestatie tijdens Changed Gravity Voorwaarden

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

    Het effect van gewichtloosheid en hypergravity op zowel hemodynamische en elektrofysiologische processen in de hersenen zal worden gevolgd tijdens de parabolische vlucht door EEG en NIRS technieken. Een haalbaarheidsstudie van een meer complexe experiment, die is gepland uit te voeren tijdens de middellange en lange termijn ruimte vlucht.

    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

    Eerdere studies van cognitieve, psychische en / of motorische processen tijdens de korte, middellange en lange termijn gewichtloosheid zijn slechts beschrijvend van aard, en gericht op psychologische aspecten. Tot nu toe is objectieve waarneming van neurofysiologische parameters niet zijn uitgevoerd - ongetwijfeld omdat de technische en methodologische middelen die niet beschikbaar waren -, onderzoek naar de neurofysiologische effecten van gewichtloosheid in de kinderschoenen (Schneider et al., 2008.).

    Terwijl de beeldvormende technieken zoals positron emissie tomografie (PET) en magnetische resonantie imaging (MRI) zou nauwelijks van toepassing zijn in de ruimte, de niet-invasieve nabij-infrarood spectroscopie (NIRS) techniek is een methode voor het in kaart brengen van hemodynamische processen in de hersenen in real-time dat is zowel relatief goedkoop en dat kan worden ingezet, zelfs onder extreme omstandigheden. De combinatie met elektro-encefalogram (EEG) opent de mogelijkheid van het volgen van de electrocortical processen onder wisselende zwaartekracht omstandigheden met een fijnere temporele resolutie en met diepere lokalisatie, bijvoorbeeld met electrotomography (LORETA).

    Eerdere studies toonden een toename van de bèta-frequentie-activiteit onder normale omstandigheden de zwaartekracht en een daling onder gewichtloze omstandigheden tijdens een parabolische vlucht (Schneider et al.. 2008a + b). Tilt studies blijken er verschillende veranderingen in de hersenfunctie, die laat vermoeden, dat de veranderingen in de parabolische vlucht kan emotionele processen in plaats van hemodynamische veranderingen weer te geven. Het is echter nog onduidelijk of deze effecten van de veranderde zwaartekracht of hemodynamische veranderingen in de hersenen. De combinatie van EEG / LORETA en NIRS moeten maken voor de eerste keer het mogelijk om het effect van gewichtloosheid en de verminderde zwaartekracht op zowel hemodynamische en elektrofysiologische processen in de hersenen kaart. In eerste instantie is dit gedaan moet worden als onderdeel van een haalbaarheidsstudie tijdens een parabolische vlucht. Daarna is het ook gepland om beide technieken te gebruiken tijdens de middellange en lange termijn ruimte vlucht.

    Aangenomen mag worden dat de lange-termijn herverdeling van het bloedvolume en de daarmee gepaard gaande toename in de aanvoer van zuurstof naar de hersenen leidt tot veranderingen in het centrale zenuwstelsel, die ook verantwoordelijk zijn voor bloedarmoede processen, en die op hun beurt de prestaties verminderen (De Santo et al.. 2005), wat betekent dat zij kunnen worden cruciaal voor het succes en de veiligheid van een missie (Genik et al.. 2005, Ellis 2000).

    Afhankelijk van deze resultaten, zal het nodig zijn te ontwikkelen en te gebruiken uitgebreide tegenmaatregelen. De eerste resultaten voor de MARS500 studie suggereren dat, in aanvulling op hun betekenis in de context van de cardiovasculaire en bewegingsapparaat systemen, sport en lichamelijke activiteit een rol kan spelen bij het verbeteren neurocognitieve parameters. Voordat dit kan volledig worden vastgesteld, echter, lijkt het noodzakelijk om meer te leren over de invloed van veranderende omstandigheden op de zwaartekracht neurofysiologische processen en bijbehorende neurocognitieve bijzondere waardeverminderingen.

    Protocol

    1. Experimentele Procedure

    1. Op de begane grond pre-flight voorbereiding - Het onderwerp voorbereiding gebeurt in een aparte ruimte op de luchthaven. (1-2 uur voor de vlucht)
      1. Montage van de EEG / NIRS cap
        1. Elektroden en NIR-sensoren zijn verbonden aan de hoofdhuid met behulp van een EEG cap. Deze methode zorgt voor de juiste positie van de sensoren.
        2. De grootte van de cap wordt bepaald door de grootte van het hoofd van de proefpersoon
        3. De operator zorgt ervoor dat de juiste positie van de dop. De Cz elektrode wordt op de top (het midden tussen de nasion en ui), de PO9-PO10 en de FP1-FP2 elektroden zijn horizontaal, de dop is symmetrisch.
        4. De hartslag elektrode wordt geplaatst op de borst
      2. Minimalisering van Impedantie
        1. De Brain Products actiCAP elektroden zijn aangesloten op de schakelkast.
        2. Elke elektrode bevat LED's, die rood, als de impedantie meting wordt gestart.
        3. Het haar is weg van het uiteinde van de elektrode verplaatst met een stompe naald-tip.
        4. Gel wordt geïnjecteerd tussen de tip van de elektrode en het oppervlak van de huid.
        5. De kleur van de LED's veranderen, als de impedantie afneemt. De aanvankelijke rode kleur geel wordt, de gele wordt groen, als het doel impedantie waarde is bereikt.
        6. De beoogde impedantie is 25 kOhm, omdat de actieve elektroden zorgen voor een goede signaal-ruisverhouding onder deze waarde. Daarom is de dop voorbereiding is snel en handig.
        7. De operator begint te werken op de referentie-en massa-elektroden, en herhaalt voor alle andere elektroden.
    2. Aan boord van de vluchtvoorbereiding
      1. Pre-metingen
        1. De onderwerpen zijn geplaatst in de experimentele opstelling, worden de gordels los vastgemaakt
        2. Kabels worden aangesloten, zijn de batterijen geladen.
        3. De operator start de EEG en de NIRS-module, regelt de connectiviteit en de kwaliteit van de EEG / NIRS-signaal.
        4. Opname toestand van rust EEG / NIRS. De onderwerpen hebben geen taak.
        5. De opname wordt gestopt.
        6. De onderwerpen uit te voeren van de cognitieve taak op de grond. De cognitieve taak is een aandacht / berekening taak ( http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833?mt=8 ), waarbij patiënten moeten die kant van een vergelijking die groter is dan de identiteit andere in relatie tot snelheid en nauwkeurigheid.
      2. Bewaar de apparatuur niet
        1. De operator slaat de camera en de IPhones voor het opstijgen.
    3. Tijdens de vlucht meting
      1. Voorbereiding
        1. Operator monteert de video-camera leuning aan en begint met opnemen.
        2. De iPhones worden geplaatst op het bovenbeen van de proefpersonen.
        3. De operator start de EEG en de NIRS module, controleert de kwaliteit van de EEG / NIRS-signaal, en begint de opname.
      2. Meting
        1. De onderwerpen uit te voeren van de cognitieve taak tijdens twee blokken van vijf parabolen tussen de parabool 11-15 en 16-20. Taak zal worden uitgevoerd in een willekeurige volgorde in gewichtloosheid of normale zwaartekracht. Alleen toestand van rust EEG / NIRS is opgenomen tijdens de eerste 10 parabolen. De laatste parabolen zal worden gebruikt in geval van het missen van de vorige metingen (zie figuur 1).
        2. De operator controleert de opname, en instrueert de onderwerpen. De operator zal noteren alle resultaten van de cognitieve tests en tijden.
    4. Op de begane grond na de vlucht meting
        1. Toestand van rust EEG / NIRS meting wordt uitgevoerd.

    We verwachten dat de toegenomen cerebrale activatie te vinden tijdens gewichtloosheid zoals afgebeeld voor (Schneider et. Al. 2008 + 2009). We verder verwachten zo te zien meer zuurstof weefsel in de frontale hersenen in gewichtloosheid en lagere zuurstof weefsel in hypergravity. De aandacht taak wordt verondersteld te worden aangetast in de hele vlucht in vergelijking met voor en na de vlucht en misschien zelfs meer in gewichtloosheid als gevolg van hogere centrale activering en opwinding in gewichtloosheid.

    2. Representatieve resultaten

    In kaart brengen van de overgang van de hypergravity fase naar gewichtloosheid konden we tot een verhoogde hersenactiviteit corticale activiteit te observeren in de frontale cortex en een verminderde activiteit in de temporale en occipitale cortex 2000 - 2350 ms na het begin van gewichtloosheid (Figuur 2a, b). sLORETA toegestaan ​​lokaliseren van deze toegenomen frontale activatie in Brodmann gebied 9 van de dorsolaterale prefrontale cortex, waarvan bekend is dat betrokken is bij uitvoerende taken met de integratie van zintuiglijke en mnemonic informatie in de loop van de motorische planning, organisatie en regelgeving, (figuur 3a, b). Daarnaast, onder voorbehoud van 2 liet een toename van de Brodmann gebied 6, de premotorische cortex, die een rol speelt in de sensorische begeleiding in de loop van het lichaam van stabilisatie (zie figuur 3b).

    Gemiddeld over de eerste 10 parabolen, onthulde NIRS analyse afgenomen zuurstofrijk hemoglobine (HHB) concentratie van beide onderwerpen in hypergravity alsmede meer zuurstofrijk hemoglobine (O2Hb) in gewichtloosheid. Voor de HHB hemoglobine in een onderwerp vonden we een trend van een toename van de hypergravity fase voorafgaand aan de gewichtloosheid en een daling tijdens gewichtloosheid en de hypergravity fase na gewichtloosheid. In dit onderwerp O2Hb was terug naar baseline 10 tot 15 seconden na de parabool. In tegenstelling tot onderwerp 2 vertoonden een lichte toename, samen met de afname van O2Hb in de hypergravity fase voorafgaand aan de gewichtloosheid, een stijging tijdens gewichtloosheid en een daling tijdens hypergravity na de gewichtloosheid. Voor dit onderwerp O2Hb nog worden verlaagd voor ongeveer 30 sec volgende parabool (Figuur 4a, b)

    De cognitieve taak heeft geleid tot verminderde prestaties scores voor zowel de deelnemers in normale zwaartekracht tijdens de vlucht ten opzichte van een preflight sessie. Enige onderwerp 2 toonde een verminderde score in weightlessnes (figuur 5).

    Figuur 1
    Figuur 1. Paraboolvlucht volgorde. Volgorde van taken en metingen tijdens de vlucht, aantal parabolen zijn in grijs aangegeven, nummers met apostrof geven de lengte van de langere pauzes tussen de parabolen.

    Figuur 2a
    Figuur 2b
    Figuur 2 Mapping uitzicht op twee onderwerpen over het tijdsbestek van 500 ms voor gewichtloosheid (in hypergravity) tot 2500 ms in gewichtloosheid. View is van boven het hoofd; kleine cirkels geven elektrode posities, blauwe kleur af en geel tot rood toename van electrocortical activiteit in micro Volt.

    Figuur 3a
    Figuur 3b
    Figuur 3 Drie LORETA views. (Top: van boven, links onder: vanaf de linkerkant, rechtsonder: aan de achterkant) van twee onderwerpen over het tijdsbestek van 2000 ms tot 2350 ms na het begin van gewichtloosheid. Rode kleur geeft verhoogde hersenactiviteit.

    Figuur 4a
    Figuur 4b
    Figuur 4 NIRS sporen (rood: zuurstof hemoglobine, blauw: zuurstofarm hemoglobine, zwart: de zwaartekracht-niveau). Over de periode van een parabool van 40 seconden voordat de parabool in normale zwaartekracht (1G: geel gebied), over de eerste hypergravity fase (1.8 G: blauwe gebied), gewichtloosheid (0G: rode gebied) en de tweede hypergravity fase (1,8 g: blauwe zone) tot 40 seconden na de parabool. Zwaartekracht niveau wordt weergegeven inverse (afname van sporen via verhoging van de zwaartekracht vanaf 0 gelijk is aan normale zwaartekracht (1G). Getoonde gegevens is een gemiddelde over 10 parabolen.

    Figuur 5
    Figuur 5. Prestatie score van cognitieve taak van de deelnemer een (blauw trace) en 2 (rode trace) voor de metingen training vóór de vlucht en inflight in gewichtloosheid (0G) en normale zwaartekracht (1G).

    Discussion

    Vanwege de ontbrekende brain-imaging methoden onder extreme omstandigheden voor zover de onderliggende neurofysiologische processen voor bijzondere waardeverminderingen met cognitieve prestaties en mentale toestand zijn niet geëvalueerd. In dit artikel waren we in staat om veranderingen in de hersenen corticale activiteit en zuurstof niveau in de loop van een parabolische vlucht weer te geven en te lokaliseren deze veranderingen in de hersenen door middel van EEG in combinatie met LORETA en NIRS. Zoals verwacht, vonden we een toename van de electrocortical activiteit tijdens gewichtloosheid, die werd gelokaliseerd in frontale gebieden van de hersenen (Brodmann gebieden 9 +6). Resultaten geven aan dat ongeveer 2000 ms na de overgang hersenactiviteit corticale activiteit voornamelijk wordt veranderd in frontale gebieden van de hersenen. Het kan worden aangenomen dat deze toegenomen activiteit in Brodmann gebied 6 en 9 van de mechanismen van de hersenen opsporen en de verwerking van de zwaartekracht veranderde voorwaarden om het lichaam stabiliteit en als motor-vermogen in veranderde zwaartekracht te houden weerspiegelt.

    Ten aanzien van hemodynamische veranderingen, NIRS is gebleken dat de O2Hb van de frontale hersenen dramatisch dalingen in de eerste fase van hypergravity en een toename van gewichtloosheid, terwijl, HHB bleek slechts matige veranderingen. Daarom wordt dit effect kan niet worden toegeschreven aan een verschuiving van het bloedvolume alleen. Meer waarschijnlijk lijkt dit een soort van cerebrale autoregulatie weerspiegelen, vooral omdat de toename van de O2Hb lang plaatsvindt voordat de overgang van 1,8 G naar 0G (in het bijzonder in figuur 4). In tegenstelling O2Hb en HHB zowel daling in de tweede hypergravity fase.

    De resultaten van de cognitieve taak geven geen duidelijke bijzondere waardevermindering tijdens de normale zwaartekracht of gewichtloosheid aan boord in vergelijking met een preflight sessie. Op basis van de resultaten van twee patiënten werden geen duidelijke verklaring is mogelijk of parabolische vluchten of gewichtloosheid samen met haar toename van de hersenactiviteit en oxygenatie niveau een invloed op de cognitieve prestaties te hebben. Eerdere studies geven aanleiding om te geloven dat in deze context stress ook een rol zouden kunnen (Schneider et al. 2007). Te spelen zijn, maar wel geen veranderingen in cortisol-concentratie worden verkregen voor beide onderwerpen. Verdere gegevens zijn nodig om deze bevindingen te valideren en de correlatie van de veranderingen in hersenactiviteit corticale activiteit, hemodynamische veranderingen en cognitieve prestaties mogelijk te maken.

    Deze paper beoogt dat de controle van lokale veranderingen in de hersenen corticale activiteit en zuurstof niveau in de gehele verschillende fasen van de veranderde zwaartekracht show is mogelijk door middel van EEG in combinatie met NIRS en LORETA. Deze resultaten zijn een succes voor ruimteonderzoek en in staat zal stellen het weergeven van complexe en lokale veranderingen van hersenactiviteit corticale activiteit in hypergravity of gewichtloosheid en correleren van mentale of motorische test met objectieve veranderingen in de hersenen. De volgende stap is om deze methode toe te passen tijdens langdurige ruimtemissies.

    Disclosures

    De productie van dit artikel was gesponsord door Brain Products, GmbH. Roland Csuhaj is een medewerker van Brain Products, GmbH, die een instrument gebruikt in dit artikel produceert.

    Acknowledgements

    We willen graag Brain Products GmbH te bedanken voor het verstrekken van hun apparatuur, expertise en hulp. Deze studie werd gefinancierd door het federale ministerie van Economie en Technologie via een subsidie ​​van de Duitse Space Agency (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).

    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