Method Article

الترابط بين وظائف الدماغ القشرية وأداء عصبي خلال تغيير شروط الجاذبية

DOI:

10.3791/2670

⸱

May 23rd, 2011

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تأثير انعدام الوزن والجاذبية المفرطة في كلتا العمليتين الدورة الدموية والكهربية في الدماغ ستكون اتباعها أثناء الرحلة مكافئ بواسطة تقنيات EEG وتقرير الجرد الوطني. دراسة جدوى لتجربة أكثر تعقيدا ، وهو ما خططت للقيام بها خلال الرحلة الفضائية المتوسطة والطويلة الأجل.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وقد عمليات الدراسات السابقة المعرفية والعقلية و / أو السيارات أثناء القصيرة والوزن المتوسط ​​والطويل الأجل فقط وصفية في طبيعتها ، وركز على الجوانب النفسية. حتى الآن ، والمراقبة الهدف من المعلمات العصبية لم تنفذ -- بلا شك لأن الوسائل التقنية والمنهجية لم تكن متاحة -- ، التحقيقات في الآثار العصبية وانعدام الوزن في مهدها (شنايدر وآخرون 2008).

في حين أن تقنيات التصوير مثل التصوير المقطعي انبعاث البوزيترون (PET) والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) بالكاد يمكن تطبيقها في الفضاء ، وغير الغازية بالقرب من الأشعة تحت الحمراء الطيفي (تقرير الجرد الوطني) الأسلوب يمثل طريقة رسم خرائط العمليات الدورة الدموية في الدماغ في الوقت الحقيقي على حد سواء غير مكلفة نسبيا ويمكن استخدامها حتى في ظل تلك الظروف القاسية. تركيبة مع تخطيط كهربية الدماغ (EEG) يفتح إمكانية متابعة عمليات جهد كهربي تحت الظروف المتغيرة الجاذبية الدقيقة مع دقة الزمانية وكذلك مع أعمق التوطين ، على سبيل المثال مع electrotomography (وريتا).

وأظهرت دراسات سابقة زيادة النشاط تردد بيتا في ظل ظروف الجاذبية الطبيعية وانخفاض في ظل ظروف انعدام الوزن خلال رحلة مكافئ (شنايدر وآخرون. 2008a + ب). وكشفت دراسات مختلفة الميل تغييرات في وظيفة الدماغ ، والتي تتيح أقترح ، أن التغيرات في رحلة مكافئ قد تعكس عمليات العاطفي بدلا من التغييرات الدورة الدموية. ومع ذلك ، فإنه لا يزال من غير الواضح ما إذا كانت هذه هي آثار الجاذبية تغير أو تغيرات الدورة الدموية داخل الدماغ. وينبغي الجمع بين EEG / وريتا وتقرير الجرد الوطني للمرة الاولى جعل من الممكن لرسم خريطة للتأثير انعدام الوزن وانخفاض الجاذبية على كل من عمليات الدورة الدموية والكهربية في الدماغ. في البداية ، وهذا هو الذي ينبغي القيام به كجزء من دراسة الجدوى خلال رحلة مكافئ. بعد ذلك ، يخطط أيضا لاستخدام كل التقنيات أثناء الرحلة الفضائية المتوسطة والطويلة الأجل.

ويمكن الافتراض أن إعادة توزيع طويلة الأجل لحجم الدم وزيادة المرتبطة بها في امدادات من الاوكسجين الى الدماغ يؤدي الى تغييرات في النظام العصبي المركزي والتي هي أيضا مسؤولة عن عمليات بفقر الدم ، والتي يمكن أن تتحول في تقليل أداء (دي سانتو وآخرون 2005) ، الأمر الذي يعني أنها يمكن أن تكون حاسمة بالنسبة لنجاح وسلامة البعثة (Genik وآخرون 2005 ، إليس 2000).

اعتمادا على هذه النتائج ، سيكون من الضروري لتطوير وتوظيف مضادة واسعة النطاق. النتائج الأولية للدراسة تشير إلى أن MARS500 ، بالإضافة إلى أهميتها في سياق أنظمة القلب والأوعية الدموية والحركي والرياضة والنشاط البدني يمكن أن تلعب دورا في تحسين المعلمات عصبي. قبل أن تكون هذه المنشأة بالكامل ، ومع ذلك ، فإنه يبدو من الضروري معرفة المزيد عن تأثير تغير الظروف خطورة على العمليات العصبية وما يرتبط بها من ضعف عصبي.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. الإجراءات التجريبية

  1. على إعداد الأرض قبل التحليق -- يتم إعداد موضوع في غرفة منفصلة في المطار. (1-2 قبل ساعات من الطيران)
    1. تركيب سقف / تقرير الجرد الوطني EEG
      1. وترد الأقطاب الكهربائية وأجهزة الاستشعار NIR على فروة الرأس باستخدام غطاء EEG. هذا الأسلوب يضمن الموقف الصحيح من أجهزة الاستشعار.
      2. ويتحدد حجم الغطاء حسب حجم رأس الشخص المعني
      3. المشغل يتأكد من الموضع الصحيح للغطاء. القطب تشيكوسلوفاكيا على قمة الرأس (نقطة في منتصف الطريق بين nasion والبصل) ، وPO10 - PO9 والأقطاب FP1 - FP2 أفقية ، والحد الأقصى هو متماثل.
      4. يوضع القطب الكهربائي في معدل ضربات القلب والصدر
    2. التقليل من معاوقة
      1. يتم توصيل الأقطاب actiCAP الدماغ المنتجات إلى مربع التحكم.
      2. يحتوي كل قطب المصابيح ، والتي بدورها الحمراء ، عند بدء قياس المعاوقة.
      3. يتم نقل الشعر بعيدا عن غيض من القطب بإبرة حادة ذات الرؤوس.
      4. يتم حقن هلام بين غيض من القطب وسطح الجلد.
      5. لون تغيير المصابيح ، كما يقلل مقاومة. لون أحمر الأولية يصبح أصفر ، أصفر يصبح أخضر ، إذا تم تحقيق قيمة المعاوقة الهدف.
      6. والهدف هو مقاومة 25 kOhm ، لأن الأقطاب النشطة توفير جيدة إشارة إلى الضوضاء التموينية أقل من هذه القيمة. لذا فإن إعداد الحد الأقصى هو سريعة ومريحة.
      7. يبدأ المشغل بالعمل على أقطاب المرجعية والأرض ، ويكرر للجميع أقطاب أخرى.
  2. على التحضير المسبق متن الطائرة المتجهة
    1. قبل القياسات
      1. يتم وضع الموضوعات في الإعداد تجريبية ، يتم تثبيتها على حزام الامان فضفاضة
      2. يتم توصيل الكابلات ، ويتم تحميل البطاريات.
      3. يبدأ المشغل وحدة التخطيط الدماغي وتقرير الجرد الوطني ، ويسيطر على الاتصال وجودة الإشارة / تقرير الجرد الوطني EEG.
      4. تسجيل حالة EEG يستريح / تقرير الجرد الوطني. الموضوعات لم يكن لديك أي مهمة.
      5. تم إيقاف التسجيل.
      6. الموضوعات تنفيذ المهمة المعرفية على أرض الواقع. المهمة المعرفية مهمة الانتباه / الحساب ( http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833؟mt=8 ) ، حيث أن تحديد موضوعات هذا الجانب من المعادلة التي هي أكبر من أخرى فيما يتعلق السرعة والدقة.
    2. تخزين المعدات
      1. المشغل بتخزين الكاميرا وفون لتقلع.
  3. رحلة في القياس
    1. إعداد
      1. مشغل فيديو يحمل الكاميرا على الدرابزين ويبدأ التسجيل.
      2. توضع فون على الساق العلوية من الموضوعات.
      3. يبدأ المشغل وحدة التخطيط الدماغي وتقرير الجرد الوطني ، ويسيطر على جودة الإشارة / EEG تقرير الجرد الوطني ، ويبدأ التسجيل.
    2. قياس
      1. الموضوعات تنفيذ المهمة المعرفية خلال فترتين من خمسة القطوع المكافئة بين القطع المكافئ و11-15 16-20. سيتم تنفيذ المهمة في ترتيب عشوائي في حالة انعدام الوزن أو الجاذبية العادية. وتسجل سوى حالة EEG يستريح / تقرير الجرد الوطني القطوع المكافئة خلال ال 10 الاولى. سيتم استخدام القطوع المكافئة الماضي تحسبا من القياسات السابقة مفقودة (انظر الشكل 1).
      2. عامل يتحكم في التسجيل ، ويرشد المواضيع. سوف أكتب كل مشغل نتائج الاختبارات الإدراكية والأوقات.
  4. على قياس ما بعد الرحلة البرية
      1. ويتم يستريح الدولة EEG / تقرير الجرد الوطني من أصل القياس.

ونحن نتوقع العثور على التنشيط الدماغي زيادة الوزن خلال كما هو موضح من قبل (وآخرون. شنايدر 2008 + 2009). نتوقع المزيد من الأنسجة بالأكسجين حتى نرى زيادة في الدماغ الأمامية في الوزن وانخفاض الاوكسيجين في الأنسجة المفرطة. يفترض أن تكون مهمة الانتباه إلى ضعف خلال الرحلة بأكملها بالمقارنة مع ما قبل وبعد الرحلة ، وربما أكثر حتى في حالة انعدام الوزن بسبب ارتفاع التنشيط المركزية والإثارة في حالة انعدام الوزن.

2. ممثل النتائج

رسم خرائط للانتقال من مرحلة انعدام الوزن المفرطة لكنا قادرين على مراقبة زيادة نشاط الدماغ القشرية في القشرة الأمامية وانخفاض النشاط في القشرة الزمانية والقذالي 2000 -- 2350 مللي ثانية بعد ظهور الجاذبية (الشكل 2A ، ب). يسمح هذا التنشيط sLORETA توطين زيادة الأمامية في منطقة Brodmann 9 من القشرة قبل الجبهية ظهراني جانبي ، وهو يعرف أن تشارك في وظائف تنفيذية مع تكامل المعلومات الحسية وذاكري في سياق التنظيم الحركي ، والتخطيط والتنظيم ، (الشكل 3A ، ب). بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت زيادة تخضع 2 في منطقة Brodmann 6 ، القشرة أمام الحركية ، والتي تلعب دورا في توجيه الحسية في سياق استقرار الجسم (انظر الشكل 3B).

كشفت المتوسط ​​على مدى 10 القطوع المكافئة الأولى ، انخفض تقرير الجرد الوطني تحليل الهيموجلوبين المؤكسج (HHB) تركيز هذين الموضوعين في المفرطة وكذلك زيادة الهيموجلوبين المؤكسج (O2Hb) في حالة انعدام الوزن. لHHB الهيموغلوبين في الموضوع (1) وجدنا اتجاها لزيادة المفرطة في مرحلة انعدام الوزن قبل فضلا عن انخفاض الوزن وخلال مرحلة انعدام الوزن المفرطة بعد. في هذا الموضوع كان O2Hb العودة إلى الأساس 10-15 ثانية بعد القطع المكافئ. في المقابل تخضع 2 سجلت ارتفاعا طفيفا مع انخفاض O2Hb في مرحلة انعدام الوزن المفرطة قبل ، خلال زيادة الوزن ونقصان الوزن خلال المفرطة بعد. لهذا O2Hb الموضوع لا يزال يتعين انخفض لنحو 30 ثانية بعد قطع مكافئ (الشكل 4A ، ب)

أدى المهمة المعرفية في درجات الأداء المنخفض لكلا المشاركين في الجاذبية الطبيعية خلال الرحلة مقارنة مع الدورة الاختبار المبدئي. وأظهرت 2 فقط موضوع على درجة انخفض في weightlessnes (الشكل 5).

figure-protocol-1
الشكل 1. مكافئ تسلسل الرحلة. ترتيب المهام والقياسات أثناء الرحلة ، وأشار عدد من القطوع المكافئة في الرمادي ، وتشير أرقام الفاصلة مع طول أطول فواصل بين القطوع المكافئة.

figure-protocol-2
figure-protocol-3
عرض الخرائط الرقم 2 من الموضوعين على جدول زمني من 500 مللي ثانية قبل أن الجاذبية (في المفرطة) حتى 2500 مللي ثانية في حالة انعدام الوزن. الرأي هو من فوق رأسه ؛ دوائر صغيرة تشير إلى مواقف الكهربائي ويقلل من اللون الأزرق والأصفر إلى اللون الأحمر يزيد من نشاط كهربي في الدقيقة فولت.

figure-protocol-4
figure-protocol-5
الشكل 3 ثلاثة آراء وريتا (الأعلى : من اليسار ، وفوق القاع : من الجانب الأيسر ، أسفل اليمين : من الخلف) من موضوعين خلال الإطار الزمني من عام 2000 حتى 2350 مللي مللي ثانية بعد ظهور انعدام الجاذبية. اللون الأحمر يشير إلى زيادة نشاط الدماغ.

figure-protocol-6
figure-protocol-7
الشكل 4 اثار تقرير الجرد الوطني (الأحمر : خضاب الدم المؤكسج ، الزرقاء : امؤكسج الهيموغلوبين ، أسود : مستوى الجاذبية). خلال فترة واحدة من القطع المكافئ من 40 ثانية قبل القطع المكافئ في الجاذبية الطبيعية (1G : المنطقة الصفراء) ، خلال المرحلة المفرطة الأول (1.8 G : المنطقة الزرقاء) ، الوزن (0G : المنطقة الحمراء) ، والمرحلة المفرطة الثانية (1.8G : المنطقة الزرقاء) حتى 40 ثانية بعد قطع مكافئ. يتم عرض مستوى الجاذبية العكسية (نقصان تتبع وسائل زيادة الجاذبية بدءا من 0 تعادل الجاذبية الطبيعية (1G). بيانات أظهرت في المتوسط ​​ما يزيد على 10 القطوع المكافئة.

figure-protocol-8
الشكل 5. درجة أداء المهمة المعرفية للمشارك 1 (تتبع الزرقاء) و 2 (الحمراء تتبع) لتدريب الطيران والقياسات قبل رحلات الطيران في حالة انعدام الوزن (0G) والجاذبية الطبيعية (1G).

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

في عداد المفقودين بسبب تصوير الدماغ الطرق في ظروف قاسية حتى الآن لم يتم العصبية العمليات الأساسية لضعف في الاداء الادراكي والحالة النفسية تقييمها. في هذه الورقة كنا قادرين على عرض التغيرات في نشاط الدماغ القشرية ومستوى الأوكسجين في أثناء رحلة مكافئ وتوطين هذه التغييرات داخل الدماغ EEG به جنبا إلى جنب مع وريتا وتقرير الجرد الوطني. كما هو متوقع ، وجدنا زيادة في نشاط كهربي خلال الجاذبية ، والتي كانت مترجمة في مناطق الدماغ الأمامية (المناطق Brodmann 9 +6). تشير النتائج إلى أن يتم تبديل ما يقرب من 2000 مللي ثانية بعد الانتقال نشاط الدماغ القشرية بشكل رئيسي في مناطق المخ الأمامية. يمكن افتراض أن هذا النشاط المتزايد في منطقة Brodmann 6 و 9 يعكس آليات لكشف الدماغ ومعالجة الأوضاع خطورة تغيير من اجل الحفاظ على استقرار الجسم وكذلك قدرة المحرك في ظروف الجاذبية تغييرها.

فيما يتعلق بالتغييرات الدورة الدموية ، وكشف تقرير الجرد الوطني أن O2Hb الجبهي من الدماغ يقلل بشكل كبير في المرحلة الأولى والزيادات المفرطة في الوزن ، في حين أظهر التغييرات HHB فقط معتدلة. بالتالي لا يمكن أن يعزى هذا التأثير إلى التحول من حجم الدم فقط. الأرجح يبدو أن هذا يعكس نوعا من تنظيم ذاتي دماغي ، وخصوصا زيادة O2Hb يحدث قبل فترة طويلة من التحول من 1.8 G ل0G (وخصوصا في الشكل 4). في المقابل وO2Hb HHB كلا انخفاض الجاذبية المفرطة في مرحلة ثانية.

نتائج مهمة تشير إلى أي ضعف الادراك واضحا خلال الجاذبية الجاذبية رحلات الطيران العادية أو مقارنة لدورة الاختبار المبدئي. استنادا إلى نتائج موضوعين أي بيان واضح ما اذا كان من الممكن رحلات مكافئ أو الوزن مع زيادة في نشاط الدماغ ومستوى الأوكسجين لها تأثير على الاداء الادراكي. دراسات سابقة إعطاء سبب للاعتقاد بأن في هذا السياق نؤكد قد تلعب أيضا دورا (شنايدر وآخرون 2007) ، يمكن الحصول عليها مع ذلك أي تغيير في تركيز هرمون الكورتيزول عن هذين الموضوعين. هناك حاجة إلى مزيد من البيانات للتحقق من صحة هذه النتائج والسماح للارتباط التغيرات في نشاط الدماغ القشرية ، والتغيرات الدورة الدموية فضلا عن الأداء الإدراكي.

هذه الورقة تهدف إلى إظهار أن رصد التغيرات المحلية في نشاط الدماغ القشرية ومستوى الأوكسجين في جميع أنحاء مراحل مختلفة من الجاذبية تغير هو ممكن باستخدام EEG بالاشتراك مع تقارير قوائم الجرد الوطنية ووريتا. هذه النتائج هي نجاح لأبحاث الفضاء ، وسيمكن عرض التغيرات المعقدة والمحلية لنشاط الدماغ القشرية أو المفرطة في الوزن وربط اختبار العقلية أو الحركية مع التغيرات الموضوعية في الدماغ. الخطوة التالية هي تطبيق هذه الطريقة خلال البعثات الفضائية الطويلة الأمد.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وقد رعت انتاج هذه المادة منتجات الدماغ ، شركة محدودة. رولان Csuhaj هو موظف من المنتجات الدماغ ، شركة محدودة ، والذي يقوم بتصنيع صك المستخدمة في هذه المقالة.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نود أن نشكر الدماغ منتجات شركة محدودة لتوفير هذه المعدات والخبرة والمساعدة. وقد تم تمويل هذه الدراسة من قبل الوزارة الاتحادية للاقتصاد والتكنولوجيا عن طريق منحة من وكالة الفضاء الألمانية (DLR) 50WB0819.

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Anemia and erythropoietin in space flights. Semin Nephrol. 25, 379-387 (2005).">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. Collisions in space. , 4-9 (2000).">Ellis, S. Collisions in space. , 4-9 (2000).
  3. Cognitive avionics and watching spaceflight crews think: generation-after-next research tools in functional neuroimaging. Aviat Space Environ Med 76. , 208-212 (2005).">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. What happens to the brain in weightlessness? A first approach by EEG tomography. Neuroimage. 42, 1316-1323 (2008).">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. Increased brain cortical activity during parabolic flights has no influence on a motor tracking task. Exp Brain Res. 185, 571-579 (2008).">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. Parabolic flight experience is related to increased release of stress hormones. Eur J Appl Physiol. 100, 301-308 (2007).">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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Brain Cortical FunctionNeurocognitive PerformanceChanged Gravity ConditionsNear Infrared SpectroscopyElectroencephalographyElectromagnetic TomographyParabolic FlightHemodynamic ChangesFrontal Brain ActivityCognitive Task

Related Articles