大脑皮质功能和神经在更改重力条件下的性能之间的一致性
2011年5月23日
大脑中的血流动力学和电生理过程，失重和超重的影响将是脑电图和近红外光谱技术的抛物线飞行期间。一个更复杂的实验，这是有计划地进行中期和长期的太空飞行期间的可行性研究。
该程序应用了脑电图和近红外光谱记录技术的组合，以确定失重时神经认知能力下降的程度是由于血流动力学和皮层电变化的主要影响或继发性压力相关影响。这是通过监测参与者在抛物线飞行期间皮层电活动的变化来实现的，包括微重力、微重力和正常重力阶段。可以使用近红外光谱或神经同时监测额叶脑内的血流动力学变化。
然后可以使用电磁断层扫描定位大脑皮层活动的变化。最后一步是将皮层电和血流动力学变化关联起来。最终，结果表明，由于重力条件变化引起的血流动力学变化与皮层电功能的变化有关。
与 MRI 或 PET 等现有方法相比，该技术的主要优点是，电照相与断层扫描和近红外光谱相结合，在 HyperV 失重、负载有限和空间有限的抛物线飞行或太空飞行等极端环境中是可行的，并且它允许测量和关联神经电活动的变化和大脑内的血流动力学杀伤变化。这种方法有助于回答神经生理学和空间研究领域的关键问题，例如导致血流动力学和皮层电变化的重力条件变化。它有助于回答这些变化在大脑中的确切位置以及这些变化的后果是什么。
一旦我们确定了潜在的神经生理学过程，一旦我们确定了我们在太空中时大脑皮层功能和血流动力学的变化，当我们处于失重状态时，我们就能够制定具体的对策来提高生活质量、任务成功和任务安全。因此，这种方法可以提供对大脑工作机制的见解，或者也可以应用于其他系统，例如神经系统患者的神经损伤，或者我们大脑如何工作的基本思想。当我们听说生活在太空中的宇航员的神经认知能力下降时，我们第一次有了这项研究的想法。
这种方法的可视化演示至关重要，因为很难学习分析步骤，因为有很多方法可以在飞行前 1 到 2 小时处理和分析数据。参与者被带到机场的一个房间为实验做准备。首先，测量他们的头围并清洁他们的头皮，以便将带有集成护士视镜和接收器的脑电图帽戴在参与者的头上。
下一步是标记 FP 1 和 FP 2 电极的位置。首先，接下来在 Sian 和 inion 之间距离的十分之一处测量 nasn 和 inion 之间的距离。从 Sian 开始，在中线的左侧和右侧做两个标记，距离是头围的 20 分之一。
盖子包含将连接到头皮的电极，并确保传感器的正确位置。选择适合参与者头部尺寸的 EEG 帽。接下来，将盖子拉上。
检查参与者的头部及其位置。CZ 电极应位于顶点上，FP 1 和 FP 2 应位于顶点上，O 1 和 O2 电极应水平，并在标记上系上下巴带，以确保盖子保持在对称和适当的位置。接下来，放置心率电极来执行此作，可以使用一个 EEG 电极，并将传感器放置在参与者的胸部。
现在电极的阻抗最小化并检查信号传导。每个电极都包含 LED，当阻抗测量开始时，将读取 LED。用钝头针将头发从电极尖端移开，并从参比电极和接地电极开始，在电极尖端和皮肤表面之间注入凝胶。
当凝胶注入时，LED 的颜色会随着阻抗的降低而变化，因此最初的红色会先变成黄色，然后变成绿色。由于在 25 kΩ 时达到目标阻抗值，因此电极的作用将在等于或低于此目标值时提供良好的信噪比。对所有帽电极重复此过程。
为两名参与者准备好电极帽后，参与者将获得有关抛物线飞行细节和将遵循的实验时间表的说明。向参与者展示了抛物线 0 到 30 的示意图概述以及要执行的任务。此外，还将审查详细说明何时以及如何开始和停止测试的口头公告。
最后，参与者被带到飞机上进行机上飞行准备。上飞机后，参与者在实验装置中彼此相邻坐下，安全带松散地系好。脑电电缆连接到电极控制箱，电极控制箱连接到放大器。
接下来，将神经 OID 和接收器固定在 EEG 帽中的 OID 支架中。此时，EEG NERS 模块启动。这控制了信号的连接性和质量。
然后启动神经和脑电图软件并记录一个工作区。数据已打开。然后输入文件名、录制频率和蒙太奇。
如果有任何信号不理想。重新调整 EEG 的阻抗值或神经的 DAQ 值或根据需要注射更多凝胶。此时，开始记录 EEG 和神经信号并收集静息态 prem 测量值。
此时参与者没有任何任务，但应保持放松并保持闭眼。录制将在 3 分钟后停止。休息期后，参与者将进行认知任务黑板挑战的基线测试。
最后，关闭所有设备，断开脑电图电极控制箱以及护士的视光灯和接收器。所有设备，包括相机和 iPhone，都存放在一个隔间中，以便为开始飞行中的实验做准备。一旦飞机达到巡航高度，第一步是将摄像机安装到扶手上，然后开始视频录制。
接下来，参与者被安置在座位上，安全带松散地系好。参与者应至少在抛物线 0 到 25 期间保持坐姿。iPhone 用魔术贴固定在参与者的大腿上。
现在，脑电图电极控制箱已连接，神经、光灯和接收器固定在盖子中的光电支架中。启动 EEG 和神经模块，并通过检查 EEG 阻抗和 NS DAQ 值来验证 EEG 神经信号的质量。执行 Rest 录制 3 分钟。
第一个抛物线，指定为零抛物线，将用于让参与者适应手术和重力条件的变化。然后在抛物线 1 到 10 期间，当参与者闭着眼睛安静地坐在座位上时，仅记录静息状态的脑电图护士。接下来，参与者为将在两个五个抛物线块中执行的认知任务做好准备。
录音由作员控制，作员向参与者下达指令，并保存认知测试的结果和时间。在这个认知处理任务中，参与者确定方程的哪一侧比参与者的另一侧速度和准确性大。程序记录响应，并给出最终的高分，具体取决于准确性、速度和参与者在抛物线 11 到 15 期间达到的最高水平。
参与者 1 将在 0 G 中执行此任务，参与者在 1 G 中执行此任务，然后在抛物线 16 到 20 期间，参与者 1 将偶尔在 1 个 G 中执行此任务，参与者 2 在 0 G 中执行此任务。在抛物线序列期间以及第一个和最后一个抛物线之前和之后记录静止测量值。如果需要重复任何先前的测量或实验，可以使用最后 10 个抛物线。
回到地面后，参与者和作员可以暂时离开飞机，然后再回到实验装置并为后测量做准备。此时，重复静息态 EEG 护士测量。一旦所有记录完成并从参与者身上取下盖子，使用低分辨率脑电磁断层扫描或 Loretta 完成实验。
可以确定额叶大脑皮层活动的个体变化。对于参与者 1，微重力开始后 2000 毫秒发生的变化局限于属于背侧外侧前额叶皮层的 Broadman 区 9。该区域在运动规划组织和调节过程中感觉和助记信息的整合中起着重要作用。
对于参与者 2，这些变化可能局限于 Broadman 区 9 和 Broadman 区 6，即前运动皮层，以其在身体稳定过程中的感觉调节作用而闻名。下一条轨迹显示了额叶大脑区域的近红外光谱。黑色曲线表示 G 水平。
黄色背景表示正常重力。蓝色背景表示超重力，粉色背景表示预期的微重力。如微重力相中的红色轨迹所示，含氧血液减少，随后在微重力相中含氧血液增加。
在另一位参与者的图中也看到了类似的结果。有趣的是，蓝色轨迹所示的脱氧血量在第一个 HyperV 期或失重期没有显示出一致的行为，但在两个受试者中都显示出第二个 HyperV 期的减少。该图显示了训练期间两个受试者在三个测量点上的认知任务，这是在飞行前以 0 Gs 测量的，这是在飞行期间测量的，在 1 G 时也是在飞行期间测量的。
受试者之间的分数不同，表明先前报告的抛物线飞行期间的神经认知衰退很可能是由于个体应激反应造成的。观看此视频后，您应该对如何应用 e、e、g 和膝关节联合技术以及如何同时监测皮层电活动和血流动力学变化有很好的了解。在尝试此过程时，检查信号质量并监控受试者的行为非常重要。
这些技术可能会为对大脑皮层功能感兴趣的研究人员铺平道路，并探索微重力对大脑皮层功能的影响，一旦我们确定了这些机制，这可能会对患者、宇航员和正常人有所帮助。
概述
本研究利用EEG和NIRS技术，在抛物线飞行中研究失重和超重对大脑的血流动力学和电生理过程的影响。该研究旨在了解微重力下神经认知性能的下降，并为太空任务开发对策。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 太空生理学
- 电生理学
背景
- 神经认知性能可能在失重状态下下降。
- 了解血流动力学和皮层电生理变化至关重要。
- 现有的MRI和PET等方法在太空中不可行。
- 结合EEG和NIRS可以在飞行中进行有效监测。
研究目的
- 评估改变重力对大脑功能的影响。
- 确定血流动力学和皮层电生理变化之间的关系。
- 为宇航员的认知健康开发对策。
使用的方法
- 参与者在抛物线飞行中进行EEG和NIRS记录。
- 电极被放置在头皮上以监测大脑活动。
- 电极的阻抗被最小化以获得最佳信号质量。
- 在不同重力阶段收集数据以供分析。
主要结果
- 血流动力学变化与皮层电生理功能改变相关。
- 该方法允许在极端环境中进行实时监测。
- 获得的见解可以为太空任务的对策提供信息。
- 潜在应用扩展到地球上的神经系统损伤。
结论
- 了解改变重力下的大脑功能对宇航员健康至关重要。
- 结合EEG和NIRS技术对太空研究有效。
- 未来的研究可以增进我们对神经生理过程的认知。
常见问题
Executive Industry Relevance
Understanding neurocognitive performance under altered gravity conditions is critical for mission success and astronaut safety in long-duration spaceflight. This method enables real-time correlation of hemodynamic and electrocortical brain changes, providing mechanistic insights that support target validation and predictive de-risking in neurophysiological research. The approach addresses a key discovery-stage challenge: distinguishing primary physiological effects from secondary stress responses in extreme environments.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by localizing gravity-induced cortical changes to specific Brodmann areas involved in sensory integration and motor planning.
- Operational Value: Provides reproducible, quantitative hemodynamic and electrocortical readouts during parabolic flight, supporting biological de-risking of neurocognitive targets.
- Predictive Value: Correlates brain functional changes with neurocognitive task performance, offering predictive confidence for countermeasure development.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Combines EEG and NIRS to create a standardized, portable neurophysiological monitoring system suitable for extreme environments.
- Quantitative Outputs: Delivers real-time measurements of oxygenated/deoxygenated hemoglobin and electrocortical activity, enabling reliable compound or intervention screening.
- Scalability: The technique’s feasibility in confined, dynamic settings like parabolic flights supports platform reuse across gravity conditions and preclinical models.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Links discovery-phase neurophysiological mechanisms to preclinical validation by identifying cortical regions associated with performance decrements.
- Mechanistic De-risking: Clarifies whether neurocognitive changes stem from hemodynamic shifts or electrocortical dysfunction, reducing ambiguity in target engagement.
- Disease-Relevant System: Offers a model for studying neurological impairments where brain perfusion and electrical activity are altered, such as in hypoxic or neurodegenerative conditions.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target hypothesis testing to lead identification, particularly for neuroprotective or cognitive-enhancing compounds requiring validation of central target engagement under physiological stress.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by mapping hemodynamic and electrocortical changes to specific cognitive outcomes during gravity transitions.
- Screening: Enables assay readiness through standardized, repeatable neurophysiological monitoring in controlled but ecologically valid conditions.
- Analytics: Provides synchronized electrocortical and hemodynamic data streams that allow teams to compare intervention effects across gravity phases.
- Translational Research: Connects early discovery findings to preclinical continuity by identifying conserved cortical responses relevant to human neurocognition.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable neurophysiological monitoring capability applicable to extreme environment studies, neurological disease models, and CNS target validation.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Delivers predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity between hemodynamic and neural contributors to cognitive performance.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility through fixed electrode placement, impedance monitoring, and synchronized EEG/NIRS acquisition.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by enabling early detection of neurocognitive liability, reducing late-stage biological risk in CNS programs.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of compounds based on their ability to mitigate gravity-induced neurocognitive decrements.
Implementation Considerations
- Requires expertise in electroencephalography, near-infrared spectroscopy, and electromagnetic tomography for data acquisition and localization.
- Dependent on portable EEG/NIRS hardware with impedance control and synchronization capabilities for use in motion-restricted environments.
- Necessitates cross-team standardization of electrode montage, task timing, and gravity phase labeling for reproducible multi-site studies.
- Adaptation across model systems may require scaling of electrode density and optode placement to match cortical anatomy.
- Practical limitations include signal susceptibility to motion artifacts and the need for pre-flight baseline establishment to isolate gravity-specific effects.
