Coerenza tra funzione cerebrale corticale e prestazioni neurocognitive durante condizioni di gravità Cambiato

Summary

L'effetto di leggerezza e hypergravity su entrambi i processi di emodinamica ed elettrofisiologia nel cervello sta per essere seguita durante il volo parabolico con tecniche EEG e NIRS. Uno studio di fattibilità di un esperimento più complesso, che si prevede di effettuare durante il volo spaziale a medio e lungo termine.

Abstract

Processi cognitivi di studi precedenti, mentale e / o del motore durante la breve, peso medio e lungo termine sono stati solo di natura descrittiva, e focalizzato sugli aspetti psicologici. Fino ad ora, l'osservazione oggettiva dei parametri neurofisiologici non è stato effettuato - senza dubbio, perché i mezzi tecnici e metodologici non sono stati disponibili -, le indagini sugli effetti neurofisiologici di peso sono nella loro infanzia (Schneider et al 2008)..

Mentre le tecniche di imaging come la tomografia ad emissione di positroni (PET) e la risonanza magnetica (MRI) sarebbe difficilmente applicabile nello spazio, la non invasiva spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) tecnica rappresenta un metodo di mappatura dei processi emodinamiche del cervello in tempo reale che sia relativamente poco costoso e che possono essere impiegati anche in condizioni estreme. La combinazione con elettroencefalografia (EEG) apre la possibilità di seguire i processi electrocortical in condizioni di instabilità gravitazionale con una risoluzione più fine temporale e con più profonda di localizzazione, per esempio con electrotomography (LORETA).

Precedenti studi hanno mostrato un aumento di frequenza di attività beta in condizioni normali di gravità e di una diminuzione in condizioni di assenza di gravità durante un volo parabolico (Schneider et al. 2008a + b). Gli studi hanno rivelato inclinazione diversi cambiamenti nelle funzioni cerebrali, che consentono di suggerire, che i cambiamenti in volo parabolico potrebbe riflettere processi emozionali piuttosto che i cambiamenti emodinamici. Tuttavia, non è ancora chiaro se questi sono gli effetti della gravità modificati o cambiamenti emodinamici all'interno del cervello. Combinando EEG / LORETA e NIRS dovrebbe per la prima volta consentono di mappare gli effetti dell'assenza di gravità e gravità ridotta in entrambi i processi emodinamici ed elettrofisiologici nel cervello. Inizialmente, questo deve essere fatto come parte di uno studio di fattibilità durante un volo parabolico. In seguito, si prevede anche di utilizzare entrambe le tecniche durante il volo spaziale a medio e lungo termine.

Si può supporre che a lungo termine ridistribuzione del volume del sangue e il conseguente aumento nella fornitura di ossigeno al cervello porterà a cambiamenti nel sistema nervoso centrale che sono anche responsabili dei processi anemico, e che può a sua volta ridurre le prestazioni (De Santo et al. 2005), il che significa che potrebbe essere cruciale per il successo e la sicurezza di una missione (Genik et al. 2005, Ellis 2000).

In base a questi risultati, sarà necessario sviluppare e impiegare le contromisure estesa. I risultati iniziali per lo studio MARS500 suggeriscono che, in aggiunta alla loro importanza nel contesto del sistema cardiovascolare e motorio, dello sport e l'attività fisica può svolgere un ruolo nel migliorare i parametri neurocognitiva. Prima che questo possa essere pienamente stabilita, però, sembra necessario per conoscere meglio l'influenza del cambiamento delle condizioni di gravità sui processi neurofisiologici e danni neurocognitivi associati.

Protocol

1. Procedura sperimentale

1. Su un terreno pre-volo preparazione - La preparazione soggetto è fatto in una stanza separata presso l'aeroporto. (1-2 ore prima del volo)
   1. Montaggio del tappo EEG / NIRS
      1. Elettrodi e sensori NIR sono attaccati al cuoio capelluto con un tappo di EEG. Questo metodo garantisce la corretta posizione dei sensori.
      2. Le dimensioni della calotta è determinata dalle dimensioni della testa del soggetto
      3. L'operatore si assicura del corretto posizionamento del tappo. L'elettrodo Cz è sul vertice (il punto a metà strada tra il nasion e cipolla), il PO9-PO10 e Fp1, Fp2 elettrodi sono orizzontali, il tappo è simmetrica.
      4. L'elettrodo frequenza cardiaca è posizionato sul petto
   2. Minimizzazione di impedenza
      1. Gli elettrodi Prodotti actiCAP cervello sono collegati alla scatola di controllo.
      2. Ogni elettrodo contiene i LED, che diventa rosso quando la misura di impedenza viene avviato.
      3. Il pelo è allontanato dalla punta dell'elettrodo con una punta smussata ago.
      4. Gel viene iniettato tra la punta dell'elettrodo e la superficie della pelle.
      5. Il colore del LED passa, al diminuire della impedenza. Il colore iniziale rosso diventa giallo, il giallo diventa verde, se il valore di impedenza obiettivo è raggiunto.
      6. L'impedenza è di 25 kOhm obiettivo, dal momento che gli elettrodi attivi fornire una buona segnale-rumore razione di sotto di questo valore. Pertanto la preparazione tappo è veloce e conveniente.
      7. L'operatore inizia a lavorare sugli elettrodi di riferimento e di terra, e si ripete per tutti gli altri elettrodi.
2. A bordo di preparazione pre-volo
   1. Pre-misure
      1. I soggetti sono inseriti nel setup sperimentale, le cinture di sicurezza sono fissati liberamente
      2. I cavi sono collegati, le batterie sono caricate.
      3. L'operatore inizia il modulo EEG e NIRS, controlla la connettività e la qualità del segnale EEG / NIRS.
      4. Registrazione di riposo stato EEG / NIRS. I soggetti non hanno alcun compito.
      5. La registrazione viene interrotta.
      6. I soggetti eseguire l'attività conoscitiva sul terreno. Il compito cognitivo è un'attenzione / task di calcolo ( http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833?mt=8 ), dove i soggetti devono individuare quel lato di una equazione che è più grande della altri in relazione alla velocità e precisione.
   2. Ripone lo strumento
      1. L'operatore archivia la telecamera e l'iPhone per decollare.
3. In misura volo
   1. Preparazione
      1. Operatore monta il video-fotocamera al corrimano e inizia la registrazione.
      2. L'iPhone sono immessi sul coscia dei soggetti.
      3. L'operatore inizia il modulo EEG e NIRS, controlla la qualità del segnale EEG / NIRS, e inizia la registrazione.
   2. Misura
      1. I soggetti eseguire l'attività cognitiva nel corso di due blocchi di cinque parabole parabola tra 11-15 e 16-20. Operazione verrà eseguita in un ordine casuale in assenza di gravità o gravità normale. Solo riposo stato EEG / NIRS è registrato durante le prime 10 parabole. Le parabole ultima sarà utilizzato in caso di mancanza misurazioni precedenti (vedi Figura 1).
      2. L'operatore controlla la registrazione, e istruisce i soggetti. L'operatore annoterà tutti i risultati dei test cognitivi e dei tempi.
4. Su terreno dopo il volo di misura
   1. Riposo stato EEG / NIRS misurazione viene effettuata.

Ci aspettiamo di trovare una maggiore attivazione cerebrale durante la gravità, come indicato in precedenza (Schneider et. Al 2008 + 2009). Ci aspettiamo un'ulteriore aumento del tessuto in modo da vedere ossigenato nel cervello frontale e in assenza di peso inferiore tessuto ossigenato in hypergravity. Il compito attenzione dovrebbe essere compromessa durante tutto il volo rispetto al pre e post volo e forse anche di più in assenza di peso dovuto ai maggiori di attivazione centrale e l'eccitazione in assenza di peso.

2. Rappresentante Risultati

Mappatura del passaggio dalla fase hypergravity di peso siamo stati in grado di osservare l'attività cerebrale corticale aumentato nella corteccia frontale e ridotta attività nella corteccia occipitale e temporale 2000 - 2350 ms dopo l'inizio di peso (Figura 2a, b). sLORETA permesso la localizzazione di questa maggiore attivazione frontale nella zona di Brodmann 9 della corteccia prefrontale dorsolaterale, che è noto per essere coinvolto in funzioni esecutive con l'integrazione delle informazioni sensoriali e mnemonico nel corso della pianificazione motoria, organizzazione e regolazione, (figura 3a, b). Inoltre, soggetto 2 ha mostrato un aumento di Brodmann zona 6, la corteccia premotoria, che svolge un ruolo di guida sensoriale nel corso di stabilizzazione del corpo (vedi figura 3 b).

Una media di oltre le prime 10 parabole, analisi NIRS rivelato diminuzione dell'emoglobina ossigenata (HHb) la concentrazione di entrambi i soggetti in hypergravity così come un aumento di emoglobina ossigenata (O2Hb) in assenza di peso. Per l'emoglobina HHb nel soggetto 1, abbiamo trovato una tendenza di un aumento nella fase hypergravity prima di gravità così come una diminuzione durante la leggerezza e la fase di hypergravity dopo l'assenza di gravità. In questo O2Hb soggetto è tornato ai valori basali 10-15 secondi dopo la parabola. In tema di contrasto 2 ha mostrato un leggero aumento con la diminuzione della O2Hb nella fase hypergravity prima della leggerezza, con un incremento durante la leggerezza e una diminuzione durante hypergravity dopo l'assenza di gravità. Per questo O2Hb soggetto rimasto ad essere diminuita per circa 30 secondi dopo parabola (figura 4a, b)

Il compito cognitivo ha portato nei punteggi riduzione delle prestazioni per entrambi i partecipanti a gravità normale durante il volo a fronte di una sessione di verifica preliminare. Solo soggetto 2 ha mostrato un punteggio diminuito in weightlessnes (Figura 5).

Figura 1. Sequenza di volo parabolico. Ordine dei compiti e le misurazioni durante il volo, il numero di parabole sono indicate in grigio, i numeri con apostrofo indicano la lunghezza di pause più lunghe tra parabole.

Figura 2 Vista Mapping di due soggetti oltre i tempi di 500 ms prima di assenza di gravità (in hypergravity) fino a 2500 ms in assenza di peso. View è da sopra la testa; piccoli cerchi indicano le posizioni degli elettrodi, diminuisce il colore blu e giallo per il colore rosso aumenta l'attività electrocortical in micro Volt.

Figura 3 Tre viste LORETA. (Superiore: dall'alto, in basso a sinistra: da sinistra, in basso a destra: da dietro) di due soggetti oltre i termini previsti dal 2000 ms fino a 2350 ms dopo l'inizio di peso. Colore rosso indica aumento dell'attività cerebrale.

Figura 4 tracce NIRS (rosso: emoglobina ossigenata, blu: emoglobina deossigenata, nero: livello di gravità). Durante il periodo di una parabola da 40 secondi prima che la parabola di gravità normale (1G: area gialla), oltre la fase hypergravity prima (1,8 G: area blu), peso (0G: area rossa) e la fase hypergravity seconda (1,8 g: area blu) fino a 40 secondi dopo la parabola. Livello di gravità è visualizzato in modo inverso (diminuzione della traccia significa aumentare di gravità a partire da pari a gravità normale (1G) 0. I dati indicati sono una media di oltre 10 parabole.

Figura 5. Punteggio performance di compito cognitivo del partecipante 1 (traccia blu) e 2 (traccia rossa) per la formazione misure prima del volo e in volo in assenza di peso (0G) e gravità normale (1G).

Discussion

Per mancanza di brain-imaging metodi in condizioni estreme finora i processi neurofisiologici alla base della perdita di valore della performance cognitiva e lo stato mentale non sono state valutate. In questo lavoro siamo stati in grado di visualizzare i cambiamenti nell'attività cerebrale corticale e il livello di ossigenazione nel corso di un volo parabolico e di localizzare questi cambiamenti all'interno del cervello con EEG combinato con LORETA e NIRS. Come previsto, abbiamo trovato un aumento dell'attività electrocortical durante la leggerezza, che è stato localizzato nelle regioni frontali del cervello (aree di Brodmann 9 +6). I risultati indicano che circa 2000 ms dopo l'attività cerebrale corticale transizione è alterata soprattutto nelle regioni frontali del cervello. Si potrebbe supporre che questo aumento di attività nella zona di Brodmann 6 e 9 rispecchia i meccanismi del cervello, il rilevamento e l'elaborazione condizioni di gravità modificata al fine di mantenere la stabilità del corpo così come la capacità del motore in condizioni di gravità alterata.

Per quanto riguarda i cambiamenti emodinamici, NIRS ha rivelato che il O2Hb frontale del cervello diminuisce drasticamente nella fase hypergravity primo e aumenta in assenza di gravità, mentre, HHb ha mostrato solo le modifiche moderata. Di conseguenza questo effetto non può essere attribuito ad uno spostamento di volume di sangue solo. Più probabilmente questo sembra riflettere una sorta di autoregolazione cerebrale, soprattutto come l'aumento di O2Hb avviene molto prima che il passaggio da 1,8 G a 0G (soprattutto in figura 4). Al contrario O2Hb e HHB sia ridurre in fase di hypergravity secondo.

I risultati del compito cognitivo non indicano compromissione chiaro durante la gravità normale o assenza di gravità a bordo rispetto a una sessione di verifica preliminare. Sulla base dei risultati di due soggetti non chiara affermazione è possibile se i voli parabolici o assenza di gravità con il suo aumento dell'attività cerebrale e il livello di ossigenazione hanno un'influenza sulla performance cognitiva. Studi precedenti danno ragione di credere che in questo contesto, lo stress potrebbe anche svolgere un ruolo (Schneider et al. 2007), tuttavia nessun cambiamento nella concentrazione di cortisolo potrebbe essere ottenuto per entrambi i soggetti. Ulteriori dati sono necessari per convalidare questi risultati e di consentire la correlazione dei cambiamenti nell'attività cerebrale corticale, i cambiamenti emodinamici e prestazioni cognitive.

Questo lavoro intende dimostrare che il monitoraggio dei cambiamenti locali nell'attività cerebrale corticale e il livello di ossigenazione durante le diverse fasi di gravità cambiato è possibile utilizzando EEG in combinazione con NIRS e LORETA. Questi risultati sono un successo per la ricerca spaziale e permetterà la visualizzazione di cambiamenti complessi e locali di attività cerebrale corticale in hypergravity o assenza di gravità e la correlazione di test mentali o motorie con cambiamenti oggettivi nel cervello. Il passo successivo è quello di applicare questo metodo durante a lungo termine le missioni spaziali.