Koherencja między funkcjami kory mózgowej a wydajnością neuropoznawczą w warunkach zmiennej grawitacji

Podsumowanie

Wpływ stanu nieważkości oraz hipergrawitacji na procesy hemodynamiczne i elektrofizjologiczne w mózgu zostanie zbadany podczas lotu parabolicznego z wykorzystaniem technik EEG i NIRS. Jest to studium wykonalności bardziej złożonego eksperymentu, którego przeprowadzenie planowane jest podczas średnio- i długoterminowych lotów kosmicznych.

Streszczenie

Poprzednie badania nad procesami poznawczymi, psychicznymi i/lub motorycznymi podczas krótkotrwałej, średnioterminowej i długotrwałej nieważkości miały charakter wyłącznie opisowy i koncentrowały się na aspektach psychologicznych. Do tej pory nie przeprowadzono obiektywnych obserwacji parametrów neurofizjologicznych – bez wątpienia z powodu braku dostępnych środków technicznych i metodologicznych – w związku z czym badania nad neurofizjologicznymi efektami nieważkości są w fazie początkowej (Schneider et al. 2008).

Podczas gdy techniki obrazowania, takie jak pozytonowa tomografia emisyjna (PET) i rezonans magnetyczny (MRI), byłyby trudne do zastosowania w przestrzeni kosmicznej, nieinwazyjna spektroskopia w bliskiej podczerwieni (NIRS) stanowi metodę mapowania procesów hemodynamicznych w mózgu w czasie rzeczywistym, która jest stosunkowo tania i może być wykorzystywana nawet w ekstremalnych warunkach. Połączenie jej z elektroencefalografią (EEG) otwiera możliwość śledzenia procesów elektrokortykalnych w zmieniających się warunkach grawitacyjnych z lepszą rozdzielczością czasową oraz głębszą lokalizacją, na przykład za pomocą elektrotomografii (LORETA).

Poprzednie badania wykazały wzrost aktywności w częstotliwości beta w warunkach normalnej grawitacji oraz spadek w warunkach stanu nieważkości podczas lotu parabolicznego (Schneider et al. 2008a+b). Badania nad pochyleniem (tilt studies) ujawniły inne zmiany w funkcjonowaniu mózgu, co sugeruje, że zmiany podczas lotu parabolicznego mogą odzwierciedlać procesy emocjonalne, a nie zmiany hemodynamiczne. Pozostaje jednak niejasne, czy są to efekty zmienionej grawitacji, czy zmiany hemodynamiczne w obrębie mózgu. Połączenie EEG/LORETA i NIRS powinno po raz pierwszy umożliwić mapowanie wpływu stanu nieważkości i zmniejszonej grawitacji na procesy hemodynamiczne i elektrofizjologiczne w mózgu. Początkowo zostanie to przeprowadzone w ramach badania wykonalności podczas lotu parabolicznego. Następnie planowane jest zastosowanie obu technik podczas średnio- i długoterminowych lotów kosmicznych.

Można założyć, że długoterminowa redystrybucja objętości krwi i związany z nią wzrost dostaw tlenu do mózgu doprowadzą do zmian w ośrodkowym układzie nerwowym, które odpowiadają również za procesy anemiczne i które z kolei mogą obniżyć wydolność (De Santo et al. 2005), co oznacza, że mogłyby one mieć kluczowe znaczenie dla sukcesu i bezpieczeństwa misji (Genik et al. 2005, Ellis 2000).

W zależności od tych wyników konieczne będzie opracowanie i zastosowanie szeroko zakrojonych środków przeciwdziałania. Wstępne wyniki badania MARS500 sugerują, że poza ich znaczeniem w kontekście układu sercowo-naczyniowego i ruchu, sport i aktywność fizyczna mogą odgrywać rolę w poprawie parametrów neuropoznawczych. Zanim jednak zostanie to w pełni potwierdzone, wydaje się niezbędne pogłębienie wiedzy na temat wpływu zmieniających się warunków grawitacyjnych na procesy neurofizjologiczne i związane z nimi zaburzenia neuropoznawcze.

Protokół

1. Procedura eksperymentalna

1. Przygotowanie naziemne przed lotem – przygotowanie badanego odbywa się w oddzielnym pomieszczeniu na lotnisku. (1-2 godziny przed lotem)
   1. Zakładanie czapki EEG/NIRS
      1. Elektrody oraz czujniki NIR są mocowane do skóry głowy za pomocą czepka EEG. Metoda ta zapewnia prawidłowe rozmieszczenie czujników.
      2. Rozmiar czepka jest dobierany na podstawie obwodu głowy badanego.
      3. Operator upewnia się, że czepka jest założona prawidłowo. Elektroda Cz znajduje się na wierzchołku głowy (punkt dokładnie pośrodku między nasionem a inionem), elektrody PO9-PO10 oraz Fp1-Fp2 są ułożone poziomo, a czepka jest symetryczna.
      4. Elektroda do pomiaru tętna zostaje umieszczona na klatce piersiowej.
   2. Minimalizacja impedancji
      1. Elektrody Brain Products actiCAP są podłączone do modułu sterującego.
      2. Każda elektroda zawiera diody LED, które zmieniają kolor na czerwony w momencie rozpoczęcia pomiaru impedancji.
      3. Włos zostaje odsunięty od końcówki elektrody za pomocą igły z tępym zakończeniem.
      4. Żel wstrzykuje się pomiędzy końcówkę elektrody a powierzchnię skóry.
      5. Kolor diod LED zmienia się wraz ze spadkiem impedancji. Początkowy kolor czerwony zmienia się na żółty, a żółty na zielony, jeśli osiągnięta zostanie docelowa wartość impedancji.
      6. Impedancja docelowa wynosi 25 kOhm, ponieważ elektrody aktywne zapewniają korzystny stosunek sygnału do szumu poniżej tej wartości. Dzięki temu przygotowanie czepka jest szybkie i wygodne.
      7. Operator rozpoczyna pracę nad elektrodami referencyjną i uziemiającą, a następnie powtarza tę procedurę dla wszystkich pozostałych elektrod.
2. Pokładowe przygotowania przedlotowe
   1. Pomiary wstępne
      1. Badanych umieszcza się w układzie eksperymentalnym, a pasy bezpieczeństwa zapina się z niewielkim luzem
      2. Kable są podłączone, a baterie są naładowane.
      3. Operator uruchamia moduł EEG i NIRS oraz kontroluje łączność i jakość sygnału EEG/NIRS.
      4. Rejestracja EEG/NIRS w stanie spoczynku. Badani nie wykonują żadnego zadania.
      5. Nagrywanie zostało zatrzymane.
      6. Badani wykonują zadanie poznawcze na ziemi. Zadanie poznawcze jest zadaniem uwagowym/obliczeniowym (http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id31796183?mt=8), w którym badani muszą wskazać stronę równania o większej wartości, z uwzględnieniem szybkości i dokładności odpowiedzi.
   2. Przechowywanie sprzętu
      1. Operator przechowuje kamerę oraz telefony iPhone przed startem.
3. Pomiar w locie
   1. Przygotowanie
      1. Operator montuje kamerę wideo na poręczy i rozpoczyna nagrywanie.
      2. Telefony iPhone zostają umieszczone na górnej części uda badanych.
      3. Operator uruchamia moduł EEG i NIRS, kontroluje jakość sygnału EEG/NIRS, a następnie rozpoczyna rejestrację.
   2. Pomiar
      1. Badani wykonują zadanie poznawcze podczas dwóch bloków po pięć parabol, pomiędzy parabolami 11–15 a 16–20. Zadanie będzie realizowane w losowej kolejności w stanie nieważkości lub w warunkach normalnej grawitacji. Podczas pierwszych 10 parabol rejestrowane jest wyłącznie EEG/NIRS w stanie spoczynku. Ostatnie parabole zostaną wykorzystane w przypadku brakujących wcześniejszych pomiarów (patrz. Rysunek 1).
      2. Operator kontroluje nagrywanie i instruuje badanych. Operator zapisuje wszystkie wyniki testów poznawczych oraz czasy.
4. Pomiar naziemny po locie
   1. 1. Przeprowadza się pomiar EEG/NIRS w stanie spoczynku.

Przewidujemy zwiększoną aktywację mózgową podczas stanu nieważkości, co wykazano wcześniej (Schneider et. al 208+ 209). Dalsze oczekiwania dotyczą zwiększenia poziomu utlenienia tkanek w przednim płacie mózgu w stanie nieważkości oraz obniżenia poziomu utlenienia tkanek w warunkach hipergrawitacji. Zakłada się, że zdolność koncentracji podczas wykonywania zadania uwagi będzie upośledzona w trakcie całego lotu w porównaniu z pomiarami przed i po locie, a być może jeszcze bardziej w stanie nieważkości ze względu na wyższą aktywację ośrodkową i pobudzenie w tych warunkach.

2. Reprezentatywne wyniki

Mapując przejście z fazy hipergrawitacji do stanu nieważkości, zaobserwowaliśmy zwiększoną aktywność kory mózgowej w korze czołowej oraz zmniejszoną aktywność w korze skroniowej i potylicznej w czasie 20 - 2350 ms po wystąpieniu stanu nieważkości (Rysunek 2a,b). Metoda sLORETA pozwoliła zlokalizować tę zwiększoną aktywację czołową w polu 9 Brodmanna grzbietowo-bocznej kory przedczołowej, która bierze udział w funkcjach wykonawczych poprzez integrację informacji sensorycznych i mnemonicznych w procesie planowania, organizacji i regulacji motorycznej (Rysunek 3a, b). Dodatkowo u badanego 2 stwierdzono wzrost aktywności w polu 6 Brodmanna, czyli korze przedruchowej, która odgrywa rolę w kierowaniu sensorycznym podczas stabilizacji ciała (patrz Rysunek 3b).

Średnia z pierwszych 10 parabol w analizie NIRS wykazała obniżenie stężenia hemoglobiny odtlenionej (HHb) u obu badanych w warunkach hipergrawitacji, a także wzrost stężenia hemoglobiny utlenionej (O2Hb) w stanie nieważkości. W przypadku HHb u badanego 1 odnotowano tendencję wzrostową w fazie hipergrawitacji poprzedzającej stan nieważkości, a następnie spadek podczas stanu nieważkości oraz w fazie hipergrawitacji następującej po stanie nieważkości. U tego badanego poziom O2Hb powrócił do wartości bazowej od 10 do 15 s po zakończeniu paraboli. Z kolei badany 2 wykazał niewielki wzrost wraz ze spadkiem O2Hb w fazie hipergrawitacji poprzedzającej stan nieważkości, wzrost podczas stanu nieważkości oraz spadek podczas hipergrawitacji po stanie nieważkości. U tego badanego poziom O2Hb pozostawał obniżony przez około 30 s po zakończeniu paraboli (Rycina 4a,b)

Zadanie poznawcze skutkowało obniżeniem wyników wydajności u obu uczestników w warunkach normalnej grawitacji podczas lotu w porównaniu z sesją przedlotową. Tylko badany 2 wykazał spadek wyniku w stanie nieważkości (Rycina 5).

Rycina 1. Sekwencja lotu parabolicznego. Kolejność zadań i pomiarów podczas lotu; liczba parabol jest zaznaczona na szaro, liczby z apostrofem wskazują długość dłuższych przerw między parabolami.

Rysunek 2 Widok mapowania dwóch badanych w przedziale czasowym od 50 ms przed stanem nieważkości (w hipergrawitacji) do 250 ms w stanie nieważkości. Widok z góry (znad głowy); małe okręgi wskazują położenie elektrod, kolor niebieski oznacza spadek, a kolor od żółtego do czerwonego wzrost aktywności elektrokortykalnej wyrażonej w mikrowoltach.

Rysunek 3. Trzy widoki LORETA (góra: z góry, dół po lewej: z lewej strony, dół po prawej: z tyłu) dwóch badanych w przedziale czasowym od 200 ms do 2350 ms po wystąpieniu stanu nieważkości. Kolor czerwony oznacza zwiększoną aktywność mózgu.

Rycina 4. Zapisy NIRS (czerwony: hemoglobiny utlenionej, niebieski: hemoglobiny odtlenionej, czarny: poziom grawitacji) w okresie jednej paraboli, od 40 s przed parabolą w normalnej grawitacji (1G: obszar żółty), przez pierwszą fazę hipergrawitacji (1,8G: obszar niebieski), stan nieważkości (0G: obszar czerwony) i drugą fazę hipergrawitacji (1,8G: obszar niebieski), aż do 40 s po paraboli. Poziom grawitacji jest przedstawiony w odwróceniu (spadek linii oznacza wzrost grawitacji, zaczynając od 0, co odpowiada normalnej grawitacji (1G)). Przedstawione dane stanowią średnią z 10 parabol.

Rysunek 5. Wynik wykonania zadania poznawczego uczestnika 1 (linia niebieska) i 2 (linia czerwona) dla pomiarów treningowych przed lotem oraz pomiarów w trakcie lotu w stanie nieważkości (0G) i normalnej grawitacji (1G).

Dyskusja

Ze względu na dotychczasowy brak metod obrazowania mózgu w ekstremalnych warunkach, nie oceniono podstawowych procesów neurofizjologicznych leżących u podstaw upośledzenia funkcji poznawczych i stanu psychicznego. W niniejszej pracy udało nam się wykazać zmiany w aktywności kory mózgowej oraz poziomie natlenowania w trakcie lotu parabolicznego i zlokalizować te zmiany w obrębie mózgu, wykorzystując EEG w połączeniu z LORETA oraz NIRS. Zgodnie z oczekiwaniami, stwierdziliśmy wzrost aktywności elektrokortykalnej podczas stanu nieważkości, który został zlokalizowany w czołowych obszarach mózgu (pola Brodmanna 9+6). Wyniki wskazują, że około 2000 ms po przejściu aktywność kory mózgowej ulega zmianie głównie w czołowych obszarach mózgu. Można założyć, że ta zwiększona aktywność w polach Brodmanna 6 i 9 odzwierciedla mechanizmy wykrywania i przetwarzania przez mózg zmienionych warunków grawitacyjnych w celu utrzymania stabilności ciała oraz zdolności motorycznych w zmienionych warunkach grawitacyjnych.

W odniesieniu do zmian hemodynamicznych, NIRS wykazał, że poziom O2Hb w przedniej części mózgu gwałtownie spada w pierwszej fazie hipergrawitacji i wzrasta w stanie nieważkości, podczas gdy HHb wykazywał jedynie umiarkowane zmiany. W związku z tym efekt ten nie może być przypisany wyłącznie do przesunięcia objętości krwi. Bardziej prawdopodobne jest, że odzwierciedla on rodzaj autoregulacji mózgowej, zwłaszcza że wzrost O2Hb następuje na długo przed przejściem z 1.8 G do 0G (szczególnie na rycinie 4). W przeciwieństwie do tego, zarówno O2Hb, jak i HHB spadają w drugiej fazie hipergrawitacji.

Wyniki zadania poznawczego nie wskazują na wyraźne upośledzenie funkcji poznawczych podczas normalnej grawitacji ani w stanie nieważkości podczas lotu w porównaniu z sesją przedlotową. Na podstawie wyników uzyskanych od dwóch badanych nie można jednoznacznie stwierdzić, czy loty paraboliczne lub stan nieważkości, wraz z towarzyszącym im wzrostem aktywności mózgu i poziomu oksygenacji, wpływają na sprawność poznawczą. Wcześniejsze badania dają podstawy do przypuszczenia, że w tym kontekście rolę może odgrywać również stres (Schneider et al. 2007), niemniej jednak u obu badanych nie odnotowano zmian w stężeniu kortyzolu. Konieczne jest pozyskanie dalszych danych w celu walidacji tych ustaleń oraz umożliwienia korelacji zmian w aktywności kory mózgowej, zmian hemodynamicznych oraz sprawności poznawczej.

Celem niniejszej pracy było wykazanie, że monitorowanie lokalnych zmian w aktywności kory mózgowej oraz poziomu utlenowania podczas różnych faz zmiennej grawitacji jest możliwe dzięki zastosowaniu EEG w połączeniu z NIRS i LORETA. Wyniki te stanowią sukces w badaniach kosmicznych i umożliwią obrazowanie złożonych oraz lokalnych zmian aktywności kory mózgowej w warunkach hipergrawitacji lub stanu nieważkości, a także korelowanie testów psychicznych lub motorycznych z obiektywnymi zmianami w mózgu. Kolejnym krokiem będzie zastosowanie tej metody podczas długoterminowych misji kosmicznych.