Spójność między funkcją kory mózgowej a wydajnością neurokognitywną w zmienionych warunkach grawitacyjnych

Summary

Wpływ nieważkości i hipergrawitacji na procesy hemodynamiczne i elektrofizjologiczne w mózgu będzie obserwowany podczas lotu parabolicznego za pomocą technik EEG i NIRS. Studium wykonalności bardziej złożonego eksperymentu, który planowany jest do przeprowadzenia podczas średnio- i długoterminowych lotów kosmicznych.

Abstract

Poprzednie badania procesów poznawczych, umysłowych i/lub motorycznych podczas krótko-, średnio- i długoterminowej nieważkości miały charakter opisowy i skupiały się na aspektach psychologicznych. Do tej pory nie prowadzono obiektywnych obserwacji parametrów neurofizjologicznych – niewątpliwie z powodu braku środków technicznych i metodologicznych – badania nad neurofizjologicznymi skutkami nieważkości są w powijakach (Schneider i wsp. 2008).

Podczas gdy techniki obrazowania, takie jak pozytonowa tomografia emisyjna (PET) i obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI), prawie nie miałyby zastosowania w kosmosie, technika nieinwazyjnej spektroskopii bliskiej podczerwieni (NIRS) reprezentuje metodę mapowania procesów hemodynamicznych w mózgu w czasie rzeczywistym, która jest zarówno stosunkowo tania, jak i może być stosowana nawet w ekstremalnych warunkach. Połączenie z elektroencefalografią (EEG) otwiera możliwość śledzenia procesów elektrokorowych w zmieniających się warunkach grawitacyjnych z dokładniejszą rozdzielczością czasową, a także z głębszą lokalizacją, na przykład za pomocą elektrotomografii (LORETA).

Poprzednie badania wykazały wzrost aktywności częstotliwości beta w normalnych warunkach grawitacji i spadek w warunkach nieważkości podczas lotu parabolicznego (Schneider et al. 2008a+b). Badania nachylenia ujawniły różne zmiany w funkcjonowaniu mózgu, co pozwala zasugerować, że zmiany w locie parabolicznym mogą odzwierciedlać procesy emocjonalne, a nie zmiany hemodynamiczne. Jednak nadal nie jest jasne, czy są to skutki zmienionej grawitacji, czy zmian hemodynamicznych w mózgu. Połączenie EEG/LORETA i NIRS powinno po raz pierwszy umożliwić zmapowanie wpływu nieważkości i zmniejszonej grawitacji na procesy hemodynamiczne i elektrofizjologiczne w mózgu. Początkowo ma to być realizowane w ramach studium wykonalności podczas lotu parabolicznego. W dalszej kolejności planowane jest również wykorzystanie obu technik podczas średnio- i długoterminowych lotów kosmicznych.

Można założyć, że długotrwała redystrybucja objętości krwi i związany z tym wzrost dopływu tlenu do mózgu doprowadzi do zmian w ośrodkowym układzie nerwowym, które są również odpowiedzialne za procesy anemiczne, co z kolei może zmniejszyć wydajność (De Santo i in. 2005), co oznacza, że mogą być kluczowe dla powodzenia i bezpieczeństwa misji (Genik i in. 2005, Ellis 2000).

W zależności od tych wyników, konieczne będzie opracowanie i zastosowanie szeroko zakrojonych środków zaradczych. Wstępne wyniki badania MARS500 sugerują, że sport i aktywność fizyczna mogą odgrywać rolę w poprawie parametrów neurokognitywnych, oprócz ich znaczenia w kontekście układu sercowo-naczyniowego i ruchu. Zanim jednak będzie to w pełni ustalone, konieczne wydaje się dowiedzenie się więcej o wpływie zmieniających się warunków grawitacji na procesy neurofizjologiczne i związane z nimi upośledzenie neuropoznawcze.

Protocol

1. Procedura eksperymentalna

1. Przygotowanie do lotu na ziemi - Przygotowanie przedmiotu odbywa się w oddzielnym pomieszczeniu na lotnisku. (1-2 godziny przed lotem)
   1. Montaż nasadki EEG/NIRS
      1. Elektrody i czujniki NIR są mocowane do skóry głowy za pomocą czepka EEG. Ta metoda zapewnia prawidłowe położenie czujników.
      2. Rozmiar czapki zależy od rozmiaru głowy osoby
      badanej
      3. Operator upewnia się, że nasadka jest prawidłowo położona. Elektroda Cz znajduje się na wierzchołku (punkt w połowie drogi między nasionem a cebulą), elektrody PO9-PO10 i Fp1-Fp2 są poziome, nasadka jest symetryczna.
      4. Elektroda do pomiaru tętna jest umieszczona na klatce piersiowej
   2. Minimalizacja impedancji
      1. Elektrody actiCAP firmy Brain Products są podłączone do skrzynki sterowniczej.
      2. Każda elektroda zawiera diody LED, które zmieniają kolor na czerwony po rozpoczęciu pomiaru impedancji.
      3. Włosy odsuwa się od końcówki elektrody za pomocą końcówki igły.
      4. Żel wstrzykuje się między końcówkę elektrody a powierzchnię skóry.
      5. Kolor diod LED zmienia się wraz ze spadkiem impedancji. Początkowy kolor czerwony zmienia się w żółty, żółty staje się zielony, jeśli zostanie osiągnięta docelowa wartość impedancji.
      6. Impedancja docelowa wynosi 25 kOhm, ponieważ elektrody aktywne zapewniają dobry stosunek sygnału do szumu poniżej tej wartości. Dzięki temu przygotowanie czapki jest szybkie i wygodne.
      7. Operator rozpoczyna pracę na elektrodach odniesienia i masie, a następnie powtarza tę czynność dla wszystkich pozostałych elektrod.
2. Przygotowanie do lotu na pokładzie
   1. Pomiary wstępne
      1. Badani są umieszczani w konfiguracji eksperymentalnej, pasy bezpieczeństwa są luźno zapinane
      2. są podłączone, baterie są załadowane.
      3. Operator uruchamia moduł EEG i NIRS, kontroluje łączność i jakość sygnału EEG/NIRS.
      4. Zapis EEG/NIRS w stanie spoczynku. Badani nie mają żadnego zadania.
      5. Nagrywanie zostanie zatrzymane.
      6. Badani wykonują zadanie poznawcze na ziemi. Zadanie poznawcze to zadanie polegające na koncentracji uwagi/obliczeniach (http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833?mt=8), w którym badani muszą zidentyfikować tę stronę równania, która jest większa od drugiej w stosunku do szybkości i dokładności.
   2. Przechowywanie sprzętu
      1. Operator przechowuje kamerę i iPhone'y do startu.
3. Pomiar w locie
   1. preparat
      1. Operator montuje kamerę wideo na poręczy i rozpoczyna nagrywanie.
      2. iPhone'y są umieszczone na górnej części nóg obiektów.
      3. Operator uruchamia moduł EEG i NIRS, kontroluje jakość sygnału EEG/NIRS i rozpoczyna zapis.
   2. pomiar
      1. Badani wykonują zadanie poznawcze podczas dwóch bloków po pięć paraboli między parabolami 11-15 i 16-20. Zadanie zostanie wykonane w losowej kolejności w stanie nieważkości lub normalnej grawitacji. Podczas pierwszych 10 parabol rejestrowane jest tylko EEG/NIRS w stanie spoczynku. Ostatnie parabole zostaną wykorzystane w przypadku braku poprzednich pomiarów (patrz rysunek 1).
      2. Operator kontroluje nagranie i instruuje uczestników. Operator zapisze wszystkie wyniki testów poznawczych i czasy.
4. Pomiar naziemny po locie
   1. 1. Przeprowadzany jest pomiar EEG/NIRS w stanie spoczynku.

Spodziewamy się zauważyć zwiększoną aktywację mózgu podczas stanu nieważkości, jak pokazano wcześniej (Schneider i in. 2008+ 2009). Ponadto spodziewamy się wzrostu dotlenienia tkanki w czołowej części mózgu w stanie nieważkości i niższego poziomu dotlenienia tkanki w hipergrawitacji. Zakłada się, że zadanie uwagi jest upośledzone podczas całego lotu w porównaniu do przed i po locie, a może nawet bardziej w stanie nieważkości ze względu na wyższą aktywację centralną i pobudzenie w stanie nieważkości.

2. Reprezentatywne wyniki

Mapując przejście od fazy hipergrawitacji do nieważkości, byliśmy w stanie zaobserwować zwiększoną aktywność kory mózgowej w korze czołowej i zmniejszoną aktywność w korze skroniowej i potylicznej 2000 - 2350 ms po wystąpieniu stanu nieważkości (Rysunek 2a,b). sLORETA pozwoliła zlokalizować tę zwiększoną aktywację czołową w obszarze 9 Brodmanna grzbietowo-bocznej kory przedczołowej, o którym wiadomo, że bierze udział w funkcjach wykonawczych z integracją informacji sensorycznych i mnemonicznych w trakcie planowania, organizacji i regulacji motorycznej (ryc. 3a, b). Ponadto, podmiot 2 wykazał wzrost obszaru Brodmanna 6, kory przedruchowej, która odgrywa rolę w przewodnictwie sensorycznym w trakcie stabilizacji ciała (patrz Ryc. 3b).

Uśrednione dla pierwszych 10 paraboli, analiza NIRS wykazała zmniejszone stężenie hemoglobiny natlenionej (HHb) u obu osób w hipergrawitacji, jak również zwiększone stężenie hemoglobiny natlenionej (O2Hb) w stanie nieważkości. W przypadku hemoglobiny HHb w temacie 1 znaleźliśmy tendencję do zwiększania fazy hipergrawitacji przed nieważkością, a także spadku podczas nieważkości i fazy hipergrawitacji po stanie nieważkości. W tym temacie O2Hb powrócił do linii wyjściowej 10 do 15 sekund po paraboli. W przeciwieństwie do tego, obiekt 2 wykazywał niewielki wzrost wraz ze spadkiem O2Hb w fazie hipergrawitacji przed nieważkością, wzrost podczas nieważkości i spadek podczas hipergrawitacji po nieważkości. Dla tego tematu O2Hb pozostawało zmniejszone przez około 30 sekund zgodnie z parabolą (Rysunek 4a,b)

Zadanie kognitywne skutkowało obniżeniem wyników wydajności dla obu uczestników przy normalnej grawitacji podczas lotu w porównaniu z sesją przed lotem. Tylko pacjent 2 wykazał obniżony wynik w stanie nieważkości (ryc. 5).

Rysunek 1. Sekwencja lotu parabolicznego. Kolejność zadań i pomiarów podczas lotu; Liczba paraboli jest zaznaczona kolorem szarym, liczby z apostrofem wskazują długość dłuższych przerw między parabolami.

Wykres 2 Widok mapowania dwóch obiektów w przedziale czasowym od 500 ms przed nieważkością (w hipergrawitacji) do 2500 ms w stanie nieważkości. Widok jest z góry głowy; małe kółka wskazują pozycje elektrod, kolor niebieski zmniejsza się, a kolor żółty do czerwonego zwiększa aktywność elektrokorową w mikrowoltach.

Rysunek 3. Trzy widoki LORETA (u góry: z góry, na dole po lewej: z lewej strony, na dole po prawej: od tyłu) dwóch osób w okresie od 2000 ms do 2350 ms po wystąpieniu stanu nieważkości. Kolor czerwony wskazuje na zwiększoną aktywność mózgu.

Rysunek 4. Ślady NIRS (czerwony: hemoglobina natleniona, niebieski: hemoglobina odtleniona,: poziom grawitacji) w okresie jednej paraboli od 40 sekund przed parabolą w normalnej grawitacji (1G: obszar żółty), przez pierwszą fazę hipergrawitacji (1,8G: obszar niebieski), nieważkość (0G: obszar czerwony) i drugą fazę hipergrawitacji (1,8G: obszar niebieski) do 40 sekund po paraboli. Poziom grawitacji jest wyświetlany odwrotnie (spadek śladu oznacza wzrost grawitacji zaczynając od 0 równy normalnej grawitacji (1G). Pokazane dane to średnia z ponad 10 paraboli.

Rysunek 5. Wynik zadania poznawczego uczestnika 1 (niebieski ślad) i 2 (czerwony ślad) dla pomiarów treningu przed lotem i lotu w stanie nieważkości (0G) i normalnej grawitacji (1G).

Discussion

Ze względu na brak dotychczasowych metod obrazowania mózgu w ekstremalnych warunkach, procesy neurofizjologiczne leżące u podstaw upośledzenia funkcji poznawczych Wydajność i stan psychiczny nie zostały ocenione. W tej pracy udało nam się pokazać zmiany w aktywności kory mózgowej i poziomie dotlenienia w przebieg lotu parabolicznego i zlokalizowanie tych zmian w mózgu za pomocą EEG w połączeniu z LORETA i NIRS. Zgodnie z oczekiwaniami znaleźliśmy wzrost aktywności elektrokorowej podczas stanu nieważkości, który był zlokalizowany w czołowych obszarach mózgu (obszary Brodmanna 9 + 6). Wyniki wskazują, że że około 2000 ms po przejściu aktywność kory mózgowej ulega zmianie, głównie w czołowych obszarach mózgu. Można by przypuszczać, że to zwiększona aktywność w obszarze Brodmanna 6 i 9 odzwierciedla mechanizmy mózgu wykrywającego i przetwarzającego zmienione warunki grawitacyjne w celu utrzymania stabilność ciała, a także zdolności motoryczne w zmienionych warunkach grawitacyjnych.

Jeśli chodzi o zmiany hemodynamiczne, NIRS ujawnił, że O2Hb w czołowym mózgu dramatycznie zmniejsza się w pierwszej fazie hipergrawitacji i wzrasta w stanie nieważkości, podczas gdy HHb wykazywał tylko umiarkowane zmiany. W związku z tym efekt ten nie może być przypisany wyłącznie zmianie objętości krwi. Bardziej prawdopodobne jest, że odzwierciedla to 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, O2Hb i HHB zmniejszają się w drugiej fazie hipergrawitacji.

Wyniki zadania poznawczego nie wskazują na wyraźne upośledzenie podczas normalnej grawitacji lub nieważkości podczas lotu w porównaniu z sesją przed lotem. Na podstawie wyników uzyskanych od dwóch osób nie można jednoznacznie stwierdzić, czy loty paraboliczne czy nieważkość, wraz ze wzrostem aktywności mózgu i poziomu dotlenienia, mają wpływ na sprawność poznawczą. Wcześniejsze badania dają powody, by sądzić, że w tym kontekście stres może również odgrywać rolę (Schneider i wsp. 2007), niemniej jednak nie udało się uzyskać żadnych zmian w stężeniu kortyzolu u obu badanych. Potrzebne są dalsze dane, aby potwierdzić te odkrycia i umożliwić korelację zmian w aktywności kory mózgowej, zmian hemodynamicznych, a także sprawności poznawczej.

Niniejsza praca miała na celu wykazanie, że monitorowanie lokalnych zmian w aktywności kory mózgowej i poziomie natlenienia w różnych fazach zmienionej grawitacji jest możliwe przy użyciu EEG w połączeniu z NIRS i LORETA. Wyniki te są sukcesem w badaniach kosmicznych i umożliwią ukazanie złożonych i lokalnych zmian aktywności kory mózgowej w hipergrawitacji lub nieważkości oraz skorelowanie testów umysłowych lub motorycznych z obiektywnymi zmianami w mózgu. Kolejnym krokiem jest zastosowanie tej metody podczas długotrwałych misji kosmicznych.