Name: Spójność między funkcją kory mózgowej a wydajnością neurokognitywną w zmienionych warunkach grawitacyjnych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-05-23T15:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 29 s
Description: Odkryj metodę EEG i NIRS do badania funkcji mózgu w zmienionej grawitacji podczas lotów parabolicznych. Technika ta pozwala monitorować zmiany hemodynamiczne i elektrokortykalne w czasie rzeczywistym.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Pragniemy podziękować firmie Brain Products GmbH za udostępnienie sprzętu, wiedzę i pomoc. Niniejsze badanie zostało sfinansowane przez Federalne Ministerstwo Gospodarki i Technologii w ramach grantu z Niemieckiej Agencji Kosmicznej (DLR) 50WB0819.

1. Procedura eksperymentalna
<ol>
 <li>Przygotowanie naziemne przed lotem – przygotowanie badanego odbywa się w oddzielnym pomieszczeniu na lotnisku. (1-2 godziny przed lotem)
 <ol>
 <li>Zakładanie czapki EEG/NIRS
 <ol>
 <li>Elektrody oraz czujniki NIR są mocowane do skóry głowy za pomocą czepka EEG. Metoda ta zapewnia prawidłowe rozmieszczenie czujników.</li>
 <li>Rozmiar czepka jest dobierany na podstawie obwodu głowy badanego.</li>
 <li>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.</li>
 <li>Elektroda do pomiaru tętna zostaje umieszczona na klatce piersiowej.</li>
 </ol>
 </li>
 <li>Minimalizacja impedancji
 <ol>
 <li>Elektrody Brain Products actiCAP są podłączone do modułu sterującego. </li>
 <li>Każda elektroda zawiera diody LED, które zmieniają kolor na czerwony w momencie rozpoczęcia pomiaru impedancji.</li>
 <li>Włos zostaje odsunięty od końcówki elektrody za pomocą igły z tępym zakończeniem.</li>
 <li>Żel wstrzykuje się pomiędzy końcówkę elektrody a powierzchnię skóry.</li>
 <li>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.</li>
 <li>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.</li>
 <li>Operator rozpoczyna pracę nad elektrodami referencyjną i uziemiającą, a następnie powtarza tę procedurę dla wszystkich pozostałych elektrod.</li>
 </ol>
 </li>
 </ol>
 </li>
 <li>Pokładowe przygotowania przedlotowe
 <ol>
 <li>Pomiary wstępne
 <ol>
 <li>Badanych umieszcza się w układzie eksperymentalnym, a pasy bezpieczeństwa zapina się z niewielkim luzem</li>
 <li>Kable są podłączone, a baterie są naładowane. </li>
 <li>Operator uruchamia moduł EEG i NIRS oraz kontroluje łączność i jakość sygnału EEG/NIRS.</li>
 <li>Rejestracja EEG/NIRS w stanie spoczynku. Badani nie wykonują żadnego zadania.</li>
 <li>Nagrywanie zostało zatrzymane.</li>
 <li>Badani wykonują zadanie poznawcze na ziemi. Zadanie poznawcze jest zadaniem uwagowym/obliczeniowym (<a href="http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833?mt=8">http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id31796183?mt=8</a>), w którym badani muszą wskazać stronę równania o większej wartości, z uwzględnieniem szybkości i dokładności odpowiedzi.</li>
 </ol>
 </li>
 <li>Przechowywanie sprzętu
 <ol>
 <li>Operator przechowuje kamerę oraz telefony iPhone przed startem.</li>
 </ol>
 </li>
 </ol>
 </li>
 <li>Pomiar w locie
 <ol>
 <li>Przygotowanie
 <ol>
 <li>Operator montuje kamerę wideo na poręczy i rozpoczyna nagrywanie.</li>
 <li>Telefony iPhone zostają umieszczone na górnej części uda badanych.</li>
 <li>Operator uruchamia moduł EEG i NIRS, kontroluje jakość sygnału EEG/NIRS, a następnie rozpoczyna rejestrację.</li>
 </ol>
 </li>
 <li>Pomiar
 <ol>
 <li>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).</li>
 <li>Operator kontroluje nagrywanie i instruuje badanych. Operator zapisuje wszystkie wyniki testów poznawczych oraz czasy.</li>
 </ol>
 </li>
 </ol>
 </li>
 <li>Pomiar naziemny po locie
 <ol style="list-style-type:none;">
<li>
 <ol>
 <li>Przeprowadza się pomiar EEG/NIRS w stanie spoczynku.</li>
 </ol>
</li>
 </ol>
 </li>
</ol>
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).
<img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig1.jpg" alt="Schemat czasowy eksperymentu EEG/NIRS dla analizy zadań poznawczych z interwałami odpoczynku i danymi uczestników." data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 1"> 
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.
<img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig2a.jpg" alt="Mapy skalpu dla serii czasowych EEG; dane elektrofizjologiczne, wykresy potencjałów wywołanych, aktywność neuronalna." data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 2a"> <img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig2b.jpg" alt="Seria map topograficznych EEG przedstawiająca aktywność mózgu w czasie; schemat analizy sygnałów neuronalnych." data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 2b"> 
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.
<img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig3a.jpg" alt="Wzorce aktywacji mózgu; wynik fMRI; schemat ze skalą kolorystyczną wskazującą poziomy intensywności." data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 3a"> 
<img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig3b.jpg" alt="Analiza aktywności mózgu za pomocą fMRI; schematy przedstawiają obszary aktywacji z mapą ciepła i skalą kolorystyczną." data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 3b"> 
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.
<img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig4a.jpg" alt="Wykres wpływu pola magnetycznego; przedstawia analizę danych z gradacjami 1 G i 1,8 G; wyniki eksperymentalne." data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 4a"> 
<img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig4b.jpg" alt="Równowaga statyczna; ΣFx=0; wykres danych; wykreślone dane eksperymentalne; analiza równowagi; wykres odczytów siły." data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 4b"> 
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.
<img src="/files/ftp_upload/2670/2670fig5.jpg" alt="Wykres liniowy porównujący ilości dla dwóch uczestników w trzech przedziałach." data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 5"> 
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).

<ol><li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anemia+and+erythropoietin+in+space+flights%5BTitle%5D)+AND+%22Semin+Nephrol%22%5BJournal%5D)">Anemia and erythropoietin in space flights.</a> Semin Nephrol. 25, 379-387 (2005).</li>
<li>Ellis, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Collisions+in+space%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Collisions in space.</a> , 4-9 (2000).</li>
<li>Genik, R. J. 2nd, Green, C. C., Graydon, F. X., Armstrong, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cognitive+avionics+and+watching+spaceflight+crews+think%3A+generation-after-next+research+tools+in+functional+neuroimaging.+Aviat+Space+Environ+Med+76%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Cognitive avionics and watching spaceflight crews think: generation-after-next research tools in functional neuroimaging. Aviat Space Environ Med 76.</a> , 208-212 (2005).</li>
<li>Schneider, S., Brummer, V., Carnahan, H., Dubrowski, A., Askew, C. D., Struder, H. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((What+happens+to+the+brain+in+weightlessness%3F+A+first+approach+by+EEG+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">What happens to the brain in weightlessness? A first approach by EEG tomography.</a> Neuroimage. 42, 1316-1323 (2008).</li>
<li>Schneider, S., Brummer, V., Mierau, A., Carnahan, H., Dubrowski, A., Strueder, H. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Increased+brain+cortical+activity+during+parabolic+flights+has+no+influence+on+a+motor+tracking+task%5BTitle%5D)+AND+%22Exp+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Increased brain cortical activity during parabolic flights has no influence on a motor tracking task.</a> Exp Brain Res. 185, 571-579 (2008).</li>
<li>Schneider, S., Brummer, V., Gobel, S., Carnahan, H., Dubrowski, A., Struder, H. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Parabolic+flight+experience+is+related+to+increased+release+of+stress+hormones%5BTitle%5D)+AND+%22Eur+J+Appl+Physiol%22%5BJournal%5D)">Parabolic flight experience is related to increased release of stress hormones.</a> Eur J Appl Physiol. 100, 301-308 (2007).</li>
</ol>

Produkcja tego artykułu była sponsorowana przez Brain Products, GmbH. Roland Csuhaj jest pracownikiem firmy Brain Products, GmbH, która produkuje urządzenie wykorzystane w tym artykule.

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.

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

Coherence between Brain Cortical Function and Neurocognitive Performance during Changed Gravity Conditions

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.

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.

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

Poprzednie badania procesów poznawczych, psychicznych i/lub motorycznych podczas krótkotrwałego, średnioterminowego i długoterminowego stanu nieważkości miały charakter wyłącznie opisowy, a ...

Niniejsza procedura wykorzystuje połączoną technikę zapisu EEG i spektroskopii bliskiej podczerwieni w celu ustalenia, w jakim stopniu obniżona wydajność neuropoznawcza w stanie nieważkości wynika z pierwotnych efektów zmian hemodynamicznych i elektrokortykalnych lub z wtórnych efektów związanych ze stresem. Jest to realizowane poprzez monitorowanie zmian w aktywności elektrokortykalnej uczestników podczas lotu parabolicznego, obejmującego fazy mikrograwitacji, mikrograwitacji oraz normalnej grawitacji. Zmiany hemodynamiczne w przednim obszarze mózgu mogą być monitorowane równolegle za pomocą spektroskopii bliskiej podczerwieni lub nerwów.Zmiany w aktywności kory mózgowej można następnie zlokalizować za pomocą tomografii elektromagnetycznej. Ostatnim krokiem jest skorelowanie zmian elektrokortykalnych i hemodynamicznych. Ostatecznie wyniki wykazują, że zmiany hemodynamiczne wynikające ze zmiennych warunków grawitacyjnych są powiązane ze zmianami w funkcji elektrokortykalnej.Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak MRI czy PET, jest to, że elektrofotografia w połączeniu z elektrotomografią i spektroskopią bliskiej podczerwieni jest możliwa do zastosowania w ekstremalnych warunkach, takich jak loty paraboliczne lub loty kosmiczne z ograniczonym obciążeniem i przestrzenią w systemie HyperV weightlessness, a także pozwala na pomiar i korelację zmian w aktywności elektrycznej neuronów oraz zmian hemodynamicznych w obrębie mózgu. Metoda ta pomaga w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania z dziedziny neurofizjologii i badań kosmicznych, takie jak wpływ zmiennych warunków grawitacyjnych na hemodynamiczne i elektryczne zmiany w korze mózgowej. Pomaga ona określić, gdzie dokładnie w mózgu zachodzą te zmiany oraz jakie są ich konsekwencje.Po zidentyfikowaniu podstawowych procesów neurofizjologicznych oraz ustaleniu, co dzieje się z funkcją kory mózgowej i hemodynamiką podczas przebywania w kosmosie i w stanie nieważkości, będziemy w stanie opracować konkretne środki przeciwdziałania, aby poprawić jakość życia oraz sukces i bezpieczeństwo misji. Zatem metoda ta może dostarczyć wiedzy na temat mechanizmów działania mózgu lub może zostać zastosowana w odniesieniu do innych układów, takich jak zaburzenia neurologiczne u pacjentów neurologicznych, bądź służyć do badania fundamentalnych zasad działania naszego mózgu. Pomysł na te badania pojawił się u nas po raz pierwszy, gdy dowiedzieliśmy się o deficytach neuropoznawczych u astronautów przebywających w kosmosie.Wizualna demonstracja tej metody jest kluczowa, ponieważ etapy analizy są trudne do opanowania ze względu na istnienie wielu sposobów przetwarzania i analizy danych. Na jedną lub dwie godziny przed lotem uczestnicy są przenoszeni do pomieszczenia na lotnisku w celu przygotowania do eksperymentów. W pierwszej kolejności mierzy się obwód ich głowy oraz oczyszcza skórę głowy, aby na głowie uczestnika można było umieścić czepek EEG z zintegrowanymi optodami i odbiornikami.Kolejnym krokiem jest zaznaczenie pozycji elektrod FP1 i FP2. Najpierw mierzy się odległość między nasion a inion, a następnie wyznacza punkt w odległości jednej dziesiątej drogi między nasion a inion. Zaczynając od nasion, nanosi się dwa znaki po lewej i prawej stronie linii środkowej w odległości stanowiącej jedną dwudziestą obwodu głowy.Czapka zawiera elektrody, które zostaną przymocowane do skóry głowy, i zapewnia prawidłowe rozmieszczenie czujników. Dobierana jest czapka EEG odpowiednia do rozmiaru głowy uczestnika. Następnie czapkę naciąga się na głowę.Sprawdzono głowę uczestnika oraz jej ułożenie. Elektroda CZ powinna znajdować się na wierzchołku głowy, a elektrody FP1, FP2, O1 i O2 powinny być rozmieszczone poziomo w miejscach zaznaczonych; zapięto pasek podbródkowy, aby zapewnić symetryczne i prawidłowe ułożenie czepek. Następnie umieszczono elektrodę do pomiaru tętna; w tym celu można wykorzystać jedną elektrodę EEG, a czujnik należy umieścić na klatce piersiowej uczestnika.Następnie minimalizuje się impedancję elektrod i sprawdza przewodzenie sygnału. Każda elektroda zawiera diody LED, które zaświecą się po rozpoczęciu pomiaru impedancji. Za pomocą igły z tępym zakończeniem odsuwa się włosy od końcówki elektrody, a następnie wstrzykuje się żel między końcówkę elektrody a powierzchnię skóry, zaczynając od elektrod referencyjnej i masy.W miarę wstrzykiwania żelu kolor diod LED będzie się zmieniać wraz ze spadkiem impedancji, tak że początkowy kolor czerwony zmieni się najpierw na żółty, a następnie na zielony. Po osiągnięciu docelowej wartości impedancji wynoszącej 25 kilo ohms, elektrody zapewnią korzystny stosunek sygnału do szumu przy wartości równej lub niższej od tej docelowej. Procedurę tę powtarza się dla wszystkich elektrod czepka.Po przygotowaniu czepków z elektrodami dla obu uczestników, przekazuje się im instrukcje dotyczące szczegółów lotu parabolicznego oraz harmonogramu czasowego eksperymentu, który zostanie zastosowany. Uczestnikom prezentowany jest schematyczny przegląd parabol od zera do 30 oraz zadań, które mają zostać wykonane. Przeglądane są również komunikaty słowne określające, kiedy i w jaki sposób rozpoczynać i kończyć testy.Na koniec uczestnicy zostają odprowadzeni do samolotu w celu przygotowania do lotu na pokładzie. Po wejściu na pokład uczestnicy zasiadają obok siebie w ustawieniu eksperymentalnym, a pasy bezpieczeństwa zostają zapięte luźno. Przewody EEG zostają podłączone do modułu sterowania elektrodami, a moduł sterowania elektrodami zostaje podłączony do wzmacniacza.Następnie elektrody OID i odbiornik są mocowane w uchwycie OID w czapce EEG. W tym momencie uruchamiany jest moduł EEG NERS. Służy on do kontroli łączności oraz jakości sygnału.Następnie uruchamia się system nerwowy oraz oprogramowanie EEG i tworzy przestrzeń roboczą do rejestracji. Otwiera się dane. Następnie wprowadza się nazwę pliku, częstotliwość próbkowania oraz montaż elektrod.W przypadku wystąpienia suboptimalnych sygnałów, wartości impedancji dla EEG lub wartości DAQ dla nerwów są korygowane lub, w razie potrzeby, wstrzykiwana jest większa ilość żelu. W tym momencie rozpoczyna się rejestrację sygnałów EEG i nerwowych oraz gromadzi pomiary stanu spoczynkowego.Na tym etapie uczestnicy nie wykonują żadnych zadań, lecz powinni pozostać w spokoju, zrelaksowani i z zamkniętymi oczami. Nagrywanie zostaje zatrzymane po trzech minutach. Po okresie odpoczynku uczestnicy wykonają test bazowy zadania poznawczego chalkboard challenge.Na koniec wszystkie urządzenia zostają wyłączone, a skrzynka sterownicza elektrod EEG, a także optosy i odbiornik pielęgniarki zostają odłączone. Cały sprzęt, w tym kamera i telefony iPhone, jest przechowywany w przedziale do czasu rozpoczęcia przygotowań do startu w ramach eksperymentów prowadzonych w locie. Po osiągnięciu przez samolot wysokości przelotowej, pierwszym krokiem jest zamontowanie kamery wideo do poręczy, a następnie uruchomienie nagrywania wideo.Następnie uczestnicy zostają umieszczonych w swoich fotelach, a pasy bezpieczeństwa są luźno zapięte. Uczestnicy powinni pozostać w pozycji siedzącej przynajmniej od paraboli zero do 25. Telefony iPhone są przymocowane do górnej części uda uczestników za pomocą rzepów.Następnie podłącza się skrzynkę sterującą elektrodami EEG, a optody nerwowe oraz odbiornik mocuje się w uchwycie optycznym w czapce. Uruchamia się moduł EEG i nerwów, a następnie weryfikuje jakość sygnału nerwowego EEG poprzez sprawdzenie impedancji EEG oraz wartości NS DAQ. Przez trzy minuty przeprowadza się pomiar w stanie spoczynku.Pierwsza parabola, określana jako parabola zero, posłuży uczestnikom do adaptacji do procedury oraz zmiany warunków grawitacyjnych. Następnie podczas paraboli od pierwszej do dziesiątej rejestrowany jest wyłącznie zapis EEG w stanie spoczynku, podczas gdy uczestnicy siedzą spokojnie w swoich fotelach z zamkniętymi oczami. W kolejnym kroku uczestnicy są przygotowywani do zadań poznawczych, które zostaną wykonane podczas dwóch bloków po pięć paraboli.Nagranie jest kontrolowane przez operatora, który wydaje instrukcje uczestnikom, a także zapisuje wyniki testów poznawczych i czasy. W tym zadaniu przetwarzania poznawczego uczestnik określa, która strona równania jest większa od drugiej; program rejestruje szybkość i dokładność odpowiedzi uczestnika, a na koniec przyznawany jest wynik końcowy zależny od dokładności, szybkości oraz najwyższego poziomu, który uczestnik osiągnął podczas parabol od 11 do 15.Uczestnik pierwszy wykona to zadanie w warunkach zero G, a uczestnik drugi w warunkach 1 G. Następnie, podczas parabol od 16 do 20, uczestnik pierwszy wykona to zadanie w warunkach 1 G, a uczestnik drugi okresowo w warunkach zero G. Pomiary spoczynkowe są rejestrowane podczas sekwencji parabolicznej, a także przed pierwszą i po ostatniej paraboli. Ostatnie 10 parabol może zostać wykorzystanych w przypadku konieczności powtórzenia jakichkolwiek wcześniejszych pomiarów lub eksperymentów.Po powrocie na ziemię uczestnicy i operator mogą tymczasowo opuścić samolot przed ponownym wejściem do zestawu eksperymentalnego i przygotowaniem wszystkiego do pomiarów końcowych. W tym czasie powtarzane są pomiary EEG w stanie spoczynku przez pielęgniarkę. Po zakończeniu wszystkich nagrań i zdjęciu czepek z głowy uczestnika, eksperyment kończy się przy użyciu niskorozdzielczej elektromagnetycznej tomografii mózgu lub Loretta.Możliwe jest określenie indywidualnych zmian w aktywności kory czołowej mózgu. W przypadku pierwszego uczestnika zmiana występująca 2000 milisekund po rozpoczęciu mikrograwitacji była zlokalizowana w obszarze dziewiątym Brodmanna, który należy do grzbietowo-bocznej kory przedczołowej. Region ten odgrywa istotną rolę w integracji informacji sensorycznych i mnemonicznych w przebiegu organizacji i regulacji planowania ruchowego.W przypadku drugiego uczestnika zmiany te mogły być zlokalizowane w polu 9 Brodmanna, a także w polu 6 Brodmanna – korze przedruchowej, znanej z roli w regulacji sensorycznej podczas stabilizacji ciała. Następny zapis przedstawia spektroskopię bliskiej podczerwieni w przednim regionie mózgu. Czarna krzywa oznacza poziom G.Żółte tło oznacza normalną grawitację. Niebieskie tło oznacza hipergrawitację, a różowe tło mikrograwitację, zgodnie z oczekiwaniami. W fazie mikrograwitacji widoczny jest spadek ilości utlenowanej krwi, co wskazuje czerwona krzywa, a następnie następuje wzrost ilości utlenowanej krwi w fazie mikrograwitacji.Podobne wyniki widoczne są na tej rycinie dla innego uczestnika. Co ciekawe, ilość odtlenowanej krwi, przedstawiona przez niebieską krzywą, nie wykazała spójnego zachowania podczas pierwszej fazy HyperV ani fazy nieważkości, ale u obu badanych odnotowano spadek w drugiej fazie HyperV. Ta rycina przedstawia zadanie poznawcze dla dwóch osób w trzech punktach pomiarowych podczas treningu: pomiaru przed lotem w warunkach 0 G, pomiaru podczas lotu oraz pomiaru w warunkach 1 G, również wykonanego podczas lotu.Wyniki różnią się pomiędzy badanymi, co wskazuje, że wcześniej raportowane deficyty neuropoznawcze podczas lotów parabolicznych są najprawdopodobniej wynikiem indywidualnych reakcji stresowych. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat zastosowania łączonej techniki EEG i fNIRS, a także sposobu równoległego monitorowania aktywności elektrokortykalnej i zmian hemodynamicznych. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest sprawdzenie jakości sygnału oraz monitorowanie zachowania badanych.Techniki te mogą utorować drogę badaczom zainteresowanym funkcjami kory mózgowej oraz umożliwić zbadanie wpływu mikrograwitacji na te funkcje, a identyfikacja tych mechanizmów może w przyszłości pomóc pacjentom, astronautom, jak i osobom zdrowym.

coherence-between-brain-cortical-function-neurocognitive-performance

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neuronauka

Współpraca między funkcjonowaniem kory mózgowej a wydajnością neurokognitywną w zmienionych warunkach grawitacji

Opracowanie skutecznego systemu interfejsu mózg-maszyna-(BMI) do przywracania i rehabilitacji dwunożnej lokomocji wymaga dokładnego dekodowania intencji użytkownika.  W tym miejscu przedstawiamy nowatorski protokół eksperymentalny i technikę zbierania danych do jednoczesnego nieinwazyjnego nabywania aktywności neuronalnej, aktywności mięśni i kinematyki całego ciała podczas różnych zadań i warunków lokomocyjnych.

Jednoczesna elektroencefalografia skóry głowy (EEG), elektromiografia (EMG) i segmentalny zapis inercyjny całego ciała do multimodalnego dekodowania neuronalnego

Ten film przedstawia metodę badania związanych z wiekiem zmian w funkcjonalnej łączności kognitywnych sieci kontrolnych zaangażowanych w wybrane zadania/procesy. Technika ta opiera się na wielowymiarowej analizie danych fMRI.

Metoda badania związanych z wiekiem różnic w funkcjonalnej łączności sieci kontroli poznawczej związanych z wydajnością sortowania kart zmiany wymiarów

Diagnostyka krwi w lotach kosmicznych wymaga innowacji.  Opublikowano niewiele demonstracji ilustrujących technologię diagnostyki zdrowotnej w warunkach zmniejszonej grawitacji podczas lotu.  W tym miejscu przedstawiamy metodę budowy i działania parabolicznego stanowiska do prób w locie dla prototypu cytometrii przepływowej w miejscu opieki nad pacjentem, z komponentami i strategiami przygotowania, które można dostosować do innych konfiguracji.

Demonstracje sprzętu o zmniejszonej grawitacji prototypu zminiaturyzowanego cytometru przepływowego i towarzyszącej technologii mieszania mikroprzepływowego

Istnieje duża zmienność w indywidualnym ryzyku wstrząśnienia mózgu i związanym z nim powrocie do zdrowia. Uzasadnione jest wieloaspektowe podejście do oceny wstrząsu mózgu; w tym podstawowe badania sportowców przed udziałem w sporcie i terminowa ocena po urazie. Celem tego protokołu jest zapewnienie odpowiedniego, wieloaspektowego podejścia do badania wstrząśnień mózgu.

Neuronaukowe podejście do badania wstrząsów mózgu u studentów-sportowców

Przezczaszkowa stymulacja prądem stałym (tDCS) nad móżdżkiem wywiera odległy wpływ na korę przedczołową, która może modulować funkcje poznawcze i wydajność. Zostało to zademonstrowane za pomocą dwóch zadań przetwarzania informacji o różnym stopniu złożoności, przy czym tylko katodowy tDCS poprawiał wydajność, gdy zadanie było trudne, ale nie łatwe.

Modulacja funkcji poznawczych za pomocą przezczaszkowej stymulacji móżdżku prądem stałym

Postrzeganie grawitacji jest zwykle determinowane przez subiektywne widzenie pionowe w pozycji pionowej głowy. Dodatkowa ocena przy pochyleniu głowy ± 15° i ± 30° w płaszczyźnie przechyłu zapewnia zwiększoną zawartość informacji w celu wykrycia upośledzonej percepcji grawiceptywnej.

Ocena statycznej percepcji grawiceptywnej w płaszczyźnie toczenia przy użyciu subiektywnego wizualnego paradygmatu wertykalnego

W tym artykule opisujemy eksperymentalne ustawienia, materiał i procedury do oceny odruchowych ruchów gałek ocznych, percepcji własnych ruchów i zadań poznawczych pod wpływem magnetycznej stymulacji przedsionkowej, a także anatomicznej orientacji narządów przedsionkowych, w skanerze tomografii rezonansu magnetycznego 7 Tesli (7T-MRT).

Pomiar wpływu magnetycznej stymulacji przedsionkowej na oczopląs, percepcję ruchu własnego i sprawność poznawczą w MRT 7T

Tutaj prezentujemy nowatorskie, krótkie i aktywne zadanie z nawigacji przestrzennej, które ocenia zarówno zdolność nawigacji przestrzennej, jak i pamięci epizodycznej. Co ważne, nawigacja przestrzenna i pamięć epizodyczna były ze sobą powiązane, a to zadanie wykazało wrażliwość na ćwiczenia.

Ocena nawigacji przestrzennej człowieka w przestrzeni wirtualnej i jej wrażliwości na ćwiczenia

Metodologia badała wkład wzrokowy i przedsionkowy w stabilizację spojrzenia podczas rotacji optokinetycznej i całego ciała. Stymulacje przeprowadzono poprzez badania wzrokowe, przedsionkowe i wizuo-przedwostykowe. Wzmocnienie ruchu oczu skrętne i częstotliwości oczopląsów służyły jako wskaźniki podkorowego przekazywania informacji o ruchu specyficznym dla sensorycznych do odruchowej odpowiedzi pnia mózgu w każdym badaniu.

Wykorzystanie śledzenia oczu do oceny względnego znaczenia bodźców wzrokowych i przedsionkowych dla przetwarzania ruchu podkorowego w płaszczyźnie przechylania

Wykorzystujemy magnetoencefalografię i elektroencefalografię (MEG/EEG), w połączeniu z informacjami anatomicznymi uzyskanymi za pomocą obrazowania rezonansem magnetycznym (MRI), aby zmapować dynamikę sieci korowej związanej z uwagą słuchową.

Mapowanie dynamiki korowej z wykorzystaniem jednoczesnej MEG/EEG oraz oszacowań minimalnej normy z ograniczeniami anatomicznymi: przykład uwagi słuchowej

Odkryj metodę EEG i NIRS do badania funkcji mózgu w zmienionej grawitacji podczas lotów parabolicznych. Technika ta pozwala monitorować zmiany hemodynamiczne i elektrokortykalne w czasie rzeczywistym.

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

Przeglądaj więcej filmów