Coerência entre a função cerebral cortical e Desempenho neurocognitiva durante condições de gravidade mudou

Summary

O efeito de leveza e hipergravidade em ambos os processos hemodinâmicos e eletrofisiológicos no cérebro vai ser seguido durante o vôo parabólico por técnicas de EEG e NIRS. Um estudo de viabilidade de um experimento mais complexo, que está prevista a realização de, durante o vôo espacial de médio e longo prazo.

Abstract

Processos de estudos anteriores de cognitiva, mental e / ou motor durante a curto, ausência de peso médio e longo prazo foram apenas de natureza descritiva, e incidiu sobre os aspectos psicológicos. Até agora, a observação objetiva dos parâmetros neurofisiológicos não foi realizada - sem dúvida porque os meios técnicos e metodológicos não foram disponíveis -, as investigações sobre os efeitos neurofisiológicos da ausência de peso estão em sua infância (Schneider et al 2008)..

Embora as técnicas de imagem, como tomografia por emissão de pósitrons (PET) e ressonância magnética (MRI) dificilmente seria aplicável no espaço, a não-invasivo espectroscopia no infravermelho próximo técnica (NIRS) representa um método de mapeamento de processos de hemodinâmica do cérebro em tempo real que seja relativamente barato e que pode ser utilizado mesmo em condições extremas. A combinação com a eletroencefalografia (EEG) abre a possibilidade de seguir os processos electrocortical sob mudanças nas condições de gravidade com uma resolução mais fina temporal, assim como com o mais profundo de localização, por exemplo, com electrotomography (LORETA).

Estudos anteriores mostraram um aumento da atividade beta freqüência em condições de gravidade normal e uma diminuição em condições de gravidade durante um vôo parabólico (Schneider et al. 2008a + b). Tilt estudos revelaram mudanças diferentes na função cerebral, que permitem sugerir, que as mudanças no vôo parabólico pode refletir processos emocionais, em vez de alterações hemodinâmicas. No entanto, ainda não está claro se esses são os efeitos de gravidade alterado ou alterações hemodinâmicas dentro do cérebro. Combinando EEG / LORETA NIRS e deve, pela primeira vez tornar possível mapear o efeito de leveza e gravidade reduzida em ambos os processos hemodinâmicos e eletrofisiológicos no cérebro. Inicialmente, este deve ser feito como parte de um estudo de viabilidade, durante um voo parabólico. Depois, é também planejou usar ambas as técnicas durante o vôo espacial de médio e longo prazo.

Pode-se supor que a redistribuição de longo prazo do volume de sangue eo aumento associado no fornecimento de oxigênio para o cérebro, levando a mudanças no sistema nervoso central que também são responsáveis ​​por processos anêmicos, e que por sua vez pode reduzir o desempenho (De Santo et al. 2005), o que significa que eles podem ser decisivos para o sucesso ea segurança de uma missão (Genik et al. 2005, Ellis 2000).

Dependendo desses resultados, será necessário desenvolver e empregar contramedidas extensiva. Os resultados iniciais para o estudo MARS500 sugerem que, para além da sua importância no contexto dos sistemas cardiovascular e locomotor, desporto ea actividade física pode desempenhar um papel na melhora de parâmetros cognitivos. Antes que este pode ser plenamente estabelecida, no entanto, parece ser necessário para aprender mais sobre a influência das mudanças nas condições de gravidade sobre os processos neurofisiológicos e comprometimento neurocognitivos associados.

Protocol

1. Procedimento Experimental

1. Sobre a preparação do terreno pré-vôo - A preparação assunto é feito em uma sala separada no aeroporto. (1-2 horas antes do vôo)
   1. Montagem da tampa / NIRS EEG
      1. Eletrodos e sensores NIR são afixados ao couro cabeludo usando um boné EEG. Este método garante a posição correta dos sensores.
      2. O tamanho da tampa é determinada pelo tamanho da cabeça do sujeito
      3. O operador faz a certeza da posição correta do cap. O eletrodo Cz está no vértice (a meio caminho entre o ponto násio e cebola), o PO9-PO10 e os eletrodos Fp1-Fp2 são horizontais, a tampa é simétrica.
      4. O eletrodo freqüência cardíaca é colocado sobre o peito
   2. Minimização de Impedância
      1. Produtos do Cérebro actiCAP eletrodos são conectados à caixa de controle.
      2. Cada eletrodo contém LEDs, que ficam vermelhos, quando a medição da impedância é iniciado.
      3. O cabelo é afastado da ponta do eletrodo com uma agulha de ponta romba.
      4. Gel é injetado entre a ponta do eletrodo ea superfície da pele.
      5. A cor da mudança LEDs, com a diminuição da impedância. A cor vermelha inicial torna-se amarelo, o amarelo fica verde, se o valor da impedância meta seja alcançada.
      6. A impedância alvo é de 25 kOhm, uma vez que os eletrodos ativos que fornecem ração de sinal-ruído boa abaixo desse valor. Portanto, a preparação cap é rápido e conveniente.
      7. O operador começa a trabalhar sobre os eletrodos de referência e terra, e repete para todos os outros eletrodos.
2. A bordo de preparação pré-vôo
   1. Pré-medidas
      1. Assuntos são colocados na configuração experimental, os cintos de segurança são fixados livremente
      2. Cabos estão conectados, as baterias são carregadas.
      3. O operador inicia o módulo de EEG e NIRS, controla a conectividade ea qualidade do sinal / NIRS EEG.
      4. Gravação de descanso estado EEG / NIRS. Os indivíduos não têm qualquer tarefa.
      5. A gravação é interrompida.
      6. Os sujeitos executar a tarefa cognitiva no chão. A tarefa cognitiva é uma tarefa de atenção / cálculo ( http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833?mt=8 ), onde os sujeitos têm para identificar esse lado de uma equação que é maior do que o outros em relação à velocidade e precisão.
   2. Guardar o equipamento
      1. O operador de lojas a câmera e os iPhones para decolar.
3. Na medição de vôo
   1. Preparação
      1. Operador monta o vídeo da câmera para corrimão e inicia a gravação.
      2. Os iPhones são colocados na coxa dos sujeitos.
      3. O operador inicia o módulo de EEG e NIRS, controla a qualidade do sinal / NIRS EEG, e inicia a gravação.
   2. Medição
      1. Os sujeitos executar a tarefa cognitiva durante dois blocos de cinco parábolas entre parábola 11-15 e 16-20. Tarefa será realizada em uma ordem aleatória na ausência de gravidade ou gravidade normal. Apenas descansando estado EEG / NIRS é gravado durante os primeiros 10 parábolas. As parábolas última será usada em caso de falta medições anteriores (ver Figura 1).
      2. O operador controla a gravação, e instrui os indivíduos. O operador irá anotar todos os resultados dos testes cognitivos e tempos.
4. Na medição do solo pós-vôo
   1. Descansando estado de medição EEG / NIRS é realizada.

Esperamos encontrar maior ativação cerebral durante a ausência de peso como mostrado antes (Schneider et. Al 2008 + 2009). Nós ainda esperamos para ver aumento do tecido oxigenado no cérebro frontal na ausência de gravidade e menor o tecido oxigenado em hipergravidade. A tarefa de atenção é suposto ser prejudicada durante todo o vôo em comparação com pré e pós-vôo e talvez ainda mais na ausência de gravidade, devido à maior ativação central e excitação na ausência de gravidade.

2. Resultados representante

Mapeamento da transição da fase hipergravidade à microgravidade fomos capazes de observar a atividade cerebral aumentada cortical no córtex frontal e diminuição da atividade no córtex temporal e occipital 2000 - 2350 ms após o início da ausência de gravidade (Figura 2a, b). sLORETA permitiu localizar essa ativação aumentada frontal na área de Brodmann 9 do córtex pré-frontal dorsolateral, que é conhecida por estar envolvida em funções executivas, com a integração da informação sensorial e mnemônico no curso de planejamento motor, organização e regulação, (Figura 3a, b). Além disso, sujeito 2 apresentou um aumento na área de Brodmann 6, o córtex pré-motor, que desempenha um papel importante na orientação sensorial no curso da estabilização do corpo (veja a Figura 3b).

Segundo a média dos primeiros 10 parábolas, análise NIRS revelou diminuição da concentração de hemoglobina oxigenada (HHB) de ambos os temas em hipergravidade bem como o aumento de hemoglobina oxigenada (O2Hb) na ausência de gravidade. Para a hemoglobina HHB em um assunto que nós encontramos uma tendência de aumento na fase hipergravidade antes de gravidade, bem como uma diminuição durante a fase de leveza e hipergravidade após gravidade. Neste O2Hb assunto estava de volta à linha de base 10-15 seg após a parábola. Em contraste sujeito 2 apresentou um ligeiro aumento com a diminuição da O2Hb na fase hipergravidade antes de ausência de gravidade, um aumento durante a leveza e uma diminuição durante hipergravidade após ausência de peso. Para este O2Hb assunto ficou para ser diminuído para cerca de 30 seg seguinte parábola (Figura 4a, b)

A tarefa cognitiva resultou em pontuações de desempenho diminuiu para ambos os participantes na gravidade normal durante o vôo em comparação com uma sessão de pré-vôo. Apenas 2 sujeitos apresentaram um escore diminuiu em weightlessnes (Figura 5).

Figura 1. Seqüência de vôo parabólico. Ordem das tarefas e medidas durante o vôo, número de parábolas são indicados em cinza, números com apóstrofo indicar a duração das pausas maiores entre parábolas.

Figura 2 ver Mapeamento de dois sujeitos sobre o prazo de 500 ms antes de ausência de peso (em hipergravidade) até 2500 ms na ausência de gravidade. Visão é de cima da cabeça; pequenos círculos indicam as posições do eletrodo, diminui a cor azul e amarelo para a cor vermelha aumenta de atividade electrocortical em micro Volt.

Figura 3 Três vistas LORETA. (Top: a partir de cima, no canto inferior esquerdo: do lado esquerdo direito, inferior: na parte de trás) de dois temas sobre o calendário de 2000 até 2350 ms ms após o início da ausência de gravidade. Cor vermelha indica aumento da atividade cerebral.

Figura 4 traços NIRS (vermelho: hemoglobina oxigenada, azul: hemoglobina desoxigenada, preto: nível de gravidade). Durante o período de uma parábola de 40 seg antes da parábola em gravidade normal (1G: área amarela), durante a fase hipergravidade primeiro (1,8 G: área azul), leveza (0G: área vermelha) ea fase hipergravidade segundo (1,8 g: área azul) até 40 segundos após a parábola. Nível de gravidade é exibido inversa (redução de traço significa aumento de gravidade a partir de 0 igual a gravidade normal (1G). Os dados apresentados são uma média mais de 10 parábolas.

Figura 5. Pontuação de desempenho da tarefa cognitiva do participante 1 (azul de rastreamento) e 2 (vermelho trace) para a formação medições antes do vôo e de bordo na ausência de gravidade (0G) e da gravidade normal (1G).

Discussion

Devido à falta de métodos de imagens cerebrais em condições extremas, até agora os processos subjacentes neurofisiológica para prejuízo no desempenho cognitivo e estado mental não foram avaliadas. Neste trabalho, foram capazes de mostrar alterações na atividade cerebral cortical eo nível de oxigenação no decorrer de um voo parabólico e para localizar essas mudanças dentro do cérebro usando EEG combinado com LORETA e NIRS. Como esperado, encontramos um aumento na atividade electrocortical durante gravidade, que foi localizada em regiões frontais do cérebro (áreas de Brodmann 9 +6). Os resultados indicam que cerca de 2000 ms após a atividade cerebral de transição cortical é alterada principalmente em regiões frontais do cérebro. Pode-se supor que este aumento de atividade em área de Brodmann 6 e 9 reflete os mecanismos do cérebro detecção e processamento de condições de gravidade alterado, a fim de manter a estabilidade do corpo bem como a capacidade do motor em condições de gravidade alterado.

Sobre alterações hemodinâmicas, NIRS revelou que o O2Hb frontal do cérebro diminui drasticamente na fase hipergravidade primeiro e aumenta na ausência de gravidade, enquanto que, HHB mostrou apenas mudanças moderadas. Consequentemente, este efeito não pode ser atribuída a uma mudança de volume de sangue apenas. Mais provavelmente, isso parece refletir uma espécie de auto-regulação cerebral, especialmente como o aumento da O2Hb ocorre muito antes da transição do 1,8 G para 0G (especialmente na figura 4). Em contraste O2Hb e HHB ambos diminuem na fase hipergravidade segundo.

Os resultados da tarefa cognitiva indicam nenhum comprometimento claro durante a gravidade normal ou ausência de peso a bordo em comparação com uma sessão de pré-vôo. Com base nos resultados de dois sujeitos sem declaração clara é possível se os voos parabólicos ou ausência de peso, juntamente com seu aumento na atividade cerebral e nível de oxigenação ter uma influência no desempenho cognitivo. Estudos anteriores dão razão para acreditar que, neste contexto, o stress pode também desempenhar um papel (Schneider et al. 2007), no entanto, nenhuma alteração na concentração de cortisol podem ser obtidos por ambos os assuntos. Mais dados são necessários para validar esses resultados e para permitir correlação de mudanças na atividade cerebral cortical, alterações hemodinâmicas, bem como o desempenho cognitivo.

Este trabalho pretende mostrar que o monitoramento de mudanças locais na atividade cerebral cortical e nível de oxigenação durante as diferentes fases de gravidade mudou é possível usando EEG em combinação com NIRS e Loreta. Estes resultados são um sucesso para a investigação espacial e permitirá apresentar mudanças complexas e locais de atividade cerebral cortical em hipergravidade ou leveza e correlacionando teste mental ou motora, com mudanças objetivas no cérebro. O próximo passo é aplicar este método durante as missões espaciais de longo prazo.