Согласованность между функции коры головного мозга и Нейрокогнитивная Производительность при изменившихся условиях гравитации

Summary

Влияние невесомости и гипергравитации с обеих гемодинамических и электрофизиологических процессов в мозге будет следовать в ходе параболический полет на ЭЭГ и НИРС техники. Технико-экономическое обоснование более сложном эксперименте, который планируется провести в течение средне-и долгосрочной перспективе космического полета.

Abstract

Предыдущие исследования когнитивных, умственных и/или двигательных процессов во время краткосрочной, среднесрочной и долгосрочной невесомости носили только описательный характер и были сосредоточены на психологических аспектах. До сих пор объективное наблюдение за нейрофизиологическими параметрами не проводилось – несомненно, из-за отсутствия технических и методологических средств – исследования нейрофизиологических эффектов невесомости находятся в зачаточном состоянии (Schneider et al. 2008).

В то время как методы визуализации, такие как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ), вряд ли применимы в космосе, метод неинвазивной ближней инфракрасной спектроскопии (NIRS) представляет собой метод картирования гемодинамических процессов в мозге в реальном времени, который является относительно недорогим и может быть использован даже в экстремальных условиях. Сочетание с электроэнцефалографией (ЭЭГ) открывает возможность прослеживать электрокортикальные процессы в изменяющихся условиях гравитации с более тонким временным разрешением, а также с более глубокой локализацией, например, с помощью электротомографии (ЛОРЕТА).

Предыдущие исследования показали увеличение активности бета-частоты при нормальных условиях гравитации и снижение в условиях невесомости во время параболического полета (Schneider et al. 2008a+b). Исследования наклона выявили различные изменения в функции мозга, что позволяет предположить, что изменения в параболическом полете могут отражать эмоциональные процессы, а не гемодинамические изменения. Тем не менее, до сих пор неясно, являются ли они эффектами изменившейся гравитации или гемодинамическими изменениями в мозге. Сочетание ЭЭГ/ЛОРЕТА и NIRS должно впервые позволить составить карту влияния невесомости и сниженной гравитации как на гемодинамические, так и на электрофизиологические процессы в мозге. Первоначально это должно быть сделано в рамках технико-экономического обоснования во время параболического полета. В дальнейшем также планируется использовать оба метода во время средне- и долгосрочных космических полетов.

Можно предположить, что долгосрочное перераспределение объема крови и связанное с этим увеличение поступления кислорода в мозг приведут к изменениям в центральной нервной системе, которые также отвечают за анемические процессы, и которые, в свою очередь, могут снизить производительность (De Santo et al. 2005), что означает, что они могут иметь решающее значение для успеха и безопасности миссии (Genik et al. 2005, Ellis 2000).

В зависимости от этих результатов, потребуется разработать и использовать обширные контрмеры. Первоначальные результаты MARS500 исследования свидетельствуют о том, что, помимо их значимости в контексте сердечно-сосудистой и опорно-двигательной систем, спорт и физическая активность могут играть роль в улучшении нейрокогнитивных параметров. Однако, прежде чем это можно будет полностью установить, представляется необходимым узнать больше о влиянии изменяющихся условий гравитации на нейрофизиологические процессы и связанные с ними нейрокогнитивные нарушения.

Protocol

1. Экспериментальная процедура

1. На первом предполетного препарат - предмет подготовки производится в отдельном помещении в аэропорту. (1-2 часа до вылета)
   1. Монтаж ЭЭГ CAP / НИРС
      1. Электроды и датчики NIR крепятся к коже головы использованием ЭЭГ шапку. Этот метод гарантирует правильное положение датчиков.
      2. Размер крышки определяется размером с голову испытуемого
      3. Оператор гарантирует, из правильного положения крышки. Электрода Cz находится на вершине (точка посередине между Насьон и луком), PO9-PO10 и Fp1-Fp2 электроды горизонтальные, шапка симметрична.
      4. Электрода частоту сердечных сокращений помещается на груди
   2. Сведение к минимуму сопротивление
      1. Мозг электродов Продукты actiCAP подключены к блоку управления.
      2. Каждый электрод содержит светодиоды, которые становятся красными, когда измерения импеданса запущен.
      3. Волосы отошли от кончика электрода с тупым наконечником иглы.
      4. Гель вводится между кончиком электрода и поверхностью кожи.
      5. Цвет Светодиоды изменят цвет, а сопротивление уменьшается. Начальная красный цвет становится желтым, желтый становится зеленым, если целевым значением сопротивления достигается.
      6. Целевой импеданс 25 кОм, так как активные электроды обеспечивают хороший сигнал-шум рациона ниже этого значения. Поэтому крышка препарат быстро и удобно.
      7. Оператор начинает работать на ссылку и наземных электродов, и повторяет для всех остальных электродов.
2. На борту предполетной подготовки
   1. Предварительно измерений
      1. Субъекты помещаются в экспериментальной установке, ремни безопасности крепятся свободно
      2. Кабели подключения батарей загружены.
      3. Оператор начинает ЭЭГ и НИРС модуль, контролирует соединения и качество ЭЭГ сигнал / НИРС.
      4. Запись ЭЭГ покоя / НИРС. Субъекты не имеют никаких задач.
      5. Запись будет остановлена.
      6. Субъектов выполнять когнитивные задачи на земле. Задача когнитивной это внимания / расчет задачи ( http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833?mt=8 ), где субъекты должны определить ту сторону уравнения, которое больше другие в зависимости от скорости и точности.
   2. Хранение оборудования
      1. Оператор магазинах камеры и IPhones для взлета.
3. В полете измерения
   1. Подготовка
      1. Оператор монтирует видео-камеры, чтобы перила и начинает запись.
      2. Iphones расположены на верхней части ноги субъектов.
      3. Оператор начинает ЭЭГ и НИРС модуль, контролирует качество ЭЭГ сигнал / НИРС, и начинает запись.
   2. Измерение
      1. Субъектов выполнять когнитивные задачи в течение двух блоков из пяти параболы между параболой 11-15 и 16-20. Задача будет выполнена в случайном порядке в невесомости или нормальной тяжести. Только состояние покоя ЭЭГ / НИРС записан в течение первых 10 парабол. Последний параболы будет использоваться в случае отсутствия предыдущих измерений (см. Рисунок 1).
      2. Оператор управляет записью, и поручает предметам. Оператор запишет все результаты когнитивных тестов и времени.
4. На первом после полета измерения
   1. Состоянии покоя ЭЭГ / НИРС Измерение проводилось.

Мы ожидаем, чтобы найти увеличился мозговой активации в невесомости, как показано ранее (Шнайдер и др.. Др. 2008 + 2009). Кроме того, мы ожидаем, так что увидеть увеличенный кислородом ткани в лобных мозга в невесомости и нижней кислородом ткани в гипергравитации. Внимание задачей должно быть нарушено в течение всего полета по сравнению с пре-и пост полета и, возможно, даже более в условиях невесомости за счет более высокой центральной активации и возбуждения в невесомости.

2. Представитель Результаты

Отображение перехода от фазы гипергравитации к невесомости, мы имели возможность наблюдать увеличился мозга корковой активности в лобной коре и снижением активности в височной и затылочной коры 2000 - 2350 мс после наступления невесомости (рис. 2а, б). sLORETA позволило локализации этого увеличилась фронтальной активации в Бродмана области 9 из дорсолатеральной префронтальной коре, которая, как известно, участвует в исполнительной функции интеграции сенсорной и мнемонической информации в ходе двигателя планирования, организации и регулирования (рис. 3а, б). Кроме того, с учетом 2 показали увеличение Бродмана области 6, премоторной коры, который играет роль в сенсорной руководством в ходе теле стабилизации (см. рисунок 3б).

Усредненные за первые 10 парабол, НИРС анализ показал, снизилась кислородом гемоглобин (HHB) концентрация обоих субъектов в гипергравитации а также увеличение кислородом гемоглобин (O2Hb) в невесомости. Для HHB гемоглобина в теме 1 мы обнаружили тенденцию увеличения гипергравитации фазе до невесомости, а также уменьшаются в невесомости и гипергравитации фазу после невесомости. В этой теме O2Hb вернулась к исходному уровню 10 до 15 сек после параболы. В отличие от предмета 2 показал небольшой рост, наряду с уменьшением O2Hb в гипергравитации фазе до невесомости, увеличивается во время невесомости и уменьшаются в гипергравитации после невесомости. По этой теме O2Hb остался должен быть уменьшен в течение приблизительно 30 секунд следующие параболы (рис. 4а, б)

Задача когнитивной привело к снижению оценки производительности для обоих участников в нормальном тяжести во время полета по сравнению с предполетной сессии. Только тема 2 показал, снизилась оценка в weightlessnes (рис. 5).

Рисунок 1. Параболические последовательности полета. Орден задач и измерений во время полета; число парабол выделены серым цветом, номера с апострофа указывает длину длительных перерывов между парабол.

Рисунок 2 карты зрения двух лиц старше срок от 500 мс до невесомости (в гипергравитации) до 2500 мс в невесомости. Посмотреть это сверху головы; кружочки показывают электрода позиции, синий цвет и уменьшается желтого до красного цвета увеличивает электрокорковых деятельности в микро Volt.

Рисунок 3 Три LORETA взглядов. (Сверху: сверху, внизу слева: с левой стороны, внизу справа: со спины) двух субъектов в течение срока от 2000 мс до 2350 мс после наступления невесомости. Красный цвет указывает на усиление мозговой активности.

Рисунок 4 НИРС следы (красный: оксигемоглобина, синий: венозная гемоглобина, черный: гравитация уровне). За период одного параболы от 40 сек до параболы в нормальной тяжести (1G: желтая область), в течение первой фазы гипергравитации (1,8 G: синяя область), невесомости (0G: красная зона) и второй этап гипергравитации (1,8 г: синяя область) до 40 сек после параболы. Гравитация уровень отображается обратный (уменьшение следов означает увеличение тяжести, начиная с 0 равна нормальной тяжести (1G). Отображаются данные о среднем более 10 парабол.

Рисунок 5. Производительность оценка познавательных задач участником 1 (синяя линия) и 2 (красная линия) для измерения подготовку перед полетом и на борту в невесомости (0G) и нормальной силы тяжести (1G).

Discussion

Из-за отсутствия мозгов изображений методы в экстремальных условиях до сих пор лежащий в основе нейрофизиологических процессов на предмет обесценения в когнитивных функций и психического состояния не были оценены. В этой статье мы были в состоянии отображать изменения в мозговой активности коры и оксигенации уровне в ходе параболический полет и локализовать эти изменения внутри мозга с помощью ЭЭГ в сочетании с LORETA и НИРС. Как и ожидалось, мы обнаружили увеличение электрокорковых деятельности в невесомости, который был локализован в лобных областях мозга (Бродмана районах 9 +6). Результаты показывают, что около 2000 мс после перехода мозга корковой активности изменяется в основном в лобных областях мозга. Можно предположить, что этот рост активности в области Бродмана 6 и 9 отражает механизмы мозга обнаружения и обработки изменившихся условиях гравитации для того, чтобы держать тело стабильности, а также двигатель способности в изменившихся условиях гравитации.

Что касается изменений гемодинамики, НИРС, показало, что O2Hb лобного мозга резко уменьшается в первой фазе гипергравитации и увеличивается в невесомости, в то время, HHB показал лишь умеренные изменения. Соответственно этот эффект не может быть отнесена к изменению объема крови исключительно. Скорее всего, это, кажется, отражают своего рода мозговой саморегуляции, тем более что увеличение O2Hb происходит задолго до перехода с 1,8 G на 0G (особенно в рисунок 4). В отличие O2Hb и HHB как снижение во второй фазе гипергравитации.

Результаты указывают на когнитивные задачи нет четкого нарушения при нормальной гравитации или невесомости полете по сравнению с предполетной сессии. По результатам двух субъектов нет четкого заявления можно ли параболических полетов или невесомости вместе с его увеличением активности мозга и оксигенации уровня имеют влияние на когнитивные функции. Ранее проведенные исследования дают основания полагать, что в этом контексте стресс может также сыграть определенную роль (Schneider и соавт. 2007), тем не менее, никаких изменений в концентрации кортизола может быть получена для обоих субъектов. Дальнейшие данные необходимы для подтверждения этих выводов и чтобы соотношение изменения в мозговой активности коры головного мозга, гемодинамические изменения, а также когнитивных функций.

Эта статья призвана показать, что мониторинг локальных изменений мозга корковой активности и оксигенации уровне на протяжении различных этапов изменили тяжести можно с помощью ЭЭГ в сочетании с НИРС и LORETA. Эти результаты успеха для космических исследований и позволит отображать сложные и локальные изменения головного мозга корковой активности в гипергравитации или невесомости и корреляции психических и моторных испытаний с объективными изменениями в мозгу. Следующим шагом является применение этого метода при длительном космических миссий.