脳皮質機能および変更された重力状態の間、神経認知パフォーマンスとの間のコヒーレンス

Summary

脳の両方の血行動態と電気生理学的なプロセスで無重力と重力の効果は脳波とNIRSの技術によって放物線飛行の際に従うべきとしている。中期と長期の宇宙飛行中に行うことが計画されているより複雑な実験、のフィージビリティスタディ。

Abstract

短期、中期および長期の無重力時の認知機能のこれまでの研究で、精神的および/またはモータのプロセスが唯一の自然の中で記述され、そして心理的側面に焦点を当てている。今までは、神経生理学的パラメータの客観的な観察 ​​が行われていない-間違いなく、技術と方法論を意味するので、利用されていない- 、無重力の神経生理学的影響への調査は彼らの幼年時代（。シュナイダーら 2008）にあります。

このような陽電子放射断層撮影（PET）や磁気共鳴画像（MRI）などのイメージング技術は、空間にはほとんど適用されることですが、非侵襲的な近赤外分光法（NIRS）の手法は、リアルタイムで脳の血行動態のプロセスをマッピングする方法を示しそれは両方とも比較的安価であり、過酷な条件下で用いることができること。脳波（EEG）との組み合わせはelectrotomography（ロレタ）を使用してインスタンスのために、より細かい時間分解能でだけでなく、より深い局在と重力の条件を変更することでelectrocorticalプロセスを以下の可能性を開きます。

これまでの研究では、通常の重力条件下でβ周波数活性の上昇とパラボリックフライト中の無重力条件下で低下を示した（シュナイダーら。2008A + B）。傾斜の研究では、パラボリックフライトの変更はむしろ血行動態の変化よりも感情的なプロセスを反映するかもしれないこと、を示唆できるように脳機能の異なる変化を明らかにした。しかし、これらが変更さ重力や脳内の血行動態変化の影響であるかどうかはまだ不明である。ロレタ/ EEGとNIRS組み合わせることで初めてそれが可能と脳の両方の血行動態と電気生理学的プロセスに対する無重力と低重力の影響をマッピングするために行う必要があります。当初は、これは放物線飛行中にフィージビリティスタディの一環として行われることです。その後、それはまた、中期および長期の宇宙飛行中に両方の技術を使用するために計画されています。

それは、血液量の長期的な再配分と仮定することができると脳への酸素の供給に関連した増加はまた、貧血のプロセスを担当している中枢神経系の変化につながる、とのパフォーマンスを低下させるオンにすることができます（デサントら、2005）、これは、ミッション（Genik ら、2005、エリス2000年）の成功と安全にとって極めて重要であることを意味します。

これらの結果に応じて、それは大規模な対策を開発し、使用することが必要となるだろう。 MARS500試験の初期結果は、心血管や運動系、スポーツと身体活動の文脈におけるその重要性に加えて、神経認知パラメータを改善する役割を果たすことができる、ことを示唆している。これは完全に確立する前に、しかし、神経生理学的プロセスおよび関連する神経認知障害に重力状態の変化の影響についての詳細を学ぶために必要であると思われる。

Protocol

1。実験手順

1. 地上で飛行前の準備 - 主題準備が空港で別室で行われます。 （飛行前に1〜2時間）
   1. EEG / NIRSのキャップの取り付け
      1. 電極とNIRセンサーは脳波キャップを使用して頭皮に添付されています。このメソッドは、センサーの位置が正しいことを保証します。
      2. キャップのサイズは、被験者の頭部の大きさによって決定されます。
      3. 演算子は、キャップの正しい位置の確認します。 CZの電極は、頂点（[後]頭骨とタマネギの間の点の中間）、PO9 - PO10上にあり、FP1 - FP2電極が水平になる、キャップは対称です。
      4. 心拍数の電極を胸に置かれている
   2. インピーダンスの最小化
      1. 脳の製品actiCAP電極は、コントロールボックスに接続されています。
      2. すべての電極は、インピーダンス測定が開始されると、赤色の電源LEDが、含まれています。
      3. 髪の毛は鈍先端が針と電極の先端から離れて移動されます。
      4. ゲルは、電極の先端と皮膚の表面との間に注入されます。
      5. インピーダンスが減少するなど、LEDの変化の色、。ターゲットインピーダンスの値が達成されている場合、最初の赤い色が黄色になると、黄色は、緑色になります。
      6. アクティブ電極は、この値以下の良好な信号対ノイズ比を提供するので、ターゲットインピーダンスは25キロオームである。したがって、キャップの準備は、迅速かつ便利です。
      7. 演算子は、リファレンスとグラウンド電極、およびすべての他の電極の繰り返しで作業を開始します。
2. ボード飛行前の準備について
   1. プレ測定
      1. 被験者は実験中に配置されている、シートベルトが緩く固定されている
      2. ケーブルが接続され、電池がロードされます。
      3. 演算子は脳波とNIRSモジュールを開始、接続性およびEEG / NIRS信号の品質を制御します。
      4. 休止状態EEG / NIRSを記録する。被験者は、任意のタスクを持っていない。
      5. 録音が停止されます。
      6. 被験者は、地面に認知タスクを実行します。認知タスクが注目/計算タスク（ですhttp://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833?mt=8被験者はより大きい式のその側面を特定する必要があります）、スピードと精度との関係で他の。
   2. 装置の保管
      1. オペレータは、カメラと離陸用にiPhoneを格納します。
3. 飛行測定で
   1. 準備
      1. オペレータは、手すりにビデオカメラをマウントし、記録を開始します。
      2. iPhoneのは、被験者の上肢に配置されます。
      3. オペレータは、EEGとNIRSモジュールを開始しますEEG / NIRS信号の品質を制御し、記録を開始します。
   2. 測定
      1. 被験者は放物線11月15日と16から20の間に5つの放物線の二つのブロックの間に認知タスクを実行します。タスクは、無重力または標準重力でランダムな順序で実行されます。のみ休止状態EEG / NIRSは、最初の10放物線の間に記録されます。最後の放物線は（図1参照）がない以前の測定の場合に使用されます。
      2. 演算子は、録音を制御し、主題を指示する。演算子は、認知テストと時間のすべての結果を書き込みます。
4. 地上飛行後の測定で
   1. 休止状態NIRS /脳波測定が行われる。

我々は、（シュナイダーら2008 + 2009年）の前に示すように無重力中に増加した脳の活性化を見つけることを期待。我々は、さらにその無重力で前頭葉の脳と重力で下の酸素組織の増加酸素組織を参照してください期待しています。注目のタスクが原因で無重力の高い中心的な活性化と覚醒に無重力でさらに多分前と後の飛行をしに比べて全体の飛行中に損なわれることになっています。

2。代表的な結果

我々は前頭皮質の増加、脳皮質の活動を観察し、頭と後頭葉皮質、2000年に活動を減少することができた過重力の相から無重力への移行のマッピング - 2350ミリ無重力の発症（図2a、b）の後。 sLORETAは、モータの計画、組織と規制の過程で感覚とニーモニック情報の統合と執行機能に関与することが知られている背外側前頭前野、ブロードマンの脳地図のエリア9、（図3a、bにこの増加前頭葉の活性化をローカライズ許可）。さらに、被験者2は、ブロードマンエリア6、体の安定化の過程で感覚指導の役割を果たしている（図3bを参照）運動前野、の増加を示した。

最初の10個の放物線で平均、NIRS分析では、過重力の科目の両方の減少酸素化ヘモグロビン（HHB）濃度と同様に無重力状態で増加した酸素化ヘモグロビン（O2Hb）が明らかになった。被検体1のHHBヘモグロビンのために我々は前に無重力だけでなく、無重力後の無重力と重力の相の間に減少に過重力の相の増加の傾向を発見した。この主題O2Hbでは放物線に続くベースライン10〜15秒に戻っていた。コントラストのテーマ2では前に無重力に過重力の段階でO2Hbの減少とともにわずかに増加、無重力後の過重力時の無重力状態の間に増加と減少を示した。この主題O2Hbために約30秒以下の放物線（図4a、b）のために減少させるために残った

認知タスクは、プリフライトのセッションに比べて飛行中に通常の重力の参加者の両方のパフォーマンスが低下するの得点をもたらした。唯一の主題2 weightlessnes（図5）に減少したスコアを示した。

図1。パラボリックフライトシーケンス。飛行中の作業と測定のため、放物線の数は、灰色で示されている、アポストロフィと数字は、放物線の間に長い休憩の長さを示します。

無重力で2500ミリ秒までの無重力の前に500ミリ秒の時間枠（重力で）上の2科目の図2は、マッピングビュー。ビューには、頭の上からのものである。多少の円は、電極位置、青の色が減少し、マイクロボルトでelectrocortical活動の赤い色の増加に黄色を示している。

図3 3ロレタビュー。（上：上記、左下から：左側から、右下：バックから）無重力の発症後の2350ミリ秒までは2000ミリ秒の時間枠上の2科目の。赤い色は増加し脳の活動を示している。

図4 NIRSトレース（赤：酸素化ヘモグロビン、青：重力レベル：黒脱酸素化ヘモグロビン、）。：最初の重力の段階（1.8以上、通常の重力で放物線（黄色の領域1G）の前に40秒から一放物線の期間にわたってG：青の領域）、無重力（0G：赤の領域）と第二重力の相（1.8G：放物線の後40秒までの青色の部分）。重力レベルは（トレースの減少は、通常の重力（1G）に等しい0から始まる重力の増加を意味する。ここに示すデータは10放物線の平均である逆に表示されます。

図5。測定の飛行前のトレーニングや無重力の機内（0G）と通常の重力（1G）のパフォーマンス参加者1の認知タスクのスコア（青のトレース）と2（赤のトレース）。

Discussion

これまでの極端な条件下では欠落している脳イメージング手法認知能力や精神状態に障害の基礎となる神経生理学的プロセスのために評価されていない。本稿では、パラボリックフライトの過程で脳皮質活動と酸素レベルの変化を表示することができたとロレタとNIRSと組み合わせて脳波を用いて脳内でこれらの変更をローカライズすることができます。予想通り、我々は、前頭葉の脳領域（ブロードマンエリア9 +6）に局在していた無重力中electrocortical活性の増加を、発見。結果は、遷移脳皮質活動の後、約2000ミリ秒は、主に前頭葉の脳領域に変更されることを示している。それは、ブロードマンの領域6,9におけるこの増加した活動は、重力変化の条件でボディの安定性だけでなく、運動能力を維持するために、変更した重力状態を検出し、処理する脳のメカニズムを反映していると想定される場合があります。

血行動態の変化については、放医研ではHHB​​は中等度の変化を示したのに対し、前頭葉の脳のO2Hbが劇的に、最初の過重力相と無重量の増加で減少することを明らかにした。したがって、この効果は、単に血液量の変化に起因することができます。可能性が高く、これはO2Hbの増加が1.8 Gから0G（特に図4の）への移行の前に長い発生、特にとして、脳自動調節の種類を反映するように思われる。コントラストO2HbとHHB第二重力の相の減少の両方で。

認知タスクの結果は、通常の重力やプリフライトのセッションに比べて機内無重力の間に明確な障害を示していない。 2つの主題は明確な文の結果に基づいてパラボリックフライトや脳の活動と酸素化レベルでの増加とともに無重力では認知能力に影響を与えるかどうかが可能です。以前の研究は、このコンテキストのストレスにも役割（シュナイダーら、2007）を果たすかもしれないことを信じる理由を与える、コルチゾール濃度にもかかわらず、何の変更は、両方の科目を得ることはできなかった。さらにデータは、これらの知見を検証するために、脳皮質活動の変化、血行動態の変化だけでなく、認知能力の相関関係を可能にするために必要とされる。

変更重力のさまざまな段階を通して地元の脳皮質活動の変化と酸素化レベルのその監視を示したものであり、このホワイトペーパーでは、NIRSとロレタと組み合わせて脳波使用することで可能になります。これらの結果は、宇宙研究のための成功であり、重力や無重力で脳皮質活動の複雑でローカルの変更を表示し、脳内の客観的変化と精神的またはモーターのテストを相関させるようになります。次のステップは、長期的な宇宙ミッションの間にこの方法を適用することです。