Summary
ההשפעה של חוסר משקל ו hypergravity משני תהליכים hemodynamic ו אלקטרו במוח הולך להיות אחריו במהלך הטיסה פרבוליות ידי טכניקות EEG ו NIRS. בדיקת היתכנות של ניסוי מורכב יותר, אשר תכנן לבצע במהלך טיסת חלל בינוני וארוך.
Abstract
מחקרים קודמים של תהליכים קוגניטיביים, נפשי ו / או מוטוריות במהלך משקל קצר, בינוני וארוך היה רק תיאורי הטבע, התמקדו בהיבטים הפסיכולוגיים. עד עכשיו, התבוננות אובייקטיבית של פרמטרים neurophysiological לא בוצעה - אין ספק כי אמצעים טכניים ומתודולוגיים לא היה זמין - חקירות ההשפעות neurophysiological של חוסר משקל נמצאים הינקות שלהם (Schneider et al 2008)..
בעוד שיטות הדמיה כגון טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים (PET) תהודה מגנטית (MRI) יהיה רלוונטי כמעט בחלל, לא פולשנית קרוב אינפרא אדום (NIRS) טכניקת הספקטרוסקופיה מהווה שיטת מיפוי תהליכים hemodynamic במוח בזמן אמת כי הוא גם זול יחסית וזה יכול להיות מועסק אפילו בתנאים קיצוניים. השילוב עם electroencephalography (EEG) פותח את האפשרות של ביצוע תהליכים electrocortical תחת תנאים משתנים הכבידה עם רזולוציה עדינה הזמני, כמו גם עם לוקליזציה עמוק יותר, למשל עם electrotomography (LORETA).
מחקרים קודמים הראו עלייה של פעילות תדר ביתא בתנאי כבידה רגילים ירידה בתנאי חוסר משקל במהלך הטיסה פרבוליות (Schneider et al. 2008a + b). מחקרים גילו שינויים הטיה שונות בתפקוד המוח, המאפשרים מציע, כי השינויים טיסה פרבוליות עשוי לשקף תהליכים רגשיים יותר מאשר שינויים hemodynamic. עם זאת, עדיין לא ברור אם אלה הם תופעות הכובד השתנה או שינויים hemodynamic בתוך המוח. שילוב ה-EEG / LORETA ו NIRS צריך בפעם הראשונה לעשות את זה אפשרי כדי למפות את ההשפעה של משקל וכוח הכבידה מופחת משני תהליכים hemodynamic ו אלקטרו במוח. בתחילה, זה צריך להיעשות במסגרת מחקר היתכנות במהלך טיסה פרבוליות. לאחר מכן, הוא מתוכנן גם להשתמש בשתי טכניקות במהלך טיסת חלל בינוני וארוך.
ניתן להניח כי חלוקה מחדש לטווח ארוך של נפח הדם ואת הגידול הקשורים באספקת החמצן למוח יוביל לשינויים במערכת העצבים המרכזית, כי הם גם אחראים תהליכים אנמית, ואת אשר בתורו יכול לפגוע בביצועי (דה סנטו et al. 2005), כלומר הם יכולים להיות מכרעת להצלחת והבטיחות של שליחות (Genik et al. 2005, אליס, 2000).
בהתאם לתוצאות אלו, יהיה צורך לפתח ולהפעיל אמצעי נגד נרחב. תוצאות ראשוניות של מחקר MARS500 מראים כי, בנוסף על משמעותם בהקשר של מערכות הלב וכלי הדם של תנועה, ספורט ופעילות גופנית יכולים למלא תפקיד בשיפור פרמטרים נוירוקוגניטיבי. לפני זה ניתן לקבוע באופן מלא, עם זאת, נראה הכרחי כדי ללמוד יותר על ההשפעה של שינוי תנאי הכבידה על תהליכים נוירופיזיולוגיים ופגיעה נוירו קשור.
Protocol
1. נוהל ניסיוני
- על הכנת הקרקע לפני הטיסה - הכנה הנושא מתבצע בחדר נפרד בנמל התעופה. (1-2 שעות לפני מועד הטיסה)
- הרכבה את הכובע EEG / NIRS
- ניר אלקטרודות וחיישנים המחוברים לקרקפת באמצעות כובע EEG. שיטה זו מבטיחה את המיקום הנכון של החיישנים.
- הגודל של המכסה נקבעת על ידי גודל של ראשו של נושא
- המפעיל מוודא של המיקום הנכון של הכובע. אלקטרודה CZ על הקודקוד (באמצע הדרך בין נקודת nasion ובצל), את PO9 PO10-FP1 ו-Fp2 האלקטרודות אופקי, כובע הוא סימטרי.
- אלקטרודה קצב הלב ממוקם על החזה
- מזעור התנגדות
- מוצרים המוח אלקטרודות actiCAP מחוברים לתיבת הבקרה.
- כל אלקטרודה מכיל נוריות, אשר הופכים אדומים, כאשר מדידת עכבה הוא התחיל.
- השיער הוא התרחק מהקצה של האלקטרודה עם מחט קהה שקצהו.
- הג'ל מוזרק בין קצה האלקטרודה ואת פני השטח של העור.
- צבע לשנות את נוריות, כמו פוחתת עכבה. הצבע האדום הראשוני הופך צהוב, צהוב הופך ירוק, אם הערך עכבה המטרה מושגת.
- עכבה היעד הוא 25 kOhm, מאז אלקטרודות פעיל לספק מזון טוב אות לרעש ערך נמוך בהרבה. לכן הכנת כובע היא מהירה ונוחה.
- מפעיל מתחיל לעבוד על האלקטרודות התייחסות הקרקע, חוזר לכל אלקטרודות אחרים.
- הרכבה את הכובע EEG / NIRS
- ביום הכנה טרום הטיסה הלוח
- טרום מדידות
- נושאים ממוקמות לתוך הגדרת הניסוי, חגורות המושב מהודקים באופן רופף
- הכבלים מחוברים, סוללות נטענים.
- מפעיל מתחיל את מודול ה-EEG ו NIRS, שולט קישוריות איכות האות / NIRS EEG.
- הקלטה מנוחה EEG המדינה / NIRS. הנושאים אין לי שום משימה.
- ההקלטה היא נעצרה.
- הנבדקים לבצע את המשימה הקוגניטיבית על הקרקע. המשימה היא משימה קוגניטיבית תשומת לב / חישוב ( http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833?mt=8 ), שם נבדקים צריך לזהות את הצד הזה של המשוואה שהוא גדול יותר אחרים ביחס המהירות והדיוק.
- אחסון ציוד
- המפעיל חנויות את המצלמה ואת iPhones להמראה.
- טרום מדידות
- במדידה טיסה
- הכנה
- המפעיל עולה על וידאו המצלמה במעקה ומתחיל להקליט.
- IPhones ממוקמות על הרגל העליונה של הנבדקים.
- מפעיל מתחיל את מודול ה-EEG ו NIRS, שולט על איכות האות / NIRS EEG, ומתחיל את ההקלטה.
- מדידה
- הנבדקים לבצע את המשימה הקוגניטיבית במהלך שני בלוקים של חמישה פרבולות בין פרבולה 11-15 ו - 16-20. המשימות יבוצעו בסדר אקראי על המשקל או הכובד הרגילה. רק מנוחה EEG המדינה / NIRS נרשם במהלך 10 פרבולות הראשון. פרבולות האחרון ישמש במקרה של מדידות קודמות חסר (ראה תרשים 1).
- המפעיל שולט הקלטה, מנחה את הנבדקים. המפעיל יהיה לרשום את כל תוצאות הבדיקות ושעות קוגניטיבי.
- הכנה
- על מדידת הקרקע שלאחר הטיסה
- מדידה מנוחה EEG / NIRS המדינה מתבצעת.
אנו מצפים למצוא הפעלה מוחית מוגברת במהלך משקל כפי שמוצג לפני (Schneider et. Al 2008 + 2009). בנוסף, אנו מצפים לראות כל כך רקמות חמצן מוגברת במוח חזיתית משקל ורקמות חמצן נמוך hypergravity. המשימה תשומת הלב אמורה להיות לקוי במשך כל הטיסה לעומת טיסה של לפני ואחרי, ואולי אפילו יותר משקל עקב הפעלת מרכזי עוררות גבוהה של חוסר משקל.
2. נציג תוצאות
מיפוי המעבר משלב hypergravity כדי משקל הצלחנו לצפות בפעילות המוח מוגברת בקליפת המוח בקליפת המוח הקדמית וירידה בפעילות קליפת הזמני העורפית 2000 - 2350 מילישניות לאחר הופעת משקל (איור 2 א ', ב). sLORETA מותר localizing זה הפעלה חזיתית מוגברת באזור Brodmann 9 של קליפת המוח הקדם חזיתית דורסולטרלי, אשר ידוע להיות מעורב פונקציות מנהלים עם שילוב של מידע חושי שינון במהלך ארגון תכנון המנוע, תקנה, (איור 3 א, ב). בנוסף, נושא 2, הראה גידול Brodmann אזור 6, קליפת premotor, אשר ממלא תפקיד הדרכה החושית במהלך ייצוב הגוף (ראה איור 3 ב).
בממוצע לכל 10 פרבולות הראשון, ניתוח NIRS חשף ירד המוגלובין מחומצן (HHb) ריכוז של שני נושאים hypergravity וכן המוגלובין מחומצן מוגברת (O2Hb) ב משקל. עבור המוגלובין HHb ב 1 נושא מצאנו מגמה של עלייה לשלב hypergravity לפני משקל וכן ירידה במהלך משקל ואת השלב hypergravity אחרי משקל. ב O2Hb הנושא הזה חזר לקו הבסיס 10-15 שניות לאחר פרבולה. בנושא ניגוד 2 הראו עלייה קלה, יחד עם ירידה של O2Hb בשלב hypergravity לפני משקל, גידול במהלך משקל וירידה במהלך hypergravity אחרי משקל. עבור O2Hb הנושא הזה נשאר להיות ירידה של כ 30 שניות לאחר פרבולה (איור 4 א, ב)
המשימה הקוגניטיבית הביאה עשרות ביצועים ירידה הן המשתתפים הכבידה הרגילה במהלך הטיסה לעומת ישיבה המכין. רק 2 נושא הראה ציון ירד weightlessnes (איור 5).
באיור 1. רצף טיסה Parabolic. סדר משימות מדידות במהלך הטיסה; מספר פרבולות מסומנים באפור, מספרים עם גרש לציין את משך ההפסקות יותר בין פרבולות.
איור 2 להציג מיפוי של שני נושאים על פרק זמן של 500 מילישניות לפני משקל (ב hypergravity) עד 2500 ms ב משקל. היא צפה מעל הראש; עיגולים קטנים מצביעים על עמדות אלקטרודה, מפחית צבע כחול וצהוב לעליות צבע אדום בפעילות electrocortical מיקרו וולט.
איור 3 שלוש תצוגות LORETA. (למעלה: מלמעלה, שמאל למטה: מצד שמאל, ימין למטה: מהחלק האחורי) של שני נושאים על פרק זמן של עד 2000 ms 2350 ms לאחר התפרצות של חוסר משקל. צבע אדום מציין פעילות מוחית מוגברת.
איור 4 עקבות NIRS (אדום: המוגלובין מחומצן, כחול: המוגלובין deoxygenated, שחור: רמת הכבידה). פני תקופה של פרבולה אחד מ 40 שניות לפני פרבולה בכבידה רגילה (1G: אזור צהוב), על השלב hypergravity הראשון (1.8 G: אזור כחול), משקל (0G: אזור אדום) ואת השלב hypergravity השני (1.8G: אזור כחול) עד 40 שניות לאחר פרבולה. רמת הכבידה מוצג הפוך (ירידה של זכר פירושו להגדיל הכובד החל מ 0 שווה הכבידה הרגילה (1G). הנתונים שמוצגים הם בממוצע מעל 10 פרבולות.
איור 5. הציון ביצוע משימה קוגניטיבית של משתתף 1 (כחול זכר) ו -2 (אדום זכר) לאימונים המדידות לפני טיסה בטיסה של חוסר משקל (0G) ו הכבידה הרגילה (1G).
Discussion
בשל חסר מוח שיטות הדמיה בתנאים קיצוניים עד כה התהליכים neurophysiological הבסיסית לירידת ביצועים קוגניטיביים ועל מצב נפשי לא נבדקו. במאמר זה הצלחנו להציג שינויים בפעילות המוח קליפת המוח ואת רמת חמצון במהלך טיסה פרבוליות ו למקם את השינויים הללו בתוך המוח באמצעות EEG בשילוב עם LORETA ו NIRS. כצפוי, מצאנו עלייה בפעילות electrocortical במהלך משקל, אשר היה מקומי באזורי המוח הקדמית (אזורים Brodmann 9 6). התוצאות מראות כי כ 2000 מילישניות לאחר פעילות המעבר המוח קליפת המוח משתנה בעיקר באזורי מוח חזיתית. זה יכול להיות להניח כי זו פעילות מוגברת באזור Brodmann 6 ו - 9 משקף את המנגנונים של המוח באיתור ועיבוד תנאי הכבידה שינה כדי לשמור על יציבות הגוף, כמו גם היכולת המוטורית בתנאי כבידה שונה.
לגבי שינויים hemodynamic, NIRS גילה כי O2Hb של המוח הקדמית יורדת באופן דרמטי בשלב הראשון hypergravity עליות משקל, ואילו, HHb הראו רק שינויים מתונים. בהתאם לכך השפעה זו לא ניתן לייחס את שינוי של נפח הדם בלבד. סביר יותר שזה נראה כדי לשקף סוג של autoregulation מוחין, במיוחד את הגידול של O2Hb מתרחשת הרבה לפני המעבר ל-G 1.8 0G (בעיקר איור 4). בניגוד O2Hb ו HHB הן ירידה בשלב hypergravity השני.
התוצאות של הפעילות הקוגניטיבית מצביעים על שום ליקוי ברור במהלך הכובד משקל רגיל או בטיסה לעומת ישיבה המכין. על סמך התוצאות של שני נושאים לא אמירה ברורה אפשרי אם טיסות פרבוליות או חוסר משקל, יחד עם הגידול בפעילות המוח שלה ואת רמת חמצון יש השפעה על התפקוד הקוגניטיבי. מחקרים קודמים לתת סיבה להאמין כי הלחץ בהקשר זה עשוי גם לשחק תפקיד (Schneider et al. 2007), זאת ללא שינויים בריכוז קורטיזול ניתן להשיג בשני נושאים. מידע נוסף נדרש כדי לאמת את הממצאים הללו ולאפשר המתאם של שינויים בפעילות המוח קליפת המוח, שינויים hemodynamic כמו גם ביצועים קוגניטיביים.
מאמר זה נועד להראות כי ניטור של השינויים המקומיים בפעילות המוח קליפת המוח ואת רמת חמצון לאורך השלבים השונים של הכובד השתנה אפשרי באמצעות EEG בשילוב עם NIRS ו LORETA. תוצאות אלו הצלחה לחקר החלל יאפשר הצגת שינויים מורכבים המקומי של פעילות המוח קליפת המוח של hypergravity או משקל ו correlating בדיקה נפשית או מנוע עם שינויים המטרה במוח. השלב הבא הוא ליישם את השיטה במהלך ארוך טווח משימות חלל.
Disclosures
ההפקה של מאמר זה מומן על ידי מוצרים המוח, GmbH. רולאן Csuhaj הוא עובד של מוצרים המוח, GmbH, המייצרת מכשיר המשמשים במאמר זה.
Acknowledgments
ברצוננו להודות מוצרים המוח GmbH לספק, את הציוד שלהם מומחיות לעזור. מחקר זה מומן על ידי משרד הפדרלית של הכלכלה והטכנולוגיה באמצעות מענק מטעם סוכנות החלל הגרמני (DLR) 50WB0819.
References
- 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. Anemia and erythropoietin in space flights. Semin Nephrol. 25, 379-387 (2005).
- Ellis, S. Collisions in space. , 4-9 (2000).
- Genik, R. J. 2nd, Green, C. C., Graydon, F. X., Armstrong, R. E. Cognitive avionics and watching spaceflight crews think: generation-after-next research tools in functional neuroimaging. Aviat Space Environ Med 76. , 208-212 (2005).
- Schneider, S., Brummer, V., Carnahan, H., Dubrowski, A., Askew, C. D., Struder, H. K. What happens to the brain in weightlessness? A first approach by EEG tomography. Neuroimage. 42, 1316-1323 (2008).
- Schneider, S., Brummer, V., Mierau, A., Carnahan, H., Dubrowski, A., Strueder, H. K. Increased brain cortical activity during parabolic flights has no influence on a motor tracking task. Exp Brain Res. 185, 571-579 (2008).
- Schneider, S., Brummer, V., Gobel, S., Carnahan, H., Dubrowski, A., Struder, H. K. Parabolic flight experience is related to increased release of stress hormones. Eur J Appl Physiol. 100, 301-308 (2007).
