Summary
두뇌에 모두 hemodynamic 및 electrophysiological 프로세스에 무중력 상태와 hypergravity의 효과는 뇌파와 NIRS 기술에 의해 포물선 비행 중 뒤에 될 것입니다. 타당성 중간 장기 우주 비행 중 수행 계획입니다 좀 더 복잡한 실험의 연구.
Abstract
짧은 -, 중간 및 장기 무중력 동안인지 이전 연구, 정신 및 / 또는 운동 과정은 자연 속에서 설명되고, 그리고 심리적 측면에 초점을 맞추고있다. 지금까지, neurophysiological 매개 변수의 객관적인 관찰이 수행되지 않았습니다 - 기술 및 방법론 수단을 사용할되지 않은 의심의 여지가 있기 때문에 - 무중력의 neurophysiological 효과에 조사들이 초기에 (슈나이더 외 2008)..
이러한 양전자 방출 tomography (PET)과 자기 공명 영상 (MRI)와 같은 이미징 기술이 공간에서 거의 적용 될 동안, 비침습 가까운 적외선 분광법 (NIRS) 기술은 실시간으로 두뇌의 hemodynamic 프로세스를 매핑하는 방법을 나타냅니다 그 모두 상대적으로 저렴하고 심지어 극단적인 조건에서 근무하실 수 있습니다. electroencephalography (EEG)와 조합 electrotomography (LORETA)를 예를 들어, 미세한 시간적 해상도뿐만 아니라 깊은 현지화과 중력 조건 변경에서 electrocortical 프로세스를 다음의 가능성을 엽니다.
이전 연구는 정상적인 중력 조건 하에서 베타 주파수 활동의 증가와 포물선 비행 중 무중력 상태에 따라 감소했다 (슈나이더 외 있습니다. 2008a + B). 틸트 연구 포물선 비행 변화가 오히려 hemodynamic 변화보다는 정서적인 프로세스를 반영하는 수도, 제안 뇌 기능에 다양한 변화를 공개했다. 그러나, 이러한가 변경 중력이나 두뇌 속에 hemodynamic 변화의 영향인지 아직 확실하지 않다. LORETA / EEG와 NIRS 결합은 처음으로 그것이 가능한 뇌를 두 hemodynamic 및 electrophysiological 프로세스에 무중력과 중력의 감소 효과를지도해야합니다. 처음에는, 이것은 포물선 비행 중 타당성 조사의 일환으로 수행되는 것입니다. 나중에, 그것도 중간 장기 우주 비행 중 두 기술을 사용하는 계획입니다.
이것은 혈액 볼륨과 두뇌에 산소의 공급에 관련된 증가의 장기 재배포도 빈혈이 프로세스에 대한 책임은 중추 신경계의 변화로 이어질 것이라는 가정 수 및 감소 성능을 바꿀 수있는 (데 산토 외. 2005), 이는 그들이 사명 (Genik 외. 2005 년 엘리스 2000)의 성공과 안전을 위해 중요한 수는 것을 의미합니다.
이러한 결과에 따라, 그것은 광범위한 대응책을 개발하고 고용하기 위해 필요합니다. MARS500 연구에 대한 초기 결과는 심혈관 및 운전하는 시스템, 스포츠와 신체 활동의 맥락에서 자신의 중요성 이외에 neurocognitive 매개 변수를 개선하는 역할을 할 수 것이 좋습니다. 이것이 완전히 설치되기 전에, 그러나, 그것은 neurophysiological 프로세스와 관련된 neurocognitive 장애에 대한 중력의 조건을 변화의 영향에 대한 자세한 내용은 필요한 것 같습니다.
Protocol
1. 실험 절차
- 지상 사전 비행 준비에 - 주제 준비는 공항에서 별도의 방에 이루어집니다. (1-2시간 비행 전)
- EEG / NIRS 뚜껑을 장착
- 전극과 NIR 센서가 뇌파 뚜껑을 사용하여 두피에 붙어있다. 이 방법은 센서의 정확한 위치를 보장합니다.
- 뚜껑의 크기는 피사체의 머리의 크기에 의해 결정됩니다
- 연산자는 모자의 정확한 위치 확인합니다. CZ 전극의 정점 (nasion와 양파 사이의 중간 지점), PO9 - PO10에 있으며 Fp1 - Fp2 전극이 수평이고, 뚜껑이 대칭이다.
- 심장 박동 전극은 가슴에 배치됩니다
- 임피던스의 최소화
- 브레인 제품 actiCAP 전극은 컨트롤 박스에 연결됩니다.
- 모든 전극은 임피던스 측정이 시작되면 빨간색 LED가 차례를 포함하고 있습니다.
- 머리가 야기한 스쳐 바늘로 떨어진 전극의 끝부분에서 이동합니다.
- 젤은 전극의 팁 및 피부의 표면 사이에 주입합니다.
- 임피던스 감소로 LED가 변화의 색깔. 대상 임피던스 값을 얻을 경우 초기 붉은 색이 노란색되고, 노란색, 녹색이됩니다.
- 활성 전극이 값을 아래에 좋은 신호 대 잡음의 배급을 제공 이후 대상 임피던스 25 kOhm입니다. 따라서 캡 준비 신속하고 편리합니다.
- 연산자는 참조 및 접지 전극, 그리고 다른 모든 전극에 대해 반복 작업을 시작합니다.
- EEG / NIRS 뚜껑을 장착
- 보드 미리 비행 준비에
- 사전 측정
- 과목은 실험 설정에 배치, 좌석 벨트는 느슨하게 고정 아르
- 케이블이 연결되어 있으며, 배터리가로드됩니다.
- 연산자는 뇌파 및 NIRS 모듈을 시작, 연결 및 EEG / NIRS 신호의 품질을 제어합니다.
- 휴식 상태 EEG / NIRS 녹음하기. 과목은 어떤 작업이 없습니다.
- 녹음이 중지됩니다.
- 과목은 지상에 인지적 작업을 수행합니다. 인지적 작업은주의 / 계산 작업 (수 있습니다 http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833?mt=8 과목보다 큰 방정식의 측면을 파악해야) 속도와 정확성과 관련하여 다른.
- 장비를 저장
- 연산자는 카메라와 이륙 아이폰을 저장합니다.
- 사전 측정
- 비행 측정
- 준비
- 오퍼레이터는 비디오 카메라가 난간에 마운트하고 녹음을 시작합니다.
- 아이폰은 과목의 위쪽 다리에 표시됩니다.
- 연산자는 뇌파 및 NIRS 모듈을 시작 EEG / NIRS 신호의 품질을 제어하고, 녹음을 시작합니다.
- 측량
- 과목 포물선 11-15과 16-20 사이에 다섯 parabolas 두 블록 중 인지적 작업을 수행합니다. 작업은 무중력 상태 또는 정상적인 중력에 무작위 순서로 수행됩니다. 오직 휴식 상태 EEG / NIRS는 처음 10 parabolas 동안 기록됩니다. 마지막 parabolas는 (그림 1 참조)가 누락 이전 측정의 경우에 사용됩니다.
- 연산자는 기록을 제어하고, 각 주제에 지시합니다. 연산자인지 검사와 시간이 모든 결과를 기록합니다.
- 준비
- 지상 후 비행 측정에
- 휴식 상태 NIRS / 뇌파 측정 수행됩니다.
우리는 (+ 2,009 슈나이더 동부 표준시. 알 2008) 이전에와 같이 무중력 동안 증가 대뇌 활성화를 찾을 것으로 기대합니다. 그래서 무중력 상태에있는 전두엽 뇌 증가 산소 조직 및 hypergravity에서 낮은 산소 조직을보고 우리는 더 기대하고 있습니다. 주의 작업은 전후 비행과 어쩌면 무중력 더욱 인해 무중력 상태에서 높은 중앙 활성화 및 각성에 비해 전체 비행 중 장애인 있어야합니다.
2. 대표 결과
hypergravity 단계에서 무중력 상태로의 전환을 매핑 우리는 전두엽 피질에서 증가된 뇌 피질 활동을 관찰할 수 있었다 그리고 측두엽과 후두 피질 2000 년 활동 감소 - 무중력의 시작 (그림 2A, B) 이후 2350 MS합니다. sLORETA 모터 계획, 조직 및 규제 과정에서 감각과 기억하는 정보의 통합과 집행 기능에 참여하는 것으로 알려져 있습니다 dorsolateral 전두엽 피질의 Brodmann 영역 9 (그림 3A, B이 증가 전두엽 활성화를 현지화 허용). 또한, 주제 2 (그림 3B 참조) 신체 안정화 과정에서 감각지도의 역할을 Brodmann 영역 6 premotor 피질에서 증가했다.
처음 10 parabolas 이상의 평균, NIRS 분석 hypergravity 두 과목의 산소 헤모글로빈 (HHb) 집중뿐만 아니라 무중력 증가 산소 헤모글로빈 (O2Hb)을 감소 밝혔다. 주제 1 HHb 헤모글로빈을 위해 우리는 사전 무중력 상태뿐만 아니라 무중력 후 무중력과 hypergravity 단계 동안 감소에 hypergravity 단계에서 증가 추세를 발견했습니다. 이 주제 O2Hb에서 포물선 다음 다시 기본으로 10-15 초되었다. 반면 제목 2 이전 무중력 상태에 hypergravity 단계에서 O2Hb의 감소와 함께 약간 증가, 무중력 후 hypergravity 동안 무중력 동안 증가와 감소했다. 이 주제 O2Hb에 대한 약 30 초 다음과 같은 포물선 (그림 4A, B)의 감소로 남아
인지적 작업은 비행 세션에 비해 비행 중 정상 비중 모두에서 참가자 감소 성능 점수 결과. 제목만 2 weightlessnes의 감소 점수 (그림 5)을 보여주었다.
그림 1. 포물선 비행 시퀀스. 비행 중 작업과 측정의 주문, parabolas의 번호가 회색으로 표시됩니다, 아포 스트로피와 숫자가 parabolas 사이에 더 이상 휴식 시간의 길이를 나타냅니다.
무중력 상태에서 2500 MS 때까지 무중력 전에 500 MS (hypergravity 년)의 기간 동안 두 과목의 그림 2 매핑 볼 수 있습니다. 보기 머리 위에서이며 작은 동그라미 전극 위치, 파란색의 감소와 마이크로 볼트에 electrocortical 활동의 붉은 색 증가에 노란색을 나타냅니다.
그림 3 세 LORETA 전망. (상단 : 위, 아래 왼쪽에서 : 왼쪽에서 오른쪽 하단 : 뒤쪽에서) 무중력 상태의 발병 이후 2350까지 MS 2000 MS의 기간 동안 두 과목 중. 레드 색상은 증가된 뇌 활동을 나타냅니다.
그림 4 NIRS의 흔적 (적색 : 중력 수준의 산소 헤모글로빈, 파랑 : deoxygenated 헤모글로빈, 블랙). 정상적인 중력의 포물선하기 전에 40 초 한 포물선의 기간 동안 (1G : 노랑 지역) 첫 hypergravity 단계 이상은, (1.8 G : 파란색 영역), 무중력 상태 (0G : 빨간색 영역)와 두 번째 hypergravity 단계 (1.8G : 포물선 후 40 초까지 파란색 영역). 중력 수준 (추적의 감소가 정상적인 중력 (1G) 동등 0부터 시작하는 중력의 증가를 의미합니다. 표시된 데이터 10 parabolas 이상 평균 반대 표시됩니다.
그림 5. 측정 비행 전에 훈련과 무중력 상태에서 기내 (0G)와 정상적인 중력 (1G)에 대한 성능 참가자 1 인지적 작업의 점수 (블루 추적)과 2 (빨간색 추적).
Discussion
인해 극단적인 조건 두뇌 이미징 방법을 누락하는 지금까지인지 성능과 정신 상태에서 장애에 대한 기본 neurophysiological 프로세스는 평가되지 않았습니다. 본 논문에서 우리는 뇌의 피질 활동의 변화와 포물선 비행의 과정에서 산소 수준을 표시하고 사용하는 뇌 내에서 이러한 변경 사항을 집중시킬 수 있었다는 EEG LORETA와 NIRS와 결합된. 예상했던대로, 우리는 전두엽 뇌 영역 (Brodmann 영역 9 +6)에서 현지화된되었습니다 무중력 동안 electrocortical 활동 증가를 발견했습니다. 결과 전환 두뇌 피질 활동 후 약 2000 MS가 정면 두뇌 지역에서 주로 변경되고있는 것으로 나타났습니다. 그것은 Brodmann 영역 6 9이 증가 활동이 두뇌가 신체의 안정성뿐만 아니라 변경 중력 조건에서 모터의 능력을 유지하기 위해 감지하고 변경 중력 조건을 처리 메커니즘을 반영하는 것으로 간주 수 있습니다.
hemodynamic 변경에 관해서는, NIRS는 HHb은 적당한 변화를 갖게 반면 전두엽 뇌 O2Hb 크게, 첫 번째 hypergravity 단계와 무중력 증가에서 감소하는 것으로 나타났습니다. 따라서이 효과는 전적으로 혈액 볼륨의 변화에 의한 수 없습니다. 더 많은 가능성이 O2Hb의 증가는 1.8 G에서 0G (특히 그림 4)로 전환하기 전에 긴 발생 특히, 뇌성 autoregulation의 종류를 반영하는 것 같습니다. 반면 O2Hb 및 HHB 두 번째 hypergravity 단계에서 모두 감소.
인지적 작업의 결과는 정상적인 중력 또는 비행 세션에 비해 기내 무중력 동안 아무런 명확한 손상을 나타냅니다 없습니다. 두 과목 알 수없는 진술의 결과에 따라 포물선 비행이나 두뇌 활동과 산소 수준에서의 증가와 함께 무중력 상태가인지 성능에 영향을 가지고 있는지 수 있습니다. 이전 연구가이 컨텍스트 스트레스에도 역할 (슈나이더 외. 2007) 재생 수 있다고 생각하는 이유를주고, cortisol의 농도에도 불구하고 아무런 변경 사항은 두 과목 얻을 수 없습니다. 또한 데이터가 이러한 결과를 확인하고 두뇌 피질 활동의 변화, hemodynamic 변화뿐만 아니라인지 성능 상관 관계를 허용하도록 필요합니다.
변경 중력의 여러 단계에 걸쳐 뇌 피질 활동과 산소 수준의 로컬 변경 사항의 모니터링을 표시하기위한 본 논문은 NIRS와 LORETA EEG와 함께 사용하여 가능합니다. 이러한 결과는 우주 연구에 성공하고 hypergravity 또는 무중력 상태에서 뇌 피질 활동의 복잡하고 로컬 변경 사항을 표시하고 두뇌의 목적 변경과 정신 또는 모터 테스트를 연관 활성화됩니다. 다음 단계는 장기 우주 동안이 방법을 적용하는 것입니다.
Disclosures
이 문서의 생산은 뇌 제품, GmbH를 후원했다. 롤랜드 Csuhaj이 문서에서 사용되는 악기를 제조 뇌 제품, GmbH를,의 직원입니다.
Acknowledgments
우리는 그들의 장비, 전문 지식과 도움을 제공하는 브레인 제품 GmbH를 감사하고 싶습니다. 본 연구는 경제와 독일 우주국 (DLR) 50WB0819에서 교부금을 통해 기술의 연방 교육부 재정 지원되었다.
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