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

Резюме

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.

Аннотация

Previous studies of cognitive, mental and/or motor processes during short-, medium- and long-term weightlessness have only been descriptive in nature, and focused on psychological aspects. Until now, objective observation of neurophysiological parameters has not been carried out - undoubtedly because the technical and methodological means have not been available -, investigations into the neurophysiological effects of weightlessness are in their infancy (Schneider et al. 2008).

While imaging techniques such as positron emission tomography (PET) and magnetic resonance imaging (MRI) would be hardly applicable in space, the non-invasive near-infrared spectroscopy (NIRS) technique represents a method of mapping hemodynamic processes in the brain in real time that is both relatively inexpensive and that can be employed even under extreme conditions. The combination with electroencephalography (EEG) opens up the possibility of following the electrocortical processes under changing gravity conditions with a finer temporal resolution as well as with deeper localization, for instance with electrotomography (LORETA).

Previous studies showed an increase of beta frequency activity under normal gravity conditions and a decrease under weightlessness conditions during a parabolic flight (Schneider et al. 2008a+b). Tilt studies revealed different changes in brain function, which let suggest, that changes in parabolic flight might reflect emotional processes rather than hemodynamic changes. However, it is still unclear whether these are effects of changed gravity or hemodynamic changes within the brain. Combining EEG/LORETA and NIRS should for the first time make it possible to map the effect of weightlessness and reduced gravity on both hemodynamic and electrophysiological processes in the brain. Initially, this is to be done as part of a feasibility study during a parabolic flight. Afterwards, it is also planned to use both techniques during medium- and long-term space flight.

It can be assumed that the long-term redistribution of the blood volume and the associated increase in the supply of oxygen to the brain will lead to changes in the central nervous system that are also responsible for anaemic processes, and which can in turn reduce performance (De Santo et al. 2005), which means that they could be crucial for the success and safety of a mission (Genik et al. 2005, Ellis 2000).

Depending on these results, it will be necessary to develop and employ extensive countermeasures. Initial results for the MARS500 study suggest that, in addition to their significance in the context of the cardiovascular and locomotor systems, sport and physical activity can play a part in improving neurocognitive parameters. Before this can be fully established, however, it seems necessary to learn more about the influence of changing gravity conditions on neurophysiological processes and associated neurocognitive impairment.

протокол

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).

Обсуждение

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.