ब्रेन cortical फंक्शन और चेंज्ड ग्रेविटी स्थितियां दौरान Neurocognitive प्रदर्शन के बीच जुटना

Summary

और मस्तिष्क में दोनों hemodynamic और electrophysiological प्रक्रियाओं पर weightlessness hypergravity के प्रभाव ईईजी और NIRS तकनीक द्वारा परवलयिक उड़ान के दौरान पीछा किया जा रहा है. एक अधिक जटिल प्रयोग है, जो मध्यम और लंबी अवधि के अंतरिक्ष उड़ान के दौरान बाहर ले जाने की योजना बनाई है एक व्यवहार्यता अध्ययन

Abstract

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.

Protocol

1. प्रायोगिक प्रक्रिया – पूर्व उड़ान जमीन तैयार करने में विषय की तैयारी हवाई अड्डे पर एक अलग कमरे में किया जाता है. (1-2 घंटे उड़ान से पहले) ईईजी / NIRS टोपी बढ़ते इलेक्ट्रोड और सेंसर NIR एक ईईजी खोपड़ी टोपी का उपयोग करने के लिए संलग्न कर रहे हैं. इस विधि सेंसरों की सही स्थिति सुनिश्चित करता है. टोपी के आकार के विषय के सिर के आकार के द्वारा निर्धारित किया जाता है ऑपरेटर टोपी की सही स्थिति का यकीन है कि बनाता है. CZ इलेक्ट्रोड शिखर (nasion और प्याज के बीच बिंदु से रास्ते के मध्य में), PO9 PO10 पर है और FP1 – Fp2 इलेक्ट्रोड क्षैतिज हैं, टोपी सममित है. दिल की दर इलेक्ट्रोड छाती पर रखा गया है प्रतिबाधा के न्यूनतम ब्रेन उत्पाद actiCAP इलेक्ट्रोड नियंत्रण बॉक्स के लिए जुड़े हुए हैं. हर इलेक्ट्रोड एल ई डी, जो लाल बारी, जब प्रतिबाधा माप शुरू कर दिया है शामिल हैं. बाल कुंद इत्तला दे दी एक सुई के साथ इलेक्ट्रोड की नोक से दूर ले जाया जाता है. जेल इलेक्ट्रोड की नोक और त्वचा की सतह के बीच इंजेक्शन है. एल ई डी परिवर्तन के प्रतिबाधा घटने के रूप में, रंग. प्रारंभिक लाल रंग पीला हो जाता है, पीले हरे हो जाता है, अगर लक्ष्य प्रतिबाधा मूल्य हासिल की है. लक्ष्य प्रतिबाधा 25 kOhm है, के बाद से सक्रिय इलेक्ट्रोड इस मूल्य से कम अच्छा संकेत शोर राशन उपलब्ध कराने के. इसलिए टोपी तैयारी जल्दी और सुविधाजनक है. ऑपरेटर के लिए संदर्भ और जमीन इलेक्ट्रोड, और अन्य सभी इलेक्ट्रोड के लिए दोहराता पर काम शुरू होता है. बोर्ड तैयारी पूर्व उड़ान पर प्री – माप विषय प्रयोगात्मक सेटअप में रखा जाता है, सीट बेल्ट fastened शिथिल हैं केबल्स जुड़े हुए हैं, बैटरी लोड कर रहे हैं. ऑपरेटर ईईजी और NIRS मॉड्यूल शुरू होता है, कनेक्टिविटी और ईईजी / NIRS संकेत की गुणवत्ता को नियंत्रित करता है. आराम राज्य ईईजी / NIRS रिकॉर्डिंग. विषयों के किसी भी कार्य नहीं है. रिकॉर्डिंग बंद कर दिया है. विषयों जमीन पर संज्ञानात्मक कार्य करते हैं. संज्ञानात्मक कार्य / ध्यान गणना (कार्य है http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833?mt=8 ), जहां विषयों के लिए जो तुलना में बड़ा है कि एक समीकरण के पक्ष पहचान है गति और सटीकता के संबंध में अन्य. उपकरण भंडारण ऑपरेटर कैमरा और iPhones के लिए दूर ले भंडार. उड़ान माप में तैयार संचालक रेलिंग वीडियो कैमरा के लिए mounts और रिकॉर्डिंग शुरू होता है. iPhones के विषयों के ऊपरी पैर पर रखा जाता है. ऑपरेटर ईईजी और NIRS मॉड्यूल शुरू होता है, ईईजी / NIRS संकेत की गुणवत्ता नियंत्रण, और रिकॉर्डिंग शुरू होता है. माप विषयों परवलय 11-15 और 16-20 के बीच पांच parabolas के दो ब्लॉकों के दौरान संज्ञानात्मक कार्य करते हैं. टास्क weightlessness या सामान्य गुरुत्व में एक यादृच्छिक क्रम में प्रदर्शन किया जाएगा. केवल आराम की स्थिति में ईईजी / NIRS पहले 10 parabolas के दौरान दर्ज की गई है. पिछले parabolas लापता पिछले माप के मामले में इस्तेमाल किया जाएगा है (चित्रा 1 देखें). ऑपरेटर रिकॉर्डिंग नियंत्रण है, और विषयों के निर्देश. ऑपरेटर नीचे संज्ञानात्मक परीक्षण और समय के सभी परिणाम लिखना होगा. जमीन माप पोस्ट उड़ान पर आराम कर राज्य / ईईजी NIRS माप बाहर किया जाता है. हम उम्मीद weightlessness के दौरान वृद्धि हुई मस्तिष्क सक्रियण मिल के रूप में (Schneider एट 2008 + 2009 अल) से पहले दिखाया. हम आगे की उम्मीद है तो weightlessness में ललाट मस्तिष्क में वृद्धि हुई oxygenated ऊतक और hypergravity में कम oxygenated ऊतक देखें. पूरी उड़ान के दौरान पहले और बाद उड़ान के लिए और शायद यह भी weightlessness में अधिक उच्च मध्य और weightlessness में सक्रियण arousal कारण तुलना में ख़राब हो ध्यान कार्य माना जाता है. 2. प्रतिनिधि परिणाम मानचित्रण hypergravity चरण से weightlessness के लिए संक्रमण हम ललाट प्रांतस्था में वृद्धि हुई मस्तिष्क cortical गतिविधि का पालन करने में सक्षम थे और अस्थायी और पश्चकपाल प्रांतस्था में 2000 गतिविधि में कमी – weightlessness की शुरुआत (चित्रा 2a, ख) के बाद 2350 एमएस. sLORETA Brodmann 9 क्षेत्र dorsolateral prefrontal प्रांतस्था, जो कार्यकारी कार्यों में संवेदी और मोटर की योजना, संगठन, और विनियमन के पाठ्यक्रम में स्मरक जानकारी के एकीकरण के साथ शामिल हो जाता है (चित्र 3a, ख में इस वृद्धि की ललाट सक्रियण स्थानीयकृत की अनुमति दी). इसके अलावा, 2 विषय Brodmann 6 क्षेत्र, premotor प्रांतस्था, जो संवेदी मार्गदर्शन में शरीर के स्थिरीकरण के पाठ्यक्रम में एक भूमिका निभाता है (चित्रा 3b देखें) में वृद्धि देखी गई. पहले 10 parabolas में औसतन, NIRS विश्लेषण hypergravity में दोनों विषयों की oxygenated हीमोग्लोबिन (HHB) एकाग्रता के रूप में के रूप में अच्छी तरह से बढ़ weightlessness में oxygenated हीमोग्लोबिन (O2Hb) में कमी का पता चला. एक विषय में HHB हीमोग्लोबिन के लिए हम hypergravity चरण में एक वृद्धि की प्रवृत्ति से पहले के रूप में अच्छी तरह के रूप में weightlessness और weightlessness के बाद hypergravity चरण के दौरान एक कमी weightlessness पाया. इस विषय O2Hb में आधारभूत करने के लिए वापस आ गया था परवलय के बाद 10 से 15 सेकंड. इसके विपरीत विषय में 2 hypergravity चरण में O2Hb की कमी के साथ साथ weightlessness के लिए पहले एक मामूली वृद्धि हुई है, weightlessness के दौरान वृद्धि हुई है और एक कमी weightlessness के बाद hypergravity के दौरान दिखाया. इस विषय O2Hb के लिए के बारे में 30 सेकंड निम्नलिखित परवलय (चित्रा 4a, ख) के लिए कम किया जा रहा संज्ञानात्मक कार्य सामान्य गुरुत्व में उड़ान के दौरान दोनों प्रतिभागियों के लिए कम प्रदर्शन स्कोर में एक preflight सत्र की तुलना में परिणामस्वरूप. केवल विषय 2 weightlessnes में एक कम स्कोर (चित्रा 5) से पता चला है. चित्रा 1 अणुवृत्त आकार उड़ान अनुक्रम. उड़ान के दौरान कार्य और माप के आदेश, parabolas की संख्या ग्रे में संकेत कर रहे हैं, apostrophe के साथ संख्या parabolas के बीच अब टूट की लंबाई संकेत मिलता है. चित्रा 2 weightlessness में 2500 एमएस तक weightlessness पहले 500 (hypergravity) में एमएस की समय सीमा पर दो विषयों की मैपिंग दृश्य. देखें सिर के ऊपर से है, थोड़ा हलकों इलेक्ट्रोड पदों, नीले रंग कम हो जाती है और माइक्रो वोल्ट में electrocortical गतिविधि के लाल रंग बढ़ जाती है के लिए पीले रंग से संकेत मिलता है. चित्रा 3 तीन LORETA दृश्य (ऊपर: ऊपर, नीचे, बाएँ से: बाईं ओर से, नीचे सही: पीछे से) एमएस 2000 की समय सीमा पर दो विषयों की +२३५० एमएस weightlessness की शुरुआत के बाद जब तक. लाल रंग मस्तिष्क गतिविधि में वृद्धि इंगित करता है. चित्रा 4 NIRS की (लाल गुरुत्वाकर्षण स्तर: हीमोग्लोबिन oxygenated, नीले: deoxygenated हीमोग्लोबिन, काले) निशान: 1.8, पहले hypergravity चरण से अधिक (एक परवलय की अवधि में 40 सेकंड से सामान्य गुरुत्वाकर्षण में परवलय से पहले (पीले क्षेत्र 1G ). नीले क्षेत्र), weightlessness (0G:: जी लाल क्षेत्र) और दूसरा hypergravity चरण (1.8G: परवलय के बाद 40 सेकंड तक नीले क्षेत्र). ग्रेविटी स्तर प्रदर्शित व्युत्क्रम (ट्रेस की कमी 0 सामान्य गुरुत्व (1G) के बराबर से शुरू गुरुत्वाकर्षण की वृद्धि का मतलब है दिखाया गया डेटा पर औसतन 10 parabolas है. 5 चित्रा 1 भागीदार के संज्ञानात्मक कार्य के प्रदर्शन स्कोर (नीला ट्रेस) और 2 माप प्रशिक्षण उड़ान से पहले और weightlessness में inflight (0G) और सामान्य गुरुत्व (1G) के लिए लाल (ट्रेस) .

Discussion

अब तक के चरम स्थितियों के तहत कारण मस्तिष्क इमेजिंग तरीकों लापता संज्ञानात्मक प्रदर्शन और मानसिक स्थिति में हानि के लिए अंतर्निहित neurophysiological प्रक्रियाओं का मूल्यांकन नहीं किया गया है. इस पत्र में हम मस्तिष्क cortical गतिविधि में परिवर्तन और एक अणुवृत्त आकार का उड़ान के पाठ्यक्रम में oxygenation स्तर प्रदर्शित करने के लिए और मस्तिष्क के भीतर इन परिवर्तनों स्थानीयकरण का उपयोग करने में सक्षम थे ईईजी LORETA और NIRS के साथ संयुक्त. जैसी कि उम्मीद थी, हम weightlessness के दौरान electrocortical गतिविधि में वृद्धि हुई है, जो ललाट मस्तिष्क क्षेत्रों (Brodmann क्षेत्रों 6 9) में स्थानीयकृत किया गया था पाया. परिणामों से संकेत मिलता है कि लगभग 2000 संक्रमण मस्तिष्क cortical गतिविधि के बाद एमएस ललाट मस्तिष्क क्षेत्रों में मुख्य रूप से बदल दिया है. यह माना जा सकता है कि Brodmann क्षेत्र 6 और 9 में इस वृद्धि की गतिविधि मस्तिष्क का पता लगाने और प्रसंस्करण बदल गुरुत्वाकर्षण शर्तों के क्रम में शरीर के रूप में के रूप में अच्छी तरह से बदल गुरुत्वाकर्षण की स्थिति में मोटर की क्षमता स्थिरता रखने के तंत्र को दर्शाता है हो सकता है.

Hemodynamic परिवर्तन के बारे में, NIRS से पता चला है कि ललाट मस्तिष्क के O2Hb पहली hypergravity चरण और weightlessness में वृद्धि में नाटकीय रूप से कम हो जाती है, जबकि HHB केवल उदारवादी परिवर्तन दिखाया. तदनुसार इस आशय केवल रक्त की मात्रा के एक बदलाव के लिए नहीं ठहराया जा सकता. अधिक संभावना यह करने के लिए मस्तिष्क autoregulation की तरह प्रतिबिंबित करती हैं, खासकर के रूप में O2Hb की वृद्धि 1.8 जी से 0G (आंकड़ा 4 में विशेष रूप से) संक्रमण के लंबे समय से पहले होता है लगता है. इसके विपरीत O2Hb और दूसरे hypergravity चरण में दोनों कमी HHB.

संज्ञानात्मक कार्य के परिणाम सामान्य गुरुत्वाकर्षण या एक preflight सत्र की तुलना में inflight weightlessness के दौरान कोई स्पष्ट हानि का संकेत मिलता है. दो विषयों की कोई स्पष्ट बयान परिणामों के आधार पर संभव है कि परवलयिक उड़ानों या मस्तिष्क गतिविधि और oxygenation के स्तर में वृद्धि के साथ साथ weightlessness संज्ञानात्मक प्रदर्शन पर एक प्रभाव है. पहले के अध्ययनों को विश्वास है कि इस संदर्भ में तनाव में भी एक भूमिका (Schneider एट अल 2007.) निभा सकता है कारण दे, फिर भी कोर्टिसोल एकाग्रता में कोई बदलाव नहीं दोनों विषयों के लिए प्राप्त किया जा सकता है . इसके अलावा डेटा के लिए इन निष्कर्षों को मान्य है और मस्तिष्क cortical गतिविधि में परिवर्तन, hemodynamic परिवर्तन के रूप में अच्छी तरह के रूप में संज्ञानात्मक प्रदर्शन के सहसंबंध की अनुमति की जरूरत है.

यह बदल गुरुत्वाकर्षण के विभिन्न चरणों के दौरान मस्तिष्क cortical गतिविधि और oxygenation स्तर में स्थानीय परिवर्तन की कि निगरानी दिखाने के लिए इरादा कागज NIRS और LORETA के साथ संयोजन में ईईजी का उपयोग करके संभव है. इन परिणामों अंतरिक्ष अनुसंधान के लिए एक सफलता कर रहे हैं और hypergravity या weightlessness में cortical गतिविधि मस्तिष्क की जटिल और स्थानीय परिवर्तन प्रदर्शित और मस्तिष्क में उद्देश्य परिवर्तन के साथ correlating मानसिक या मोटर परीक्षण सक्षम हो जाएगा. अगले कदम के लिए लंबी अवधि के अंतरिक्ष मिशन के दौरान इस पद्धति लागू है.