الترابط بين وظائف الدماغ القشرية وأداء عصبي خلال تغيير شروط الجاذبية

يطبق هذا الإجراء تقنية تسجيل مدمجة بين تخطيط كهربية الدماغ (EEG) والمطيافية بالأشعة تحت الحمراء القريبة لتحديد المدى الذي يعود فيه انخفاض الأداء المعرفي العصبي في حالة انعدام الوزن إلى التأثيرات الأولية للتغيرات الهيموديناميكية والقشرية الكهربائية، أو إلى تأثيرات ثانوية مرتبطة بالإجهاد. ويتم تحقيق ذلك من خلال مراقبة التغيرات في النشاط القشري الكهربائي للمشاركين أثناء رحلة مكافئة (parabolic flight)، بما في ذلك مراحل الجاذبية الصغرى، والجاذبية الصغرى، والجاذبية العادية. ويمكن مراقبة التغيرات الهيموديناميكية داخل الفص الجبهي للدماغ بالتوازي باستخدام المطيافية بالأشعة تحت الحمراء القريبة أو الأعصاب.

يمكن بعد ذلك تحديد موقع التغيرات في نشاط القشرة الدماغية باستخدام التصوير المقطعي الكهرومغناطيسي. وتتمثل الخطوة النهائية في ربط التغيرات الكهربائية القشرية والتغيرات الديناميكية الدموية. وفي النهاية، تظهر النتائج أن التغيرات الديناميكية الدموية الناتجة عن تغير ظروف الجاذبية ترتبط بتغيرات في الوظيفة الكهربائية القشرية.

تكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق الحالية مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) أو التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)، في أن التصوير الكهربائي المقترن بالتصوير المقطعي الكهربائي ومطيافية الأشعة تحت الحمراء القريبة يمكن تطبيقه في البيئات القاسية، مثل الرحلات الجوية المكافئة أو الرحلات الفضائية مع أحمال محدودة ومساحة ضيقة في ظل انعدام الجاذبية عبر HyperV، كما أنها تتيح قياس وربط التغيرات في النشاط الكهربائي العصبي والتغيرات في الديناميكا الدموية داخل الدماغ. وتساعد هذه الطريقة في الإجابة على أسئلة جوهرية في مجال الفسيولوجيا العصبية وأبحاث الفضاء، مثل مدى تأثير تغير ظروف الجاذبية في إحداث تغيرات قشرية كهربائية وديناميكية دموية، كما تساهم في تحديد المواضع الدقيقة التي تحدث فيها هذه التغيرات في الدماغ وما يترتب عليها من نتائج.

بمجرد تحديد العمليات الفيزيولوجية العصبية الكامنة، وتحديد ما يحدث لوظائف القشرة الدماغية وللديناميكا الدموية أثناء تواجدنا في الفضاء، وفي حالة انعدام الوزن، سنتمكن من تطوير تدابير مضادة محددة لتحسين جودة الحياة، ونجاح المهمة، وسلامتها. لذا، يمكن لهذه الطريقة أن توفر رؤى حول آليات عمل الدماغ، أو يمكن تطبيقها أيضًا على أنظمة أخرى مثل الاعتلالات العصبية لدى المرضى العصبيين، أو الفكرة الأساسية حول كيفية عمل أدمغتنا. لقد راودتنا الفكرة الأولى لهذا البحث عندما سمعنا عن تدهور الوظائف الإدراكية العصبية لدى رواد الفضاء المقيمين في الفضاء.

يعد العرض المرئي لهذه الطريقة أمراً بالغ الأهمية نظراً لصعوبة تعلم خطوات التحليل بسبب تعدد طرق معالجة البيانات وتحليلها. قبل الرحلة بساعة أو ساعتين، يتم نقل المشاركين إلى غرفة في المطار للتحضير للتجارب. أولاً، يتم قياس محيط الرأس وتنظيف فروة الرأس حتى يتمكن الباحثون من وضع غطاء EEG المزود بأجهزة إرسال واستقبال مدمجة على رأس المشارك.

الخطوة التالية هي تحديد مواضع القطبين FP one و FP two. أولاً، يتم قياس المسافة بين الـ nasn والـ inion، ثم يتم تحديد نقطة عند مسافة تعادل عُشر المسافة بين الـ Sian والـ inion. وبدءاً من الـ Sian، يتم وضع علامتين على يسار ويمين الخط الناصف عند مسافة تعادل جزءاً من عشرين من محيط الرأس.

تحتوي القلنسوة على الأقطاب الكهربائية التي سيتم تثبيتها على فروة الرأس، وهي تضمن الوضع الصحيح للمجسات. يتم اختيار قلنسوة تخطيط كهربية الدماغ (EEG) تكون مناسبة لحجم رأس المشارك، ثم يتم سحب القلنسوة وتثبيتها فوق الرأس.

يتم فحص رأس المشارك ووضعيته. يجب أن يكون القطب الكهربائي CZ عند قمة الرأس، بينما تكون الأقطاب FP1 و FP2 و O1 و O2 في وضع أفقي وعلى العلامات المحددة، ويتم تثبيت حزام الذقن لضمان بقاء الغطاء في وضع متماثل وصحيح. بعد ذلك، يتم وضع قطب معدل ضربات القلب؛ وللقيام بذلك، يمكن استخدام أحد أقطاب تخطيط كهربائية الدماغ (EEG) ووضع المستشعر على صدر المشارك.

يتم الآن تقليل ممانعة الأقطاب الكهربائية والتحقق من توصيل الإشارة. يحتوي كل قطب كهربائي على مصابيح LED، والتي سيتم قراءتها عند بدء قياس الممانعة. يتم إبعاد الشعر عن طرف القطب الكهربائي باستخدام إبرة ذات طرف غير مدبب، ويُحقن الجل بين طرف القطب وسطح الجلد، بدءاً بالأقطاب المرجعية وأقطاب التأريض.

عند حقن الهلام، سيتغير لون مصابيح الـ LEDs مع انخفاض المعاوقة، بحيث يتحول اللون الأحمر الأولي أولاً إلى الأصفر ثم إلى الأخضر. وعند الوصول إلى قيمة المعاوقة المستهدفة وهي 25 kilo ohms، ستوفر الأقطاب الكهربائية نسبة إشارة إلى ضجيج جيدة عند هذه القيمة المستهدفة أو أقل منها. تكرر هذه العملية لجميع أقطاب الغطاء.

بمجرد تجهيز غطاء الأقطاب الكهربائية لكلا المشاركين، يتم إعطاؤهم تعليمات حول تفاصيل الرحلة المكافئة والجدول الزمني التجريبي الذي سيتم اتباعه. كما يُعرض على المشاركين مخطط عام للمنحنيات المكافئة من الصفر إلى 30 والمهام التي يجب تنفيذها. بالإضافة إلى ذلك، تتم مراجعة الإعلانات الشفهية التي توضح متى وكيف يتم بدء الاختبارات وإيقافها.

أخيرًا، يتم نقل المشاركين إلى الطائرة لإجراء تحضيرات الرحلة على متنها. وبمجرد صعودهم، يجلس المشاركون بجانب بعضهم البعض في الإعداد التجريبي، مع ربط أحزمة الأمان بشكل فضفاض. ثم يتم توصيل كابلات EEG بصندوق التحكم في الأقطاب الكهربائية، ويُوصل صندوق التحكم في الأقطاب الكهربائية بالمضخم.

بعد ذلك، يتم تثبيت الـ OIDs العصبية والمستقبل في حامل الـ OID الموجود في غطاء EEG. عند هذه النقطة، يتم تشغيل وحدة EEG NERS، والتي تتحكم في الاتصال وجودة الإشارة.

بعد ذلك، يتم تشغيل برنامج EEG والأعصاب وفتح مساحة عمل للتسجيل. ثم يتم فتح البيانات، وإدخال اسم الملف وتردد التسجيل والمونتاج.

في حال كانت أي من الإشارات غير مثالية، يتم إعادة ضبط قيم المعاوقة لتخطيط كهربية الدماغ (EEG) أو قيم نظام الحصول على البيانات (DAQ) للأعصاب، أو يتم حقن المزيد من الهلام حسب الحاجة. عند هذه النقطة، يبدأ تسجيل إشارات تخطيط كهربية الدماغ وإشارات الأعصاب، ويتم جمع قياسات الحالة الراحة الأولية.

لا يتوجب على المشاركين القيام بأي مهام في هذه المرحلة، ولكن يجب عليهم البقاء في حالة سكون واسترخاء مع إبقاء أعينهم مغلقة. يتم إيقاف التسجيل بعد ثلاث دقائق. وبعد فترة الراحة، سيؤدي المشاركون اختباراً أساسياً للمهمة المعرفية المعروفة بتحدي السبورة.

وأخيراً، يتم إيقاف تشغيل جميع الأجهزة وفصل صندوق التحكم في أقطاب تخطيط كهربائية الدماغ (EEG) بالإضافة إلى أجهزة الـ optos والمستقبل الخاص بالممرضة. تُخزن جميع المعدات، بما في ذلك الكاميرا وأجهزة الـ iPhone، في مقصورة مخصصة للتحضير للإقلاع، حيث تبدأ تجارب الطيران. وبمجرد وصول الطائرة إلى ارتفاع التحليق، تتمثل الخطوة الأولى في تثبيت كاميرا الفيديو على الحاجز اليدوي، ثم بدء تسجيل الفيديو.

بعد ذلك، يتم إجلاس المشاركين في مقاعدهم وربط أحزمة الأمان بشكل فضفاض. يجب أن يظل المشاركون جالسين على الأقل من القطع المكافئ صفر حتى 25. يتم تثبيت أجهزة iPhone على الساق العلوية للمشاركين باستخدام شريط فيلكرو (Velcro).

الآن، يتم توصيل صندوق التحكم في أقطاب تخطيط كهربية الدماغ (EEG)، وتثبيت الألياف الضوئية العصبية والمستقبل في حامل الألياف الضوئية الموجود في القبعة. يتم تشغيل وحدة تخطيط كهربية الدماغ والأعصاب، والتحقق من جودة إشارة العصب من خلال فحص ممانعة تخطيط كهربية الدماغ وقيم NS DAQ. يتم إجراء تسجيل حالة الراحة لمدة ثلاث دقائق.

سيتم استخدام القطع المكافئ الأول، والذي يُسمى القطع المكافئ صفر، للسماح للمشاركين بالتكيف مع الإجراء ومع التغير في ظروف الجاذبية. بعد ذلك، وخلال القطوع المكافئة من واحد إلى 10، يتم تسجيل تخطيط كهربية الدماغ (EEG) في حالة الراحة فقط بينما يجلس المشاركون بهدوء في مقاعدهم مع إغلاق أعينهم. بعد ذلك، يتم تحضير المشاركين للمهام المعرفية التي سيتم تنفيذها خلال مجموعتين من خمسة قطوع مكافئة.

يتحكم المشغل في التسجيل، حيث يقوم بإعطاء التعليمات للمشاركين كما يحفظ نتائج الاختبارات المعرفية والأوقات. في هذه المهمة الخاصة بالمعالجة المعرفية، يحدد المشارك أي جانب من المعادلة أكبر من الآخر، ويقوم البرنامج بتسجيل سرعة ودقة استجابة المشارك، ومن ثم يتم إعطاء درجة نهائية مرتفعة بناءً على الدقة والسرعة وأعلى مستوى وصل إليه المشارك خلال الفقرات من 11 إلى 15.

سيقوم المشارك الأول بأداء هذه المهمة في بيئة انعدام الجاذبية (zero G)، بينما يقوم المشارك الثاني بأدائها في بيئة جاذبية واحدة (one G). ثم خلال القطعات المكافئة من 16 إلى 20، سيقوم المشارك الأول بأداء هذه المهمة في بيئة جاذبية واحدة (one G) والمشارك الثاني في بيئة انعدام الجاذبية (zero G) بشكل متقطع. تُسجل قياسات الراحة أثناء التسلسل المكافئ وأيضاً قبل القطعة المكافئة الأولى وبعد الأخيرة. يمكن استخدام القطعات المكافئة العشر الأخيرة في حال الحاجة إلى تكرار أي قياسات أو تجارب سابقة.

بمجرد العودة إلى الأرض، يُسمح للمشاركين والمشغل بمغادرة الطائرة مؤقتاً قبل العودة إلى الإعداد التجريبي وتجهيز كل شيء للقياسات البعدية. في هذا الوقت، يتم تكرار قياسات تخطيط كهربية الدماغ (EEG) في حالة الراحة. وبمجرد اكتمال جميع التسجيلات وإزالة القبعة عن المشارك، تنتهي التجربة باستخدام التصوير المقطعي الكهرومغناطيسي للدماغ منخفض الدقة أو Loretta.

من الممكن تحديد التغيرات الفردية في نشاط القشرة الدماغية الجبهية. بالنسبة للمشارك الأول، تم تحديد موقع التغيير الذي حدث بعد 2000 ميلي ثانية من بداية الجاذبية الصغرى في منطقة Broadman area nine، والتي تنتمي إلى القشرة الجبهية الظهرية الجانبية. وتلعب هذه المنطقة دوراً هاماً في دمج المعلومات الحسية والتذكر في سياق تنظيم وتنظيم التخطيط الحركي.

بالنسبة للمشارك الثاني، يمكن أن تكون هذه التغييرات موضعية في منطقة برودمان التاسعة وأيضاً في منطقة برودمان السادسة، وهي القشرة أمام الحركية، والمعروفة بدورها في التنظيم الحسي أثناء عملية تثبيت الجسم. يوضح المخطط التالي مطيافية الأشعة تحت الحمراء القريبة في المنطقة الأمامية من الدماغ. ويشير المنحنى الأسود إلى مستوى G.

تشير الخلفية الصفراء إلى الجاذبية الطبيعية، بينما تشير الخلفية الزرقاء إلى الجاذبية المفرطة، وتشير الخلفية الوردية إلى الجاذبية الصغرى كما هو متوقع. هناك انخفاض في الدم المؤكسج كما يظهر من خلال التتبع الأحمر في مرحلة الجاذبية الصغرى، يليه زيادة في الدم المؤكسج في مرحلة الجاذبية الصغرى.

تظهر نتائج مماثلة في هذا الشكل من مشارك آخر. ومن المثير للاهتمام أن كمية الدم منزوع الأكسجين، كما يوضح الخط الأزرق، لم تظهر سلوكاً ثابتاً خلال مرحلة HyperV الأولى أو مرحلة انعدام الوزن، ولكنها أظهرت انخفاضاً لدى كلا الشخصين في مرحلة HyperV الثانية. يوضح هذا الشكل المهمة المعرفية لشخصين عبر ثلاث نقاط قياس خلال التدريب، حيث تم القياس قبل الرحلة في حالة انعدام الجاذبية (zero Gs)، وأثناء الرحلة، وأيضاً عند قوة جاذبية واحدة (one G) خلال الرحلة.

تختلف الدرجات بين المبحوثين، مما يشير إلى أن التدهور المعرفي العصبي الذي تم الإبلاغ عنه سابقاً أثناء الرحلات المكافئة هو على الأرجح ناتج عن ردود فعل فردية تجاه التوتر. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن تكتسب فهماً جيداً لكيفية تطبيق تقنية EEG و fNIRS المدمجة، بالإضافة إلى كيفية مراقبة النشاط القشري الكهربائي والتغيرات في الديناميكا الدموية بالتوازي. وأثناء محاولة تنفيذ هذا الإجراء، من المهم التحقق من جودة الإشارة ومراقبة سلوك المبحوثين.

قد تمهد هذه التقنيات الطريق للباحثين المهتمين بوظائف القشرة الدماغية واستكشاف آثار الجاذبية الصغرى على هذه الوظائف، وبمجرد تحديد هذه الآليات، قد يساهم ذلك في مساعدة المرضى ورواد الفضاء وكذلك الأشخاص العاديين.