在重力变化条件下大脑皮层功能与神经认知表现之间的相干性

该实验采用脑电图（EEG）与近红外光谱技术相结合的记录方法，旨在确定在失重状态下神经认知功能下降在多大程度上源于血流动力学和电皮层变化的直接效应，还是源于与应激相关的间接效应。通过在抛物线飞行过程中监测参与者的电皮层活动变化（包括微重力阶段、微重力状态以及正常重力阶段），实现上述目标。同时，可利用近红外光谱技术或神经监测方法平行观测前额脑区的血流动力学变化。

随后可使用电磁层析成像技术对大脑皮层活动的变化进行定位。最后一步是关联皮层电活动与血流动力学变化。最终结果表明，重力条件改变所引起的血流动力学变化与皮层电生理功能的变化相关。

与现有的 MRI 或 PET 等方法相比，该技术的主要优势在于，结合了电层析成像和近红外光谱技术的电子照相术可在极端环境中实施，例如在抛物线飞行或太空飞行中，这些环境具有超重、失重、载荷受限和空间受限等特点。该方法能够测量并关联大脑内神经电活动与血流动力学变化。该技术有助于回答神经生理学和空间研究领域中的关键问题，例如重力条件改变所引发的血流动力学和皮层电活动变化。它有助于明确这些变化在大脑中的具体发生位置，以及这些变化所导致的后果。

一旦我们确定了潜在的神经生理学过程，一旦我们明确了在太空失重状态下大脑皮层功能和血流动力学会发生怎样的变化，我们就能够开发出特定的对抗措施，以提高生活质量、任务成功率和任务安全性。因此，该方法可为大脑工作机制提供深入见解，也可应用于其他系统，例如神经系统疾病患者所出现的神经认知功能障碍，或关于大脑运作基本原理的研究。我们最初是在了解到长期在太空生活的宇航员出现神经认知功能下降的情况后，产生了开展此项研究的想法。

该方法的可视化演示至关重要，因为数据分析步骤难以掌握，且存在多种数据处理和分析方式。飞行前一至两小时，将受试者带至机场的房间进行实验准备。首先，测量其头围并清洁头皮，以便将集成了近红外光学传感器和接收器的脑电图（EEG）帽佩戴在受试者头部。

下一步是标记 FP1 和 FP2 电极的位置。首先，测量鼻根点（nasn）与枕外隆凸（inion）之间的距离，然后从鼻根点向枕外隆凸方向量取该距离的十分之一。从此点开始，沿中线左右两侧分别标记两点，这两点到中线的距离均为头围的二十分之一。

帽内含有将要连接到头皮上的电极，并确保传感器处于正确位置。应选择适合受试者头围大小的脑电图（EEG）帽。接着，将帽套上头部。

检查参与者的头部及其位置。CZ 电极应位于头顶，FP1 和 FP2 电极以及 O1 和 O2 电极应处于水平位置并准确对准标记。固定下颌带以确保帽状电极保持对称且位置正确。接下来，放置心率电极，可使用一个 EEG 电极，将传感器置于参与者胸部。

现在将电极的阻抗降至最低，并检查信号传导情况。每个电极都包含LED灯，在开始阻抗测量时将被读取。使用钝头针将毛发从电极尖端移开，并在电极尖端与皮肤表面之间注入导电凝胶，首先从参考电极和接地电极开始。

随着凝胶的注入，LED灯的颜色会随着阻抗的降低而发生变化，初始的红色将先变为黄色，再变为绿色。当阻抗达到25千欧姆的目标值时，电极的工作状态将在此目标值或更低阻抗下提供良好的信噪比。该步骤需对所有帽状电极重复进行。

当两名参与者的电极帽准备就绪后，研究人员会向他们讲解抛物线飞行的详细信息以及实验的时间安排。向参与者展示从第0个到第30个抛物线阶段的示意图概览及相应需执行的任务。同时，研究人员还会回顾测试开始与停止时的口头指令，明确说明何时以及如何启动和终止测试。

最后，将受试者带至飞机上进行登机前飞行准备。登机后，受试者在实验装置中彼此相邻就座，安全带松散系好。脑电图（EEG）电缆连接至电极控制盒，电极控制盒再连接至放大器。

接下来，将神经OID和接收器固定到脑电帽的OID支架中。此时启动脑电NERS模块，该模块用于控制连接性和信号质量。

然后启动神经信号和脑电图软件，并建立用于记录的工作区。打开数据后，输入文件名、采样频率和导联方式。

如果任何信号不理想，则重新调整脑电图（EEG）的阻抗值或神经的数据采集（DAQ）值，或根据需要注入更多凝胶。此时，开始记录脑电图和神经信号，并采集静息状态下的prem测量数据。

此时，受试者无需执行任何任务，但应保持静止放松，并闭上双眼。记录持续三分钟后停止。休息期结束后，受试者将进行认知任务“黑板挑战”的基线测试。

最后，关闭所有设备，并断开脑电图电极控制箱以及护士的光学刺激器和接收器的连接。包括摄像机和iPhone在内的所有设备均存放于指定舱室内，以准备起飞。机上飞行实验在飞机达到巡航高度后开始。首先将视频摄像机安装至扶手上，然后启动视频录制。

接下来，让参与者坐在座位上，并将安全带松松系好。参与者至少应从零抛物线飞行阶段持续坐到第25次抛物线飞行阶段。使用魔术贴将iPhone固定在参与者的上腿部。

现在，已连接脑电图（EEG）电极控制箱，并将神经光刺激器和接收器固定在帽内的光刺激固定装置中。启动EEG和神经刺激模块，通过检查EEG阻抗和神经刺激数据采集（NS DAQ）值来验证EEG神经信号的质量。随后进行三分钟的静息状态记录。

第一个抛物线飞行段，即指定为“抛物线零段”，将用于让参与者适应实验流程以及重力条件的变化。随后，在第一至第十个抛物线飞行段期间，仅记录参与者闭眼静坐时的静息态脑电图（EEG）数据。接下来，参与者将准备进行认知任务，这些任务将在两个由五个抛物线飞行段组成的区块中完成。

记录过程由操作员控制，操作员向参与者发出指令，并保存认知测试的结果和时间。在此认知处理任务中，参与者需判断方程的哪一侧数值更大，程序会记录参与者的反应速度和准确性。系统将根据参与者的准确率、反应速度以及在抛物线11至15阶段中所达到的最高难度等级，给出最终的高分成绩。

参与者一将在零重力条件下执行此任务，而参与者二在1G条件下执行。随后，在第16至第20次抛物线飞行期间，参与者一将在1G条件下执行此任务，而参与者二在零重力条件下偶尔执行。在抛物线飞行序列期间，以及第一次抛物线飞行前和最后一次抛物线飞行后，均会记录休息状态下的测量数据。最后10次抛物线飞行可用于重复任何先前的测量或实验。

返回地面后，参与者和操作员可暂时离开飞机，随后重新进入实验装置，为后续测量做好各项准备。此时，再次进行静息态脑电图（EEG）的护理测量。当所有记录完成后，将电极帽从参与者头部取下，实验即通过低分辨率脑电磁断层成像（Loretta）结束。

可以确定前额叶皮层活动的个体变化。对于参与者一，在微重力开始后2000毫秒发生的脑活动变化定位于布罗德曼9区，该区域属于背外侧前额叶皮层。这一脑区在运动规划的组织与调控过程中，对感觉信息与记忆信息的整合具有重要作用。

对于参与者二，这些变化可定位于布罗德曼九区以及布罗德曼六区，即前运动皮层，后者以其在身体稳定过程中感觉调节的作用而著称。下一条曲线显示了前额脑区的近红外光谱。黑色曲线表示G水平。

黄色背景表示正常重力。蓝色背景表示超重力，粉色背景表示预期的微重力。在微重力阶段，氧合血量如红线所示出现下降，随后在微重力阶段又出现增加。

另一位参与者的实验结果与此图所示类似。有趣的是，如蓝色曲线所示的去氧血量在第一次高通气（HyperV）阶段或失重阶段并未表现出一致的变化趋势，但在两名受试者中均显示在第二次高通气阶段有所下降。该图展示了两名受试者在训练期间三个测量时间点的认知任务表现，分别是在飞行前零重力（zero Gs）条件下测量、飞行期间测量以及飞行期间在1个重力加速度（one G）条件下测量的结果。

不同受试者的评分存在差异，表明此前报道的抛物线飞行期间出现的神经认知功能下降很可能是由个体应激反应所致。观看本视频后，您应能够充分理解如何实施“e, e, g 和膝盖”联合技术，以及如何同步监测大脑皮层电活动和血流动力学变化。在实施该操作过程中，重要的是要检查信号质量，并持续监测受试者的行为表现。

这些技术可能为研究大脑皮层功能以及探索微重力对大脑皮层功能影响的研究人员开辟新的途径，一旦我们明确了这些机制，就可能为患者、宇航员以及普通人群带来帮助。