Die Kohärenz zwischen Gehirn Kortikale Funktion und neurokognitiven Leistungsfähigkeit während Changed Schwerelosigkeit

Dieses Verfahren wendet eine kombinierte EEG- und Nahinfrarotspektroskopie-Aufzeichnungstechnik an, um zu ermitteln, inwieweit eine verminderte neurokognitive Leistungsfähigkeit in Schwerelosigkeit auf die primären Effekte hämodynamischer und elektrokortikaler Veränderungen oder auf sekundäre, stressbedingte Effekte zurückzuführen ist. Dies wird erreicht, indem Veränderungen der elektrokortikalen Aktivität der Teilnehmer während eines Parabelfluges überwacht werden, einschließlich Phasen der Mikrogravitation, Mikrogravitation und Normalgravitation. Hämodynamische Veränderungen im frontalen Gehirnbereich können parallel mittels Nahinfrarotspektroskopie oder Nerven überwacht werden.

Die Veränderungen der kortikalen Hirnaktivität können anschließend mittels elektromagnetischer Tomographie lokalisiert werden. Im letzten Schritt erfolgt die Korrelation der elektrischen kortikalen und hämodynamischen Veränderungen. Letztendlich zeigen die Ergebnisse, dass die hämodynamischen Veränderungen aufgrund veränderter Schwerkraftbedingungen mit Veränderungen der elektrischen kortikalen Funktion assoziiert sind.

Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie MRT oder PET liegt darin, dass die Elektrophotographie in Kombination mit Elektrotomographie und Nahinfrarotspektroskopie unter extremen Bedingungen wie Parabelflügen oder Weltraumflügen mit HyperV-Schwerelosigkeit, begrenzten Lasten und begrenztem Platz durchführbar ist, und dass sie es ermöglicht, Veränderungen in der neuronalen elektrischen Aktivität und den hämodynamischen Veränderungen im Gehirn zu messen und miteinander zu korrelieren. Diese Methode hilft, zentrale Fragen auf dem Gebiet der Neurophysiologie und der Raumforschung zu beantworten, beispielsweise wie veränderte Schwerkraftbedingungen zu hämodynamischen und elektrischen kortikalen Veränderungen führen. Sie trägt dazu bei, genau zu lokalisieren, wo im Gehirn diese Veränderungen stattfinden, und welche Konsequenzen sie haben.

Nachdem wir die zugrunde liegenden neurophysiologischen Prozesse identifiziert haben, nachdem wir ermittelt haben, was mit der kortikalen Hirnfunktion und der Hämodynamik geschieht, während wir uns im Weltraum, in Schwerelosigkeit befinden, sind wir in der Lage, gezielte Gegenmaßnahmen zu entwickeln, um die Lebensqualität, den Missionserfolg und die Missionsicherheit zu verbessern. Diese Methode kann daher Einblicke in die Arbeitsmechanismen des Gehirns liefern oder auch auf andere Systeme angewandt werden, beispielsweise auf neurologische Beeinträchtigungen bei neurologischen Patienten oder auf das grundlegende Verständnis, wie unser Gehirn funktioniert. Die Idee zu dieser Forschung entstand zunächst, als wir von neurokognitiven Einbußen bei Astronauten hörten, die im Weltraum leben.

Die visuelle Demonstration dieser Methode ist entscheidend, da es schwierig ist, die Analyseschritte zu erlernen, da es viele Möglichkeiten gibt, die Daten zu behandeln und zu analysieren. Ein bis zwei Stunden vor dem Flug werden die Teilnehmer in einen Raum am Flughafen gebracht, um sich auf die Experimente vorzubereiten. Zunächst wird ihr Kopfumfang gemessen und ihre Kopfhaut gereinigt, damit die EEG-Kappe mit den integrierten Nurse-Optos und Empfänger auf dem Kopf des Teilnehmers platziert werden kann.

Der nächste Schritt besteht darin, die Positionen für die FP1- und FP2-Elektroden zu markieren. Zunächst wird der Abstand zwischen Nasion und Inion gemessen. Danach wird ein Punkt im Abstand von einem Zehntel der Strecke zwischen Nasion und Inion bestimmt. Von diesem Punkt ausgehend werden zwei Markierungen links und rechts der Mittellinie im Abstand von einem Zwanzigstel des Kopfumfangs angebracht.

Die Kappe enthält die Elektroden, die am Kopf angebracht werden, und gewährleistet die korrekte Position der Sensoren. Es wird eine EEG-Kappe ausgewählt, die zur Kopfgröße des Probanden passt. Anschließend wird die Kappe übergestreift.

Die Position des Kopfes der Versuchsperson wird überprüft. Die CZ-Elektrode sollte auf dem Scheitelpunkt liegen, und die FP1-, FP2- sowie die O1- und O2-Elektroden sollten horizontal ausgerichtet und auf den Markierungen sitzen. Ein Kinnriemen wird befestigt, um sicherzustellen, dass die Kappe in einer symmetrischen und korrekten Position bleibt. Anschließend wird die Herzfrequenzelektrode platziert; hierfür kann eine EEG-Elektrode verwendet werden, wobei der Sensor auf der Brust der Versuchsperson angebracht wird.

Jetzt wird die Impedanz der Elektroden minimiert und die Signalübertragung überprüft. Jede Elektrode enthält LEDs, die beim Start der Impedanzmessung ausgelesen werden. Das Haar wird mit einer stumpfen Nadel von der Elektrodenspitze weggeschoben, und Gel wird zwischen die Elektrodenspitze und die Hautoberfläche injiziert, beginnend mit den Referenz- und Erdungselektroden.

Während das Gel injiziert wird, ändert sich die Farbe der LEDs, da die Impedanz abnimmt, sodass die anfängliche rote Farbe zunächst gelb und dann grün wird. Wenn der Zielwert der Impedanz bei 25 Kiloohm erreicht ist, gewährleisten die Elektroden ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis bei oder unterhalb dieses Zielwerts. Dieses Verfahren wird für alle Kapillarelektroden wiederholt.

Nachdem die Elektrodenkappe für beide Teilnehmer vorbereitet wurde, erhalten die Teilnehmer Anweisungen zu den Einzelheiten des Parabelflugs und zum experimentellen Zeitplan, dem gefolgt wird. Den Teilnehmern wird ein schematischer Überblick über die Parabeln null bis 30 sowie über die durchzuführenden Aufgaben gegeben. Außerdem werden die mündlichen Ankündigungen besprochen, die genau festlegen, wann und wie die Tests begonnen und beendet werden sollen.

Schließlich werden die Teilnehmer zum Flugzeug für die Vorbereitung des Fluges an Bord gebracht. Nachdem sie an Bord sind, nehmen die Teilnehmer nebeneinander im Versuchsaufbau Platz, und die Sicherheitsgurte werden locker angelegt. Die EEG-Kabel werden an die Elektroden-Steuerbox angeschlossen, und die Elektroden-Steuerbox wird mit dem Verstärker verbunden.

Anschließend werden die Nerven-OIDs und der Empfänger in der OID-Halterung in der EEG-Kappe befestigt. Zu diesem Zeitpunkt wird das EEG-NERS-Modul gestartet, das die Konnektivität und die Signalqualität steuert.

Dann werden die Nerven- und EEG-Software gestartet und ein Arbeitsbereich zum Aufzeichnen geöffnet. Die Daten werden geöffnet. Anschließend werden Dateiname, Aufzeichnungsfrequenz und Montage eingegeben.

Falls Signale suboptimal sind, werden die Impedanzwerte für das EEG oder die DAQ-Werte für die Nerven neu eingestellt oder nach Bedarf mehr Gel injiziert. An diesem Punkt werden die Aufnahme des EEG und des Nervensignals gestartet, und es werden Messungen des Ruhezustands vor der Behandlung (prem) durchgeführt.

Die Teilnehmer haben an dieser Stelle keine Aufgaben zu erledigen, sollten jedoch still sitzen, entspannt bleiben und die Augen geschlossen halten. Die Aufnahme wird nach drei Minuten beendet. Nach der Ruhephase führen die Teilnehmer einen Baseline-Test der kognitiven Aufgabe Chalkboard Challenge durch.

Schließlich werden alle Geräte ausgeschaltet und die EEG-Elektroden-Steuerbox sowie die Optos und der Empfänger der Krankenschwester getrennt. Die gesamte Ausrüstung, einschließlich der Kamera und der iPhones, wird zur Vorbereitung auf den Start in einem Fach verstaut, bevor die Experimente im Flug beginnen. Sobald das Flugzeug eine Reiseflughöhe erreicht hat, besteht der erste Schritt darin, die Videokamera am Handlauf zu befestigen und anschließend die Videoaufnahme zu starten.

Danach werden die Teilnehmer auf ihre Plätze gesetzt und die Sicherheitsgurte locker angelegt. Die Teilnehmer sollten mindestens von Parabel null bis 25 sitzen bleiben. Die iPhones werden mit Klettband am Oberschenkel der Teilnehmer befestigt.

Jetzt wird die EEG-Elektroden-Steuerbox angeschlossen und die Nerven-Optos sowie der Empfänger in der Opto-Halterung in der Kappe befestigt. Das EEG- und Nervenmodul wird gestartet, und die Qualität des EEG-Nervensignals wird überprüft, indem die EEG-Impedanz und die NS-DAQ-Werte kontrolliert werden. Es wird eine Ruheaufnahme über drei Minuten durchgeführt.

Die erste Parabel, die als Parabel null bezeichnet wird, dient dazu, den Teilnehmern die Anpassung an das Verfahren und die Veränderung der Schwerkraftbedingungen zu ermöglichen. Anschließend wird während der Parabeln eins bis zehn ausschließlich Ruhezustands-EEG-Aktivität aufgezeichnet, während die Teilnehmer mit geschlossenen Augen ruhig auf ihren Sitzen sitzen. Danach werden die Teilnehmer auf die kognitiven Aufgaben vorbereitet, die während zweier Blöcke aus jeweils fünf Parabeln durchgeführt werden.

Die Aufnahme wird von dem Bediener gesteuert, der den Teilnehmern Anweisungen gibt und außerdem die Ergebnisse der kognitiven Tests sowie die Zeiten speichert. Bei dieser kognitiven Verarbeitungsaufgabe identifiziert der Teilnehmer, welche Seite einer Gleichung größer ist als die andere, wobei Geschwindigkeit und Genauigkeit des Teilnehmers berücksichtigt werden. Die Antwort wird vom Programm aufgezeichnet, und eine endgültige Punktzahl wird vergeben, die von der Genauigkeit, der Geschwindigkeit und dem höchsten Level abhängt, das der Teilnehmer während Parabel 11 bis 15 erreicht hat.

Teilnehmer eins führt diese Aufgabe in Schwerelosigkeit (0 G) aus, Teilnehmer zwei in Erdanziehung (1 G). Anschließend führt Teilnehmer eins während der Parabeln 16 bis 20 die Aufgabe in 1 G aus, während Teilnehmer zwei gelegentlich in Schwerelosigkeit (0 G) arbeitet. Ruhezustandsmessungen werden ebenfalls während der Parabelsequenz sowie vor der ersten und nach der letzten Parabel aufgezeichnet. Die letzten 10 Parabeln können genutzt werden, falls zuvor durchgeführte Messungen oder Experimente wiederholt werden müssen.

Einmal wieder am Boden angekommen, dürfen die Teilnehmer und der Bediener das Flugzeug vorübergehend verlassen, bevor sie erneut die Versuchsanordnung betreten und alles für die Nachmessungen vorbereiten. Zu diesem Zeitpunkt werden die EEG-Messungen im Ruhezustand durch die EEG-Pflegekraft wiederholt. Sobald alle Aufnahmen abgeschlossen sind und die Kappe vom Teilnehmer entfernt wurde, endet das Experiment unter Verwendung der niederauflösenden brain electromagnetic tomography oder Loretta.

Es ist möglich, individuelle Veränderungen der frontalen kortikalen Hirnaktivität zu bestimmen. Bei Teilnehmer eins wurde die Veränderung, die 2000 Millisekunden nach Beginn der Mikrogravitation auftrat, dem Brodmann-Areal neun zugeordnet, das zum dorsolateralen präfrontalen Kortex gehört. Diese Region spielt eine wichtige Rolle bei der Integration sensorischer und mnemonischer Informationen im Verlauf der Organisation und Regulation motorischer Planung.

Bei Teilnehmer zwei konnten diese Veränderungen auf das Brodmann-Areal neun sowie auf das Brodmann-Areal sechs, den prämotorischen Cortex, lokalisiert werden, der für seine Rolle bei der sensorischen Regulation während der Körperstabilisierung bekannt ist. Diese nächste Spur zeigt die Nahinfrarotspektroskopie in der frontalen Hirnregion. Die schwarze Kurve zeigt den G-Wert an.

Der gelbe Hintergrund zeigt normale Schwerkraft an. Der blaue Hintergrund zeigt Hypergravitation und der rosa Hintergrund Mikrogravitation, wie erwartet. Es zeigt sich eine Abnahme des sauerstoffangereicherten Blutes, wie durch die rote Kurve in der Mikrogravitationsphase dargestellt, gefolgt von einer Zunahme des sauerstoffangereicherten Blutes in der Mikrogravitationsphase.

Ähnliche Ergebnisse sind in dieser Abbildung eines weiteren Probanden zu sehen. Interessanterweise zeigte die Menge an desoxygeniertem Blut, wie durch die blaue Kurve dargestellt, kein konsistentes Verhalten während der ersten HyperV-Phase oder der Schwerelosigkeitsphase, nahm jedoch bei beiden Probanden in der zweiten HyperV-Phase ab. Diese Abbildung zeigt die kognitive Aufgabe für zwei Probanden an drei Messzeitpunkten während des Trainings, die vor dem Flug bei Null G, während des Flugs bei Schwerelosigkeit und bei einem G ebenfalls während des Flugs gemessen wurde.

Die Werte unterscheiden sich zwischen den Probanden, was darauf hindeutet, dass die zuvor bei Parabelflügen berichteten neurokognitiven Einbußen höchstwahrscheinlich auf individuelle Stressreaktionen zurückzuführen sind. Nachdem Sie dieses Video angesehen haben, sollten Sie gut verstehen, wie die kombinierte e, e, g- und Knie-Technik angewendet wird sowie wie elektrokortikale Aktivität und hämodynamische Veränderungen parallel überwacht werden können. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, die Qualität des Signals zu überprüfen und das Verhalten der Probanden zu beobachten.

Diese Techniken könnten für Forscher, die an der kortikalen Hirnfunktion interessiert sind und die Auswirkungen von Mikrogravitation auf die kortikale Hirnfunktion untersuchen möchten, den Weg ebnen, und sobald wir diese Mechanismen identifiziert haben, könnte dies Patienten, Astronauten sowie normalen Menschen helfen.