לכידות בין תפקוד המוח קליפתיים וביצועים נוירוקוגניטיבי במהלך תנאי הכבידה השתנה

הליך זה מיישם טכניקת הקלטה משולבת של EEG וספקטרוסקופיה באינפרא-אדום קרוב כדי לקבוע באיזו מידה הירידה בביצועים נוירו-קוגניטיביים במצב של חוסר משקל נובעת מההשפעות הראשוניות של שינויים המודינמיים ואלקטרו-קורטיקליים או מהשפעות משניות הקשורות למתח. דבר זה מושג על ידי ניטור שינויים בפעילות האלקטרו-קורטיקלית של משתתפים במהלך טיסה פראבולית, הכוללת שלבים של מיקרו-גרביטציה, מיקרו-גרביטציה וכבידה רגילה. ניתן לנטר במקביל שינויים המודינמיים באזור הפרונטלי של המוח באמצעות ספקטרוסקופיה באינפרא-אדום קרוב או עצבים.

ניתן לאתר את השינויים בפעילות קליפת המוח באמצעות טומוגרפיה אלקטרומגנטית. השלב הסופי הוא ביצוע קורלציה בין השינויים החשמליים בקליפת המוח לבין השינויים ההמודינמיים. בסופו של דבר, התוצאות מראות כי השינויים ההמודינמיים הנובעים מתנאי כבידה משתנים קשורים לשינויים בתפקוד החשמלי של קליפת המוח.

היתרון המרכזי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות כגון MRI או PET, הוא שאלקטרופוטוגרפיה בשילוב עם אלקטרו-טומוגרפיה וספקטרוסקופיה בשימוש באינפרא-אדום קרוב היא ישימה בתנאי סביבה קיצוניים, כגון טיסות פרבוליים או טיסות חלל עם עומסים מוגבלים ומרחב מוגבל בתנאי חוסר משקל של HyperV, והיא מאפשרת למדוד ולהקריל שינויים בפעילות החשמלית העצבית ושינויים המודינמיים בתוך המוח. שיטה זו מסייעת במתן תשובות לשאלות מפתח בתחומי הנוירופיזיולוגיה ומחקרי החלל, כגון השפעת תנאי כבידה משתנים על שינויים המודינמיים וחשמליים בקליפת המוח. היא מסייעת לקבוע היכן בדיוק במוח מתרחשים שינויים אלו ומהן ההשלכות שלהם.

ברגע שזיהינו את התהליכים הנוירופיזיולוגיים העומדים בבסיס התופעה, וברגע שזיהינו מה קורה לתפקוד קליפת המוח ולמערכת ההמודינמיקה בעודנו בחלל, במצב של חוסר משקל, נוכל לפתח אמצעי נגד ספציפיים לשיפור איכות החיים, הצלחת המשימה ובטיחות המשימה. לפיכך, שיטה זו יכולה לספק תובנות לגבי מנגנוני העבודה של המוח, או שניתן יהיה ליישמה במערכות אחרות, כגון ליקויים נוירולוגיים של חולים נוירולוגיים, או להבנת הרעיון הבסיסי של אופן פעולת המוח שלנו. הרעיון למחקר זה עלה לראשונה כאשר שמענו על ירידה נוירו-קוגניטיבית בקרב אסטרונאוטים החיים בחלל.

ההדגמה הוויזואלית של שיטה זו היא קריטית, כיוון ששלבי הניתוח קשים ללמידה בשל קיומם של דרכים רבות לטיפול בנתונים ולניתוחם. שעה עד שעתיים לפני הטיסה, המשתתפים מובאים לחדר בנמל התעופה כדי להיערך לניסויים. ראשית, נמדד היקף ראשם וקרקומם מנוקה, כדי שניתן יהיה להניח על ראש המשתתף את כובע ה-EEG עם האופטודים והמקלט המובנים.

השלב הבא הוא סימון המיקומים עבור האלקטרודות FP1 ו-FP2. ראשית, נמדד המרחק בין ה-nasion ל-inion, ולאחר מכן נקבע מרחק השווה לעשירית מהמרחק שבין ה-nasion ל-inion. החל מה-nasion, מסמנים שתי נקודות משני צידי קו האמצע במרחק השווה למספר של אחת לחלק מ-20 מהיקף הראש.

הכיפה מכילה את האלקטרודות שיוצמדו לקרקפת ומבטיחה את המיקום הנכון של החיישנים. נבחרת כיפת EEG המתאימה לגודל ראשו של המשתתף. לאחר מכן, הכיפה נלבשת על הראש.

יש לבדוק את ראשו של המשתתף ואת מיקומו. אלקטרודת CZ צריכה להיות בנקודת הקודקוד (vertex), ואלקטרודות FP1 ו-FP2 ואלקטרודות O1 ו-O2 צריכות להיות אופקיות ובמיקומי הסימון; רצועת סנטר מהודקת כדי להבטיח שהכיפה תישאר במיקום סימטרי ונכון. לאחר מכן, ממוקמת אלקטרודת קצב הלב; לשם כך ניתן להשתמש באלקטרודת EEG אחת, כאשר החיישן ממוקם על חזה המשתתף.

כעת מזערים את העכבה של האלקטרודות ובודקים את הולכת האות. כל אלקטרודה מכילה נוריות LED, שייקראו עם תחילת מדידת העכבה. השערות מורחקים מקצה האלקטרודה באמצעות מחט בעלת קצה קהה, וג'ל מוזרק בין קצה האלקטרודה לפני העור, החל מאלקטרודת הייחוס ואלקטרודת ההארקה.

במהלך הזרקת הג'ל, צבען של נורות ה-LED ישתנה ככל שהעכבה תפחת, כך שהצבע האדום הראשוני יהפוך תחילה לצהוב ולאחר מכן לירוק. כאשר יושג ערך העכבה המטרה של 25 kilo ohms, יעניקו האלקטרודות יחס אות לרעש טוב בערך זה או בערך נמוך ממנו. הליך זה חוזר על עצמו עבור כל אלקטרודות הכובע.

לאחר הכנת כובע האלקטרודות עבור שני המשתתפים, הם מקבלים הנחיות על פרטי הטיסה הפרבולית ועל לוח הזמנים הניסויי שיי followed. למשתתפים מוצגת סקירה סכמטית של פרבולה 0 עד 30 ושל המשימות שיש לבצע. כמו כן, נסקרות ההודעות המילוליות המפרטות מתי וכיצד להתחיל ולהפסיק את הבדיקות.

לבסוף, המשתתפים מובאים למטוס לצורך הכנות לטיסה בתוך כלי הטיס. עם עלייתם למטוס, המשתתפים יושבים זה לצד זה במערך הניסוי, וחגורות הבטיחות נסגרות באופן רפוי. כבלי ה-EEG מחוברים לתיבת הבקרה של האלקטרודות, ותיבת הבקרה של האלקטרודות מחוברת למגבר.

בשלב הבא, ה-OIDs של העצבים והמקלט מקובעים למחזיק ה-OID בכובע ה-EEG. בנקודה זו, מופעל מודול ה-EEG NERS. מודול זה שולט בקישוריות ובאיכות האות.

לאחר מכן מפעילים את המכשירים ואת תוכנת ה-EEG ופותחים מרחב עבודה להקלטה. פותחים את קובץ הנתונים, ואז מזינים את שם הקובץ, תדר הדגימה ואת המונטאז׳.

אם חלק מהאותות אינם אופטימליים, יש לכוונן מחדש את ערכי העכבה עבור ה-EEG או את ערכי ה-DAQ עבור העצבים, או להזריק ג'ל נוסף לפי הצורך. בשלב זה, מתחילים את הקלטת ה-EEG ואות העצב ואוספים את מדידות מצב המנוחה (resting state prem).

בשלב זה אין למשתתפים משימות, אך עליהם להישאר ללא תנועה, להירגע ולהשאיר את עיניהם עצומות. ההקלטה תיעצר לאחר שלוש דקות. לאחר תקופת המנוחה, המשתתפים יבצעו מבחן בסיס של המשימה הקוגניטיבית chalkboard challenge.

לבסוף, כל המכשירים מכובים ותיבת הבקרת אלקטרודות ה-EEG, כמו גם ה-optos והמקלט של האחות, מנותקים. כל הציוד, כולל המצלמה ומכשירי ה-iPhones, מאוחסן בתא כחלק מההכנות להמראה, כאשר מתחילים בהכנות לניסויים במהלך הטיסה. ברגע שהמטוס הגיע לגובה שיוט, השלב הראשון הוא להרכיב את מצלמת הווידאו על מעקה היד, ולאחר מכן להתחיל בהקלטת הווידאו.

בשלב הבא, המשתתפים מופנים למושביהם וחגורות הבטיחות נסגרות באופן רפוי. על המשתתפים להישאר בישיבה לפחות מהפרבולה אפס ועד פרבולה 25. מכשיר ה-iPhone מוצמד לחלק העליון של רגל המשתתף באמצעות סקוץ' (Velcro).

כעת, תיבת הבקרה של אלקטרודות ה-EEG מחוברת, והאופטות של העצבים והמקלט מקובעים למחזיק האופטות בכובע. מודול ה-EEG והעצבים מופעל, ואיכות אות העצב של ה-EEG מאושרת על ידי בדיקת עכבלת (impedance) ה-EEG וערכי ה-NS DAQ. הקלטת מצב מנוחה מבוצעת למשך שלוש דקות.

הפרבולה הראשונה, המכונה פרבולה אפס, תשמש להסתגלות של המשתתפים לפרוצדורה ולשינויים בתנאי כבידה. לאחר מכן, במהלך פרבולה אחת עד 10, יוקלט EEG במצב מנוחה בלבד בזמן שהמשתתפים יושבים בשקט במושבם עם עיניים עצומות. לאחר מכן, המשתתפים יוכשרו למשימות הקוגניטיביות שיבוצעו במהלך שני בלוקים של חמש פרבולות כל אחד.

ההקלטה נשלטת על ידי המפעיל, שנותן הנחיות למשתתפים ושומר גם את תוצאות המבחנים הקוגניטיביים ואת הזמנים. במטלה לעיבוד קוגניטיבי זו, המשתתף מזהה איזה צד של משוואה גדול מהשני; מהירות התגובה ודיוקה של המשתתף נרשמים על ידי התוכנה, ובסיום ניתן ניקוד סופי, התלוי בדיוק, במהירות ובשלב הגבוה ביותר שהמשיג המשתתף במהלך פראבולות 11 עד 15.

משתתף אחד יבצע משימה זו בתנאי zero G והמשתתף השני בתנאי one G. לאחר מכן, במהלך פרבולות 16 עד 20, משתתף אחד יבצע משימה זו בתנאי one G והמשתתף השני בתנאי zero G מדי פעם. מדידות מנוחה יתועדו במהלך רצף הפרבולות, כמו גם לפני הפרבולה הראשונה ואחרי האחרונה. ניתן להשתמש ב-10 הפרבולות האחרונות במקרה שיש צורך לחזור על מדידות או ניסויים קודמים.

עם החזרה לקרקע, המשתתפים והמפעיל רשאיים לעזוב את המטוס באופן זמני לפני החזרה למערך הניסוי והכנת כל הציוד למדידות שלאחר הטיסה. בשלב זה, חוזרים על מדידות ה-EEG של האחות במצב מנוחה. לאחר השלמת כל ההקלטות והסרת הכובע מהמשתתף, הניסוי מסתיים באמצעות טומוגרפיה אלקטרומגנטית של המוח ברזולוציה נמוכה או Loretta.

ניתן לקבוע שינויים פרטניים בפעילות קורטקס המוח הפרונטלי. עבור משתתף אחד, השינוי שהתרחש 2000 מילישניות לאחר תחילת המיקרו-גרביטציה אותרה באזור ברודמן תשע, השייך לקורטקס הפרה-פרונטלי דורסל-לטרלי. אזור זה ממלא תפקיד חשוב באינטגרציה של מידע סנסורי ומנמוני במהלך ארגון ורגולציה של תכנון מוטורי.

עבור משתתף שני, שינויים אלו עשויים להיות ממוקמים באזור ברודמן 9 וגם באזור ברודמן 6, הקורטקס הפרה-מוטורי, הידוע בתפקידו בוויסות חושי במהלך ייצוב הגוף. העקבה הבאה מראה ספקטרוסקופיה בנירה (near infrared spectroscopy) באזור הפרונטלי של המוח. העקומה השחורה מציינת את רמת ה-G.

הרקע הצהוב מציין כבידה רגילה. הרקע הכחול מציין כבידה גבוהה (hyper gravity) והרקע הוורוד מציין מיקרו-כבידה (microgravity) כמצופה. קיימת ירידה בדם מחומצן כפי שמוצג בעקבה האדומה בשלב המיקרו-כבידה, ולאחריה עלייה בדם מחומצן בשלב המיקרו-כבידה.

תוצאות דומות נראות בדמות זו עבור משתתף אחר. באופן מעניין, כמות הדם דל-החמצן, כפי שמוצג על ידי העקבה הכחולה, לא הראתה התנהגות עקבית בשלב ה-HyperV הראשון או בשלב חוסר המשקל, אך בשני הנבדקים נראתה ירידה בשלב ה-HyperV השני. דמות זו מציגה את המטלה הקוגניטיבית עבור שני נבדקים בשלוש נקודות מדידה במהלך האימון, שנמדדה לפני הטיסה ב-zero Gs, שנמדדה במהלך הטיסה, וכן ב-one G שנמדד אף הוא במהלך הטיסה.

הציונים נחלקים בין הנבדקים, מה שמעיד על כך שהפגיעות הנוירו-קוגניטיביות שדווחו בעבר במהלך טיסות פראבוליות נובעות ככל הנראה מתגובות דחק אינדיבידואליות. לאחר צפייה בסרטון זה, תרכשו הבנה טובה לגבי אופן היישום של הטכניקה המשולבת של e, e, g וברכיים, וכן כיצד לנטר במקביל פעילות חשמלית קליקלית ושינויים המודינמיים. בעת ביצוע פרוצדורה זו, חשוב לבדוק את איכות האות ולנטר את התנהגות הנבדקים.

טכניקות אלו עשויות לסלול את הדרך עבור חוקרים המתעניינים בתפקוד קליפת המוח ולבחינת השפעותיה של מיקרו-גרביטציה על תפקוד קליפת המוח, וברגע שנזהה מנגנונים אלו, הדבר עשוי לסייע למטופלים, לאסטרונאוטים וכן לאנשים בריאים.