Coerenza tra funzione cerebrale corticale e prestazioni neurocognitive durante condizioni di gravità Cambiato

Questa procedura applica una tecnica combinata di registrazione EEG e spettroscopia nel vicino infrarosso per determinare in che misura la riduzione delle prestazioni neurocognitive in condizioni di assenza di peso è dovuta agli effetti primari di cambiamenti emodinamici ed elettrocorticali o a effetti secondari correlati allo stress. Ciò viene realizzato monitorando i cambiamenti nell'attività elettrocorticale dei partecipanti durante un volo parabolico, comprendente fasi di microgravità, microgravità e gravità normale. I cambiamenti emodinamici nella regione frontale del cervello possono essere monitorati in parallelo mediante spettroscopia nel vicino infrarosso o nervi.

I cambiamenti nell'attività corticale cerebrale possono quindi essere localizzati mediante tomografia elettromagnetica. L'ultimo passaggio consiste nel correlare i cambiamenti elettrocorticali e emodinamici. In definitiva, i risultati mostrano che le variazioni emodinamiche dovute a condizioni di gravità alterate sono associate a modifiche della funzione elettrocorticale.

Il principale vantaggio di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti come la risonanza magnetica (MRI) o la tomografia a emissione di positroni (PET) consiste nel fatto che l'elettrofotografia combinata con la tomografia elettrica e la spettroscopia nel vicino infrarosso può essere applicata in condizioni estreme, come voli parabolici o missioni spaziali con microgravità, carichi limitati e spazio ridotto, permettendo di misurare e correlare i cambiamenti nell'attività elettrica neurale e nei parametri emodinamici all'interno del cervello. Questo metodo contribuisce a rispondere a domande fondamentali nel campo della neurofisiologia e della ricerca spaziale, come ad esempio come le variazioni delle condizioni di gravità inducano modifiche emodinamiche ed elettriche a livello corticale. Aiuta a individuare con precisione in quale zona del cervello tali cambiamenti avvengano e quali siano le conseguenze di queste alterazioni.

Una volta identificati i processi neurofisiologici sottostanti, una volta chiarito cosa accade alla funzione corticale cerebrale e all'emodinamica durante la permanenza nello spazio, in condizioni di microgravità, saremo in grado di sviluppare contromisure specifiche per migliorare la qualità della vita, il successo della missione e la sicurezza operativa. Pertanto, questo metodo può fornire informazioni sui meccanismi di funzionamento del cervello, oppure potrebbe essere applicato ad altri sistemi, come i deficit neurologici dei pazienti affetti da patologie neurologiche, o al concetto fondamentale di come il nostro cervello opera. L'idea iniziale per questa ricerca è emersa quando abbiamo appreso dei declini neurocognitivi riportati dagli astronauti durante la permanenza nello spazio.

La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale perché è difficile imparare i passaggi di analisi, poiché esistono molti modi per trattare e analizzare i dati. Da una a due ore prima del volo, i partecipanti vengono accompagnati in una stanza dell'aeroporto per prepararsi agli esperimenti. Innanzitutto, viene misurata la circonferenza della testa e il cuoio capelluto viene pulito, in modo che il casco EEG con gli optodi integrati e il ricevitore possa essere posizionato sulla testa del partecipante.

Il passo successivo consiste nel segnare le posizioni per gli elettrodi FP uno e FP due. Innanzitutto, si misura la distanza tra nasn e inion; successivamente, a una distanza pari a un decimo del tragitto tra Sian e inion, partendo da Sian, si effettuano due segni a sinistra e a destra della linea mediana, a una distanza pari a un ventesimo della circonferenza cranica.

Il casco contiene gli elettrodi che verranno applicati al cuoio capelluto e garantisce la corretta posizione dei sensori. Si sceglie un casco EEG adatto alle dimensioni della testa del partecipante. Successivamente, il casco viene infilato.

Viene controllata la testa del partecipante e la sua posizione. L'elettrodo CZ deve trovarsi sul vertice, mentre gli elettrodi FP1 e FP2 e gli elettrodi O1 e O2 devono essere allineati in orizzontale e posizionati sui segni corrispondenti; viene fissata una cinghia sotto il mento per assicurare che il casco rimanga in una posizione simmetrica e corretta. Successivamente, viene posizionato l'elettrodo per la frequenza cardiaca: a tale scopo può essere utilizzato un elettrodo EEG, posizionando il sensore sul torace del partecipante.

Ora l'impedenza degli elettrodi viene minimizzata e viene verificata la conduzione del segnale. Ciascun elettrodo contiene LED che si accenderanno quando viene avviata la misurazione dell'impedenza. I capelli vengono spostati dalla punta dell'elettrodo con un ago dalla punta smussata e del gel viene iniettato tra la punta dell'elettrodo e la superficie della pelle, partendo dagli elettrodi di riferimento e di massa.

Mentre il gel viene iniettato, il colore dei LED cambierà al diminuire dell'impedenza, in modo che il colore iniziale rosso diventerà prima giallo e poi verde. Quando viene raggiunto il valore di impedenza obiettivo di 25 kilo ohm, l'accoppiamento degli elettrodi garantirà un rapporto segnale-rumore elevato a questo valore o al di sotto. Questa procedura viene ripetuta per tutti gli elettrodi del casco.

Dopo aver preparato il cappuccio con elettrodi per entrambi i partecipanti, questi ricevono istruzioni sui dettagli del volo parabolico e sul programma sperimentale che verrà seguito. Viene fornita ai partecipanti una panoramica schematica delle parabole dalla zero alla 30 e dei compiti da svolgere. Inoltre, vengono riviste le comunicazioni verbali che illustrano quando e come iniziare e interrompere i test.

Infine, i partecipanti vengono accompagnati sull'aeroplano per la preparazione al volo a bordo. Una volta a bordo, i partecipanti vengono fatti sedere l'uno accanto all'altro nell'allestimento sperimentale e le cinture di sicurezza vengono allacciate in modo lento. I cavi EEG vengono collegati alla scatola di controllo degli elettrodi e la scatola di controllo degli elettrodi viene collegata all'amplificatore.

Successivamente, i dispositivi OIDs e il ricevitore vengono fissati nel supporto OIDs all'interno del casco EEG. A questo punto, viene avviato il modulo EEG NERS, che controlla la connettività e la qualità del segnale.

Quindi si avviano i nervi e il software EEG e si apre un'area di lavoro per la registrazione. Vengono aperti i dati. Successivamente si inseriscono il nome del file, la frequenza di registrazione e il montaggio.

Se eventuali segnali risultano subottimali, i valori di impedenza per l'EEG o i valori di acquisizione dati (DAQ) per i nervi vengono riassestati oppure viene iniettato altro gel secondo necessità. A questo punto, si inizia la registrazione dell'EEG e del segnale nervoso e vengono raccolte le misurazioni dello stato di riposo prima dell'intervento.

I partecipanti non hanno alcun compito da svolgere in questa fase, ma devono rimanere fermi, rilassati e tenere gli occhi chiusi. La registrazione viene interrotta dopo tre minuti. Al termine del periodo di riposo, i partecipanti eseguiranno un test di base del compito cognitivo chalkboard challenge.

Infine, tutti i dispositivi vengono spenti e la scatola di controllo degli elettrodi EEG, così come gli opto e il ricevitore dell'infermiera, vengono scollegati. Tutte le apparecchiature, compresa la telecamera e gli iPhone, vengono riposte in un compartimento per la preparazione al decollo, in previsione degli esperimenti in volo. Una volta che l'aereo ha raggiunto l'altitudine di crociera, il primo passo consiste nel montare la telecamera video sulla ringhiera e quindi avviare la registrazione video.

Successivamente, i partecipanti vengono fatti accomodare sui loro posti e le cinture di sicurezza vengono allacciate in modo lento. I partecipanti dovrebbero rimanere seduti almeno dalla parabola zero alla 25. Gli iPhone vengono fissati alla coscia superiore dei partecipanti con il nastro adesivo in Velcro.

Ora, la scatola di controllo degli elettrodi EEG viene collegata e i dispositivi optos e ricevitore vengono fissati nell'apposito alloggiamento nel casco. Viene avviato il modulo EEG e nervi, e la qualità del segnale nervoso EEG viene verificata controllando l'impedenza EEG e i valori NS DAQ. Viene effettuata una registrazione a riposo della durata di tre minuti.

La prima parabola, denominata parabola zero, verrà utilizzata per consentire ai partecipanti di abituarsi alla procedura e al cambiamento delle condizioni di gravità. Successivamente, durante la parabola uno fino alla dieci, viene registrata esclusivamente l'EEG a riposo mentre i partecipanti siedono tranquillamente sui loro posti con gli occhi chiusi. In seguito, i partecipanti vengono preparati per i compiti cognitivi che verranno eseguiti durante due blocchi di cinque parabole ciascuno.

La registrazione è controllata dall'operatore, che fornisce istruzioni ai partecipanti e salva anche i risultati dei test cognitivi e i tempi. In questo compito di elaborazione cognitiva, il partecipante identifica quale lato di un'equazione è maggiore dell'altro in termini di velocità e accuratezza del partecipante. La risposta viene registrata dal programma e viene assegnato un punteggio finale elevato, in base all'accuratezza, alla velocità e al livello più alto raggiunto dal partecipante durante la parabola da 11 a 15.

Il partecipante uno eseguirà questo compito in condizioni di zero G e il partecipante due in condizioni di uno G. Successivamente, durante le parabole da 16 a 20, il partecipante uno eseguirà il compito in condizioni di uno G e il partecipante due in condizioni di zero G occasionalmente. Le misurazioni a riposo vengono registrate anche durante la sequenza parabolica, nonché prima della prima e dopo l'ultima parabola. Le ultime 10 parabole possono essere utilizzate nel caso in cui alcune misurazioni o esperimenti precedenti debbano essere ripetuti.

Una volta tornati a terra, ai partecipanti e all'operatore è consentito lasciare temporaneamente l'aereo prima di rientrare nell'apparato sperimentale e preparare tutto per le misurazioni post-esperimento. A questo punto, vengono ripetute le misurazioni dell'EEG in stato di riposo effettuate dall'infermiere. Una volta completate tutte le registrazioni e rimossa la calotta dal partecipante, l'esperimento termina utilizzando la tomografia elettromagnetica cerebrale a bassa risoluzione o Loretta.

È possibile determinare le singole variazioni dell'attività corticale del cervello frontale. Per il partecipante uno, la variazione verificatasi 2000 millisecondi dopo l'inizio della microgravità è stata localizzata nell'area di Brodmann nove, che appartiene alla corteccia prefrontale dorsolaterale. Questa regione svolge un ruolo importante nell'integrazione delle informazioni sensoriali e mnemoniche durante l'organizzazione e la regolazione della pianificazione motoria.

Per il partecipante due, questi cambiamenti potrebbero essere localizzati nell'area di Broadman nove e anche nell'area di Broadman sei, la corteccia premotoria, nota per il suo ruolo nella regolazione sensoriale durante la stabilizzazione del corpo. Questo tracciato successivo mostra la spettroscopia nel vicino infrarosso nella regione frontale del cervello. La curva nera indica il livello di G.

Lo sfondo giallo indica la gravità normale. Lo sfondo blu indica l'ipergravità e lo sfondo rosa indica la microgravità, come previsto. Si osserva una diminuzione del sangue ossigenato, mostrata dalla traccia rossa nella fase di microgravità, seguita da un aumento del sangue ossigenato nella stessa fase di microgravità.

Resultati simili si osservano in questo grafico proveniente da un altro partecipante. In modo interessante, la quantità di sangue desossigenato, indicata dalla traccia blu, non ha mostrato un comportamento costante durante la prima fase di HyperV né durante la fase di microgravità, ma in entrambi i soggetti ha mostrato una diminuzione nella seconda fase di HyperV. Questo grafico mostra il compito cognitivo per due soggetti in corrispondenza di tre punti di misurazione durante l'allenamento, misurati prima del volo in condizioni di zero G, durante il volo in assenza di gravità e a un G, anch'essi misurati durante il volo.

I punteggi variano tra i soggetti, indicando che i deficit neurocognitivi precedentemente riportati durante voli parabolici sono molto probabilmente dovuti a reazioni individuali allo stress. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come applicare la tecnica combinata e, e, g e ginocchia, nonché di come monitorare in parallelo l'attività elettrocorticale e i cambiamenti emodinamici. Nel tentativo di eseguire questa procedura, è importante verificare la qualità del segnale e monitorare il comportamento dei soggetti.

Queste tecniche potrebbero aprire la strada ai ricercatori interessati alla funzione corticale cerebrale ed esplorare gli effetti della microgravità su tale funzione; una volta identificati questi meccanismi, ciò potrebbe aiutare pazienti, astronauti e anche persone sane.