脳皮質機能および変更された重力状態の間、神経認知パフォーマンスとの間のコヒーレンス

本手順では、脳波（EEG）と近赤外分光法（NIRS）の併用記録技術を用いて、無重量状態における神経認知機能の低下が、血行動態および皮質電位の変化による直接的な影響によるものか、あるいはストレスに関連する二次的な影響によるものかを明らかにします。これは、パラボリックフライト中の微小重力、微小重力、および通常重力の各フェーズにおいて、被験者の皮質電位活動の変化をモニタリングすることで達成されます。同時に、近赤外分光法を用いて前頭前野における血行動態の変化をモニタリングすることが可能です。

その後、電磁トモグラフィーを用いて脳皮質活動の変化を局在化させます。最終ステップは、皮質の電気的変化と血流力学的変化を相関させることです。最終的に、重力条件の変化による血流力学的変化が、皮質の電気的機能の変化に関連していることが結果として示されます。

MRIやPETなどの既存の手法と比較して本手法の主な利点は、電気写真法を電気断層撮影および近赤外分光法と組み合わせることで、パラボリック飛行やHyperV無重量状態などの極限環境下という、負荷やスペースに制限がある状況でも実施可能であり、脳内の神経電気活動の変化と血行動態の変化を測定し、それらを相関させることができる点にあります。この手法は、重力条件の変化が血行動態および皮質の電気的変化にどのように影響するかなど、神経生理学および宇宙研究分野における重要な課題の解明に寄与します。また、これらの変化が脳の具体的にどの部位で起こり、どのような結果をもたらすのかを明らかにすることが可能になります。

宇宙空間という無重量状態で、脳皮質機能や血行動態にどのような変化が起こるかという基礎的な神経生理学的プロセスを特定できれば、生活の質、ミッションの成功、およびミッションの安全性を向上させるための具体的な対策を開発することが可能になります。したがって、本手法は脳の作動メカニズムに関する洞察を提供できるだけでなく、神経疾患患者の神経学的障害や、脳がどのように機能するかという根本的な概念など、他の系にも応用可能です。私たちは、宇宙に滞在する宇宙飛行士に神経認知機能の低下が見られるという報告を聞いたことで、最初にこの研究を着想しました。

データの処理および解析方法は多岐にわたるため、解析ステップを習得することが困難であり、本手法の視覚的な実演は極めて重要です。飛行の1〜2時間前に、参加者は空港の部屋に案内され、実験の準備が行われます。まず、頭囲を測定し、頭皮を洗浄することで、内蔵オプトードおよびレシーバーを備えたEEGキャップを参加者の頭部に装着できるようにします。

次のステップは、FP1およびFP2電極の位置をマークすることです。まず、nasionからinionまでの距離を測定し、nasionとinionの間の10分の1の距離を測定します。nasionを起点として、頭囲の20分の1の距離だけ正中線から左右に2つのマークを付けます。

キャップには頭皮に装着する電極が含まれており、センサーの正しい位置を確保します。被験者の頭のサイズに適したEEGキャップを選択します。次に、キャップを被せます。

被験者の頭部およびその位置を確認します。CZ電極が頭頂点にあり、FP1、FP2およびO1、O2電極が水平にマーク上の位置にあることを確認します。その後、キャップが対称で適切な位置に固定されるよう、チンストラップを締結します。次に、心拍数電極を配置します。これにはEEG電極を1つ使用でき、センサーを被験者の胸部に配置します。

次に、電極のインピーダンスを最小限に抑え、信号伝導を確認します。各電極にはLEDが搭載されており、インピーダンス測定を開始すると点灯します。鈍端針を用いて電極の先端から毛を遠ざけ、まず参照電極と接地電極から順に、電極先端と皮膚表面の間にゲルを注入します。

ゲルの注入に伴い、インピーダンスが低下するにつれてLEDの色が変化し、初期の赤色から黄色、そして緑色へと変わります。目標インピーダンス値である25 kilo ohmsに達すると、電極は、この目標値以下で良好な信号対雑音比（S/N比）を提供できるようになります。この手順をすべてのキャップ電極に対して繰り返します。

両参加者の電極キャップの準備が完了した後、参加者に対し、パラボリックフライトの詳細および今後の実験スケジュールについて説明します。パラボラ0から30までの概略図と、実施するタスクについて参加者に提示します。また、テストの開始および終了のタイミングと方法に関する口頭指示についても確認を行います。

最後に、参加者を飛行機へ案内し、機内での飛行準備を行います。搭乗後、参加者は実験セットアップに従って隣同士に座り、シートベルトを緩めに締めます。EEGケーブルを電極コントロールボックスに接続し、電極コントロールボックスをアンプに接続します。

次に、神経OIDとレシーバーをEEGキャップ内のOIDホルダーに固定します。この時点で、EEG NERSモジュールを起動します。これにより、接続性と信号の品質が制御されます。

次に、nervesおよびEEGソフトウェアを起動し、記録用のワークスペースを作成します。データをオープンし、ファイル名、サンプリング周波数、およびモンタージュを入力します。

信号が不十分な場合は、EEGのインピーダンス値または神経のDAQ値を再調整し、必要に応じてさらにゲルを注入します。この時点で、EEGおよび神経信号の記録を開始し、安静時の事前測定値を収集します。

この時点で参加者に課せられるタスクはありませんが、リラックスして静止し、目を閉じたままでいる必要があります。3分後に記録を停止します。休息期間の後、参加者は認知タスクである「チョークボード・チャレンジ」のベースラインテストを行います。

最後に、すべての装置の電源を切り、EEG電極コントロールボックスならびに看護師用のオプトスとレシーバーを取り外します。カメラやiPhoneを含むすべての機器を収納し、離陸準備および機内実験の準備を開始します。航空機が巡航高度に達したら、まずビデオカメラを手すりに固定し、次にビデオ録画を開始します。

次に、参加者を座席に案内し、シートベルトを緩めに締めます。参加者は、少なくともパラボラ0から25まで座ったままでいなければなりません。iPhoneはベルクロを使用して、参加者の太もも上部に固定します。

次に、EEG電極コントロールボックスを接続し、神経オプトおよびレシーバーをキャップ内のオプトホルダーに固定します。EEGおよび神経モジュールを起動し、EEGインピーダンスとNS DAQ値を確認して、EEG神経信号の品質を検証します。その後、3分間の安静時記録を行います。

パラボラ0と指定された最初のパラボラは、参加者が手順および重力条件の変化に適応するために使用されます。次に、パラボラ1から10の間は、参加者が目を閉じて座席に静かに座っている状態で、安静時EEGのみを記録します。その後、参加者は5回ずつのパラボラで構成される2つのブロックで実施される認知タスクの準備をします。

記録は、参加者に指示を与え、認知テストの結果と時間を保存するオペレーターによって制御されます。この認知処理タスクでは、方程式のどちら側が大きいかを参加者が判断し、その速度と正確性を測定します。反応はプログラムによって記録され、正確性、速度、および参加者がパラボラ11から15の間で到達した最高レベルに基づいて、最終的なハイスコアが算出されます。

参加者1は無重量状態で、参加者2は1 Gの状態でこのタスクを行います。その後、放物線飛行の16回目から20回目にかけて、参加者1は1 Gの状態で、参加者2は時折無重量状態でこのタスクを行います。安静時の測定は、放物線飛行シーケンス中、および最初の放物線飛行の前と最後の放物線飛行の後に行われます。最後の10回の放物線飛行は、以前の測定や実験を繰り返す必要がある場合に使用できます。

地上に戻った後、参加者とオペレーターは一時的に機外に出ることができ、その後、再び実験セットアップに戻って事後測定の準備を行います。この時点で、安静時EEGの看護師による測定が再度行われます。すべての記録が完了し、参加者からキャップが取り外された時点で、低解像度脳電磁トモグラフィ（Loretta）を用いた実験は終了となります。

前頭脳皮質の活動における個別の変化を特定することが可能です。被験者1においては、微小重力開始から2000ミリ秒後に発生した変化は、背外側前頭前皮質に属するブロードマン9野に局在していました。この領域は、運動計画の構成および調節の過程における、感覚情報と記憶情報の統合において重要な役割を果たしています。

被験者2の場合、これらの変化はブロードマン9野および、身体安定化の過程における感覚調節の役割で知られる前運動皮質であるブロードマン6野に局在している可能性があります。次のトレースは、脳の前頭領域における近赤外分光法の結果を示しています。黒い曲線はGレベルを示しています。

黄色の背景は正常重力を、青色の背景は予想通り高重力を、そして桃色の背景は微小重力を示しています。微小重力相において、赤色のトレースで示されるように酸素化血の減少が見られ、その後、微小重力相で酸素化血の増加が続いています。

別の被験者のこの図においても、同様の結果が見られます。興味深いことに、青色のトレースで示される脱酸素化血液の量は、最初のHyperV相または無重量相では一貫した挙動を示しませんでしたが、両被験者において2回目のHyperV相で減少を示しました。この図は、2名の被験者を対象とした認知タスクの結果を示しており、トレーニング中の3つの測定ポイント（飛行前の0 G、飛行中の0 G、および飛行中の1 G）で測定されました。

被験者間でスコアに差が見られたことは、パラボリックフライト中に報告されていた神経認知機能の低下が、個々のストレス反応によるものである可能性が高いことを示しています。このビデオを視聴することで、EEGとKNEEを組み合わせた手法の適用方法、および皮質電位活動と血行動態の変化を並行してモニタリングする方法について十分に理解できるはずです。この手順を行う際は、信号の品質を確認し、被験者の行動をモニタリングすることが重要です。

これらの手法は、大脳皮質機能に関心を持つ研究者が、微小重力が大脳皮質機能に及ぼす影響を探索する道を開く可能性があり、これらのメカニズムが解明されれば、患者や宇宙飛行士だけでなく、一般の人々にとっても有益となる可能性があります。