브레인 두피 기능 및 변경 중력 조건 중 Neurocognitive 성능 사이의 일관성

본 절차는 무중력 상태에서 저하된 신경인지 성능이 혈역학적 및 전기 피질 변화의 일차적 영향에 의한 것인지, 아니면 이차적인 스트레스 관련 영향에 의한 것인지 확인하기 위해 EEG와 근적외선 분광법 기록 기술을 결합하여 적용합니다. 이는 포물선 비행 중 미세중력, 미세중력 및 일반 중력 단계를 포함하여 참가자의 전기 피질 활동 변화를 모니터링함으로써 수행됩니다. 전두엽 내의 혈역학적 변화는 근적외선 분광법 또는 신경을 사용하여 병행하여 모니터링할 수 있습니다.

그 다음으로 전자기 토모그래피를 사용하여 뇌 피질 활동의 변화를 국소화할 수 있습니다. 마지막 단계는 전기 피질 변화와 혈역학적 변화의 상관관계를 분석하는 것입니다. 결과적으로, 중력 조건 변화로 인한 혈역학적 변화가 전기 피질 기능의 변화와 연관되어 있음이 나타납니다.

MRI나 PET와 같은 기존 방법과 비교했을 때 이 기술의 주요 장점은, 전기생리측정법을 전기토모그래피 및 근적외선 분광법과 결합하여 HyperV 무중력 상태의 제한된 하중과 공간을 갖는 포물선 비행이나 우주 비행과 같은 극한 환경에서도 수행 가능하다는 점이며, 이를 통해 뇌 내의 신경 전기 활동 변화와 혈역학적 변화를 측정하고 상관관계를 분석할 수 있다는 것입니다. 이 방법은 중력 조건의 변화가 혈역학적 및 전기적 피질 변화를 유도하는 것과 같이 신경생리학 및 우주 연구 분야의 핵심 질문에 답하는 데 도움을 줍니다. 또한, 뇌의 정확히 어느 부위에서 이러한 변화가 일어나는지, 그리고 이러한 변화의 결과가 무엇인지 밝히는 데 유용합니다.

우주 공간의 무중력 상태에서 뇌 피질 기능과 혈역학적 변화에 어떤 일이 일어나는지, 그리고 그 기저에 있는 신경생리학적 과정을 규명함으로써 삶의 질을 높이고 임무의 성공과 안전을 보장하기 위한 구체적인 대응책을 개발할 수 있습니다. 따라서 이 방법은 뇌의 작동 메커니즘에 대한 통찰을 제공할 수 있으며, 신경계 질환 환자의 신경학적 손상이나 뇌 작동 방식에 대한 근본적인 원리를 규명하는 등 다른 시스템에도 적용될 수 있습니다. 저희는 우주에서 생활하는 우주비행사들의 신경인지 기능 저하에 대한 이야기를 들었을 때 처음으로 이 연구에 대한 아이디어를 얻었습니다.

데이터를 처리하고 분석하는 방법이 매우 다양하여 분석 단계를 학습하기 어렵기 때문에, 이 방법의 시각적 시연이 매우 중요합니다. 비행 1~2시간 전, 참가자들은 실험 준비를 위해 공항 내의 지정된 방으로 이동합니다. 먼저 참가자의 머리 둘레를 측정하고 두피를 세척하여, 광원 및 수신기가 통합된 EEG 캡을 참가자의 머리에 씌울 수 있도록 준비합니다.

다음 단계는 FP1 및 FP2 전극의 위치를 표시하는 것입니다. 먼저 nasion과 inion 사이의 거리를 측정하고, nasion과 inion 사이 거리의 1/10 지점을 측정합니다. nasion에서 시작하여, 머리 둘레의 1/20 거리만큼 정중선 기준으로 좌우에 두 개의 표시를 합니다.

캡에는 두피에 부착될 전극들이 포함되어 있으며 센서의 정확한 위치를 보장합니다. 참가자의 머리 크기에 적합한 EEG 캡을 선택합니다. 그다음, 캡을 머리에 씌웁니다.

피실험자의 머리와 그 위치를 확인합니다. CZ 전극은 정수리에 위치해야 하며, FP1과 FP2, 그리고 O1과 O2 전극은 표시된 지점에 수평으로 위치해야 합니다. 캡이 대칭적이고 적절한 위치에 유지되도록 턱 끈을 조입니다. 다음으로 심박수 전극을 배치하는데, 이때 EEG 전극 하나를 사용할 수 있으며 센서를 피실험자의 가슴 위에 배치합니다.

이제 전극의 임피던스를 최소화하고 신호 전도를 확인합니다. 각 전극에는 LED가 포함되어 있으며, 임피던스 측정이 시작되면 LED가 점등됩니다. 뭉툭한 바늘을 사용하여 전극 팁에서 머리카락을 치우고, 기준 전극과 접지 전극부터 시작하여 전극 팁과 피부 표면 사이에 젤을 주입합니다.

겔을 주입함에 따라 임피던스가 감소하며 LED의 색상이 변하게 되는데, 초기 빨간색에서 노란색으로, 이후 초록색으로 바뀝니다. 목표 임피던스 값인 25 kilo ohms에 도달하면, 전극의 작동 시 이 목표 값 또는 그 이하에서 양호한 신호 대 잡음비가 확보됩니다. 이 과정을 모든 캡 전극에 대해 반복합니다.

두 참가자 모두 전극 캡 준비가 완료되면, 참가자들에게 포물선 비행의 세부 사항과 준수해야 할 실험 시간 일정에 대해 안내합니다. 포물선 0번부터 30번까지의 도식적 개요와 수행해야 할 과제를 참가자들에게 제시합니다. 또한, 테스트를 언제 어떻게 시작하고 중단해야 하는지에 대한 구두 안내 사항을 검토합니다.

마지막으로, 참가자들을 기내 비행 준비를 위해 항공기로 안내합니다. 탑승 후 참가자들은 실험 설정에 따라 서로 옆자리에 앉으며, 안전벨트를 느슨하게 조입니다. EEG 케이블을 전극 제어 상자에 연결하고, 전극 제어 상자를 증폭기에 연결합니다.

다음으로, 신경 OID와 수신기를 EEG 캡의 OID 홀더에 고정합니다. 이 시점에서 EEG NERS 모듈을 시작합니다. 이 모듈은 연결 상태와 신호 품질을 제어합니다.

그런 다음 nerves 및 EEG 소프트웨어를 실행하고 기록을 위한 워크스페이스를 설정합니다. 데이터를 엽니다. 이어서 파일 이름, 기록 주파수 및 몽타주를 입력합니다.

신호가 최적이지 않은 경우, EEG의 임피던스 값이나 신경의 DAQ 값을 재조정하거나 필요에 따라 젤을 더 주입합니다. 이 시점에서 EEG 및 신경 신호 기록을 시작하고 휴지기 사전 측정값을 수집합니다.

참가자들은 이 시점에서 수행할 과제는 없으나, 편안하게 정지 상태를 유지하며 눈을 감고 있어야 합니다. 3분 후에 기록을 중단합니다. 휴식기 이후, 참가자들은 인지 과제인 chalkboard challenge의 기선 테스트를 수행합니다.

마지막으로 모든 장치의 전원을 끄고 EEG 전극 제어 박스와 간호사의 optos 및 수신기를 분리합니다. 카메라와 iPhone을 포함한 모든 장비는 기내 실험을 위한 이륙 준비 구역에 보관합니다. 항공기가 순항 고도에 도달하면, 먼저 비디오 카메라를 핸드레일에 장착한 후 비디오 녹화를 시작합니다.

다음으로, 참가자들을 좌석에 앉히고 안전벨트를 느슨하게 조입니다. 참가자들은 최소한 포물선 0번부터 25번까지는 좌석에 앉아 있어야 합니다. iPhone은 벨크로를 사용하여 참가자의 허벅지 윗부분에 부착합니다.

이제 EEG 전극 제어 박스를 연결하고, 신경 광섬유(nerves optos)와 수신기를 캡의 광 홀더에 고정합니다. EEG 및 신경 모듈을 실행하고, EEG 임피던스와 NS DAQ 값을 확인하여 EEG 신경 신호의 품질을 검증합니다. 3분 동안 휴지기 기록을 수행합니다.

포물선 0으로 지정된 첫 번째 포물선은 참가자들이 절차와 중력 조건의 변화에 적응할 수 있도록 하는 데 사용됩니다. 이후 포물선 1부터 10까지는 참가자들이 눈을 감고 좌석에 조용히 앉아 있는 동안 휴식 상태의 EEG 노이즈만 기록합니다. 다음으로, 5개의 포물선으로 구성된 두 개의 블록 동안 수행될 인지 과제를 위해 참가자들의 준비 과정을 거칩니다.

녹화는 참가자에게 지침을 제공하고 인지 테스트 결과와 시간을 저장하는 운영자에 의해 제어됩니다. 이 인지 처리 작업에서 참가자는 방정식의 어느 쪽이 더 큰지 식별하며, 참가자의 반응 속도와 정확도를 측정합니다. 반응은 프로그램에 의해 기록되며, 정확도, 속도 및 참가자가 parabola 11에서 15까지 도달한 최고 수준에 따라 최종 최고 점수가 부여됩니다.

참가자 1은 무중력 상태에서 이 과제를 수행하고, 참가자 2는 1G 상태에서 수행합니다. 이후 16번째에서 20번째 포물선 비행 동안, 참가자 1은 1G 상태에서, 참가자 2는 간헐적으로 무중력 상태에서 이 과제를 수행합니다. 나머지 측정값들은 포물선 비행 시퀀스 도중은 물론, 첫 번째 포물선 비행 전과 마지막 포물선 비행 후에 기록됩니다. 마지막 10회의 포물선 비행은 이전의 측정이나 실험을 반복해야 할 경우를 대비해 사용할 수 있습니다.

지면에 착륙한 후, 참가자와 운영자는 일시적으로 비행기에서 내릴 수 있으며, 이후 다시 실험 설정 장치로 돌아와 사후 측정을 위한 모든 준비를 수행합니다. 이때 휴식 상태의 EEG 간호 측정 작업을 반복합니다. 모든 기록이 완료되고 참가자의 캡을 제거하면, 저해상도 뇌 전자기 토모그래피 또는 Loretta를 이용한 실험이 종료됩니다.

전두엽 뇌 피질 활동의 개별적인 변화를 측정하는 것이 가능합니다. 첫 번째 참가자의 경우, 미세 중력 시작 2000 밀리초 후에 발생한 변화는 배외측 전전두엽 피질에 속하는 브로드만 9영역에서 국소화되었습니다. 이 영역은 운동 계획의 조직 및 조절 과정에서 감각 및 기억 정보의 통합에 중요한 역할을 합니다.

두 번째 참가자의 경우, 이러한 변화는 브로드만 9영역과 신체 안정화 과정 중 감각 조절 역할로 알려진 전운동피질인 브로드만 6영역으로 국한될 수 있습니다. 다음 트레이스는 전두엽 뇌 영역의 근적외선 분광법 결과를 보여줍니다. 검은색 곡선은 G 레벨을 나타냅니다.

노란색 배경은 정상 중력을 나타냅니다. 파란색 배경은 과중력을, 분홍색 배경은 예상대로 미세중력을 나타냅니다. 미세중력 단계에서 빨간색 트레이스(trace)로 표시된 것처럼 산소화된 혈액이 감소한 후, 다시 미세중력 단계에서 산소화된 혈액이 증가합니다.

또 다른 피실험자의 이 그림에서도 유사한 결과가 나타납니다. 흥미롭게도, 파란색 추적선으로 표시된 탈산소화 혈액의 양은 첫 번째 HyperV 단계나 무중력 단계에서는 일관된 양상을 보이지 않았으나, 두 피실험자 모두 두 번째 HyperV 단계에서 감소함을 보여주었습니다. 이 그림은 훈련 중 세 가지 측정 시점(비행 전 0G 상태, 비행 중 측정, 비행 중 1G 상태에서 측정)에 대한 두 피실험자의 인지 과제 결과를 보여줍니다.

피험자 간의 점수 차이는 이전에 보고된 포물선 비행 중의 신경인지 기능 저하가 개인별 스트레스 반응에 의한 것일 가능성이 높음을 나타냅니다. 이 영상을 시청한 후에는 EEG와 fNIRS 결합 기술의 적용 방법뿐만 아니라, 피질 전기 활동과 혈역학적 변화를 병행하여 모니터링하는 방법을 충분히 이해하게 될 것입니다. 이 절차를 수행하는 동안 신호의 품질을 확인하고 피험자의 행동을 모니터링하는 것이 중요합니다.

이러한 기술들은 뇌 피질 기능에 관심이 있는 연구자들이 미세중력이 뇌 피질 기능에 미치는 영향을 탐구하는 길을 열어줄 수 있으며, 일단 이러한 메커니즘이 규명되면 환자와 우주비행사는 물론 일반인들에게도 도움이 될 수 있을 것입니다.