Samenhang tussen Brain Cortical Functie en neurocognitieve prestatie tijdens Changed Gravity Voorwaarden

Deze procedure maakt gebruik van een gecombineerde EEG- en nabij-infraroodspectroscopie-registratietechniek om vast te stellen in hoeverre verminderde neurocognitieve prestaties in gewichtloosheid te wijten zijn aan de primaire effecten van hemodynamische en elektrocorticale veranderingen of aan secundaire stressgerelateerde effecten. Dit wordt bereikt door veranderingen in de elektrocorticale activiteit van deelnemers te monitoren tijdens een parabolische vlucht, inclusief fasen van microzwaartekracht, microzwaartekracht en normale zwaartekracht. Hemodynamische veranderingen in de frontale hersenen kunnen parallel worden gemonitord met behulp van nabij-infraroodspectroscopie of zenuwen.

De veranderingen in de corticale hersenactiviteit kunnen vervolgens worden gelokaliseerd met behulp van elektromagnetische tomografie. De laatste stap is het correleren van de electrocorticale en hemodynamische veranderingen. Uiteindelijk tonen de resultaten aan dat de hemodynamische veranderingen als gevolg van gewijzigde zwaartekrachtomstandigheden geassocieerd zijn met veranderingen in de electrocorticale functie.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden zoals MRI of PET is dat elektrofotografie in combinatie met elektrotomografie en nabij-infraroodspectroscopie haalbaar is tijdens extreme omstandigheden, zoals parabolische vluchten of ruimtevluchten met HyperV gewichtloosheid, beperkte ladingen en beperkte ruimte, en dat het mogelijk maakt om veranderingen in de neurale elektrische activiteit en hemodynamische veranderingen in de hersenen te meten en te correleren. Deze methode helpt bij het beantwoorden van kernvragen in het veld van de neurofysiologie en het ruimteonderzoek, zoals de vraag of veranderde zwaartekrachtomstandigheden leiden tot hemodynamische en elektrische corticale veranderingen. Het helpt vast te stellen waar in de hersenen deze veranderingen precies optreden en wat de gevolgen van deze veranderingen zijn.

Zodra we de onderliggende neurofysiologische processen hebben geïdentificeerd, en zodra we hebben vastgesteld wat er gebeurt met de corticale hersenfunctie en de hemodynamiek terwijl we in de ruimte zijn, in gewichtloosheid, kunnen we specifieke tegenmaatregelen ontwikkelen om de levenskwaliteit, het missingsucces en de missingsveiligheid te verbeteren. Deze methode kan dus inzicht bieden in de werkingsmechanismen van de hersenen, of deze kan ook worden toegepast op andere systemen, zoals neurologische beperkingen bij neurologische patiënten, of op het fundamentele idee van hoe onze hersenen werken. We kregen voor het eerst het idee voor dit onderzoek toen we hoorden over neurocognitieve achteruitgang bij astronauten die in de ruimte verblijven.

De visuele demonstratie van deze methode is cruciaal, aangezien de analysestappen moeilijk aan te leren zijn vanwege de vele manieren om de gegevens te behandelen en te analyseren. Eén tot twee uur voor de vlucht worden de deelnemers naar een ruimte op de luchthaven gebracht om zich voor te bereiden op de experimenten. Eerst wordt hun hoofdomtrek gemeten en wordt de hoofdhuid gereinigd, zodat de EEG-kap met de geïntegreerde optodes en ontvangers op het hoofd van de deelnemer kan worden geplaatst.

De volgende stap is het markeren van de posities voor de FP1- en FP2-elektroden. Eerst wordt de afstand tussen het nasion en het inion gemeten; vervolgens wordt een afstand van een tiende van de weg tussen het nasion en het inion bepaald. Beginnend vanaf het nasion worden twee markeringen geplaatst, links en rechts van de middellijn, op een afstand die een twintigste van de hoofdomtrek bedraagt.

De cap bevat de elektroden die op de hoofdhuid worden bevestigd en waarborgt de correcte positionering van de sensoren. Er wordt een EEG-cap gekozen die passend is voor de hoofdomtrek van de deelnemer. Vervolgens wordt de cap opgezet.

Het hoofd van de deelnemer en de positie ervan worden gecontroleerd. De CZ-elektrode moet zich op de vertex bevinden, de FP1- en FP2-elektroden en de O1- en O2-elektroden moeten horizontaal op de markeringen geplaatst zijn; een kinband wordt vastgemaakt om te waarborgen dat de cap in een symmetrische en juiste positie blijft. Vervolgens wordt de hartslagelektrode geplaatst; hiervoor kan één EEG-elektrode worden gebruikt, waarbij de sensor op de borst van de deelnemer wordt geplaatst.

Nu wordt de impedantie van de elektroden geminimaliseerd en wordt de signaalgeleiding gecontroleerd. Elke elektrode bevat LED's, die zullen oplichten wanneer de impedantiemeting wordt gestart. Het haar wordt met een stompe naald weggehaald van de punt van de elektrode, waarna er gel wordt geïnjecteerd tussen de punt van de elektrode en het huidoppervlak, beginnend met de referentie- en grounding-elektroden.

Terwijl de gel wordt geïnjecteerd, verandert de kleur van de LED's naarmate de impedantie afneemt, zodat de aanvankelijke rode kleur eerst geel en vervolgens groen wordt. Zodra de doelwaarde voor de impedantie van 25 kilo ohm is bereikt, zullen de actieve elektroden een goede signaal-ruisverhouding bieden bij of onder deze doelwaarde. Deze procedure wordt herhaald voor alle elektroden van de cap.

Zodra de elektrodekap voor beide deelnemers is voorbereid, krijgen de deelnemers instructies over de details van de parabolische vlucht en het experimentele tijdschema dat zal worden gevolgd. Er wordt een schematisch overzicht gepresenteerd aan de deelnemers van parabool nul tot en met 30 en de uit te voeren taken. Ook worden de verbale aankondigingen herhaald waarin wordt aangegeven wanneer en hoe de tests moeten worden gestart en gestopt.

Ten slotte worden de deelnemers naar het vliegtuig gebracht voor de voorbereidingen aan boord. Eenmaal aan boord nemen de deelnemers plaats naast elkaar in de experimentele opstelling en worden de veiligheidsgordels losjes vastgemaakt. De EEG-kabels worden aangesloten op de elektrodencontrolebox en de elektrodencontrolebox wordt aangesloten op de versterker.

Vervolgens worden de OID's van de zenuwen en de ontvanger vastgezet in de OID-houder in de EEG-kap. Op dit punt wordt de EEG NERS-module gestart. Deze regelt de connectiviteit en de signaalkwaliteit.

Vervolgens worden de zenuwen en de EEG-software gestart en wordt er een werkruimte voor de registratie aangemaakt. De data worden geopend. Daarna worden de bestandsnaam, de registratiefrequentie en de montage ingevoerd.

Indien signalen suboptimaal zijn, worden de impedantiewaarden voor het EEG of de DAQ-waarden voor de zenuwen opnieuw ingesteld, of wordt er indien nodig meer gel geïnjecteerd. Op dit punt wordt de registratie van het EEG- en zenuwsignaal gestart en worden de prem-metingen in rusttoestand verzameld.

De deelnemers hebben op dit moment geen taken, maar moeten ontspannen blijven liggen en hun ogen gesloten houden. De opname wordt na drie minuten gestopt. Na de rustperiode voeren de deelnemers een nulmeting uit van de cognitieve taak chalkboard challenge.

Ten slotte worden alle apparaten uitgeschakeld en worden de bedieningskast van de EEG-elektroden en de optos en ontvanger van de verpleegkundige losgekoppeld. Alle apparatuur, inclusief de camera en de iPhones, wordt opgeborgen in een compartiment ter voorbereiding op het opstijgen, waarna de experimenten tijdens de vlucht worden gestart. Zodra het vliegtuig de kruishoogte heeft bereikt, is de eerste stap het bevestigen van de videocamera aan de handrail, om vervolgens de video-opname te starten.

Vervolgens worden de deelnemers op hun stoelen geplaatst en worden de veiligheidsgordels losjes vastgemaakt. Deelnemers moeten ten minste van parabool nul tot en met 25 blijven zitten. De iPhones worden met klittenband aan het bovenbeen van de deelnemers bevestigd.

Nu is de controlebox van de EEG-elektroden aangesloten en zijn de zenuw-opto's en de ontvanger bevestigd in de optohouder in de kap. De EEG- en zenuwmodule wordt gestart en de kwaliteit van het EEG-zenuwsignaal wordt geverifieerd door de EEG-impedantie en de NS DAQ-waarden te controleren. Er wordt gedurende drie minuten een rustmeting uitgevoerd.

De eerste parabool, aangeduid als parabool nul, wordt gebruikt om de deelnemers te laten wennen aan de procedure en aan de verandering in zwaartekrachtomstandigheden. Vervolgens wordt tijdens parabool één tot en met 10 alleen EEG in rusttoestand geregistreerd, terwijl de deelnemers rustig op hun stoel zitten met de ogen gesloten. Daarna worden de deelnemers voorbereid op de cognitieve taken die zullen worden uitgevoerd tijdens twee blokken van vijf parabolen.

De opname wordt beheerd door de operator, die instructies geeft aan de deelnemers en tevens de resultaten van de cognitieve tests en de tijden opslaat. In deze cognitieve verwerkingstaak identificeert de deelnemer welke kant van een vergelijking groter is dan de andere; de snelheid en nauwkeurigheid van de respons van de deelnemer worden door het programma geregistreerd. Er wordt een uiteindelijke topscore toegekend, afhankelijk van de nauwkeurigheid, snelheid en het hoogste niveau dat de deelnemer heeft bereikt tijdens parabola 11 tot en met 15.

Deelnemer één voert deze taak uit in 0 G en deelnemer twee in 1 G. Vervolgens voert deelnemer één tijdens parabool 16 tot en met 20 deze taak uit in 1 G en deelnemer twee incidenteel in 0 G. Rustmetingen worden geregistreerd tijdens de parabolische sequentie, evenals vóór de eerste en na de laatste parabool. De laatste 10 parabolen kunnen worden gebruikt indien eerdere metingen of experimenten moeten worden herhaald.

Zodra ze weer op de grond zijn, mogen de deelnemers en de operator het vliegtuig tijdelijk verlaten voordat ze terugkeren naar de experimentele opstelling en alles voorbereiden voor de nametingen. Op dit moment worden de EEG-metingen in rusttoestand door de verpleegkundige herhaald. Zodra alle opnames zijn voltooid en de cap van de deelnemer is verwijderd, wordt het experiment afgerond met behulp van low resolution brain electromagnetic tomography of Loretta.

Het is mogelijk om individuele veranderingen in de activiteit van de frontale hersencortex vast te stellen. Voor deelnemer één was de verandering die 2000 milliseconden na het begin van de microzwaartekracht optrad, gelokaliseerd in Broadman-gebied negen, dat deel uitmaakt van de dorsolaterale prefrontale cortex. Deze regio speelt een belangrijke rol bij de integratie van sensorische en mnemonische informatie tijdens de organisatie en regulatie van de motorische planning.

Voor deelnemer twee konden deze veranderingen worden gelokaliseerd in Broadmann gebied negen en ook in Broadmann gebied zes, de premotorische cortex, die bekend staat om zijn rol bij sensorische regulatie tijdens lichaamsstabilisatie. De volgende grafiek toont nabij-infraroodspectroscopie in de frontale hersenregio. De zwarte curve geeft het G-niveau aan.

De gele achtergrond geeft normale zwaartekracht aan. De blauwe achtergrond geeft hyperzwaartekracht aan en de roze achtergrond geeft microzwaartekracht aan, zoals verwacht. Er is een afname van zuurstofrijk bloed, zoals te zien is aan de rode lijn in de microzwaartekrachtfase, gevolgd door een toename van zuurstofrijk bloed in de microzwaartekrachtfase.

Vergelijkbare resultaten zijn te zien in deze figuur van een andere deelnemer. Interessant is dat de hoeveelheid gedeoxygeneerd bloed, zoals aangegeven door de blauwe lijn, geen consistent verloop vertoonde tijdens de eerste HyperV-fase of de gewichtloosheidsfase, maar bij beide proefpersonen een afname liet zien in de tweede HyperV-fase. Deze figuur toont de cognitieve taak voor twee proefpersonen op drie meetpunten tijdens de training: een meting vóór de vlucht in 0 G, een meting tijdens de vlucht, en een meting bij 1 G eveneens tijdens de vlucht.

De scores verschillen tussen de proefpersonen, wat aangeeft dat eerder gerapporteerde neurocognitieve achteruitgangen tijdens parabolische vluchten waarschijnlijk het gevolg zijn van individuele stressreacties. Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe de gecombineerde e, e, g en knees-techniek moet worden toegepast, alsmede hoe de electrocorticale activiteit en hemodynamische veranderingen parallel kunnen worden gemonitord. Tijdens het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om de signaalkwaliteit te controleren en het gedrag van de proefpersonen te monitoren.

Deze technieken kunnen de weg vrijmaken voor onderzoekers die geïnteresseerd zijn in de corticale hersenfunctie en voor het verkennen van de effecten van microzwaartekracht op deze functie; zodra we deze mechanismen hebben geïdentificeerd, kan dit patiënten, astronauten en gezonde mensen ten goede komen.