Koherencja między funkcjami kory mózgowej a wydajnością neuropoznawczą w warunkach zmiennej grawitacji

Niniejsza procedura wykorzystuje połączoną technikę zapisu EEG i spektroskopii bliskiej podczerwieni w celu ustalenia, w jakim stopniu obniżona wydajność neuropoznawcza w stanie nieważkości wynika z pierwotnych efektów zmian hemodynamicznych i elektrokortykalnych lub z wtórnych efektów związanych ze stresem. Jest to realizowane poprzez monitorowanie zmian w aktywności elektrokortykalnej uczestników podczas lotu parabolicznego, obejmującego fazy mikrograwitacji, mikrograwitacji oraz normalnej grawitacji. Zmiany hemodynamiczne w przednim obszarze mózgu mogą być monitorowane równolegle za pomocą spektroskopii bliskiej podczerwieni lub nerwów.

Zmiany w aktywności kory mózgowej można następnie zlokalizować za pomocą tomografii elektromagnetycznej. Ostatnim krokiem jest skorelowanie zmian elektrokortykalnych i hemodynamicznych. Ostatecznie wyniki wykazują, że zmiany hemodynamiczne wynikające ze zmiennych warunków grawitacyjnych są powiązane ze zmianami w funkcji elektrokortykalnej.

Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak MRI czy PET, jest to, że elektrofotografia w połączeniu z elektrotomografią i spektroskopią bliskiej podczerwieni jest możliwa do zastosowania w ekstremalnych warunkach, takich jak loty paraboliczne lub loty kosmiczne z ograniczonym obciążeniem i przestrzenią w systemie HyperV weightlessness, a także pozwala na pomiar i korelację zmian w aktywności elektrycznej neuronów oraz zmian hemodynamicznych w obrębie mózgu. Metoda ta pomaga w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania z dziedziny neurofizjologii i badań kosmicznych, takie jak wpływ zmiennych warunków grawitacyjnych na hemodynamiczne i elektryczne zmiany w korze mózgowej. Pomaga ona określić, gdzie dokładnie w mózgu zachodzą te zmiany oraz jakie są ich konsekwencje.

Po zidentyfikowaniu podstawowych procesów neurofizjologicznych oraz ustaleniu, co dzieje się z funkcją kory mózgowej i hemodynamiką podczas przebywania w kosmosie i w stanie nieważkości, będziemy w stanie opracować konkretne środki przeciwdziałania, aby poprawić jakość życia oraz sukces i bezpieczeństwo misji. Zatem metoda ta może dostarczyć wiedzy na temat mechanizmów działania mózgu lub może zostać zastosowana w odniesieniu do innych układów, takich jak zaburzenia neurologiczne u pacjentów neurologicznych, bądź służyć do badania fundamentalnych zasad działania naszego mózgu. Pomysł na te badania pojawił się u nas po raz pierwszy, gdy dowiedzieliśmy się o deficytach neuropoznawczych u astronautów przebywających w kosmosie.

Wizualna demonstracja tej metody jest kluczowa, ponieważ etapy analizy są trudne do opanowania ze względu na istnienie wielu sposobów przetwarzania i analizy danych. Na jedną lub dwie godziny przed lotem uczestnicy są przenoszeni do pomieszczenia na lotnisku w celu przygotowania do eksperymentów. W pierwszej kolejności mierzy się obwód ich głowy oraz oczyszcza skórę głowy, aby na głowie uczestnika można było umieścić czepek EEG z zintegrowanymi optodami i odbiornikami.

Kolejnym krokiem jest zaznaczenie pozycji elektrod FP1 i FP2. Najpierw mierzy się odległość między nasion a inion, a następnie wyznacza punkt w odległości jednej dziesiątej drogi między nasion a inion. Zaczynając od nasion, nanosi się dwa znaki po lewej i prawej stronie linii środkowej w odległości stanowiącej jedną dwudziestą obwodu głowy.

Czapka zawiera elektrody, które zostaną przymocowane do skóry głowy, i zapewnia prawidłowe rozmieszczenie czujników. Dobierana jest czapka EEG odpowiednia do rozmiaru głowy uczestnika. Następnie czapkę naciąga się na głowę.

Sprawdzono głowę uczestnika oraz jej ułożenie. Elektroda CZ powinna znajdować się na wierzchołku głowy, a elektrody FP1, FP2, O1 i O2 powinny być rozmieszczone poziomo w miejscach zaznaczonych; zapięto pasek podbródkowy, aby zapewnić symetryczne i prawidłowe ułożenie czepek. Następnie umieszczono elektrodę do pomiaru tętna; w tym celu można wykorzystać jedną elektrodę EEG, a czujnik należy umieścić na klatce piersiowej uczestnika.

Następnie minimalizuje się impedancję elektrod i sprawdza przewodzenie sygnału. Każda elektroda zawiera diody LED, które zaświecą się po rozpoczęciu pomiaru impedancji. Za pomocą igły z tępym zakończeniem odsuwa się włosy od końcówki elektrody, a następnie wstrzykuje się żel między końcówkę elektrody a powierzchnię skóry, zaczynając od elektrod referencyjnej i masy.

W miarę wstrzykiwania żelu kolor diod LED będzie się zmieniać wraz ze spadkiem impedancji, tak że początkowy kolor czerwony zmieni się najpierw na żółty, a następnie na zielony. Po osiągnięciu docelowej wartości impedancji wynoszącej 25 kilo ohms, elektrody zapewnią korzystny stosunek sygnału do szumu przy wartości równej lub niższej od tej docelowej. Procedurę tę powtarza się dla wszystkich elektrod czepka.

Po przygotowaniu czepków z elektrodami dla obu uczestników, przekazuje się im instrukcje dotyczące szczegółów lotu parabolicznego oraz harmonogramu czasowego eksperymentu, który zostanie zastosowany. Uczestnikom prezentowany jest schematyczny przegląd parabol od zera do 30 oraz zadań, które mają zostać wykonane. Przeglądane są również komunikaty słowne określające, kiedy i w jaki sposób rozpoczynać i kończyć testy.

Na koniec uczestnicy zostają odprowadzeni do samolotu w celu przygotowania do lotu na pokładzie. Po wejściu na pokład uczestnicy zasiadają obok siebie w ustawieniu eksperymentalnym, a pasy bezpieczeństwa zostają zapięte luźno. Przewody EEG zostają podłączone do modułu sterowania elektrodami, a moduł sterowania elektrodami zostaje podłączony do wzmacniacza.

Następnie elektrody OID i odbiornik są mocowane w uchwycie OID w czapce EEG. W tym momencie uruchamiany jest moduł EEG NERS. Służy on do kontroli łączności oraz jakości sygnału.

Następnie uruchamia się system nerwowy oraz oprogramowanie EEG i tworzy przestrzeń roboczą do rejestracji. Otwiera się dane. Następnie wprowadza się nazwę pliku, częstotliwość próbkowania oraz montaż elektrod.

W przypadku wystąpienia suboptimalnych sygnałów, wartości impedancji dla EEG lub wartości DAQ dla nerwów są korygowane lub, w razie potrzeby, wstrzykiwana jest większa ilość żelu. W tym momencie rozpoczyna się rejestrację sygnałów EEG i nerwowych oraz gromadzi pomiary stanu spoczynkowego.

Na tym etapie uczestnicy nie wykonują żadnych zadań, lecz powinni pozostać w spokoju, zrelaksowani i z zamkniętymi oczami. Nagrywanie zostaje zatrzymane po trzech minutach. Po okresie odpoczynku uczestnicy wykonają test bazowy zadania poznawczego chalkboard challenge.

Na koniec wszystkie urządzenia zostają wyłączone, a skrzynka sterownicza elektrod EEG, a także optosy i odbiornik pielęgniarki zostają odłączone. Cały sprzęt, w tym kamera i telefony iPhone, jest przechowywany w przedziale do czasu rozpoczęcia przygotowań do startu w ramach eksperymentów prowadzonych w locie. Po osiągnięciu przez samolot wysokości przelotowej, pierwszym krokiem jest zamontowanie kamery wideo do poręczy, a następnie uruchomienie nagrywania wideo.

Następnie uczestnicy zostają umieszczonych w swoich fotelach, a pasy bezpieczeństwa są luźno zapięte. Uczestnicy powinni pozostać w pozycji siedzącej przynajmniej od paraboli zero do 25. Telefony iPhone są przymocowane do górnej części uda uczestników za pomocą rzepów.

Następnie podłącza się skrzynkę sterującą elektrodami EEG, a optody nerwowe oraz odbiornik mocuje się w uchwycie optycznym w czapce. Uruchamia się moduł EEG i nerwów, a następnie weryfikuje jakość sygnału nerwowego EEG poprzez sprawdzenie impedancji EEG oraz wartości NS DAQ. Przez trzy minuty przeprowadza się pomiar w stanie spoczynku.

Pierwsza parabola, określana jako parabola zero, posłuży uczestnikom do adaptacji do procedury oraz zmiany warunków grawitacyjnych. Następnie podczas paraboli od pierwszej do dziesiątej rejestrowany jest wyłącznie zapis EEG w stanie spoczynku, podczas gdy uczestnicy siedzą spokojnie w swoich fotelach z zamkniętymi oczami. W kolejnym kroku uczestnicy są przygotowywani do zadań poznawczych, które zostaną wykonane podczas dwóch bloków po pięć paraboli.

Nagranie jest kontrolowane przez operatora, który wydaje instrukcje uczestnikom, a także zapisuje wyniki testów poznawczych i czasy. W tym zadaniu przetwarzania poznawczego uczestnik określa, która strona równania jest większa od drugiej; program rejestruje szybkość i dokładność odpowiedzi uczestnika, a na koniec przyznawany jest wynik końcowy zależny od dokładności, szybkości oraz najwyższego poziomu, który uczestnik osiągnął podczas parabol od 11 do 15.

Uczestnik pierwszy wykona to zadanie w warunkach zero G, a uczestnik drugi w warunkach 1 G. Następnie, podczas parabol od 16 do 20, uczestnik pierwszy wykona to zadanie w warunkach 1 G, a uczestnik drugi okresowo w warunkach zero G. Pomiary spoczynkowe są rejestrowane podczas sekwencji parabolicznej, a także przed pierwszą i po ostatniej paraboli. Ostatnie 10 parabol może zostać wykorzystanych w przypadku konieczności powtórzenia jakichkolwiek wcześniejszych pomiarów lub eksperymentów.

Po powrocie na ziemię uczestnicy i operator mogą tymczasowo opuścić samolot przed ponownym wejściem do zestawu eksperymentalnego i przygotowaniem wszystkiego do pomiarów końcowych. W tym czasie powtarzane są pomiary EEG w stanie spoczynku przez pielęgniarkę. Po zakończeniu wszystkich nagrań i zdjęciu czepek z głowy uczestnika, eksperyment kończy się przy użyciu niskorozdzielczej elektromagnetycznej tomografii mózgu lub Loretta.

Możliwe jest określenie indywidualnych zmian w aktywności kory czołowej mózgu. W przypadku pierwszego uczestnika zmiana występująca 2000 milisekund po rozpoczęciu mikrograwitacji była zlokalizowana w obszarze dziewiątym Brodmanna, który należy do grzbietowo-bocznej kory przedczołowej. Region ten odgrywa istotną rolę w integracji informacji sensorycznych i mnemonicznych w przebiegu organizacji i regulacji planowania ruchowego.

W przypadku drugiego uczestnika zmiany te mogły być zlokalizowane w polu 9 Brodmanna, a także w polu 6 Brodmanna – korze przedruchowej, znanej z roli w regulacji sensorycznej podczas stabilizacji ciała. Następny zapis przedstawia spektroskopię bliskiej podczerwieni w przednim regionie mózgu. Czarna krzywa oznacza poziom G.

Żółte tło oznacza normalną grawitację. Niebieskie tło oznacza hipergrawitację, a różowe tło mikrograwitację, zgodnie z oczekiwaniami. W fazie mikrograwitacji widoczny jest spadek ilości utlenowanej krwi, co wskazuje czerwona krzywa, a następnie następuje wzrost ilości utlenowanej krwi w fazie mikrograwitacji.

Podobne wyniki widoczne są na tej rycinie dla innego uczestnika. Co ciekawe, ilość odtlenowanej krwi, przedstawiona przez niebieską krzywą, nie wykazała spójnego zachowania podczas pierwszej fazy HyperV ani fazy nieważkości, ale u obu badanych odnotowano spadek w drugiej fazie HyperV. Ta rycina przedstawia zadanie poznawcze dla dwóch osób w trzech punktach pomiarowych podczas treningu: pomiaru przed lotem w warunkach 0 G, pomiaru podczas lotu oraz pomiaru w warunkach 1 G, również wykonanego podczas lotu.

Wyniki różnią się pomiędzy badanymi, co wskazuje, że wcześniej raportowane deficyty neuropoznawcze podczas lotów parabolicznych są najprawdopodobniej wynikiem indywidualnych reakcji stresowych. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat zastosowania łączonej techniki EEG i fNIRS, a także sposobu równoległego monitorowania aktywności elektrokortykalnej i zmian hemodynamicznych. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest sprawdzenie jakości sygnału oraz monitorowanie zachowania badanych.

Techniki te mogą utorować drogę badaczom zainteresowanym funkcjami kory mózgowej oraz umożliwić zbadanie wpływu mikrograwitacji na te funkcje, a identyfikacja tych mechanizmów może w przyszłości pomóc pacjentom, astronautom, jak i osobom zdrowym.