Согласованность между функции коры головного мозга и Нейрокогнитивная Производительность при изменившихся условиях гравитации

Данная процедура использует комбинированный метод регистрации ЭЭГ и ближней инфракрасной спектроскопии для определения того, в какой степени снижение нейрокогнитивных функций в условиях невесомости обусловлено первичными эффектами гемодинамических и электрокортикальных изменений или вторичными эффектами, связанными со стрессом. Это достигается путем мониторинга изменений электрокортикальной активности участников во время параболического полета, включая фазы микрогравитации, микрогравитации и нормальной гравитации. Гемодинамические изменения во фронтальной области мозга могут быть параллельно отслеживаемы с помощью ближней инфракрасной спектроскопии или нервов.

Затем изменения активности коры головного мозга можно локализовать с помощью электромагнитной томографии. Заключительным этапом является корреляция электрокортикальных и гемодинамических изменений. В конечном итоге результаты показывают, что гемодинамические изменения, вызванные изменением условий гравитации, связаны с изменениями электрокортикальной функции.

Основным преимуществом данного метода по сравнению с существующими способами, такими как МРТ или ПЭТ, является то, что электрофотография в сочетании с электротомографией и ближней инфракрасной спектроскопией применима в экстремальных условиях, например, во время параболических или космических полетов с ограниченной нагрузкой и ограниченным пространством в условиях невесомости HyperV; это позволяет измерять и сопоставлять изменения электрической активности нейронов и гемодинамических изменений в головном мозге. Данный метод помогает ответить на ключевые вопросы в области нейрофизиологии и космических исследований, в частности, о том, как изменение гравитационных условий приводит к гемодинамическим и электрическим изменениям в коре головного мозга. Он позволяет определить, где именно в мозге происходят эти изменения и каковы их последствия.

Как только мы определим лежащие в основе нейрофизиологические процессы, поймем, что происходит с функцией коры головного мозга и гемодинамикой во время пребывания в космосе, в условиях невесомости, мы сможем разработать специфические меры противодействия для повышения качества жизни, обеспечения успеха и безопасности миссии. Таким образом, данный метод может дать представление о механизмах работы мозга, а также может быть применен к другим системам, например, при изучении неврологических нарушений у пациентов с неврологическими заболеваниями или для понимания фундаментальных принципов работы нашего мозга. Идея этого исследования впервые возникла у нас, когда мы узнали о когнитивных нарушениях у астронавтов, находящихся в космосе.

Визуальная демонстрация этого метода имеет решающее значение, так как этапы анализа сложно освоить из-за множества способов обработки и анализа данных. За один-два часа до полета участники направляются в помещение в аэропорту для подготовки к экспериментам. Сначала измеряется обхват головы и очищается кожа головы, чтобы на голову участника можно было надеть ЭЭГ-шлем с интегрированными оптодами и приемниками.

Следующий шаг — разметка позиций для электродов FP1 и FP2. Сначала измеряют расстояние между назионом и инионом, затем откладывают расстояние, равное 1/10 этого отрезка от назиона к иниону. Начиная от этой точки, делают две метки слева и справа от средней линии на расстоянии, равном 1/20 окружности головы.

Шапочка содержит электроды, которые будут прикреплены к коже головы, и обеспечивает правильное расположение датчиков. Выбирается ЭЭГ-шапочка подходящего размера в соответствии с размером головы участника. Затем шапочку надевают на голову.

Проверяется положение головы участника и ее ориентация. Электрод CZ должен находиться на макушке; электроды FP1 и FP2, а также O1 и O2 должны располагаться горизонтально на соответствующих метках. Для того чтобы шапочка оставалась в симметричном и правильном положении, закрепляется ремешок для подбородка. Затем устанавливается электрод для измерения частоты сердечных сокращений; для этого можно использовать один из ЭЭГ-электродов, который помещается на грудь участника.

Теперь минимизируют импеданс электродов и проверяют проводимость сигнала. Каждый электрод оснащен светодиодами, которые загораются при начале измерения импеданса. Волосы убирают с кончика электрода с помощью иглы с тупым концом, затем между кончиком электрода и поверхностью кожи вводят гель, начиная с референтного электрода и электрода заземления.

По мере введения геля цвет светодиодов будет меняться по мере снижения импеданса: начальный красный цвет сначала станет желтым, а затем зеленым. При достижении целевого значения импеданса 25 kΩ электроды обеспечат хорошее соотношение сигнал/шум при этом значении или ниже него. Данную процедуру повторяют для всех электродов шлема.

После подготовки электродов для обоих участников им дают инструкции о деталях параболического полета и графике проведения эксперимента. Участникам представляют схематический обзор парабол с нулевой по тридцатую, а также перечень выполняемых задач. Кроме того, обсуждаются вербальные оповещения о том, когда и как следует начинать и прекращать тестирование.

Наконец, участники направляются к самолету для подготовки к полету на борту. Оказавшись на борту, участники располагаются рядом друг с другом в экспериментальной установке, после чего ремни безопасности застегиваются свободно. Кабели ЭЭГ подключаются к блоку управления электродами, а блок управления электродами — к усилителю.

Затем OID-датчики нервов и приемник фиксируют в держателе для OID в ЭЭГ-шапочке. На этом этапе запускается модуль ЭЭГ NERS. Он контролирует соединение и качество сигнала.

Затем запускается ПО для ЭЭГ и управления нервами, а также создается рабочая область для записи. Открывается окно данных. После этого вводятся имя файла, частота записи и монтаж.

Если какие-либо сигналы оказываются субоптимальными, значения импеданса для ЭЭГ или значения DAQ для нервов корректируются, либо, при необходимости, вводится дополнительный гель. После этого начинается запись сигналов ЭЭГ и нервов, и собираются предварительные измерения в состоянии покоя.

На данном этапе у участников нет никаких задач; им следует оставаться в покое, расслабиться и держать глаза закрытыми. Запись останавливается через три минуты. После периода отдыха участники выполнят базовый тест когнитивной задачи «Школьная доска» (chalkboard challenge).

Наконец, все приборы выключаются, блок управления электродами ЭЭГ, а также оптоды и приемник медсестры отсоединяются. Все оборудование, включая камеру и iPhone, помещается в отсек для подготовки к взлету, после чего начинаются эксперименты в полете. Как только самолет достигнет крейсерской высоты, первым шагом будет закрепление видеокамеры на поручне, после чего запускается видеозапись.

Затем участники занимают свои места, и ремни безопасности застегиваются свободно. Участникам следует оставаться на своих местах как минимум с нулевой по 25-ю параболу. Смартфоны iPhone крепятся к верхней части ног участников с помощью липучек Velcro.

Теперь блок управления электродами ЭЭГ подключен, а оптоды и приемник нервов зафиксированы в опто-держателе в шапочке. Модуль ЭЭГ и нервов запущен, и качество сигнала ЭЭГ-нерва проверяется путем контроля импеданса ЭЭГ и значений NS DAQ. Запись в состоянии покоя проводится в течение трех минут.

Первая парабола, обозначенная как нулевая, будет использована для того, чтобы участники могли адаптироваться к процедуре и изменению условий гравитации. Затем, в течение парабол с первой по десятую, регистрируется только ЭЭГ в состоянии покоя, пока участники спокойно сидят в своих креслах с закрытыми глазами. После этого участников подготавливают к когнитивным задачам, которые будут выполняться в течение двух блоков по пять парабол.

Запись контролируется оператором, который дает инструкции участникам, а также фиксирует результаты когнитивных тестов и время выполнения. В данном задании на когнитивную обработку участник определяет, какая часть уравнения больше другой, оценивая скорость и точность ответов участника. Ответы записываются программой, после чего вычисляется итоговый максимальный балл, который зависит от точности, скорости и наивысшего уровня, которого участник достиг в ходе выполнения упражнений с 11 по 15.

Первый участник будет выполнять это задание в условиях нулевой гравитации (0 G), а второй — при однократной гравитации (1 G). Затем, во время парабол с 16-й по 20-ю, первый участник будет выполнять задание при 1 G, а второй — периодически в условиях 0 G. Контрольные измерения регистрируются как во время выполнения параболической последовательности, так и перед первой и после последней параболы. Последние 10 парабол могут быть использованы в случае необходимости повторения каких-либо предыдущих измерений или экспериментов.

После приземления участникам и оператору разрешается временно покинуть самолет, после чего они возвращаются к экспериментальной установке и подготавливают все необходимое для последующих измерений. В это время повторно проводятся измерения ЭЭГ в состоянии покоя. После завершения всех записей и снятия шлема с участника эксперимент завершается с использованием низкоразрешающей электромагнитной томографии мозга (Loretta).

Возможно определить индивидуальные изменения активности коры лобных долей головного мозга. Для первого участника изменение, произошедшее через 2000 миллисекунд после начала микрогравитации, локализовалось в области Бродмана 9, которая относится к дорсолатеральной префронтальной коре. Данная область играет важную роль в интеграции сенсорной и мнемической информации в процессе организации и регуляции моторного планирования.

Для второго участника эти изменения могли быть локализованы в девятой области Бродмана, а также в шестой области Бродмана — премоторной коре, которая известна своей ролью в сенсорной регуляции в процессе стабилизации тела. На следующем графике представлена ближняя инфракрасная спектроскопия лобной области мозга. Черная кривая обозначает уровень G.

Желтый фон соответствует нормальной гравитации. Синий фон указывает на гипергравитацию, а розовый — на ожидаемую микрогравитацию. На фазе микрогравитации наблюдается снижение уровня оксигенированной крови, что показано красной кривой, с последующим увеличением уровня оксигенированной крови в этой же фазе.

Аналогичные результаты наблюдаются на этом рисунке для другого участника. Интересно, что количество дезоксигенированной крови, отображаемое синей кривой, не демонстрировало стабильной динамики в течение первой фазы HyperV или фазы невесомости, однако у обоих испытуемых наблюдалось снижение во второй фазе HyperV. На этом рисунке представлены результаты когнитивного теста для двух испытуемых в трех точках измерения: во время тренировки перед полетом в условиях 0 G, во время полета в условиях невесомости и во время полета при 1 G.

Показатели различаются между испытуемыми, что указывает на то, что ранее зарегистрированные нейрокогнитивные нарушения во время параболических полетов, скорее всего, обусловлены индивидуальными стрессовыми реакциями. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как применять комбинированный метод ЭЭГ и коленного рефлекса, а также о том, как параллельно осуществлять мониторинг электрической активности коры головного мозга и гемодинамических изменений. При выполнении данной процедуры важно проверять качество сигнала и контролировать поведение испытуемых.

Эти методы могут открыть новые возможности для исследователей, изучающих функции коры головного мозга и влияние микрогравитации на эти функции; выявление соответствующих механизмов может оказать помощь пациентам, астронавтам, а также людям в повседневной жизни.