Согласованность между функции коры головного мозга и Нейрокогнитивная Производительность при изменившихся условиях гравитации
Summary
Влияние невесомости и гипергравитации с обеих гемодинамических и электрофизиологических процессов в мозге будет следовать в ходе параболический полет на ЭЭГ и НИРС техники. Технико-экономическое обоснование более сложном эксперименте, который планируется провести в течение средне-и долгосрочной перспективе космического полета.
Abstract
Previous studies of cognitive, mental and/or motor processes during short-, medium- and long-term weightlessness have only been descriptive in nature, and focused on psychological aspects. Until now, objective observation of neurophysiological parameters has not been carried out – undoubtedly because the technical and methodological means have not been available -, investigations into the neurophysiological effects of weightlessness are in their infancy (Schneider et al. 2008).
While imaging techniques such as positron emission tomography (PET) and magnetic resonance imaging (MRI) would be hardly applicable in space, the non-invasive near-infrared spectroscopy (NIRS) technique represents a method of mapping hemodynamic processes in the brain in real time that is both relatively inexpensive and that can be employed even under extreme conditions. The combination with electroencephalography (EEG) opens up the possibility of following the electrocortical processes under changing gravity conditions with a finer temporal resolution as well as with deeper localization, for instance with electrotomography (LORETA).
Previous studies showed an increase of beta frequency activity under normal gravity conditions and a decrease under weightlessness conditions during a parabolic flight (Schneider et al. 2008a+b). Tilt studies revealed different changes in brain function, which let suggest, that changes in parabolic flight might reflect emotional processes rather than hemodynamic changes. However, it is still unclear whether these are effects of changed gravity or hemodynamic changes within the brain. Combining EEG/LORETA and NIRS should for the first time make it possible to map the effect of weightlessness and reduced gravity on both hemodynamic and electrophysiological processes in the brain. Initially, this is to be done as part of a feasibility study during a parabolic flight. Afterwards, it is also planned to use both techniques during medium- and long-term space flight.
It can be assumed that the long-term redistribution of the blood volume and the associated increase in the supply of oxygen to the brain will lead to changes in the central nervous system that are also responsible for anaemic processes, and which can in turn reduce performance (De Santo et al. 2005), which means that they could be crucial for the success and safety of a mission (Genik et al. 2005, Ellis 2000).
Depending on these results, it will be necessary to develop and employ extensive countermeasures. Initial results for the MARS500 study suggest that, in addition to their significance in the context of the cardiovascular and locomotor systems, sport and physical activity can play a part in improving neurocognitive parameters. Before this can be fully established, however, it seems necessary to learn more about the influence of changing gravity conditions on neurophysiological processes and associated neurocognitive impairment.
Protocol
Discussion
Из-за отсутствия мозгов изображений методы в экстремальных условиях до сих пор лежащий в основе нейрофизиологических процессов на предмет обесценения в когнитивных функций и психического состояния не были оценены. В этой статье мы были в состоянии отображать изменения в мозговой активности коры и оксигенации уровне в ходе параболический полет и локализовать эти изменения внутри мозга с помощью ЭЭГ в сочетании с LORETA и НИРС. Как и ожидалось, мы обнаружили увеличение электрокорковых деятельности в невесомости, который был локализован в лобных областях мозга (Бродмана районах 9 +6). Результаты показывают, что около 2000 мс после перехода мозга корковой активности изменяется в основном в лобных областях мозга. Можно предположить, что этот рост активности в области Бродмана 6 и 9 отражает механизмы мозга обнаружения и обработки изменившихся условиях гравитации для того, чтобы держать тело стабильности, а также двигатель способности в изменившихся условиях гравитации.
Что касается изменений гемодинамики, НИРС, показало, что O2Hb лобного мозга резко уменьшается в первой фазе гипергравитации и увеличивается в невесомости, в то время, HHB показал лишь умеренные изменения. Соответственно этот эффект не может быть отнесена к изменению объема крови исключительно. Скорее всего, это, кажется, отражают своего рода мозговой саморегуляции, тем более что увеличение O2Hb происходит задолго до перехода с 1,8 G на 0G (особенно в рисунок 4). В отличие O2Hb и HHB как снижение во второй фазе гипергравитации.
Результаты указывают на когнитивные задачи нет четкого нарушения при нормальной гравитации или невесомости полете по сравнению с предполетной сессии. По результатам двух субъектов нет четкого заявления можно ли параболических полетов или невесомости вместе с его увеличением активности мозга и оксигенации уровня имеют влияние на когнитивные функции. Ранее проведенные исследования дают основания полагать, что в этом контексте стресс может также сыграть определенную роль (Schneider и соавт. 2007), тем не менее, никаких изменений в концентрации кортизола может быть получена для обоих субъектов. Дальнейшие данные необходимы для подтверждения этих выводов и чтобы соотношение изменения в мозговой активности коры головного мозга, гемодинамические изменения, а также когнитивных функций.
Эта статья призвана показать, что мониторинг локальных изменений мозга корковой активности и оксигенации уровне на протяжении различных этапов изменили тяжести можно с помощью ЭЭГ в сочетании с НИРС и LORETA. Эти результаты успеха для космических исследований и позволит отображать сложные и локальные изменения головного мозга корковой активности в гипергравитации или невесомости и корреляции психических и моторных испытаний с объективными изменениями в мозгу. Следующим шагом является применение этого метода при длительном космических миссий.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы хотели бы поблагодарить мозга Products GmbH для обеспечения их оборудованием, знаниями и помощью. Это исследование было профинансировано Федеральным министерством экономики и технологий через грант от немецкого космического агентства (DLR) 50WB0819.
References
- Santo, N. G. D. e., Cirillo, M., Kirsch, K. A., Correale, G., Drummer, C., Frassl, W., Perna, A. F., Stazio, E. D. i., Bellini, L., Gunga, H. C. Anemia and erythropoietin in space flights. Semin Nephrol. 25, 379-387 (2005).
- Ellis, S. Collisions in space. , 4-9 (2000).
- Genik, R. J. 2. n. d., Green, C. C., Graydon, F. X., Armstrong, R. E. Cognitive avionics and watching spaceflight crews think: generation-after-next research tools in functional neuroimaging. Aviat Space Environ Med 76. , 208-212 (2005).
- Schneider, S., Brummer, V., Carnahan, H., Dubrowski, A., Askew, C. D., Struder, H. K. What happens to the brain in weightlessness? A first approach by EEG tomography. Neuroimage. 42, 1316-1323 (2008).
- Schneider, S., Brummer, V., Mierau, A., Carnahan, H., Dubrowski, A., Strueder, H. K. Increased brain cortical activity during parabolic flights has no influence on a motor tracking task. Exp Brain Res. 185, 571-579 (2008).
- Schneider, S., Brummer, V., Gobel, S., Carnahan, H., Dubrowski, A., Struder, H. K. Parabolic flight experience is related to increased release of stress hormones. Eur J Appl Physiol. 100, 301-308 (2007).
