Optimalizace kofeinu v reálném čase během úplného nedostatku spánku

Prvním cílem této studie je zjistit, zda model 2B-Alert Caffeine Optimization Model (2BAlert) dokáže vytvořit individualizované kofeinové plány, které účinně obnoví výkon PVT během specifikovaného časového okna. Model 2BAlert je základním pilířem komplexního systému řízení únavy, který vyvinuly Walter Reed Army Institute of Research (WRAIR) a Biotechnology High Performance Computing Software Applications Institute (BHSAI). Jde o softwarový nástroj, který se „učí“ (kvantifikuje) vztah mezi parametry spánku/bdění jedince (jak je objektivně změřeno pomocí aktigrafie zápěstí) a jeho psychomotorickou výkonností (objektivně měřenou na PVT). Kvantifikuje, do jaké míry je jedinec citlivý/odolný vůči účinkům ztráty spánku, a vytváří individualizované předpovědi výkonu, které lze použít k informování při rozhodování o současné a budoucí připravenosti, stejně jako při aplikaci protiopatření proti únavě, jako je zdřímnutí nebo kofein. . Nejnovější verze 2BAlert může aplikovat opatření proti únavě přímo na jednotlivce na základě jejich individualizované předpovědi výkonu. Tento model poskytuje doporučení, kdy a jaké množství kofeinu použít, aby se optimalizoval výkon během určeného časového období. I když byl tento model aplikován post-hoc na dříve shromážděná data, musí být ještě otestován v reálném čase. Tato studie poskytne první příležitost přímo otestovat, zda lze model efektivně použít v reálném čase k obnovení výkonu PVT na požadovanou úroveň (tj. 275 ms), když je to potřeba (tj. šestihodinová perioda po 44 hodinách spánku ztráta).

Druhým cílem této studie je prozkoumat, zda 2BAlert může nejen obnovit výkon PVT během stanoveného období, ale také obnovit nárůst stresu a úzkosti, který sám uvedl, související se ztrátou spánku. Údaje z předchozí studie WRAIR ukazují, že stres a úzkost, které si sami uváděli, se zvyšují po 1 noci ztráty spánku a dále se zvyšují po druhé noci nepřetržité spánkové deprivace. Tato měření se po 12 hodinách zotavovacího spánku vrátí na výchozí hodnotu a mapují se přímo na výkon PVT. Vyšetřovatelé proto předpokládají, že pokud lze výkon PVT obnovit kofeinem, stres a úzkost se mohou také vrátit blízko výchozím úrovním kofeinu.

Terciárním cílem studie je posoudit, zda jsou snímky pořízené fotoaparátem chytrého telefonu vhodné pro vývoj pasivního, nerušivého systému počítačového vidění, který by mohl nahradit PVT pro hodnocení bdělosti. V současné době používá algoritmus data PVT, protože: (a) ve srovnání s jinými měřeními výkonnosti je PVT relativně citlivá na ztrátu spánku a cirkadiánní rytmus bdělosti; a (b) neexistují žádné efekty učení na PVT. PVT však vyžaduje, aby se jednotlivec aktivně zapojil do 3 až 10 minut dlouhého testu, který musí být proveden alespoň desetkrát během spánkové deprivace, což z něj činí citlivý, ale nepraktický test pro měření bdělosti vojáka v operačních podmínkách.

Všichni účastníci se zúčastní následujících průběžných studijních fází. Během této studie může být podávána kofeinová guma.

Fáze 1: Domácí měření spánku/bdění: Všichni účastníci budou instruováni, aby udržovali svůj normální plán spánku/bdění po dobu 13 dnů/12 nocí bezprostředně předcházejících fázi 2 (laboratorní část studie). Shoda bude objektivně ověřena pomocí aktigrafie zápěstí. Účastníci dostanou chytrý telefon a budou požádáni, aby na něm každé 3 hodiny v bdělém stavu dokončili PVT a zapsali své běžné užívání kofeinu a denní dobu spánku.

Fáze 2: Hodnocení výkonu spánku/bdění a PVT v laboratoři: Účastníci se 13. dne v 19:00 hlásí do spánkové laboratoře. Během bdělého stavu v laboratoři absolvují různé kognitivní testy, včetně PVT, a každé 3 hodiny natočí 3minutové video svého obličeje. Bude jim umožněno spát od 2300 hodin 13. dne do 0700 hodin 14. dne a spánek bude monitorován pomocí PSG a aktigrafie. Poté bude následovat 62 hodin nepřetržité bdělosti (tj. od 07:00 hodin 14. dne do 21:00 hodin 16. dne). 15. den v 19:00 bude spuštěn 2BAlert pro každého jednotlivce a využije předchozí spánek a výkon každého jednotlivce k vytvoření individuálního plánu dávkování kofeinu pro optimalizaci výkonu od 03:00 do 09:00 v den 16.

Fáze 3: Obnova v laboratoři: Všichni účastníci projdou fází zotavení sestávající z 12 hodin v posteli od 21:00 dne 16 do 09:00 dne 17 a spánek bude monitorován pomocí PSG a aktigrafie. Plán kognitivního testování a nahrávání obličejového videa bude pokračovat od fáze 2 během hodin bdění. Po vyhodnocení lékařem studie budou propuštěni ze studie přibližně v 18:00 v den 17. Účastníci tak budou v laboratoři celkem 95 hodin.

Hlavním koncovým bodem této studie je výkonnost testu psychomotorické bdělosti (PVT), měřená pomocí Smart-PVT. Sekundárním koncovým bodem je stres a úzkost, které si sami uvedli, měřené pomocí vizuální analogové škály stresu a Spielbergerova inventáře úzkosti podle stavu. Třetím cílem studie je otestovat, zda by snímky obličeje pořízené fotoaparátem telefonu mohly být použity k posouzení úrovně bdělosti subjektů trpících spánkovou deprivací.

Hypotézy, které mají být testovány: (a) Údaje o psychomotorické výkonnosti shromážděné na Smart-PVT zůstanou na nebo pod 275 ms během okna Peak Alertness optimalizovaného výkonu, což naznačuje, že 2BAlert je platný a připravený k použití v budoucích terénních studiích a provozních nastaveních. (b) Stres a úzkost, které si sami uváděli, se vrátí na výchozí úroveň během okna Peak Alertness Window a mapují se na obnovu výkonu PVT během tohoto časového okna.

SOUVISLOSTI: Neurobehaviorální deficity způsobené ztrátou spánku jsou uznávanou hrozbou pro bezpečnost a produktivitu v civilních i vojenských operačních prostředích. Velmi propagované nehody a nehody související s únavou (včetně komerčních nehod, jako jsou ty, které se staly na 3-Mile Island, Černobyl a Bhópál; a vojenských nehod, jako je přepadení 507. společnosti údržby) nadále upozorňují na problém spánku. ztráta/ospalost v provozních prostředích. Takové nehody zdůrazňují škodlivé účinky ztráty spánku na rozhodování, bdělost, řešení problémů a další duševní schopnosti kritické pro vojenskou efektivitu. Publikace a příručky od armády, námořní pěchoty USA a námořnictva USA zdokumentovaly vojensky relevantní škodlivé účinky ztráty spánku na bdělost a výkon. Pátý průzkum armádního poradního týmu pro duševní zdraví mezi bojovníky sloužícími v operaci Irácká svoboda a operaci Trvalá svoboda odhalil, že členové služby, kteří hlásili méně spánku, také hlásili vyšší míru nehod a chyb a častěji podporovali negativní položky týkající se duševního zdraví.

Ministerstvo obrany financovalo vývoj výpočtového modelu pro kvantifikaci účinků denního množství spánku na neurobehaviorální výkon. Nejnovější (a nejpokročilejší) verze matematického modelu predikce spánku/výkonu je model 2BAlert vyvinutý společností BHSAI. Stejně jako jeho předchůdci byl 2BAlert založen především na datech PVT shromážděných ve výzkumné laboratoři spánku WRAIR. Data PVT byla použita, protože pro účely konstrukce modelů predikce spánku/výkonu jsou obecně lepší než data z jiných měření výkonnosti v několika důležitých ohledech: (a) ve srovnání s jinými měřeními výkonnosti je PVT relativně citlivá na ztrátu spánku a cirkadiánní rytmus bdělosti; (b) neexistují žádné efekty učení na PVT; a (c) dříve bylo prokázáno, že model predikce spánku/výkonu založený na PVT má dobrou ekologickou platnost. To znamená, že se ukázalo, že modelové předpovědi účinnosti výkonu založené na PVT dobře korelují s „rizikem nehod“ ve skutečném provozu na železnici.

Současný nástroj 2BAlert přichází ve dvou formách: 1) webový nástroj, který bere plány spánku a kofeinu a zobrazuje předpokládaný GROUP AVERAGE výkon a 2) aplikace pro chytré telefony, která využívá individuální výkon měřený pomocí PVT na chytrém telefonu k individualizaci výkonu. prediktivní model. Tato verze nástroje byla úspěšně ověřena v nedávné studii společnosti WRAIR. Nejnovější verze aplikace pro chytré telefony využívá individualizované předpovědi výkonu k výpočtu individuálního plánování kofeinu, které optimalizuje výkon během konkrétních období. I když byl tento nástroj vyvinut pomocí dat shromážděných ve WRAIR a byl spuštěn post-hoc na datech dříve shromážděných ve WRAIR, musí být ještě otestován v reálném čase. Účelem této studie je proto ověřit tento algoritmus optimalizace kofeinu v reálném čase. Vyšetřovatelé budou používat stejný protokol studie jako nedávná studie WRAIR, protože je známo, že v tomto časovém období existuje variabilita ve výkonu u zdravé populace a že celkový výkon je pomalejší než 275 ms a stres a úzkost se výrazně zvyšují, aniž by došlo k kofeinová intervence. Navíc, využitím předchozího návrhu studie mohou výzkumníci minimalizovat zátěž studijního týmu při vytváření nové dokumentace a harmonogramů.

Když uděláme krok zpět, je důležité vyřešit, proč je optimalizace kofeinu pro armádu důležitá a relevantní. Zatímco kofein je široce přijímán a využíván jako stimulant proti účinkům únavy spojené s prací na směny a ztrátou spánku, předchozí studie provedená společností WRAIR ukázala, že kofein ztrácí svou účinnost a může dokonce zpomalit zotavení při opakovaném užívání a chronické ztrátě spánku. Tento překvapivý výsledek ukazuje, že kofein má své limity a náklady, a proto by Warfighter byl efektivnější, pokud by kofein využíval optimálně. V předchozích studiích s kofeinem s podobnou délkou nepřetržité deprivace spánku jako v současném protokolu bylo účastníkům podáno 800 mg kofeinu během každé noci. Zatímco tento výzkum naznačuje, že by vyšetřovatelé mohli obnovit výkon tím, že by všem účastníkům této studie dali 800 mg kofeinu, algoritmus 2BAlert umožní výzkumníkům podat některým účastníkům méně kofeinu, ale přesto dosáhnout stejného výsledku, jako kdyby každému bylo podáno 800 mg kofeinu.

Nedávný výzkum aplikoval post-hoc algoritmus 2BAlert pomocí parametrů uvedených v tomto protokolu. Výsledky modelu ukazují, že všichni účastníci obnovili výkon během okna Peak Alertness Window, tj. mezi 44-50 hodinami bdělosti, kde je zotavení definováno jako 275 ms nebo rychlejší, a více než polovina subjektů vyžadovala méně než polovinu maximálního celkového povoleného množství kofeinu (800 mg ), zatímco tři subjekty nevyžadovaly vůbec žádný kofein. Vyšetřovatelé doufají, že ověří 2BAlert jeho aplikací na data v reálném čase s využitím původního návrhu studie.

Kromě testování modelu optimalizace kofeinu se vyšetřovatelé zajímají také o testování hypotézy, že pokud lze výkon PVT obnovit pomocí kofeinu, lze také obnovit stres a úzkost, kterou sami uvedli. Nedávná práce zjistila, že stres a úzkost, které si sami uváděli, se zvýšily se zvýšenou ztrátou spánku a po zotavovacím spánku se vrátily na výchozí hodnotu, přičemž sledovaly stejný trend jako údaje o výkonu PVT. Zatímco předchozí práce prokázaly, že stres a úzkost, které si sami uvedli, se zvyšují s 1 nocí ztráty spánku, toto jsou první údaje, které ukazují, že stres a úzkost, které si sami uvedli, se po 2 nocích ztráty spánku dále zvyšují. V současné době neexistují žádné studie, které by uváděly, zda a jak lze stres a úzkost, které si sami uvedli, obnovit kofeinem během ztráty spánku.