Určení, které oblasti mozku jsou aktivní během simulace letu v různých časových bodech během výcviku (fMRI Pilots)

Stanovení, udržování a kvantifikace připravenosti u vysoce výkonných jedinců a populací, jako jsou aktivní piloti, zůstává významnou výzvou v DoD. Odbornost v pilotech, stejně jako u jiných vysoce výkonných populací, spočívá ve zvládnutí více úkolů. Některé úkoly, jako je G-streining, spoléhají na známé přístupy k posílení muskuloskeletální vytrvalosti hýždí, kvadricepsů a hamstringů1 pomocí dobře definovaných cviků ke zlepšení tolerance k vysoké G-zátěži. Pokud se tedy konkrétní pilot nebo cvičenec potýká se ztrátou vědomí téměř způsobenou G, lze předepsat jasné tréninkové režimy pro posílení svalů nezbytných pro zlepšení výkonu. Nicméně kognitivní úkoly, jako je přesné řízení letadla pro udržení konkrétní trajektorie, navzdory přítomnosti bočního větru a jiných poruch, je obtížnější pochopit a trénovat. Ještě před několika lety neexistoval jasný přístup k definování neuronového okruhu nezbytného pro takové úkoly. Bez tohoto pochopení těchto kognitivních obvodů je obtížné, ne-li nemožné, předepisovat cílené a účinné tréninkové modality k posílení jejich výkonu.

Neuroergonomie Detekcí jemných změn v průtoku krve do různých oblastí mozku během úkolu může funkční magnetická rezonance (fMRI) lokalizovat nejaktivnější oblasti mozku v jakémkoli okamžiku. Tato technologie se rychle rozvíjí a pro specifické úkoly prokazuje pozoruhodnou konzistenci v mnoha kortikálních oblastech mozku používaných během stejného úkolu mezi různými jednotlivci. Více oblastí aktivovaných během konkrétní úlohy se často označuje jako "funkčně propojené." Navíc tyto funkčně propojené oblasti mozku aktivované během kognitivního úkolu sdílejí analogii se svaly aktivovanými k provedení fyzického úkolu. Další MRI technologie může kvantifikovat konektivitu prostřednictvím axonů umístěných v bílé hmotě (dráty v mozku) a měřit sílu fyzického spojení mezi různými oblastmi mozku – nazývané strukturální konektivita. Zajímavé je, že stejně jako svaly po delším tréninku může „síla“ spojení mezi konkrétními regiony vykazovat měřitelný nárůst s tréninkem a opakováním.

Avšak kvůli vysokým magnetickým polím existujícím v MRI přístrojích nebylo možné při skenování subjektů tradičně používat složitá zařízení nebo video displeje. V důsledku toho byly počáteční úlohy v rámci skenerů (nazývané paradigmata) často sériové a nereprezentovaly vysoce dynamické úkoly létání. K dispozici jsou však zobrazovací systémy s vysokým rozlišením, které jsou kompatibilní s MRI – což může vytvářet prostředí s vysokým rozlišením a více pohlcující prostředí5. Kromě toho byla také vyvinuta stále sofistikovanější vstupní zařízení, která jsou kompatibilní s MRI a nyní je možné zahrnout realistickou letovou páku pro ovládání sklonu, náklonu a plynu simulovaných draků letadel.

Oblast neuroergonomie – analyzující, jak se mozek chová při každodenních operacích naturalističtějším způsobem – lze tedy aplikovat na letectví6. Nedávná fMRI práce začala identifikovat neurocircuitry zapojené do specifických letových úkolů, jako je letecké pronásledování. Jiná práce identifikovala oblasti mozku aktivované během kognitivního přetížení, kde subjekty nevnímaly zvukové alarmy při létání na simulátoru. Kromě toho se specifické oblasti mozku zdají být aktivovány během video zpětné vazby po provedení složitého přistávacího úkolu. Začínají tedy být identifikovány oblasti mozku aktivní během leteckého pronásledování, kognitivního přetížení a zpětné vazby – to vše související s leteckým výcvikem. Avšak vzhledem k tomu, že velká část těchto dat byla shromážděna od amatérů – ne vysoce zkušených vojenských pilotů – je třeba otestovat jejich použitelnost na vysoce vycvičené vojenské piloty.

Aplikace technik neuroergonomie ke zlepšení výkonu vojenského letectva bude vyžadovat dva odlišné kroky: 1.) Musí být identifikovány neuroanatomické obvody spojené s různými aspekty vysoce výkonného letectví; a 2.) pro každý okruh bude třeba identifikovat tréninková paradigmata, aby se posílil požadovaný neuroanatomický okruh, aby bylo možné sledovat nejen behaviorální výkon, ale i neurální koreláty spojené se zvýšeným výkonem.

PICT Task -- MRI flight simulation Challenges

Test leteckého simulátoru Precision Instrument Control Task (PICT) je upraven ze stávající studie lidské výkonnosti nazvané „Wayfinding, Hypoxia a Interceptive Performance in Pilots Executing Transitions“ (WHIPPET), která se v současnosti provádí v Brooks Research Altitude Chambers s cílem je měření zhoršení pilotáže, které je důsledkem střední hypobarické hypoxie. Úloha generuje kvantitativní metriky pro posouzení přesnosti a rychlosti, se kterou může pilot provádět korekční řídicí vstupy během letu. Úlohy budou upraveny z jejich současné psychofyzické aplikace pro použití v této neurozobrazovací aplikaci.

Oba pilotní úkoly budou vykresleny pomocí komerčně dostupného aplikačního softwaru nazvaného XPlane (Laminar Research, Inc., Columbia SC), což je simulační sada založená na PC, která využívá věrohodné řízení letu a dynamické modely letadel k předvádění vysoce věrných simulovaných letů s vizuální vlastnosti a nároky skutečného letu. XPlane se používá při psychofyzikálním zkoumání vlivu environmentálních stresorů na lidský výkon v prostředí kokpitu a k identifikaci oblastí aktivace mozku během provádění úkolů simulovaného leteckého pronásledování. Pro tuto aplikaci bude XPlane využito k prezentaci aerodynamických charakteristik F/A-18F. Vizuální rozhraní bude zahrnovat přední „out-the-window“ displej obsahující generický head-up-display (HUD) s žebříkem stoupání a ponorem, ukazateli horizontu a kurzu a digitálními ukazateli vzdušné rychlosti a vertikální rychlosti. Displej bude prezentován ve skeneru fMRI pomocí stereogenních brýlí nazývaných displej Visual System HD (NordicNeuroLab, Bergen, Norsko) namontovaný ve skeneru prostřednictvím 64kanálové hlavice Siemens Vida, která byla úspěšně použita při konstrukci platforem interaktivní virtuální reality pro Výzkumné aplikace fMRI5. Tento přístroj bude prezentovat experimentální vizuální rozhraní ve formátu 1920 x 1200 pixelů prostřednictvím stereoskopických brýlí, přičemž pole každého oka se rozšíří přibližně o 52 x 34 stupňů (horizontální x vertikální) v zorném poli. Tato konfigurace by měla poskytovat dostatečné rozlišení a úhlovou subtenzi pro vytvoření virtuální přítomnosti v simulovaném prostředí.

Specifické cíle

1. Určete, jaké části mozkové aktivity korelují s úrovní výkonu během simulace letu (PICT).
2. Určete změny v mozkové aktivitě, ke kterým dochází během dvou samostatných časových bodů.
3. Určete, jaké části anatomie mozku korelují s úrovní výkonu během simulace letu (PICT).
4. Určete změny v anatomii mozku, ke kterým dochází během dvou samostatných časových bodů.