Koffeinoptimering i realtid under totalt søvnmangel

Det første formål med denne undersøgelse er at afgøre, om 2B-Alert-koffeinoptimeringsmodellen (2BAlert) kan skabe individualiserede koffeinskemaer, der effektivt genopretter PVT-ydeevnen inden for et bestemt tidsrum. 2BAlert-modellen er omdrejningspunktet i det omfattende træthedsstyringssystem, der udvikles af Walter Reed Army Institute of Research (WRAIR) og Biotechnology High Performance Computing Software Applications Institute (BHSAI). Det er et softwareværktøj, der "lærer" (kvantificerer) forholdet mellem et individs søvn/vågen parametre (som objektivt målt via håndledsaktigrafi) og hans/hendes psykomotoriske ydeevne (som objektivt målt på en PVT). Det kvantificerer, i hvilket omfang et individ er følsomt/modstandsdygtigt over for virkningerne af søvntab, og producerer individualiserede præstationsforudsigelser, der kan bruges til at informere beslutninger om nuværende og fremtidige parathed, såvel som anvendelsen af ​​træthedsmodforanstaltninger såsom lur eller koffein . Den seneste version af 2BAlert kan anvende træthedsmodforanstaltninger direkte på en person baseret på deres individuelle præstationsforudsigelse. Denne model giver anbefalinger til, hvornår og hvor meget koffein der skal bruges for at optimere ydeevnen i en bestemt periode. Selvom denne model er blevet anvendt post-hoc på tidligere indsamlede data, er den endnu ikke testet i realtid. Denne undersøgelse vil give den første mulighed for direkte at teste, om modellen kan bruges effektivt i realtid til at genoprette PVT-ydeevnen til et ønsket niveau (dvs. 275 ms), når det er nødvendigt (dvs. en seks timers periode efter 44 timers søvn tab).

Et andet formål med nærværende undersøgelse er at undersøge, om 2BAlert ikke kun kan genvinde PVT-ydeevne i en bestemt periode, men også genvinde stigninger i selvrapporteret stress og angst relateret til søvntab. Data fra en tidligere undersøgelse foretaget af WRAIR viser, at selvrapporteret stress og angst øges efter 1 nats søvntab og fortsætter med at stige efter en anden nat med vedvarende søvnmangel. Disse mål vender tilbage til baseline efter 12 timers restitutionssøvn og kortlægger direkte på PVT-ydeevne. Derfor antager efterforskerne, at hvis PVT-ydeevne kan genvindes af koffein, kan selvrapporteret stress og angst også vende tilbage tæt på baseline-niveauer med koffein.

Et tertiært formål med undersøgelsen er at vurdere, om billeder, der er optaget ved hjælp af et smartphone-kamera, er egnede til at udvikle et passivt, ikke-påtrængende computersynssystem, der kan erstatte PVT'en til at vurdere årvågenhed. I øjeblikket bruger algoritmen PVT-data, fordi: (a) sammenlignet med andre præstationsmål er PVT'en relativt følsom over for søvntab og den døgnrytme af årvågenhed; og (b) der er ingen indlæringseffekter på PVT. PVT kræver dog, at en person aktivt deltager i en 3- til 10-min lang test, som skal udføres mindst et dusin gange under søvnmangel, hvilket gør det til en følsom, men upraktisk test at måle en soldats årvågenhed i operationelle indstillinger.

Alle deltagere vil deltage i følgende kontinuerlige undersøgelsesfaser. Koffeintyggegummi kan indgives under denne undersøgelse.

Fase 1: Måling af søvn/vågen hjemme: Alle deltagere vil blive instrueret i at opretholde deres normale søvn/vågen tidsplan i de 13 dage/12 nætter umiddelbart forud for fase 2 (laboratoriedelen af ​​undersøgelsen). Overholdelse vil blive verificeret objektivt via håndledsaktigrafi. Deltagerne vil få udleveret en smartphone og bedt om at gennemføre en PVT på den hver 3. time, mens de er vågne, og logge deres normale koffeinforbrug samt daglige søvnvarighed.

Fase 2: Søvn/vågenhed i laboratoriet og PVT-præstationsvurdering: Deltagerne vil rapportere til søvnlaboratoriet kl. 19.00 på dag 13. Mens de er vågne i laboratoriet, vil de gennemføre forskellige kognitive tests, inklusive PVT, og optage en 3-minutters video af deres ansigt hver 3. time. De får lov til at sove fra kl. 23.00 på dag 13 til kl. 07.00 på dag 14, og søvnen vil blive overvåget via PSG og aktigrafi. Dette vil blive efterfulgt af 62 timers kontinuerlig vågenhed (dvs. fra kl. 07.00 på dag 14 til kl. 21.00 på dag 16). Kl. 19.00 på dag 15, vil 2BAlert blive kørt for hver enkelt person og vil bruge hver enkelt persons tidligere søvn og præstationer til at skabe en individualiseret koffein-doseringsplan for at optimere ydeevnen fra 0300-0900 på dag 16.

Fase 3: Restitution i laboratoriet: Alle deltagere vil gennemgå en restitutionsfase bestående af 12 timers tid i sengen fra kl. 21.00 på dag 16 til kl. 09.00 på dag 17, og søvn vil blive overvåget via PSG og aktigrafi. Tidsplanen for kognitiv testning og ansigtsvideooptagelse fortsætter fra fase 2 i de vågne timer. Efter at være blevet evalueret af en undersøgelseslæge vil de blive frigivet fra undersøgelsen cirka kl. 18.00 på dag 17. Deltagerne vil således være i laboratoriet i i alt 95 timer.

Hovedendepunktet for denne undersøgelse er psykomotorisk årvågenhedstestydelse (PVT), målt ved hjælp af Smart-PVT. Et sekundært endepunkt er selvrapporteret stress og angst, målt ved henholdsvis Stress Visual Analog Scale og Spielberger State-Trait Anxiety Inventory. Et tredje endepunkt i undersøgelsen er at teste, om ansigtsbilleder taget med telefonkameraet kunne bruges til at vurdere årvågenhedsniveauet for forsøgspersoner under søvnmangel.

Hypoteser, der skal testes: (a) Psykomotoriske ydeevnedata indsamlet på Smart-PVT vil forblive på eller under 275ms under Peak Alertness Window med optimeret ydeevne, hvilket indikerer, at 2BAlert er gyldig og klar til at blive brugt i fremtidige feltstudier og driftsindstillinger. (b) Selvrapporteret stress og angst vil vende tilbage til baseline-niveauer under Peak Alertness Window og kortlægge gendannelsen af ​​PVT-ydeevne i løbet af dette tidsvindue.

BAGGRUND: Søvntab-inducerede neuroadfærdsmæssige underskud er en anerkendt trussel mod sikkerhed og produktivitet i både civile og militære operationelle omgivelser. Meget omtalte træthedsrelaterede ulykker og uheld (herunder kommercielle uheld, såsom dem, der opstod på 3-Mile Island, Chernobyl og Bhopal; og militære uheld, såsom bagholdet af 507th Maintenance Company) fortsætter med at henlede opmærksomheden på søvnproblemet tab/søvnighed i driftsmiljøer. Sådanne ulykker fremhæver de skadelige virkninger af søvntab på beslutningstagning, årvågenhed, problemløsning og andre mentale evner, der er afgørende for militær effektivitet. Publikationer og manualer fra hæren, det amerikanske marinekorps og den amerikanske flåde har dokumenteret militærrelevante skadelige virkninger af søvntab på årvågenhed og ydeevne. Hærens femte Mental Health Advisory Team undersøgelse af krigskæmpere, der tjente i Operation Iraqi Freedom og Operation Enduring Freedom, afslørede, at servicemedlemmer, der rapporterede mindre søvn, også rapporterede højere forekomster af ulykker og fejl, og oftere godkendte negative mentale sundhedsartikler.

Forsvarsministeriet har finansieret udviklingen af ​​en beregningsmodel til at kvantificere virkningerne af daglige søvnmængder på neuroadfærdspræstation. Den seneste (og mest avancerede) version af den matematiske søvn-/præstationsforudsigelsesmodel er 2BAlert-modellen, udviklet af BHSAI. Ligesom sine forgængere var 2BAlert primært baseret på PVT-data indsamlet i WRAIR søvnforskningslaboratoriet. PVT-data blev brugt, fordi de med det formål at konstruere søvn-/præstationsforudsigelsesmodeller generelt er overlegne i forhold til data fra andre præstationsmål i flere vigtige henseender: (a) sammenlignet med andre præstationsmål er PVT'en relativt følsom over for søvntab og vågenhedens døgnrytme; (b) der er ingen indlæringseffekter på PVT; og (c) det er tidligere blevet påvist, at en PVT-baseret søvn/præstationsforudsigelsesmodel har god økologisk validitet. Det vil sige, at de PVT-baserede modelforudsigelser af præstationseffektivitet har vist sig at korrelere godt med 'risiko for ulykker' i faktiske jernbaneoperationer.

Det nuværende 2BAlert-værktøj kommer i to former: 1) et webbaseret værktøj, der tager søvn- og koffeinskemaer og viser den forudsagte GRUPPE-GENNEMSNITTE ydeevne og 2) en smartphone-app, der bruger individuel ydeevne målt med PVT på en smartphone til at individualisere ydeevnen prædiktiv model. Denne version af værktøjet blev med succes valideret i en nylig undersøgelse af WRAIR. Den seneste version af smartphone-appen bruger individualiserede præstationsforudsigelser til at beregne individualiseret koffeinplanlægning, der optimerer ydeevnen i bestemte perioder. Selvom dette værktøj blev udviklet ved hjælp af data indsamlet hos WRAIR og er blevet kørt post-hoc på data, der tidligere er indsamlet hos WRAIR, er det endnu ikke testet i realtid. Derfor er formålet med denne undersøgelse at validere denne koffeinoptimeringsalgoritme i realtid. Efterforskerne vil bruge den samme undersøgelsesprotokol som det nylige WRAIR-studie, fordi det er kendt, at der er variation i præstationer i en sund befolkning over denne tidsperiode, og at den samlede præstation er langsommere end 275 ms, og selvrapporteret stress og angst stiger markant uden en koffein intervention. Derudover kan efterforskerne ved at bruge et tidligere undersøgelsesdesign minimere byrden på undersøgelsesteamet med at skabe ny dokumentation og tidsplaner.

Når man tager et skridt tilbage, er det vigtigt at tage fat på, hvorfor koffeinoptimering er vigtig og relevant for militæret. Mens koffein er bredt accepteret og brugt som et stimulerende middel til at modvirke virkningerne af træthed forbundet med skifteholdsarbejde og søvntab, har en tidligere undersøgelse udført af WRAIR vist, at koffein mister sin effektivitet og kan endda bremse restitutionen ved gentagen brug og kronisk søvntab. Dette overraskende resultat indikerer, at koffein har en grænse og en pris, og derfor ville Warfighter være mere effektiv, hvis han eller hun udnyttede koffein optimalt. For tidligere koffeinundersøgelser med lignende længder af kontinuerlig søvnmangel som den nuværende protokol, fik deltagerne 800 mg koffein i løbet af hver nat. Mens denne forskning tyder på, at efterforskerne kunne genvinde ydeevnen ved at give alle deltagere i denne undersøgelse 800 mg koffein, vil 2BAlert-algoritmen tillade efterforskerne at give nogle deltagere mindre koffein, men stadig nå det samme resultat, som hvis alle havde fået 800 mg koffein.

Nyere forskning anvendte 2BAlert-algoritmen post-hoc ved hjælp af parametre, der er fastsat i denne protokol. Modelresultaterne viser, at alle deltagere genoprettede præstationer under Peak Alertness Window, dvs. mellem 44-50 timer vågen, hvor restitution er defineret som 275ms eller hurtigere, og over halvdelen af ​​forsøgspersonerne krævede mindre end halvdelen af ​​den maksimalt tilladte mængde koffein (800mg) ), mens tre forsøgspersoner slet ikke krævede koffein. Efterforskerne håber at validere 2BAlert ved at anvende det på realtidsdata ved at bruge det originale undersøgelsesdesign.

Udover at teste koffeinoptimeringsmodellen er efterforskerne også interesserede i at teste hypotesen om, at hvis PVT-præstationer kan genvindes med koffein, kan selvrapporteret stress og angst også genvindes. Nyligt arbejde viste, at selvrapporteret stress og angst steg med øget søvntab og restituerede til baseline efter restitutionssøvn, efter samme tendens som PVT-ydeevnedata. Mens tidligere arbejde har vist, at selvrapporteret stress og angst stiger med 1 nats søvntab, er disse de første data, der viser, at selvrapporteret stress og angst fortsætter med at stige efter 2 nætter med søvntab. Der er i øjeblikket ingen undersøgelser, der rapporterer, om og hvordan selvrapporteret stress og angst kan genvindes med koffein under søvntab.