Bestemmelse af, hvilke områder af hjernen, der er aktive under flyvesimulering på separate tidspunkter under træning (fMRI Pilots)

Etablering, opretholdelse og kvantificering af beredskab hos højtydende individer og populationer, såsom piloter i aktiv tjeneste, er fortsat en væsentlig udfordring i DoD. Færdighed i piloter, som andre højtydende populationer, består af beherskelse af flere opgaver. Nogle opgaver, såsom G-belastning, er afhængige af kendte tilgange til at styrke muskuloskeletal udholdenhed i balderne, quadriceps og hamstrings1 med veldefinerede øvelser for at forbedre tolerancen over for høje G-belastninger. Så hvis en bestemt pilot eller praktikant kæmper med næsten G-induceret bevidsthedstab, kan klare træningsregimer ordineres for at styrke de nødvendige muskler for at forbedre ydeevnen. Kognitive opgaver, såsom at præcist styre et fly for at opretholde en bestemt bane, på trods af tilstedeværelsen af ​​sidevind og andre forstyrrelser, er sværere at forstå og træne. Indtil for flere år siden var der ingen klar tilgang til at definere det neuronale kredsløb, der var nødvendigt for sådanne opgaver. Uden den forståelse af dette kognitive kredsløb er det svært, hvis ikke umuligt, at ordinere målrettede og effektive træningsmodaliteter for at styrke dets præstation.

Neuroergonomi Ved at detektere subtile ændringer i blodgennemstrømningen til forskellige områder af en hjerne under en opgave, kan funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) lokalisere de mest aktive områder af hjernen på ethvert tidspunkt. Denne teknologi udvikler sig hurtigt, og til specifikke opgaver viser den bemærkelsesværdig konsistens i flere corticale områder af hjernen, der anvendes under den samme opgave, mellem forskellige individer. De flere områder, der aktiveres under en bestemt opgave, omtales ofte som "funktionelt forbundet". Derudover deler disse funktionelt forbundne områder af hjernen, der aktiveres under en kognitiv opgave, en analogi med de muskler, der aktiveres til at udføre en fysisk opgave. En anden MR-teknologi kan kvantificere forbindelsen gennem axoner placeret i hvidt stof (ledningerne i hjernen) og måle styrken af ​​den fysiske forbindelse mellem forskellige områder af hjernen - kaldet strukturel forbindelse. Interessant nok, ligesom muskler efter langvarig træning, kan "styrken" af forbindelser mellem specifikke regioner vise målbare stigninger med træning og gentagelse.

Men på grund af de høje magnetiske felter, der findes i MR-maskiner, kunne komplekse enheder eller videoskærme ikke traditionelt bruges til scanning af motiver. Som et resultat heraf var tidlige opgaver inden for scannere (kaldet paradigmer) ofte serielle og ikke repræsentative for de meget dynamiske opgaver ved at flyve. Men der er tilgængelige skærmsystemer med høj opløsning, som er MRI-kompatible - som kan generere høj opløsning og mere fordybende miljøer5. Ydermere er der også udviklet mere og mere sofistikerede input-enheder, som er MRI-kompatible, og nu er det muligt at inkludere en realistisk flight stick til at styre pitch, roll og gasregulering af simulerede flyskrog.

Således kan området for neuroergonomi - at analysere, hvordan hjernen opfører sig under daglige operationer på en mere naturalistisk måde - anvendes til luftfart6. Det seneste fMRI-arbejde er begyndt at identificere neurokredsløbet, der er involveret i specifikke flyveopgaver, såsom luftforfølgelse. Andet arbejde har identificeret områder af hjernen aktiveret under kognitiv overbelastning, hvor forsøgspersoner ikke opfattede hørbare alarmer, mens de fløj i en simulator. Desuden ser specifikke hjerneområder ud til at være aktiveret under videofeedback efter at have udført en kompleks landingsopgave. Således begynder de hjerneområder, der er aktive under luftforfølgelse, kognitiv overbelastning og feedback - alt relevant for luftfartstræning - at blive identificeret. Men i betragtning af at meget af disse data er blevet indsamlet fra amatører - ikke meget erfarne militærpiloter - skal dets anvendelighed på højtuddannede militærflyvere testes.

Anvendelse af neuroergonomis teknikker til at forbedre militærflyverens ydeevne vil kræve to forskellige trin: 1.) De neuroanatomiske kredsløb forbundet med forskellige aspekter af højtydende luftfart skal identificeres; og 2.) for hvert kredsløb skal træningsparadigmer identificeres for at styrke det neuroanatomiske kredsløb af interesse for at spore ikke kun adfærdspræstationer, men de neurale korrelater forbundet med forbedret præstation.

PICT-opgave -- MRI-flyvningssimuleringsudfordringer

Precision Instrument Control Task (PICT) flysimulatortest er tilpasset fra en eksisterende undersøgelse af menneskelig præstation, kaldet "Wayfinding, Hypoxia, and Interceptive Performance in Pilots Executing Transitions" (WHIPPET), som i øjeblikket udføres ved Brooks Research Altitude Chambers med formålet med at måle den pilotforringelse, der skyldes moderat hypobarisk hypoxi. Opgaven genererer kvantitative målinger til at vurdere nøjagtigheden og hurtigheden, hvormed en pilot kan udføre korrigerende kontrolinput, mens han flyver. Opgaverne vil blive tilpasset fra deres nuværende psykofysiske applikation til brug i denne neuroimaging applikation.

Begge pilotopgaver vil blive udført ved hjælp af den kommercielt tilgængelige applikationssoftware kaldet XPlane (Laminar Research, Inc., Columbia SC), som er en pc-baseret simuleringssuite, der bruger troværdige flyvekontroller og dynamiske flymodeller til at præsentere high-fidelity simulerede torter med de visuelle egenskaber og krav til ægte flyvning. XPlane er blevet brugt i psykofysiske undersøgelser af virkningen af ​​miljøstressorer på menneskelig præstation i et cockpitmiljø og til at identificere områder med hjerneaktivering under udførelsen af ​​simulerede luftforfølgelsesopgaver. Til denne applikation vil XPlane blive brugt til at præsentere de aerodynamiske egenskaber for en F/A-18F. Den visuelle grænseflade vil omfatte et fremadgående "ud af vinduet"-display med et generisk head-up-display (HUD) med klatre-dykkestige, horisont- og kursindikatorer og digitale lufthastigheds- og vertikale hastighedsindikatorer. Displayet vil blive præsenteret i fMRI-scanneren ved hjælp af stereogene briller kaldet Visual System HD (NordicNeuroLab, Bergen, Norge) skærm monteret i scanneren via Siemens Vida 64-kanals hovedspole, som er blevet brugt med succes til at konstruere interaktive virtual reality platforme til fMRI-forskningsapplikationer5. Dette apparat vil præsentere den eksperimentelle visuelle grænseflade i 1920 x 1200-pixel-format via stereoskopiske briller, hvor hvert øjes array strækker sig cirka 52 x 34 grader (vandret x lodret) i synsfeltet. Denne konfiguration skal give rigelig opløsning og vinkelunderspænding for at producere virtuel tilstedeværelse i det simulerede miljø.

Specifikke mål

1. Bestem, hvilke dele af hjerneaktivitet, der korrelerer med præstationsniveau under flyvesimulering (PICT).
2. Bestem ændringerne i hjerneaktivitet, der opstår i løbet af to separate tidspunkter.
3. Bestem, hvilke dele af hjernens anatomi, der korrelerer med præstationsniveauet under flyvesimulering (PICT).
4. Bestem ændringerne i hjernens anatomi, der opstår i løbet af to separate tidspunkter.