Optimering af krop-sind-interaktioner i respirationskontrol under operationelt relevante miljøstressfaktorer (DEPSCoR)

Mange krigere udsættes for miljømæssige forhold, der øger vejrtrækningsmodstanden, hvilket igen øger arbejdet ved vejrtrækning (WOB). Livsstøttesystemer, såsom flys indbyggede iltleveringesystemer (OBOGs) og selvstændige undervandsvejrtrækningsapparater (SCUBA), udfordrer operationel kapacitet ved at forringe respiratorisk præstation. Dette er en væsentlig bekymring, der er rejst af flere arbejdsgrupper. For eksempel dokumenterer NASAs Pilot Breathing Assessment-tekniskrapport problematiske stigninger i vejrtrækningsmodstand rapporteret af piloter. Ligeledes bemærkede Restrictive Breathing Working Group, at F-22 Life Support System pålægger et overdrevent højt mekanisk WOB. Som svar har Navy Experimental Diving Unit foreslået, at reducering af WOB kunne beskytte højtydende flypiloter mod farlige fysiologiske begivenheder. Stigninger i WOB forstærker de sensoriske og følelsesmæssige opfattelser af åndenød, i det mindste delvist på grund af forhøjet bevidsthed om vejrtrækning. Nylige data indikerer, at forhøjet WOB og sandsynligvis vejrtrækningsopfattelse kan forringe kognitiv funktion. Denne forringelse skyldes sandsynligvis negative affektive fornemmelser som følge af den øgede WOB, som distraherer fra central informationsbehandling under komplekse reaktionstidsopgaver. Derudover forværres både reaktionstid og nøjagtighed, når større belastninger pålægges de inspiratoriske muskler. Imidlertid er der flere vigtige videnshuller, der er relevante for krigere, der oplever forhøjet inspiratorisk modstand. Det er ikke kendt, om: 1) reducering af WOB under inspiratorisk modstand kan mindske vejrtrækningsopfattelse og genoprette kognitiv funktion, 2) ændring af auditiv feedback af ventilation under inspiratorisk modstand kan mindske vejrtrækningsopfattelse og genoprette kognitiv funktion, og 3) termiske stressfaktorer forstærker WOB, øger vejrtrækningsopfattelser og nedsætter kognitiv funktion under inspiratorisk modstand. Målet er at fokusere på problemet, at et øget arbejde ved vejrtrækning (WOB) øger opfattelsen af vejrtrækning, som efterfølgende forringer kognitiv præstation hos krigere. For at opfylde målet vil studiet adressere følgende specifikke mål:

Mål 1 (Studieblok 1): For nylig er det blevet påvist, at øgning af den inspiratoriske belastning forhøjer åndenød, hjerneaktivering og negativt påvirker neuropsykologisk testpræstation relateret til opmærksomhed. Det antages, at kognitiv præstation sandsynligvis reduceres, når inspiratorisk modstand øges gennem både motorisk-kognitiv interferens og en åndenødsrelateret skift i opmærksomhedsfokus. Studier har fundet, at den opfattede inspiratoriske belastning snarere end faktisk muskulær indsats negativt påvirkede opmærksomhed. Mens beviser indikerer, at højere inspiratorisk modstand og vejrtrækningsopfattelse forringer kognitiv funktion, eksisterer der stadig et vigtigt kritisk videnshul, da det er uklart, om reducering af WOB under høje resistive belastninger kan genoprette kognitiv funktion. Heliox sænker den resistive WOB og muskelbelastning på grund af dens lave densitet og viskositet, hvilket muliggør højere ventilationsrater end stue luft ved at reducere turbulent strømning i luftvejene. Derfor vil vejrtrækning af heliox, som vil sænke WOB, under høj inspiratorisk modstand give afgørende indsigter i, om reducering af WOB kan forbedre kognitiv funktion. Det formodes, at brug af heliox vil mindske WOB, sænke opfattet vejrtrækningsindsats og forbedre kognitiv funktion sammenlignet med vejrtrækning af normal densitetsluft med forhøjet inspiratorisk modstand.

Mål 2 (Studieblok 2): I nogle tilfælde kan det være ugennemførligt at reducere inspiratoriske resistive belastninger (f.eks. OBOGs, SCUBA) for krigere, men forståelse af, hvordan vejrtrækningsopfattelse påvirkes af modstand, er afgørende. Auditiv feedback af ventilation påvirker vejrtrækningsbevidsthed betydeligt, og efterhånden som WOB stiger, intensiveres denne opfattelse på grund af forstærket auditiv input. Denne forhøjede bevidsthed kan distrahere og belaste kognitiv behandling. Nylige studier indikerer, at auditive distraktioner, såsom musik under træning, kan mindske åndenød og respiratorisk og helkropsubehag hos raske individer og dem med kronisk obstruktiv lungesygdom. Denne effekt kan stamme fra reduceret auditiv feedback eller forbedrede følelsesmæssige tilstande forbundet med musik. Imidlertid eksisterer der et vigtigt videnshul: det er uklart, om reducering af auditiv feedback af ventilation under øget inspiratorisk modstand påvirker vejrtrækningsopfattelse og kognitiv funktion. Studiet vil vurdere virkningen af forskellig auditiv feedback af ventilationsbetingelser (normal, elimineret og forstærket) på kognitiv funktion under høj inspiratorisk modstand. Det formodes, at reducering af auditiv feedback af ventilation ikke vil ændre WOB, men vil mindske vejrtrækningsopfattelse og forbedre kognitiv præstation sammenlignet med standard eller forstærket feedback.

Mål 3 (Studieblok 3): Krigere står ofte over for termiske stressfaktorer, der øger WOB, selv med livsstøttesystemer på plads. Både kulde- og varmestress øger WOB uafhængigt uden at kræve øget inspiratorisk modstand. Mange krigere vil snart opleve ekstrem kulde på grund af Department of Defenses fokus på arktiske operationer. Kuldestress stimulerer ventilation og forårsager en bifasisk bronkiolær respons: indånding af kold luft under hyperventilation fører til indledende bronkodilatation efterfulgt af bronkokonstriktion, der strammer bronkiolerne og øger luftstrømsmodstanden og dermed WOB. Krigere udsættes også for ekstrem varme, og hypertermi-induceret hyperventilation opstår, når kernekropstemperaturen når omkring 38,0°C, hvilket korrelerer signifikant med øget WOB under varmestress. Krigere oplever ofte disse miljømæssige stressfaktorer sammen med forhøjet vejrtrækningsmodstand, især under undervandsdykningsoppgaver i varierende temperaturer eller i højtydende fly med OBOGs udsat for ekstrem varme. For eksempel registrerede Nellis Air Force Base for nylig en temperatur på 118°F (48°C). Der eksisterer et kritisk videnshul vedrørende, om høj inspiratorisk modstand kombineret med termisk stress forstærker WOB, ændrer opfattelsen af vejrtrækning og kognitive og fysiologiske responser. Studiet vil undersøge WOB, vejrtrækningsopfattelse, kognitiv funktion og fysiologiske responser under kombineret inspiratorisk modstand og termisk stress (termoneutral, varme og kulde). Det formodes, at WOB vil stige under varme- og kuldestress, hvilket resulterer i større opfattelser af vejrtrækningsvanskeligheder og nedsat kognitiv præstation sammenlignet med termoneutrale forhold.