Operative Bewertung einer photischen Gegenmaßnahme zur Verbesserung von Wachsamkeit, Leistung und Stimmung während der Nachtschichtarbeit auf einer 105-tägigen simulierten menschlichen Erkundungsmission zum Mars (Mars 105)

Der Erfolg menschlicher Expeditionsmissionen hängt entscheidend von der Fähigkeit der Besatzung ab, wachsam zu sein und ein hohes Maß an kognitiven Funktionen aufrechtzuerhalten, während sie gleichzeitig komplexe technische Ausrüstung bedient. Optimale menschliche Gesundheit, Leistung und Sicherheit während der Raumfahrt erfordern ausreichend Schlaf und Synchronität zwischen dem zirkadianen Schrittmacher – der den Schlafrhythmus, die endokrine Funktion, die Wachsamkeit und die Leistung reguliert – und dem Timing des vorgegebenen Schlaf-Wach-Rhythmus.

Die Besatzungsmitglieder der 105-Tage-Simulationsstudie müssen alle sechs Nächte eine Nachtschicht arbeiten. Dieser Zeitplan wird wahrscheinlich zu Schlafverlust und einer zirkadianen Fehlausrichtung führen, insbesondere wenn die Lichtverhältnisse denen ähneln, denen Besatzungsmitglieder während eines Raumflugs ausgesetzt sind. Externe Missionskontrolleure arbeiten in 24-Stunden-Schichten, was ebenfalls zu Schlafverlust und einer zirkadianen Fehlausrichtung führt.

In Labor- und Feldstudien ist gut dokumentiert, dass sowohl die Arbeit in der Nachtschicht als auch die Arbeit in Langzeitschichten zu einer Verschlechterung der Aufmerksamkeit, Leistung und Stimmung führt. Zusätzlich zu den negativen Auswirkungen, die Nachtschichtarbeit auf Aufmerksamkeit, Leistungsfähigkeit und Stimmung hat, führt Schichtarbeit zu erheblichen kurz- und langfristigen Gesundheitsproblemen. Schichtarbeiter, insbesondere Nachtschichtarbeiter, die ihren normalen Schlaf-Wach-Rhythmus umkehren, leiden aus mehreren Gründen. Erstens sind ihre endogenen zirkadianen Rhythmen und der vorgegebene Schlaf-/Arbeitsplan typischerweise phasenverschoben. Dies ähnelt der Erfahrung eines Jetlags. Während Umgebungshinweise (z. B. Sonnenaufgang, Sonnenuntergang, Zeitpunkt der Mahlzeiten und des Schlafs) es Reisenden ermöglichen, sich schnell an eine neue Zeitzone anzupassen, wird dies den Besatzungsmitgliedern in der 105-Tage-Simulation nicht möglich sein, da sie nur eine Nacht verbringen werden von jedem fünften Arbeitnehmer. Wenn Sie in der Nachtschicht arbeiten, ist die zeitliche Abstimmung von Mahlzeiten, Arbeit und Schlaf nicht mit der normalen Phase des zirkadianen Zeitsystems synchron. Die Einnahme von Mahlzeiten in einer ungeeigneten zirkadianen Phase führt zu einer Beeinträchtigung des Stoffwechsels, die wahrscheinlich die Ursache für Magen-Darm- und Stoffwechselprobleme ist, unter denen Schichtarbeiter leiden. Zweitens führt diese zirkadiane Fehlausrichtung zu einem erheblichen Verlust der Schlafeffizienz während der (Tages-)Schlafperiode, unabhängig von und zusätzlich zu umgebungsbedingten Schlafhindernissen (z. B. Lärm, Licht, andere Besatzungsmitglieder). Drittens führt eine Fehlausrichtung der zirkadianen Phase in Verbindung mit Schlafverlust jeweils zu einer Verschlechterung der Aufmerksamkeit und einer Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit während der Nacht. Da diese negativen Auswirkungen in der ersten Nacht der Arbeit besonders akut sind, werden die Besatzungsmitglieder der Mars-105-Mission, jede sechste Nacht in der Mitternachtsschicht zu arbeiten, wiederholt Leistungseinbußen ausgesetzt sein, die mit einer akuten zirkadianen Fehlausrichtung und akutem Schlafmangel einhergehen.

Beleuchtungsgegenmaßnahme. Unsere Gruppe an der Harvard Medical School hat erfolgreich wirksame Gegenmaßnahmen gegen Lichteinstrahlung entwickelt und getestet, um zirkadiane Fehlausrichtungen zu lindern und die Aufmerksamkeit, Leistung und Stimmung von Nachtschichtarbeitern zu verbessern. Die wirksamste Gegenmaßnahme zur zirkadianen Ausrichtung ist rechtzeitiges und ausreichend intensives Licht. Licht verbessert zudem deutlich die Aufmerksamkeit, Leistungsfähigkeit und Stimmung. Kürzlich wurde berichtet, dass kurzwelliges Licht nachweislich am wirksamsten ist, um sowohl den zirkadianen Rhythmus wiederherzustellen als auch die Leistung bei Nachtarbeit deutlich zu verbessern, indem es das einschläfernde Hormon Melatonin unterdrückt.

Diese photischen Gegenmaßnahmen wurden an einzelnen Probanden getestet, die in Laborsimulationen lebten (Bereitschaftsstufe für Gegenmaßnahmen/Technologiebereitschaftsstufe 7; Bewertung mit menschlichen Probanden in einem kontrollierten Labor, das eine betriebliche Raumflugumgebung simuliert). Der nächste entscheidende Schritt besteht darin, unsere Gegenmaßnahmen in einer operativen Raumflugsimulation zu bewerten, die eine Untersuchung der Interaktion zwischen Besatzungsmitgliedern in einer High-Fidelity-Simulation (Gegenmaßnahmen-Bereitschaftsstufe/Technologie-Bereitschaftsstufe 8) umfasst; Validierung mit menschlichen Probanden im tatsächlichen operativen Raumflug zur Demonstration Wirksamkeit und betriebliche Durchführbarkeit).

Ausreichender Schlaf und zirkadiane Ausrichtung sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Gesundheit und Leistungsfähigkeit der Besatzungsmitglieder von Expeditionsmissionen. Das Testen der entwickelten Beleuchtungsgegenmaßnahme in einer hochpräzisen Betriebsumgebung, die die Bedingungen einer zukünftigen Expeditionsmission (z. B. zum Mars) nachahmt, ist von entscheidender Bedeutung, um die Bereitschaft für Gegenmaßnahmen sicherzustellen und das Risiko menschlicher Leistungsfehler aufgrund von Faktoren im Zusammenhang mit zirkadianen Störungen und Schlaf zu verringern Verlust und Müdigkeit. Die Entwicklung und Erprobung dieser photischen Gegenmaßnahme für Missionsleiter, die 24-Stunden-Schichten arbeiten, wird den Erfolg künftiger Langzeitexpeditionsmissionen weiter sicherstellen.