Echtzeit-Koffeinoptimierung bei totalem Schlafentzug

Das erste Ziel der vorliegenden Studie ist es festzustellen, ob das 2B-Alert-Koffeinoptimierungsmodell (2BAlert) individualisierte Koffeinpläne erstellen kann, die die PVT-Leistung während eines bestimmten Zeitfensters effektiv wiederherstellen. Das 2BAlert-Modell ist der Dreh- und Angelpunkt des umfassenden Müdigkeitsmanagementsystems, das vom Walter Reed Army Institute of Research (WRAIR) und dem Biotechnology High Performance Computing Software Applications Institute (BHSAI) entwickelt wird. Es handelt sich um ein Software-Tool, das die Beziehung zwischen den Schlaf-/Wachparametern einer Person (wie sie objektiv über die Aktigraphie am Handgelenk gemessen werden) und ihrer/seiner psychomotorischen Leistung (wie sie objektiv mit einem PVT gemessen wird) „lernt“ (quantifiziert). Es quantifiziert das Ausmaß, in dem eine Person empfindlich/widerstandsfähig gegenüber den Auswirkungen von Schlafverlust ist, und erstellt individualisierte Leistungsvorhersagen, die verwendet werden können, um Entscheidungen über die aktuelle und zukünftige Bereitschaft sowie die Anwendung von Gegenmaßnahmen gegen Müdigkeit wie Nickerchen oder Koffein zu treffen . Die neueste Version von 2BAlert kann Ermüdungs-Gegenmaßnahmen direkt auf eine Person anwenden, basierend auf ihrer individuellen Leistungsvorhersage. Dieses Modell gibt Empfehlungen, wann und wie viel Koffein verwendet werden sollte, um die Leistung während eines bestimmten Zeitraums zu optimieren. Obwohl dieses Modell nachträglich auf zuvor gesammelte Daten angewendet wurde, muss es noch in Echtzeit getestet werden. Diese Studie wird die erste Gelegenheit bieten, direkt zu testen, ob das Modell effektiv in Echtzeit verwendet werden kann, um die PVT-Leistung bei Bedarf (d. h. einen Zeitraum von sechs Stunden nach 44 Stunden Schlaf) auf ein gewünschtes Niveau (d. h. 275 ms) wiederherzustellen Verlust).

Ein zweites Ziel der vorliegenden Studie ist die Untersuchung, ob 2BAlert nicht nur die PVT-Leistung während eines bestimmten Zeitraums wiederherstellen kann, sondern auch den Anstieg von selbstberichtetem Stress und Angstzuständen im Zusammenhang mit Schlafverlust wiederherstellen kann. Daten aus einer früheren Studie von WRAIR zeigen, dass selbstberichteter Stress und Angst nach einer Nacht mit Schlafmangel zunehmen und nach einer zweiten Nacht mit kontinuierlichem Schlafentzug weiter zunehmen. Diese Messungen kehren nach 12 Stunden Erholungsschlaf zum Ausgangswert zurück und werden direkt auf die PVT-Leistung abgebildet. Daher stellen die Forscher die Hypothese auf, dass, wenn die PVT-Leistung durch Koffein wiederhergestellt werden kann, auch selbstberichteter Stress und Angst mit Koffein in die Nähe der Ausgangswerte zurückkehren können.

Ein tertiäres Ziel der Studie ist es zu beurteilen, ob Bilder, die mit einer Smartphone-Kamera aufgenommen wurden, geeignet sind, ein passives, nicht-intrusives Computer-Vision-System zu entwickeln, das die PVT zur Bewertung der Aufmerksamkeit ersetzen könnte. Derzeit verwendet der Algorithmus PVT-Daten, weil: (a) die PVT im Vergleich zu anderen Leistungsmessungen relativ empfindlich auf Schlafverlust und den zirkadianen Wachheitsrhythmus reagiert; und (b) es gibt keine Lerneffekte auf die PVT. Das PVT erfordert jedoch, dass sich eine Person aktiv an einem 3 bis 10 Minuten langen Test beteiligt, der mindestens ein Dutzend Mal während des Schlafentzugs durchgeführt werden muss, was es zu einem empfindlichen, aber unpraktischen Test macht, um die Wachsamkeit eines Soldaten im Einsatz zu messen.

Alle Teilnehmer nehmen an den folgenden kontinuierlichen Studienphasen teil. Koffeinkaugummi kann während dieser Studie verabreicht werden.

Phase 1: Schlaf-/Wachmessung zu Hause: Alle Teilnehmer werden angewiesen, ihren normalen Schlaf-/Wachrhythmus für die 13 Tage/12 Nächte unmittelbar vor Phase 2 (dem laborinternen Teil der Studie) beizubehalten. Die Einhaltung wird objektiv durch Aktigraphie am Handgelenk überprüft. Die Teilnehmer erhalten ein Smartphone und werden gebeten, alle 3 Stunden im Wachzustand ein PVT darauf durchzuführen und ihren normalen Koffeinkonsum sowie die tägliche Schlafdauer zu protokollieren.

Phase 2: Schlaf-/Wach- und PVT-Leistungsbewertung im Labor: Die Teilnehmer melden sich am 13. Tag um 19:00 Uhr im Schlaflabor. Während sie im Labor wach sind, werden sie verschiedene kognitive Tests absolvieren, einschließlich des PVT, und alle 3 Stunden ein 3-minütiges Video ihres Gesichts aufnehmen. Sie dürfen von 23.00 Uhr am 13. Tag bis 07.00 Uhr am 14. Tag schlafen, und der Schlaf wird über PSG und Aktigraphie überwacht. Darauf folgen 62 Stunden ununterbrochener Wachheit (d. h. von 07:00 Uhr an Tag 14 bis 21:00 Uhr an Tag 16). Um 19:00 Uhr an Tag 15 wird 2BAlert für jede Person ausgeführt und verwendet den vorherigen Schlaf und die Leistung jeder Person, um einen individuellen Koffeindosierungsplan zu erstellen, um die Leistung von 03:00 bis 09:00 Uhr an Tag 16 zu optimieren.

Phase 3: Erholung im Labor: Alle Teilnehmer durchlaufen eine Erholungsphase, die aus einer 12-stündigen Bettzeit von 21:00 Uhr an Tag 16 bis 09:00 Uhr an Tag 17 besteht, und der Schlaf wird über PSG und Aktigraphie überwacht. Der Zeitplan für kognitive Tests und Gesichtsvideoaufnahmen wird ab Phase 2 während der Wachstunden fortgesetzt. Nach der Beurteilung durch einen Studienarzt werden sie an Tag 17 gegen 18:00 Uhr aus der Studie entlassen. Insgesamt sind die Teilnehmer also 95 Stunden im Labor.

Der Hauptendpunkt für diese Studie ist die psychomotorische Vigilanztestleistung (PVT), gemessen mit Smart-PVT. Ein sekundärer Endpunkt sind selbstberichteter Stress und Angst, gemessen mit der Stress Visual Analog Scale bzw. dem Spielberger State-Trait Anxiety Inventory. Ein dritter Endpunkt der Studie besteht darin, zu testen, ob mit der Telefonkamera aufgenommene Gesichtsbilder verwendet werden können, um den Wachheitsgrad von Probanden unter Schlafentzug zu beurteilen.

Zu testende Hypothesen: (a) Die auf dem Smart-PVT gesammelten psychomotorischen Leistungsdaten bleiben während des Peak Alertness Window der optimierten Leistung bei oder unter 275 ms, was darauf hinweist, dass 2BAlert gültig und bereit ist, in zukünftigen Feldstudien und Betriebseinstellungen verwendet zu werden. (b) Selbstberichteter Stress und Angst kehren während des Zeitfensters der maximalen Wachsamkeit auf die Ausgangswerte zurück und werden während dieses Zeitfensters auf die Erholung der PVT-Leistung übertragen.

HINTERGRUND: Durch Schlafverlust verursachte neurologische Verhaltensdefizite sind eine anerkannte Bedrohung für die Sicherheit und Produktivität sowohl im zivilen als auch im militärischen Einsatzbereich. Viel beachtete Unfälle und Pannen im Zusammenhang mit Ermüdung (einschließlich kommerzieller Pannen wie die auf 3-Mile Island, Tschernobyl und Bhopal und militärische Pannen wie der Hinterhalt der 507th Maintenance Company) lenken weiterhin die Aufmerksamkeit auf das Schlafproblem Verlust/Schläfrigkeit in Betriebsumgebungen. Solche Unfälle verdeutlichen die nachteiligen Auswirkungen von Schlafmangel auf die Entscheidungsfindung, Wachsamkeit, Problemlösung und andere geistige Fähigkeiten, die für die militärische Effektivität von entscheidender Bedeutung sind. Veröffentlichungen und Handbücher der Armee, des U.S. Marine Corps und der U.S. Navy haben militärisch relevante nachteilige Auswirkungen von Schlafmangel auf Wachsamkeit und Leistungsfähigkeit dokumentiert. Die fünfte Umfrage des Mental Health Advisory Teams der Armee unter Kriegskämpfern, die in den Operationen Iraqi Freedom und Operation Enduring Freedom dienen, ergab, dass Soldaten, die weniger Schlaf angaben, auch höhere Unfall- und Fehlerraten meldeten und häufiger negative psychische Gesundheitsprobleme befürworteten.

Das Verteidigungsministerium hat die Entwicklung eines Rechenmodells zur Quantifizierung der Auswirkungen der täglichen Schlafdauer auf die neurologische Verhaltensleistung finanziert. Die neueste (und fortschrittlichste) Version des mathematischen Schlaf-/Leistungsvorhersagemodells ist das von BHSAI entwickelte 2BAlert-Modell. Wie seine Vorgänger basierte 2BAlert hauptsächlich auf PVT-Daten, die im WRAIR-Schlafforschungslabor gesammelt wurden. PVT-Daten wurden verwendet, weil sie zum Zweck der Erstellung von Schlaf-/Leistungsvorhersagemodellen im Allgemeinen Daten aus anderen Leistungsmessungen in mehreren wichtigen Aspekten überlegen sind: (a) Im Vergleich zu anderen Leistungsmessungen ist die PVT relativ empfindlich gegenüber Schlafverlust und der zirkadiane Wachheitsrhythmus; (b) es gibt keine Lerneffekte auf die PVT; und (c) es wurde zuvor gezeigt, dass ein PVT-basiertes Schlaf-/Leistungsvorhersagemodell eine gute ökologische Gültigkeit hat. Das heißt, die PVT-basierten Modellvorhersagen der Leistungseffektivität korrelieren nachweislich gut mit dem „Unfallrisiko“ im tatsächlichen Eisenbahnbetrieb.

Das aktuelle 2BAlert-Tool gibt es in zwei Formen: 1) ein webbasiertes Tool, das Schlaf- und Koffeinpläne nimmt und die vorhergesagte DURCHSCHNITTLICHE Leistung der GRUPPE anzeigt & 2) eine Smartphone-App, die die individuelle Leistung nutzt, die mit dem PVT auf einem Smartphone gemessen wird, um die Leistung zu individualisieren Vorhersagemodell. Diese Version des Tools wurde in einer aktuellen Studie von WRAIR erfolgreich validiert. Die neueste Version der Smartphone-App verwendet individualisierte Leistungsvorhersagen, um eine individuelle Koffeinplanung zu berechnen, die die Leistung während bestimmter Zeiträume optimiert. Obwohl dieses Tool unter Verwendung von Daten entwickelt wurde, die bei WRAIR gesammelt wurden, und post-hoc auf Daten ausgeführt wurde, die zuvor bei WRAIR gesammelt wurden, muss es noch in Echtzeit getestet werden. Daher ist der Zweck dieser Studie, diesen Koffeinoptimierungsalgorithmus in Echtzeit zu validieren. Die Forscher werden das gleiche Studienprotokoll wie die kürzlich durchgeführte WRAIR-Studie verwenden, da bekannt ist, dass es bei einer gesunden Bevölkerung in diesem Zeitraum Leistungsschwankungen gibt und dass die Gesamtleistung langsamer als 275 ms ist und selbstberichteter Stress und Angst signifikant zunehmen ohne a Koffein Intervention. Darüber hinaus können die Prüfärzte durch die Verwendung eines früheren Studiendesigns den Aufwand für das Studienteam bei der Erstellung neuer Dokumentationen und Zeitpläne minimieren.

Wenn wir einen Schritt zurückgehen, ist es wichtig anzusprechen, warum die Koffeinoptimierung für das Militär wichtig und relevant ist. Während Koffein weithin akzeptiert und als Stimulans verwendet wird, um den Auswirkungen von Müdigkeit im Zusammenhang mit Schichtarbeit und Schlafverlust entgegenzuwirken, hat eine frühere Studie von WRAIR gezeigt, dass Koffein seine Wirksamkeit verliert und bei wiederholtem Gebrauch und chronischem Schlafverlust sogar die Erholung verlangsamen kann. Dieses überraschende Ergebnis weist darauf hin, dass Koffein eine Grenze und einen Preis hat, und daher wäre der Warfighter effektiver, wenn er oder sie Koffein optimal nutzen würde. Bei früheren Koffeinstudien mit ähnlich langem kontinuierlichem Schlafentzug wie beim aktuellen Protokoll erhielten die Teilnehmer jede Nacht 800 mg Koffein. Während diese Forschung darauf hindeutet, dass die Forscher die Leistung wiederherstellen könnten, indem sie allen Teilnehmern dieser Studie 800 mg Koffein verabreichen, ermöglicht der 2BAlert-Algorithmus den Forschern, einigen Teilnehmern weniger Koffein zu verabreichen, aber dennoch das gleiche Ergebnis zu erzielen, als ob jeder 800 mg Koffein erhalten hätte.

Neuere Forschungen wendeten den 2BAlert-Algorithmus post-hoc unter Verwendung von Parametern an, die in diesem Protokoll festgelegt sind. Die Modellergebnisse zeigen, dass alle Teilnehmer ihre Leistung während des Peak Alertness Window erholten, d. h. zwischen 44 und 50 Stunden wach, wobei die Erholung als 275 ms oder schneller definiert ist, und mehr als die Hälfte der Probanden weniger als die Hälfte der maximal zulässigen Menge an Koffein (800 mg ), während drei Probanden überhaupt kein Koffein benötigten. Die Forscher hoffen, 2BAlert zu validieren, indem sie es unter Verwendung des ursprünglichen Studiendesigns auf Echtzeitdaten anwenden.

Neben dem Testen des Koffeinoptimierungsmodells sind die Forscher auch daran interessiert, die Hypothese zu testen, dass, wenn die PVT-Leistung mit Koffein wiederhergestellt werden kann, auch selbstberichteter Stress und Angst wiederhergestellt werden können. Jüngste Arbeiten ergaben, dass selbstberichteter Stress und Angst mit zunehmendem Schlafverlust zunahmen und sich nach dem Erholungsschlaf auf den Ausgangswert erholten, wobei sie dem gleichen Trend wie die PVT-Leistungsdaten folgten. Während frühere Arbeiten gezeigt haben, dass selbstberichteter Stress und Angst mit 1 Nacht Schlafverlust zunehmen, sind dies die ersten Daten, die zeigen, dass selbstberichteter Stress und Angst nach 2 Nächten Schlafverlust weiter zunehmen. Derzeit gibt es keine Studien, die darüber berichten, ob und wie selbstberichteter Stress und Angst mit Koffein bei Schlafstörungen wiederhergestellt werden können.