Bestimmen, welche Regionen des Gehirns während der Flugsimulation zu verschiedenen Zeitpunkten während des Trainings aktiv sind (fMRI Pilots)

Das Etablieren, Aufrechterhalten und Quantifizieren der Einsatzbereitschaft von leistungsstarken Einzelpersonen und Bevölkerungsgruppen, beispielsweise aktiven Piloten, bleibt eine große Herausforderung im Verteidigungsministerium. Die Kompetenz von Piloten besteht wie bei anderen Hochleistungspopulationen in der Beherrschung mehrerer Aufgaben. Einige Aufgaben, wie z. B. die G-Belastung, basieren auf bekannten Ansätzen zur Stärkung der muskuloskelettalen Ausdauer des Gesäßes, des Quadrizeps und der hinteren Oberschenkelmuskulatur1 mit genau definierten Übungen, um die Toleranz gegenüber hohen G-Belastungen zu verbessern. Wenn also ein bestimmter Pilot oder Auszubildender mit nahezu G-bedingtem Bewusstseinsverlust zu kämpfen hat, können klare Trainingspläne verordnet werden, um die notwendigen Muskeln zu stärken und die Leistung zu verbessern. Allerdings sind kognitive Aufgaben, etwa die präzise Steuerung eines Flugzeugs, um trotz Seitenwinds und anderer Störungen eine bestimmte Flugbahn beizubehalten, schwieriger zu verstehen und zu trainieren. Bis vor einigen Jahren gab es keinen klaren Ansatz zur Definition des für solche Aufgaben erforderlichen neuronalen Schaltkreises. Ohne dieses Verständnis dieses kognitiven Schaltkreises ist es schwierig, wenn nicht unmöglich, gezielte und effiziente Trainingsmodalitäten zur Stärkung seiner Leistung vorzuschreiben.

Neuroergonomik Durch die Erkennung subtiler Veränderungen des Blutflusses in verschiedenen Regionen des Gehirns während einer Aufgabe kann die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) zu jedem Zeitpunkt die aktivsten Regionen des Gehirns lokalisieren. Diese Technologie schreitet rasant voran und zeigt bei bestimmten Aufgaben eine bemerkenswerte Konsistenz in mehreren kortikalen Regionen des Gehirns, die bei derselben Aufgabe bei verschiedenen Personen eingesetzt werden. Die mehreren Regionen, die während einer bestimmten Aufgabe aktiviert werden, werden oft als „funktionell verbunden“ bezeichnet. Darüber hinaus ähneln diese funktionell verbundenen Regionen des Gehirns, die während einer kognitiven Aufgabe aktiviert werden, den Muskeln, die zur Erfüllung einer körperlichen Aufgabe aktiviert werden. Eine andere MRT-Technologie kann die Konnektivität durch Axone quantifizieren, die sich in der weißen Substanz (den Drähten im Gehirn) befinden, und die Stärke der physischen Verbindung zwischen verschiedenen Regionen des Gehirns messen – die sogenannte strukturelle Konnektivität. Interessanterweise kann die „Stärke“ der Verbindungen zwischen bestimmten Regionen, ähnlich wie die Muskeln nach längerem Training, durch Training und Wiederholung messbare Steigerungen aufweisen.

Aufgrund der hohen Magnetfelder in MRT-Geräten konnten beim Scannen von Probanden herkömmliche Geräte oder Videoanzeigen jedoch nicht verwendet werden. Infolgedessen waren frühe Aufgaben innerhalb von Scannern (Paradigmen genannt) oft seriell und nicht repräsentativ für die hochdynamischen Aufgaben des Fliegens. Es sind jedoch hochauflösende Anzeigesysteme verfügbar, die MRT-kompatibel sind und hochauflösende und immersivere Umgebungen erzeugen können5. Darüber hinaus wurden auch immer ausgefeiltere Eingabegeräte entwickelt, die MRT-kompatibel sind, und jetzt ist es möglich, einen realistischen Steuerknüppel zur Steuerung von Nick-, Roll- und Drosselklappensimulationen von Flugzeugzellen einzubinden.

Somit kann das Gebiet der Neuroergonomik, das auf natürlichere Weise analysiert, wie sich das Gehirn bei alltäglichen Operationen verhält, auf die Luftfahrt angewendet werden6. Jüngste fMRT-Arbeiten haben begonnen, die Neuroschaltkreise zu identifizieren, die an bestimmten Flugaufgaben wie der Verfolgung aus der Luft beteiligt sind. Andere Arbeiten haben Regionen des Gehirns identifiziert, die während einer kognitiven Überlastung aktiviert wurden und in denen die Probanden beim Fliegen in einem Simulator keine akustischen Alarme wahrnahmen. Darüber hinaus scheinen bestimmte Gehirnregionen während des Video-Feedbacks nach der Durchführung einer komplexen Landeaufgabe aktiviert zu sein. Somit beginnt man, die Gehirnregionen zu identifizieren, die während der Luftverfolgung, der kognitiven Überlastung und des Feedbacks aktiv sind – allesamt relevant für das Flugtraining. Da jedoch viele dieser Daten von Amateuren – also nicht von sehr erfahrenen Militärpiloten – gesammelt wurden, muss ihre Anwendbarkeit auf gut ausgebildete Militärflieger getestet werden.

Die Anwendung neuroergonomischer Techniken zur Verbesserung der Leistung von Militärfliegern erfordert zwei unterschiedliche Schritte: 1.) Die neuroanatomischen Schaltkreise, die mit verschiedenen Aspekten der Hochleistungsfliegerei verbunden sind, müssen identifiziert werden; und 2.) Für jeden Schaltkreis müssen Trainingsparadigmen identifiziert werden, um den interessierenden neuroanatomischen Schaltkreis zu stärken und nicht nur die Verhaltensleistung, sondern auch die mit der Leistungssteigerung verbundenen neuronalen Korrelate zu verfolgen.

PICT-Aufgabe – Herausforderungen bei der MRT-Flugsimulation

Der Flugsimulatortest Precision Instrument Control Task (PICT) basiert auf einer bestehenden Studie zur menschlichen Leistungsfähigkeit mit dem Titel „Wayfinding, Hypoxia, and Interceptive Performance in Pilots Executing Transitions“ (WHIPPET), die derzeit am Brooks Research Altitude Chambers mit durchgeführt wird Das Ziel besteht darin, die Verschlechterung des Pilotenverhaltens zu messen, die aus einer mäßigen hypobaren Hypoxie resultiert. Die Aufgabe generiert quantitative Metriken, um die Genauigkeit und Schnelligkeit zu bewerten, mit der ein Pilot während des Fluges korrigierende Steuereingaben ausführen kann. Die Aufgaben werden aus ihrer aktuellen psychophysischen Anwendung für die Verwendung in dieser Neuroimaging-Anwendung angepasst.

Beide Pilotaufgaben werden mit der kommerziell erhältlichen Anwendungssoftware XPlane (Laminar Research, Inc., Columbia SC) durchgeführt, einer PC-basierten Simulationssuite, die glaubwürdige Flugsteuerungen und dynamische Flugzeugmodelle verwendet, um simulierte Einsätze mit hoher Wiedergabetreue darzustellen die visuellen Eigenschaften und Anforderungen des echten Fluges. XPlane wurde in psychophysischen Untersuchungen der Auswirkungen von Umweltstressoren auf die menschliche Leistung in einer Cockpitumgebung und zur Identifizierung von Bereichen der Gehirnaktivierung während der Ausführung simulierter Verfolgungsaufgaben aus der Luft eingesetzt. Für diese Anwendung wird XPlane eingesetzt, um die aerodynamischen Eigenschaften einer F/A-18F darzustellen. Die visuelle Schnittstelle umfasst ein vorderes „Out-the-Window“-Display mit einem generischen Head-up-Display (HUD) mit Steig- und Tauchleiter, Horizont- und Kursanzeigen sowie digitalen Fluggeschwindigkeits- und Vertikalgeschwindigkeitsanzeigen. Die Anzeige wird im fMRT-Scanner mithilfe einer stereogenen Brille namens Visual System HD (NordicNeuroLab, Bergen, Norwegen) dargestellt, die über die 64-Kanal-Kopfspule von Siemens Vida im Scanner montiert ist, wie sie erfolgreich zum Aufbau interaktiver Virtual-Reality-Plattformen eingesetzt wurde fMRT-Forschungsanwendungen5. Dieses Gerät wird die experimentelle visuelle Schnittstelle im Format 1920 x 1200 Pixel über eine stereoskopische Brille präsentieren, wobei sich das Sehfeld jedes Auges über ein Sichtfeld von etwa 52 x 34 Grad (horizontal x vertikal) erstreckt. Diese Konfiguration sollte ausreichend Auflösung und Winkeltiefe bieten, um eine virtuelle Präsenz in der simulierten Umgebung zu erzeugen.

Spezifische Ziele

1. Bestimmen Sie, welche Teile der Gehirnaktivität mit dem Leistungsniveau während der Flugsimulation (PICT) korrelieren.
2. Bestimmen Sie die Veränderungen der Gehirnaktivität, die zu zwei verschiedenen Zeitpunkten auftreten.
3. Bestimmen Sie, welche Teile der Gehirnanatomie mit dem Leistungsniveau während der Flugsimulation (PICT) korrelieren.
4. Bestimmen Sie die Veränderungen in der Gehirnanatomie, die zu zwei verschiedenen Zeitpunkten auftreten.