Operative Leistungseffekte und Neurophysiologie bei partieller Schwerkraft (OPEN-PG)

Physiologische Aufzeichnungseinrichtung: Die NINscan-Geräte von Dr. Strangman unterstützen 64-Kanal-Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) sowie mehrere elektrophysiologische und verwandte Messungen. Das NIRS-Pad wird so positioniert, dass es den rechten lateralen präfrontalen Kortex bis zum parietalen Vestibularkortex überspannt, angesichts der typischen Rechtslateralisierung des Arbeitsgedächtnisses, der räumlichen Verarbeitung und der untersuchten Funktionen des Vestibularhirns 2, 7, 22. Eine Mehrfachtrennsonde hilft dabei, hämodynamische Störungen der Kopfhaut und des Schädels im fNIRS-Signal zu beseitigen 25, 27. Beschleunigungsmesser werden am Kopf und am Kreuzbein angebracht, um Bewegungsartefakte und Schwankungen zu erkennen. Zu den geplanten zusätzlichen Sensoren gehören EEG über präfrontalen und parietalen Standorten (z. B. internationale Standardstandorte Fz/F7/P3 14) sowie zwei Elektrookulographie-Sensoren zur Messung von Augenbewegungen, 1 EKG-Sensor für Herzaktivität, zwei Gesichts-Elektromyographie-Sensoren, Hauttemperatur und elektrodermale Sensoren Aktivität (EDA). Hautmarkierungen können verwendet werden, um die Einrichtung am Flugtag zu erleichtern.

Phase 0: Subjektschulung am Boden (Preflight) Preflight-Schulung: Die Preflight-Schulung konzentriert sich auf Folgendes: (i) Selbstauslösung des NINscan-Systems und Durchführung (ii) der ROBoT-r-Aufgabe und (iii) Haltung schwanken. Am ersten Tag nehmen die Probanden an einer ca. 90-minütigen Einarbeitungssitzung teil, gefolgt von einer ersten ca. 90-minütigen Schulungssitzung. Am zweiten Tag führen die Probanden die 2. Trainingseinheit durch. Jede Trainingseinheit umfasst eine 10-minütige Ruhephase im Basiszustand, während der die Probanden ruhig und mit offenen Augen sitzen (zum Üben und zur Bereitstellung von Basisdaten, z. B. funktionelle Konnektivität, intrakranielle Pulsatilität, Blutdruck, EEG und EDA), gefolgt von der Durchführung von ROBoT-r- und Haltungsschwankungsaufgaben.

NINscan: Die Einarbeitung umfasst Anweisungen zur Hardware, zur Selbstbereitstellung, zum sicheren Betrieb und zur grundlegenden Fehlerbehebung. Für Schulungssitzungen setzen die Teilnehmer das Gerät selbst ein, einschließlich der Anbringung aller Gehirn- und physiologischen Sensoren, und sammeln Daten, während sie ROBoT-r- und Haltungsschwankungsaufgaben ausführen, wobei die Aufsicht des Ausbilders durchgehend gewährleistet ist.

ROBoT-Docking: Die Teilnehmer führen ein ROBoT-r-Training nach unserem veröffentlichten Ansatz 5 durch, einschließlich Anweisungen zu (i) Systemkomponenten, (ii) Leistungskriterien und (iii) grundlegender Fehlerbehebung. Während der Trainingseinheiten setzen die Teilnehmer ROBoT-r ein und führen eine vollständige Sitzung (12 Läufe) durch, während sie auf einer Posturographieplattform stehen und NINscan tragen.

Haltungsschwankung: Während der Einarbeitung lernen die Teilnehmer, auf einer computergestützten Posturographieplattform Zibrio-Pro (Zibrio, Houston, TX) sicher eine aufrechte Haltung beizubehalten. Dazu müssen Sie aufrecht mit erhobenem Kopf stehen, die Arme neben dem Körper und die Füße schulterbreit auf der Plattform. Anschließend werden die Probanden mit den vestibulären Herausforderungen vertraut gemacht: (1) Durchführung von ±20⁰ dynamischen Kopf-Neigungs-Oszillationen bei 0,33 Hz, die durch einen hörbaren Ton 12, 13 stimuliert werden, (2) Betrachten des kreisförmig rotierenden visuellen Reizes und Melden von Vektionsempfindungen und (3) das galvanische Vestibularstimulationssystem. Die Trainingseinheiten beinhalten keine Herausforderungen für den Vestibulärbereich, sondern nur das Üben mit dem Gleichgewichts-/Posturographietest.

Phase 1: Basisdatenerfassung am Boden (Preflight) Basisdatenerfassung am Boden (BDC): Nach dem Training nehmen die Teilnehmer an drei Verfahren zur Basisdatenerfassung teil, die über drei Tage verteilt sind, um Interferenzeffekte zu minimieren. Jede Sitzung umfasst eine Ruheaufzeichnung, Haltungsschwankungen, Andocken und eine unserer drei neurovestibulären Herausforderungen (ausgewogen, um potenzielle Ordnungseffekte zu minimieren).

BDC-Restaufzeichnung: Jeder Teilnehmer füllt zunächst den Motion Sickness Susceptibility Questionnaire (MSSQ) 3 aus. Anschließend setzen sie das NINscan-Aufzeichnungsgerät (unter Aufsicht des Experimentators) selbst ein und tragen es während der gesamten BDC-Periode, beginnend mit einer 10-minütigen Ruheaufzeichnung.

BDC Haltungsschwankung: Die Teilnehmer führen dann die Haltungsschwankungsaufgabe (oben) durch und verwenden dabei NINscan, während sie auf der computergestützten Posturographieplattform stehen, um eine Grundschwingung bei 1 g zu erhalten.

BDC-Docking: Als nächstes führen die Teilnehmer eine Reihe von 12 ROBoT-r-Läufen durch. Zwischen den Läufen gibt es kurze Ruhephasen. Dadurch werden Basisdaten zur betriebsrelevanten Aufgabenleistung in 1g bereitgestellt.

BDC Neurovestibuläre Herausforderungen: Für unsere Vorhersagemodelle (Ziel 3) bewerten die Forscher die Reaktionen der Teilnehmer vor dem Flug auf drei neurovestibuläre Herausforderungen, jeweils basierend auf einer bestimmten Art von sensorischem Input. NINscan-Aufzeichnungen werden während jedes Belichtungszeitraums aufgezeichnet. Die Herausforderungen werden an jedem der drei aufeinanderfolgenden Tage in ausgeglichener Reihenfolge bereitgestellt. Zur Beurteilung akuter Symptome wird eine Likert-ähnliche Reisekrankheitsskala (0-10) verwendet11, während der Fragebogen zu Reisekrankheitssymptomen (MSSQ) vor und nach jeder Datenerfassungssitzung ausgefüllt wird. Alle vestibulären Herausforderungen werden im Stehen auf der Zibrio-Posturographieplatte durchgeführt. Die Aufzeichnungen der Haltungsschwankung beginnen 2 Minuten vor den vestibulären Herausforderungen und werden bis 2 Minuten nach Abschluss der Herausforderungen fortgesetzt, jeweils wie unten beschrieben.

1. Galvanische Vestibularstimulation (GVS) und Anpassung (elektrische Eingabe) 1, 8, 9. Teilnehmer, die auf der Posturographieplattform stehen, durchlaufen 25 Sekunden GVS-Perioden über die Mastoidfortsätze (verschachtelt mit Ruheperioden) unter Verwendung eines pseudozufälligen Stromwellenformstimulus, der aus einer Summe besteht -von-Sinus (0,16, 0,33, 0,43, 0,61 Hz) mit einer Spitzenamplitude von 5mA. Diese Parameter sollen die sensomotorischen Erfahrungen von Astronauten 1 nach dem Flug nachbilden. Zur Bewertung der Anpassung werden alle 15 Minuten drei Zyklen mit zwölf Wechseln über eine Gesamtdauer von 45 Minuten präsentiert.
2. Rollvektion und Anpassung (visuelle Eingabe, nicht-Otolith) 10, 15, 23. Stehende Probanden sehen auf einem Computermonitor ein zentrales Fixierungskreuz. Ein spärliches Sternenfeld wird um den Mittelpunkt gedreht (60 Grad/s), während die Sterne selbst in die gleiche Richtung rotieren, um den Vektionseffekt zu verstärken (60 Grad/s) 10. Die Teilnehmer drücken immer dann eine Taste, wenn eine Vektion (Selbstrotation in die entgegengesetzte Richtung des visuellen Reizes) wahrgenommen wird, und lassen sie los, wenn die Wahrnehmung aufhört 10. Die Stimulationsperioden dauern 25 Sekunden und werden mit 25-sekündigen Perioden eines leeren Bildschirms verschachtelt. Während der leeren Bildschirme berichten die Teilnehmer mündlich über die Stärke der Vektionswahrnehmung auf einer Skala von 0 bis 100 (0 = keine, 50 = dieselbe Vektion, die bei einer anfänglichen Einzelexposition vor dem Test gegenüber einem global rotierenden Reiz wahrgenommen wurde 10). Auch hier werden alle 15 Minuten drei Zyklen mit zwölf Stimulus-/Leerbelichtungen über eine Gesamtdauer von 45 Minuten präsentiert, um die Anpassung zu beurteilen.
3. Schwingkopfneigung (mechanischer Eingang) 12, 13. Stehende Teilnehmer halten entweder ihren Kopf aufrecht und statisch (HS) oder führen kontinuierlich ±20 dynamische Tonhöhenschwingungen (Kopfdynamik, HD) bei 0,33 Hz aus, die von einem hörbaren Ton gesteuert werden, der über leichte Kopfhörer übertragen wird. Über Kopfhörer zugeführtes weißes Rauschen verdeckt externe akustische Orientierungshinweise. Drei Zyklen mit 12 HS- und HD-Wechseln werden 45 Minuten lang durchgeführt, um die Anpassung zu beurteilen.

Phase 2: Flugdatenerfassung

Flugtests: Am Flugtag werden die Teilnehmer am Boden für den schnellen NINscan-Einsatz vorbereitet. Medikamente gegen Reisekrankheit sind diesen Teilnehmern nicht gestattet, da sie die von den Forschern durchgeführten neurovestibulären Messungen beeinträchtigen. Die Teilnehmer besteigen den Airbus A310 ZERO-G und schnallen sich zum Abheben an. Nach dem Start fliegen die Piloten das Flugzeug in eine bestimmte Flugzone, in der die Parabeln stattfinden. Anschließend begeben sich die Teilnehmer gemeinsam mit anderen Mitgliedern der Teilnehmergruppe und dem Instruktor in den Bereich der Kabine. Die Teilnehmer erhalten von Novespace Anweisungen zur Gewährleistung der Sicherheit während des Parabelflugs. Sobald die Teilnehmer den Horizontalflug erreicht haben, legen sie NINscan an, starten die NINscan-Aufzeichnung und initialisieren die ROBoT-r-Ausrüstung. Jeder Teilnehmer steht auf einer computergestützten Posturographieplattform und führt während der 10 Parabeln bei jeder Schwerkraftbelastung (und für entsprechende Zeiträume während des Horizontalflugs bei 1 g) zwei Aufgaben aus: (1) betriebsrelevante ROBoT-r-Aufgabe für die ersten 7 Parabeln, und (2) Beurteilung der Haltungsschwankung auf den letzten drei Parabeln. Wie derzeit geplant, wird es für jeden Teilnehmer zwei Flüge geben. Der erste Flug wird alle n=12 Teilnehmer umfassen und 31 Parabeln fliegen, von denen der erste der allgemeinen Orientierung dient. Gruppen von 4 Probanden führen die beschriebenen Aufgaben gleichzeitig für 10 Parabeln durch und tauschen dann die Plätze mit der nächsten Gruppe von 4 Probanden. Beim zweiten Flug für jeden Teilnehmer fliegt das Flugzeug erneut 31 Parabeln, der erste dient der Orientierung. Danach werden 3 Sätze mit jeweils 10 Parabeln geflogen, wobei jeder Satz eine andere Schwerkraft aufweist (nominal 0,25, 0,5 und 0,75 g). Die Teilnehmer werden in allen drei Gruppen von 10 Parabeln Aufgaben ausführen, die mit den 10 Parabeln bei 0 identisch sind. Es wird eine zusätzliche Phase des Horizontalflugs durchgeführt, in der die Teilnehmer erneut dieselben Aufgaben auf derselben Zeitachse, jedoch bei 1 g, ausführen. Die Teilnehmer werden während der gesamten Zeit von einem engagierten Experimentator engmaschig überwacht und/oder angeschnallt (wie von Novespace gefordert), um die Sicherheit zu gewährleisten.

Wenn ein Teilnehmer der Foto-/Videoklausel in der Einverständniserklärung zustimmt, dürfen während des Fluges Fotos/Videos seiner Teilnahme angefertigt werden. Diese werden entweder hinter dem Teilnehmer aufgenommen oder alle Gesichtszüge werden unkenntlich gemacht und vor der Verwendung in einer Präsentation oder Veröffentlichungsform verwendet.

Für die Teilnehmer finden nach dem Flug keine Aktivitäten statt.