Optimierung der Geist-Körper-Interaktionen bei der Atemkontrolle während operationell relevanter Umweltstressoren (DEPSCoR)

Viele Soldaten sind Umweltbedingungen ausgesetzt, die den Atemwiderstand erhöhen, was wiederum die Atemarbeit (WOB) steigert. Lebenserhaltungssysteme wie bordgestützte Sauerstoffversorgungssysteme (OBOGs) in Flugzeugen und autonome Unterwasseratemgeräte (SCUBA) beeinträchtigen die Atmungsleistung und fordern somit die operative Kapazität heraus. Dies ist ein bedeutendes Anliegen, das von mehreren Arbeitsgruppen geäußert wurde. Beispielsweise dokumentiert der technische Bericht der NASA zur Pilot Breathing Assessment problematische Anstiege des Atemwiderstands, die von Piloten gemeldet wurden. Ebenso stellte die Restrictive Breathing Working Group fest, dass das Lebenserhaltungssystem der F-22 eine übermäßig hohe mechanische Atemarbeit verursacht. Als Reaktion darauf hat die Navy Experimental Diving Unit vorgeschlagen, dass eine Verringerung der Atemarbeit Hochleistungspiloten vor gefährlichen physiologischen Ereignissen schützen könnte. Ein Anstieg der Atemarbeit verstärkt die sensorischen und emotionalen Wahrnehmungen von Dyspnoe, zumindest teilweise aufgrund eines erhöhten Bewusstseins für die Atmung. Aktuelle Daten deuten darauf hin, dass eine erhöhte Atemarbeit und wahrscheinlich auch die Atemwahrnehmung die kognitive Funktion beeinträchtigen können. Diese Beeinträchtigung wird wahrscheinlich durch negative affektive Empfindungen verursacht, die aus der erhöhten Atemarbeit resultieren und von der zentralen Informationsverarbeitung während komplexer Reaktionszeitaufgaben ablenken. Darüber hinaus verschlechtern sich sowohl die Reaktionszeit als auch die Genauigkeit, wenn größere Belastungen auf die Inspirationsmuskeln ausgeübt werden. Es bleiben jedoch mehrere wichtige Wissenslücken, die für Soldaten relevant sind, die einen erhöhten Inspirationswiderstand erfahren. Es ist nicht bekannt, ob: 1) eine Verringerung der Atemarbeit während des Inspirationswiderstands die Atemwahrnehmung senken und die kognitive Funktion wiederherstellen kann, 2) eine Veränderung der akustischen Rückmeldung der Ventilation während des Inspirationswiderstands die Atemwahrnehmung senken und die kognitive Funktion wiederherstellen kann, und 3) thermische Belastungen die Atemarbeit verstärken, die Atemwahrnehmung erhöhen und die kognitive Funktion während des Inspirationswiderstands verringern. Das Ziel ist es, sich auf das Problem zu konzentrieren, dass eine erhöhte Atemarbeit (WOB) die Wahrnehmung der Atmung verstärkt, was anschließend die kognitive Leistung von Soldaten beeinträchtigt. Um das Ziel zu erreichen, wird die Studie die folgenden spezifischen Ziele behandeln:

Ziel 1 (Studienblock 1): Kürzlich wurde gezeigt, dass eine Erhöhung der Inspirationsbelastung Dyspnoe, Hirnaktivierung verstärkt und die Leistung bei neuropsychologischen Tests im Zusammenhang mit Aufmerksamkeit negativ beeinflusst. Es wird angenommen, dass die kognitive Leistung wahrscheinlich reduziert wird, wenn der Inspirationswiderstand sowohl durch motorisch-kognitive Interferenz als auch durch eine dyspnoebedingte Verschiebung des Aufmerksamkeitsfokus erhöht wird. Studien haben ergeben, dass die wahrgenommene Inspirationsbelastung, nicht die tatsächliche Muskelanstrengung, die Aufmerksamkeit beeinträchtigte. Während Belege darauf hindeuten, dass ein höherer Inspirationswiderstand und die Atemwahrnehmung die kognitive Funktion beeinträchtigen, bleibt eine wichtige kritische Wissenslücke, da unklar ist, ob eine Verringerung der Atemarbeit unter hohen Widerstandslasten die kognitive Funktion wiederherstellen kann. Heliox verringert die resistive Atemarbeit und Muskelbelastung aufgrund seiner geringen Dichte und Viskosität, was durch Reduzierung der turbulenten Strömung in den Atemwegen höhere Ventilationsraten als Raumluft ermöglicht. Daher wird das Atmen von Heliox, das die Atemarbeit senkt, unter hohem Inspirationswiderstand kritische Einblicke liefern, ob eine Verringerung der Atemarbeit die kognitive Funktion verbessern kann. Es wird hypothetisiert, dass die Verwendung von Heliox im Vergleich zum Atmen normaler Dichteluft mit erhöhtem Inspirationswiderstand die Atemarbeit verringert, die wahrgenommene Atemanstrengung senkt und die kognitive Funktion verbessert.

Ziel 2 (Studienblock 2): In einigen Fällen mag es für Soldaten nicht machbar sein, inspiratorische Widerstandslasten (z.B. OBOGs, SCUBA) zu reduzieren, aber das Verständnis, wie die Atemwahrnehmung durch Widerstand beeinflusst wird, ist wesentlich. Akustische Rückmeldung der Ventilation beeinflusst das Atembewusstsein signifikant, und mit steigender Atemarbeit intensiviert sich diese Wahrnehmung aufgrund verstärkter akustischer Eingaben. Dieses erhöhte Bewusstsein kann ablenken und die kognitive Verarbeitung belasten. Aktuelle Studien deuten darauf hin, dass akustische Ablenkungen wie Musik während des Trainings Dyspnoe sowie respiratorische und Ganzkörperbeschwerden bei gesunden Personen und solchen mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung verringern können. Dieser Effekt könnte auf reduzierte akustische Rückmeldung oder verbesserte emotionale Zustände im Zusammenhang mit Musik zurückzuführen sein. Allerdings besteht eine wichtige Wissenslücke: Es ist unklar, ob eine Verringerung der akustischen Rückmeldung der Ventilation während erhöhten Inspirationswiderstands die Atemwahrnehmung und kognitive Funktion beeinflusst. Die Studie wird die Auswirkungen verschiedener akustischer Rückmeldungen der Ventilationsbedingungen (normal, eliminiert und verstärkt) auf die kognitive Funktion unter hohem Inspirationswiderstand bewerten. Es wird hypothetisiert, dass eine Verringerung der akustischen Rückmeldung der Ventilation die Atemarbeit nicht verändert, aber die Atemwahrnehmung senkt und die kognitive Leistung im Vergleich zu standardmäßiger oder verstärkter Rückmeldung verbessert.

Ziel 3 (Studienblock 3): Soldaten sind oft thermischen Belastungen ausgesetzt, die die Atemarbeit erhöhen, selbst bei vorhandenen Lebenserhaltungssystemen. Sowohl Kälte- als auch Hitzestress erhöhen die Atemarbeit unabhängig, ohne erhöhten Inspirationswiderstand zu erfordern. Viele Soldaten werden aufgrund des Fokus des Verteidigungsministeriums auf Arktisoperationen bald extremer Kälte ausgesetzt sein. Kältestress stimuliert die Ventilation und verursacht eine biphasische Bronchiolenreaktion: Das Einatmen kalter Luft während Hyperventilation führt zu anfänglicher Bronchodilatation, gefolgt von Bronchokonstriktion, die die Bronchiolen verengt und den Luftstromwiderstand und somit die Atemarbeit erhöht. Soldaten sind auch extremer Hitze ausgesetzt, und hyperthermieinduzierte Hyperventilation tritt auf, wenn die Kerntemperatur etwa 38,0°C erreicht, was signifikant mit erhöhter Atemarbeit während Hitzestress korreliert. Soldaten erleben diese Umweltbelastungen häufig zusammen mit erhöhtem Atemwiderstand, insbesondere während Unterwassertauchmissionen in verschiedenen Temperaturen oder in Hochleistungsflugzeugen mit OBOGs, die extremer Hitze ausgesetzt sind. Beispielsweise verzeichnete die Nellis Air Force Base kürzlich eine Temperatur von 118°F (48°C). Eine kritische Wissenslücke besteht hinsichtlich der Frage, ob hoher Inspirationswiderstand kombiniert mit thermischem Stress die Atemarbeit verstärkt, die Wahrnehmung der Atmung sowie kognitive und physiologische Reaktionen verändert. Die Studie wird Atemarbeit, Atemwahrnehmung, kognitive Funktion und physiologische Reaktionen unter kombiniertem Inspirationswiderstand und thermischem Stress (thermoneutral, Hitze und Kälte) untersuchen. Es wird hypothetisiert, dass die Atemarbeit während Hitzestress und Kältestress zunehmen wird, was zu stärkeren Wahrnehmungen von Atembeschwerden und verminderter kognitiver Leistung im Vergleich zu thermoneutralen Bedingungen führt.