Die Rolle der Umgebungstemperatur bei der Atemkontrolle

Kampfsoldaten sind oft thermischen Stressfaktoren ausgesetzt, die die Atemarbeit (WOB) erhöhen, selbst wenn Lebenserhaltungssysteme vorhanden sind. Sowohl Kälte- als auch Hitzestress erhöhen die WOB unabhängig voneinander, ohne dass ein erhöhter inspiratorischer Widerstand erforderlich ist. Kältestress stimuliert die Ventilation und verursacht eine biphasische bronchioläre Reaktion: Das Einatmen kalter Luft während der Hyperventilation führt zu einer anfänglichen Bronchodilatation, gefolgt von Bronchokonstriktion, die die Bronchiolen verengt und den Atemwegswiderstand und somit die WOB erhöht. Kampfsoldaten sind auch extremer Hitze ausgesetzt, und hyperthermieinduzierte Hyperventilation tritt auf, wenn die Kerntemperatur des Körpers etwa 38,0°C erreicht, was signifikant mit einer erhöhten WOB während Hitzestress korreliert. Kampfsoldaten erleben diese Umweltstressfaktoren häufig zusammen mit erhöhtem Atemwiderstand, insbesondere während Unterwassertauchmissionen in unterschiedlichen Temperaturen oder in Hochleistungsflugzeugen mit OBOGs, die extremer Hitze ausgesetzt sind.

Es besteht eine kritische Wissenslücke darüber, ob hoher inspiratorischer Widerstand in Kombination mit thermischem Stress die WOB verstärkt und die Wahrnehmung der Atmung sowie kognitive und physiologische Reaktionen verändert. Die Studie wird die WOB, die Atemwahrnehmung, die kognitive Funktion und die physiologischen Reaktionen unter kombinierter inspiratorischer Widerstands- und thermischer Belastung (thermoneutral, Hitze und Kälte) untersuchen. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass die WOB während Hitzestress und Kältestress zunehmen wird, was zu einer stärkeren Wahrnehmung von Atembeschwerden und einer verminderten kognitiven Leistung im Vergleich zu thermoneutralen Bedingungen führt.

Die Teilnehmer absolvieren 4 Studienbesuche: einen Screening-/Einarbeitungsbesuch (Studientag 0) gefolgt von drei experimentellen Besuchen (Studientag 1, Tag 2 und Tag 3). Den Teilnehmern wird angewiesen, mindestens 24 Stunden vor den experimentellen Besuchen auf Koffein, Alkohol, stimulierende Medikamente, Schmerz-/entzündungshemmende Medikamente, Cannabis und cannabisbezogene Produkte sowie intensive körperliche Betätigung zu verzichten. Am Studientag 0 absolvieren die Teilnehmer eine kurze Einarbeitungs-Atemaufgabe, bei der sie 10 Minuten lang durch ein 8-10 mm großes Loch am Ende eines maßgeschneiderten Geräts atmen, wodurch ein vorbestimmter inspiratorischer Widerstand von 6-9,5 Zentimeter Wasser pro Liter pro Sekunde (cmH2O/L/s) erzeugt wird. Während der Atemaufgabe werden zerebrovaskuläre, kardiovaskuläre und autonome Aktivitätsreaktionen gemessen. Alle 5 Minuten während des Atemtests werden die Teilnehmer gebeten, die Atemintensität und -unangenehmheit zu bewerten und ein inspiratorisches Kapazitätsmanöver durchzuführen. Kognitive Bewertungen werden alle 10 Minuten durchgeführt. Nach der Atemaufgabe absolvieren die Teilnehmer Lungen- und Atemmuskelfunktionstests.

Vor den experimentellen Besuchen werden die Teilnehmer randomisiert der Reihenfolge zugeteilt, in der sie den Interventionsbedingungen (heiß, kalt oder thermoneutral) ausgesetzt werden. Bei der Ankunft wird ein Ösophagusballon platziert, um den Druck um Herz und Lunge zu messen. Die Teilnehmer werden dann in eine Umgebungskammer (zur Kontrolle der Luftfeuchtigkeit) platziert, während sie einen speziellen Anzug tragen, der es ermöglicht, Wasser mit unterschiedlichen Temperaturen durch Röhren zu zirkulieren, wodurch sie etwa 30 Minuten lang den Temperaturbedingungen ausgesetzt werden, bevor die vollständigen Atemaufgaben beginnen. Unter thermoneutralen Bedingungen wird 34°C warmes Wasser durch den Spezialanzug geleitet, während die Teilnehmer in der Kammer ruhen, die auf 24°C und 40% Raumluftfeuchtigkeit eingestellt ist. Während der Kältebedingung wird 4°C kaltes Wasser durch den Spezialanzug geleitet, während die Teilnehmer in der Kammer ruhen, die auf 4°C und 10% Raumluftfeuchtigkeit eingestellt ist. Die Atemaufgabe beginnt, wenn die Ösophagustemperatur -1°C und -2°C relativ zur Ausgangs-Ösophagustemperatur erreicht. Während der Hitze-Bedingung wird 50°C warmes Wasser durch den Spezialanzug geleitet, während die Teilnehmer in der Kammer ruhen, die auf 40°C und 40% Raumluftfeuchtigkeit eingestellt ist. Die Atemaufgabe beginnt, wenn die Ösophagustemperatur +1°C und +2°C relativ zur Ausgangs-Ösophagustemperatur erreicht. Bei jedem experimentellen Besuch absolvieren die Teilnehmer eine vollständige Atemaufgabe, bei der sie 60 Minuten lang gegen eine vorbestimmte Widerstandslast einatmen. Die biometrische Überwachung wird kontinuierlich durchgeführt, und kognitive Bewertungen sowie Teilnehmerbewertungen während der Atemaufgaben werden nach 45 und 90 Minuten der Bedingungsexposition durchgeführt. Zwischen den experimentellen Besuchen wird eine 7-tägige Auswaschphase eingehalten.