Determinar qué regiones del cerebro están activas durante la simulación de vuelo en momentos separados durante el entrenamiento (fMRI Pilots)

Establecer, mantener y cuantificar la preparación en individuos y poblaciones de alto rendimiento, como los pilotos en servicio activo, sigue siendo un desafío importante para el Departamento de Defensa. La competencia de los pilotos, al igual que otras poblaciones de alto rendimiento, consiste en el dominio de múltiples tareas. Algunas tareas, como el esfuerzo de G, se basan en enfoques conocidos para fortalecer la resistencia musculoesquelética de las nalgas, los cuádriceps y los isquiotibiales1 con ejercicios bien definidos para mejorar la tolerancia a cargas de G elevadas. Por lo tanto, si un piloto o aprendiz en particular está luchando contra una pérdida de conciencia casi inducida por G, se pueden prescribir regímenes de entrenamiento claros para fortalecer los músculos necesarios para mejorar el rendimiento. Sin embargo, las tareas cognitivas, como controlar con precisión un avión para mantener una trayectoria específica, a pesar de la presencia de vientos cruzados y otras perturbaciones, son más difíciles de entender y entrenar. Hasta hace varios años, no existía un enfoque claro para definir el circuito neuronal necesario para tales tareas. Sin esa comprensión de este circuito cognitivo, es difícil, si no imposible, prescribir modalidades de entrenamiento específicas y eficientes para fortalecer su rendimiento.

Neuroergonomía Al detectar cambios sutiles en el flujo sanguíneo a diferentes regiones del cerebro durante una tarea, la resonancia magnética funcional (fMRI) puede localizar las regiones más activas del cerebro en cualquier momento. Esta tecnología está avanzando rápidamente y para tareas específicas está demostrando una consistencia notable en múltiples regiones corticales del cerebro empleadas durante la misma tarea, entre diferentes individuos. Las múltiples regiones activadas durante una tarea particular a menudo se denominan "funcionalmente conectadas". Además, estas regiones del cerebro funcionalmente conectadas y activadas durante una tarea cognitiva comparten una analogía con los músculos activados para realizar una tarea física. Otra tecnología de resonancia magnética puede cuantificar la conectividad a través de axones ubicados en la materia blanca (los cables del cerebro) y medir la fuerza de la conexión física entre diferentes regiones del cerebro, denominada conectividad estructural. Curiosamente, al igual que los músculos después de un entrenamiento prolongado, la "fuerza" de las conexiones entre regiones específicas puede mostrar aumentos mensurables con el entrenamiento y la repetición.

Sin embargo, debido a los elevados campos magnéticos existentes en las máquinas de resonancia magnética, tradicionalmente no se podían utilizar dispositivos complejos o pantallas de vídeo para escanear sujetos. Como resultado, las primeras tareas dentro de los escáneres (denominadas paradigmas) eran a menudo en serie y no representativas de las tareas altamente dinámicas de volar. Sin embargo, hay disponibles sistemas de visualización de alta resolución que son compatibles con la resonancia magnética, lo que puede generar entornos más inmersivos y de alta resolución5. Además, también se han desarrollado dispositivos de entrada cada vez más sofisticados que son compatibles con la resonancia magnética y ahora es posible incluir una palanca de vuelo realista para controlar el cabeceo, el balanceo y la aceleración de estructuras de aviones simuladas.

Por lo tanto, el campo de la neuroergonomía (que analiza cómo se comporta el cerebro durante las operaciones cotidianas de una manera más naturalista) puede aplicarse a la aviación6. Trabajos recientes de resonancia magnética funcional han comenzado a identificar los neurocircuitos involucrados en tareas de vuelo específicas, como la persecución aérea. Otro trabajo ha identificado regiones del cerebro activadas durante la sobrecarga cognitiva donde los sujetos no percibían alarmas audibles mientras volaban en un simulador. Además, regiones cerebrales específicas aparecen activadas durante la retroalimentación en video después de realizar una tarea de aterrizaje compleja. Así, se están empezando a identificar las regiones del cerebro activas durante la persecución aérea, la sobrecarga cognitiva y la retroalimentación (todas ellas pertinentes para el entrenamiento aeronáutico). Sin embargo, dado que gran parte de estos datos han sido recopilados de aficionados (no de pilotos militares con mucha experiencia), es necesario probar su aplicabilidad a aviadores militares altamente capacitados.

Aplicar las técnicas de neuroergonomía para mejorar el desempeño de los aviadores militares requerirá dos pasos distintos: 1.) Se deben identificar los circuitos neuroanatómicos asociados a diferentes aspectos de la aviación de alto rendimiento; y 2.) para cada circuito, será necesario identificar paradigmas de entrenamiento para fortalecer el circuito neuroanatómico de interés para rastrear no solo el desempeño conductual, sino también los correlatos neuronales asociados con un mejor desempeño.

Tarea PICT: desafíos de simulación de vuelo por resonancia magnética

La prueba del simulador de vuelo de la Tarea de Control de Instrumentos de Precisión (PICT) está adaptada de un estudio de desempeño humano existente, llamado "Wayfinding, Hypoxia, and Interceived Performance in Pilots Executing Transitions" (WHIPPET), que se está llevando a cabo actualmente en Brooks Research Altitude Chambers con el objetivo de medir el deterioro del pilotaje que resulta de la hipoxia hipobárica moderada. La tarea genera métricas cuantitativas para evaluar la precisión y rapidez con la que un piloto puede ejecutar entradas de control correctivas mientras vuela. Las tareas se adaptarán de su aplicación psicofísica actual para su uso en esta aplicación de neuroimagen.

Ambas tareas de pilotaje se realizarán utilizando el software de aplicación disponible comercialmente llamado XPlane (Laminar Research, Inc., Columbia SC), que es un conjunto de simulación basado en PC que utiliza controles de vuelo creíbles y modelos dinámicos de aeronaves para presentar salidas simuladas de alta fidelidad con las características visuales y las demandas del vuelo real. XPlane se ha utilizado en investigaciones psicofísicas del efecto de factores estresantes ambientales en el desempeño humano en el entorno de una cabina de piloto y para identificar áreas de activación cerebral durante la ejecución de tareas de persecución aérea simuladas. Para esta aplicación, se empleará XPlane para presentar las características aerodinámicas de un F/A-18F. La interfaz visual incluirá una pantalla delantera "fuera de la ventana" que incorpora una pantalla frontal (HUD) genérica con escalera de ascenso, descenso, indicadores de horizonte y rumbo, e indicadores digitales de velocidad aérea y velocidad vertical. La pantalla se presentará en el escáner de resonancia magnética funcional utilizando gafas estereogénicas llamadas pantalla Visual System HD (NordicNeuroLab, Bergen, Noruega) montadas en el escáner a través de la bobina frontal de 64 canales Siemens Vida, como se ha empleado con éxito para construir plataformas interactivas de realidad virtual para Aplicaciones de investigación de resonancia magnética funcional5. Este aparato presentará la interfaz visual experimental en formato de 1920 x 1200 píxeles mediante gafas estereoscópicas, con el conjunto de cada ojo extendiéndose aproximadamente 52 x 34 grados (horizontal x vertical) en el campo de visión. Esta configuración debe proporcionar una resolución amplia y una subtensión angular para producir una presencia virtual en el entorno simulado.

Objetivos específicos

1. Determine qué partes de la actividad cerebral se correlacionan con el nivel de rendimiento durante la simulación de vuelo (PICT).
2. Determine los cambios en la actividad cerebral que ocurren durante dos momentos separados.
3. Determine qué partes de la anatomía del cerebro se correlacionan con el nivel de rendimiento durante la simulación de vuelo (PICT).
4. Determine los cambios en la anatomía del cerebro que ocurren durante dos momentos separados.