Reaaliaikainen kofeiinin optimointi täydellisen univajeen aikana

Tämän tutkimuksen ensimmäinen tavoite on selvittää, voiko 2B-Alert kofeiinin optimointimalli (2BAlert) luoda yksilöllisiä kofeiiniaikatauluja, jotka palauttavat tehokkaasti PVT-suorituskyvyn tietyn ajanjakson aikana. 2BAlert-malli on Walter Reed Army Institute of Researchin (WRAIR) ja Biotechnology High Performance Computing Software Applications Instituten (BHSAI) kehittämän kattavan väsymisen hallintajärjestelmän tukikohta. Se on ohjelmistotyökalu, joka "oppii" (kvantifioi) yksilön uni-/herätysparametrien (objektiivisesti mitattuna ranteen aktigrafian avulla) ja hänen psykomotorisen suorituskyvynsä (objektiivisesti PVT:llä mitattuna) välisen suhteen. Se kvantifioi, missä määrin yksilö on herkkä/resistentti unenmenetyksen vaikutuksille, ja tuottaa yksilöllisiä suorituskykyennusteita, joiden avulla voidaan tehdä päätöksiä nykyisestä ja tulevasta valmiudesta sekä väsymyksen vastatoimien, kuten päiväunien tai kofeiinin, käyttöön. . 2BAlertin uusin versio voi soveltaa väsymyksen vastatoimia suoraan henkilöön yksilöllisen suorituskyvyn ennusteen perusteella. Tämä malli antaa suosituksia siitä, milloin ja kuinka paljon kofeiinia tulisi käyttää suorituskyvyn optimoimiseksi tietyn ajanjakson aikana. Vaikka tätä mallia on sovellettu post-hoc aiemmin kerättyihin tietoihin, sitä ei ole vielä testattu reaaliajassa. Tämä tutkimus tarjoaa ensimmäisen tilaisuuden testata suoraan, voidaanko mallia käyttää tehokkaasti reaaliajassa PVT-suorituskyvyn palauttamiseksi halutulle tasolle (eli 275 ms) tarvittaessa (eli kuuden tunnin jakso 44 tunnin unen jälkeen). menetys).

Tämän tutkimuksen toinen tavoite on tutkia, pystyykö 2BAlert palauttamaan PVT-suorituskyvyn tietyn ajanjakson aikana, vaan myös palauttamaan itse ilmoittaman stressin ja ahdistuksen lisääntymisen, jotka liittyvät unen menettämiseen. Aiemman WRAIR-tutkimuksen tiedot osoittavat, että itse ilmoittama stressi ja ahdistus lisääntyvät yhden yön unettomuuden jälkeen ja lisääntyvät edelleen toisen yön jatkuvan unettomuuden jälkeen. Nämä mittaukset palaavat lähtötasolle 12 tunnin palautumisunen jälkeen ja kartoittavat suoraan PVT-suorituskyvyn. Siksi tutkijat olettavat, että jos PVT-suorituskyky voidaan palauttaa kofeiinilla, myös itse ilmoittama stressi ja ahdistus voivat palata lähelle lähtötasoa kofeiinin kanssa.

Tutkimuksen tertiäärisenä tavoitteena on arvioida, ovatko älypuhelimen kameralla otetut kuvat soveltuvia kehittämään passiivista, ei-tunkeilevaa tietokonenäköjärjestelmää, joka voisi korvata PVT:n valppauden arvioinnissa. Tällä hetkellä algoritmi käyttää PVT-dataa, koska: (a) Muihin suorituskykymittareihin verrattuna PVT on suhteellisen herkkä unen katoamiselle ja vireyden vuorokausirytmille; ja (b) PVT:ssä ei ole oppimisvaikutuksia. PVT edellyttää kuitenkin, että henkilö osallistuu aktiivisesti 3–10 minuutin mittaiseen testiin, joka on suoritettava vähintään tusina kertaa univajeen aikana, joten se on herkkä mutta epäkäytännöllinen testi sotilaan vireyden mittaamiseen operatiivisissa olosuhteissa.

Kaikki osallistujat osallistuvat seuraaviin jatkuviin opintojaksoihin. Kofeiinikumia voidaan antaa tämän tutkimuksen aikana.

Vaihe 1: Kotona nukkumisen/herätyksen mittaus: Kaikkia osallistujia ohjeistetaan säilyttämään normaali uni-/herätysaikataulunsa vaihetta 2 välittömästi edeltävän 13 päivän/12 yön ajan (tutkimuksen laboratorio-osuus). Vaatimustenmukaisuus varmistetaan objektiivisesti ranteen aktigrafialla. Osallistujille annetaan älypuhelin, ja heitä pyydetään suorittamaan PVT siinä 3 tunnin välein valveilla ollessaan ja kirjaamaan normaali kofeiininkäyttönsä sekä päivittäisen unen keston.

Vaihe 2: Laboratorion sisäinen uni/herätys ja PVT-suorituskyvyn arviointi: Osallistujat raportoivat unilaboratorioon klo 19.00 päivänä 13. Valvoessaan laboratoriossa he suorittavat erilaisia ​​kognitiivisia testejä, mukaan lukien PVT:n, ja tallentavat 3 minuutin videon kasvoistaan ​​3 tunnin välein. He saavat nukkua päivän 13 klo 23.00 ja päivän 14 klo 7.00 välisenä aikana ja unta seurataan PSG:n ja aktigrafian avulla. Tätä seuraa 62 tuntia jatkuvaa valveillaoloa (eli kello 7.00 päivänä 14 klo 21.00 päivään 16). Päivän 15 klo 19.00 2BAlert ajetaan jokaiselle yksilölle, ja se käyttää kunkin henkilön aiempaa unta ja suorituskykyä luodakseen yksilöllisen kofeiiniannostusaikataulun suorituskyvyn optimoimiseksi klo 0300-0900 päivänä 16.

Vaihe 3: Toipuminen laboratoriossa: Kaikki osallistujat käyvät läpi toipumisvaiheen, joka koostuu 12 tunnin ajasta sängyssä 16. päivän klo 21.00 ja 17. päivän klo 9.00 välisenä aikana, ja unta seurataan PSG:n ja aktigrafian avulla. Kognitiivinen testaus ja kasvojen videotallennusaikataulu jatkuu vaiheesta 2 alkaen valveillaoloaikoina. Tutkimuslääkärin arvioinnin jälkeen heidät vapautetaan tutkimuksesta noin klo 18.00 päivänä 17. Näin ollen osallistujat ovat laboratoriossa yhteensä 95 tuntia.

Tämän tutkimuksen tärkein päätepiste on psykomotorinen valppaustestin suorituskyky (PVT), joka mitataan Smart-PVT:llä. Toissijainen päätepiste on itse ilmoittama stressi ja ahdistus, jotka mitataan Stress Visual Analog Scale -asteikolla ja Spielberger State-Trait Anxiety Inventory -tutkimuksella. Tutkimuksen kolmas päätepiste on testata, voidaanko puhelimen kameralla otettuja kasvokuvia käyttää arvioitaessa univajeessa olevien koehenkilöiden vireystasoa.

Testattavat hypoteesit: (a) Smart-PVT:llä kerätyt psykomotoriset suorituskykytiedot pysyvät 275 ms:ssa tai sen alapuolella optimoidun suorituskyvyn huippuvaroitusikkunan aikana, mikä osoittaa, että 2BAlert on kelvollinen ja valmis käytettäväksi tulevissa kenttätutkimuksissa ja käyttöasetuksissa. (b) Itseraportoitu stressi ja ahdistus palaavat perustasoille huippuvalmiusikkunan aikana ja kuvaavat PVT-suorituskyvyn palautumista tänä ajanjaksona.

TAUSTA: Unihäiriöiden aiheuttamat hermoston käyttäytymishäiriöt ovat tunnustettu uhka turvallisuudelle ja tuottavuudelle sekä siviili- että sotilasoperaatioissa. Paljon julkisuutta saaneet väsymykseen liittyvät onnettomuudet ja onnettomuudet (mukaan lukien kaupalliset onnettomuudet, kuten 3 Mile Islandilla, Tšernobylissä ja Bhopalissa tapahtuneet sekä sotilaalliset onnettomuudet, kuten 507. huoltoyhtiön väijytys) kiinnittävät edelleen huomiota uniongelmaan. menetys/uneliaisuus toimintaympäristöissä. Tällaiset onnettomuudet korostavat unihäiriön haitallisia vaikutuksia päätöksentekoon, valppauteen, ongelmanratkaisukykyyn ja muihin sotilaallisen tehokkuuden kannalta kriittisiin henkisiin kykyihin. Armeijan, Yhdysvaltain merijalkaväen ja Yhdysvaltain laivaston julkaisut ja käsikirjat ovat dokumentoineet sotilaallisesti merkityksellisiä unihäiriön haitallisia vaikutuksia vireystilaan ja suorituskykyyn. Armeijan viides mielenterveyden neuvoa-antavan ryhmän tutkimus operaatioissa Iraqi Freedom ja Operation Enduring Freedom palvelevista sotataistelijoista paljasti, että vähemmän unta ilmoittaneet palvelun jäsenet ilmoittivat myös enemmän onnettomuuksia ja virheitä ja hyväksyivät useammin kielteisiä mielenterveyskysymyksiä.

Puolustusministeriö on rahoittanut laskennallisen mallin kehittämistä päivittäisten unimäärien vaikutusten määrittämiseksi hermokäyttäytymiseen. Matemaattisen unen/suorituskyvyn ennustusmallin uusin (ja edistynein) versio on BHSAI:n kehittämä 2BAlert-malli. Kuten edeltäjänsä, 2BAlert perustui ensisijaisesti WRAIR-unitutkimuslaboratoriossa kerättyihin PVT-tietoihin. PVT-dataa käytettiin, koska unen/suorituskyvyn ennustemallien rakentamiseen se on yleensä parempi kuin muiden suorituskyvyn mittareiden data useissa tärkeissä suhteissa: (a) Muihin suorituskykymittareihin verrattuna PVT on suhteellisen herkkä unen menetykselle ja valppauden vuorokausirytmi; (b) PVT:ssä ei ole oppimisvaikutuksia; ja (c) aiemmin on osoitettu, että PVT-pohjaisella unen/suorituskyvyn ennustemallilla on hyvä ekologinen validiteetti. Toisin sanoen PVT-pohjaisten mallien suoritustehokkuuden ennusteiden on osoitettu korreloivan hyvin "onnettomuusriskin" kanssa todellisessa rautatietoiminnassa.

Nykyistä 2BAlert-työkalua on kahdessa muodossa: 1) verkkopohjainen työkalu, joka ottaa uni- ja kofeiiniaikataulut ja näyttää RYHMÄN KESKIMÄÄRÄISEN suorituskyvyn ja 2) älypuhelinsovellus, joka hyödyntää älypuhelimen PVT:llä mitattua yksilöllistä suorituskykyä suorituskyvyn yksilöimiseksi. ennustava malli. Tämä työkalun versio validoitiin onnistuneesti WRAIRin hiljattain tekemässä tutkimuksessa. Älypuhelinsovelluksen uusin versio käyttää yksilöllisiä suorituskykyennusteita yksilöllisen kofeiiniaikataulun laskemiseen, joka optimoi suorituskyvyn tiettyinä ajanjaksoina. Vaikka tämä työkalu kehitettiin WRAIRissa kerätyillä tiedoilla ja sitä on ajettu jälkikäteen WRAIRissa aiemmin kerätyillä tiedoilla, sitä ei ole vielä testattu reaaliajassa. Siksi tämän tutkimuksen tarkoituksena on validoida tämä kofeiinin optimointialgoritmi reaaliajassa. Tutkijat käyttävät samaa tutkimusprotokollaa kuin äskettäisessä WRAIR-tutkimuksessa, koska tiedetään, että terveen väestön suorituskyvyssä on vaihtelua tänä aikana ja että kokonaissuorituskyky on hitaampi kuin 275 ms ja itse ilmoittama stressi ja ahdistus lisääntyvät merkittävästi ilman kofeiini interventio. Lisäksi aiempaa tutkimussuunnitelmaa hyödyntämällä tutkijat voivat minimoida tutkimusryhmän taakan uuden dokumentaation ja aikataulujen luomisessa.

Kun otetaan askel taaksepäin, on tärkeää tarkastella, miksi kofeiinin optimointi on tärkeää ja merkityksellistä armeijalle. Vaikka kofeiini on laajalti hyväksytty ja sitä käytetään piristeenä vuorotyöhön ja unihäiriöihin liittyvien väsymysten vaikutusten torjumiseen, WRAIRin aikaisempi tutkimus on osoittanut, että kofeiini menettää tehonsa ja voi jopa hidastaa palautumista toistuvan käytön ja kroonisen unen katoamisen seurauksena. Tämä yllättävä tulos osoittaa, että kofeiinilla on rajansa ja hintansa, ja siksi Warfighter olisi tehokkaampi, jos hän käyttäisi kofeiinia optimaalisesti. Aiemmissa kofeiinitutkimuksissa, joissa jatkuvaa unettomuutta oli samanpituinen kuin nykyisessä protokollassa, osallistujille annettiin 800 mg kofeiinia joka yö. Vaikka tämä tutkimus viittaa siihen, että tutkijat voisivat palauttaa suorituskyvyn antamalla kaikille tämän tutkimuksen osallistujille 800 mg kofeiinia, 2BAlert-algoritmin avulla tutkijat voivat antaa joillekin osallistujille vähemmän kofeiinia, mutta silti saavuttaa saman tuloksen kuin jos kaikille olisi annettu 800 mg kofeiinia.

Viimeaikaisessa tutkimuksessa sovellettiin 2BAlert-algoritmia post-hoc käyttäen tässä protokollassa määritettyjä parametreja. Mallin tulokset osoittavat, että kaikki osallistujat toipuivat suorituskyvystä Peak Alertness -ikkunan aikana, eli 44-50 tunnin valveilla, jolloin palautuminen määritellään 275 ms tai nopeammin, ja yli puolet koehenkilöistä tarvitsi alle puolet suurimmasta sallitusta kofeiinimäärästä (800 mg). ), kun taas kolme tutkittavaa ei tarvinnut kofeiinia ollenkaan. Tutkijat toivovat voivansa validoida 2BAlertin soveltamalla sitä reaaliaikaiseen dataan käyttämällä alkuperäistä tutkimussuunnitelmaa.

Kofeiinin optimointimallin testaamisen lisäksi tutkijat ovat kiinnostuneita testaamaan hypoteesia, jonka mukaan jos PVT-suorituskyky voidaan palauttaa kofeiinilla, voidaan palauttaa myös itse ilmoittama stressi ja ahdistus. Viimeaikaisessa tutkimuksessa havaittiin, että itse ilmoittama stressi ja ahdistus lisääntyivät unen katoamisen lisääntyessä ja palautuivat lähtötasolle toipuvan unen jälkeen, noudattaen samaa trendiä kuin PVT-suorituskykytiedot. Vaikka aikaisemmat työt ovat osoittaneet, että itse ilmoittama stressi ja ahdistus lisääntyvät yhden yön unen menettämisen myötä, nämä ovat ensimmäiset tiedot, jotka osoittavat, että itse ilmoittama stressi ja ahdistus lisääntyvät edelleen 2 yön unettomuuden jälkeen. Tällä hetkellä ei ole olemassa tutkimuksia, jotka kertoisivat, voidaanko itse ilmoittama stressi ja ahdistus palauttaa kofeiinilla unen menettämisen aikana.