Sen määrittäminen, mitkä aivojen alueet ovat aktiivisia lentosimuloinnin aikana eri aikapisteissä harjoituksen aikana (fMRI Pilots)

Valmiuden määrittäminen, ylläpitäminen ja kvantifiointi korkean suorituskyvyn yksilöissä ja väestöryhmissä, kuten aktiivisessa lentäjissä, on edelleen merkittävä haaste puolustusministeriössä. Lentäjien pätevyys, kuten muutkin suorituskykyiset populaatiot, koostuu useiden tehtävien hallinnasta. Jotkut tehtävät, kuten G-kuormitus, perustuvat tunnettuihin lähestymistapoihin, joilla vahvistetaan pakaroiden, nelipäisten ja reisilihasten1 tuki- ja liikuntaelimistön kestävyyttä tarkoin määritellyillä harjoituksilla, jotka parantavat kestävyyttä korkeille G-kuormituksille. Siten, jos tietty lentäjä tai harjoittelija kamppailee lähellä G:n aiheuttaman tajunnan menetyksen kanssa, voidaan määrätä selkeitä harjoitusohjelmia tarvittavien lihasten vahvistamiseksi suorituskyvyn parantamiseksi. Kognitiiviset tehtävät, kuten lentokoneen tarkka ohjaaminen tietyn lentoradan ylläpitämiseksi sivutuulesta ja muista häiriöistä huolimatta, on kuitenkin vaikeampi ymmärtää ja harjoitella. Vielä useita vuosia sitten tällaisiin tehtäviin tarvittavan hermosolupiirin määrittelyssä ei ollut selkeää lähestymistapaa. Ilman tämän kognitiivisen piirin ymmärtämistä on vaikeaa ellei mahdotonta määrätä kohdennettuja ja tehokkaita harjoitusmenetelmiä sen suorituskyvyn vahvistamiseksi.

Neuroergonomia Havaitsemalla hienovaraisia ​​muutoksia aivojen eri alueilla tehtävän aikana, toiminnallinen magneettikuvaus (fMRI) voi paikantaa aivojen aktiivisimmat alueet milloin tahansa. Tämä tekniikka kehittyy nopeasti ja osoittaa erityisiä tehtäviä varten huomattavaa yhtenäisyyttä useilla aivojen aivokuoren alueilla, joita käytetään saman tehtävän aikana, eri yksilöiden välillä. Tietyn tehtävän aikana aktivoituja useita alueita kutsutaan usein "toiminnallisesti yhdistetyiksi". Lisäksi näillä kognitiivisen tehtävän aikana aktivoiduilla aivojen toiminnallisesti yhdistetyillä alueilla on analogia fyysisen tehtävän suorittamiseen aktivoitujen lihasten kanssa. Toinen MRI-tekniikka voi kvantifioida liitettävyyden valkoisessa aineessa sijaitsevien aksonien (aivojen langat) kautta ja mitata aivojen eri alueiden välisen fyysisen yhteyden vahvuutta, jota kutsutaan rakenteelliseksi yhteydeksi. Mielenkiintoista on, että kuten lihakset pitkäaikaisen harjoittelun jälkeen, tiettyjen alueiden välisten yhteyksien "voimakkuus" voi osoittaa mitattavissa olevaa lisäystä harjoittelun ja toiston myötä.

MRI-laitteiden sisältämien suurten magneettikenttien vuoksi monimutkaisia ​​laitteita tai videonäyttöjä ei kuitenkaan perinteisesti voitu käyttää kohteiden skannaamiseen. Tämän seurauksena skannereiden varhaiset tehtävät (jota kutsutaan paradigmaksi) olivat usein sarjamuotoisia eivätkä edustaneet lentämisen erittäin dynaamisia tehtäviä. Saatavilla on kuitenkin korkearesoluutioisia näyttöjärjestelmiä, jotka ovat MRI-yhteensopivia - jotka voivat luoda korkean resoluution ja mukaansatempaavampia ympäristöjä5. Lisäksi on kehitetty yhä kehittyneempiä syöttölaitteita, jotka ovat MRI-yhteensopivia, ja nyt on mahdollista sisällyttää realistinen lentosauva simuloitujen lentokoneen runkojen nousun, kallistuksen ja kaasun ohjaamiseen.

Siten neuroergonomian alaa – aivojen käyttäytymistä arjen toimintojen aikana naturalistisemmin analysoimalla – voidaan soveltaa lentoliikenteeseen6. Viimeaikainen fMRI-työ on alkanut tunnistaa hermostopiirejä, jotka liittyvät tiettyihin lentotehtäviin, kuten ilma-ajoon. Toisessa työssä on tunnistettu kognitiivisen ylikuormituksen aikana aktivoituneita aivojen alueita, joissa koehenkilöt eivät havainneet äänihälytyksiä lentäessään simulaattorissa. Lisäksi tietyt aivoalueet näyttävät aktivoituneen videopalautteen aikana monimutkaisen laskeutumistehtävän suorittamisen jälkeen. Siten aivojen alueet, jotka ovat aktiivisia ilma-ajo-ajan, kognitiivisen ylikuormituksen ja palautteen aikana - kaikki olennaisia ​​​​ilmailukoulutuksessa - alkavat tunnistaa. Koska suuri osa näistä tiedoista on kuitenkin kerätty amatööreiltä – ei kovin kokeneilta sotilaslentäjiltä – sen soveltuvuus korkeasti koulutettuihin sotilaslentoilijoihin on testattava.

Neuroergonomiikan tekniikoiden soveltaminen sotilaslentäjän suorituskyvyn parantamiseen vaatii kaksi erillistä vaihetta: 1.) On tunnistettava korkean suorituskyvyn ilmailun eri osa-alueisiin liittyvät neuroanatomiset piirit; ja 2.) jokaiselle piirille on tunnistettava harjoitusparadigmat kiinnostavan neuroanatomisen piirin vahvistamiseksi, jotta voidaan seurata käyttäytymissuorituskyvyn lisäksi parantuneeseen suorituskykyyn liittyviä hermokorrelaatioita.

PICT Task - MRI-lennon simulointihaasteet

Precision Instrument Control Task (PICT) -lentosimulaattoritesti on mukautettu olemassa olevasta ihmisen suorituskykytutkimuksesta nimeltä "Wayfinding, Hypoxia ja Interceptive Performance in Pilots Executing Transitions" (WHIPPET), jota parhaillaan suoritetaan Brooks Research Altitude Chambersissa. Tavoitteena on mitata kohtalaisen hypobarisen hypoksian aiheuttamaa ohjauksen heikkenemistä. Tehtävä luo kvantitatiivisia mittareita arvioimaan tarkkuutta ja nopeutta, jolla lentäjä voi suorittaa korjaavia ohjaussyötteitä lennon aikana. Tehtävät mukautetaan niiden nykyisestä psykofyysisesta sovelluksesta käytettäväksi tässä neurokuvantamissovelluksessa.

Molemmat pilottitehtävät suoritetaan kaupallisesti saatavilla olevalla XPlane-sovellusohjelmistolla (Laminar Research, Inc., Columbia SC), joka on PC-pohjainen simulaatiosarja, joka käyttää uskottavia lennonohjauksia ja dynaamisia lentomalleja korkealaatuisten simuloitujen lentojen esittämiseen. todellisen lennon visuaaliset ominaisuudet ja vaatimukset. XPlanea on käytetty psykofyysisiin tutkimuksiin ympäristöstressitekijöiden vaikutuksesta ihmisen suorituskykyyn ohjaamoympäristössä ja aivojen aktivoitumisalueiden tunnistamiseen simuloitujen ilmatahtaamistehtävien aikana. Tässä sovelluksessa XPlanea käytetään esittämään F/A-18F:n aerodynaamiset ominaisuudet. Visuaalinen käyttöliittymä sisältää eteenpäin suunnatun "out-the-window" -näytön, joka sisältää yleisen head-up-näytön (HUD), jossa on kiipeilysukellustikkaat, horisontti- ja suuntaindikaattorit sekä digitaaliset ilmanopeuden ja pystysuoran nopeuden osoittimet. Näyttö esitetään fMRI-skannerissa käyttämällä stereogeenisiä suojalaseja nimeltä Visual System HD (NordicNeuroLab, Bergen, Norja) ja jotka on asennettu skanneriin Siemens Vida 64-kanavaisen pääkelan kautta, kuten on menestyksekkäästi käytetty interaktiivisten virtuaalitodellisuusalustojen rakentamiseen. fMRI-tutkimussovellukset5. Tämä laite esittää kokeellisen visuaalisen käyttöliittymän 1920 x 1200 pikselin muodossa stereoskooppisten suojalasien avulla, ja kunkin silmän ryhmä ulottuu noin 52 x 34 astetta (vaaka x pystysuora) näkökentässä. Tämän konfiguraation tulisi tarjota runsaasti resoluutiota ja kulmaa, jotta se tuottaa virtuaalisen läsnäolon simuloidussa ympäristössä.

Erityiset tavoitteet

1. Määritä, mitkä osat aivotoiminnasta korreloivat suoritustason kanssa lentosimuloinnin (PICT) aikana.
2. Määritä aivojen toiminnan muutokset, jotka tapahtuvat kahden eri aikapisteen aikana.
3. Selvitä, mitkä aivojen anatomian osat korreloivat suoritustason kanssa lentosimuloinnin (PICT) aikana.
4. Määritä aivojen anatomian muutokset, jotka tapahtuvat kahden eri aikapisteen aikana.