Mielen ja kehon vuorovaikutusten optimointi hengityssäätelyssä operatiivisesti merkityksellisissä ympäristöstressitekijöissä (DEPSCoR)

Monet sotilaat altistuvat ympäristöolosuhteille, jotka lisäävät hengitysvastusta, mikä puolestaan lisää hengitystyötä (WOB). Hengityselimet, kuten lentokoneiden lennon aikaiset happitoimitusjärjestelmät (OBOGs) ja itsenäiset sukellustyökalut (SCUBA), haastavat toimintakykyä heikentämällä hengitystä. Tämä on merkittävä huolenaihe, jonka useat työryhmät ovat nostaneet esiin. Esimerkiksi NASAn lentäjähengityksen arviointia koskeva tekninen raportti dokumentoi lentäjien raportoimia ongelmallisia hengitysvastuksen nousuja. Vastaavasti Hengityksen Rajoittava Työryhmä totesi, että F-22:n Hengityselinjärjestelmä aiheuttaa liian suuren mekaanisen WOB:n. Vastauksena Laivaston Kokeellinen Sukellusyksikkö on ehdottanut, että WOB:n vähentäminen voisi suojata suorituskykyisiä lentäjiä vaarallisilta fysiologisilta tapahtumilta. WOB:n nousut voimistavat dyspnean aistimuksia ja tunnetiloja, ainakin osittaan kohonneen tietoisuuden vuoksi hengityksestä. Viimeaikaiset tiedot osoittavat, että kohonnut WOB ja todennäköisesti hengityksen havaitseminen voivat heikentää kognitiivista toimintaa. Tämä heikkeneminen johtuu todennäköisesti negatiivisista affektiivisista tuntemuksista, jotka johtuvat lisääntyneestä WOB:sta, mikä häiritsee keskeistä informaation käsittelyä monimutkaisten reaktioaikatehtävien aikana. Lisäksi sekä reaktioaika että tarkkuus heikkenevät, kun inspiraatiovastusta lisätään. Useita keskeisiä tietoaukkoja kuitenkin on edelleen olemassa, jotka liittyvät sotilaisiin, jotka kokevat kohonneen inspiraatiovastuksen. Ei tiedetä, voiko: 1) WOB:n vähentäminen inspiraatiovastuksen aikana alentaa hengityksen havaitsemista ja palauttaa kognitiivisen toiminnan, 2) hengityksen auditiivisen palautteen muuttaminen inspiraatiovastuksen aikana alentaa hengityksen havaitsemista ja palauttaa kognitiivisen toiminnan, ja 3) lämpöstressit vahvistavat WOB:n, lisäävät hengityksen havaitsemista ja alentavat kognitiivista toimintaa inspiraatiovastuksen aikana. Tavoitteena on keskittyä ongelmaan, että lisääntynyt hengitystyö (WOB) vahvistaa hengityksen havaitsemista, mikä puolestaan heikentää sotilaiden kognitiivista suorituskykyä. Tavoitteen saavuttamiseksi tutkimus käsittelee seuraavia erityistavoitteita:

Tavoite 1 (Tutkimuslohko 1): Viimeaikaisesti on osoitettu, että inspiraatiokuorman lisääminen kohottaa dyspneaa, aivotoimintaa ja vaikuttaa negatiivisesti huomioon liittyvään neuropsykologiseen testisuoritukseen. Oletetaan, että kognitiivinen suorituskyky todennäköisesti heikkenee, kun inspiraatiovastusta lisätään sekä motoris-kognitiivisen häiriön että dyspneaan liittyvän huomion siirtymisen kautta. Tutkimukset ovat havainneet, että havaittu inspiraatiokuorma, ei todellinen lihaspyrkimys, vaikutti haitallisesti huomioon. Vaikka todisteet osoittavat, että korkeampi inspiraatiovastus ja hengityksen havaitseminen heikentävät kognitiivista toimintaa, keskeinen kriittinen tietoaukko on edelleen olemassa, sillä on epäselvää, voiko WOB:n vähentäminen korkeiden resistiivisten kuormien alla palauttaa kognitiivisen toiminnan. Heliox alentaa resistiivistä WOB:ia ja lihaskuormaa sen alhaisen tiheyden ja viskositeetin vuoksi, mahdollistaen korkeammat ventilointinopeudet kuin huoneilma vähentämällä turbulenttista virtausta hengitysteissä. Siksi helioxin hengittäminen, joka alentaa WOB:ia, korkean inspiraatiovastuksen alla tarjoaa kriittisiä näkemyksiä siitä, voiko WOB:n vähentäminen parantaa kognitiivista toimintaa. Hypoteesina on, että helioxin käyttö vähentää WOB:ia, alentaa havaittua hengitystyötä ja parantaa kognitiivista toimintaa verrattuna normaalin tiheyden ilman hengittämiseen kohonneella inspiraatiovastuksella.

Tavoite 2 (Tutkimuslohko 2): Joissakin tapauksissa inspiraatiovastuksen vähentäminen (esim. OBOGs, SCUBA) sotilaille ei ehkä ole mahdollista, mutta sen ymmärtäminen, kuinka hengityksen havaitseminen vaikuttaa vastukseen, on olennaista. Hengityksen auditiivinen palaute vaikuttaa merkittävästi hengityksen tietoisuuteen, ja kun WOB kasvaa, tämä havaitseminen voimistuu parantuneen auditiivisen syötteen vuoksi. Tämä kohonnut tietoisuus voi häiritä ja rasittaa kognitiivista käsittelyä. Viimeaikaiset tutkimukset osoittavat, että auditiiviset häiriöt, kuten musiikki harjoituksen aikana, voivat vähentää dyspneaa ja hengityksen sekä koko kehon epämukavuutta terveillä yksilöillä ja niillä, joilla on krooninen obstruktiivinen keuhkosairaus. Tämä vaikutus voi johtua vähentyneestä auditiivisesta palautteesta tai parantuneesta tunnetilasta, joka liittyy musiikkiin. Kuitenkin keskeinen tietoaukko on olemassa: on epäselvää, vaikuttaako hengityksen auditiivisen palautteen vähentäminen lisääntyneen inspiraatiovastuksen aikana hengityksen havaitsemiseen ja kognitiiviseen toimintaan. Tutkimus arvioi erilaisten hengityksen auditiivisen palautteen olosuhteiden (normaali, poistettu ja vahvistettu) vaikutusta kognitiiviseen toimintaan korkean inspiraatiovastuksen alla. Hypoteesina on, että hengityksen auditiivisen palautteen vähentäminen ei muuta WOB:ia, mutta vähentää hengityksen havaitsemista ja parantaa kognitiivista suorituskykyä verrattuna standardi- tai vahvistettuun palautteeseen.

Tavoite 3 (Tutkimuslohko 3): Sotilaat kohtaavat usein lämpöstressitekijöitä, jotka lisäävät WOB:ia, vaikka hengityselimet olisivat käytössä. Sekä kylmä- että lämpöstressi kohottavat WOB:ia itsenäisesti, vaikka inspiraatiovastusta ei lisättäisi. Monet sotilaat kohtaavat pian äärimmäistä kylmyyttä Puolustusministeriön keskittyessä arktisiin operaatioihin. Kylmästressi stimuloi ventilointia ja aiheuttaa kaksivaiheisen bronkiolaarisen vasteen: kylmän ilman hengittäminen hyperventilaation aikana johtaa alkuperäiseen bronkodilataatioon, jota seuraa bronkokonstriktio, joka tiivistää bronkiolit ja lisää ilmavirran vastusta ja siten WOB:ia. Sotilaat altistuvat myös äärimmäiselle lämmölle, ja hypertermian aiheuttama hyperventilaatio tapahtuu, kun keskuskehon lämpötila saavuttaa noin 38,0 °C, mikä korreloi merkittävästi lisääntyneen WOB:n kanssa lämpöstressin aikana. Sotilaat kokevat usein nämä ympäristöstressitekijät rinnan kohonneen hengitysvastuksen kanssa, erityisesti sukellustehtävissä vaihtelevissa lämpötiloissa tai suorituskykyisissä lentokoneissa OBOGs-järjestelmillä, jotka altistuvat äärimmäiselle lämmölle. Esimerkiksi Nellisin lentotukikohta kirjasi äskettäin lämpötilan 118 °F (48 °C). Kriittinen tietoaukko on olemassa siitä, vahvistaako korkea inspiraatiovastus yhdistettynä lämpöstressiin WOB:ia, muuttaen hengityksen havaitsemista sekä kognitiivisia ja fysiologisia vastauksia. Tutkimus tutkii WOB:ia, hengityksen havaitsemista, kognitiivista toimintaa ja fysiologisia vastauksia yhdistetyn inspiraatiovastuksen ja lämpöstressin (termoneutraali, lämpö ja kylmä) alla. Hypoteesina on, että WOB kasvaa lämpö- ja kylmästressin aikana, mikä johtaa suurempiin hengitysvaikeuksien havaitsemiseen ja alentuneeseen kognitiiviseen suorituskykyyn verrattuna termoneutraaleihin olosuhteisiin.