Déterminer quelles régions du cerveau sont actives pendant la simulation de vol à des moments distincts pendant l'entraînement (fMRI Pilots)

L'établissement, le maintien et la quantification de l'état de préparation des individus et des populations de haute performance, tels que les pilotes en service actif, restent un défi important pour le DoD. La maîtrise des pilotes, comme d’autres populations performantes, consiste en la maîtrise de plusieurs tâches. Certaines tâches, telles que les efforts G, reposent sur des approches connues pour renforcer l'endurance musculo-squelettique des fesses, des quadriceps et des ischio-jambiers1 avec des exercices bien définis pour améliorer la tolérance aux charges G élevées. Ainsi, si un pilote ou un stagiaire particulier souffre d'une perte de conscience proche de celle induite par G, des programmes d'entraînement clairs peuvent être prescrits pour renforcer les muscles nécessaires à l'amélioration des performances. Cependant, les tâches cognitives, telles que contrôler précisément un avion pour maintenir une trajectoire spécifique, malgré la présence de vents latéraux et d'autres perturbations, sont plus difficiles à comprendre et à entraîner. Jusqu'à il y a quelques années, il n'existait pas d'approche claire pour définir le circuit neuronal nécessaire à de telles tâches. Sans cette compréhension de ces circuits cognitifs, il est difficile, voire impossible, de prescrire des modalités d’entraînement ciblées et efficaces pour renforcer ses performances.

Neuroergonomie En détectant des changements subtils dans le flux sanguin vers différentes régions du cerveau au cours d'une tâche, l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) peut localiser les régions les plus actives du cerveau à tout moment. Cette technologie progresse rapidement et, pour des tâches spécifiques, démontre une cohérence remarquable dans les multiples régions corticales du cerveau utilisées au cours de la même tâche, entre différents individus. Les multiples régions activées au cours d'une tâche particulière sont souvent appelées « fonctionnellement connectées ». De plus, ces régions du cerveau fonctionnellement connectées et activées lors d’une tâche cognitive partagent une analogie avec les muscles activés pour accomplir une tâche physique. Une autre technologie d'IRM peut quantifier la connectivité via les axones situés dans la substance blanche (les fils du cerveau) et mesurer la force de la connexion physique entre différentes régions du cerveau - appelée connectivité structurelle. Fait intéressant, comme les muscles après un entraînement prolongé, la « force » des connexions entre des régions spécifiques peut montrer des augmentations mesurables avec l’entraînement et la répétition.

Cependant, en raison des champs magnétiques élevés existant dans les appareils IRM, des appareils complexes ou des écrans vidéo ne pouvaient généralement pas être utilisés lors de l'analyse de sujets. En conséquence, les premières tâches des scanners (appelées paradigmes) étaient souvent en série et non représentatives des tâches hautement dynamiques du vol. Mais il existe des systèmes d'affichage haute résolution compatibles IRM, qui peuvent générer des environnements haute résolution et plus immersifs5. En outre, des dispositifs d'entrée de plus en plus sophistiqués ont également été développés, compatibles IRM et il est désormais possible d'inclure un manche de vol réaliste pour contrôler le tangage, le roulis et l'accélérateur des cellules simulées.

Ainsi, le domaine de la neuroergonomie – qui analyse de manière plus naturaliste le comportement du cerveau au cours des opérations quotidiennes – peut être appliqué à l’aviation6. Des travaux récents sur l'IRMf ont commencé à identifier les neurocircuits impliqués dans des tâches de vol spécifiques telles que la poursuite aérienne. D'autres travaux ont identifié des régions du cerveau activées lors d'une surcharge cognitive où les sujets ne percevaient pas d'alarmes sonores lorsqu'ils volaient dans un simulateur. De plus, des régions spécifiques du cerveau semblent activées lors du retour vidéo après avoir effectué une tâche d’atterrissage complexe. Ainsi, les régions cérébrales actives lors de la poursuite aérienne, de la surcharge cognitive et du feedback – toutes pertinentes à la formation aéronautique – commencent à être identifiées. Cependant, étant donné qu’une grande partie de ces données ont été collectées auprès d’amateurs – et non de pilotes militaires très expérimentés – leur applicabilité à des aviateurs militaires hautement qualifiés doit être testée.

L'application des techniques de neuroergonomie pour améliorer les performances des aviateurs militaires nécessitera deux étapes distinctes : 1.) Les circuits neuroanatomiques associés aux différents aspects de l'aviation de haute performance doivent être identifiés ; et 2.) pour chaque circuit, des paradigmes d'entraînement devront être identifiés pour renforcer le circuit neuroanatomique d'intérêt afin de suivre non seulement les performances comportementales, mais aussi les corrélats neuronaux associés à des performances améliorées.

Tâche PICT - Défis de simulation de vol IRM

Le test sur simulateur de vol PICT (Precision Instrument Control Task) est adapté d'une étude existante sur les performances humaines, appelée « Wayfinding, Hypoxia, and Interceptive Performance in Pilots Executing Transitions » (WHIPPET), qui est actuellement menée aux Brooks Research Altitude Chambers avec l'objectif de mesurer la détérioration du pilotage qui résulte d'une hypoxie hypobare modérée. La tâche génère des mesures quantitatives pour évaluer la précision et la rapidité avec lesquelles un pilote peut exécuter des commandes correctives pendant le vol. Les tâches seront adaptées de leur application psychophysique actuelle pour être utilisées dans cette application de neuroimagerie.

Les deux tâches de pilotage seront exécutées à l'aide du logiciel d'application disponible dans le commerce appelé XPlane (Laminar Research, Inc., Columbia SC), qui est une suite de simulation sur PC qui utilise des commandes de vol crédibles et des modèles d'avion dynamiques pour présenter des sorties simulées haute fidélité avec les caractéristiques visuelles et les exigences du vol réel. XPlane a été utilisé dans des enquêtes psychophysiques sur l'effet des facteurs de stress environnementaux sur les performances humaines dans un environnement de cockpit et pour identifier les zones d'activation cérébrale lors de l'exécution de tâches de poursuite aérienne simulées. Pour cette application, XPlane sera utilisé pour présenter les caractéristiques aérodynamiques d'un F/A-18F. L'interface visuelle comprendra un affichage avant « par la fenêtre » intégrant un affichage tête haute (HUD) générique avec une échelle de montée-plongée, des indicateurs d'horizon et de cap, ainsi que des indicateurs numériques de vitesse anémométrique et de vitesse verticale. L'affichage sera présenté dans le scanner IRMf à l'aide de lunettes stéréogéniques appelées écran Visual System HD (NordicNeuroLab, Bergen, Norvège) montées dans le scanner via la bobine frontale à 64 canaux Siemens Vida, comme cela a été utilisé avec succès pour construire des plates-formes interactives de réalité virtuelle pour Applications de recherche en IRMf5. Cet appareil présentera l'interface visuelle expérimentale au format 1 920 x 1 200 pixels via des lunettes stéréoscopiques, le réseau de chaque œil s'étendant sur environ 52 x 34 degrés (horizontal x vertical) dans le champ de vision. Cette configuration doit fournir une résolution suffisante et une subtilité angulaire pour produire une présence virtuelle dans l'environnement simulé.

Objectifs spécifiques

1. Déterminez quelles parties de l'activité cérébrale sont en corrélation avec le niveau de performance lors d'une simulation de vol (PICT).
2. Déterminez les changements dans l’activité cérébrale qui se produisent à deux moments distincts.
3. Déterminez quelles parties de l'anatomie cérébrale sont en corrélation avec le niveau de performance lors d'une simulation de vol (PICT).
4. Déterminez les changements dans l’anatomie du cerveau qui se produisent à deux moments distincts.