Ottimizzazione delle interazioni mente-corpo nel controllo respiratorio durante fattori di stress ambientali operativamente rilevanti (DEPSCoR)

Molti combattenti sono esposti a condizioni ambientali che aumentano la resistenza respiratoria, il che a sua volta incrementa il lavoro respiratorio (WOB). I sistemi di supporto vitale, come i sistemi di erogazione di ossigeno a bordo degli aerei (OBOG) e gli apparati di respirazione subacquea autonomi (SCUBA), compromettono la capacità operativa alterando le prestazioni respiratorie. Questa è una preoccupazione significativa sollevata da più gruppi di lavoro. Ad esempio, il rapporto tecnico di valutazione della respirazione del pilota della NASA documenta aumenti problematici della resistenza respiratoria segnalati dai piloti. Allo stesso modo, il Gruppo di lavoro sulla respirazione restrittiva ha osservato che il sistema di supporto vitale F-22 impone un lavoro respiratorio meccanico eccessivamente elevato. In risposta, l'Unità sperimentale di immersione della Marina ha suggerito che ridurre il WOB potrebbe proteggere i piloti di aerei ad alte prestazioni da eventi fisiologici pericolosi. Gli aumenti del WOB intensificano le percezioni sensoriali ed emotive della dispnea, almeno in parte a causa di una maggiore consapevolezza cosciente della respirazione. Dati recenti indicano che un WOB elevato, e probabilmente la percezione della respirazione, possono compromettere la funzione cognitiva. Questo deterioramento è probabilmente causato da sensazioni affettive negative risultanti dall'aumento del WOB, che distrae dall'elaborazione centrale delle informazioni durante compiti complessi di tempo di reazione. Inoltre, sia il tempo di reazione che l'accuratezza peggiorano quando vengono applicati carichi maggiori ai muscoli inspiratori. Tuttavia, rimangono diverse lacune di conoscenza chiave pertinenti ai combattenti che sperimentano una maggiore resistenza inspiratoria. Non è noto se: 1) ridurre il WOB durante la resistenza inspiratoria possa abbassare la percezione della respirazione e ripristinare la funzione cognitiva, 2) modificare il feedback uditivo della ventilazione durante la resistenza inspiratoria possa abbassare la percezione della respirazione e ripristinare la funzione cognitiva, e 3) gli stress termici amplifichino il WOB, aumentino le percezioni della respirazione e riducano la funzione cognitiva durante la resistenza inspiratoria. L'obiettivo è focalizzarsi sul problema che un aumento del lavoro respiratorio (WOB) aumenta la percezione della respirazione che successivamente compromette le prestazioni cognitive nei combattenti. Per raggiungere l'obiettivo, lo studio affronterà i seguenti obiettivi specifici:

Obiettivo 1 (Blocco di studio 1): Recentemente, è stato dimostrato che aumentare il carico inspiratorio aumenta la dispnea, l'attivazione cerebrale e influisce negativamente sulle prestazioni dei test neuropsicologici relativi all'attenzione. Si ipotizza che le prestazioni cognitive siano probabilmente ridotte quando la resistenza inspiratoria è aumentata sia attraverso l'interferenza motorio-cognitiva che uno spostamento dell'attenzione correlato alla dispnea. Studi hanno scoperto che il carico inspiratorio percepito, piuttosto che lo sforzo muscolare effettivo, influisce negativamente sull'attenzione. Sebbene le evidenze indichino che una maggiore resistenza inspiratoria e la percezione della respirazione compromettono la funzione cognitiva, rimane una lacuna di conoscenza critica poiché non è chiaro se ridurre il WOB sotto carichi resistivi elevati possa ripristinare la funzione cognitiva. L'elio-ossigeno (heliox) riduce il WOB resistivo e il carico muscolare grazie alla sua bassa densità e viscosità, permettendo tassi di ventilazione più elevati rispetto all'aria ambiente riducendo il flusso turbolento nelle vie aeree. Pertanto, respirare heliox, che ridurrà il WOB, sotto alta resistenza inspiratoria fornirà intuizioni critiche sul fatto che ridurre il WOB possa migliorare la funzione cognitiva. Si ipotizza che l'uso di heliox diminuirà il WOB, ridurrà lo sforzo respiratorio percepito e migliorerà la funzione cognitiva rispetto alla respirazione di aria a densità normale con resistenza inspiratoria elevata.

Obiettivo 2 (Blocco di studio 2): In alcuni casi, ridurre i carichi resistivi inspiratori (ad es., OBOG, SCUBA) per i combattenti potrebbe non essere fattibile, ma comprendere come la percezione della respirazione sia influenzata dalla resistenza è essenziale. Il feedback uditivo della ventilazione influenza significativamente la consapevolezza della respirazione, e man mano che il WOB aumenta, questa percezione si intensifica a causa di un maggiore input uditivo. Questa maggiore consapevolezza può distrarre e affaticare l'elaborazione cognitiva. Studi recenti indicano che le distrazioni uditive, come la musica durante l'esercizio, possono ridurre la dispnea e il disagio respiratorio e corporeo totale in individui sani e in quelli con malattia polmonare ostruttiva cronica. Questo effetto potrebbe derivare da un feedback uditivo ridotto o da stati emotivi migliorati legati alla musica. Tuttavia, esiste una lacuna di conoscenza chiave: non è chiaro se ridurre il feedback uditivo della ventilazione durante un aumento della resistenza inspiratoria influisca sulla percezione della respirazione e sulla funzione cognitiva. Lo studio valuterà l'impatto di diverse condizioni di feedback uditivo della ventilazione (normale, eliminato e amplificato) sulla funzione cognitiva sotto alta resistenza inspiratoria. Si ipotizza che ridurre il feedback uditivo della ventilazione non altererà il WOB ma diminuirà la percezione della respirazione e migliorerà le prestazioni cognitive rispetto al feedback standard o amplificato.

Obiettivo 3 (Blocco di studio 3): I combattenti spesso affrontano stress termici che aumentano il WOB, anche con sistemi di supporto vitale in funzione. Sia lo stress da freddo che da calore aumentano il WOB indipendentemente, senza richiedere un aumento della resistenza inspiratoria. Molti combattenti presto affronteranno freddo estremo a causa dell'attenzione del Dipartimento della Difesa sulle operazioni artiche. Lo stress da freddo stimola la ventilazione e provoca una risposta bronchiolare bifasica: inalare aria fredda durante l'iperventilazione porta a una broncodilatazione iniziale seguita da broncocostrizione, restringendo i bronchioli e aumentando la resistenza al flusso d'aria, e quindi il WOB. I combattenti sono anche esposti a calore estremo e l'iperventilazione indotta da ipertermia si verifica quando la temperatura corporea interna raggiunge circa 38,0°C, correlando significativamente con l'aumento del WOB durante lo stress da calore. I combattenti sperimentano frequentemente questi stress ambientali insieme a una maggiore resistenza respiratoria, specialmente durante missioni di immersione subacquea a temperature variabili o in aerei ad alte prestazioni con OBOG esposti a calore estremo. Ad esempio, la base aerea di Nellis ha recentemente registrato una temperatura di 118°F (48°C). Esiste una lacuna critica nella conoscenza riguardo al fatto che l'alta resistenza inspiratoria combinata con lo stress termico amplifichi il WOB, alterando la percezione della respirazione e le risposte cognitive e fisiologiche. Lo studio indagherà il WOB, la percezione della respirazione, la funzione cognitiva e le risposte fisiologiche sotto resistenza inspiratoria combinata e stress termico (termoneutrale, caldo e freddo). Si ipotizza che il WOB aumenterà durante lo stress da caldo e freddo, risultando in maggiori percezioni di difficoltà respiratoria e prestazioni cognitive ridotte rispetto alle condizioni termoneutrali.