トレーニング中の別々の時点でのフライト シミュレーション中に脳のどの領域がアクティブであるかを判断する (fMRI Pilots)

現役パイロットなどの優秀な個人や集団の即応性を確立、維持、定量化することは、依然として国防総省における重要な課題です。 他の優秀な人材と同様に、パイロットの熟練度は、複数のタスクを習得することで構成されます。 G ストレインなどの一部のタスクは、高 G 負荷への耐性を向上させるために、明確に定義されたエクササイズによって臀部、大腿四頭筋、ハムストリングスの筋骨格の持久力を強化する既知のアプローチに依存しています1。 したがって、特定のパイロットや訓練生が重力加速度による意識喪失に近い状態に苦しんでいる場合、パフォーマンスを向上させるために必要な筋肉を強化するための明確な訓練計画を処方することができます。 ただし、横風やその他の摂動があるにもかかわらず、航空機を正確に制御して特定の軌道を維持するなどの認知タスクは、理解して訓練するのがより困難です。 数年前までは、そのようなタスクに必要な神経回路を定義するための明確なアプローチはありませんでした。 この認知回路の理解がなければ、そのパフォーマンスを強化するための的を絞った効率的なトレーニング方法を処方することは不可能ではないにしても困難です。

神経人間工学機能的磁気共鳴画像法 (fMRI) は、作業中に脳のさまざまな領域への血流の微妙な変化を検出することで、任意の時点で脳の最も活動的な領域を特定できます。 この技術は急速に進歩しており、特定のタスクに関しては、異なる個人間で同じタスク中に使用される脳の複数の皮質領域で顕著な一貫性が実証されています。 特定のタスク中にアクティブ化される複数の領域は、「機能的に接続されている」とよく呼ばれます。 さらに、認知タスク中に活性化されるこれらの機能的に接続された脳の領域は、身体的タスクを達成するために活性化される筋肉と類似点を共有します。 別の MRI 技術では、白質 (脳内の配線) に位置する軸索を介した接続を定量化し、脳の異なる領域間の物理的接続 (構造的接続と呼ばれる) の強度を測定できます。 興味深いことに、長時間のトレーニング後の筋肉と同様に、特定の領域間の接続の「強度」は、トレーニングと反復によって測定可能な増加を示す可能性があります。

しかし、MRI 装置内には強磁場が存在するため、従来は被験者のスキャン時に複雑な装置やビデオ ディスプレイを使用できませんでした。 その結果、スキャナ内の初期のタスク (パラダイムと呼ばれる) はシリアルなものが多く、飛行という非常に動的なタスクを表すものではありませんでした。 ただし、MRI と互換性のある高解像度ディスプレイ システムが利用可能であり、高解像度でより没入感のある環境を生成できます5。 さらに、MRI と互換性のあるますます高度な入力デバイスも開発されており、シミュレートされた機体のピッチ、ロール、スロットルを制御するための現実的なフライト スティックを組み込むことが可能になりました。

したがって、より自然な方法で日常業務中に脳がどのように動作するかを分析する神経人間工学の分野は、航空分野に応用することができます6。 最近の fMRI の研究では、空中追跡などの特定の飛行タスクに関与する神経回路が特定され始めています。 他の研究では、被験者がシミュレーターで飛行中に警報音を知覚しなかった認知過負荷時に活性化される脳の領域が特定された。 さらに、複雑な着陸タスクを実行した後のビデオフィードバック中に、特定の脳領域が活性化しているように見えます。 したがって、空中追跡、認知過負荷、およびフィードバックの際に活動する脳領域（すべて航空訓練に関連する）が特定され始めている。 ただし、このデータの多くが経験豊富な軍用パイロットではなく、アマチュアから収集されたものであることを考えると、高度な訓練を受けた軍用飛行士への適用可能性をテストする必要があります。

神経人間工学の技術を適用して軍用飛行士のパフォーマンスを向上させるには、次の 2 つの異なるステップが必要です。1.) 高性能航空のさまざまな側面に関連する神経解剖学的回路を特定する必要があります。 2.) 回路ごとに、対象の神経解剖学的回路を強化して行動パフォーマンスだけでなく、パフォーマンスの向上に関連する神経相関を追跡するトレーニング パラダイムを特定する必要があります。

PICT タスク -- MRI 飛行シミュレーションの課題

精密計器制御タスク (PICT) フライト シミュレーター テストは、「トランジションを実行するパイロットのウェイファインディング、低酸素、迎撃パフォーマンス」 (WHIPPET) と呼ばれる既存の人間のパフォーマンス研究を基にしています。この研究は現在、ブルックス研究所の高度室で実施されています。中等度の低気圧による操縦の低下を測定することが目的。 このタスクは、パイロットが飛行中に修正制御入力を実行できる正確さと迅速さを評価するための定量的な指標を生成します。 タスクは、この神経画像アプリケーションで使用するために、現在の心理物理学的アプリケーションから適応されます。

両方の操縦タスクは、XPlane (Laminar Research, Inc.、コロンビア サウスカロライナ州) と呼ばれる市販のアプリケーション ソフトウェアを使用してレンダリングされます。これは、信頼性の高い飛行制御と動的航空機モデルを使用して、高忠実度のシミュレートされた出撃を提示する PC ベースのシミュレーション スイートです。実際の飛行の視覚的特性と要求。 XPlane は、コックピット環境における人間のパフォーマンスに対する環境ストレス要因の影響に関する心理物理学的調査や、模擬空中追跡タスクの実行中に脳が活性化する領域を特定するために使用されてきました。 このアプリケーションでは、XPlane を使用して F/A-18F の空力特性を表現します。 ビジュアルインターフェイスには、上昇潜水梯子、地平線および機首方位計、デジタル対気速度および垂直速度計を備えた汎用ヘッドアップディスプレイ (HUD) を組み込んだ前方の「アウト・ザ・ウィンドウ」ディスプレイが含まれます。 ディスプレイは、Siemens Vida 64 チャネル ヘッドコイルを介してスキャナーに取り付けられた Visual System HD (NordicNeuroLab、ノルウェー、ベルゲン) ディスプレイと呼ばれる立体視ゴーグルを使用して、fMRI スキャナー内に表示されます。 fMRI研究への応用5． この装置は、立体視ゴーグルを介して 1920 x 1200 ピクセル形式で実験的な視覚インターフェイスを表示し、各目のアレイは視野内で約 52 x 34 度 (水平 x 垂直) に広がります。 この構成は、シミュレートされた環境で仮想的な存在感を生み出すために、十分な解像度と角度範囲を提供する必要があります。

具体的な目的

1. フライト シミュレーション (PICT) 中の脳活動のどの部分がパフォーマンス レベルと相関しているかを判断します。
2. 2 つの異なる時点で発生する脳活動の変化を特定します。
3. 脳の解剖学的構造のどの部分がフライト シミュレーション (PICT) 中のパフォーマンス レベルと相関しているかを判断します。
4. 2 つの異なる時点で発生する脳の解剖学的構造の変化を特定します。