作戦関連環境ストレス要因下における呼吸制御における心身相互作用の最適化 (DEPSCoR)

多くの戦闘員は、呼吸抵抗を増加させる環境条件に曝されており、これが呼吸仕事量（WOB）の増加につながっています。 航空機搭載酸素供給システム（OBOGs）や自給式水中呼吸装置（SCUBA）などの生命維持システムは、呼吸性能を損なうことで作戦能力に課題を生じさせます。 これは複数の作業部会によって提起された重大な懸念事項です。 例えば、NASAのパイロット呼吸評価技術報告書は、パイロットから報告された呼吸抵抗の増加に関する問題を文書化しています。 同様に、制限呼吸作業部会は、F-22の生命維持システムが過度に高い機械的WOBを課していることを指摘しています。 これに対応して、海軍実験潜水部隊は、WOBを低減することで高性能航空機のパイロットを危険な生理学的イベントから保護できる可能性を示唆しています。 WOBの増加は、少なくとも部分的には呼吸に対する意識的認識の高まりにより、呼吸困難の感覚的・感情的知覚を強めます。 最近のデータは、WOBの上昇、そしておそらく呼吸知覚が認知機能を損なう可能性があることを示しています。 この障害は、複雑な反応時間課題における中枢情報処理から注意を逸らす、WOBの増加に起因する否定的な感覚によって引き起こされる可能性が高いです。 さらに、吸気筋に大きな負荷がかかると、反応時間と正確性の両方が悪化します。 しかしながら、吸気抵抗の上昇を経験する戦闘員に関連する、いくつかの重要な知識のギャップが残っています。 以下の点は不明です：1) 吸気抵抗下でWOBを低減することで呼吸知覚を低下させ、認知機能を回復させることができるか、2) 吸気抵抗下での換気の聴覚フィードバックを変化させることで呼吸知覚を低下させ、認知機能を回復させることができるか、3) 熱ストレッサーが吸気抵抗下でWOBを増幅させ、呼吸知覚を増加させ、認知機能を低下させるか。 目的は、呼吸仕事量（WOB）の増加が呼吸の知覚を増強し、それが結果として戦闘員の認知能力を損なうという問題に焦点を当てることです。 この目的を達成するために、本研究は以下の具体的な目的に取り組みます：

目的1（研究ブロック1）：最近、吸気負荷を増加させると呼吸困難、脳の活性化が高まり、注意力に関連する神経心理学的テストの成績に悪影響を及ぼすことが実証されました。 吸気抵抗が増加すると、運動-認知干渉と呼吸困難に関連した注意焦点のシフトの両方により、認知能力が低下する可能性が高いと仮定されています。 研究では、実際の筋努力ではなく、知覚された吸気負荷が注意力に悪影響を及ぼすことが明らかになっています。 より高い吸気抵抗と呼吸知覚が認知機能を損なうことを示す証拠はあるものの、高抵抗負荷下でWOBを低減することで認知機能を回復させることができるかどうかが不明であるという、重要な知識のギャップが残っています。 ヘリオックスは、その低密度と低粘度により、気道内の乱流を減らすことで、室内空気よりも高い換気率を可能にし、抵抗性WOBと筋負荷を低減します。 したがって、高吸気抵抗下でWOBを低下させるヘリオックスを呼吸することは、WOBの低減が認知機能を改善できるかどうかについての重要な知見を提供します。 仮説として、高吸気抵抗下で通常密度の空気を呼吸する場合と比較して、ヘリオックスを使用することでWOBが減少し、知覚される呼吸努力が低下し、認知機能が改善されると考えられます。

目的2（研究ブロック2）：場合によっては、戦闘員のための吸気抵抗負荷（例：OBOGs、SCUBA）を低減することは実行可能ではないかもしれませんが、抵抗が呼吸知覚にどのように影響するかを理解することは不可欠です。 換気の聴覚フィードバックは呼吸意識に大きな影響を与え、WOBが増加するにつれて、この知覚は強化された聴覚入力により強まります。 この高まった意識は注意を散漫にし、認知処理に負担をかけます。 最近の研究では、運動中の音楽のような聴覚的気晴らしが、健康な個人や慢性閉塞性肺疾患患者において、呼吸困難や呼吸器および全身の不快感を軽減できることを示しています。 この効果は、聴覚フィードバックの低減、または音楽に関連した感情状態の改善に起因する可能性があります。 しかしながら、重要な知識のギャップが存在します：吸気抵抗の増加中に換気の聴覚フィードバックを低減することが、呼吸知覚と認知機能に影響を与えるかどうかは不明です。 本研究は、高吸気抵抗下での異なる換気聴覚フィードバック条件（通常、排除、増幅）が認知機能に与える影響を評価します。 仮説として、換気の聴覚フィードバックを低減することはWOBを変化させないが、標準的または増幅されたフィードバックと比較して呼吸知覚を低下させ、認知能力を向上させると考えられます。

目的3（研究ブロック3）：戦闘員は、生命維持システムが装備されていても、WOBを増加させる熱ストレッサーに直面することがよくあります。 寒さと熱のストレスは、吸気抵抗を増加させることなく、それぞれ独立してWOBを上昇させます。 国防総省が北極圏作戦に焦点を当てているため、多くの戦闘員が間もなく極寒に遭遇することになります。 寒冷ストレスは換気を刺激し、二相性の細気管支反応を引き起こします：過換気中に冷たい空気を吸入すると、最初に気管支拡張が起こり、その後気管支収縮が生じ、細気管支が締まり、気流抵抗、ひいてはWOBが増加します。 戦闘員は極度の高温にも曝され、深部体温が約38.0℃に達すると高体温誘発性過換気が発生し、これは熱ストレス中のWOB増加と有意に関連しています。 戦闘員は、特に様々な温度での水中潜水任務や、極度の高温に曝されるOBOGsを搭載した高性能航空機において、これらの環境ストレッサーと上昇した呼吸抵抗を頻繁に同時に経験します。 例えば、ネリス空軍基地では最近、摂氏48度（華氏118度）の気温が記録されました。 高吸気抵抗と熱ストレスが組み合わさることでWOBを増幅させ、呼吸の知覚、ならびに認知的・生理学的反応を変化させるかどうかについて、知識の重大なギャップが存在します。 本研究は、吸気抵抗と熱ストレス（温度中性、高温、低温）が組み合わさった条件下でのWOB、呼吸知覚、認知機能、および生理学的反応を調査します。 仮説として、WOBは高温および低温ストレス中に増加し、その結果、温度中性条件と比較して呼吸困難の知覚がより大きくなり、認知能力が低下すると考えられます。