環境温度の呼吸制御における役割
作戦上関連する環境ストレス要因下での呼吸制御における心身相互作用の最適化
戦闘員は、航空機の機上酸素発生システムや水中呼吸装置など、呼吸抵抗と呼吸仕事量（WOB）を増加させる環境や生命維持システムに頻繁にさらされています。 WOBの増加は呼吸困難感（呼吸困難）の認識を高め、注意を要する課題における反応時間の遅延や精度の低下を含む認知機能の低下と関連しています。 これらの影響は、迅速な意思決定と正確な運動反応を必要とする作戦環境では特に懸念されます。
この問題に対する認識が高まっているにもかかわらず、特に現実的な作戦ストレッサー下での吸気抵抗による知覚的・認知的影響を軽減する戦略に関する重要なギャップが残っています。 本研究の目的は、熱ストレスへの曝露が吸気抵抗時の呼吸知覚と認知機能を変化させるかどうかを明らかにすることです。 参加者は、熱中立的、高温、低温の条件下で吸気抵抗呼吸を行い、熱ストレスがWOB、呼吸知覚、および認知機能障害を増幅させるかどうかを判断します。
調査の概要
詳細な説明
戦闘員は、生命維持システムが機能している場合でも、WOB（呼吸仕事量）を増加させる熱ストレッサーに直面することが多い。 寒冷ストレスと熱ストレスは、吸気抵抗の増加を必要とせず、それぞれ独立してWOBを上昇させる。 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す：過換気時の冷気吸入は、初期の気管支拡張に続いて気管支収縮を引き起こし、細気管支を収縮させて気流抵抗を増加させ、結果としてWOBを増加させる。 戦闘員は極度の熱にも曝され、深部体温が約38.0℃に達すると、高熱による過換気が生じ、熱ストレス時のWOB増加と有意に関連する。 戦闘員は、特に様々な温度での水中潜水任務や、極度の熱に曝されるOBOG（機上酸素発生装置）を搭載した高性能航空機での任務中に、これらの環境ストレッサーと高呼吸抵抗を頻繁に経験する。
高吸気抵抗と熱ストレスの組み合わせがWOBを増幅させ、呼吸感覚や認知・生理的反応を変化させるかどうかについては、重要な知識のギャップが存在する。 本研究は、吸気抵抗と熱ストレス（温熱中性、熱、寒冷）が組み合わさった条件下でのWOB、呼吸感覚、認知機能、および生理的反応を調査する。 WOBは熱ストレスおよび寒冷ストレス時に増加し、温熱中性条件と比較して、呼吸困難感の増大と認知機能の低下をもたらすと仮説を立てる。
参加者は4回の研究訪問を完了する：スクリーニング／慣れ訪問（研究0日目）に続き、3回の実験訪問（研究1日目、2日目、3日目）。 参加者は、実験訪問の少なくとも24時間前から、カフェイン、アルコール、刺激薬、鎮痛・抗炎症薬、大麻および大麻関連製品、激しい運動を避けるよう指示される。 研究0日目、参加者は短時間の慣れ呼吸課題を完了する。カスタマイズされた装置の末端にある8-10mmの穴を通して10分間呼吸し、事前に決定された6-9.5 cmH2O/L/sの吸気抵抗を発生させる。 呼吸課題中、脳血管、心血管、および自律神経活動の反応が測定される。 呼吸テスト中、5分ごとに、参加者は呼吸の強度と不快感を評価し、吸気容量操作を行うよう求められる。 認知評価は10分ごとに行われる。 呼吸課題後、参加者は肺および呼吸筋機能検査を完了する。
実験訪問前に、参加者は介入条件（熱、寒冷、または温熱中性）に曝露される順序にランダムに割り当てられる。 到着後、食道バルーンが挿入され、心臓と肺の周囲の圧力が測定される。 その後、参加者は環境室（湿度制御用）に入れられ、特殊スーツを着用する。このスーツには異なる温度の水がチューブを通して循環され、完全な呼吸課題を開始する前に約30分間、温度条件に曝露される。 温熱中性条件では、34℃の水が特殊スーツを通して灌流され、参加者は24℃、40%室温湿度に設定された室で休息する。 寒冷条件では、4℃の水が特殊スーツを通して灌流され、参加者は4℃、10%室温湿度に設定された室で休息する。 食道温度がベースラインの食道温度に対して-1℃および-2℃に達した時点で呼吸課題が開始される。 熱条件では、50℃の水が特殊スーツを通して灌流され、参加者は40℃、40%室温湿度に設定された室で休息する。 食道温度がベースラインの食道温度に対して+1℃および+2℃に達した時点で呼吸課題が開始される。 各実験訪問で、参加者は完全な呼吸課題を完了する。事前に決定された抵抗負荷に対して60分間吸気を行う。 生体計測モニタリングは継続的に行われ、認知評価と参加者の評価は、条件曝露の45分および90分時点で呼吸課題中に行われる。 実験訪問の間には7日間のウォッシュアウト期間が設けられる。
研究の種類
入学 (推定)
段階
- 適用できない
連絡先と場所
研究連絡先
- 名前：Timothy D Mickleborough, PhD
- 電話番号：812-855-0753
- メール：tmickleb@iu.edu
研究場所
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Indiana
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Bloomington、Indiana、アメリカ、47405
- Multidisciplinary Engineering and Sciences Hall (MESH)
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コンタクト：
- Scott M Clarke
- 電話番号：812-856-3244
- メール：scotclar@iu.edu
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コンタクト：
- Zachary J Schalder, PhD
- 電話番号：812-855-6953
- メール：zschlade@iu.edu
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主任研究者：
- Timothy D Mickleborough, PhD
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参加基準
適格基準
就学可能な年齢
- 大人
健康ボランティアの受け入れ
説明
選定基準：
- 18歳から40歳の間であること。
- 英語を話し、読むことができること。
- 自己申告による週120分以上の高強度運動を過去2年間継続していること。
- 安静時1秒量/努力性肺活量比（FEV1/FVC）が予測値の75%以上であり、正常な肺機能が確認されていること。
- モントリオール認知機能検査[18]により正常な認知機能が確認されていること。
- 体格指数（BMI）が35kg/m2以下であること。
- 月経周期が21日から35日の範囲で規則的である女性（正常月経）
除外基準：
- 喫煙歴、心血管疾患、腎疾患、呼吸器疾患（喘息や運動誘発性喘息を含む）、神経疾患、代謝性疾患の既往歴があること。
- 自己申告による妊娠中または妊娠の可能性があること。
- 色覚異常があること。
- ラテックスアレルギーまたは過敏症があること。
- 選択的セロトニン再取り込み阻害薬、刺激薬、抗生物質を服用している、または慢性的に鎮痛薬（アリーブ、タイレノールなど）を使用していること。
- 安静時収縮期血圧が130mmHg以上、または拡張期血圧が90mmHg以上、かつ/または安静時心拍数が100bpm以上であること。
- 月経周期が36日から90日の範囲で不規則である女性（希発月経）、または月経がない女性（無月経）。
- 月経停止のみを目的として避妊薬（例：ミレーナIUD）を使用していること。
研究計画
研究はどのように設計されていますか？
デザインの詳細
- 主な目的：基礎科学
- 割り当て：ランダム化
- 介入モデル：クロスオーバー割り当て
- マスキング：なし（オープンラベル）
武器と介入
参加者グループ / アーム |
介入・治療 |
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アクティブコンパレータ：サーモニュートラル温度、次に低温、次に高温
参加者は、割り当てられた温度条件下で呼吸課題を行う3回の実験訪問を完了します。
条件への曝露順序は、ランダム化により割り当てられます。
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サーモニュートラル条件（34°C）では、特別なスーツを通して水が灌流され、参加者は24°C、40%の室温湿度に設定されたチャンバー内で安静にしている間に行われます。
低温条件下では、4°Cの水が特殊スーツを通して循環され、参加者は4°C、湿度10％に設定されたチャンバー内で安静にします。
高温条件下では、参加者が40°C、40%の室内湿度に設定されたチャンバー内で休息している間に、50°Cの温水が専用スーツを通じて灌流されます。
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アクティブコンパレータ：サーモニュートラル温度、次にホールド温度、次にコット温度
参加者は、割り当てられた温度条件で呼吸課題を完了する3回の実験訪問を完了します。
条件暴露の順序は、ランダム化によって割り当てられます。
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サーモニュートラル条件（34°C）では、特別なスーツを通して水が灌流され、参加者は24°C、40%の室温湿度に設定されたチャンバー内で安静にしている間に行われます。
低温条件下では、4°Cの水が特殊スーツを通して循環され、参加者は4°C、湿度10％に設定されたチャンバー内で安静にします。
高温条件下では、参加者が40°C、40%の室内湿度に設定されたチャンバー内で休息している間に、50°Cの温水が専用スーツを通じて灌流されます。
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アクティブコンパレータ：低温、次に至適温度、次に高温
参加者は3回の実験訪問を完了し、割り当てられた温度条件の下で呼吸タスクを実行します。
条件暴露の順序は無作為化により割り当てられます。
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サーモニュートラル条件（34°C）では、特別なスーツを通して水が灌流され、参加者は24°C、40%の室温湿度に設定されたチャンバー内で安静にしている間に行われます。
低温条件下では、4°Cの水が特殊スーツを通して循環され、参加者は4°C、湿度10％に設定されたチャンバー内で安静にします。
高温条件下では、参加者が40°C、40%の室内湿度に設定されたチャンバー内で休息している間に、50°Cの温水が専用スーツを通じて灌流されます。
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アクティブコンパレータ：低温、高温、そして至適温度
参加者は、割り当てられた温度条件で呼吸課題を実施する3回の実験訪問を完了します。
条件の暴露順序は、無作為割り付けにより割り当てられます。 |
サーモニュートラル条件（34°C）では、特別なスーツを通して水が灌流され、参加者は24°C、40%の室温湿度に設定されたチャンバー内で安静にしている間に行われます。
低温条件下では、4°Cの水が特殊スーツを通して循環され、参加者は4°C、湿度10％に設定されたチャンバー内で安静にします。
高温条件下では、参加者が40°C、40%の室内湿度に設定されたチャンバー内で休息している間に、50°Cの温水が専用スーツを通じて灌流されます。
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アクティブコンパレータ：高温、次に至適温度、次に低温
参加者は、割り当てられた温度条件の下で呼吸課題を行う3回の実験訪問を完了します。
条件暴露の順序はランダム化により割り当てられます。
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サーモニュートラル条件（34°C）では、特別なスーツを通して水が灌流され、参加者は24°C、40%の室温湿度に設定されたチャンバー内で安静にしている間に行われます。
低温条件下では、4°Cの水が特殊スーツを通して循環され、参加者は4°C、湿度10％に設定されたチャンバー内で安静にします。
高温条件下では、参加者が40°C、40%の室内湿度に設定されたチャンバー内で休息している間に、50°Cの温水が専用スーツを通じて灌流されます。
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アクティブコンパレータ：高温、次に低温、次に至適温度
参加者は、割り当てられた温度条件下で呼吸タスクを実施する3回の実験訪問を完了します。
条件曝露の順序は、無作為割り付けにより割り当てられます。 |
サーモニュートラル条件（34°C）では、特別なスーツを通して水が灌流され、参加者は24°C、40%の室温湿度に設定されたチャンバー内で安静にしている間に行われます。
低温条件下では、4°Cの水が特殊スーツを通して循環され、参加者は4°C、湿度10％に設定されたチャンバー内で安静にします。
高温条件下では、参加者が40°C、40%の室内湿度に設定されたチャンバー内で休息している間に、50°Cの温水が専用スーツを通じて灌流されます。
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この研究は何を測定していますか？
主要な結果の測定
結果測定 |
メジャーの説明 |
時間枠 |
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ストループカラー・ワードテストの時間成績の変化
時間枠：1日目、2日目、3日目の各呼吸課題の前後（それぞれ約90分の所要時間）
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ストループ・カラー・ワード・テストの所要時間（分:秒）は、各実験的呼吸課題中、45分ごとに測定されます。
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1日目、2日目、3日目の各呼吸課題の前後（それぞれ約90分の所要時間）
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ストループ・カラー・ワード・テストの誤答パフォーマンスの変化
時間枠：1日目、2日目、3日目の各呼吸タスクの前後（それぞれ約90分間）
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ストループ・カラーワード・テストの誤答数は、各実験的呼吸課題において45分ごとに測定されます。
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1日目、2日目、3日目の各呼吸タスクの前後（それぞれ約90分間）
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呼吸困難感強度の認識の変化
時間枠：第1日、第2日、第3日の各呼吸課題の前後（各々約90分間の実施時間）
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参加者は、各呼吸タスク中、45分ごとに視覚的アナログ尺度（VAS）で呼吸困難感の強さを評価します。
参加者は水平線（100mm）上に垂直マーカー線を引き、「気にならない」（0mm）から「想像できる最大強度」（100mm）までの呼吸感覚を示します。
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第1日、第2日、第3日の各呼吸課題の前後（各々約90分間の実施時間）
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呼吸困難不快感の知覚の変化
時間枠：1日目、2日目、3日目の呼吸タスク前後（各タスクは約90分間続きます）
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参加者は、各呼吸課題中に45分ごとに、視覚的アナログ尺度（VAS）を用いて呼吸困難感（息切れ）の不快感を評価します。
参加者は、水平線（100mm）上に垂直マーカー線を引き、「不快でない」（0mm）から「想像しうる最大の不快感」（100mm）までの呼吸感覚を示します。
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1日目、2日目、3日目の呼吸タスク前後（各タスクは約90分間続きます）
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二次結果の測定
結果測定 |
メジャーの説明 |
時間枠 |
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横隔膜厚の変化
時間枠：1日目、2日目、3日目の各呼吸課題の前後（各課題の所要時間は約90分）
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横隔膜の厚さは、機能残気量（FRC; 安静時）と呼気終末時、および各条件前後のFRCからの最大吸気圧（MIP）テスト中に、第10/11肋骨間腔のドップラー超音波で測定されます。
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1日目、2日目、3日目の各呼吸課題の前後（各課題の所要時間は約90分）
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心拍変動の変化
時間枠：1日目、2日目、3日目の各呼吸タスク前後（各タスクの所要時間は約90分）
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各呼吸課題中に、3誘導心電図（ECG）を用いて心拍変動（拍/分）を連続的に測定します。
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1日目、2日目、3日目の各呼吸タスク前後（各タスクの所要時間は約90分）
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末梢酸素飽和度の変化
時間枠：1日目、2日目、3日目の各呼吸タスク前後（各タスクの所要時間は約90分）
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各呼吸課題中、パルスオキシメトリーにより経皮的酸素飽和度を連続的に測定します。
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1日目、2日目、3日目の各呼吸タスク前後（各タスクの所要時間は約90分）
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血圧の変化 - 上腕動脈
時間枠：1日目、2日目、3日目の各呼吸課題前後（各回約90分間）
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各呼吸課題中、標準的な血圧計カフと上腕動脈の聴診により、10分毎に血圧が測定されます。
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1日目、2日目、3日目の各呼吸課題前後（各回約90分間）
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血圧変化 - 手指光電脈波計測
時間枠：1日目、2日目、3日目の各呼吸課題の前後（各課題の所要時間は約90分）
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各呼吸タスク中、指先フォトプレチスモグラフィーにより血圧が連続的に測定されます。
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1日目、2日目、3日目の各呼吸課題の前後（各課題の所要時間は約90分）
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心拍数の変化
時間枠：第1日目、第2日目、第3日目（各回約90分間）の呼吸課題の前後
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各呼吸課題中、心拍数は3誘導心電図（ECG）により継続的に測定されます。
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第1日目、第2日目、第3日目（各回約90分間）の呼吸課題の前後
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脳血流酸素動態の変化
時間枠：1日目、2日目、3日目の各呼吸タスクの前後（それぞれ約90分の持続時間）
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酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビン（取り込み／抽出、μM）は、各呼吸課題中に前頭前野の近赤外分光法（NIRS）を用いて継続的に測定されます。
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1日目、2日目、3日目の各呼吸タスクの前後（それぞれ約90分の持続時間）
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脳血流速度の変化
時間枠：第1日、第2日、第3日の各呼吸課題の前後（各回の所要時間は約90分）
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両側経頭蓋超音波ドップラーは、各呼吸課題中に中大脳動脈と後大脳動脈の血流速度を連続的に測定するために使用されます。
超音波トランスデューサーは、側頭窓に頭部の両側に配置され、トランスデューサーホルダーを使用して位置が固定されます。
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第1日、第2日、第3日の各呼吸課題の前後（各回の所要時間は約90分）
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協力者と研究者
研究記録日
主要日程の研究
研究開始 (推定)
一次修了 (推定)
研究の完了 (推定)
試験登録日
最初に提出
QC基準を満たした最初の提出物
最初の投稿 (実際)
学習記録の更新
投稿された最後の更新 (実際)
QC基準を満たした最後の更新が送信されました
最終確認日
詳しくは
本研究に関する用語
その他の研究ID番号
- 28381 - Aim 3
- FOAAFRLAFOSR20240007 (その他の助成金/資金番号：Air Force Office of Scientific Research)
個々の参加者データ (IPD) の計画
個々の参加者データ (IPD) を共有する予定はありますか?
IPD プランの説明
医薬品およびデバイス情報、研究文書
米国FDA規制医薬品の研究
米国FDA規制機器製品の研究
米国で製造され、米国から輸出された製品。
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