훈련 중 별도의 시점에서 비행 시뮬레이션 중에 뇌의 어느 영역이 활성화되는지 확인 (fMRI Pilots)

현역 조종사와 같은 고성능 개인 및 인구의 준비 상태를 확립, 유지 및 정량화하는 것은 국방부의 중요한 과제로 남아 있습니다. 다른 고성능 인구와 마찬가지로 조종사의 숙련도는 여러 작업의 숙달로 구성됩니다. G-스트레닝과 같은 일부 작업은 높은 G-부하에 대한 내성을 향상시키기 위해 잘 정의된 운동을 통해 엉덩이, 대퇴사두근 및 햄스트링1의 근골격 지구력을 강화하는 알려진 접근법에 의존합니다. 따라서 특정 조종사나 훈련생이 G로 인한 의식 상실로 어려움을 겪고 있는 경우 성능 향상에 필요한 근육을 강화하기 위해 명확한 훈련 요법을 처방할 수 있습니다. 그러나 측풍 및 기타 섭동이 있음에도 불구하고 특정 궤적을 유지하기 위해 항공기를 정밀하게 제어하는 ​​것과 같은 인지 작업은 이해하고 훈련하기가 더 어렵습니다. 몇 년 전까지만 해도 이러한 작업에 필요한 신경 회로를 정의하는 명확한 접근 방식이 없었습니다. 이러한 인지 회로에 대한 이해 없이는 성과를 강화하기 위한 목표가 있고 효율적인 훈련 방식을 처방하는 것이 불가능하지는 않더라도 어렵습니다.

신경인체공학 기능적 자기공명영상(fMRI)은 작업 중에 뇌의 여러 영역으로 가는 혈류의 미묘한 변화를 감지함으로써 어느 시점에서든 뇌의 가장 활동적인 영역을 찾아낼 수 있습니다. 이 기술은 빠르게 발전하고 있으며 특정 작업에 대해 동일한 작업 중에 서로 다른 개인 간에 사용되는 뇌의 여러 피질 영역에서 놀라운 일관성을 보여줍니다. 특정 작업 중에 활성화된 여러 영역을 종종 "기능적으로 연결"이라고 합니다. 또한, 인지 작업 중에 활성화되는 기능적으로 연결된 뇌 영역은 신체 작업을 수행하기 위해 활성화되는 근육과 유사합니다. 또 다른 MRI 기술은 백질(뇌의 전선)에 위치한 축삭을 통한 연결성을 정량화하고 구조적 연결성이라고 불리는 뇌의 여러 영역 간의 물리적 연결 강도를 측정할 수 있습니다. 흥미롭게도 장기간 훈련 후의 근육과 마찬가지로 특정 부위 간 연결의 "강도"는 훈련과 반복을 통해 측정 가능한 증가를 나타낼 수 있습니다.

그러나 MRI 기계 내에 존재하는 높은 자기장으로 인해 대상을 스캔할 때 전통적으로 복잡한 장치나 비디오 디스플레이를 사용할 수 없었습니다. 결과적으로 스캐너 내의 초기 작업(패러다임이라고 함)은 종종 연속적이었고 비행의 매우 역동적인 작업을 대표하지 않았습니다. 그러나 MRI와 호환되는 고해상도 디스플레이 시스템을 사용할 수 있습니다. 이는 고해상도와 보다 몰입감 있는 환경을 생성할 수 있습니다5. 또한, MRI와 호환되는 점점 더 정교한 입력 장치도 개발되었으며 이제 시뮬레이션된 기체의 피치, 롤 및 스로틀을 제어하기 위해 현실적인 비행 스틱을 포함하는 것이 가능해졌습니다.

따라서 일상적인 작업 중에 뇌가 어떻게 행동하는지 보다 자연스러운 방식으로 분석하는 신경인간공학 분야가 항공에 적용될 수 있습니다6. 최근 fMRI 작업은 공중 추적과 같은 특정 비행 작업과 관련된 신경 회로를 식별하기 시작했습니다. 다른 연구에서는 피험자가 시뮬레이터를 타고 비행하는 동안 가청 경보를 인식하지 못하는 인지 과부하 동안 활성화되는 뇌 영역이 확인되었습니다. 또한 복잡한 착륙 작업을 수행한 후 비디오 피드백 중에 특정 뇌 영역이 활성화된 것으로 보입니다. 따라서 항공 훈련과 관련된 공중 추적, 인지 과부하 및 피드백 중에 활성화되는 뇌 영역이 확인되기 시작했습니다. 그러나 이 데이터의 대부분은 숙련된 군 조종사가 아닌 아마추어로부터 수집된 것이므로 고도로 훈련된 군 비행사에 대한 적용 가능성을 테스트해야 합니다.

군용 비행사의 성능을 향상시키기 위해 신경인간공학 기술을 적용하려면 두 가지 단계가 필요합니다. 1.) 고성능 항공의 다양한 측면과 관련된 신경해부학적 회로를 식별해야 합니다. 2.) 각 회로에 대해 훈련 패러다임을 식별하여 행동 수행뿐만 아니라 향상된 수행과 관련된 신경 상관관계를 추적하기 위해 관심 있는 신경해부학 회로를 강화해야 합니다.

PICT 작업 - MRI 비행 시뮬레이션 과제

정밀 기기 제어 작업(PICT) 비행 시뮬레이터 테스트는 현재 Brooks Research Altitude Chambers에서 수행되고 있는 "WHIPPET(Wayfinding, Hypoxia, and Interceptive Performance in Pilots Executing Transitions)"이라는 기존 인간 성능 연구에서 채택되었습니다. 중등도 저압 저산소증으로 인한 조종 악화를 측정하는 목적입니다. 이 작업은 조종사가 비행 중에 교정 제어 입력을 실행할 수 있는 정확성과 신속성을 평가하기 위한 정량적 측정항목을 생성합니다. 작업은 이 신경 영상 응용 프로그램에 사용하기 위해 현재의 정신 물리학 응용 프로그램에서 조정됩니다.

두 가지 조종 작업 모두 XPlane(Laminar Research, Inc., Columbia SC)이라는 상용 응용 프로그램 소프트웨어를 사용하여 렌더링됩니다. XPlane은 믿을 수 있는 비행 제어 및 동적 항공기 모델을 사용하여 충실도가 높은 시뮬레이션 출격을 제공하는 PC 기반 시뮬레이션 제품군입니다. 실제 비행의 시각적 특성과 요구 사항. XPlane은 조종석 환경에서 환경 스트레스 요인이 인간 성능에 미치는 영향에 대한 정신물리학적 조사와 시뮬레이션된 공중 추적 작업 실행 중 뇌 활성화 영역을 식별하는 데 사용되었습니다. 이 애플리케이션에서는 XPlane을 사용하여 F/A-18F의 공기역학적 특성을 제시합니다. 시각적 인터페이스에는 상승 다이빙 사다리, 수평선 및 방향 표시기, 디지털 대기 속도 및 수직 속도 표시기를 갖춘 일반 헤드업 디스플레이(HUD)를 통합한 전방 "창 밖" 디스플레이가 포함됩니다. 디스플레이는 Siemens Vida 64채널 헤드 코일을 통해 스캐너에 장착된 Visual System HD(NordicNeuroLab, 노르웨이 베르겐) 디스플레이라는 입체 고글을 사용하여 fMRI 스캐너에 표시됩니다. fMRI 연구 애플리케이션5. 이 장치는 입체 고글을 통해 1920 x 1200 픽셀 형식의 실험적 시각적 인터페이스를 제공하며 각 눈의 배열은 시야에서 약 52 x 34도(수평 x 수직)로 확장됩니다. 이 구성은 시뮬레이션된 환경에서 가상 존재감을 생성하기 위해 충분한 해상도와 대향각을 제공해야 합니다.

구체적인 목표

1. 비행 시뮬레이션(PICT) 중 뇌 활동의 어느 부분이 성능 수준과 상관관계가 있는지 확인합니다.
2. 두 개의 개별 시점 동안 발생하는 뇌 활동의 변화를 확인합니다.
3. 비행 시뮬레이션(PICT) 중 성능 수준과 뇌 해부학의 어느 부분이 연관되어 있는지 확인합니다.
4. 두 개의 개별 시점 동안 발생하는 뇌 해부학의 변화를 확인합니다.