Realtime cafeïne-optimalisatie tijdens totaal slaaptekort

Het eerste doel van de huidige studie is om te bepalen of het 2B-Alert Cafeïne Optimalisatie Model (2BAlert) geïndividualiseerde cafeïneschema's kan creëren die de PVT-prestaties effectief herstellen gedurende een bepaald tijdsbestek. Het 2BAlert-model is de spil van het uitgebreide vermoeidheidsbeheersysteem dat wordt ontwikkeld door het Walter Reed Army Institute of Research (WRAIR) en het Biotechnology High Performance Computing Software Applications Institute (BHSAI). Het is een softwaretool die de relatie "leert" (kwantificeert) tussen de slaap/waakparameters van een individu (zoals objectief gemeten via polsactigrafie) en zijn/haar psychomotorische prestaties (zoals objectief gemeten op een PVT). Het kwantificeert de mate waarin een individu gevoelig/veerkrachtig is voor de effecten van slaapgebrek, en produceert geïndividualiseerde prestatievoorspellingen die kunnen worden gebruikt om beslissingen te nemen over de huidige en toekomstige paraatheid, evenals de toepassing van maatregelen tegen vermoeidheid, zoals dutjes of cafeïne . De meest recente versie van 2BAlert kan maatregelen tegen vermoeidheid rechtstreeks op een individu toepassen op basis van hun geïndividualiseerde prestatievoorspelling. Dit model geeft aanbevelingen voor wanneer en hoeveel cafeïne je moet gebruiken om de prestaties gedurende een bepaalde periode te optimaliseren. Hoewel dit model post-hoc is toegepast op eerder verzamelde gegevens, moet het nog in realtime worden getest. Deze studie biedt de eerste mogelijkheid om direct te testen of het model effectief in realtime kan worden gebruikt om de PVT-prestaties te herstellen naar een gewenst niveau (d.w.z. 275 ms) wanneer dat nodig is (d.w.z. een periode van zes uur na 44 uur slaap). verlies).

Een tweede doel van de huidige studie is om te onderzoeken of 2BAlert niet alleen de PVT-prestaties gedurende een bepaalde periode kan herstellen, maar ook de toename van zelfgerapporteerde stress en angst gerelateerd aan slaapgebrek kan herstellen. Gegevens uit een eerdere studie van WRAIR laten zien dat zelfgerapporteerde stress en angst toenemen na 1 nacht slaapgebrek en blijven toenemen na een tweede nacht van aanhoudend slaaptekort. Deze metingen keren terug naar de basislijn na 12 uur herstelslaap en zijn direct gerelateerd aan de PVT-prestaties. Daarom veronderstellen de onderzoekers dat als de PVT-prestaties kunnen worden hersteld door cafeïne, zelfgerapporteerde stress en angst ook dicht bij het basisniveau kunnen komen met cafeïne.

Een tertiaire doelstelling van het onderzoek is om te beoordelen of beelden die zijn verkregen met een smartphonecamera geschikt zijn voor het ontwikkelen van een passief, niet-opdringerig computervisiesysteem dat de PVT zou kunnen vervangen voor het beoordelen van alertheid. Momenteel gebruikt het algoritme PVT-gegevens omdat: (a) in vergelijking met andere prestatiemetingen de PVT relatief gevoelig is voor slaapverlies en het circadiane ritme van alertheid; en (b) er zijn geen leereffecten op de PVT. De PVT vereist echter dat een persoon actief deelneemt aan een test van 3 tot 10 minuten, die minstens een dozijn keer moet worden uitgevoerd tijdens slaapgebrek, waardoor het een gevoelige maar onpraktische test is om de alertheid van een soldaat in operationele omgevingen te meten.

Alle deelnemers zullen deelnemen aan de volgende doorlopende studiefasen. Cafeïnekauwgom kan tijdens dit onderzoek worden toegediend.

Fase 1: Thuis slaap/waakmeting: Alle deelnemers zullen worden geïnstrueerd om hun normale slaap/waakschema aan te houden gedurende de 13 dagen/12 nachten direct voorafgaand aan fase 2 (het in-laboratoriumgedeelte van het onderzoek). Naleving wordt objectief geverifieerd via polsactigrafie. Deelnemers krijgen een smartphone en worden gevraagd om elke 3 uur een PVT in te vullen terwijl ze wakker zijn en hun normale cafeïnegebruik en dagelijkse slaapduur te loggen.

Fase 2: Slaap/waak- en PVT-prestatiebeoordeling in het laboratorium: deelnemers melden zich op dag 13 om 19.00 uur bij het slaaplaboratorium. Terwijl ze wakker zijn in het laboratorium, zullen ze verschillende cognitieve tests uitvoeren, waaronder de PVT, en elke 3 uur een video van 3 minuten van hun gezicht opnemen. Ze mogen slapen van 23.00 uur op dag 13 tot 07.00 uur op dag 14 en de slaap wordt gemonitord via PSG en actigrafie. Dit wordt gevolgd door 62 uur continu wakker zijn (d.w.z. van 7.00 uur op dag 14 tot 21.00 uur op dag 16). Op dag 15 om 19.00 uur wordt 2BAlert uitgevoerd voor elk individu en zal de eerdere slaap en prestaties van elk individu worden gebruikt om een ​​geïndividualiseerd doseringsschema voor cafeïne op te stellen om de prestaties van 0300-0900 op dag 16 te optimaliseren.

Fase 3: Herstel in het laboratorium: Alle deelnemers ondergaan een herstelfase die bestaat uit 12 uur tijd in bed van 21.00 uur op dag 16 tot 09.00 uur op dag 17 en de slaap wordt gecontroleerd via PSG en actigrafie. Het cognitieve test- en gezichtsvideo-opnameschema gaat door vanaf fase 2 tijdens de wakkere uren. Na te zijn beoordeeld door een onderzoeksarts worden ze op dag 17 om ongeveer 18.00 uur uit het onderzoek ontslagen. De deelnemers zullen dus in totaal 95 uur in het laboratorium zijn.

Het belangrijkste eindpunt voor deze studie is de prestatie van de psychomotorische waakzaamheidstest (PVT), gemeten met behulp van Smart-PVT. Een secundair eindpunt is zelfgerapporteerde stress en angst, gemeten met respectievelijk de Stress Visual Analog Scale en de Spielberger State-Trait Anxiety Inventory. Een derde eindpunt van het onderzoek is om te testen of gezichtsopnamen die met de telefooncamera zijn gemaakt, kunnen worden gebruikt om het alertheidsniveau van proefpersonen met slaapgebrek te beoordelen.

Te testen hypothesen: (a) Psychomotorische prestatiegegevens verzameld op de Smart-PVT blijven op of onder 275 ms tijdens het Peak Alertness Window van geoptimaliseerde prestaties, wat aangeeft dat 2BAlert geldig is en klaar is om te worden gebruikt in toekomstige veldstudies en operationele instellingen. (b) Zelfgerapporteerde stress en angst zullen terugkeren naar het basisniveau tijdens het Peak Alertness-venster en in kaart worden gebracht bij het herstel van de PVT-prestaties gedurende dit tijdvenster.

ACHTERGROND: Door slaapgebrek veroorzaakte neurologische gedragstekorten vormen een erkende bedreiging voor de veiligheid en productiviteit in zowel civiele als militaire operationele omgevingen. Veel gepubliceerde ongevallen en ongelukken die verband houden met vermoeidheid (waaronder commerciële ongelukken zoals die zich voordeden op 3-Mile Island, Tsjernobyl en Bhopal; en militaire ongelukken zoals de hinderlaag van de 507th Maintenance Company) blijven de aandacht vestigen op het slaapprobleem. verlies/slaperigheid in operationele omgevingen. Dergelijke ongevallen benadrukken de nadelige effecten van slaapgebrek op besluitvorming, waakzaamheid, probleemoplossing en andere mentale vermogens die cruciaal zijn voor militaire effectiviteit. Publicaties en handleidingen van het leger, het Amerikaanse marinekorps en de Amerikaanse marine hebben militair relevante schadelijke effecten van slaapgebrek op alertheid en prestaties gedocumenteerd. Uit het vijfde onderzoek van het Mental Health Advisory Team van het leger onder Warfighters die dienden in Operatie Iraqi Freedom en Operatie Enduring Freedom, bleek dat militairen die minder sliepen ook meer ongevallen en fouten rapporteerden, en vaker negatieve items op het gebied van geestelijke gezondheid onderschreven.

Het ministerie van Defensie heeft de ontwikkeling gefinancierd van een rekenmodel voor het kwantificeren van de effecten van dagelijkse slaaphoeveelheden op neurologische gedragsprestaties. De meest recente (en meest geavanceerde) versie van het wiskundige voorspellingsmodel voor slaap/prestatie is het 2BAlert-model, ontwikkeld door BHSAI. Net als zijn voorgangers was 2BAlert voornamelijk gebaseerd op PVT-gegevens die waren verzameld in het WRAIR-slaaponderzoekslaboratorium. PVT-gegevens werden gebruikt omdat deze, voor het opstellen van slaap-/prestatievoorspellingsmodellen, over het algemeen superieur zijn aan gegevens van andere prestatiemetingen in verschillende belangrijke opzichten: (a) in vergelijking met andere prestatiemetingen is de PVT relatief gevoelig voor slaapverlies en het circadiane ritme van alertheid; (b) er zijn geen leereffecten op de PVT; en (c) eerder is aangetoond dat een PVT-gebaseerd voorspellingsmodel voor slaap/prestatie een goede ecologische validiteit heeft. Dat wil zeggen, het is aangetoond dat de op PVT gebaseerde modelvoorspellingen van prestatie-effectiviteit goed correleren met 'risico op ongevallen' bij daadwerkelijke spoorwegoperaties.

De huidige 2BAlert-tool is er in twee vormen: 1) een webgebaseerde tool die slaap- en cafeïneschema's opneemt en de voorspelde GROEPSGEMIDDELDE prestaties weergeeft & 2) een smartphone-app die gebruikmaakt van individuele prestaties gemeten met de PVT op een smartphone om de prestaties te individualiseren voorspellend model. Deze versie van de tool is met succes gevalideerd in een recente studie van WRAIR. De meest recente versie van de smartphone-app maakt gebruik van geïndividualiseerde prestatievoorspellingen om geïndividualiseerde cafeïneplanning te berekenen die de prestaties tijdens specifieke periodes optimaliseert. Hoewel deze tool is ontwikkeld met behulp van gegevens die bij WRAIR zijn verzameld en post-hoc is uitgevoerd op gegevens die eerder bij WRAIR zijn verzameld, moet deze nog in realtime worden getest. Daarom is het doel van deze studie om dit algoritme voor cafeïne-optimalisatie in realtime te valideren. De onderzoekers zullen hetzelfde onderzoeksprotocol gebruiken als de recente WRAIR-studie, omdat bekend is dat er gedurende deze periode variabiliteit is in de prestaties van een gezonde populatie en dat de algehele prestatie langzamer is dan 275 ms en de zelfgerapporteerde stress en angst aanzienlijk toenemen zonder een cafeïne tussenkomst. Bovendien kunnen de onderzoekers, door gebruik te maken van een eerdere onderzoeksopzet, de belasting van het onderzoeksteam bij het maken van nieuwe documentatie en schema's minimaliseren.

Als we een stap terug doen, is het belangrijk om aan te pakken waarom optimalisatie van cafeïne belangrijk en relevant is voor het leger. Hoewel cafeïne algemeen wordt aanvaard en wordt gebruikt als stimulerend middel om de effecten van vermoeidheid in verband met ploegendienst en slaapgebrek tegen te gaan, heeft een eerdere studie uitgevoerd door WRAIR aangetoond dat cafeïne zijn effectiviteit verliest en zelfs het herstel kan vertragen bij herhaald gebruik en chronisch slaapverlies. Dit verrassende resultaat geeft aan dat cafeïne een limiet en een prijs heeft, en daarom zou de Warfighter effectiever zijn als hij of zij cafeïne optimaal zou gebruiken. Voor eerdere cafeïnestudies met vergelijkbare duur van continu slaaptekort als het huidige protocol, kregen deelnemers elke nacht 800 mg cafeïne. Hoewel dit onderzoek suggereert dat de onderzoekers de prestaties zouden kunnen herstellen door alle deelnemers aan dit onderzoek 800 mg cafeïne te geven, stelt het 2BAlert-algoritme de onderzoekers in staat om sommige deelnemers minder cafeïne te geven, maar toch hetzelfde resultaat te bereiken als wanneer iedereen 800 mg cafeïne zou krijgen.

Recent onderzoek paste het 2BAlert-algoritme post-hoc toe met behulp van parameters die in dit protocol zijn vastgelegd. De resultaten van het model laten zien dat alle deelnemers hun prestaties herstelden tijdens het Peak Alertness Window, d.w.z. tussen 44-50 uur wakker, waarbij herstel wordt gedefinieerd als 275 ms of sneller, en dat meer dan de helft van de proefpersonen minder dan de helft van de maximaal toegestane hoeveelheid cafeïne nodig had (800 mg ), terwijl drie proefpersonen helemaal geen cafeïne nodig hadden. De onderzoekers hopen 2BAlert te valideren door het toe te passen op real-time gegevens met behulp van het oorspronkelijke onderzoeksontwerp.

Naast het testen van het cafeïne-optimalisatiemodel, zijn de onderzoekers ook geïnteresseerd in het testen van de hypothese dat als PVT-prestaties kunnen worden hersteld met cafeïne, zelfgerapporteerde stress en angst ook kunnen worden hersteld. Uit recent werk is gebleken dat zelfgerapporteerde stress en angst toenamen met toegenomen slaapverlies en herstelden tot de uitgangswaarde na herstelslaap, volgens dezelfde trend als PVT-prestatiegegevens. Hoewel eerder werk heeft aangetoond dat zelfgerapporteerde stress en angst toenemen met 1 nacht slaapgebrek, zijn dit de eerste gegevens die aantonen dat zelfgerapporteerde stress en angst blijven toenemen na 2 nachten slaapgebrek. Er zijn momenteel geen onderzoeken die rapporteren of en hoe zelfgerapporteerde stress en angst kunnen worden hersteld met cafeïne tijdens slaapverlies.