Bepalen welke hersengebieden actief zijn tijdens vluchtsimulatie op afzonderlijke tijdstippen tijdens de training (fMRI Pilots)

Het tot stand brengen, behouden en kwantificeren van de paraatheid bij hoog presterende individuen en populaties, zoals piloten in actieve dienst, blijft een aanzienlijke uitdaging in het DoD. Vaardigheid in piloten bestaat, net als andere krachtige populaties, uit het beheersen van meerdere taken. Sommige taken, zoals G-belasting, zijn afhankelijk van bekende benaderingen om het musculoskeletale uithoudingsvermogen van de billen, quadriceps en hamstrings te versterken met goed gedefinieerde oefeningen om de tolerantie voor hoge G-belastingen te verbeteren. Dus als een bepaalde piloot of stagiair worstelt met bijna G-geïnduceerd bewustzijnsverlies, kunnen duidelijke trainingsregimes worden voorgeschreven om de noodzakelijke spieren te versterken om de prestaties te verbeteren. Cognitieve taken, zoals het nauwkeurig besturen van een vliegtuig om een ​​specifiek traject aan te houden, ondanks de aanwezigheid van zijwind en andere verstoringen, zijn echter moeilijker te begrijpen en te trainen. Tot enkele jaren geleden bestond er geen duidelijke aanpak bij het definiëren van het neuronale circuit dat nodig is voor dergelijke taken. Zonder dat begrip van dit cognitieve circuit is het moeilijk, zo niet onmogelijk, om gerichte en efficiënte trainingsmodaliteiten voor te schrijven om de prestaties ervan te verbeteren.

Neuro-ergonomie Door tijdens een taak subtiele veranderingen in de bloedstroom naar verschillende delen van de hersenen te detecteren, kan functionele Magnetic Resonance Imaging (fMRI) de meest actieve delen van de hersenen op elk moment lokaliseren. Deze technologie ontwikkelt zich snel en vertoont voor specifieke taken een opmerkelijke consistentie in meerdere corticale hersengebieden die bij dezelfde taak worden gebruikt, tussen verschillende individuen. De meerdere regio's die tijdens een bepaalde taak worden geactiveerd, worden vaak 'functioneel verbonden' genoemd. Bovendien delen deze functioneel verbonden hersengebieden die worden geactiveerd tijdens een cognitieve taak een analogie met de spieren die worden geactiveerd om een ​​fysieke taak te volbrengen. Een andere MRI-technologie kan de connectiviteit kwantificeren via axonen die zich in de witte stof bevinden (de draden in de hersenen) en de sterkte van de fysieke verbinding tussen verschillende delen van de hersenen meten - structurele connectiviteit genoemd. Interessant is dat, net als spieren na langdurige training, de ‘sterkte’ van verbindingen tussen specifieke regio’s meetbare toenames kan vertonen bij training en herhaling.

Vanwege de hoge magnetische velden in MRI-machines konden complexe apparaten of videoschermen traditioneel echter niet worden gebruikt bij het scannen van onderwerpen. Als gevolg hiervan waren vroege taken binnen scanners (de zogenaamde paradigma's) vaak serieel en niet representatief voor de zeer dynamische taken van het vliegen. Maar er zijn weergavesystemen met hoge resolutie beschikbaar die MRI-compatibel zijn, waardoor omgevingen met een hoge resolutie en meer immersieve omgevingen kunnen worden gegenereerd5. Bovendien zijn er ook steeds geavanceerdere invoerapparaten ontwikkeld die MRI-compatibel zijn en nu is het mogelijk om een ​​realistische flight stick op te nemen om de pitch, roll en gasklep van gesimuleerde casco's te regelen.

Het vakgebied van de neuro-ergonomie – het op een meer naturalistische manier analyseren van hoe de hersenen zich gedragen tijdens alledaagse handelingen – kan dus worden toegepast op de luchtvaart6. Recent fMRI-werk is begonnen met het identificeren van de neurocircuits die betrokken zijn bij specifieke vliegtaken, zoals achtervolging in de lucht. Ander werk heeft gebieden van de hersenen geïdentificeerd die worden geactiveerd tijdens cognitieve overbelasting, waar proefpersonen geen hoorbare alarmen waarnamen tijdens het vliegen in een simulator. Bovendien lijken specifieke hersengebieden geactiveerd tijdens videofeedback na het uitvoeren van een complexe landingstaak. Zo beginnen de hersengebieden die actief zijn tijdens luchtachtervolging, cognitieve overbelasting en feedback – allemaal relevant voor luchtvaarttraining – te worden geïdentificeerd. Aangezien veel van deze gegevens echter zijn verzameld bij amateurs – en niet bij zeer ervaren militaire piloten – moet de toepasbaarheid ervan op hoogopgeleide militaire piloten worden getest.

Het toepassen van de technieken van neuro-ergonomie om de prestaties van militaire piloten te verbeteren zal twee verschillende stappen vereisen: 1.) De neuroanatomische circuits die verband houden met verschillende aspecten van de hoogwaardige luchtvaart moeten worden geïdentificeerd; en 2.) voor elk circuit zullen trainingsparadigma's moeten worden geïdentificeerd om het neuroanatomische circuit van belang te versterken om niet alleen de gedragsprestaties te volgen, maar ook de neurale correlaten die verband houden met verbeterde prestaties.

PICT-taak - MRI-vluchtsimulatie-uitdagingen

De Precision Instrument Control Task (PICT)-vluchtsimulatortest is een bewerking van een bestaand onderzoek naar menselijke prestaties, genaamd "Wayfinding, Hypoxia, and Interceptive Performance in Pilots Executing Transitions" (WHIPPET), dat momenteel wordt uitgevoerd in de Brooks Research Altitude Chambers met het doel van het meten van de verslechtering van de piloten die het gevolg is van matige hypobare hypoxie. De taak genereert kwantitatieve meetgegevens om de nauwkeurigheid en snelheid te beoordelen waarmee een piloot tijdens het vliegen corrigerende controle-inputs kan uitvoeren. De taken zullen worden aangepast vanuit hun huidige psychofysische toepassing voor gebruik in deze neuroimaging-toepassing.

Beide piloottaken zullen worden uitgevoerd met behulp van de in de handel verkrijgbare applicatiesoftware genaamd XPlane (Laminar Research, Inc., Columbia SC), een pc-gebaseerde simulatiesuite die gebruik maakt van geloofwaardige vluchtbesturingen en dynamische vliegtuigmodellen om hifi gesimuleerde vluchten te presenteren met de visuele kenmerken en eisen van een echte vlucht. XPlane is gebruikt bij psychofysisch onderzoek naar het effect van omgevingsstressoren op de menselijke prestaties in een cockpitomgeving, en om gebieden van hersenactivatie te identificeren tijdens de uitvoering van gesimuleerde achtervolgingstaken in de lucht. Voor deze toepassing zal XPlane worden ingezet om de aerodynamische eigenschappen van een F/A-18F te presenteren. De visuele interface omvat een voorwaarts "out-the-window" display met een generiek head-up display (HUD) met klim-duikladder, horizon- en koersindicatoren, en digitale luchtsnelheid- en verticale snelheidsindicatoren. Het display zal worden gepresenteerd in de fMRI-scanner met behulp van een stereogene bril, het Visual System HD-display (NordicNeuroLab, Bergen, Noorwegen), gemonteerd in de scanner via de Siemens Vida 64-kanaals headcoil, zoals met succes is gebruikt om interactieve virtual reality-platforms te bouwen voor fMRI-onderzoekstoepassingen5. Dit apparaat zal de experimentele visuele interface in 1920 x 1200 pixels formaat weergeven via een stereoscopische bril, waarbij de array van elk oog zich ongeveer 52 x 34 graden (horizontaal x verticaal) in het gezichtsveld uitstrekt. Deze configuratie zou voldoende resolutie en hoekverkleining moeten bieden om virtuele aanwezigheid in de gesimuleerde omgeving te produceren.

Specifieke doelstellingen

1. Bepaal welke delen van de hersenactiviteit correleren met het prestatieniveau tijdens vluchtsimulatie (PICT).
2. Bepaal de veranderingen in hersenactiviteit die optreden tijdens twee afzonderlijke tijdstippen.
3. Bepaal welke delen van de hersenanatomie correleren met het prestatieniveau tijdens vluchtsimulatie (PICT).
4. Bepaal de veranderingen in de anatomie van de hersenen die optreden tijdens twee afzonderlijke tijdstippen.