Koffeinoptimalisering i sanntid under totalt søvnmangel

Det første målet med denne studien er å finne ut om 2B-Alert-koffeinoptimeringsmodellen (2BAlert) kan lage individualiserte koffeinplaner som effektivt gjenoppretter PVT-ytelse i løpet av et spesifisert tidsvindu. 2BAlert-modellen er bærebjelken i det omfattende tretthetsstyringssystemet som utvikles av Walter Reed Army Institute of Research (WRAIR) og Biotechnology High Performance Computing Software Applications Institute (BHSAI). Det er et programvareverktøy som "lærer" (kvantifiserer) forholdet mellom et individs søvn-/våkneparametre (som objektivt målt via håndleddsaktigrafi) og hans/hennes psykomotoriske ytelse (som objektivt målt på en PVT). Den kvantifiserer i hvilken grad et individ er følsomt/resistent overfor effektene av søvntap, og produserer individualiserte ytelsesforutsigelser som kan brukes til å informere beslutninger om nåværende og fremtidig beredskap, samt bruk av tretthetsmottiltak som lur eller koffein . Den nyeste versjonen av 2BAlert kan bruke tretthetsmottiltak direkte på en person basert på deres individuelle ytelsesprediksjon. Denne modellen gir anbefalinger for når og hvor mye koffein som skal brukes for å optimalisere ytelsen i løpet av en spesifisert tidsperiode. Selv om denne modellen har blitt brukt post-hoc på tidligere innsamlede data, har den ennå ikke blitt testet i sanntid. Denne studien vil gi den første muligheten til direkte å teste om modellen kan brukes effektivt, i sanntid, for å gjenopprette PVT-ytelse til et ønsket nivå (dvs. 275 ms) når det er nødvendig (dvs. en seks timers periode etter 44 timers søvn tap).

Et andre mål med denne studien er å undersøke om 2BAlert ikke bare kan gjenopprette PVT-ytelse i løpet av en spesifisert periode, men også gjenopprette økninger i selvrapportert stress og angst relatert til søvntap. Data fra en tidligere studie av WRAIR viser at selvrapportert stress og angst øker etter 1 natt med søvntap og fortsetter å øke etter en annen natt med kontinuerlig søvnmangel. Disse målene går tilbake til baseline etter 12 timers restitusjonssøvn og kartlegger direkte på PVT-ytelse. Derfor antar etterforskerne at hvis PVT-ytelse kan gjenopprettes av koffein, kan selvrapportert stress og angst også komme tilbake nær baseline-nivåer med koffein.

Et tertiært mål med studien er å vurdere om bilder tatt med et smarttelefonkamera er egnet for å utvikle et passivt, ikke-påtrengende datasynssystem som kan erstatte PVT for å vurdere årvåkenhet. Foreløpig bruker algoritmen PVT-data fordi: (a) sammenlignet med andre ytelsesmål er PVT-en relativt følsom for søvntap og døgnrytmen for årvåkenhet; og (b) det er ingen læringseffekter på PVT. Imidlertid krever PVT at et individ aktivt deltar i en 3- til 10-minutters test, som må utføres minst et dusin ganger under søvnmangel, noe som gjør det til en sensitiv, men upraktisk test for å måle en soldats årvåkenhet i operasjonsinnstillinger.

Alle deltakere vil delta i følgende kontinuerlige studiefaser. Koffeintyggegummi kan administreres under denne studien.

Fase 1: Måling av søvn/våken hjemme: Alle deltakere vil bli bedt om å opprettholde sin normale søvn/våkne-plan for de 13 dagene/12 nettene umiddelbart før fase 2 (laboratoriedelen av studien). Overholdelse vil bli verifisert objektivt via håndleddsaktigrafi. Deltakerne vil bli gitt en smarttelefon og bedt om å fullføre en PVT på den hver 3. time mens de er våkne og logge deres normale koffeinbruk samt daglige søvnvarighet.

Fase 2: Søvn/våkne og PVT ytelsesvurdering i laboratoriet: Deltakerne vil rapportere til søvnlaboratoriet kl. 19.00 på dag 13. Mens de er våkne i laboratoriet, vil de gjennomføre ulike kognitive tester, inkludert PVT, og ta opp en 3-minutters video av ansiktet hver 3. time. De vil få sove fra kl. 23.00 på dag 13 til kl. 07.00 på dag 14, og søvnen vil bli overvåket via PSG og aktigrafi. Dette vil bli fulgt av 62 timer med kontinuerlig våkenhet (dvs. fra 07.00 på dag 14 til 21.00 på dag 16). Kl. 19.00 på dag 15, vil 2BAlert kjøres for hvert individ og vil bruke hver enkelts tidligere søvn og ytelse til å lage en individualisert koffeindoseringsplan for å optimalisere ytelsen fra 0300-0900 på dag 16.

Fase 3: Restitusjon i laboratoriet: Alle deltakere vil gjennomgå en restitusjonsfase bestående av 12 timers tid i sengen fra kl. 21.00 på dag 16 til kl. 09.00 på dag 17, og søvn vil bli overvåket via PSG og aktigrafi. Tidsplanen for kognitiv testing og ansiktsvideoopptak vil fortsette fra fase 2 i våkne timer. Etter å ha blitt evaluert av en studielege vil de bli løslatt fra studien ca kl. 1800 på dag 17. Dermed vil deltakerne være i laboratoriet i til sammen 95 timer.

Hovedendepunktet for denne studien er psykomotorisk årvåkenhetstestytelse (PVT), målt ved hjelp av Smart-PVT. Et sekundært endepunkt er selvrapportert stress og angst, målt ved henholdsvis Stress Visual Analog Scale og Spielberger State-Trait Anxiety Inventory. Et tredje endepunkt i studien er å teste om ansiktsbilder tatt med telefonkameraet kan brukes til å vurdere våkenhetsnivået til forsøkspersoner med søvnmangel.

Hypoteser som skal testes: (a) Psykomotoriske ytelsesdata samlet på Smart-PVT vil holde seg på eller under 275ms under Peak Alertness Window for optimalisert ytelse, noe som indikerer at 2BAlert er gyldig og klar til å brukes i fremtidige feltstudier og driftsinnstillinger. (b) Selvrapportert stress og angst vil gå tilbake til baseline-nivåer under Peak Alertness Window og kartlegge gjenoppretting av PVT-ytelse i løpet av dette tidsvinduet.

BAKGRUNN: Søvntap-indusert nevroatferdssvikt er en anerkjent trussel mot sikkerhet og produktivitet i både sivile og militære operasjoner. Svært publiserte tretthetsrelaterte ulykker og uhell (inkludert kommersielle uhell som de som skjedde på 3-Mile Island, Chernobyl og Bhopal; og militære uhell som bakholdet til 507th Maintenance Company) fortsetter å trekke oppmerksomheten mot søvnproblemet tap/søvnighet i driftsmiljøer. Slike ulykker fremhever skadelige effekter av søvntap på beslutningstaking, årvåkenhet, problemløsning og andre mentale evner som er kritiske for militær effektivitet. Publikasjoner og manualer fra hæren, U.S. Marine Corps og den amerikanske marinen har dokumentert militærrelevante skadelige effekter av søvntap på årvåkenhet og ytelse. Hærens femte Mental Health Advisory Team-undersøkelse av Warfighters som tjenestegjorde i Operation Iraqi Freedom og Operation Enduring Freedom avslørte at tjenestemedlemmer som rapporterte mindre søvn også rapporterte høyere forekomst av ulykker og feil, og oftere støttet negative mentale helseartikler.

Forsvarsdepartementet har finansiert utviklingen av en beregningsmodell for å kvantifisere effekten av daglige søvnmengder på nevroatferdsmessig ytelse. Den nyeste (og mest avanserte) versjonen av den matematiske søvn-/ytelsesprediksjonsmodellen er 2BAlert-modellen, utviklet av BHSAI. Som sine forgjengere, var 2BAlert hovedsakelig basert på PVT-data samlet inn i WRAIR søvnforskningslaboratoriet. PVT-data ble brukt fordi, for det formål å konstruere søvn-/ytelsesprediksjonsmodeller, er de generelt overlegne data fra andre ytelsesmål på flere viktige måter: (a) sammenlignet med andre ytelsesmål er PVT relativt følsom for søvntap og våkenhets døgnrytme; (b) det er ingen læringseffekter på PVT; og (c) det har tidligere blitt demonstrert at en PVT-basert søvn/ytelsesprediksjonsmodell har god økologisk validitet. Det vil si at de PVT-baserte modellspådommene om ytelseseffektivitet har vist seg å korrelere godt med "risiko for ulykker" i faktiske jernbaneoperasjoner.

Det nåværende 2BAlert-verktøyet kommer i to former: 1) et nettbasert verktøy som tar søvn- og koffeinplaner og viser den forutsagte GRUPPENS GJENNOMSNITTLIGE ytelse og 2) en smarttelefonapp som bruker individuell ytelse målt med PVT på en smarttelefon for å individualisere ytelsen prediktiv modell. Denne versjonen av verktøyet ble vellykket validert i en fersk studie av WRAIR. Den nyeste versjonen av smarttelefonappen bruker individualiserte ytelsesforutsigelser for å beregne individualisert koffeinplanlegging som optimaliserer ytelsen i bestemte perioder. Selv om dette verktøyet ble utviklet ved hjelp av data samlet inn ved WRAIR og har blitt kjørt post-hoc på data som tidligere er samlet inn hos WRAIR, har det ennå ikke blitt testet i sanntid. Derfor er formålet med denne studien å validere denne koffeinoptimaliseringsalgoritmen i sanntid. Etterforskerne vil bruke samme studieprotokoll som den nylige WRAIR-studien fordi det er kjent at det er variasjon i ytelse i en frisk populasjon over denne tidsperioden og at den generelle ytelsen er langsommere enn 275 ms og selvrapportert stress og angst øker betydelig uten en koffein intervensjon. I tillegg, ved å bruke et tidligere studiedesign, kan etterforskerne minimere belastningen på studieteamet ved å lage ny dokumentasjon og tidsplaner.

For å ta et skritt tilbake er det viktig å ta opp hvorfor koffeinoptimalisering er viktig og relevant for militæret. Mens koffein er allment akseptert og brukt som et stimulerende middel for å motvirke effekten av tretthet forbundet med skiftarbeid og søvntap, har en tidligere studie utført av WRAIR vist at koffein mister sin effektivitet og kan til og med bremse utvinningen ved gjentatt bruk og kronisk søvntap. Dette overraskende resultatet indikerer at koffein har en grense og en kostnad, og derfor ville Warfighter være mer effektiv hvis han eller hun brukte koffein optimalt. For tidligere koffeinstudier med lignende lengder av kontinuerlig søvnmangel som gjeldende protokoll, fikk deltakerne 800 mg koffein hver natt. Selv om denne forskningen tyder på at etterforskerne kunne gjenopprette ytelsen ved å gi alle deltakerne i denne studien 800 mg koffein, vil 2BAlert-algoritmen tillate etterforskerne å gi noen deltakere mindre koffein, men likevel oppnå samme resultat som om alle hadde fått 800 mg koffein.

Nyere forskning brukte 2BAlert-algoritmen post-hoc ved å bruke parametere lagt ut i denne protokollen. Modellresultatene viser at alle deltakerne gjenopprettet ytelsen under Peak Alertness Window, dvs. mellom 44-50 timer våken, der restitusjon er definert som 275ms eller raskere, og over halvparten av forsøkspersonene trengte mindre enn halvparten av den maksimalt tillatte mengden koffein (800mg). ), mens tre personer ikke krevde koffein i det hele tatt. Etterforskerne håper å validere 2BAlert ved å bruke det på sanntidsdata ved å bruke det opprinnelige studiedesignet.

I tillegg til å teste koffeinoptimaliseringsmodellen, er etterforskerne også interessert i å teste hypotesen om at hvis PVT-ytelse kan gjenvinnes med koffein, kan selvrapportert stress og angst også gjenopprettes. Nyere arbeid fant at selvrapportert stress og angst økte med økt søvntap og kom seg til baseline etter restitusjonssøvn, etter samme trend som PVT-ytelsesdata. Mens tidligere arbeid har vist at selvrapportert stress og angst øker med 1 natts søvntap, er dette de første dataene som viser at selvrapportert stress og angst fortsetter å øke etter 2 netter med søvntap. Det er foreløpig ingen studier som rapporterer om og hvordan selvrapportert stress og angst kan utvinnes med koffein under søvntap.