Bestemme hvilke områder av hjernen som er aktive under flysimulering på separate tidspunkter under trening (fMRI Pilots)

Etablering, vedlikehold og kvantifisering av beredskap hos personer og populasjoner med høy ytelse, for eksempel aktive piloter, er fortsatt en betydelig utfordring i DoD. Ferdighet i piloter, som andre høyytelsespopulasjoner, består av mestring av flere oppgaver. Noen oppgaver, for eksempel G-straining, er avhengig av kjente tilnærminger for å styrke muskel- og skjelettutholdenhet i rumpa, quadriceps og hamstrings1 med veldefinerte øvelser for å forbedre toleransen for høye G-belastninger. Derfor, hvis en bestemt pilot eller trainee sliter med nesten G-indusert bevissthetstap, kan klare treningsregimer foreskrives for å styrke de nødvendige musklene for å forbedre ytelsen. Imidlertid er kognitive oppgaver, som å nøyaktig kontrollere et fly for å opprettholde en bestemt bane, til tross for tilstedeværelsen av sidevind og andre forstyrrelser, vanskeligere å forstå og trene. Inntil for flere år siden var det ingen klar tilnærming til å definere nevronkretsen som er nødvendig for slike oppgaver. Uten denne forståelsen av dette kognitive kretsløpet, er det vanskelig om ikke umulig å foreskrive målrettede og effektive treningsmodaliteter for å styrke ytelsen.

Nevroergonomi Ved å oppdage subtile endringer i blodstrømmen til forskjellige områder av hjernen under en oppgave, kan funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) lokalisere de mest aktive områdene i hjernen til enhver tid. Denne teknologien går raskt fremover og viser for spesifiserte oppgaver bemerkelsesverdig konsistens i flere kortikale områder av hjernen som brukes under samme oppgave, mellom forskjellige individer. De flere regionene som er aktivert under en bestemt oppgave, blir ofte referert til som "funksjonelt koblet". I tillegg deler disse funksjonelt sammenkoblede områdene av hjernen aktivert under en kognitiv oppgave en analogi med musklene som er aktivert for å utføre en fysisk oppgave. En annen MR-teknologi kan kvantifisere tilkoblingen gjennom aksoner lokalisert i hvit substans (trådene i hjernen) og måle styrken på den fysiske forbindelsen mellom ulike regioner i hjernen – kalt strukturell tilkobling. Interessant nok, i likhet med muskler etter langvarig trening, kan "styrken" av forbindelser mellom spesifikke regioner vise målbare økninger med trening og repetisjon.

På grunn av de høye magnetiske feltene som eksisterer i MR-maskiner, kunne imidlertid ikke komplekse enheter eller videoskjermer tradisjonelt brukes ved skanning av motiver. Som et resultat var tidlige oppgaver innen skannere (kalt paradigmer) ofte serielle og ikke representative for de svært dynamiske oppgavene med å fly. Men skjermsystemer med høy oppløsning er tilgjengelige som er MRI-kompatible - som kan generere høy oppløsning og mer oppslukende miljøer5. Videre har det også blitt utviklet stadig mer sofistikerte inngangsenheter som er MRI-kompatible, og nå er det mulig å inkludere en realistisk flightstick for å kontrollere stigning, rulling og gass på simulerte flyskrog.

Dermed kan feltet nevroergonomi - analysere hvordan hjernen oppfører seg under daglige operasjoner på en mer naturalistisk måte - brukes til luftfart6. Nylig fMRI-arbeid har startet for å identifisere nevrokretsløpet som er involvert i spesifikke flygeoppgaver som luftforfølgelse. Annet arbeid har identifisert områder av hjernen aktivert under kognitiv overbelastning der forsøkspersoner ikke oppfattet hørbare alarmer mens de fløy i en simulator. Videre vises spesifikke hjerneregioner aktivert under videotilbakemelding etter å ha utført en kompleks landingsoppgave. Dermed begynner hjerneområdene som er aktive under luftforfølgelse, kognitiv overbelastning og tilbakemelding - alt relevant for luftfartstrening - å bli identifisert. Men gitt at mye av disse dataene har blitt samlet inn fra amatører - ikke svært erfarne militærpiloter - må deres anvendelighet på høyt trente militære flygere testes.

Å bruke nevroergonomiteknikkene for å forbedre ytelsen til militære flygere vil kreve to forskjellige trinn: 1.) De nevroanatomiske kretsene knyttet til ulike aspekter av høyytelses luftfart må identifiseres; og 2.) for hver krets, må treningsparadigmer identifiseres for å styrke den nevroanatomiske kretsen av interesse for å spore ikke bare atferdsmessig ytelse, men de nevrale korrelasjonene forbundet med forbedret ytelse.

PICT-oppgave -- MR-flysimuleringsutfordringer

Precision Instrument Control Task (PICT) flysimulatortest er tilpasset fra en eksisterende studie av menneskelig ytelse, kalt "Wayfinding, Hypoxia, and Interceptive Performance in Pilots Executing Transitions" (WHIPPET), som for tiden gjennomføres ved Brooks Research Altitude Chambers med målet om å måle pilotforverringen som er et resultat av moderat hypobarisk hypoksi. Oppgaven genererer kvantitative beregninger for å vurdere nøyaktigheten og hurtigheten som en pilot kan utføre korrigerende kontrollinndata med mens han flyr. Oppgavene vil bli tilpasset fra deres nåværende psykofysiske applikasjon for bruk i denne nevroimaging applikasjonen.

Begge pilotoppgavene vil bli utført ved hjelp av den kommersielt tilgjengelige applikasjonsprogramvaren kalt XPlane (Laminar Research, Inc., Columbia SC), som er en PC-basert simuleringssuite som bruker troverdige flykontroller og dynamiske flymodeller for å presentere høyfilighetssimulerte tokter med de visuelle egenskapene og kravene til ekte flukt. XPlane har blitt brukt i psykofysiske undersøkelser av effekten av miljøstressorer på menneskelig ytelse i et cockpitmiljø, og for å identifisere områder med hjerneaktivering under utførelsen av simulerte luftforfølgelsesoppgaver. For denne applikasjonen vil XPlane bli brukt for å presentere de aerodynamiske egenskapene til en F/A-18F. Det visuelle grensesnittet vil inkludere en frem "ut av vinduet"-skjerm som inkluderer en generisk head-up-display (HUD) med klatre-dykkestige, horisont- og kursindikatorer, og digitale lufthastighets- og vertikalhastighetsindikatorer. Displayet vil bli presentert i fMRI-skanneren ved hjelp av stereogene briller kalt Visual System HD (NordicNeuroLab, Bergen, Norge)-skjermen montert i skanneren via Siemens Vida 64-kanals hodespole, som har blitt brukt med suksess for å konstruere interaktive virtuelle virkelighetsplattformer for fMRI-forskningsapplikasjoner5. Dette apparatet vil presentere det eksperimentelle visuelle grensesnittet i 1920 x 1200 pikslers format via stereoskopiske briller, med hvert øyes array som strekker seg omtrent 52 x 34 grader (horisontal x vertikal) i synsfeltet. Denne konfigurasjonen bør gi rikelig oppløsning og kantete subtens for å produsere virtuell tilstedeværelse i det simulerte miljøet.

Spesifikke mål

1. Bestem hvilke deler av hjerneaktiviteten som korrelerer med ytelsesnivået under flysimulering (PICT).
2. Bestem endringene i hjerneaktivitet som skjer i løpet av to separate tidspunkter.
3. Bestem hvilke deler av hjernens anatomi som korrelerer med ytelsesnivået under flysimulering (PICT).
4. Bestem endringene i hjernens anatomi som skjer i løpet av to separate tidspunkter.