Optimalisering av sjel-kroppssamspill i respirasjonskontroll under operasjonelt relevante miljømessige stressfaktorer (DEPSCoR)

Mange krigere utsettes for miljøforhold som øker pustemotstanden, noe som i sin tur øker pustearbeidet (WOB). Livsstøttesystemer, som flybårne oksygenleveringssystemer (OBOGs) og selvstendige undervannspusteapparater (SCUBA), utfordrer operasjonskapasiteten ved å svekke pusteytelsen. Dette er et betydelig bekymringsmoment som er reist av flere arbeidsgrupper. For eksempel dokumenterer NASAs Pilot Breathing Assessment-teknisk rapport problematiske økninger i pustemotstand rapportert av piloter. På samme måte bemerket Restrictive Breathing Working Group at F-22 Life Support System påfører et altfor høyt mekanisk WOB. Som svar har Navy Experimental Diving Unit foreslått at å redusere WOB kan beskytte høytpresterende flypiloter mot farlige fysiologiske hendelser. Økninger i WOB intensiverer de sensoriske og emosjonelle oppfatningene av dyspné, i det minste delvis på grunn av økt bevissthet om pusting. Nylige data indikerer at forhøyet WOB, og sannsynligvis pustepersepsjon, kan svekke kognitiv funksjon. Denne svekkelsen skyldes sannsynligvis negative affektive følelser som følge av den økte WOB, som distraherer fra sentral informasjonsprosessering under komplekse reaksjonstidsoppgaver. I tillegg forverres både reaksjonstid og nøyaktighet når større belastninger legges på de inspiratoriske musklene. Det er imidlertid flere viktige kunnskapshull som gjelder for krigere som opplever forhøyet inspiratorisk motstand. Det er ikke kjent om: 1) å redusere WOB under inspiratorisk motstand kan senke pustepersepsjonen og gjenopprette kognitiv funksjon, 2) å endre auditiv tilbakemelding om ventilasjon under inspiratorisk motstand kan senke pustepersepsjonen og gjenopprette kognitiv funksjon, og 3) termiske stressfaktorer forsterker WOB, øker pustepersepsjoner og reduserer kognitiv funksjon under inspiratorisk motstand. Målet er å fokusere på problemet at et økt pustearbeid (WOB) forsterker oppfatningen av pusting som deretter svekker kognitiv ytelse hos krigere. For å oppnå målet vil studien adressere følgende spesifikke mål:

Mål 1 (Studieblokk 1): Nylig er det påvist at å øke den inspiratoriske belastningen øker dyspné, hjerncaktivering og negativt påvirker nevropsykologisk testprestasjon knyttet til oppmerksomhet. Det antas at kognitiv ytelse sannsynligvis reduseres når inspiratorisk motstand økes gjennom både motorisk-kognitiv interferens og en dyspné-relatert skift i oppmerksomhetsfokus. Studier har funnet at den oppfattede inspiratoriske belastningen, snarere enn faktisk muskelinnsats, påvirket oppmerksomheten negativt. Mens bevis indikerer at høyere inspiratorisk motstand og pustepersepsjon svekker kognitiv funksjon, forblir et viktig kunnskapshull ettersom det er uklart om å redusere WOB under høye resistive belastninger kan gjenopprette kognitiv funksjon. Heliox senker det resistive WOB og muskelbelastningen på grunn av sin lave tetthet og viskositet, noe som muliggjør høyere ventilasjonsrater enn romluft ved å redusere turbulent strømning i luftveiene. Derfor vil pusting av heliox, som vil senke WOB, under høy inspiratorisk motstand gi avgjørende innsikt i om å redusere WOB kan forbedre kognitiv funksjon. Det antas at bruk av heliox vil redusere WOB, senke oppfattet pustearbeid og forbedre kognitiv funksjon sammenlignet med pusting av normal tetthetsluft med forhøyet inspiratorisk motstand.

Mål 2 (Studieblokk 2): I noen tilfeller kan det være uoverkommelig å redusere inspiratoriske resistive belastninger (f.eks. OBOGs, SCUBA) for krigere, men å forstå hvordan pustepersepsjon påvirkes av motstand er avgjørende. Auditiv tilbakemelding om ventilasjon påvirker pustebevisstheten betydelig, og ettersom WOB øker, intensiveres denne oppfatningen på grunn av forbedret auditiv input. Denne økte bevisstheten kan distrahere og belaste kognitiv prosessering. Nylige studier indikerer at auditive distraksjoner, som musikk under trening, kan redusere dyspné og respiratorisk og helkropps ubehag hos friske individer og de med kronisk obstruktiv lungesykdom. Denne effekten kan stamme fra redusert auditiv tilbakemelding eller forbedrede emosjonelle tilstander knyttet til musikk. Det eksisterer imidlertid et viktig kunnskapshull: det er uklart om å redusere auditiv tilbakemelding om ventilasjon under økt inspiratorisk motstand påvirker pustepersepsjon og kognitiv funksjon. Studien vil vurdere effekten av ulike auditiv tilbakemelding om ventilasjonsforhold (normal, eliminert og forsterket) på kognitiv funksjon under høy inspiratorisk motstand. Det antas at å redusere auditiv tilbakemelding om ventilasjon ikke vil endre WOB, men vil redusere pustepersepsjon og forbedre kognitiv ytelse sammenlignet med standard eller forsterket tilbakemelding.

Mål 3 (Studieblokk 3): Krigere står ofte overfor termiske stressfaktorer som øker WOB, selv med livsstøttesystemer på plass. Både kulde- og varmestress øker WOB uavhengig, uten at økt inspiratorisk motstand kreves. Mange krigere vil snart møte ekstrem kulde på grunn av Forsvarsdepartementets fokus på arktiske operasjoner. Kuldestress stimulerer ventilasjon og forårsaker en tofaset bronkiolrespons: innånding av kald luft under hyperventilasjon fører til initial bronkodilatasjon etterfulgt av bronkokonstriksjon, som strammer bronkiolene og øker luftstrømmotstanden, og dermed WOB. Krigere utsettes også for ekstrem varme, og hypertermi-indusert hyperventilasjon oppstår når kjernekroppstemperaturen når omtrent 38,0°C, noe som korrelerer betydelig med økt WOB under varmestress. Krigere opplever ofte disse miljøstressfaktorene sammen med forhøyet pustemotstand, spesielt under undervannsdykkingsoppdrag i varierende temperaturer eller i høytpresterende fly med OBOGs utsatt for ekstrem varme. For eksempel registrerte Nellis Air Force Base nylig en temperatur på 118°F (48°C). Det eksisterer et kritisk kunnskapshull angående om høy inspiratorisk motstand kombinert med termisk stress forsterker WOB, endrer oppfatningen av pusting og kognitive og fysiologiske responser. Studien vil undersøke WOB, pustepersepsjon, kognitiv funksjon og fysiologiske responser under kombinert inspiratorisk motstand og termisk stress (termoneutral, varme og kulde). Det antas at WOB vil øke under varme- og kuldestress, noe som resulterer i større oppfatninger av pustevansker og redusert kognitiv ytelse sammenlignet med termoneutrale forhold.