Określanie, które obszary mózgu są aktywne podczas symulacji lotu w różnych punktach czasowych podczas treningu (fMRI Pilots)

Ustanowienie, utrzymanie i ilościowe określenie gotowości osób i populacji o wysokich osiągach, takich jak piloci czynni, pozostaje poważnym wyzwaniem w Departamencie Obrony. Biegłość w pilotach, podobnie jak w innych populacjach o wysokich osiągach, polega na opanowaniu wielu zadań. Niektóre zadania, takie jak rozciąganie G, opierają się na znanych metodach wzmacniania wytrzymałości mięśniowo-szkieletowej pośladków, mięśnia czworogłowego i ścięgien podkolanowych1 za pomocą dobrze zdefiniowanych ćwiczeń poprawiających tolerancję na duże obciążenia G. Zatem, jeśli konkretny pilot lub stażysta zmaga się z utratą przytomności wywołaną niemal przeciążeniem, można zalecić jasne programy treningowe w celu wzmocnienia mięśni niezbędnych do poprawy wydajności. Jednak zadania poznawcze, takie jak precyzyjne sterowanie statkiem powietrznym w celu utrzymania określonej trajektorii pomimo obecności bocznego wiatru i innych zakłóceń, są trudniejsze do zrozumienia i wyszkolenia. Jeszcze kilka lat temu nie było jasnego podejścia do definiowania obwodu neuronowego niezbędnego do realizacji takich zadań. Bez takiego zrozumienia tych obwodów poznawczych trudne, jeśli nie niemożliwe, jest zapisanie ukierunkowanych i skutecznych metod treningowych w celu wzmocnienia jego wydajności.

Neuroergonomia Wykrywając subtelne zmiany w przepływie krwi do różnych obszarów mózgu podczas wykonywania zadania, funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) może zlokalizować najbardziej aktywne obszary mózgu w dowolnym momencie. Technologia ta rozwija się szybko i w przypadku określonych zadań wykazuje niezwykłą spójność w wielu obszarach korowych mózgu zaangażowanych podczas tego samego zadania u różnych osób. Wiele regionów aktywowanych podczas określonego zadania jest często określanych jako „funkcjonalnie połączone”. Ponadto te funkcjonalnie połączone obszary mózgu aktywowane podczas zadania poznawczego mają podobną analogię do mięśni aktywowanych w celu wykonania zadania fizycznego. Inna technologia MRI może określić ilościowo łączność za pośrednictwem aksonów znajdujących się w istocie białej (przewody w mózgu) i zmierzyć siłę fizycznego połączenia między różnymi obszarami mózgu – zwanego łącznością strukturalną. Co ciekawe, podobnie jak mięśnie po długotrwałym treningu, „siła” połączeń pomiędzy konkretnymi regionami może wykazywać wymierny wzrost wraz z treningiem i powtarzalnością.

Jednakże ze względu na silne pola magnetyczne występujące w urządzeniach MRI, podczas skanowania obiektów nie można było tradycyjnie używać skomplikowanych urządzeń ani wyświetlaczy wideo. W rezultacie wczesne zadania skanerów (zwane paradygmatami) miały często charakter seryjny i nie były reprezentatywne dla wysoce dynamicznych zadań latania. Dostępne są jednak systemy wyświetlaczy o wysokiej rozdzielczości, kompatybilne z rezonansem magnetycznym, które mogą generować środowiska o wysokiej rozdzielczości i bardziej wciągające5. Co więcej, opracowano również coraz bardziej wyrafinowane urządzenia wejściowe, które są kompatybilne z MRI, a teraz możliwe jest dołączenie realistycznego drążka sterującego do kontrolowania pochylenia, przechylenia i przepustnicy symulowanych płatowców.

Zatem dziedzinę neuroergonomii – analizującą zachowanie mózgu podczas codziennych czynności w bardziej naturalistyczny sposób – można zastosować w lotnictwie6. W ramach niedawnych prac fMRI zaczęto identyfikować obwody nerwowe zaangażowane w określone zadania latania, takie jak pościg powietrzny. W ramach innych prac zidentyfikowano obszary mózgu aktywowane podczas przeciążenia poznawczego, w których badani nie odbierali dźwiękowych alarmów podczas lotu w symulatorze. Co więcej, określone obszary mózgu wydają się aktywowane podczas sprzężenia zwrotnego wideo po wykonaniu złożonego zadania lądowania. W ten sposób zaczyna się identyfikować obszary mózgu aktywne podczas pościgu w powietrzu, przeciążenia poznawczego i informacji zwrotnych – wszystkie związane ze szkoleniem lotniczym. Biorąc jednak pod uwagę, że wiele z tych danych zebrano od amatorów – niezbyt doświadczonych pilotów wojskowych – należy przetestować ich zastosowanie w przypadku wysoko wyszkolonych lotników wojskowych.

Zastosowanie technik neuroergonomii w celu poprawy wydajności lotników wojskowych będzie wymagało dwóch odrębnych etapów: 1.) Należy zidentyfikować obwody neuroanatomiczne związane z różnymi aspektami lotnictwa wyczynowego; oraz 2.) Dla każdego obwodu konieczne będzie określenie paradygmatów szkoleniowych w celu wzmocnienia interesującego obwodu neuroanatomicznego w celu śledzenia nie tylko wyników behawioralnych, ale także korelatów neuronowych związanych ze zwiększoną wydajnością.

Zadanie PICT — wyzwania związane z symulacją lotu MRI

Test na symulatorze lotu Precision Instrument Control Task (PICT) jest adaptacją istniejącego badania wydajności człowieka, zwanego „Wayfinding, Hypoxia, and Interceptive Performance in Pilots Executing Transitions” (WHIPPET), które jest obecnie prowadzone w Brooks Research Altitude Chambers z celem pomiaru pogorszenia pilotażu wynikającego z umiarkowanego niedotlenienia hipobarycznego. Zadanie generuje wskaźniki ilościowe umożliwiające ocenę dokładności i szybkości, z jaką pilot może wykonać korygujące polecenia sterujące podczas lotu. Zadania zostaną zaadaptowane z ich aktualnego zastosowania psychofizycznego do wykorzystania w tej aplikacji do neuroobrazowania.

Obydwa zadania pilotażowe będą renderowane przy użyciu dostępnego na rynku oprogramowania aplikacyjnego o nazwie XPlane (Laminar Research, Inc., Columbia SC), które jest pakietem symulacyjnym na komputery PC, który wykorzystuje wiarygodne sterowanie lotem i dynamiczne modele samolotów do przedstawiania symulowanych lotów o wysokiej wierności z cechy wizualne i wymagania prawdziwego lotu. XPlane wykorzystano w badaniach psychofizycznych wpływu stresorów środowiskowych na wydajność człowieka w środowisku kokpitu oraz do identyfikacji obszarów aktywacji mózgu podczas wykonywania symulowanych zadań pościgowych. W tym zastosowaniu XPlane zostanie wykorzystany do zaprezentowania właściwości aerodynamicznych samolotu F/A-18F. Interfejs wizualny będzie zawierał przedni wyświetlacz widoczny za oknem, zawierający ogólny wyświetlacz przezierny (HUD) z drabinką wspinaczkową, wskaźnikami horyzontu i kursu oraz cyfrowymi wskaźnikami prędkości i prędkości pionowej. Wyświetlacz będzie prezentowany w skanerze fMRI przy użyciu stereogenicznych gogli o nazwie Visual System HD (NordicNeuroLab, Bergen, Norwegia) zamontowanych w skanerze za pośrednictwem 64-kanałowej cewki Siemens Vida, stosowanej z powodzeniem do budowy interaktywnych platform rzeczywistości wirtualnej dla Zastosowania badawcze fMRI5. Urządzenie to zaprezentuje eksperymentalny interfejs wizualny w formacie 1920 x 1200 pikseli w goglach stereoskopowych, przy czym pole widzenia każdego oka rozciąga się w przybliżeniu na 52 x 34 stopnie (poziomo x pionowo). Ta konfiguracja powinna zapewniać wystarczającą rozdzielczość i subtelność kątową, aby zapewnić wirtualną obecność w symulowanym środowisku.

Cele szczegółowe

1. Określ, które części aktywności mózgu korelują z poziomem wydajności podczas symulacji lotu (PICT).
2. Określ zmiany w aktywności mózgu, które zachodzą w dwóch różnych punktach czasowych.
3. Określ, które części anatomii mózgu korelują z poziomem wydajności podczas symulacji lotu (PICT).
4. Określ zmiany w anatomii mózgu, które zachodzą w dwóch różnych punktach czasowych.