Optymalizacja interakcji umysł-ciało w kontroli oddechowej podczas operacyjnie istotnych czynników stresowych środowiskowych (DEPSCoR)

Wielu żołnierzy jest narażonych na warunki środowiskowe, które zwiększają opór oddechowy, co z kolei zwiększa pracę oddechową (WOB). Systemy podtrzymywania życia, takie jak pokładowe systemy dostarczania tlenu (OBOGs) w samolotach oraz autonomiczne aparaty oddechowe (SCUBA), stanowią wyzwanie dla zdolności operacyjnych, pogarszając wydolność oddechową. Jest to istotny problem zgłoszony przez wiele grup roboczych. Na przykład, raport techniczny NASA dotyczący oceny oddychania pilotów dokumentuje problematyczny wzrost oporu oddechowego zgłaszany przez pilotów. Podobnie, Grupa Robocza ds. Ograniczonego Oddychania zauważyła, że System Podtrzymywania Życia F-22 narzuca nadmiernie wysoką mechaniczną pracę oddechową (WOB). W odpowiedzi, Jednostka Doświadczalna Nurkowania Marynarki Wojennej zasugerowała, że zmniejszenie WOB może chronić pilotów samolotów wysokich osiągów przed niebezpiecznymi zdarzeniami fizjologicznymi. Wzrost WOB nasila sensoryczne i emocjonalne postrzeganie duszności, przynajmniej częściowo z powodu zwiększonej świadomości oddychania. Najnowsze dane wskazują, że podwyższony WOB, a prawdopodobnie także postrzeganie oddychania, może upośledzać funkcje poznawcze. To upośledzenie jest prawdopodobnie spowodowane negatywnymi odczuciami afektywnymi wynikającymi ze zwiększonego WOB, co odwraca uwagę od centralnego przetwarzania informacji podczas złożonych zadań czasu reakcji. Dodatkowo, zarówno czas reakcji, jak i dokładność pogarszają się, gdy na mięśnie wdechowe nakładane są większe obciążenia. Jednak nadal istnieje kilka kluczowych luk w wiedzy istotnych dla żołnierzy doświadczających podwyższonego oporu wdechowego. Nie wiadomo, czy: 1) zmniejszenie WOB podczas oporu wdechowego może obniżyć postrzeganie oddychania i przywrócić funkcje poznawcze, 2) zmiana słuchowego sprzężenia zwrotnego wentylacji podczas oporu wdechowego może obniżyć postrzeganie oddychania i przywrócić funkcje poznawcze, oraz 3) czynniki stresowe termiczne wzmacniają WOB, zwiększają postrzeganie oddychania i obniżają funkcje poznawcze podczas oporu wdechowego. Celem jest skupienie się na problemie, że zwiększona praca oddechowa (WOB) wzmacnia postrzeganie oddychania, co następnie upośledza wydolność poznawczą żołnierzy. Aby osiągnąć cel, badanie zajmie się następującymi konkretnymi celami:

Cel 1 (Blok Badawczy 1): Niedawno wykazano, że zwiększenie obciążenia wdechowego nasila duszność, aktywację mózgu i negatywnie wpływa na wyniki testów neuropsychologicznych związanych z uwagą. Zakłada się, że wydolność poznawcza prawdopodobnie ulegnie zmniejszeniu, gdy opór wdechowy zostanie zwiększony, zarówno poprzez interferencję motoryczno-poznawczą, jak i przesunięcie uwagi związane z dusznością. Badania wykazały, że postrzegane obciążenie wdechowe, a nie rzeczywisty wysiłek mięśniowy, negatywnie wpływało na uwagę. Chociaż dowody wskazują, że wyższy opór wdechowy i postrzeganie oddychania upośledzają funkcje poznawcze, nadal istnieje kluczowa luka w wiedzy, ponieważ nie jest jasne, czy zmniejszenie WOB przy wysokich oporach może przywrócić funkcje poznawcze. Heliox obniża oporową pracę oddechową (WOB) i obciążenie mięśni ze względu na swoją niską gęstość i lepkość, umożliwiając wyższe wskaźniki wentylacji niż powietrze atmosferyczne poprzez zmniejszenie turbulentnego przepływu w drogach oddechowych. Dlatego oddychanie helioxem, które obniży WOB, przy wysokim oporze wdechowym dostarczy kluczowych informacji na temat tego, czy zmniejszenie WOB może poprawić funkcje poznawcze. Postawiono hipotezę, że użycie helioxu zmniejszy WOB, obniży postrzegany wysiłek oddechowy i poprawi funkcje poznawcze w porównaniu z oddychaniem powietrzem o normalnej gęstości przy podwyższonym oporze wdechowym.

Cel 2 (Blok Badawczy 2): W niektórych przypadkach zmniejszenie oporów wdechowych (np. OBOGs, SCUBA) dla żołnierzy może nie być możliwe, ale zrozumienie, jak postrzeganie oddychania jest wpływane przez opór, jest kluczowe. Słuchowe sprzężenie zwrotne wentylacji znacząco wpływa na świadomość oddychania, a wraz ze wzrostem WOB to postrzeganie nasila się z powodu wzmocnionego wejścia słuchowego. Ta zwiększona świadomość może rozpraszać i obciążać przetwarzanie poznawcze. Najnowsze badania wskazują, że rozpraszacze słuchowe, takie jak muzyka podczas ćwiczeń, mogą zmniejszać duszność oraz dyskomfort oddechowy i całego ciała u zdrowych osób i osób z przewlekłą obturacyjną chorobą płuc. Ten efekt może wynikać ze zmniejszonego słuchowego sprzężenia zwrotnego lub poprawy stanów emocjonalnych związanych z muzyką. Jednak istnieje kluczowa luka w wiedzy: nie jest jasne, czy zmniejszenie słuchowego sprzężenia zwrotnego wentylacji podczas zwiększonego oporu wdechowego wpływa na postrzeganie oddychania i funkcje poznawcze. Badanie oceni wpływ różnych warunków słuchowego sprzężenia zwrotnego wentylacji (normalne, wyeliminowane i wzmocnione) na funkcje poznawcze przy wysokim oporze wdechowym. Postawiono hipotezę, że zmniejszenie słuchowego sprzężenia zwrotnego wentylacji nie zmieni WOB, ale zmniejszy postrzeganie oddychania i poprawi wydolność poznawczą w porównaniu ze standardowym lub wzmocnionym sprzężeniem zwrotnym.

Cel 3 (Blok Badawczy 3): Żołnierze często napotykają czynniki stresowe termiczne, które zwiększają WOB, nawet przy obecnych systemach podtrzymywania życia. Zarówno stres zimna, jak i ciepła podnoszą WOB niezależnie, bez konieczności zwiększania oporu wdechowego. Wielu żołnierzy wkrótce napotka ekstremalne zimno ze względu na skupienie Departamentu Obrony na operacjach arktycznych. Stres zimna stymuluje wentylację i powoduje dwufazową odpowiedź oskrzelików: wdychanie zimnego powietrza podczas hiperwentylacji prowadzi do początkowego rozszerzenia oskrzeli, a następnie skurczu oskrzeli, zaciskając oskrzeliki i zwiększając opór przepływu powietrza, a tym samym WOB. Żołnierze są również narażeni na ekstremalne ciepło, a hiperwentylacja indukowana hipertermią występuje, gdy temperatura rdzenia ciała osiąga około 38,0°C, co znacząco koreluje ze zwiększonym WOB podczas stresu cieplnego. Żołnierze często doświadczają tych środowiskowych czynników stresowych wraz z podwyższonym oporem oddechowym, zwłaszcza podczas misji nurkowych pod wodą w różnych temperaturach lub w samolotach wysokich osiągów z OBOGs narażonymi na ekstremalne ciepło. Na przykład, baza lotnicza Nellis niedawno odnotowała temperaturę 118°F (48°C). Istnieje krytyczna luka w wiedzy dotycząca tego, czy wysoki opór wdechowy w połączeniu ze stresem termicznym wzmacnia WOB, zmieniając postrzeganie oddychania oraz odpowiedzi poznawcze i fizjologiczne. Badanie zbada WOB, postrzeganie oddychania, funkcje poznawcze i odpowiedzi fizjologiczne przy połączonym oporze wdechowym i stresie termicznym (termoneutralnym, cieplnym i zimna). Postawiono hipotezę, że WOB wzrośnie podczas stresu cieplnego i zimna, co skutkować będzie większym postrzeganiem trudności w oddychaniu i zmniejszoną wydolnością poznawczą w porównaniu z warunkami termoneutralnymi.