Determinando quais regiões do cérebro estão ativas durante a simulação de voo em pontos de tempo separados durante o treinamento (fMRI Pilots)

Estabelecer, manter e quantificar a prontidão em indivíduos e populações de alto desempenho, como pilotos em serviço ativo, continua sendo um desafio significativo no DoD. A proficiência em pilotos, assim como em outras populações de alto desempenho, consiste no domínio de múltiplas tarefas. Algumas tarefas, como o esforço G, dependem de abordagens conhecidas para fortalecer a resistência musculoesquelética das nádegas, quadríceps e isquiotibiais1 com exercícios bem definidos para melhorar a tolerância a altas cargas G. Assim, se um piloto ou aluno em particular estiver enfrentando uma perda de consciência quase induzida por G, regimes de treinamento claros podem ser prescritos para fortalecer os músculos necessários para melhorar o desempenho. No entanto, tarefas cognitivas, como controlar com precisão uma aeronave para manter uma trajetória específica, apesar da presença de ventos cruzados e outras perturbações, são mais difíceis de compreender e treinar. Até vários anos atrás, não havia uma abordagem clara na definição do circuito neuronal necessário para tais tarefas. Sem essa compreensão deste circuito cognitivo, é difícil, se não impossível, prescrever modalidades de treino direcionadas e eficientes para fortalecer o seu desempenho.

Neuroergonomia Ao detectar mudanças sutis no fluxo sanguíneo para diferentes regiões do cérebro durante uma tarefa, a ressonância magnética funcional (fMRI) pode localizar as regiões mais ativas do cérebro a qualquer momento. Esta tecnologia está avançando rapidamente e para tarefas específicas está demonstrando notável consistência em múltiplas regiões corticais do cérebro empregadas durante a mesma tarefa, entre diferentes indivíduos. As múltiplas regiões ativadas durante uma tarefa específica são frequentemente chamadas de "funcionalmente conectadas". Além disso, essas regiões do cérebro funcionalmente conectadas, ativadas durante uma tarefa cognitiva, compartilham uma analogia com os músculos ativados para realizar uma tarefa física. Outra tecnologia de ressonância magnética pode quantificar a conectividade através de axônios localizados na substância branca (os fios do cérebro) e medir a força da conexão física entre diferentes regiões do cérebro – denominada conectividade estrutural. Curiosamente, tal como os músculos após um treino prolongado, a “força” das ligações entre regiões específicas pode apresentar aumentos mensuráveis ​​com o treino e a repetição.

No entanto, devido aos elevados campos magnéticos existentes nas máquinas de ressonância magnética, dispositivos complexos ou monitores de vídeo não poderiam ser usados ​​tradicionalmente na digitalização de indivíduos. Como resultado, as primeiras tarefas dentro dos scanners (denominadas paradigmas) eram muitas vezes seriais e não representativas das tarefas altamente dinâmicas do voo. Porém, estão disponíveis sistemas de exibição de alta resolução compatíveis com ressonância magnética - o que pode gerar ambientes de alta resolução e mais imersivos5. Além disso, também foram desenvolvidos dispositivos de entrada cada vez mais sofisticados que são compatíveis com ressonância magnética e agora é possível incluir um manípulo de voo realista para controlar a inclinação, rotação e aceleração de fuselagens simuladas.

Assim, o campo da neuroergonomia – analisando como o cérebro se comporta durante as operações cotidianas de uma forma mais naturalista – pode ser aplicado à aviação6. Trabalhos recentes de fMRI começaram a identificar os neurocircuitos envolvidos em tarefas específicas de voo, como a perseguição aérea. Outro trabalho identificou regiões do cérebro ativadas durante sobrecarga cognitiva onde os sujeitos não percebiam alarmes sonoros enquanto voavam em um simulador. Além disso, regiões específicas do cérebro aparecem ativadas durante o feedback de vídeo após a execução de uma tarefa complexa de pouso. Assim, as regiões cerebrais ativas durante a perseguição aérea, a sobrecarga cognitiva e o feedback – todas pertinentes ao treinamento de aviação – estão começando a ser identificadas. No entanto, dado que muitos destes dados foram recolhidos de amadores - e não de pilotos militares altamente experientes - a sua aplicabilidade a aviadores militares altamente treinados precisa de ser testada.

A aplicação das técnicas de neuroergonomia para melhorar o desempenho do aviador militar exigirá duas etapas distintas: 1.) Os circuitos neuroanatômicos associados aos diferentes aspectos da aviação de alto desempenho devem ser identificados; e 2.) para cada circuito, será necessário identificar paradigmas de treinamento para fortalecer o circuito neuroanatômico de interesse para rastrear não apenas o desempenho comportamental, mas também os correlatos neurais associados ao desempenho aprimorado.

Tarefa PICT - Desafios de simulação de voo de ressonância magnética

O teste do simulador de vôo Precision Instrument Control Task (PICT) é adaptado de um estudo de desempenho humano existente, chamado "Wayfinding, Hypoxia, and Interceptive Performance in Pilots Executing Transitions" (WHIPPET), que está sendo conduzido atualmente nas Brooks Research Altitude Chambers com o objetivo de medir a deterioração da pilotagem resultante da hipóxia hipobárica moderada. A tarefa gera métricas quantitativas para avaliar a precisão e rapidez com que um piloto pode executar entradas de controle corretivas durante o vôo. As tarefas serão adaptadas de sua aplicação psicofísica atual para uso nesta aplicação de neuroimagem.

Ambas as tarefas de pilotagem serão realizadas usando o software aplicativo disponível comercialmente chamado XPlane (Laminar Research, Inc., Columbia SC), que é um conjunto de simulação baseado em PC que usa controles de voo confiáveis ​​e modelos dinâmicos de aeronaves para apresentar surtidas simuladas de alta fidelidade com as características visuais e as demandas do vôo real. O XPlane tem sido usado em investigações psicofísicas do efeito de estressores ambientais no desempenho humano em um ambiente de cabine e para identificar áreas de ativação cerebral durante a execução de tarefas simuladas de perseguição aérea. Para esta aplicação, o XPlane será utilizado para apresentar as características aerodinâmicas de um F/A-18F. A interface visual incluirá um display frontal "fora da janela" incorporando um head-up-display (HUD) genérico com escada de subida e mergulho, indicadores de horizonte e rumo, e indicadores digitais de velocidade no ar e velocidade vertical. A exibição será apresentada no scanner fMRI usando óculos estereogênicos chamados de display Visual System HD (NordicNeuroLab, Bergen, Noruega) montado no scanner através do headcoil de 64 canais da Siemens Vida, como foi empregado com sucesso para construir plataformas interativas de realidade virtual para Aplicações de pesquisa de fMRI5. Este aparelho apresentará a interface visual experimental no formato 1920 x 1200 pixels por meio de óculos estereoscópicos, com o conjunto de cada olho estendendo-se aproximadamente 52 x 34 graus (horizontal x vertical) no campo de visão. Esta configuração deve fornecer ampla resolução e subtensão angular para produzir presença virtual no ambiente simulado.

Objetivos Específicos

1. Determine quais partes da atividade cerebral se correlacionam com o nível de desempenho durante a simulação de voo (PICT).
2. Determine as mudanças na atividade cerebral que ocorrem durante dois momentos separados.
3. Determine quais partes da anatomia cerebral se correlacionam com o nível de desempenho durante a simulação de voo (PICT).
4. Determine as mudanças na anatomia cerebral que ocorrem durante dois momentos separados.