Оптимизация потребления кофеина в режиме реального времени во время полной депривации сна

Первая цель настоящего исследования — определить, может ли модель оптимизации кофеина 2B-Alert (2BAlert) создавать индивидуальные графики приема кофеина, которые эффективно восстанавливают производительность PVT в течение определенного периода времени. Модель 2BAlert является стержнем комплексной системы управления утомляемостью, разрабатываемой Военным исследовательским институтом Уолтера Рида (WRAIR) и Институтом приложений программного обеспечения для высокопроизводительных вычислений в области биотехнологии (BHSAI). Это программный инструмент, который «изучает» (количественно определяет) взаимосвязь между параметрами сна/бодрствования человека (объективно измеренными с помощью актиграфии запястья) и его/ее психомоторными характеристиками (объективно измеренными с помощью PVT). Он количественно определяет степень, в которой человек чувствителен / устойчив к последствиям недосыпания, и дает индивидуальные прогнозы производительности, которые можно использовать для принятия решений относительно текущей и будущей готовности, а также для применения мер противодействия усталости, таких как дневной сон или кофеин. . Самая последняя версия 2BAlert может применять меры по борьбе с усталостью непосредственно к человеку на основе его индивидуального прогноза производительности. Эта модель дает рекомендации о том, когда и сколько кофеина употреблять для оптимизации производительности в течение определенного периода времени. Хотя эта модель была применена постфактум к ранее собранным данным, ее еще предстоит протестировать в режиме реального времени. Это исследование предоставит первую возможность напрямую проверить, можно ли эффективно использовать модель в режиме реального времени для восстановления производительности PVT до желаемого уровня (т. е. 275 мс), когда это необходимо (т. е. шестичасовой период после 44 часов сна). потеря).

Вторая цель настоящего исследования состоит в том, чтобы выяснить, может ли 2BAlert не только восстановить показатели PVT в течение определенного периода, но и восстановить увеличение стресса и беспокойства, о которых сообщают сами пациенты, связанные с потерей сна. Данные предыдущего исследования, проведенного WRAIR, показывают, что уровень стресса и беспокойства, о которых сообщают сами люди, увеличивается после 1 ночи бессонницы и продолжает расти после второй ночи непрерывного недосыпания. Эти показатели возвращаются к исходному уровню после 12 часов восстановительного сна и напрямую соотносятся с производительностью PVT. Таким образом, исследователи предполагают, что, если производительность PVT может быть восстановлена ​​кофеином, стресс и тревога, о которых сообщают сами пациенты, также могут вернуться к исходным уровням с помощью кофеина.

Третьей целью исследования является оценка того, подходят ли изображения, полученные с помощью камеры смартфона, для разработки пассивной, ненавязчивой системы компьютерного зрения, которая могла бы заменить PVT для оценки бдительности. В настоящее время алгоритм использует данные PVT, потому что: (а) по сравнению с другими показателями производительности PVT относительно чувствителен к потере сна и циркадному ритму бодрствования; и (b) нет эффекта обучения на PVT. Тем не менее, PVT требует, чтобы человек активно участвовал в тесте продолжительностью от 3 до 10 минут, который должен быть выполнен не менее дюжины раз во время лишения сна, что делает его чувствительным, но непрактичным тестом для измерения бдительности солдата. в оперативных условиях.

Все участники будут участвовать в следующих этапах непрерывного обучения. Во время этого исследования можно вводить жевательную резинку с кофеином.

Фаза 1: Измерение сна/бодрствования в домашних условиях. Все участники будут проинструктированы поддерживать свой обычный график сна/бодрствования в течение 13 дней/12 ночей, непосредственно предшествующих фазе 2 (лабораторная часть исследования). Соответствие будет проверено объективно с помощью актиграфии запястья. Участникам дадут смартфон и попросят выполнять на нем PVT каждые 3 часа во время бодрствования и регистрировать свое обычное потребление кофеина, а также продолжительность ежедневного сна.

Фаза 2: Лабораторная оценка показателей сна/бодрствования и PVT. Участники явятся в лабораторию сна в 19:00 на 13-й день. Во время бодрствования в лаборатории они будут проходить различные когнитивные тесты, в том числе PVT, и записывать 3-минутное видео своего лица каждые 3 часа. Им будет разрешено спать с 23:00 13-го дня до 07:00 14-го дня, а сон будет контролироваться с помощью полисомнографии и актиграфии. Затем следуют 62 часа непрерывного бодрствования (т. е. с 07:00 14-го дня до 21:00 16-го дня). В 19:00 на 15-й день 2BAlert будет запущен для каждого человека и будет использовать предыдущий сон и производительность каждого человека для создания индивидуального графика дозирования кофеина для оптимизации производительности с 03:00 до 09:00 на 16-й день.

Фаза 3: Лабораторное восстановление. Все участники пройдут фазу восстановления, состоящую из 12-часового пребывания в постели с 21:00 16-го дня до 09:00 17-го дня, а сон будет контролироваться с помощью полисомнографии и актиграфии. График когнитивного тестирования и видеозаписи лица будет продолжен с этапа 2 в часы бодрствования. После осмотра врачом-исследователем они будут выведены из исследования примерно в 18:00 на 17-й день. Таким образом, участники будут находиться в лаборатории в общей сложности 95 часов.

Основной конечной точкой этого исследования является выполнение теста на психомоторную бдительность (PVT), измеренное с помощью Smart-PVT. Вторичной конечной точкой является самооценка стресса и беспокойства, измеренная с помощью визуальной аналоговой шкалы стресса и шкалы тревожности Спилбергера соответственно. Третьей конечной точкой исследования является проверка того, можно ли использовать изображения лиц, снятые камерой телефона, для оценки уровня бдительности субъектов, находящихся в условиях лишения сна.

Гипотезы, подлежащие проверке: (a) данные о психомоторных характеристиках, собранные с помощью Smart-PVT, будут оставаться на уровне 275 мс или ниже во время окна пиковой активности оптимизированной производительности, что указывает на то, что 2BAlert действителен и готов к использованию в будущих полевых исследованиях и рабочих условиях. (b) Самооценка стресса и беспокойства вернется к исходному уровню во время окна пиковой активности и отразится на восстановлении показателей PVT в течение этого временного окна.

ПРЕДПОСЫЛКИ: Нейроповеденческие расстройства, вызванные потерей сна, представляют собой признанную угрозу безопасности и продуктивности как в гражданских, так и в военных условиях. Широко разрекламированные несчастные случаи и несчастные случаи, связанные с усталостью (включая коммерческие неудачи, такие как те, которые произошли в 3-Майл-Айленде, Чернобыле и Бхопале, и военные неудачи, такие как засада 507-й ремонтной роты) продолжают привлекать внимание к проблеме сна. потеря/сонливость в условиях эксплуатации. Такие несчастные случаи подчеркивают пагубное влияние потери сна на принятие решений, бдительность, решение проблем и другие умственные способности, имеющие решающее значение для военной эффективности. Публикации и руководства армии, Корпуса морской пехоты США и ВМС США задокументировали пагубное влияние недостатка сна на бдительность и работоспособность, имеющее военное значение. Пятый опрос армейской консультативной группы по психическому здоровью бойцов, участвовавших в операциях «Иракская свобода» и «Несокрушимая свобода», показал, что военнослужащие, которые сообщили о меньшем сне, также сообщали о более высоком уровне несчастных случаев и ошибок и чаще одобряли негативные аспекты психического здоровья.

Министерство обороны профинансировало разработку вычислительной модели для количественной оценки влияния количества дневного сна на нейроповеденческие показатели. Самой последней (и самой продвинутой) версией математической модели прогнозирования сна/производительности является модель 2BAlert, разработанная BHSAI. Как и его предшественники, 2BAlert был основан главным образом на данных PVT, собранных в исследовательской лаборатории сна WRAIR. Данные PVT использовались потому, что для целей построения моделей прогнозирования сна/производительности они, как правило, превосходят данные других показателей производительности в нескольких важных аспектах: (а) по сравнению с другими показателями производительности PVT относительно чувствителен к недосыпанию и циркадный ритм бодрствования; (б) нет эффекта обучения на PVT; и (c) ранее было продемонстрировано, что модель прогнозирования сна/производительности на основе PVT имеет хорошую экологическую достоверность. То есть было показано, что предсказания эффективности работы модели на основе PVT хорошо коррелируют с «риском несчастных случаев» в реальных железнодорожных операциях.

Текущий инструмент 2BAlert представлен в двух формах: 1) веб-инструмент, который составляет графики сна и кофеина и отображает прогнозируемую СРЕДНЮЮ ГРУППОВУЮ производительность, и 2) приложение для смартфона, которое использует индивидуальную производительность, измеренную с помощью PVT на смартфоне, для индивидуализации производительности. предсказательная модель. Эта версия инструмента была успешно проверена в недавнем исследовании WRAIR. Самая последняя версия приложения для смартфонов использует индивидуальные прогнозы производительности для расчета индивидуального графика потребления кофеина, который оптимизирует производительность в определенные периоды времени. Хотя этот инструмент был разработан с использованием данных, собранных в WRAIR, и был запущен постфактум на данных, ранее собранных в WRAIR, его еще предстоит протестировать в реальном времени. Таким образом, целью этого исследования является проверка этого алгоритма оптимизации кофеина в режиме реального времени. Исследователи будут использовать тот же протокол исследования, что и в недавнем исследовании WRAIR, поскольку известно, что в течение этого периода времени у здоровых людей наблюдается изменчивость в производительности, и что общая производительность медленнее, чем 275 мс, а уровень стресса и беспокойства, о которых сообщают сами люди, значительно возрастает без кофеиновое вмешательство. Кроме того, используя предыдущий план исследования, исследователи могут свести к минимуму нагрузку на исследовательскую группу при создании новой документации и графиков.

Делая шаг назад, важно понять, почему оптимизация потребления кофеина важна и актуальна для военных. В то время как кофеин широко известен и используется в качестве стимулятора для борьбы с последствиями усталости, связанной со сменной работой и потерей сна, предыдущее исследование, проведенное WRAIR, показало, что кофеин теряет свою эффективность и может даже замедлить восстановление при повторном использовании и хронической потере сна. Этот удивительный результат указывает на то, что кофеин имеет ограничения и стоимость, и, следовательно, боец ​​будет более эффективным, если он или она будет использовать кофеин оптимально. В предыдущих исследованиях кофеина с такой же продолжительностью непрерывного лишения сна, как и в текущем протоколе, участникам давали 800 мг кофеина каждую ночь. Хотя это исследование предполагает, что исследователи могут восстановить работоспособность, дав всем участникам этого исследования 800 мг кофеина, алгоритм 2BAlert позволит исследователям давать некоторым участникам меньше кофеина, но при этом достичь того же результата, как если бы всем дали 800 мг кофеина.

В недавнем исследовании алгоритм 2BAlert применялся апостериорно с использованием параметров, изложенных в этом протоколе. Результаты моделирования показывают, что все участники восстановили работоспособность во время окна пиковой активности, то есть между 44-50 часами бодрствования, где восстановление определяется как 275 мс или быстрее, и более чем половине испытуемых требовалось менее половины максимально допустимого количества кофеина (800 мг). ), а трем испытуемым вообще не требовался кофеин. Исследователи надеются проверить 2BAlert, применив его к данным в реальном времени, используя оригинальный дизайн исследования.

В дополнение к тестированию модели оптимизации кофеина исследователи также заинтересованы в проверке гипотезы о том, что если производительность PVT может быть восстановлена ​​с помощью кофеина, также могут быть восстановлены стресс и тревога, о которых сообщают сами участники. Недавняя работа показала, что самооценка стресса и тревоги увеличивалась с увеличением потери сна и восстанавливалась до исходного уровня после восстановительного сна, следуя той же тенденции, что и данные о производительности PVT. В то время как предыдущая работа показала, что самооценка стресса и тревоги увеличивается после 1 ночи бессонницы, это первые данные, показывающие, что самооценка стресса и тревоги продолжает увеличиваться после 2 ночей недосыпания. В настоящее время нет исследований, сообщающих о том, можно ли и как снять стресс и беспокойство с помощью кофеина во время бессонницы.