Определение того, какие области мозга активны во время моделирования полета в отдельные моменты времени во время тренировки (fMRI Pilots)

Установление, поддержание и количественная оценка готовности высокоэффективных людей и групп населения, таких как действующие пилоты, остается серьезной проблемой для Министерства обороны. Мастерство пилотов, как и других высокоэффективных групп населения, состоит из мастерства выполнения нескольких задач. Некоторые задачи, такие как перегрузка, основаны на известных подходах к укреплению скелетно-мышечной выносливости ягодиц, квадрицепсов и подколенных сухожилий1 с помощью четко определенных упражнений для улучшения толерантности к высоким перегрузкам. Таким образом, если конкретный пилот или стажер борется с потерей сознания, почти вызванной перегрузкой, можно назначить четкие схемы тренировок для укрепления необходимых мышц для улучшения производительности. Однако когнитивные задачи, такие как точное управление самолетом для поддержания определенной траектории, несмотря на наличие бокового ветра и других возмущений, сложнее понять и обучить. Еще несколько лет назад не существовало четкого подхода к определению нейронной цепи, необходимой для таких задач. Без такого понимания этой когнитивной схемы трудно, если не невозможно, прописать целевые и эффективные методы обучения для повышения ее эффективности.

Нейроэргономика Обнаруживая тонкие изменения в притоке крови к различным областям мозга во время выполнения задачи, функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) может локализовать наиболее активные области мозга в любой момент времени. Эта технология быстро развивается и для конкретных задач демонстрирует удивительную согласованность в нескольких областях коры мозга, задействованных при выполнении одной и той же задачи у разных людей. Несколько регионов, активируемых во время конкретной задачи, часто называют «функционально связанными». Кроме того, эти функционально связанные области мозга, активируемые во время когнитивной задачи, аналогичны мышцам, активируемым для выполнения физической задачи. Другая технология МРТ может количественно оценить связь через аксоны, расположенные в белом веществе (проводах в мозге), и измерить силу физической связи между различными областями мозга — так называемую структурную связь. Интересно, что, как и в случае с мышцами после длительной тренировки, «сила» связей между конкретными областями может заметно увеличиваться по мере тренировок и повторений.

Однако из-за сильных магнитных полей, существующих в аппаратах МРТ, сложные устройства или видеодисплеи традиционно нельзя было использовать при сканировании объектов. В результате ранние задачи сканеров (называемые парадигмами) часто были последовательными и не отражали высокодинамичные задачи полета. Но доступны системы отображения с высоким разрешением, совместимые с МРТ, которые могут создавать среду с высоким разрешением и более захватывающую среду5. Кроме того, были разработаны все более сложные устройства ввода, совместимые с МРТ, и теперь можно использовать реалистичную ручку полета для управления тангажем, креном и дроссельной заслонкой моделируемых планеров.

Таким образом, область нейроэргономики, более натуралистично анализирующая поведение мозга во время повседневных операций, может быть применена к авиации6. Недавние исследования с помощью фМРТ начали выявлять нейросхемы, участвующие в выполнении конкретных летных задач, таких как воздушное преследование. Другая работа выявила области мозга, активируемые во время когнитивной перегрузки, где испытуемые не воспринимали звуковые сигналы во время полета на симуляторе. Кроме того, определенные области мозга активируются во время видеоотдачи после выполнения сложной задачи приземления. Таким образом, начинают выявляться области мозга, активные во время воздушного преследования, когнитивной перегрузки и обратной связи – все это имеет отношение к авиационной подготовке. Однако, учитывая, что большая часть этих данных была собрана от любителей, а не от очень опытных военных пилотов, необходимо проверить их применимость к высококвалифицированным военным авиаторам.

Применение методов нейроэргономики для улучшения характеристик военных авиаторов потребует двух отдельных шагов: 1.) Необходимо определить нейроанатомические схемы, связанные с различными аспектами высокопроизводительной авиации; и 2.) для каждой схемы необходимо будет определить парадигмы обучения, чтобы укрепить интересующую нейроанатомическую схему и отслеживать не только поведенческие характеристики, но и нейронные корреляты, связанные с повышенной работоспособностью.

Задача PICT: задачи моделирования полета на МРТ

Тест на симуляторе точного управления приборами (PICT) адаптирован на основе существующего исследования работоспособности человека под названием «Определение маршрута, гипоксия и характеристики перехвата у пилотов, выполняющих переходы» (WHIPPET), которое в настоящее время проводится в высотных камерах Brooks Research с участием цель измерения ухудшения пилотирования в результате умеренной гипобарической гипоксии. Задача генерирует количественные показатели для оценки точности и быстроты, с которой пилот может выполнять корректирующие управляющие воздействия во время полета. Задачи будут адаптированы из их текущего психофизического применения для использования в этом приложении нейровизуализации.

Обе задачи пилотирования будут выполняться с использованием коммерчески доступного прикладного программного обеспечения XPlane (Laminar Research, Inc., Columbia SC), которое представляет собой пакет моделирования на базе ПК, в котором используются правдоподобные средства управления полетом и динамические модели самолетов для представления высокоточных имитаций боевых вылетов с визуальные характеристики и требования реального полета. XPlane использовался в психофизических исследованиях влияния стрессоров окружающей среды на работоспособность человека в кабине экипажа, а также для определения областей активации мозга во время выполнения имитационных задач воздушного преследования. В этом приложении будет использоваться XPlane для представления аэродинамических характеристик F/A-18F. Визуальный интерфейс будет включать в себя передний «оконный» дисплей, включающий стандартный проекционный дисплей (HUD) с лестницей для набора высоты, индикаторами горизонта и курса, а также цифровыми индикаторами воздушной и вертикальной скорости. Дисплей будет представлен в сканере фМРТ с использованием стереогенных очков, называемых дисплеем Visual System HD (NordicNeuroLab, Берген, Норвегия), установленных в сканере через 64-канальную головную катушку Siemens Vida, которые успешно используются для создания интерактивных платформ виртуальной реальности для Приложения для исследований фМРТ5. Этот аппарат будет представлять экспериментальный визуальный интерфейс в формате 1920 x 1200 пикселей через стереоскопические очки, при этом поле зрения каждого глаза будет простираться примерно на 52 x 34 градуса (по горизонтали x вертикали). Эта конфигурация должна обеспечивать достаточное разрешение и угловой коэффициент для создания виртуального присутствия в моделируемой среде.

Конкретные цели

1. Определите, какие части активности мозга коррелируют с уровнем производительности во время моделирования полета (PICT).
2. Определите изменения в активности мозга, которые происходят в течение двух отдельных моментов времени.
3. Определите, какие части анатомии мозга коррелируют с уровнем производительности во время моделирования полета (PICT).
4. Определите изменения в анатомии мозга, которые происходят в два отдельных момента времени.