Оптимизация взаимодействия разума и тела в регуляции дыхания при операционно значимых стрессовых факторах окружающей среды (DEPSCoR)

Многие военнослужащие подвергаются воздействию условий окружающей среды, которые увеличивают сопротивление дыханию, что, в свою очередь, повышает работу дыхания (WOB). Системы жизнеобеспечения, такие как бортовые системы подачи кислорода на самолетах (OBOGs) и автономные дыхательные аппараты для подводного плавания (SCUBA), ограничивают операционные возможности, ухудшая дыхательную функцию. Это серьезная проблема, поднятая несколькими рабочими группами. Например, технический отчет NASA по оценке дыхания пилотов документирует проблематичное увеличение сопротивления дыханию, о котором сообщают пилоты. Аналогично, Рабочая группа по ограниченному дыханию отметила, что Система жизнеобеспечения F-22 налагает чрезмерно высокую механическую WOB. В ответ Экспериментальное водолазное подразделение ВМФ предположило, что снижение WOB может защитить пилотов высокопроизводительных самолетов от опасных физиологических событий. Увеличение WOB усиливает сенсорное и эмоциональное восприятие одышки, по крайней мере частично из-за повышенного осознания дыхания. Недавние данные указывают, что повышенная WOB и, вероятно, восприятие дыхания могут ухудшать когнитивные функции. Это ухудшение, вероятно, вызвано негативными аффективными ощущениями, возникающими из-за увеличения WOB, которые отвлекают от центральной обработки информации во время сложных задач на время реакции. Кроме того, как время реакции, так и точность ухудшаются, когда на инспираторные мышцы оказывается большая нагрузка. Однако остаются несколько ключевых пробелов в знаниях, которые актуальны для военнослужащих, испытывающих повышенное инспираторное сопротивление. Неизвестно, может ли: 1) снижение WOB во время инспираторного сопротивления уменьшить восприятие дыхания и восстановить когнитивные функции, 2) изменение слуховой обратной связи вентиляции во время инспираторного сопротивления снизить восприятие дыхания и восстановить когнитивные функции, и 3) термические стрессоры усиливают WOB, увеличивают восприятие дыхания и снижают когнитивные функции во время инспираторного сопротивления. Цель состоит в том, чтобы сосредоточиться на проблеме, заключающейся в том, что увеличенная работа дыхания (WOB) усиливает восприятие дыхания, что впоследствии ухудшает когнитивные показатели у военнослужащих. Для достижения цели исследование будет решать следующие конкретные задачи:

Цель 1 (Блок исследования 1): Недавно было показано, что увеличение инспираторной нагрузки усиливает одышку, активацию мозга и негативно влияет на результаты нейропсихологических тестов, связанных с вниманием. Предполагается, что когнитивные показатели, вероятно, снижаются при увеличении инспираторного сопротивления как из-за моторно-когнитивной интерференции, так и из-за связанного с одышкой смещения фокуса внимания. Исследования обнаружили, что воспринимаемая инспираторная нагрузка, а не фактическое мышечное усилие, негативно влияла на внимание. Хотя данные указывают, что более высокое инспираторное сопротивление и восприятие дыхания ухудшают когнитивные функции, остается ключевой критический пробел в знаниях, поскольку неясно, может ли снижение WOB при высоких резистивных нагрузках восстановить когнитивные функции. Гелиокс снижает резистивную WOB и мышечную нагрузку из-за своей низкой плотности и вязкости, позволяя достигать более высоких скоростей вентиляции, чем воздух в помещении, за счет уменьшения турбулентного потока в дыхательных путях. Следовательно, дыхание гелиоксом, которое снизит WOB, при высоком инспираторном сопротивлении даст важное понимание того, может ли снижение WOB улучшить когнитивные функции. Выдвигается гипотеза, что использование гелиокса по сравнению с дыханием воздухом нормальной плотности при повышенном инспираторном сопротивлении уменьшит WOB, снизит воспринимаемое дыхательное усилие и улучшит когнитивные функции.

Цель 2 (Блок исследования 2): В некоторых случаях снижение инспираторных резистивных нагрузок (например, OBOGs, SCUBA) для военнослужащих может быть неосуществимым, но понимание того, как восприятие дыхания зависит от сопротивления, является важным. Слуховая обратная связь вентиляции значительно влияет на осознание дыхания, и по мере увеличения WOB это восприятие усиливается из-за усиленного слухового ввода. Это повышенное осознание может отвлекать и нагружать когнитивную обработку. Недавние исследования показывают, что слуховые отвлечения, такие как музыка во время упражнений, могут уменьшать одышку, а также респираторный и общий дискомфорт у здоровых людей и лиц с хронической обструктивной болезнью легких. Этот эффект может проистекать из сниженной слуховой обратной связи или улучшенного эмоционального состояния, связанного с музыкой. Однако существует ключевой пробел в знаниях: неясно, влияет ли снижение слуховой обратной связи вентиляции во время увеличенного инспираторного сопротивления на восприятие дыхания и когнитивные функции. Исследование оценит влияние различных условий слуховой обратной связи вентиляции (нормальной, устраненной и усиленной) на когнитивные функции при высоком инспираторном сопротивлении. Выдвигается гипотеза, что снижение слуховой обратной связи вентиляции не изменит WOB, но уменьшит восприятие дыхания и улучшит когнитивные показатели по сравнению со стандартной или усиленной обратной связью.

Цель 3 (Блок исследования 3): Военнослужащие часто сталкиваются с термическими стрессорами, которые увеличивают WOB, даже при наличии систем жизнеобеспечения. Как холодный, так и тепловой стресс повышают WOB независимо, без необходимости увеличения инспираторного сопротивления. Многие военнослужащие вскоре столкнутся с экстремальным холодом из-за фокуса Министерства обороны на арктических операциях. Холодовой стресс стимулирует вентиляцию и вызывает двухфазную бронхиолярную реакцию: вдыхание холодного воздуха во время гипервентиляции приводит к начальной бронходилатации с последующей бронхоконстрикцией, сужающей бронхиолы и увеличивающей сопротивление воздушному потоку, а следовательно, и WOB. Военнослужащие также подвергаются воздействию экстремальной жары, и гипервентиляция, вызванная гипертермией, возникает, когда температура ядра тела достигает около 38,0°C, что значимо коррелирует с увеличением WOB во время теплового стресса. Военнослужащие часто испытывают эти экологические стрессоры вместе с повышенным сопротивлением дыханию, особенно во время подводных погружений при различных температурах или в высокопроизводительных самолетах с OBOGs, подвергающихся воздействию экстремальной жары. Например, на базе ВВС Неллис недавно была зафиксирована температура 118°F (48°C). Существует критический пробел в знаниях относительно того, усиливает ли высокое инспираторное сопротивление в сочетании с термическим стрессом WOB, изменяя восприятие дыхания, а также когнитивные и физиологические реакции. Исследование изучит WOB, восприятие дыхания, когнитивные функции и физиологические реакции при комбинированном инспираторном сопротивлении и термическом стрессе (термонейтральном, тепловом и холодовом). Выдвигается гипотеза, что WOB увеличится во время теплового и холодового стресса, что приведет к большему восприятию затрудненности дыхания и снижению когнитивных показателей по сравнению с термонейтральными условиями.