Koffeinoptimering i realtid under total sömnbrist

Det första syftet med den här studien är att avgöra om 2B-Alerts koffeinoptimeringsmodell (2BAlert) kan skapa individualiserade koffeinscheman som effektivt återställer PVT-prestanda under en viss tidsperiod. 2BAlert-modellen är grundbulten i det omfattande trötthetshanteringssystemet som utvecklas av Walter Reed Army Institute of Research (WRAIR) och Biotechnology High Performance Computing Software Applications Institute (BHSAI). Det är ett mjukvaruverktyg som "lär sig" (kvantifierar) förhållandet mellan en individs parametrar för sömn/vaken (såsom objektivt mäts via handledsaktigrafi) och hans/hennes psykomotoriska prestanda (såsom objektivt mäts på en PVT). Den kvantifierar i vilken utsträckning en individ är känslig/tålig mot effekterna av sömnförlust, och producerar individualiserade prestationsprognoser som kan användas för att informera beslut om nuvarande och framtida beredskap, såväl som tillämpningen av trötthetsmotåtgärder som tupplurar eller koffein . Den senaste versionen av 2BAlert kan tillämpa utmattningsmotåtgärder direkt på en individ baserat på deras individuella prestationsförutsägelse. Denna modell ger rekommendationer för när och hur mycket koffein som ska användas för att optimera prestandan under en viss tidsperiod. Även om denna modell har tillämpats post-hoc på tidigare insamlad data, har den ännu inte testats i realtid. Denna studie kommer att ge den första möjligheten att direkt testa om modellen kan användas effektivt, i realtid, för att återställa PVT-prestanda till en önskad nivå (dvs. 275 ms) vid behov (dvs en sex timmars period efter 44 timmars sömn). förlust).

Ett andra syfte med denna studie är att undersöka om 2BAlert inte bara kan återställa PVT-prestanda under en specificerad period, utan även återhämta ökningar av självrapporterad stress och ångest relaterad till sömnförlust. Data från en tidigare studie av WRAIR visar att självrapporterad stress och ångest ökar efter 1 natts sömnförlust och fortsätter att öka efter en andra natt med kontinuerlig sömnbrist. Dessa åtgärder återgår till baslinjen efter 12 timmars återhämtningssömn och kartläggs direkt på PVT-prestanda. Därför antar utredarna att om PVT-prestanda kan återhämtas med koffein, kan självrapporterad stress och ångest också återgå nära baslinjenivåerna med koffein.

Ett tertiärt mål med studien är att bedöma om bilder som tagits med en smartphonekamera är lämpliga för att utveckla ett passivt, icke-påträngande datorseendesystem som kan ersätta PVT för att bedöma vakenhet. För närvarande använder algoritmen PVT-data eftersom: (a) jämfört med andra prestationsmått är PVT relativt känslig för sömnförlust och vakenhets dygnsrytm; och (b) det finns inga inlärningseffekter på PVT. PVT kräver dock att en individ aktivt deltar i ett 3 till 10 minuter långt test, som måste utföras minst ett dussin gånger under sömnbrist, vilket gör det till ett känsligt men opraktiskt test för att mäta en soldats vakenhet i operativa miljöer.

Alla deltagare kommer att delta i följande kontinuerliga studiefaser. Koffein tuggummi kan administreras under denna studie.

Fas 1: Mätning av sömn/vakn hemma: Alla deltagare kommer att instrueras att bibehålla sitt normala sömn/vakna schema under de 13 dagar/12 nätterna som föregår fas 2 (den laboratoriedel av studien). Överensstämmelse kommer att verifieras objektivt via handledsaktigrafi. Deltagarna kommer att få en smartphone och ombeds att göra en PVT på den var tredje timme när de är vakna och logga sin normala koffeinanvändning samt dagliga sömnlängd.

Fas 2: Utvärdering av sömn/vaken i laboratoriet och PVT-prestanda: Deltagarna kommer att rapportera till sömnlabbet kl. 19.00 på dag 13. När de är vakna i laboratoriet kommer de att genomföra olika kognitiva tester, inklusive PVT, och spela in en 3-minuters video av deras ansikte var tredje timme. De kommer att få sova från kl. 23.00 dag 13 till kl. 07.00 dag 14 och sömnen kommer att övervakas via PSG och aktigrafi. Detta kommer att följas av 62 timmars kontinuerlig vakenhet (dvs. från 07.00 på dag 14 till 21.00 på dag 16). Kl 1900 på dag 15 kommer 2BAlert att köras för varje individ och kommer att använda varje individs tidigare sömn och prestanda för att skapa ett individualiserat koffeindoseringsschema för att optimera prestandan från 0300-0900 på dag 16.

Fas 3: Återhämtning i laboratoriet: Alla deltagare kommer att genomgå en återhämtningsfas som består av 12 timmars tid i sängen från kl. 21.00 dag 16 till kl. 09.00 dag 17 och sömn kommer att övervakas via PSG och aktigrafi. Schemat för kognitiva tester och ansiktsvideoinspelning kommer att fortsätta från fas 2 under vakna timmar. Efter att ha utvärderats av en studieläkare kommer de att släppas från studien cirka kl. 18.00 på dag 17. Således kommer deltagarna att vara i laboratoriet i totalt 95 timmar.

Huvudeffekten för denna studie är psykomotorisk vaksamhetstestprestanda (PVT), mätt med Smart-PVT. En sekundär endpoint är självrapporterad stress och ångest, mätt med Stress Visual Analog Scale respektive Spielberger State-Trait Anxiety Inventory. En tredje slutpunkt i studien är att testa om ansiktsbilder som tagits med telefonkameran skulle kunna användas för att bedöma vakenhetsnivån hos personer som lider av sömnbrist.

Hypoteser som ska testas: (a) Psykomotoriska prestandadata som samlas in på Smart-PVT kommer att stanna vid eller under 275ms under Peak Alertness Window med optimerad prestanda, vilket indikerar att 2BAlert är giltigt och redo att användas i framtida fältstudier och driftsinställningar. (b) Självrapporterad stress och ångest kommer att återgå till baslinjenivåerna under Peak Alertness Window och kartlägga återhämtningen av PVT-prestanda under detta tidsfönster.

BAKGRUND: Sömnförlustinducerad neurobeteendebrist är ett erkänt hot mot säkerhet och produktivitet i både civila och militära operativa miljöer. Mycket uppmärksammade trötthetsrelaterade olyckor och missöden (inklusive kommersiella missöden som de som inträffade på 3-Mile Island, Chernobyl och Bhopal; och militära missöden som bakhållet för 507th Maintenance Company) fortsätter att uppmärksamma problemet med sömn. förlust/sömnighet i operativa miljöer. Sådana olyckor belyser skadliga effekter av sömnförlust på beslutsfattande, vaksamhet, problemlösning och andra mentala förmågor som är avgörande för militär effektivitet. Publikationer och manualer från armén, U.S. Marine Corps och U.S. Navy har dokumenterat militärt relevanta skadliga effekter av sömnförlust på vakenhet och prestation. Arméns femte Mental Health Advisory Team-undersökning av Warfighters som tjänstgjorde i Operation Iraqi Freedom och Operation Enduring Freedom avslöjade att tjänstemedlemmar som rapporterade mindre sömn också rapporterade högre frekvens av olyckor och misstag, och oftare stödde negativa mentala hälsoartiklar.

Försvarsdepartementet har finansierat utvecklingen av en beräkningsmodell för att kvantifiera effekterna av dagliga sömnmängder på neurobeteendeprestanda. Den senaste (och mest avancerade) versionen av den matematiska sömn/prestationsprediktionsmodellen är 2BAlert-modellen, utvecklad av BHSAI. Liksom sina föregångare baserades 2BAlert främst på PVT-data som samlats in i WRAIRs sömnforskningslaboratorium. PVT-data användes eftersom, i syfte att konstruera sömn-/prestationsprediktionsmodeller, den i allmänhet är överlägsen data från andra prestationsmått i flera viktiga avseenden: (a) jämfört med andra prestationsmått är PVT relativt känslig för sömnförlust och vakenhets dygnsrytm; (b) det finns inga inlärningseffekter på PVT; och (c) det har tidigare visats att en PVT-baserad sömn/prestationsprediktionsmodell har god ekologisk validitet. Det vill säga att de PVT-baserade modellförutsägelserna av prestandaeffektivitet har visat sig korrelera väl med "risk för olyckor" i faktisk järnvägsdrift.

Det nuvarande 2BAlert-verktyget finns i två former: 1) ett webbaserat verktyg som tar sömn- och koffeinscheman och visar den förutspådda GRUPPMEDEL-prestandan och 2) en smartphone-app som använder individuell prestanda mätt med PVT på en smartphone för att individualisera prestandan prediktiv modell. Denna version av verktyget validerades framgångsrikt i en nyligen genomförd studie av WRAIR. Den senaste versionen av smartphone-appen använder individualiserade prestationsförutsägelser för att beräkna individualiserad koffeinschemaläggning som optimerar prestandan under specifika perioder. Även om detta verktyg utvecklades med hjälp av data som samlats in på WRAIR och har körts post-hoc på data som tidigare samlats in på WRAIR, men det har ännu inte testats i realtid. Därför är syftet med denna studie att validera denna koffeinoptimeringsalgoritm i realtid. Utredarna kommer att använda samma studieprotokoll som den senaste WRAIR-studien eftersom det är känt att det finns variationer i prestationsförmåga hos en frisk befolkning under denna tidsperiod och att den totala prestandan är långsammare än 275 ms och att självrapporterad stress och ångest ökar avsevärt utan en koffeinintervention. Genom att använda en tidigare studiedesign kan utredarna dessutom minimera bördan på studieteamet när det gäller att skapa ny dokumentation och scheman.

För att ta ett steg tillbaka är det viktigt att ta upp varför koffeinoptimering är viktigt och relevant för militären. Medan koffein är allmänt accepterat och används som ett stimulerande medel för att motverka effekterna av trötthet i samband med skiftarbete och sömnförlust, har en tidigare studie utförd av WRAIR visat att koffein förlorar sin effektivitet och kan till och med bromsa återhämtningen vid upprepad användning och kronisk sömnförlust. Detta överraskande resultat indikerar att koffein har en gräns och en kostnad, och därför skulle Warfighter vara mer effektiv om han eller hon använde koffeinet optimalt. För tidigare koffeinstudier med liknande längder av kontinuerlig sömnbrist som det nuvarande protokollet, fick deltagarna 800 mg koffein under varje natt. Även om denna forskning tyder på att utredarna skulle kunna återhämta prestanda genom att ge alla deltagare i denna studie 800 mg koffein, kommer 2BAlert-algoritmen att tillåta utredarna att ge vissa deltagare mindre koffein men ändå nå samma resultat som om alla hade fått 800 mg koffein.

Ny forskning tillämpade 2BAlert-algoritmen post-hoc med hjälp av parametrar som anges i detta protokoll. Modellresultaten visar att alla deltagare återhämtade sig under Peak Alertness Window, dvs mellan 44-50 timmar vaken, där återhämtningen definieras som 275ms eller snabbare, och över hälften av försökspersonerna krävde mindre än hälften av den maximala totala tillåtna mängden koffein (800mg) ), medan tre försökspersoner inte krävde något koffein alls. Utredarna hoppas kunna validera 2BAlert genom att tillämpa det på realtidsdata med den ursprungliga studiedesignen.

Förutom att testa modellen för koffeinoptimering är utredarna också intresserade av att testa hypotesen att om PVT-prestanda kan återställas med koffein, kan självrapporterad stress och ångest också återställas. Nyligen genomfört arbete fann att självrapporterad stress och ångest ökade med ökad sömnförlust och återhämtade sig till baslinjen efter återhämtningssömn, efter samma trend som PVT-prestandadata. Medan tidigare arbeten har visat att självrapporterad stress och ångest ökar med 1 natts sömnförlust, är dessa de första uppgifterna som visar att självrapporterad stress och ångest fortsätter att öka efter 2 nätters sömnförlust. Det finns för närvarande inga studier som rapporterar om och hur självrapporterad stress och ångest kan återhämtas med koffein under sömnförlust.