Bestämma vilka regioner i hjärnan som är aktiva under flygsimulering vid separata tidpunkter under träning (fMRI Pilots)

Att etablera, upprätthålla och kvantifiera beredskap hos högpresterande individer och populationer, såsom aktiva piloter, är fortfarande en betydande utmaning i DoD. Kunskaper i piloter, liksom andra högpresterande populationer, består av att behärska flera uppgifter. Vissa uppgifter, såsom G-ansträngning, bygger på kända metoder för att stärka den muskuloskeletala uthålligheten i skinkorna, quadriceps och hamstrings1 med väldefinierade övningar för att förbättra toleransen mot höga G-belastningar. Således, om en viss pilot eller praktikant kämpar med nästan G-inducerad förlust av medvetande, kan tydliga träningsregimer ordineras för att stärka de nödvändiga musklerna för att förbättra prestationsförmågan. Kognitiva uppgifter, som att exakt kontrollera ett flygplan för att upprätthålla en specifik bana, trots förekomsten av sidvind och andra störningar, är dock svårare att förstå och träna. Fram till för flera år sedan fanns det inget tydligt tillvägagångssätt för att definiera den neuronala kretsen som var nödvändig för sådana uppgifter. Utan den förståelsen för denna kognitiva krets är det svårt, för att inte säga omöjligt, att föreskriva riktade och effektiva träningsmetoder för att stärka dess prestation.

Neuroergonomi Genom att upptäcka subtila förändringar i blodflödet till olika delar av en hjärna under en uppgift, kan funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) lokalisera de mest aktiva regionerna i hjärnan vid vilken tidpunkt som helst. Denna teknik går snabbt framåt och för specifika uppgifter visar den anmärkningsvärd konsistens i flera kortikala regioner i hjärnan som används under samma uppgift, mellan olika individer. De flera regioner som aktiveras under en viss uppgift kallas ofta för "funktionellt anslutna". Dessutom delar dessa funktionellt sammankopplade regioner av hjärnan som aktiveras under en kognitiv uppgift en analogi med de muskler som aktiveras för att utföra en fysisk uppgift. En annan MRT-teknik kan kvantifiera anslutningsmöjligheten genom axoner som finns i vit substans (trådarna i hjärnan) och mäta styrkan i den fysiska kopplingen mellan olika regioner i hjärnan - så kallad strukturell anslutning. Intressant nog, liksom muskler efter långvarig träning, kan "styrkan" av kopplingar mellan specifika regioner uppvisa mätbara ökningar med träning och upprepning.

Men på grund av de höga magnetfält som finns i MRI-maskiner, kunde komplexa enheter eller videoskärmar inte traditionellt användas vid skanning av motiv. Som ett resultat av detta var tidiga uppgifter inom skannrar (kallade paradigm) ofta seriella och inte representativa för flygets mycket dynamiska uppgifter. Men det finns högupplösta bildskärmssystem som är MRI-kompatibla - vilket kan generera hög upplösning och mer uppslukande miljöer5. Dessutom har allt mer sofistikerade inmatningsenheter också utvecklats som är MRI-kompatibla och nu är det möjligt att inkludera en realistisk flightstick för att styra stigning, rullning och gaspåverkan på simulerade flygplan.

Således kan området neuroergonomi - att analysera hur hjärnan beter sig under vardagliga operationer på ett mer naturalistiskt sätt - tillämpas på flyget6. Det senaste fMRI-arbetet har börjat för att identifiera neurokretsloppet som är involverat i specifika flyguppgifter, såsom flygjakt. Andra arbeten har identifierat områden i hjärnan som aktiveras under kognitiv överbelastning där försökspersoner inte uppfattade hörbara larm när de flög i en simulator. Dessutom verkar specifika hjärnregioner aktiverade under videofeedback efter att ha utfört en komplex landningsuppgift. Således börjar de hjärnregioner som är aktiva under flygjakt, kognitiv överbelastning och feedback - allt relevant för flygträning - att identifieras. Men med tanke på att mycket av denna data har samlats in från amatörer - inte mycket erfarna militärpiloter - måste dess tillämpbarhet på högutbildade militära flygare testas.

Att tillämpa teknikerna för neuroergonomi för att förbättra militära flygares prestanda kommer att kräva två distinkta steg: 1.) De neuroanatomiska kretsar som är förknippade med olika aspekter av högpresterande flyg måste identifieras; och 2.) för varje krets kommer träningsparadigm att behöva identifieras för att stärka den neuroanatomiska kretsen av intresse för att spåra inte bara beteendeprestanda, utan de neurala korrelationerna som är förknippade med förbättrad prestation.

PICT-uppgift -- MRI-flygsimuleringsutmaningar

Flygsimulatortestet Precision Instrument Control Task (PICT) är anpassat från en existerande studie av mänsklig prestanda, kallad "Wayfinding, Hypoxia, and Interceptive Performance in Pilots Executing Transitions" (WHIPPET), som för närvarande genomförs vid Brooks Research Altitude Chambers med syftet att mäta den pilotförsämring som är resultatet av måttlig hypobar hypoxi. Uppgiften genererar kvantitativa mätvärden för att bedöma noggrannheten och snabbheten med vilken en pilot kan utföra korrigerande kontrollinmatningar medan han flyger. Uppgifterna kommer att anpassas från deras nuvarande psykofysiska applikation för användning i denna neuroavbildningsapplikation.

Båda pilotuppgifterna kommer att utföras med hjälp av den kommersiellt tillgängliga applikationsmjukvaran som kallas XPlane (Laminar Research, Inc., Columbia SC), som är en PC-baserad simuleringssvit som använder trovärdiga flygkontroller och dynamiska flygplansmodeller för att presentera high-fidelity simulerade sorteringar med de visuella egenskaperna och kraven på verklig flygning. XPlane har använts i psykofysiska undersökningar av effekterna av miljöstressorer på mänsklig prestation i en cockpitmiljö, och för att identifiera områden med hjärnaktivering under utförande av simulerade luftförföljande uppgifter. För denna applikation kommer XPlane att användas för att presentera de aerodynamiska egenskaperna hos en F/A-18F. Det visuella gränssnittet kommer att inkludera en framåtriktad "out-the-window"-skärm med en generisk head-up-display (HUD) med klättring-dykstege, horisont och kursindikatorer, och digitala flyghastighets- och vertikalhastighetsindikatorer. Skärmen kommer att presenteras i fMRI-skannern med stereogena glasögon som kallas Visual System HD (NordicNeuroLab, Bergen, Norge)-skärmen monterad i skannern via Siemens Vida 64-kanals headcoil, som har använts framgångsrikt för att konstruera interaktiva virtuella verklighetsplattformar för fMRI-forskningstillämpningar5. Denna apparat kommer att presentera det experimentella visuella gränssnittet i formatet 1920 x 1200 pixlar via stereoskopiska glasögon, med varje ögons array som sträcker sig ungefär 52 x 34 grader (horisontellt x vertikalt) i synfältet. Denna konfiguration bör ge riklig upplösning och vinkelunderspänning för att skapa virtuell närvaro i den simulerade miljön.

Specifika mål

1. Bestäm vilka delar av hjärnans aktivitet som korrelerar med prestationsnivån under flygsimulering (PICT).
2. Bestäm förändringarna i hjärnans aktivitet som inträffar under två separata tidpunkter.
3. Bestäm vilka delar av hjärnans anatomi som korrelerar med prestationsnivån under flygsimulering (PICT).
4. Bestäm förändringarna i hjärnans anatomi som inträffar under två separata tidpunkter.