Optimering av kropp-själ-interaktioner i respiratorisk kontroll under operationellt relevanta miljöstressfaktorer (DEPSCoR)

Många stridande exponeras för miljöförhållanden som ökar andningsmotståndet, vilket i sin tur ökar andningsarbetet (WOB). Livsuppehållande system, såsom flygplans inbyggda syreleveranssystem (OBOGs) och självständiga undervattensandningsapparater (SCUBA), utmanar operativ kapacitet genom att försämra andningsprestanda. Detta är ett betydande problem som flera arbetsgrupper har lyft. Till exempel dokumenterar NASAs Pilot Breathing Assessment-tekniska rapport problematiska ökningar av andningsmotstånd som rapporterats av piloter. På samma sätt noterade Restrictive Breathing Working Group att F-22:s livsuppehållande system påför ett alltför högt mekaniskt WOB. Som svar har Navy Experimental Diving Unit föreslagit att minskning av WOB skulle kunna skydda högrepresterande flygplanspiloter från farliga fysiologiska händelser. Ökningar i WOB förstärker de sensoriska och emotionella uppfattningarna av dyspné, åtminstone delvis på grund av ökad medveten medvetenhet om andning. Nya data indikerar att förhöjt WOB, och sannolikt andningsuppfattning, kan försämra kognitiv funktion. Denna försämring orsakas sannolikt av negativa affektiva sensationer som härrör från det ökade WOB, vilket distraherar från central informationsbehandling under komplexa reaktionstidsuppgifter. Dessutom försämras både reaktionstid och noggrannhet när större belastningar läggs på inspiratoriska musklerna. Flera viktiga kunskapsluckor kvarstår dock som är relevanta för stridande som upplever förhöjt inspiratoriskt motstånd. Det är inte känt om: 1) att minska WOB under inspiratoriskt motstånd kan sänka andningsuppfattningen och återställa kognitiv funktion, 2) att ändra auditiv feedback av ventilation under inspiratoriskt motstånd kan sänka andningsuppfattningen och återställa kognitiv funktion, och 3) att termiska stressfaktorer förstärker WOB, ökar andningsuppfattningar och sänker kognitiv funktion under inspiratoriskt motstånd. Syftet är att fokusera på problemet att ett ökat andningsarbete (WOB) ökar uppfattningen av andning som därefter försämrar kognitiv prestation hos stridande. För att uppnå syftet kommer studien att behandla följande specifika mål:

Mål 1 (Studieblock 1): Nyligen har det visats att ökning av inspiratorisk belastning höjer dyspné, hjärnaktivering och negativt påverkar neuropsykologiska testprestationer relaterade till uppmärksamhet. Det antas att kognitiv prestation sannolikt minskar när inspiratoriskt motstånd ökas genom både motorisk-kognitiv interferens och en dyspné-relaterad förskjutning av uppmärksamhetsfokus. Studier har funnit att den upplevda inspiratoriska belastningen, snarare än faktiskt muskelansträngning, negativt påverkade uppmärksamheten. Medan bevis indikerar att högre inspiratoriskt motstånd och andningsuppfattning försämrar kognitiv funktion, kvarstår en kritisk kunskapslucka eftersom det är oklart om minskning av WOB under höga resistiva belastningar kan återställa kognitiv funktion. Heliox sänker det resistiva WOB och muskelbelastningen på grund av dess låga densitet och viskositet, vilket möjliggör högre ventilationshastigheter än rumluft genom att minska turbulent flöde i luftvägarna. Därför kommer andning av heliox, som kommer att sänka WOB, under högt inspiratoriskt motstånd att ge kritiska insikter i huruvida minskning av WOB kan förbättra kognitiv funktion. Det hypotesförs att användning av heliox kommer att minska WOB, sänka upplevd andningsansträngning och förbättra kognitiv funktion jämfört med andning av normal densitetsluft med förhöjt inspiratoriskt motstånd.

Mål 2 (Studieblock 2): I vissa fall kan minskning av inspiratoriska resistiva belastningar (t.ex. OBOGs, SCUBA) för stridande vara ogenomförbart, men förståelse för hur andningsuppfattning påverkas av motstånd är avgörande. Auditiv feedback av ventilation påverkar andningsmedvetenhet avsevärt, och när WOB ökar intensifieras denna uppfattning på grund av förstärkt auditiv input. Denna förhöjda medvetenhet kan distrahera och belasta kognitiv bearbetning. Nya studier indikerar att auditiva distraktioner, som musik under träning, kan minska dyspné och respiratoriskt och helkroppsligt obehag hos friska individer och personer med kroniskt obstruktiv lungsjukdom. Denna effekt kan härröra från minskad auditiv feedback eller förbättrade emotionella tillstånd kopplade till musik. En kritisk kunskapslucka existerar dock: det är oklart om minskning av auditiv feedback av ventilation under ökad inspiratorisk resistans påverkar andningsuppfattning och kognitiv funktion. Studien kommer att bedöma effekten av olika auditiva feedback av ventilationsförhållanden (normal, eliminerad och förstärkt) på kognitiv funktion under högt inspiratoriskt motstånd. Det hypotesförs att minskning av auditiv feedback av ventilation inte kommer att ändra WOB men kommer att minska andningsuppfattning och förbättra kognitiv prestation jämfört med standard- eller förstärkt feedback.

Mål 3 (Studieblock 3): Stridande möter ofta termiska stressfaktorer som ökar WOB, även med livsuppehållande system på plats. Både köld- och värmestress höjer WOB oberoende, utan att kräva ökad inspiratorisk resistans. Många stridande kommer snart att möta extrem kyla på grund av Department of Defenses fokus på arktiska operationer. Köldstress stimulerar ventilation och orsakar ett tvåfasigt bronkiolärt svar: inandning av kall luft under hyperventilation leder till initial bronkodilatation följt av bronkokonstriktion, som drar åt bronkiolerna och ökar luftflödesmotståndet, och därmed WOB. Stridande exponeras också för extrem värme och hypertermi-inducerad hyperventilation inträffar när kärnkroppstemperaturen når cirka 38,0°C, vilket korrelerar signifikant med ökad WOB under värmestress. Stridande upplever ofta dessa miljöstressfaktorer tillsammans med förhöjt andningsmotstånd, särskilt under undervattensdykningar i varierande temperaturer eller i högrepresterande flygplan med OBOGs exponerade för extrem värme. Till exempel registrerade Nellis Air Force Base nyligen en temperatur på 118°F (48°C). En kritisk kunskapslucka existerar angående huruvida högt inspiratoriskt motstånd kombinerat med termisk stress förstärker WOB, förändrar uppfattningen av andning och kognitiva och fysiologiska responser. Studien kommer att undersöka WOB, andningsuppfattning, kognitiv funktion och fysiologiska responser under kombinerad inspiratorisk resistans och termisk stress (termoneutral, värme och kyla). Det hypotesförs att WOB kommer att öka under värmestress och köldstress, vilket resulterar i större uppfattningar av andningssvårigheter och minskad kognitiv prestation jämfört med termoneutrala förhållanden.