确定训练期间不同时间点的飞行模拟过程中大脑的哪些区域处于活跃状态 (fMRI Pilots)

建立、维持和量化高绩效个人和群体（例如现役飞行员）的准备状态仍然是国防部面临的重大挑战。 与其他高绩效人群一样，飞行员的熟练程度包括对多项任务的掌握。 一些任务，例如重力训练，依赖于已知的方法来增强臀部、股四头肌和腿筋1的肌肉骨骼耐力，并通过明确的练习来提高对高重力负荷的耐受性。 因此，如果特定的飞行员或受训者正在与近重力引起的意识丧失作斗争，可以制定明确的训练方案来加强必要的肌肉以提高表现。 然而，认知任务（例如，尽管存在侧风和其他扰动，但精确控制飞机保持特定轨迹）更难以理解和训练。 直到几年前，还没有明确的方法来定义此类任务所需的神经元回路。 如果不了解这种认知回路，就很难甚至不可能制定有针对性的有效培训方式来增强其表现。

神经工效学 通过检测任务期间流向大脑不同区域的血流的细微变化，功能性磁共振成像 (fMRI) 可以及时定位大脑在任何时间点最活跃的区域。 这项技术正在迅速发展，并且对于特定任务，不同个体之间在同一任务中使用的大脑多个皮质区域表现出显着的一致性。 在特定任务期间激活的多个区域通常被称为“功能连接”。 此外，在认知任务期间激活的这些功能连接的大脑区域与完成身体任务时激活的肌肉具有相似之处。 另一种 MRI 技术可以通过位于白质（大脑中的电线）的轴突来量化连接性，并测量大脑不同区域之间的物理连接强度 - 称为结构连接性。 有趣的是，就像长时间训练后的肌肉一样，特定区域之间的连接“强度”可以随着训练和重复而显着增加。

然而，由于 MRI 机器内存在高磁场，传统上在扫描对象时无法使用复杂的设备或视频显示器。 因此，扫描仪中的早期任务（称为范式）通常是串行的，不能代表高度动态的飞行任务。 但是，可以使用与 MRI 兼容的高分辨率显示系统 - 它可以生成高分辨率和更身临其境的环境5。 此外，还开发了越来越复杂的与 MRI 兼容的输入设备，现在可以包括真实的飞行杆来控制模拟机身的俯仰、滚动和油门。

因此，神经人体工程学领域——以更自然的方式分析大脑在日常操作中的行为——可以应用于航空6。 最近的功能磁共振成像工作已经开始识别参与特定飞行任务（例如空中追踪）的神经回路。 其他研究已经确定了认知超载期间大脑中被激活的区域，在这些区域中，受试者在模拟器中飞行时没有感知到声音警报。 此外，在执行复杂的着陆任务后，在视频反馈期间，特定的大脑区域会被激活。 因此，在空中追踪、认知超载和反馈过程中活跃的大脑区域——所有这些都与航空训练有关——正在开始被识别。 然而，鉴于大部分数据是从业余爱好者（而不是经验丰富的军事飞行员）收集的，因此需要测试其对训练有素的军事飞行员的适用性。

应用神经人体工程学技术来提高军事飞行员的表现需要两个不同的步骤：1.) 必须确定与高性能航空不同方面相关的神经解剖回路； 2.) 对于每个回路，需要确定训练范例以加强感兴趣的神经解剖回路，不仅跟踪行为表现，还跟踪与增强表现相关的神经相关性。

PICT 任务——MRI 飞行模拟挑战

精密仪器控制任务（PICT）飞行模拟器测试改编自一项现有的人类表现研究，名为“执行转换的飞行员的寻路、缺氧和拦截性能”（WHIPPET），该研究目前正在布鲁克斯研究高度室进行目的是测量中度低压缺氧导致的驾驶恶化。 该任务生成定量指标来评估飞行员在飞行时执行纠正控制输入的准确性和速度。 这些任务将根据其当前的心理物理学应用进行改编，以用于该神经成像应用。

这两项驾驶任务都将使用名为 XPlane（Laminar Research, Inc.，哥伦比亚南卡罗来纳州）的商用应用软件来呈现，该软件是基于 PC 的模拟套件，使用可信的飞行控制和动态飞机模型来呈现高保真模拟架次真实飞行的视觉特征和需求。 XPlane 已用于心理物理学研究，研究环境压力源对驾驶舱环境中人类表现的影响，并确定执行模拟空中追踪任务期间的大脑激活区域。 对于此应用，XPlane 将用于展示 F/A-18F 的空气动力学特性。 视觉界面将包括一个前向“窗外”显示器，其中包含一个带有爬升梯、地平线和航向指示器以及数字空速和垂直速度指示器的通用平视显示器（HUD）。 该显示将在功能磁共振成像扫描仪中呈现，使用名为 Visual System HD（NordicNeuroLab，卑尔根，挪威）的立体护目镜，通过西门子 Vida 64 通道头线圈安装在扫描仪中，该护目镜已成功用于构建交互式虚拟现实平台功能磁共振成像研究应用5。 该装置将通过立体护目镜以 1920 x 1200 像素格式呈现实验视觉界面，每只眼睛的阵列在视野中延伸约 52 x 34 度（水平 x 垂直）。 此配置应提供足够的分辨率和对向角，以在模拟环境中产生虚拟存在。

具体目标

1. 确定大脑活动的哪些部分与飞行模拟 (PICT) 期间的表现水平相关。
2. 确定两个不同时间点期间发生的大脑活动变化。
3. 确定大脑解剖结构的哪些部分与飞行模拟 (PICT) 期间的表现水平相关。
4. 确定两个不同时间点期间发生的大脑解剖结构的变化。