在操作相关环境压力下优化呼吸控制中的身心交互作用 (DEPSCoR)
在作战相关环境压力下优化呼吸控制中的心身交互作用
研究概览
详细说明
许多作战人员暴露在增加呼吸阻力的环境条件下，这反过来会增加呼吸功（WOB）。 生命支持系统，如机载供氧系统（OBOGs）和自给式水下呼吸器（SCUBA），通过损害呼吸性能来挑战作战能力。 这是多个工作组提出的一个重要问题。 例如，NASA的飞行员呼吸评估技术报告记录了飞行员报告的呼吸阻力问题性增加。 同样，限制性呼吸工作组指出，F-22生命支持系统施加了过高的机械呼吸功。 作为回应，海军实验潜水部队建议，减少呼吸功可以保护高性能飞机飞行员免受危险的生理事件影响。 呼吸功的增加加剧了呼吸困难的感官和情绪感知，至少部分原因是呼吸意识的增强。 最近的数据表明，升高的呼吸功（可能还有呼吸感知）会损害认知功能。 这种损害很可能是由呼吸功增加导致的负面情感感觉引起的，这会在复杂反应时间任务中分散中枢信息处理的注意力。 此外，当吸气肌承受更大负荷时，反应时间和准确性都会恶化。 然而，对于经历吸气阻力升高的作战人员，仍然存在几个关键的知识空白。 目前尚不清楚：1）在吸气阻力期间减少呼吸功是否能降低呼吸感知并恢复认知功能，2）在吸气阻力期间改变通气的听觉反馈是否能降低呼吸感知并恢复认知功能，以及3）热应激是否会放大呼吸功、增加呼吸感知并在吸气阻力期间降低认知功能。 目标是关注呼吸功增加会增强呼吸感知，从而损害作战人员认知性能的问题。 为实现目标，本研究将解决以下具体目标：
目标1（研究块1）：最近已证明，增加吸气负荷会加剧呼吸困难、大脑激活，并对与注意力相关的神经心理测试表现产生负面影响。 据推测，当通过运动-认知干扰和呼吸困难相关的注意力焦点转移增加吸气阻力时，认知性能可能会降低。 研究发现，感知的吸气负荷（而非实际肌肉努力）对注意力产生了不利影响。 虽然有证据表明较高的吸气阻力和呼吸感知会损害认知功能，但一个关键的知识空白仍然存在，因为尚不清楚在高阻力负荷下减少呼吸功是否能恢复认知功能。 氦氧混合气由于其低密度和粘度降低了阻力呼吸功和肌肉负荷，通过减少气道中的湍流，允许比室内空气更高的通气率。 因此，在高吸气阻力下呼吸氦氧混合气（这将降低呼吸功）将为减少呼吸功是否能改善认知功能提供关键见解。 假设与呼吸正常密度空气（伴有升高的吸气阻力）相比，使用氦氧混合气将减少呼吸功、降低感知的呼吸努力并改善认知功能。
目标2（研究块2）：在某些情况下，减少作战人员的吸气阻力负荷（例如OBOGs、SCUBA）可能不可行，但了解呼吸感知如何受阻力影响至关重要。 通气的听觉反馈显著影响呼吸意识，并且随着呼吸功增加，这种感知由于增强的听觉输入而加剧。 这种增强的意识会分散注意力并加重认知处理负担。 最近的研究表明，听觉干扰（如运动时的音乐）可以减少健康个体和慢性阻塞性肺病患者的呼吸困难以及呼吸和全身不适。 这种效应可能源于减少的听觉反馈或与音乐相关的改善的情绪状态。 然而，存在一个关键的知识空白：尚不清楚在吸气阻力增加期间减少通气的听觉反馈是否会影响呼吸感知和认知功能。 本研究将评估在高吸气阻力下，不同通气听觉反馈条件（正常、消除和放大）对认知功能的影响。 假设与标准或放大的反馈相比，减少通气的听觉反馈不会改变呼吸功，但会降低呼吸感知并增强认知性能。
目标3（研究块3）：作战人员经常面临热应激，即使在生命支持系统就位的情况下也会增加呼吸功。 冷和热应激都会独立增加呼吸功，无需增加吸气阻力。 由于国防部对北极作战的关注，许多作战人员将很快遭遇极端寒冷。 冷应激刺激通气并引起双相细支气管反应：在过度通气期间吸入冷空气导致初始支气管扩张，随后是支气管收缩，收紧细支气管并增加气流阻力，从而增加呼吸功。 作战人员也暴露在极端高温下，当核心体温达到约38.0°C时，会发生热诱导的过度通气，与热应激期间呼吸功增加显著相关。 作战人员经常在升高的呼吸阻力之外经历这些环境应激，尤其是在不同温度下的水下潜水任务中，或在暴露于极端高温的配备OBOGs的高性能飞机中。 例如，内利斯空军基地最近记录的温度为118°F（48°C）。 关于高吸气阻力与热应激结合是否会放大呼吸功，改变呼吸感知以及认知和生理反应，存在一个关键的知识空白。 本研究将调查在吸气阻力与热应激（热中性、热和冷）结合下的呼吸功、呼吸感知、认知功能和生理反应。 假设与热中性条件相比，在热和冷应激期间呼吸功将增加，导致更大的呼吸困难感知和降低的认知性能。
研究类型
注册 (估计的)
阶段
- 第四阶段
联系人和位置
学习联系方式
- 姓名：Timothy D Mickleborough, PhD
- 电话号码：812-855-0753
- 邮箱：tmickleb@iu.edu
学习地点
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Indiana
-
Bloomington、Indiana、美国、47405
- 招聘中
- Multidisciplinary Engineering and Sciences Hall (MESH)
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接触：
- Scott M Clarke
- 电话号码：812-856-3244
- 邮箱：scotclar@iu.edu
-
接触：
- Zachary J Schalder, PhD
- 电话号码：812-855-6953
- 邮箱：zschlade@iu.edu
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首席研究员：
- Timothy D Mickleborough, PhD
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参与标准
资格标准
适合学习的年龄
- 成人
接受健康志愿者
描述
纳入标准：
- 年龄在18-40岁之间。
- 能说和阅读英语。
- 自我报告过去2年每周至少进行120分钟高强度运动。
- 通过静息1秒用力呼气容积占用力肺活量百分比（FEV1/FVC）> 预测值的75%评估肺功能正常。
- 使用蒙特利尔认知功能测试[18]评估认知功能正常。
- 体重指数（BMI）≤ 35 kg/m²。
- 女性月经周期规律，范围在21-35天（正常月经）。
排除标准：
- 有吸烟或娱乐性吸烟史、心血管疾病、肾脏疾病、肺部疾病（包括哮喘或运动诱发哮喘）、神经系统疾病和代谢性疾病。
- 自我报告怀孕或可能怀孕。
- 色盲。
- 已知对乳胶过敏或过敏。
- 服用选择性血清素再摄取抑制剂、兴奋剂药物、抗生素，以及长期服用止痛药（如萘普生、泰诺等）。
- 静息血压 > 130mmHg收缩压或90mmHg舒张压，和/或静息心率 > 100次/分钟。
- 月经周期不规律（月经稀发）范围在36-90天的女性，以及无月经周期（闭经）的女性。
- 仅为了停止月经而服用避孕药（例如，曼月乐宫内节育器）。
学习计划
研究是如何设计的？
设计细节
- 主要用途：基础科学
- 分配：随机化
- 介入模型：交叉作业
- 屏蔽：无（打开标签）
武器和干预
参与者组/臂 |
干预/治疗 |
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有源比较器：室内空气，然后氦氧混合气吸入
参与者将完成2次完整长度的呼吸任务，每种条件下各一次。
条件暴露的顺序将通过随机化分配。
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此干预措施对应第1组，标题为“室内空气和氦氧混合吸入气”。
这对应于本研究的第一阶段/时期。
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有源比较器：Heliox 吸入，然后转为室内空气
参与者将完成两项完整的呼吸任务，每项任务在一种条件下进行。
条件暴露的顺序将通过随机化分配。
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此干预措施对应第1组，标题为“室内空气和氦氧混合吸入气”。
这对应于本研究的第一阶段/时期。
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研究衡量的是什么？
主要结果指标
结果测量 |
措施说明 |
大体时间 |
|---|---|---|
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Stroop颜色-词语测试时间表现的变化
大体时间：在第一天每次呼吸任务前后（持续时间约60分钟）
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在每次呼吸任务中，每10分钟将测量斯特鲁普色词测试的时间表现（分钟:秒）。
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在第一天每次呼吸任务前后（持续时间约60分钟）
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斯特鲁普颜色-词汇测试错误表现的变化
大体时间：在第一天每次呼吸任务前后（持续时间约为60分钟）
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在每次呼吸任务期间，每10分钟将测量一次斯特鲁普色词测试的错误数量。
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在第一天每次呼吸任务前后（持续时间约为60分钟）
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呼吸困难强度感知变化
大体时间：在第一天每次呼吸任务（持续时间约为60分钟）之前和之后
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参与者在每个呼吸任务期间，每5分钟使用视觉模拟评分法（VAS）评估呼吸困难（呼吸）强度的感知。
参与者将在一条水平线（100毫米）上绘制一条垂直标记线，从“无明显感觉”（0毫米）到“最大可想象强度”（100毫米）表示他们的呼吸感知。
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在第一天每次呼吸任务（持续时间约为60分钟）之前和之后
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呼吸困难不适感的感知变化
大体时间：在每次第1天呼吸任务前后（持续时间约60分钟）
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参与者将在每个呼吸任务期间，每5分钟使用视觉模拟量表（VAS）评估呼吸困难（呼吸）不适感的感知程度。
参与者将在一条水平线（100毫米）上绘制一条垂直标记线，从“无不适应”（0毫米）到“最大可想象的不适感”（100毫米）指示其呼吸感知。
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在每次第1天呼吸任务前后（持续时间约60分钟）
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次要结果测量
结果测量 |
措施说明 |
大体时间 |
|---|---|---|
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呼吸功变化 - 食管压力
大体时间：在每次第1天呼吸任务（约60分钟）之前和之后
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氦氧混合气体诱导的呼吸功降低将通过氦氧混合气体条件下的食管球囊压力（单位：cmH₂O）在干预前后的数值进行总结。
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在每次第1天呼吸任务（约60分钟）之前和之后
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呼吸功变化 - 口腔压力
大体时间：每次第1天呼吸任务前后（持续时间约60分钟）
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将通过食管球囊压力、口腔压力和氦氧条件下的动态肺容积，汇总氦氧诱导的呼吸功降低前后的压力值（单位：cmH2O）。
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每次第1天呼吸任务前后（持续时间约60分钟）
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呼吸功变化 - 动态肺容积
大体时间：在每次第一天呼吸任务前后（持续时间约为60分钟）
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在氦氧混合气条件下，通过动态肺容积的压力（单位：cmH2O）前后值来总结氦氧混合气诱导的呼吸功降低。
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在每次第一天呼吸任务前后（持续时间约为60分钟）
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脑血流速度变化
大体时间：在每次第1天呼吸任务（持续时间约60分钟）前后
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在每次呼吸任务期间，将使用双侧经颅多普勒超声持续测量大脑中动脉和大脑后动脉的血流速度。超声换能器将放置在头部两侧的颞窗处，并使用换能器支架固定位置。
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在每次第1天呼吸任务（持续时间约60分钟）前后
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脑部血氧动力学变化
大体时间：在第一天每次呼吸任务（约60分钟）前后
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在每次呼吸任务期间，将通过近红外光谱技术（NIRS）对前额叶皮层连续测量氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白（摄取/提取，微摩尔）。
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在第一天每次呼吸任务（约60分钟）前后
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心率变化
大体时间：在第一天每次呼吸任务（约60分钟）前后
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心率将在每次呼吸任务期间通过3导联心电图（ECG）连续测量。
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在第一天每次呼吸任务（约60分钟）前后
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血压变化 - 手指光电容积脉搏波描记法
大体时间：在每次第1天呼吸任务前后（时长约60分钟）
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在每个呼吸任务期间，将通过手指光电容积脉搏波描记法持续测量血压。
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在每次第1天呼吸任务前后（时长约60分钟）
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血压变化 - 肱动脉
大体时间：在每次第1天的呼吸任务之前和之后（持续时间约60分钟）
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在每个呼吸任务期间，将通过标准血压袖带和肱动脉听诊每10分钟测量一次血压。
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在每次第1天的呼吸任务之前和之后（持续时间约60分钟）
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合作者和调查者
研究记录日期
研究主要日期
学习开始 (实际的)
初级完成 (估计的)
研究完成 (估计的)
研究注册日期
首次提交
首先提交符合 QC 标准的
首次发布 (实际的)
研究记录更新
最后更新发布 (实际的)
上次提交的符合 QC 标准的更新
最后验证
更多信息
与本研究相关的术语
其他研究编号
- 28381 - Aim 1
- FOAAFRLAFOSR20240007 (其他赠款/资助编号：Air Force Office of Scientific Research)
计划个人参与者数据 (IPD)
计划共享个人参与者数据 (IPD)？
IPD 计划说明
药物和器械信息、研究文件
研究美国 FDA 监管的药品
研究美国 FDA 监管的设备产品
在美国制造并从美国出口的产品
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