Wpływ izolacji w habitacie kosmicznym na funkcjonowanie procesów poznawczych mózgu.
Autorami artykułu są Pani Maria Żochowska oraz Pan Konrad Opaliński z Instytutu Psychologii Uniwersytetu Zielonogórskiego – serdecznie dziękujemy!
Czy dwa tygodnie izolacji w analogowym habitacie kosmicznym mogą wpłynąć na funkcjonowanie procesów poznawczych oraz aktywność mózgu? To pytanie, na które starają się odpowiedzieć badacze realizujący projekt NOAH podczas misji realizowanych w LunAres Research Station w Pile. W ramach projektu połączyli oni zadania komputerowe z nieinwazyjnym pomiarem aktywności mózgu metodą fNIRS, wykorzystując aparaturę polskiej firmy Cortivision. Wszystko to w celu lepszego zrozumienia funkcjonowania człowieka w warunkach przypominających codzienność załogowej misji kosmicznej.
Kiedy myślimy o zagrożeniach związanych z realizowaniem misji kosmicznej wyobrażamy sobie astronautów doświadczających przeciążeń, mikrograwitacji albo promieniowania. Tymczasem jednym z najważniejszych czynników ryzyka jest znacznie mniej oczywisty i jest to doświadczenie izolacji. Projekt NOAH ma właśnie na celu zbadanie wpływu izolacji oraz monotonii podczas dwutygodniowej symulowanej analogowej misji kosmicznej.
Badania realizowane w naturalnych analogach kosmicznych takich jak stacje polarne zdają się potwierdzać, że długoterminowy pobyt w środowisku o ograniczonej ilości bodźców może wpływać negatywnie na Ośrodkowy Układ Nerwowy (OUN), zarówno pod względem zmian neuroanatomicznych w mózgu, jak i zmian w funkcjonowaniu procesów poznawczych. Jednak badania z zakresu wpływu izolacji na OUN podczas realizowania misji kosmicznych są nieliczne a analogowe habitaty kosmiczne wydają się dobrym miejscem do realizacji badań w tym zakresie.
NOAH to skrót od Neurocognitive Outcomes in Analog Habitats. Pełna nazwa projektu to: Neurophysiological and cognitive effects of isolation during a stay in an analog space habitat: an fNIRS study. Projekt koncentruje się na poznawczych i neurofizjologicznych aspektach pobytu w analogowym habitacie kosmicznym. Został on przygotowany przez pracowników naukowych Instytutu Psychologii Uniwersytetu Zielonogórskiego: Marię Żochowską, Konrada Opalińskiego oraz Bogumiłę Weimann, a do realizacji badań zostali włączeni również studenci psychologii Uniwersytetu Zielonogórskiego.
Kosmiczna codzienność w ziemskim habitacie
LunAres Research Station w Pile jest stacją badawczą umożliwiającą prowadzenie badań podczas symulowanych analogowych misji kosmicznych. Uczestnicy przez określony czas żyją i pracują w zamkniętym środowisku realizując w tym czasie program misji. Taka organizacja pozwala przyjrzeć się określonym wyzwaniom przed którymi w przyszłości mogą stanąć astronauci podczas załogowych misji kosmicznych realizowanych na Księżycu, Marsie czy podczas pobytu w stacji kosmicznej.
Izolacja w habitacie wiąże się z ograniczonym kontaktem ze światem zewnętrznym przy jednoczesnym przebywaniu w niewielkiej grupie osób (zwykle zespół 4-6 osobowy) realizujących założenia misji, a ich codzienność skupia się wokół wspólnej przestrzeni oraz wspólnych obowiązków. Tym samym jest to środowisko, które umożliwia nie tylko badanie wpływu środowiska na funkcjonowanie uczestników misji, ale również to w jaki sposób adaptują się oni do środowiska oraz jak przebiegają procesy grupowe pomiędzy uczestnikami.
Dwa pomiary oddzielone misją
Podstawą NOAH jest porównanie funkcjonowania procesów poznawczych oraz aktywności mózgu tych samych osób przed rozpoczęciem analogowej misji kosmicznej (pre-flight) i po jej zakończeniu (post-flight). Pierwszy pomiar stanowi punkt bazowy, a drugi umożliwia sprawdzenie, jakie obszary funkcjonowania analogowych astronautów zmieniły się w trakcie misji.
Każda sesja badania pre-flight oraz post-flight jest dosyć czasochłonna, ponieważ wiąże się z wprowadzeniem uczestników w cel badania oraz przekazaniem instrukcji badawczych, przygotowaniem urządzenia do badania aktywności mózgu oraz oceną jakości sygnału, a następnie realizację badania z wykorzystaniem wielu zadań badających funkcje poznawcze na komputerze oraz kwestionariuszową ocenę subiektywnego samopoczucia. Cała procedura ma na celu możliwie najpełniejszą ocenę funkcjonowania uczestników misji.
Uwaga i pamięć pod obciążeniem
Badanie funkcji poznawczych obejmowało trzy zadania, z których każde dotyczyło innego aspektu funkcjonowania.
Szybkość reakcji była badana za pomocą testu PVT (Psychomotor Vigilance Task), który wymaga od osób badanych szybkiego reagowania na bodziec wzrokowy pojawiający się w nieregularnych odstępach czasu. Reguła jest prosta, ale jej konsekwentne przestrzeganie wymaga stałego podtrzymywania procesów uwagi, a dla badaczy istotny jest czas reakcji oraz jego zmienność, która pozwala na uchwycenie momentów osłabienia owych procesów.
Pamięć roboczą sprawdzano za pomocą zadania n-back, w trakcie którego uczestnik obserwuje serię bodźców i ocenia, czy aktualny bodziec odpowiada temu, który pojawił się określoną liczbę pozycji wcześniej. Wraz ze wzrostem trudności zadania trzeba śledzić coraz więcej informacji, stale aktualizując zawartość materiału w pamięci. Zadanie to przypomina potrzebę utrzymywania w pamięci kolejnych komunikatów podczas wykonywania wieloetapowej procedury, tak samo jak ma to miejsce podczas realnej misji kosmicznej.
Do oceny kontroli poznawczej oraz hamowania automatycznej reakcji wykorzystano klasyczne w psychologii eksperymentalnej zadanie Stroopa. Jego zasadę dobrze ilustruje słowo „zielony” zapisane czerwonym kolorem. Gdy polecenie dotyczy wskazania koloru liter, trzeba odpowiedzieć zgodnie z barwą, mimo że znaczenie słowa podsuwa inną odpowiedź.
Wszystkie zadania komputerowe zostały opracowane przez Marię Żochowską w środowisku PsychoPy na podstawie klasycznych procedur eksperymentalnych. Komputer rejestrował między innymi czasy reakcji, poprawność odpowiedzi i popełniane błędy.
Światło pomaga obserwować pracę mózgu
W czasie wykonywania zadań prowadzono pomiar aktywności mózgu metodą funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni, w skrócie fNIRS. Na głowie uczestnika umieszcza się emitery, czyli elementy emitujące światło oraz detektory odbierające jego część po przejściu przez struktury kostne oraz tkanki mózgu. Pomiar wykorzystuje różnice w pochłanianiu światła przez hemoglobinę utlenowanąto oraz odtlenowaną. Pozwala to na śledzenie zmian zachodzących w zaopatrzeniu badanych obszarów w tlen.
Gdy obszar mózgu angażuje się w zadanie, jego aktywności towarzyszy odpowiedź układu krążenia. fNIRS rejestruje właśnie ten pośredni ślad pracy mózgu. W projekcie NOAH szczególną uwagę poświęcono zmianom poziomów utlenowania hemoglobiny w obszarach przedczołowych, które uczestniczy w procesach potrzebnych do podtrzymania celu działania, operowania informacjami oraz kontrolowania reakcji.
Połączenie pomiaru fNIRS z zadaniami komputerowymi w dwóch punktach czasowych pomiaru (pre-flight oraz post-flight) umożliwia postawienie bardziej szczegółowych pytań. Czy podobnemu funkcjonowaniu poznawczemu przed i po misji towarzyszy podobna odpowiedź w zakresie aktywności mózgu? Czy ewentualne spowolnienie reakcji występuje wraz ze zmianami w zakresie obserwowanych obszarów mózgu? Wszystkie te pytania, oraz wiele innych, mają na celu ustalenie co mogłoby stanowić przeszkodę w realizacji misji kosmicznej oraz ewentualnie w jaki sposób zadbać o jak najlepsze funkcjonowanie astronautów.
Polska aparatura wykorzystywana także na orbicie
Do badań realizowanych w ramach projektu NOAH wykorzystano PhotonCap C20 firmy Cortivision. Jest to przenośna, bezprzewodowa aparatura umożliwiająca prowadzenie pomiarów poza stałym laboratorium. Jest to o tyle istotne, że zdecydowana większość zaawansowanych urządzeń służących do obrazowania aktywności mózgu wymaga realizowania badań w laboratoriach lub pracowniach badawczych. Biorąc pod uwagę jak najwierniejsze odzwierciedlenie warunków panujących podczas misji kosmicznej możliwość dokonania pomiarów aktywności mózgu w habitacie stanowi duży atut oraz dodatkowo wspiera trafność ekologiczną projektu, czyli dobre odzwierciedlenie warunków oraz możliwości realizacji badań podczas realnych misji kosmicznych.
Technologia Cortivision ma również zastosowanie podczas misji orbitalnych. Aparaturę fNIRS od Cortivision wykorzystywano w badaniach na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) podczas misji Axiom-2, Axiom-3 oraz Axiom-4. Podczas ostatniej ze wspomnianych misji urządzenie PhotonCap C20 używał również astronauta projektowy Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) dr Sławosz Uznański-Wiśniewski realizujący eksperyment PhotonGrav jako jeden z trzynastu eksperymentów podczas pierwszej polskiej naukowo-technologicznej misji kosmicznej IGNIS. Projekt NOAH wykorzystuje zatem rozwiązania technologiczne obecne także w badaniach astronautów.
Samopoczucie pomaga zrozumieć wyniki
W ramach projektu NOAH uczestnicy oceniali również swoją senność, odczuwalne obciążenie związane z zadaniami oraz stan emocjonalny poprzez narzędzia kwestionariuszowe. Badaczy interesuje także to, czy subiektywnie obserwowane zmiany współwystępują ze zmianami poznawczymi oraz odpowiedzią OUN. Jest to część procedury badawczej, która dostarcza cennego kontekstu do analizy uzyskanych danych.
Co mogą wyjaśnić dane z NOAH?
Projekt stawia kilka pytań odnośnie możliwości zmian funkcjonowania w trakcie pobytu w analogowym habitacie kosmicznym. Pobyt w izolacji może wiązać się z trudnościami, ale możliwa jest również stabilność wykonania lub poprawa niektórych badanych wskaźników. Analizy mają pomóc ustalić, jak wygląda to w badanej grupie analogowych astronautów i czy zmiany odpowiadają zmianom rejestrowanym metodą fNIRS.
Dane uzyskane z NOAH mogą pomóc w rozwijaniu sposobów monitorowania funkcjonowania poznawczego oraz sprawności wykonywanych zadań, szczególnie w kontekście planowania przyszłych załogowych misji kosmicznych. Jednak ich zastosowanie wykracza poza same misje kosmiczne i może być rozpatrywane w kontekście innych środowisk ekstremalnych, takich jak pobyt w stacjach polarnych oraz wyprawy polarne, podczas wypraw wysokogórskich, czy wykonywania pracy w izolowanych środowiskach np. na platformach wiertniczych.
Praktycznym oraz przyszłym celem jest ustalenie nie tylko możliwego charakteru zmian funkcjonowania w izolacji, ale również sposobów identyfikacji sygnałów pogorszenia funkcjonowania. Daje to możliwość szybszej interwencji oraz wprowadzenia odpowiedniej formy wsparcia.
(IP)
