Din hjerne på Mars:Hvordan videnskabsmænd vil spore astronauters mentale præstationer på missioner

En rejse til Mars bliver ikke let, og der er en række problemer, der skal løses, før vi rejser. Et interessant problem er, hvordan vi overvåger astronauterne selv. Selvfølgelig, det er nemt at overvåge deres puls og blodtryk, men er det muligt at overvåge, hvad der foregår inde i deres hoveder?

Et nyligt all-canadisk forskerhold inden for neurovidenskab tilbragte syv dage i Mars Habitat (the Hab) ved Hawaii Space Exploration Analog and Simulation (HI-SEAS) på en simuleret mission, hvor de forsøgte at tackle det præcise problem – udvikle en evne til at overvåge hjernens sundhed og ydeevne i realtid.

Brug af mobil elektroencefalografi (EEG) til at måle hjernebølger, vi var i stand til med succes at overvåge fem forskellige aspekter af kognitiv hjernefunktion:perception, opmærksomhed, hukommelse, læring og beslutningstagning. Vi var også i stand til at observere underskud i hjernens funktion forårsaget af stress, depression og kognitiv træthed.

Som hovedefterforsker af Theoretical and Applied Neuroscience Laboratory ved University of Victoria, Jeg leder et forskerhold af kandidatstuderende, bachelorstuderende og forskningsassistenter. To af mine ph.d. studerende deltog i Mars-projektet – Chad Williams og Tom Ferguson – sammen med to af mine kolleger fra andre universiteter, eksperimentel psykolog Gordon Binsted og statistikekspert Kent Hecker.

At studere træthed

På vores Mars-mission ved HI-SEAS, vores mål var at spore kognitiv træthed. Fysisk træthed er, når vores muskler bliver ømme, og vi oplever mangel på energi. Kognitiv træthed er den mentale analog til det:når vores hjerne bliver træt, og vi begynder at have underskud i neural funktion.

Det har været tydeligt i nogen tid nu, at folk laver flere fejl, og der er nedsat hjerneaktivitet, når man oplever kognitiv træthed. Problemet med kognitiv træthed er simpelt - hvordan overvåger vi det?

Den nuværende standard er at stole på selvrapportering, hvilket klart er utilstrækkeligt. I visse situationer er den person, der bliver spurgt om deres nuværende tilstand af kognitiv træthed, måske simpelthen ikke klar over det. For eksempel, man kunne forestille sig en professionel atlet, der er mentalt træt, der ikke anerkender deres træthed, så de kunne fortsætte med at lege, eller en kirurg opererer, når de er for trætte til at gøre det. I begge tilfælde, den pågældende person kan begå en afgørende fejl på grund af kognitiv træthed, der kan koste spillet, eller værre.

Ved hjælp af mobil EEG-teknologi udviklede vi en hjernebaseret test, der giver en fuldstændig vurdering af hjernens sundhed og ydeevne. Vores test er afhængig af begivenhedsrelaterede hjernepotentialer (ERP'er), som er hjernens reaktioner på noget, der sker. For at studere hjernens ERP'er, vi har folk, der spiller videospil, og vi bruger mobil EEG til at måle hjernens reaktioner på begivenheder i disse spil. Vigtigt, de algoritmer, vi har udviklet, kombinerer disse ERP-responser for at give et direkte overblik over hjernens funktion, så vi kan kvantificere stress, depression, kognitiv træthed og en række andre neurale tilstande.

Simuleret mission

For at teste gyldigheden af ​​vores tilgang, vi foretog en syv dages simuleret Mars-mission i HI-SEAS-habitatet. Folkene hos HI-SEAS tager disse simuleringer seriøst:Vi fik kun lov til at forlade Hab i rumdragter, mens vi indåndede luft, der blev pumpet ind i vores hjelme fra vores rygsæk-livstøttesystemer. Vi spiste kun frysetørret mad. Vores kommunikation med omverdenen blev forsinket med 20 minutter for at simulere transmissionstiden fra Mars. Og på trods af at du skal træne mere end to timer om dagen, vi havde otte minutters samlet brusetid for ugen.

For at gøre simuleringen endnu mere realistisk, vores dag var struktureret til at afspejle, hvordan livet ville være under en mission på Mars. Hver morgen startede med morgenmad og et besætningsmøde for at gennemgå dagens mål. Aktiviteter i løbet af dagen afhang af, om du fik til opgave at tage på en ekstra køretøjsaktivitet (EVA) eller udføre opgaver inden for Hab. På EVA'er, vi udforskede den omkringliggende geologi, især at lavarør, der var rundt omkring i Hab. Hvis du blev inde i Hab, du ville træne, tilberede måltider og arbejde med forskningsprojekter. Hver dag sluttede med missionsrapporter, der beskrev, hvad vi havde opnået, og hvad vi planlagde at gøre næste dag.

Blandet med vores daglige rutine, vi testede os selv med vores hjernesundheds- og præstationsvurdering. Til dette projekt, vi brugte Muse mobile EEG pandebånd, et kommercielt tilgængeligt EEG-headset. Før vores Mars-projekt begyndte, vi sammenlignede Muse med et EEG-system af medicinsk forskningskvalitet og var i stand til at vise, at Muse var tilstrækkelig til at måle et EEG-signal af god kvalitet.

Vi arbejdede også sammen med Suva Technologies om at udvikle PEER – en iOS-applikation, der målte de ERP-data, som vi havde brug for til at udføre vores hjernesundheds- og præstationsvurdering. En af de fede ting ved den teknologi, vi har udviklet, er, at den fulde vurdering tager cirka fem minutter fra start til slut.

Hurtige sundhedsmålinger

Vores forskningsprojekt i Mars-habitatet var en komplet succes - vi var i stand til at måle vores kognitive træthedsniveauer. Vi så tydelige stigninger i kognitiv træthed på tværs af hver dag - som kan forventes efter en 16-timers arbejdsdag. Imidlertid, selvom vi kun var i Hab i en uge, vi så også en stigning i kognitiv træthed i løbet af de syv dage.

Vi kan måle astronautens hjernesundhed og ydeevne på mindre end fem minutter ved hjælp af mobil EEG-teknologi, PEER og de algoritmer, vi har udviklet. Og vi har fundet andre applikationer til vores teknologi:vi kan måle hjernerystelse under sportsbegivenheder, undersøge kognitiv træthed i industrielle og medicinske miljøer, forudsige atletens præstationer i sport og, seneste, spore udviklingen af ​​mild kognitiv svækkelse til Alzheimers sygdom og demens.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.