您在火星上的大脑：科学家如何在执行任务时跟踪宇航员的心理表现

 
夏威夷太空探索模拟与仿真(HI-SEAS)是旨在模拟火星状况的研究设施。致谢：Olave Krigolson前往火星的旅程并不容易，在我们出发之前，有许多问题需要解决。一个有趣的问题是我们如何监视宇航员本身。当然，监视他们的心率和血压很容易，但是是否可以监视他们的头脑中发生了什么呢?
最近，一个全加拿大的神经科学研究团队在夏威夷太空探索模拟与模拟(HI-SEAS)的火星人居(The Hab)中度过了7天，该模拟任务旨在解决这一确切问题，从而开发出监控大脑健康的能力和实时性能。
使用移动脑电图(EEG)来测量脑电波，我们能够成功地监测认知脑功能的五个不同方面：感知，注意力，记忆，学习和决策。我们还能够观察到由压力，抑郁和认知疲劳引起的脑功能缺陷。
作为维多利亚大学理论与应用神经科学实验室的首席研究员，我领导着一个由研究生，本科生和研究助理组成的研究团队。我的两个博士学位这些学生与其他大学的两位同事，实验心理学家Gordon Binsted和统计专家Kent Hecker一起参加了火星计划(Chad Williams和Tom Ferguson)。
学习疲劳
在HI-SEAS上执行火星任务时，我们的目标是跟踪认知疲劳。身体疲劳是指肌肉酸痛，能量不足。认知疲劳就是这种情况的心理类似物：当我们的大脑疲劳并且我们开始出现神经功能缺陷时。
在火星栖息地，环境和行为受到控制，以尽可能模拟火星环境。图片来源：Olave Krigolson一段时间以来，人们显然会犯更多错误，而当人们正经历认知疲劳时，大脑活动会减少。认知疲劳的问题很简单-我们如何对其进行监控?
当前的标准是依靠自我报告，这显然是不够的。在某些情况下，被问到他们当前认知疲劳状态的人可能根本不知道这一点。例如，可以想象一个精神疲倦的职业运动员没有意识到自己的疲劳，因此他们可以继续比赛，或者外科医生在过于疲倦的情况下进行手术。在这两种情况下，由于认知疲劳可能会导致游戏失误甚至更严重，从而使该人犯下严重的错误。
使用移动脑电图技术，我们开发了基于大脑的测试，可以对大脑的健康和表现进行全面评估。我们的测试依赖于事件相关的脑电势(ERP)，即大脑对某些事件的反应。为了研究大脑的ERP，我们让人们玩视频游戏，并使用移动EEG来测量大脑对这些游戏中事件的响应。重要的是，我们开发的算法结合了这些ERP响应以提供大脑功能的直接视图，因此我们可以量化压力，抑郁，认知疲劳和其他一系列神经状态。
模拟任务
为了测试我们方法的有效性，我们在HI-SEAS栖息地进行了为期7天的模拟火星任务。 HI-SEAS的人们认真对待这些模拟：我们只被允许将哈伯人放在太空服中，同时呼吸从背包生命支持系统泵入头盔的空气。我们只吃冷冻干食品。我们与外界的通讯延迟了20分钟，以模拟从火星传输的时间。尽管每天要锻炼两个多小时，但一周的总淋浴时间却只有八分钟。
为了使模拟更加逼真，我们的一天被设计成可以反映出执行火星任务时的生活。每天早晨，早餐开始并举行工作人员会议，以复查当天设定的目标。白天的活动取决于您是否被分配去进行车外活动(EVA)或在Hab中执行任务。在EVA上，我们探索了周围的地质，尤其是哈布周围的熔岩管。如果您留在Hab内，您将进行锻炼，准备饭菜并从事研究项目。每天以任务报告结尾，描述我们已经完成的工作以及我们计划在第二天进行的工作。
研究人员戴上Muse耳机，用于测量认知疲劳。信用：Olave Krigolson在日常工作中，我们进行了大脑健康和性能评估，以测试自己。在此项目中，我们使用了Muse移动式EEG头带，这是一种市售的EEG耳机。在我们的Mars项目开始之前，我们将Muse与医学研究级EEG系统进行了比较，并能够证明Muse足以测量高质量的EEG信号。
我们还与Suva Technologies合作开发了PEER，这是一个iOS应用程序，用于测量执行大脑健康和性能评估所需的ERP数据。关于我们开发的技术的一件很酷的事情是，从头到尾进行全面评估大约需要五分钟。
快速健康测量
我们在火星栖息地的研究项目取得了圆满成功-我们能够测量认知疲劳水平。我们每天看到的认知疲劳明显增加，这是一天工作16小时后可以预期的。但是，尽管我们只在Hab呆了一周，但在这7天中，我们的认知疲劳也有所增加。
我们可以使用移动EEG技术，PEER和我们开发的算法在不到五分钟的时间内测量宇航员的大脑健康状况和性能。我们还发现了该技术的其他应用：我们可以在体育赛事中测量脑震荡，在工业和医疗环境中检查认知疲劳，预测运动员在体育运动中的表现，并最近追踪轻度认知障碍向阿尔茨海默氏病和痴呆的发展。