Experiment COGIMIR-2

Die Leistungsfähigkeit des menschlichen Gehirns kann während eines Weltraumaufenthalts durch mehrere Faktoren beeinträchtigt werden: unter anderem durch die Schwerelosigkeit und ihre Auswirkungen auf den menschlichen Körper, die Veränderungen des Schlaf-Wach-Rhythmus und den durch einen intensiven Arbeitseinsatz bedingten Streß. Es handelt sich dabei um höhere und höchste Hirnleistungen. Beispiele dafür sind die Koordination zwischen visueller Wahrnehmung und Bewegung, die visuell-räumliche Wahrnehmung und Verarbeitung, die Sprache, das Gedächtnis und gewisse Steuerungsfunktionen des Gehirns.

Das Problem, den psychologischen Zustand erfassen und vorhersagen zu können, ist in der Raumfahrtpsychologie nicht neu. Die psychologische Gesundheit gewährleistet die normale Funktion aller kognitiven Fähigkeiten. Während Untersuchungen der Kosmonauten während den ersten bemannten Raumflügen mit VOSTOK und in der Folge in den 70er und 80er Jahren während der Durchführung des Programms INTERKOSMOS auf den Stationen SALJUT und MIR wurde die für die ersten zwei bis drei Flugtage charakteristische sogenannte akute Periode der Anpassung an die Schwerelosigkeit festgestellt. In dieser Phase ist z.B. die Reaktionszeit und Arbeitsgenauigkeit sowie die Koordination und die der Zeiterfassung herabgesetzt und gestört. Eine Normalisierung tritt wieder ab dem 5. bis 7. Tag des Aufenthalts im Weltraum ein.

Mit Beginn der modernen Computertechnik konnten die Untersuchungsmethoden wesentlich verbessert werden. Bei der Vorbereitung und Durchführung des Projekts AUSTROMIR (Österreich, 1989-1991), wurden im Rahmen des Experiments COGIMIR Computermethoden für die Untersuchung psychologischer Funktionen (Wahrnehmung, Psychomotorik, Arbeitsgedächtnis usw.) und ein Testprogramm entwickelt. Dabei wurden die Hirnleistungen eines österreichischen Kosmonauten während seines 6-tägigen Raumaufenthalts und von russischen Kosmonauten während der 4-6 monatigen Aufenthalte auf der Raumstation MIR aufgezeichnet und überprüft. Dabei wurde ein Zusammenhang zwischen der kognitiven Leistungsfähigkeit und dem psychologischen Zustand festgestellt. Diese Entdeckung war sowohl für die Weltraummedizin als auch für die klinische Medizin (Therapie und Rehabilitation, Sportmedizin usw.) von Bedeutung. Die Fortsetzung der Untersuchungen war deshalb in vielerlei Hinsicht erwünscht, und das Experiment COGIMIR-2 ist die logische Weiterführung der Untersuchung auf diesem Gebiet der Weltraumpsychologie. Es verbindet die bereits gewonnenen Erkenntnisse und Möglichkeiten, die die neue Methodik bietet.

Forschungsziel

Zielsetzung des Experimentes COGIMIR-2 war die Erfassung und Überwachung ausgewählter kognitiver Funktionen unter normalen Bedingungen, sowie unter Einwirkungen von Faktoren eines Langzeitfluges im Weltall. Untersuchungsgegenstand waren dabei die kognitive Prozesse, die eine bedeutende Rolle bei der praktischen Tätigkeit im Weltraum spielen, d.s.:
  • Funktionen der Aufmerksamkeit, Wachzustand und des exekutiven Systems, sowie
  • sogenannte visuell-räumliche Funktionen.
Dabei wurde davon ausgegangen, daß der Einfluß von milieubedingten, beruflichen, psychologischen und stressbedingten Faktoren eines Langzeitraumflugs die kognitive Leistungsfähigkeit verändern kann und diese Veränderung mit Hilfe der entwickelten Methode registriert und gemessen werden kann.

Als leistungsmindernde Faktoren sind dabei die körperliche Anpassung an die Schwerelosigkeit, das Auftreten von Krankheitssymptomen, sowie eine Reihe psychischer Streßfaktoren wie z.B. Isolation, sensorische Deprivation, gestörte Schlaf-Wachrhythmen, Streß durch geistige Ermüdung und affektive Komponenten zu nennen. Auch die in der Postflightphase beobachteten Rückanpassungen können mit Änderungen mentaler Leistungen einhergehen. Umfassende Studien zum Problemkreis der Überwachung mentaler Leistungen in und nach Langzeitflügen, denen objektive Meßmethoden zugrunde liegen, sind aus der bisherigen Literatur nicht bekannt.

COGIMIR-2 analysiert die kognitiven Leistungen der Kosmonauten vor dem Raumflug, während des Aufenthalts auf der Raumstation und nach der Rückkehr auf die Erde.

Die im Projekt COGIMIR-2 verwendeten Untersuchungsmethoden hatten folgende Aufgabe:
  • die Perfektionierung der im Rahmen von AUSTROMIR entwickelten Methodik zur Erfassung kognitiver Funktionen,
  • die Durchführung von Computertests mit psychologischen Testprogrammen und die Aufzeichnung von Zeit- und Genauigkeitsparametern bei der Lösung der Testaufgaben in verschiedenen Flugetappen,
  • die Untersuchung der Funktion von Bezugssystemen bei der optischen Wahrnehmung im Mechanismus der kognitiven Leistungsfähigkeit.
Funktionsweise, Meßprinzip

Alle Tests wurden mit dem Computersystem DATAMIR bestehend aus Zentraleinheit, Monitor zur Reizdarbietung und Tastatur zur Erfassung der Antwortreaktionen durchgeführt. Die Aufgaben stellte ihm der Computer in Form von optischen Reizen, die Antwort des Kosmonauten erfolgten durch Tastendruck auf einer Tastatur. Als Testvariable wurden die Genauigkeit und die Geschwindigkeit bei der Erfassung und Verarbeitung aufgezeichnet. Die Zielsetzung bei allen Tests bestand darin, möglichst genau, aber auch möglichst schnell zu reagieren. Den Kosmonauten wurde kein Feedback über die erhobenen Leistung geboten. Um einen Lerneffekt zu vermeiden, wurden die Testreize bei den Tests STROOP 2, LINE 3, MROT und DOTMIR in Zufallsreihenfolge dargeboten. Die Reihenfolge der Test wurde bei allen Untersuchungen beibehalten. Die Untersuchungsdauer betrug ca. 25 min.

Das im Projekt verwendete Softwaresystem MEL ist kommerziell erhältlich, alle Tests wurden aber speziell für die gestellten Aufgaben entwickelt. Die Herstellung dieser Untersuchungsverfahren umfaßte neben der Planung und Entwicklung von Software auch eine umfassende Erprobung. Dazu wurden in einer Entwicklungsphase von mehreren Wochen zahlreiche gesunde, alters- und bildungsgleiche Probanden mit Prototypen der Tests untersucht. Diese Untersuchungen fanden unter normalen Bedingungen, sowie nach einseitiger Temperaturänderung statt und führten zu einer Anpassung der Tests bezüglich Dauer, Schwierigkeitsgrad und anderer testspezifischer Eigenschaften an die Untersuchungsbedingungen unter Mitwirkung von Kosmonauten. Das Testprogramm bestand aus fünf Teilen: SREACT, STROOP 2, LINE 3, MROT und DOTMIR.

Zusätzlich zur Software wurde eine Einblickvorrichtung hergestellt. Dabei handelte es sich um einen pyramidenförmigen Aufsatz, dessen Basis auf der Monitor-Bildfläche fixiert werden konnte und an dessen Spitze ein am Kopf der Versuchsperson fixierbarer brillenförmiger Sehschlitz angebracht war. Der Tubus war für platzsparenden Transport faltbar konstruiert und entsprach den technischen und materialspezifischen Anforderungen eines weltraumtauglichen Gerätes.

Zweck dieser Vorrichtung war es, den optischen Hintergrund während der Untersuchungen am Monitor abzuschirmen, damit die Umgebung nicht als visuelle Referenz dienen konnte. Die Arbeitshypothese zum Einsatz der Einblickvorrichtung (Tubus) sah vor, aus einem Vergleich von Untersuchungen mit und ohne Tubus die funktionelle Bedeutung des optischen Hintergrundes als visuelles Referenz- und Orientierungssystem bei zwei visuell-räumlichen Tests zu erfassen.

Die Einblickvorrichtung (Tubus) wurde nach Ihrer Fertigstellung und Überprüfung bei den HM 16 und 17 verwendet. Beim Langzeitkosmonauten kam der Tubus ab der 6. Fluguntersuchung zum Einsatz (erstmals 22.8.1994). Der Tubus wurde nur bei den visuell-räumlichen Tests LINE 3 und MROT verwendet, weil bei diesen Verfahren keine Sicht auf die Tastatur nötig ist. Um einen direkten Vergleich zwischen Tests mit und ohne Tubus zu ermöglichen, wurden die periodisch durchgeführten Untersuchungen paarweise (jeweils 1 Untersuchungsgang mit bzw. ohne Tubus im Abstand von 24 Stunden) durchgeführt.

Mitverwendete Apparaturen der österreichischen Nutzlast

DATAMIR

Ergebnisse

Ergebnisse der Verlaufsuntersuchung von HM-15, HM-16 UND HM-17

Bei allen Tests gab es signifikante Leistungsunterschiede zwischen den Messungen in der Referenzphase einerseits, sowie der Flug und Postflightphase andererseits. Die Mehrzahl der Leistungsänderungen besteht aus Minderungen kognitiver Leistungsparameter. Praktisch alle Versuchspersonen weisen Leistungsänderungen auf, kein Proband ist von diesem Phänomen ausgeschlossen. Besonders viele Leistungsänderungen sind bei den Tests STROOP 2, MROT und DOTMIR anzutreffen. Dieses Verteilungsmuster entspricht den schwierigeren und daher sensibleren Untersuchungsverfahren.

Die Leistungsminderungen treten vor allem in den ersten 2-3 Wochen nach dem Start auf und nehmen meist im weiteren Verlauf an Umfang ab. Weitaus geringere Leistungsminderungen finden sich, wenn auch weniger regelhaft, im Verlauf der Flugmonate 2-4, und auch nach der Landung, wo sie mindestens eine Woche nachweisbar sein können. Leistungsverbesserungen zeigen sich während des Fluges nur in geringem Umfang, öfter aber nach dem Flug. Die beobachteten Leistungsminderungen betreffen sowohl Funktionen der Aufmerksamkeit, Vigilanz und Umstellfähigkeit des menschlichen Gehirns, als auch sogenannte visuell-räumliche Funktionen, die dazu notwendig sind, räumlich gerichtete visuelle Stimuli (z.B. Winkelgrößen, die relative Lokalisation von Seheindrücken, oder rotierte visuelle Stimuli) rasch und effizient zu verarbeiten.

Ergebnisse des Langzeitkosmonauten

Bei den Resultaten des Langzeitkosmonauten wurden dieselben Analysemethoden verwendet, es wurden jedoch 8 (statt 4) Flugmessungen in die Regressionsgleichung einbezogen und daher ein Signifikanzniveau von p < 0,005 festgelegt. Die durchgeführten Regressionsanalysen zeigen ebenso einen signifikanten Effekt der Arbeitsgenauigkeit (AC) und der wiederholten Messungen (SESSION), geringer auch der testspezifischen Variablen (ISI, CONGR, DIFF). Die überwiegende Anzahl der Leistungsänderungen besteht aus signifikanten Leistungseinbußen, die z. T. auch noch Tage nach der Landung faßbar sind.

Ähnlich wie bei den Versuchspersonen der HM-15, HM-16 und HM-17 zeigt sich ein Maximum des Leistungsabfalls in den ersten drei Flugmessungen, danach findet sich eine Annäherung an das Niveau der Referenzdaten, in der psychomotorischen Reaktionszeit (SREACT) auch ein Leistungszuwachs in den Flugmessungen F3, F4 und F5.

Ergebnisse aus der Verwendung der Einblickvorrichtung

Vier Versuchspersonen verwendeten den Tubus während ihrer gesamten Flugzeit, Langzeitkosmonaut Poljakov benützte das Gerät erst ab der 6. Fluguntersuchungen. Die statistische Bewertung erfolgte mittels Paarvergleichs zwischen der Durchführung mit vs. der Durchführung ohne Tubus. Als Tests wurden MROT und LINE 3 verwendet. Bei etwa einem Drittel der Untersuchungen zeigte sich durch die Verwendung des Tubus eine Leistungsänderung. Die Ergebnisse des Vergleichs mit/ohne Gerät sind nicht eindeutig zu bewerten. Bei der Mehrzahl der Vergleiche war die Leistung ohne Tubus besser als mit Einblickvorrichtung (Zahlenverhältnis ohne vs. mit = 14:8). Eine Versuchsperson (HM-16) zeigte ausnahmslos bessere Leistungen mit Tubus, zwei Personen (HM-16, HM-17) waren besser ohne Tubus, der Langzeitkosmonaut und eine weitere Person (HM-17) zeigten wechselnd gute Leistungen mit bzw. ohne Einblickvorrichtung.

Schlussfolgerungen

Das Projekt COGIMIR-2 hat zur Erstellung einer ersten Datensammlung geführt, die es ermöglicht, das Problem der Beurteilung kognitiver Leistungen bei Langzeitraumflügen besser zu erfassen und zu verstehen. Während eine Reihe kognitiver Funktionen im Rahmen kurzer Weltraumaufenthalte kaum beeinträchtigt ist, können Aufenthalte von einer Dauer von mehr als 8 Tagen sehr wohl zu mentalen Leistungsbeeinträchtigungen führen. Trotz vieler Schwierigkeiten bei der Durchführung des Projektes ist es gelungen, das Projektziel zu erreichen und die Hauptfragestellungen zu beantworten.

Die gewonnenen Resultate sind die experimentelle Bestätigung der bekannten Tatsache, das der Zeitaufwand für Arbeiten im Kosmos nicht jenen entsprechen, die aufgrund der auf der Erde bestehenden Normen geplant werden, was von den Mannschaften auch immer wieder bestätigt wird. Es geht hier nicht nur um die Spezifik der Arbeitsorganisation in der Schwerelosigkeit, sondern um die Formierung von funktionalen Voraussetzungen der Begrenzung der kognitiven Leistungsfähigkeit. Die Ausführung einer professionellen Tätigkeit bei normalem Verlauf des Flugprogramms wird dabei nicht gestört. Unter bestimmten Bedingungen jedoch (erhöhte Belastung, Arbeit in der Nacht, unvorhergesehene Situationen usw.) können als zusätzliche Risikofaktoren für die Verminderung der psychologischen Zuverlässigkeit auftreten.

Obwohl endgültige Schlüsse erst nach der Fortsetzung der quantitativen Datenanalyse gemacht werden können, können schon jetzt einige für die Praxis der medizinischen Versorgung der Flüge wichtige Momente formuliert werden, insbesondere:
  • die Information der Kosmonauten in der Preflightetappe,
  • die Verwendung der vorgeschlagenen Testmethode (nach entsprechender Adaptation) im medizinischen Kontrollsystem,
  • die computergestützte Überprüfung von mentaler Leistung und Reaktionsfähigkeit lässt eine Beurteilung der kognitiven Belastbarkeit zu und liefert eine wertvolle Verlaufskontrolle.
Eine aktuelle, wenngleich nicht neue Frage der Normierung der Arbeitsaufgaben im Kosmos, besonders im Hinblick auf die Raumstation ISS, ist ebenfalls auf Grundlage der Untersuchungen von COGIMIR-2 zu diskutieren. Weiters kann festgehalten werden, das COGIMIR-2 Meßinstrumente bietet, die geeignet sind, für die Raumfahrt relevante kognitive Leistungen im zeitlichen Verlauf zu überprüfen und zu vergleichen.

Technische Daten

Die bei COGIMIR verwendete Testsoftware umfaßte folgende Programme, welche auf dem Zentralcomputer DATAMIR, auf dem das Experiment auch durchgeführt wurde, installiert waren:
  • Bewertung einer einfachen Reaktion (SREACT)
  • Reproduktion und Merken von Zeitintervallen (MROT)
  • Bewertung der Aufmerksamkeit und des operativen Gedächnisses (STROOP 2)
  • Bewertung des zweidimensionalen visuell-räumlichen Denkens und Wahrnehmens (LINE 3)
  • Bestimmung des räumlichen Arbeitsgedächnisses (DOTMIR)
Experimentatoren

Univ.-Prof. Dr. Franz Gerstenbrand (Institutsvorstand)
Univ.-Prof. Dr. Thomas Benke (Projektverantwortlicher)
alle: Universitätsklinik für Neurologie, Innsbruck

Mag. G. Steinwender
alle: Institut für Angewandte Physik der Universität Innsbruck, Innsbruck

Dr. O. P. Koserenko
alle: IMBP (Institut für Biomedizinische Probleme), Moskau