Effects of hypergravity on manual forces and displacements: causes and practical implications

ZUSAMMENFASSUNG Zahlreiche Studien haben die menschliche Motorik in Phasen erhöhter Erdbeschleunigung (+Gz) untersucht und Defizite z.B. bei Folge-, Zeige- und Kraftproduktionsaufgaben gefunden. Im letzteren Fall führte +Gz zu stark überhöhten Armkräften, wenn die Probanden einen isometrischen Joystick verwendeten. Da viele Hochleistungsflugzeuge durch solche Joysticks kontrolliert werden, könnten diese überhöhten Kräfte die Flugstabilität beeinträchtigen und daher die Sicherheit der Piloten während +Gz Flugmanövern wie Loopings und Kurven gefährden. Jedoch bleiben zahlreiche Fragen in diesem Kontext unklar: Reduziert sich die Krafterhöhung in +Gz durch ein Training? Zeigt sich bei +Gz-erfahrenen Piloten die gleiche Krafterhöhung wie bei +Gz-unerfahrenen Probanden? Sind manuelle Auslenkungen mit einem regulären Joystick wie er in anderen Flugzeugmodellen genutzt wird ebenfalls durch +Gz beeinträchtigt? Hat +Gz auch einen Einfluss auf Prozesse des motorischen Lernens? Solche Fragen beziehen sich alle auf den operativen Hintergrund von Piloten, die Hochleistungsjets fliegen, und entsprechende Antworten könnten helfen, die Flugausbildung und den Arbeitsalltag solcher Piloten zu verbessern. Neben diesen anwendungsorientierten Fragen ist eine andere, grundlegende Frage auffallend: Warum produzieren Probanden erhöhte isometrische Kräfte in +Gz? Entsprechend der Literatur sind einige potentielle Gründe wie mechanische Aspekte, gestörtes Sehvermögen oder propriozeptive Defizite nicht in der Lage diesen Effekt zu erklären, wohingegen andere Aspekte, wie kognitive Belastung, körperliche Aktivität, vestibulo-spinale Aktivität oder psycho-physiologischer Stress tatsächlich die beobachtete Krafterhöhung in +Gz erklären könnten. Allerdings fehlen nützliche wissenschaftliche Daten, die diese letzten Theorien unterstützen würden. Daher beinhaltet diese Promotion die Untersuchung sowohl von Fragen zur Motorik in Bezug auf fliegerische Tätigkeiten, als auch von möglichen Gründen für die +Gz-bedingte Krafterhöhung, um so das aktuelle Wissen in anwendungs- und grundlagenorientierten wissenschaftlichen Themen zur Motorik in +Gz zu erweitern. Hinsichtlich der wissenschaftlichen Fragestellungen bezogen auf fliegerische Tätigkeiten konnten wir zeigen, dass die beobachtete Erhöhung isometrischer Kräfte in +Gz partiell durch ein anhaltendes Training in +Gz ausgeglichen werden konnte, wohingegen ein gleichwertiges Training bei normaler Erdbeschleunigung entsprechend eines Simulatortrainings auf der Erde unwirksam war. Darüber hinaus konnte eine längerfristige Gewöhnung an die +Gz Umgebung nicht beobachtet werden, da professionelle Jetpiloten, die in Trainingsflügen regelmäßig +Gz ausgesetzt sind, nur eine geringfügig kleinere Verschlechterung bei der isometrischen Kraftproduktion zeigen als +Gz-unerfahrene Probanden. Ferner konnten wir zeigen, dass weder manuelle Auslenkungen eines regulären Joysticks, noch die Fähigkeit der Probanden, ihre Motorik an unbekannte Situationen anzupassen, negativ durch +Gz beeinträchtigt sind. Die Untersuchung möglicher Gründe für die beobachtete Krafterhöhung in +Gz zeigte, dass auch eine kognitive Belastung als zugrundeliegender Mechanismus für den Kraftanstieg in +Gz unwahrscheinlich ist, da der kognitive Aufwand bei der Untersuchung mittels der Doppeltätigkeitsmethode nicht mit dem +Gz-Level variierte. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass körperliche Aktivität die isometrische Kraftproduktion beeinträchtigt, sich dieser Effekt aber qualitativ von der beobachteten Krafterhöhung in +Gz unterscheidet, so dass körperliche Aktivität wahrscheinlich ebenfalls nicht der Grund für die erhöhte Kraftproduktion in +Gz ist. Im Gegensatz dazu beschreibt die vorliegende Promotion Experimente zur Kraftproduktion während Phasen von linearer Vektion, welche die Vermutung unterstützen, dass eine gesteigerte vestibulo-spinale Aktivität ein Grund für die erhöhte Kraftproduktion in +Gz ist. Zusätzlich könnten auch +Gz bedingte psycho-physiologische Veränderungen ein relevanter Faktor sein, da wir zeigen konnten, dass +Gz zu einem umfassenden Anstieg in unterschiedlichen Stresshormonkonzentrationen führt, welche einhergeht mit einer Reduktion der wahrgenommenen körperlichen und mentalen Verfassung. Da manuelle Auslenkungen weder in +Gz, bei vestibulärer Stimulation noch bei körperlicher Aktivität beeinträchtigt waren, scheinen die zugrundeliegenden Mechanismen nur Kräfte, jedoch keine Bewegungen zu beeinflussen. SUMMARY Several scientific studies have examined human motor performance during phases of increased terrestrial gravitational acceleration (+Gz), and found deficits e.g. in tracking, pointing and force production tasks. In the latter case, +Gz provoked highly exaggerated arm forces when subjects used an isometric joystick. Since several high-performance aircraft are controlled by such sticks this force exaggeration might impair flight stability and could therefore compromise pilots’ safety during +Gz flight maneuvers as loops and turns. However, several questions in this context remain unclear: Is the observed force exaggeration in +Gz reduced by training? Do +Gz-experienced fighter pilots show the same force exaggeration like +Gz-inexperienced subjects? Are manual displacements with a regular joystick used in different aircraft affected by +Gz as well? Does +Gz have an impact on motor learning processes? Such questions all relate to the operational background of pilots flying high-performance aircraft and answers might help to improve pilots’ flight trainings and their working lives. Besides these applied questions, another fundamental question is striking: Why do subjects produce exaggerated isometric forces in +Gz? According to literature some possible reasons like mechanical aspects, disturbed vision or proprioceptive deficits cannot explain this effect, while other aspects, like computational stress, physical activation, vestibulo-spinal activity or psycho-physiological stress might indeed explain the observed force exaggeration in +Gz. However, valuable scientific data supporting these latter theories are missing. Therefore, in order to enhance the current knowledge of applied as well as basic research topics on motor performance in +Gz, this thesis contains the investigation of both questions on motor performance related to flight operations as well as possible causes of the +Gz-induced force exaggeration. Pertaining to the research questions on motor performance related to flight operations we could show that the observed isometric force exaggeration in +Gz can be partly compensated by a prolonged task practice in +Gz, while an equivalent practice conducted in normal gravitational acceleration adequate to simulation training on the ground was ineffective. Furthermore, long term adaptation to the +Gz environment could not be observed, since professional jet pilots frequently exposed to +Gz during practice flights only showed a slightly smaller deficit in isometric force production than +Gz-inexperienced subjects. We could further demonstrate, that neither manual displacements with a regular joystick nor subjects’ ability to adapt their motor performance to unknown situations are affected negatively by +Gz. The investigation of possible causes of the observed force exaggeration in +Gz showed that also computational stress seems unlikely as an underlying reason for the force increase in +Gz, since the cognitive demand investigated by the dual task approach did not vary with the +Gz-level. We could further show that physical exercise impairs isometric force production, but since this effect differed qualitatively to the observed force exaggeration in +Gz, physical activation does probably not explain this force exaggeration in +Gz, either. In contrast, the present thesis describes experiments on force production during phases of linear vection supporting the assumption that increased vestibulo-spinal activity might be a cause of the observed force exaggeration in +Gz. Additionally, +Gz-related psycho-physiological changes might also be a relevant factor, as we could demonstrate that +Gz induces a comprehensive increase in various stress hormone concentrations going along with a decrease in perceived physical and mental state. Since manual displacements were neither affected by +Gz, vestibular stimulation nor physical activity, these underlying mechanisms seem to affect only forces, but do not apply for displacements

The effect of parabolic flight on perceived physical, motivational and psychological state in men and women: Correlation with neuroendocrine stress parameters and electrocortical activity

Previous findings of decreased mental and perceptual motor performance during parabolic flights have been attributed mainly to the primary effects of weightlessness rather than the accompanying effects of stress and altered mood. Although recent studies have alluded to the possible negative effects of stress on performance, there has been no attempt to investigate this during parabolic flights. Over a period of 3 years, 27 human participants (male n = 18, mean age ± SD 34.67 ± 7.59 years; female n = 9, 36.22 ± 9.92 years) were recruited with the aim to evaluate if, and to what extent, parabolic flights are accompanied by changes in mood. Furthermore, the relationships between mood and physiological markers of stress and arousal, namely circulating stress hormones (ACTH, cortisol, epinephrine, norepinephrine, prolactin and brain activity (EEG)) were investigated. A strong and significant correlation was found between circulating stress hormone concentrations and perceived physical state, motivational state (MOT) and psychological strain (PSYCHO), whereas no interaction between mood and EEG or EEG and stress hormone concentrations was observed. Therefore, two different stress responses appear to be present during parabolic flight. The first seems to be characterised by general cortical arousal, whereas the second seems to evolve from the adrenomedullary system. It is likely that both these mechanisms have different effects on mental and perceptual motor performance, which require further investigation and should to be taken into account when interpreting previous weightlessness research