Effekter av sömnbrist i rymden

Studier, som inkluderar laboratorieundersökningar (Kategori I) och fältutvärderingar (Kategori II och Kategori III) av befolkningsgrupper som är analoga med astronauter (t.ex. medicinsk personal och flygpersonal), ger övertygande bevis för att långa arbetspass under längre tidsperioder bidrar sömnbrist och kan orsaka prestationsförsämringar, hälsoproblem och andra skadliga konsekvenser, inklusive olyckor, som kan påverka både arbetaren och andra.

Prestationsfel i förhållande till sömnförlust och förlängd vakenhet

En metaanalys (Kategori I) som utfördes av Pilcher och Huffcutt undersökte data som hämtades från 19 forskningsstudier för att karakterisera effekterna av sömnbrist på specifika typer av mänsklig prestation. Motoriska färdigheter, kognitiva färdigheter och humör utvärderades i termer av: partiell sömnavledning (även känd som sömnbrist ), vilket definieras som färre än 5 timmars sömn under en 24-timmarsperiod under 1 eller fler dagar; kortvarig total sömnbrist (ingen sömn uppnådd på mindre än 45 timmar); och långvarig sömnbrist (ingen sömn uppnådd under en period på över 45 timmar). Dessa forskare fann att sömnberövade försökspersoner presterade betydligt sämre på motoriska uppgifter, kognitiva uppgifter och mätningar av humör än försökspersoner som inte hade sömnbrist. Den största effekten på kognitiv prestation sågs från flera dagar av partiell sömnbrist, även om kort- och långvarig sömnbrist också visade en effekt. Metaanalyser av sömnbristeffekter hos medicinska invånare fann brister i både laboratorieuppgifter och kliniska uppgifter.

Storleken på den kroniska partiella sömnförlusten har upplevts av astronauter under flygning har rapporterats ha en negativ inverkan på kognitiva prestationer i flera Kategori I , Kategori II och Kategori III laboratorie- och fältstudier. Prestanda kan påverkas oavsett om sömnförlusten är i form av en natt med avsevärt minskad sömn, en natt med total sömnbrist eller en serie mindre drastiska, men mer kroniska, begränsade sömntimmar. En studie från 1997 av Dinges et al. avslöjade att när sömnen begränsas till den nivå som vanligtvis upplevs av astronauter, uppstår en " sömnskuld " och på mindre än 1 vecka når prestationsbrister under vakna timmar nivåer av allvarliga försämringar.

Kronisk minskning av sömn kan påverka prestandan på ett sätt som liknar det för total sömnbrist. En studie av Van Dongen et al., som använde 48 försökspersoner, utvärderade de specifika prestationseffekterna av kronisk sömnrestriktion i jämförelse med effekterna av 3 nätter av total sömnbrist. Sömnrestriktioner inkluderade 14 på varandra följande nätter med 8, 6 eller 4 timmars sömnmöjlighet, med faktisk sömnmängd validerad av polysomnografiinspelningar . Försökspersoner som utsattes för sömnrestriktioner genomgick neurobeteendebedömningar varannan timme under sin schemalagda vakenhet, medan försökspersoner som utsattes för sömnbristtillståndet testades varannan timme under deras totala 88 timmars sömnbrist.

Batteriet för neurobeteendebedömning som användes i Van Dongen et al. studien inkluderade psykomotorisk vaksamhetsuppgift (PVT) . PVT - som bestämmer vakenhet och effekterna av trötthet på kognitiv prestation (som bestäms av fördröjningar i svarstid och noggrannhet av svar) genom att mäta den hastighet med vilken försökspersoner svarar på en visuell eller auditiv stimulans (genom att trycka på en svarsknapp) - har bli ett standardlaboratorieverktyg för bedömning av ihållande prestanda under en mängd olika experimentella förhållanden. PVT upptäcker förändringar i grundläggande neurobeteendeprestanda som involverar vaksam uppmärksamhet, svarshastighet och impulsivitet; och det har i stor utsträckning validerats i markbaserade laboratoriestudier för att upptäcka kognitiva underskott som orsakas av en mängd olika faktorer (t.ex. begränsad sömn, sömn-/vaknskiftningar, åksjuka, kvarvarande sedering från sömnmedicin). PVT är ett optimalt verktyg för upprepad användning, i motsats till vissa andra kognitiva mått, eftersom studier inte har visat några minimala inlärningseffekter och begåvningsskillnader vid användning av PVT.

Figur 3–2. Prestanda förfaller för tid i sängen (TIB) under 14 dagars sömnbegränsning.

Resultat från dessa laboratoriestudier indikerar att flera på varandra följande sömnepisoder på 4 eller 6 timmar signifikant urholkar prestandan på PVT och på mätningar av arbetsminnet, och att prestandan under dessa två förhållanden (dvs. 4 eller 6 timmar) var jämförbar med prestandan som hittas under förhållanden på 1 till 2 dagar av total sömnbrist. Överraskande nog, i slutet av de 14 dagarna med sömnrestriktion, rapporterade försökspersoner i 4- och 6-timmars sömnperioden att de bara kände sig lätt sömniga. Eftersom dessa rapporter togs när prestationsförmågan var på sin lägsta nivå, indikerar detta att försökspersonerna kanske inte längre var medvetna om sina prestationsbrister på grund av otillräcklig återhämtningssömn (figur 3–2).

Försökspersoner som tillbringade 4 timmar i sängen nådde nivåer av funktionsnedsättning vid 6 dagar och av allvarlig funktionsnedsättning vid 11 dagar. Försökspersoner som tillbringade 6 timmar i sängen nådde nivåer av funktionsnedsättning efter 7 dagar. Det verkar som om försökspersoner som tillbringade 8 timmar i sängen närmade sig nivåer av funktionsnedsättning. Figur 3-3, som är från Belenky et al., visar dock att försökspersoner som tillbringade 9 timmar i sängen inte närmade sig dessa nivåer av funktionsnedsättning, vilket indikerar att 9 timmar i sängen kan behövas för att minska risken för prestationsfel.

Bild 3-3. PVT-prestanda förfaller för TIB under 7 dagars sömnbegränsning.

Liknande prestationseffekter till följd av kroniskt begränsade kan också ses i Kategori I- studien av Belenky et al. och i figur 3-3. Denna studie involverade 66 försökspersoner som observerades under fyra tillstånd (dvs 3, 5, 7 och 9 timmar i sängen) under 7 dagar. PVT-testning visade allvarliga försämringar i reaktionstiden under 3-timmarstillståndet, med förflutna svar som ökade stadigt under de 7 dagarna av sömnrestriktion. Försökspersoner som tillbringade 3 timmar i sängen nådde nivåer av allvarlig funktionsnedsättning efter 5 dagar, medan försökspersoner som tillbringade 5 timmar i sängen nådde nivåer av funktionsnedsättning vid 4 dagar.

Dessa kategori I laboratoriestudier av Van Dongen et al. och Belenky et al. visar tydligt att försökspersoner led prestationsförsämringar till följd av total sömnbrist och/eller kronisk sömnbegränsning.

Kognitiva störningar är närvarande även efter att en individ har varit vaken i cirka 17 timmar; Faktum är att nyare studier har visat att dessa sänkningar liknar de som är resultatet av en förhöjd alkoholhalt i blodet. En övertygande kategori I laboratoriestudie från Williamson och Feyer använde en cross-over randomiserad kontrolldesign för att observera kognitiva och motoriska prestationer efter mindre sömnbrist till prestanda efter alkoholkonsumtion. Alla försökspersoner deltog i både alkoholkonsumtion och sömnbrist, och testordningen motverkades så att hälften av försökspersonerna deltog i alkoholkonsumtionsdelen först medan den andra hälften deltog i sömnbristdelen först. För att undvika överföringseffekter från ett tillstånd till ett annat, fick försökspersonerna en natts vila på ett motell mellan varje tillstånd.

Resultaten tyder på att prestation med en alkoholhalt i blodet på 0,05 % i genomsnitt förblev likvärdig med prestation efter att ha varit vaken i 16,9 till 18,6 timmar. Prestation med en alkoholhalt i blodet på 0,1 % motsvarade prestation efter att ha varit vaken i 17,7 till 19,7 timmar, eller med begränsad sömn på 4 till 5 timmar per natt under 1 vecka. Liknande studier som jämför prestation efter en tid av sömnbrist med prestation med förhöjd alkoholhalt i blodet har bekräftat dessa resultat. Dessa fynd är övertygande eftersom varaktigheten av vakenhet (17 timmar), vilket resulterar i minskningar som liknar de som induceras av en 0,05 % alkoholhalt i blodet, anses av många vara inom intervallet för ett "normalt" vaket " dag"; många individer kan minnas en incident där de var tvungna att vakna tidigt på morgonen och arbeta hela dagen in på natten. Astronauter, som sover i genomsnitt 6 timmar per natt, kan utföra kritiska uppgifter 17 timmar eller mer efter uppvaknandet.

Prestandafel i förhållande till sömndesynkronisering och arbetsöverbelastning

Forskning tyder på att cirkadisk desynkronisering och arbetsöverbelastning också kan försämra prestandan. Specifikt en kontrollerad laboratoriestudie av Wright et al. utvärderade sambandet mellan dygnsrytm och prestation genom att bedöma kroppstemperaturen, som regleras av kroppens dygnsrytm. Kroppstemperaturen är som högst nära dygnstoppen och lägst nära cirkadian minimum (det är då kroppen drivs att sova). Det har länge varit känt att det finns ett positivt samband mellan dagliga rytmer av kroppstemperaturen och neurobeteendeprestanda och vakenhet hos människor.

Studieprotokollet tvingade fram cirkadisk desynkronisering under 12 på varandra följande 28-timmarsdagar; deltagarna fick 9,3 timmars schemalagd tid i sängen och 18,7 timmars schemalagd vakenhet. Prestanda på validerade mätningar utvärderades varannan timme, med början 2 timmar efter den schemalagda väckningstiden. Protokollet bedömde därför prestation när kroppen normalt drivs till sömn (vilket är relaterat till den punkt där kroppstemperaturen är som lägst) i förhållande till prestation under normala vakna timmar, och tillät bedömning av effekterna av kroppstemperatur oberoende av (och i samband med) sömntimmar och tid på dygnet. Under den cirkadiska toppen (när kroppstemperaturen är hög) är prestation och vakenhet hög; omvänt, nära den cirkadiska fasen av låg kroppstemperatur, är prestation och vakenhet låg. Dessa resultat har replikerats i andra påtvingade desynkroniseringsprotokoll och laboratorieprotokoll för utökad vakenhet.

Resultat från dessa laboratorieprotokoll kan extrapoleras till fältförhållanden. Studier inom den medicinska industrin, där högutbildade och utbildade individer (t.ex. läkare) utsätts för dygnsskiften och förlängda arbetsskift utöver sömnförlust, visar ytterligare allvarliga prestationsfel med populationer som är analoga med astronauter. I en två-session, med ämne, kategori II- experiment som utfördes av Arnedt et al., observerades prestationen av 34 medicinska praktikanter under fyra förhållanden:

  • efter 4 veckors lätt rotation (i genomsnitt 44 timmars rotation/vecka)
  • efter 4 veckor av en tung rotation (i genomsnitt 80 timmars rotation/vecka)
  • efter 4 veckor av en kraftig rotation med 0,05 % alkoholhalt i blodet
  • efter 4 veckors lätt rotation med 0,05 % alkoholhalt i blodet

Prestandamått inkluderade PVT och en simulerad köruppgift. Resultaten av Arnedt et al. Experimentet indikerar att prestationsförsämringar efter en tung-call-rotation är jämförbar med den försämring som är associerad med en kombinerad 0,04-0,05% alkoholhalt i blodet och en light-call-rotation. Resultaten av detta experiment visar att minskningar som skapas av utökade arbetsskift liknar de minskningar som skapas av förhöjda alkoholhalter i blodet.

Arbetstimmar och sömnförlust visade sig påverka prestandan i en kategori III- utvärdering av Rogers et al. Totalt 393 registrerade sjuksköterskor loggade schemalagda arbetade timmar, faktiska arbetade timmar, tid på dagen arbetade, övertid, lediga dagar och mönster för sömn/vaken. Frågor om fel och nästan fel ingick också. Analyser visade att arbetstid, övertid och antal arbetade timmar per vecka avsevärt påverkade antalet fel. Sannolikheten för att göra fel ökade med längre arbetstid och var tre gånger högre när sjuksköterskorna arbetade skift som varade 12,5 timmar eller mer. Att arbeta övertid ökade chansen att göra minst ett fel, oavsett den ursprungligen planerade längden på skiftet. Att arbeta mer än 40 och mer än 50 timmar per vecka ökade markant risken för att göra fel.

Liknande resultat uppnåddes i en efterföljande kategori III- utvärdering av 2 737 medicinska praktikanter. En webbaserad undersökning genomfördes över hela USA där praktikanter fyllde i 17 003 konfidentiella månadsrapporter. Dessa 60-postrapporter innehöll information om arbetstimmar, sömn och aktiviteter under månaden, antal lediga dagar och antalet förlängda arbetspass (definierat som minst 24 timmars kontinuerligt arbete). Dessa praktikanter ombads också att rapportera om de hade gjort betydande trötthetsrelaterade eller icke-utmattningsrelaterade medicinska fel. Andra frågor bedömde hur ofta de hade nickat av eller somnat under patientvård eller utbildningsverksamhet.

Analys avslöjade ett signifikant samband mellan antalet långvariga arbetsskift och de rapporterade andelen trötthetsrelaterade anmärkningsvärda medicinska fel. Specifikt ökade antalet rapporterade trötthetsrelaterade medicinska fel när antalet förlängda skift per månad ökade. Minst ett trötthetsrelaterat signifikant medicinskt fel rapporterades under 3,8 % av månaderna utan längre arbetsskift; och minst ett utmattningsrelaterat signifikant medicinskt fel rapporterades under 9,8 % av månaderna som hade mellan ett och fyra långtidsarbetsskift och under 16 % av månaderna som hade fem eller fler långvariga arbetsskift. Dessutom var frekvensen av uppmärksamhetsfel starkt förknippad med frekvensen av långvariga arbetsskift. Bevis från denna studie bekräftar ytterligare den negativa inverkan som långvariga arbetsskift kan ha på prestation, såväl som ökade olyckor och skador.

Att arbeta längre tider eller nattskift innebär också den extra svårigheten att kräva prestation från en individ samtidigt som kroppen drivs att sova av dygnssystemet. Sömn, vakenhet och kognitiv funktion bestäms av interaktionen mellan två processer: den endogena dygnspacemakern och den homeostatiska driften för sömn. Den endogena dygnspacemakern genererar 24-timmars dygnsrytmen som reglerar subjektiv vakenhet och sömnbenägenhet samt kroppstemperatur, kognitiva funktioner och melatoninsekretion, som beskrivits ovan. Den är också mycket känslig för ljus, vilket är dess primära synkronisering. Felinriktning av dygnsrytmen resulterar i störd sömn, försämrad vakenhet, melatoninsekretion under vakna timmar och minskade nivåer av nattlig utsöndring av tillväxthormon . Resultatet kan därför variera från prestationsfel till långsiktiga hälsoförsämringar.

Individer som arbetar på natten och försöker sova under dagen lider eftersom tidpunkten för deras sömn/vakna schema förblir ur fas med tidpunkten för omgivningsljuset. Nattarbetare är särskilt benägna att drabbas av fordonsolyckor, och deras minskade vakenhet, prestanda och vaksamhet kommer sannolikt att skylla på en högre andel industriolyckor och kvalitetskontrollfel på jobbet, skador och en allmän nedgång i arbetsproduktiviteten. Färsk information tyder också på att eftersom kroppen normalt frisätter melatonin när det är mörkt, undertrycker arbete under konstgjorda som på natten frisättningen av melatonin, vilket kan öka risken för att utveckla cancer.

Sammanfattningsvis visar markbaserade bevis att sömnförlust, dygnsdesynkronisering och förlängda arbetsskift leder till ökade prestationsfel och olyckor. I vilken utsträckning dessa riskfaktorer också finns i rymdflygmiljön är därför ett viktigt övervägande.

Se även

Public Domain Den här artikeln innehåller material från allmän egendom från Human Health and Performance Risks of Space Exploration Missions ( PDF) . National Aeronautics and Space Administration . (NASA SP-2009-3405, s. 90-95).