Mental performance in extreme environments: results from a performance monitoring study during a 438-day spaceflight

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1 WS03 MIR Bilder aus dem Innenraum (Psychologische Untersuchungen im Weltraum) Mental performance in extreme environments: results from a performance monitoring study during a 438-day spaceflight Manzey, D.; Lorenz, B. & Poljakov, V. (1998) Ergonomics, 41(4), gta03-1 peter.nickel@uni- oldenburg.de gta03-3 MIR Bilder aus dem Weltraum (Psychologische Untersuchungen im Weltraum) Sendung zur 438-Tage-MIR-Mission (Arte, ) "Die russische Raumstation MIR. Wer hier oben aushalten will, muss nicht nur eine gute körperliche Kondition mitbringen, sondern auch psychisch den Bedingungen des Lebens im kosmischen Vakuum standhalten. In dieser Röhre lebte der Moskauer Arzt Valerij Poljakov 438 Tage lang eingeschlossen in einer Welt aus Stahl und Technik." gta03-2 gta03-4

2 Poljakov: Sendung zur 438-Tage-MIR-Mission (Arte, ) Isolation ist belastend. Die Station ist hermetisch abgeschlossen. Die Atmosphäre ist vollkommen künstlich. Außerdem ist der Lärmpegel hoch und belastet die Psyche. All das wirkt bei längeren Aufenthalten sehr ermüdend... Isolation bedeutet auch sensorische Deprivation. Wenn ein Mensch unzureichend mit Reizen versorgt wird, kann es zu Depressionen kommen. Folglich nimmt dann auch die psychische und physische Arbeitsfähigkeit ab... Damit schließt sich ein Kreis, denn die beste psychologische Hilfe bietet ein Arbeitspensum, das die volle Konzentration erfordert." Die Arbeit auf Mir verlangt Höchstleistungen. Sie sind nur möglich, wenn die Crew effektiv zusammenarbeitet, sei es bei Reparaturarbeiten außerhalb oder wissenschaftlichen Experimenten im Innern der Raumstation. Raumfahrt und Psychologie (Fragestellungen) (Arbeits-)Psychologische Fragestellungen in der bemannten Raumfahrt: Personalselektion Training missionsbegleitende Unterstützung der Astronauten psychologische Belastungs- und Beanspruchungsanalysen kognitive und psychomotorische Leistungsfähigkeit von Astronauten gta03-5 gta03-7 Sendung zur 438-Tage-MIR-Mission (Arte, ) Belastungsbedingungen im Weltraum (Einwirkungen aus unterschiedlichen Bereichen) Manzey: Das vielleicht wichtigste Ergebnis bei Poljakov, das für mich etwas überraschend kam, war, dass wirklich nach drei oder vier Wochen Anpassungszeit das ursprüngliche Leistungsvermögen eigentlich in allen erfassten Funktionen wieder da war und dann über dreizehn Monate im All weitgehend konstant blieb. Es gab eigentlich nur wenige Phasen, wo eine noch größere Schwankung da war. Das ist für uns ein erster Hinweis, dass die mentalen Funktionen auch bei Langzeitaufenthalten im All nach einer Anpassungsphase stabil und konstant auf relativ hohem Niveau gehalten werden können." gta03-6 gta03-8

3 Stressors arising from Space environment: Microgravity; Lacking the usual gravitational force induces several physiological changes: changes of vestibular input shift of body fluids into the upper parts of the body changes of bone and mineral metabolism disturbances of proprioceptive processes Space habitat and its life-support system: factors such as confinement, elevated levels of CO2 in the ambient air, and elevated noise levels Mission-specific physical and mental workload of cosmonauts Social situation in the space habitat lack of privacy, isolation from family and friends Subject Methods I One Russian cosmonaut (51 years old; experienced in spaceflights) Performance tasks AGARD-STRES: Grammatical Reasoning, Memory-Search, Unstable Tracking, Dual Subjective Measures NASA-Tlx (subjective workload during task performance) scales: mental demands, physical demands, time pressure, own performance, effort, frustration Mood rating (15 six-point scales (0-5): aggressive, balanced, bored, carefree, concentrated, distracted, fatigued, fresh, happy, interested, lively, nervous, relaxed, sad, strained) both translated to Russian gta03-9 gta03-11 Fragestellungen der Untersuchung How long does it take to recover fully from initial performance disturbances during long-term spaceflights? Is it possible to maintain stability of mental efficiency after complete adaptation to space during a long-term spaceflight? AGARD-STRES (Grammatical Reasoning) & BEFORE # * AFTER & * # & Do similar performance decrements as during adaptation to space emerge also during re-adaptation to Earth after a long-term spaceflight? Do prolonged stays in space induce any long-term performance deficits after return to Earth? GR asks for manipulating grammatical information and places demands primarily upon working memory. Each sentence either correctly or incorrectly describes the order of an adjacent pair of symbols within the set of three. GR requests to compare the truth of both sentences: If both are true, or if both are false (see example) press the key marked 'same' If only one of the sentences is true but the other is false, press the key marked 'different' RSI = 1,000 ms maxrt = 15,000 ms gta03-10 gta03-12

4 AGARD-STRES (Unstable Tracking) NASA-TLX (Hart & Staveland, 1988) NASA-TLXRating Scale ( hsiac/products/tlx/b.html - 01/2001) UT asks for information processing resources used in the execution of continuous manual control responses. First the cursor is fixed in the centre of the monitor screen. After pressing a start key the cursor is moving horizontally in random direction. Cursor speed is increasing whilst coming closer to the borders. The subject manipulates a one-dimensional joystick in an attempt to maintain the position of a horizontally-moving cursor (velocity, position) on the target (screen center). The system is inherently unstable. gta03-13 gta03-15 AGARD-STRES (Dual Task: unstable tracking with concurrent memory search) DU2: UT + MS2 M DU4: UT + MS4 This combination of Unstable Tracking and Memory Search asks for dividing attention between two activities. During concurrent presentation of the tasks, each proceeds as previously described. DU2 is Unstable Tracking with concurrent Memory Search (memory set of 2), whereas DU4 is Unstable Tracking with concurrent Memory Search (memory set of 4). Subjects are instructed to allocate equal priority to the unstable tracking and memory search tasks. Apparatus and stimuli Methods II IBM-compatible laptop for presentation of subjective mood scale, workload scale, performance tasks, response recording, scoring of performance data (response time, errors, tracking error) with ERTS Procedure 33 training sessions over a period of 5 month prior to the space mission each 30 min with tasks (GR, MS2/4, UT, DU2/4) lasting 3 min each during training: performance feedback instruction: max individual performance by min response time while attaining max response accuracy without assigning priority to either parameter gta03-14 gta03-16

5 Procedure (cont.) assessments: Methods III 4 pre-flight (-87, -34, -3, -2 before launch), 29 in-flight ( ) 1st M 8, 2-4 M 7, 7-9 M 7, M 7 8 post-flight (+4, +4, +5, +6, +11, +12, +168, +168 after landing) no performance feedback each session about 30 min fixed sequence: mood rating, AGARD (fixed sequence GR, MS2/4, UT, DT2/4), NASA-Tlx Results I Grammatical reasoning: Memory search: gta03-17 gta03-19 Methods IV Performance measures and statistical analysis "cognitive" task performance: response time data transformed in its corresponding response rate error rates low (< 12% in GR, < 5% in MS) tracking performance: RMSE-data pre-, in-, post-flight, follow up: single-subject design combination of GLM and autocorrelation time series within each task of 41 sessions Estimation of the significance of between-session changes in the mean level of the time-series, treating the remaining within-session variance as an estimation of statistical error. no comparable statistical analysis with the subjective mood and workload ratings Results II Dual task memory search: gta03-18 gta03-20

6 Results III Results V Tracking performance Dual task results compared with baseline values gta03-21 gta03-23 Results IV Results VI time sharing efficiency subjective workload: gta03-22 gta03-24

7 Results VII subjective mood ratings: Fragestellungen der Untersuchung How long does it take to recover fully from initial performance disturbances during long-term spaceflights? Is it possible to maintain stability of mental efficiency after complete adaptation to space during a long-term spaceflight? Do similar performance decrements as during adaptation to space emerge also during re-adaptation to Earth after a long-term spaceflight? Do prolonged stays in space induce any long-term performance deficits after return to Earth? gta03-25 gta03-27 Discussion Im Vergleich zum Leistungsniveau bis zu 3 Monaten vor Start zeigten sich Leistungsbeeinträchtigungen innerhalb der letzten drei Tage vor dem Start. (Antwortzeiten der "kognitiven" Aufgaben (und Tracking-Aufgaben)) Phasen der Destabilisierung: (1) Anpassung an die Bedingungen im Weltraum (2) Rückanpassung an die Bedingungen der Erde (Reduktion der Tracking-Leistung; Veränderungen Workload, Mood) Die Stabilität von Mood und Leistung während des Aufenthalts im Weltraum ist beeindruckend. Einige Beeinträchtigungen der time-sharing efficiency traten auf. Nach Abschluss des Aufenthalts im Weltraum zeigten sich keine langanhaltenden Leistungsbeeinträchtigungen Fragen und Antworten Im Vergleich zum Leistungsniveau bis zu 3 Monaten vor Start zeigten sich Leistungsbeeinträchtigungen innerhalb der letzten drei Tage vor dem Start. (Antwortzeiten der "kognitiven" Aufgaben (und Tracking-Aufgaben)) How long does it take to recover fully from initial performance disturbances during long-term spaceflights? Do similar performance decrements as during adaptation to space emerge also during re-adaptation to Earth after a long-term spaceflight? Phasen der Destabilisierung: (1) Anpassung an die Bedingungen im Weltraum (2) Rückanpassung an die Bedingungen der Erde (Reduktion der Tracking-Leistung; Veränderungen Workload, Mood) Is it possible to maintain stability of mental efficiency after complete adaptation to space during a long-term spaceflight? Die Stabilität von Mood und Leistung während des Aufenthalts im Weltraum ist beeindruckend. Einige Beeinträchtigungen der time-sharing efficiency traten auf. Do prolonged stays in space induce any long-term performance deficits after return to Earth? Nach Abschluss des Aufenthalts im Weltraum zeigten sich keine langanhaltenden Leistungsbeeinträchtigungen gta03-26 gta03-28

8 Psychische Leistungsfähigkeit von Astronauten (Untersuchungen auf der MIR) Bilder von der MIR (x) Psychische Leistungsfähigkeit während Kurzzeit-Mission (8 Tage) und während Langzeit-Mission (438 Tage) AGARD-STRES: Grammatical Reasoning, Memory-Search, Unstable Tracking, Dual Ergebnis: elementare kognitive Leistungen bleiben unter Weltraumbedingungen weitestgehend unbeeinträchtigt Leistungseinbußen bei Doppelaufgabentätigkeit => Probleme selektiver Aufmerksamkeit unter Einfluss raumfahrtrelevanter Stressoren Leistungseinbußen bei Trackingtätigkeit => (1) Probleme der Bewegungssteuerung durch veränderte Gravitationsbedingungen (2) Beeinträchtigung von Aufmerksamkeitsprozessen durch unspezifische Stressoren gta03-29 gta03-31 Psychische Leistungsfähigkeit von Astronauten (Untersuchungen auf der MIR) Psychische Leistungsfähigkeit während Kurzzeit-Mission (20 Tage) Ergebnisse: Leistungseinbußen bei Trackingtätigkeit zu Beginn der Mission: Verzögerung der effektiven Totzeit (effective time-delay) bei Regelung Leistungseinbußen bei Trackingtätigkeit im weiteren Verlauf: Abnahme der Verstärkung (tracking gain) bei Regelung (vergleichbar mit Ergebnissen aus Labor bei hoher Beanspruchung und Ermüdung) Informationen zu MIR-Missionen (Internet) gta03-30 gta03-32