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Dissertation: Marc Dalecki


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Dissertation: Marc Dalecki

Dissertation / Doktorarbeit / Thesis

German Sport University Cologne
Institute of Physiology and Anatomy
Dalecki, Marc (2013): Human fine motor control and cognitive performance in simulated weightlessness by water immersion Zusammenfassung:
Summary
The present thesis explored the nature of human fine motor control and cognitive performance in between 20 cm and 5m depth of water immersion. Subjects performed different isometric fine motor and cognitive tasks by handling a joystick and a key box, and targets were presented via screen. Displacement movements were also performed by using an elbow joint positioning task. Experiments were executed both during water immersion and under dry conditions under normal ambient pressure.

Fine motor control was both increased and decreased during shallow water immersion, depending upon whether subjects performed isometric or displacement responses. The quality of isometric motor response was decreased in shallow water. Deficits occurred for isometric peak but not for initial responses, which indicates that peak force exaggerations are rather related to inadequate proprioceptive feedback than to errant planning. The effects of practice did not reduce this deficit, and the deficit was distinctly but not entirely eliminated by visual feedback. Proprioceptive deficits seem to be related to ambient pressure and weight force changes that in turn reduce the resting muscular tone. In contrast, the precision of displacement movements is increased underwater. Displacement arm movements seem to compensate for decrease of muscle tone as a result of working against water viscosity. This in turn improves proprioceptive precision.

Cognitive deficits are already present in shallow water immersion. Different decision-making tasks and sustained attention were impaired in depths of 5 m. Deficits were present for simple but not for complex tasks. This finding indicates that cognitive decay in 5 m is dependent upon task complexity; this may in turn be explained by means of a parallel processing model. Cognitive deficits are possibly due to the influence of ambient pressure, because deficits were present at a depth of 5 m but not in the very shallow immersion of 20 cm.

Subjects were not aware about their motor and cognitive deficits under shallow water immersion. This might implicate a safety problem. The considerations presented within this thesis should be taken into account when designing specific underwater training programs for astronauts, SCUBA diving instructors, professional working divers, and firemen or policemen who dive.

Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit untersuchte die feinmotorische und kognitive Leistungsfähigkeit des Menschen während Wasserimmersion im Bereich zwischen 20 cm und 5 m Tiefe. Probanden führten verschiedene manuelle feinmotorische und kognitive Aufgaben, die über einen Bildschirm präsentiert wurden, mit Bedienung eines isometrischen Joystick und einer Tastenbox durch. Experimente mit Bewegung der Extremitäten wurden mit Hilfe einer Ellenbogengelenk-Winkeleinstellungsaufgabe durchgeführt. Alle Untersuchungen wurden jeweils während Wasserimmersion und unter trockenen Bedingungen unter normalem Umgebungsdruck ausgeführt.

Die feinmotorische Leistungsfähigkeit war sowohl erhöht als auch verringert während Flachwasserimmersion, abhängig davon, ob die Probanden isometrische oder bewegliche Aufgaben durchführten. Die Genauigkeit von isometrischen Kräften war deutlich beeinträchtigt. Defizite traten bei peak, aber nicht bei initialen Kräften auf, was bedeutet, daß der Kraftüberschuß durch Störungen im propriozeptiven Feedback und nicht durch eine falsche zentrale Planung ausgelöst wurde. Übungseffekte konnten dieses Defizit nicht verringern, und das Defizit wurde deutlich, aber nicht vollständig durch visuelles Feedback eliminiert. Die propriozeptiven Defizite scheinen auf Einflüssen des erhöhten Umgebungsdrucks und der Veränderung der Gewichtskraft zu basieren, die beide anscheinend einen reduzieren Muskeltonus induzieren. Im Gegensatz dazu wird die Präzision beim Einstellen von Ellbogenwinkeln Unterwasser erhöht. Bewegung gegen den hohen Wasserwiderstand scheint den Abfall des Muskeltonus zu kompensieren und die Präzision der Propriozeption zu verbessern.

Kognitive Defizite waren auch bereits während Flachwasserimmersion vorhanden. Reaktionszeit und Fehlerrate von verschiedenen Wahlreaktionsaufgaben und die Aufmerksamkeit waren in einer Tiefe von 5 m deutlich beeinträchtigt. Bei den Wahlreaktionsaufgaben gab es Defizite bei einfachen, aber nicht bei komplexen Aufgaben. Dieser Befund zeigt eine Abhängigkeit von kognitiven Störungen von der Aufgabenkomplexität, was durch eine parallele Verarbeitung von kognitiven und sensomotorischen Prozessen erklärt werden könnten. Kognitive Defizite sind möglicherweise auf den Einfluß des ansteigenden Umgebungsdrucks zurückzuführen, da Defizite in 5 m, aber nicht in 20 cm Wassertiefe lokalisiert werden konnten.

Die Probanden waren sich ihrer motorischen und kognitiven Defizite im Wasser nicht bewußt. Dies könnte ein Sicherheitsproblem darstellen. Die Ergebnisse der hier vorliegenden Arbeit sollten bei der Planung von Trainingsprogrammen für Astronauten, Tauchlehrer, Berufstaucher, und Feuerwehrleuten oder Polizisten die tauchen berücksichtigt werden.


14.12.2017 - 03:16