宇宙空間における睡眠不足の影響

宇宙飛行士に類似した集団（例えば、医療従事者や航空関係者）を対象とした、実験室調査（カテゴリーI）および現場評価（カテゴリーIIおよびカテゴリーIII）を含む研究は、長時間のシフト勤務が睡眠不足につながり、労働者自身および周囲の人々に影響を与える可能性のある、パフォーマンスの低下、健康問題、事故などのその他の有害な結果を引き起こす可能性があるという説得力のある証拠を提供している。

^{PilcherとHuffcutt [ 1 ]}が行ったメタ分析（カテゴリーI）では、19の研究から得られたデータを調べ、睡眠不足が特定の種類の人間のパフォーマンスに及ぼす影響を特徴づけました。運動能力、認知能力、気分は、部分的な睡眠不足（睡眠不足とも呼ばれる）（24時間のうち5時間未満の睡眠が1日以上続くこと）、短期的な完全な睡眠不足（45時間未満の睡眠が取れないこと）、長期的な睡眠不足（45時間を超える睡眠が取れないこと）の観点から評価されました。これらの研究者は、睡眠不足の被験者は、睡眠不足でない被験者よりも、運動課題、認知課題、気分の測定において著しく悪いパフォーマンスを示したことを発見しました。認知能力への最大のインパクトは、数日間にわたる部分的な睡眠不足から見られましたが、短期および長期の睡眠不足も影響を示しました。医学生の睡眠不足の影響に関するメタ分析では、実験室での作業と臨床作業の両方で欠陥が見られた。^{[ 2 ]}

慢性的な部分睡眠不足の程度は、宇宙飛行士が飛行中に経験しており^{[ 3 ] : 90–91 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}は、複数のカテゴリー I、カテゴリー II、カテゴリー III の実験室およびフィールド研究で認知能力に悪影響を及ぼすことが報告されている。 ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}睡眠不足が、睡眠時間が大幅に減少した夜、完全に睡眠を奪われた夜、またはそれほど深刻ではないが慢性的な睡眠時間の制限の連続のいずれの形であっても、パフォーマンスに影響が出る可能性がある。 1997 年の Dinges らの研究^{[ 10 ]}では、睡眠が宇宙飛行士が一般的に経験するレベルに制限されると、「睡眠負債」が蓄積され、1 週間以内に覚醒時間中のパフォーマンスの低下が深刻な障害レベルに達することが明らかになった。

慢性的な睡眠不足は、完全な睡眠不足と同様の方法でパフォーマンスに影響を与える可能性があります。Van Dongen らによる研究^{[ 15 ]}では、48 人の被験者を使用して、慢性的な睡眠制限の具体的なパフォーマンスへの影響を、3 晩の完全な睡眠不足の影響と比較して評価しました。睡眠制限条件には、8 時間、6 時間、または 4 時間の睡眠機会が 14 晩連続して含まれ、実際の睡眠量はポリソムノグラフィー記録によって検証されました。睡眠制限条件を受けた被験者は、予定された覚醒時間中に 2 時間ごとに神経行動評価を受けましたが、睡眠不足条件を受けた被験者は、合計 88 時間の睡眠不足の間、2 時間ごとにテストされました。

Van Dongen ら^{[ 15 ]}の研究で使用された神経行動評価バッテリーには、精神運動覚醒課題 (PVT)が含まれていました。PVT は、被験者が視覚または聴覚刺激に反応する速度 (反応ボタンを押すことによって) を測定することにより、覚醒度と疲労が認知機能に及ぼす影響 (反応時間と反応の正確さの遅れによって判断される) を判定するもので、さまざまな実験条件下での持続的パフォーマンスの評価のための標準的な実験ツールとなっています。^{[ 16 ]} PVT は、注意力、反応速度、衝動性を含む基本的な神経行動パフォーマンスの変化を検出します。また、さまざまな要因 (睡眠制限、睡眠/覚醒シフト、乗り物酔い、睡眠薬による残留鎮静など) によって引き起こされる認知機能障害を検出するために、地上の実験室研究で広く検証されています。^{[ 15 ] [ 17 ] [ 18 ]} PVTは、他の認知測定法とは対照的に、繰り返し使用するための最適なツールです。研究によると、PVTを使用した場合、最小限の学習効果や適性の違いは見られないことが示されています。^{[ 15 ] [ 19 ] [ 20 ]}

これらの実験室研究の結果は、4 時間または 6 時間の連続した睡眠エピソードが PVT および作業記憶の測定におけるパフォーマンスを著しく低下させ、これらの 2 つの条件 (つまり 4 時間または 6 時間) でのパフォーマンスは 1 ～ 2 日間の完全な睡眠剥奪の条件下で見られるパフォーマンスと同程度であることを示している。驚くべきことに、14 日間の睡眠制限の終わりまでに、4 時間および 6 時間睡眠期間条件の被験者はわずかに眠気を感じたと報告した。これらの報告はパフォーマンスが最低レベルになったときに取られたため、これは被験者が不十分な回復睡眠のためにパフォーマンスの低下に気付かなくなった可能性があることを示している (図 3-2)。^{[ 15 ]}

ベッドで 4 時間過ごした被験者は 6 日後に障害レベルに達し、11 日後には重度の障害レベルに達した。ベッドで 6 時間過ごした被験者は 7 日後に障害レベルに達した。ベッドで 8 時間過ごした被験者は障害レベルに近づいたようだ。しかし、Belenky ら^{[ 21 ]}の図 3-3 は、ベッドで 9 時間過ごした被験者はこれらの障害レベルに近づかなかったことを示しており、パフォーマンス エラーのリスクを軽減するには 9 時間のベッドが必要である可能性がある。

慢性的に睡眠が制限されたことによる同様のパフォーマンスへの影響は、Belenky らによるカテゴリー Iの研究^{[ 21 ]}および図 3-3 でも確認できます。この研究では、66 人の被験者が 7 日間、4 つの条件 (ベッドで 3 時間、5 時間、7 時間、9 時間) で観察されました。PVT テストでは、3 時間条件で反応時間に深刻な障害が見られ、7 日間の睡眠制限を通して反応の遅れが着実に増加しました。ベッドで 3 時間過ごした被験者は 5 日目に深刻な障害のレベルに達しましたが、ベッドで 5 時間過ごした被験者は 4 日目に障害のレベルに達しました。

Van Dongenら^{[ 15 ]}およびBelenkyら^{[ 21 ]}によるこれらのカテゴリーIの実験室研究は、被験者が完全な睡眠不足および/または慢性的な睡眠制限の結果としてパフォーマンスの低下を被ったことを明確に示している。

認知機能障害は、人が約 17 時間起きていた後でも存在します。実際、最近の研究では、これらの低下は血中アルコール濃度の上昇によって生じるものと似ていることが示されています。ウィリアムソンとフェイヤー^{[ 22 ]}による説得力のあるカテゴリー I の実験室研究では、クロスオーバー無作為化対照デザインを使用して、軽度の睡眠不足後の認知機能と運動機能、およびアルコール摂取後の機能を観察しました。すべての被験者はアルコール摂取と睡眠不足の両方に参加し、テストの順序は、被験者の半数が最初にアルコール摂取部分に参加し、残りの半数が最初に睡眠不足部分に参加するようにバランスが取られました。ある条件から次の条件への持ち越し効果を避けるため、被験者には各条件の間にモーテルで一晩の休息が提供されました。

結果によると、平均して、血中アルコール濃度が 0.05% の場合のパフォーマンスは、16.9 ～ 18.6 時間起きていた後のパフォーマンスと同等でした。血中アルコール濃度が 0.1% の場合のパフォーマンスは、17.7 ～ 19.7 時間起きていた後のパフォーマンス、または 1 週間毎晩 4 ～ 5 時間睡眠制限した場合のパフォーマンスと同等でした。^{[ 23 ]}睡眠不足後のパフォーマンスと血中アルコール濃度が高い場合のパフォーマンスを比較した同様の研究でも、これらの結果が確認されています。^{[ 24 ]}これらの知見は、0.05% の血中アルコール濃度によって引き起こされるものと同様の低下をもたらす覚醒時間 (17 時間) が、多くの人にとって「通常の」覚醒「日」の範囲内であると考えられているため、説得力があります。多くの人が、早朝に起きて夜まで一日中働かなければならなかった出来事を思い出すことができます。宇宙飛行士は平均して一晩に6時間睡眠をとりますが、^{[ 4 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}目覚めてから17時間以上経ってから重要な任務を遂行することがあります。

研究によると、概日リズムのずれや仕事の過負荷もパフォーマンスを低下させる可能性がある。具体的には、Wright ら^{[ 25 ]}による制御された実験室研究では、概日リズムとパフォーマンスの関係を、体の概日メカニズムによって調節される体温を測定することによって評価した。体温は概日リズムのピーク付近で最も高く、概日リズムの最小付近で最も低い（このとき、体は睡眠に駆り立てられる）。体温の毎日のリズムと人間の神経行動パフォーマンスおよび覚醒度の間には正の相関関係があることは、以前から認識されている。^{[ 25 ]}

研究プロトコル^{[ 25 ]}では、12日間連続で28時間の概日リズムの脱同期を強制しました。参加者には、ベッドで過ごす予定の時間が9.3時間、起きている予定の時間が18.7時間与えられました。検証済みの測定法によるパフォーマンスは、予定された起床時間の2時間後から2時間ごとに評価されました。したがって、このプロトコルでは、体が通常睡眠に向かうとき（体温が最も低くなる時点に関連）のパフォーマンスを、通常の覚醒時間中のパフォーマンスと比較して評価し、睡眠時間や時間帯とは独立して（かつそれらに関連して）体温の影響を評価することができました。概日リズムのピーク時（体温が高いとき）には、パフォーマンスと覚醒度が高くなります。逆に、体温が低い概日リズムの位相付近では、パフォーマンスと覚醒度が低くなります。これらの結果は、他の強制脱同期および長時間の覚醒実験プロトコルでも再現されています。

これらの実験プロトコルの結果は、現場の状況に外挿することができます。医療業界では、高度な教育と訓練を受けた人々（医師など）が睡眠不足に加えて概日リズムのずれや長時間勤務にさらされており、宇宙飛行士に類似した集団で深刻なパフォーマンスエラーが発生することがさらに実証されています。Arnedtら^{[ 26 ]}が実施した、被験者1名による2セッションのカテゴリーII実験では、34名の研修医のパフォーマンスが4つの条件下で観察されました。

• 軽度のローテーション勤務を4週間行った後（平均週44時間のローテーション勤務）
• 4週間の過酷なローテーション勤務後（平均週80時間のローテーション勤務）
• 4週間の激しいローテーションの後、血中アルコール濃度は0.05%でした。
• 血中アルコール濃度0.05%での軽度交代勤務を4週間行った後

パフォーマンス測定には、PVTとシミュレーション運転タスクが含まれていました。Arnedtら^{[ 26 ]}の実験結果によると、重い呼び出しローテーション後のパフォーマンス低下は、血中アルコール濃度が0.04%から0.05%で呼び出しが少ないローテーションと組み合わさった場合のパフォーマンス低下と同程度であることが示されています。この実験の結果は、長時間勤務シフトによって引き起こされる低下が、血中アルコール濃度の上昇によって引き起こされる低下と類似していることを示しています。

ロジャースら^{[ 27 ]}によるカテゴリーIII評価では、労働時間と睡眠不足がパフォーマンスに影響を与えることが示されました。合計393人の登録看護師が、予定勤務時間、実際の勤務時間、勤務時間帯、残業、休日、睡眠/覚醒パターンを記録しました。エラーとニアミスに関する質問も含まれていました。分析の結果、勤務時間、残業、週あたりの勤務時間がエラー数に大きく影響することが示されました。勤務時間が長くなるにつれてエラーを起こす可能性が高くなり、看護師が12.5時間以上のシフトで勤務すると3倍高くなりました。残業は、当初予定されていたシフトの長さに関係なく、少なくとも1つのエラーを起こす可能性を高めました。週40時間以上、50時間以上勤務すると、エラーを起こすリスクが大幅に増加しました。

同様の結果は、その後の2,737人の医学生を対象としたカテゴリーIIIの評価でも得られた。 ^{[ 14 ]}ウェブベースの調査が米国全土で実施され、研修医は17,003件の機密月次レポートを記入した。これらの60項目のレポートには、その月の勤務時間、睡眠、活動、休日の日数、および長時間勤務シフト（少なくとも24時間の連続勤務と定義）の数に関する情報が含まれていた。これらの研修医はまた、疲労に関連する、または疲労に関連しない重大な医療ミスを犯したかどうかを報告するよう求められた。その他の質問では、患者のケアや教育活動中に居眠りしたり、眠ってしまったりした頻度を評価した。

分析の結果、長時間勤務シフトの数と疲労に関連する重大な医療過誤の報告率との間に有意な関係があることが明らかになった。具体的には、1か月あたりの長時間勤務シフトの数が増加するにつれて、疲労に関連する医療過誤の報告件数が増加した。長時間勤務シフトがなかった月では、少なくとも1件の疲労に関連する重大な医療過誤が3.8%で報告され、1～4回の長時間勤務シフトがあった月では9.8%、5回以上の長時間勤務シフトがあった月では16%で、少なくとも1件の疲労に関連する重大な医療過誤が報告された。^{[ 14 ]}さらに、注意力の低下の頻度は、長時間勤務シフトの頻度と強く関連していた。この研究からの証拠は、長時間勤務シフトがパフォーマンスに及ぼす悪影響、および事故や負傷の増加をさらに裏付けている。^{[ 13 ] [ 14 ]}

長時間労働や夜勤は、概日リズムによって体が睡眠に向かう時間帯に個人にパフォーマンスを要求するという追加の困難をもたらします。睡眠、覚醒度、および認知機能は、内因性概日リズムペースメーカーと睡眠に対する恒常性駆動という 2 つのプロセスの相互作用によって決定されます。^{[ 3 ] : 94}内因性概日リズムペースメーカーは、主観的な覚醒度と睡眠傾向、および体幹温度、認知機能、メラトニン分泌を調節する 24 時間概日リズムを生成します。^{[ 23 ]}また、主な同期要因である光に非常に敏感です。概日リズムのずれは、睡眠障害、パフォーマンス覚醒度の低下、覚醒時のメラトニン分泌、および夜間の成長ホルモン分泌レベルの低下をもたらします。^{[ 28 ]}したがって、結果はパフォーマンスエラーから長期的な健康の低下まで多岐にわたります。

夜間に働き、日中に睡眠を取ろうとする人は、睡眠/覚醒スケジュールのタイミングが環境光のタイミングとずれたままになるため、苦痛を強いられます。夜間労働者は特に交通事故に遭いやすく、注意力、パフォーマンス、警戒心の低下は、産業事故や職場での品質管理エラー、負傷、および労働生産性の全般的な低下率の上昇の原因となる可能性があります。^{[ 3 ] : 95}また、最近の情報では、人体は通常暗いときにメラトニンを分泌するため、夜間に人工的な光の下で働くとメラトニンの分泌が抑制され、癌を発症するリスクが高まる可能性があることも示唆されています。^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}

要約すると、地上での証拠は、睡眠不足、概日リズムの乱れ、長時間勤務がパフォーマンスエラーや事故の増加につながることを示している。したがって、これらのリスク要因が宇宙飛行環境にもどの程度存在するのかを検討することは重要である。

• 睡眠不足が認知能力に及ぼす影響
• 交代勤務睡眠障害
• 睡眠不足
• スカイラブ4号

 この記事は、米国航空宇宙局（NASA）の「宇宙探査ミッションにおける人間の健康とパフォーマンスのリスク」（PDF）からのパブリックドメイン資料を組み込んでいます。 （NASA SP-2009-3405、90-95ページ）。