Cognition and neuropsychological changes at altitude

Bliemsrieder, Kathrin (2023): Cognition and neuropsychological changes at altitude: a systematic review of literature. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Background: High-altitude exposure is widely accepted to affect cognitive functions. Yet, studies investigating altitude-related effects on the cognitive domain have yielded in inconsistent results. One reason for this was thought to be the difficulty of comparing test designs and the breadth of the neuropsychological tests used. According to published reports, relative altitude as well as duration of altitude exposure seem to have the greatest impact on cognition. Moreover, sufficient acclimatization appears to have a beneficial effect on cognitive functions at altitude. To date, several assessment techniques have been developed to monitor cognitive functions in high-altitude studies. The aim of the current study is to evaluate the effects of altitude exposure on cognitive functions in healthy subjects, and to provide a structural overview of the applied neuropsychological tests used to obtain these results. Methods: A comprehensive literature search was performed using PubMed up to October 2021 according to the Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses guidelines. Eligibility criteria included a healthy human cohort exposed to altitude in the field (at minimum 2,440 m) or in a hypoxic environment in the laboratory (FiO2 corresponding to at minimum 2,440 m) and outcome of cognition with an experimental design. Results: The literature search identified 123 articles, of which 52 articles were included in the systematic review. The examined altitudes ranged between 2,440 m and 8,848 m. Of the 52 published studies, 29 examined the impact of altitude in the field. All other studies conducted hypoxia research in laboratory settings. Researchers applied 112 different neuropsychological tests, with a total of 173 test applications on subjects. Furthermore, neuropsychological tests were classified depending on their superordinate cognitive domains naming their outcomes, the investigated altitudes, and the intervention methods. Attentional capacity, concentration and executive functions proved to be the most frequently studied cognitive domains. Analysis of the results revealed that less than half of the applied neuropsychological test showed significant impairment at the examined altitudes. Of all the neuropsychological tests that were conducted in the field, 66.4 % showed no impairment or even improvement while 33.6 % found significant deteriorations at high altitude. In the laboratory setting, these results were reversed with 64.7 % of tests showing deterioration, while 35.3 % test showed no or improved effects. Only a few articles used measures such as control groups or alternative test forms in repeated measure testing to control for learning effects. The majority of articles discussed learning effects as a potential source of error. The Stroop Test was used most frequently and appeared to be more sensitive in laboratory studies compared to field studies. The Psychomotor Vigilance Test revealed significant impairment between the altitudes of 3,269-3,800 m and the N-Back Number Task between 3,800-4,500 m. Conclusion: Here we provide a systematic literature review on articles that investigated cognitive function at altitude. One main purpose of this review was the classification of the used neuropsychological tests, and their aptitude for detecting impairment of cognitive performance at altitude. Referring to the current state of research, to our knowledge, this is the first overall review that explicitly mentions the applied neuropsychological tests, classifying them into supercategories according to their cognitive domain, and listing their results in terms of the in- vestigated altitudes. We found that in the neuropsychological tests performed in the laboratory, the ratio of results that showed altitude-induced impairments was twice as high compared to those showing no changes or improvements. Studies conducted in the field yielded in the opposite results consistent with the idea that sufficient acclimatization has beneficial effects on cognitive functions at high altitude. The analysis of the published data demonstrates the need for a common consensus on study design, and the use of a standardized framework of tests, for instance by creating an open access test battery. The STAR guidelines for data reporting have proved useful in assessing study quality, and their utilization in future studies may contribute to further standardization of methods.

Abstract

Hintergrund: Es ist weithin anerkannt, dass eine Exposition in großer Höhe die kognitiven Funktionen beeinträchtigt. Allerdings haben Studien, die höhenbedingte Auswirkungen auf den kognitiven Bereich untersuchten, zu widersprüchlichen Ergebnissen geführt. Ein Grund dafür ist wahrscheinlich die schwierige Vergleichbarkeit der Testdesigns und die Bandbreite der angewandten neuropsychologischen Tests. Den veröffentlichten wissenschaftlichen Berichten zufolge scheinen sowohl die relative Höhe als auch die Dauer der Höhenexposition die größten Auswirkungen auf die Kognition zu haben. Darüber hinaus scheint eine ausreichende Akklimatisierung einen günstigen Effekt auf die kognitiven Funktionen in der Höhe zu haben. Bislang wurden mehrere Untersuchungsmethoden entwickelt, um kognitive Funktionen in Untersuchungen in der Höhe zu erfassen. Ziel der vorliegenden Untersuchung ist es, die Auswirkungen der Höhenexposition auf die kognitiven Funktionen gesunder Probanden zu evaluieren und einen strukturellen Überblick über die angewandten neuropsychologischen Tests zu erstellen, die zur Erlangung dieser Ergebnisse eingesetzt wurden. Methoden: Es wurde eine umfassende Literaturrecherche in PubMed bis Oktober 2021 gemäß den Leitlinien Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses durchgeführt. Zu den Eignungskriterien gehörten eine gesunde menschliche Kohorte, die einer Höhe im Feld (mindestens 2.440 m) oder einer hypoxischen Umgebung im Labor (FiO2, der mindestens 2.440 m entspricht) ausgesetzt war, sowie Ergebnisse zur Kognition in einem experimentellen Rahmen. Ergebnisse: Die Literaturrecherche ergab 123 Artikel, von denen 52 Artikel in die systematische Übersicht einbezogen wurden. Die untersuchten Höhenlagen lagen zwischen 2.440 m und 8.848 m. Von den 52 veröffentlichten Studien untersuchten 29 die Auswirkungen von Höhe im Feld. Alle anderen Studien führten Hypoxieuntersuchungen im Labor durch. Die Forscher wandten 112 verschiedene neuropsychologische Tests an, mit insgesamt 173 Testanwendungen bei den Testpersonen. Darüber hinaus wurden die neuropsychologischen Tests nach ihren übergeordneten kognitiven Domänen klassifiziert, wobei die Ergebnisse, die untersuchten Höhenlagen und die Interventionsmethoden genannt wurden. Aufmerksamkeitsleistung, Konzentration und exekutive Funktionen erwiesen sich als die am häufigsten untersuchten kognitiven Domänen. Die Analyse der Ergebnisse ergab, dass sich bei weniger als der Hälfte der angewandten neuropsychologischen Tests eine signifikante Beeinträchtigung in den untersuchten Höhenlagen zeigte. Von allen neuropsychologischen Tests, die im Feld durchgeführt wurden, wurden bei 66,4 % keine Beeinträchtigung oder sogar eine Verbesserung festgestellt, während bei 33,6 % eine signifikante Verschlechterung in großer Höhe beobachtet wurde. Im Labor kehrten sich diese Ergebnisse um: 64,7 % der Tests wiesen eine Verschlechterung auf, während 35,3 % der Tests keine oder verbesserte Auswirkungen ergaben. Nur in wenigen Artikeln wurden Maßnahmen, wie Kontrollgruppen oder alternative Testformen, bei der wiederholten Testdurchführung zur Kontrolle von Lerneffekten eingesetzt. In der Mehrzahl der Artikel wurden Lerneffekte als eine potenzielle Fehlerquelle diskutiert. Der Stroop-Test wurde am häufigsten verwendet und schien in Laborstudien empfindlicher zu sein als in Feldstudien. Der Psychomotorische Vigilanztest zeigte eine signifikante Beeinträchtigung zwischen 3.269 und 3.800 m Höhe und der N-Back Number Task zwischen 3.800 und 4.500 m. Schlussfolgerung: Die vorliegende Arbeit enthält eine systematische Literaturübersicht über Artikel, welche die kognitiven Funktionen in der Höhe untersucht haben. Ein Hauptziel dieser Übersichtsarbeit war die Klassifizierung der verwendeten neuropsychologischen Tests und de- ren Eignung zur Feststellung von Beeinträchtigungen der kognitiven Leistungsfähigkeit in der Höhe. Nach unserem Kenntnisstand ist dies die erste Übersichtsarbeit, die explizit die verwendeten neuropsychologischen Tests auflistet, sie nach ihrer kognitiven Domäne in Überkategorien einteilt und deren Ergebnisse in Bezug auf die untersuchten Höhen auflistet. Wir haben festgestellt, dass bei den im Labor durchgeführten neuropsychologischen Tests der Anteil an Ergebnissen, die höhenbedingte Beeinträchtigungen aufwiesen, doppelt so hoch war wie der Anteil jener, die keine Veränderungen oder Verbesserungen zeigten. Studien, die im Feld durchgeführt wurden, ergaben entgegengesetzte Resultate, die mit der Annahme übereinstimmen, dass eine ausreichende Akklimatisierung positive Auswirkungen auf die kognitiven Funktionen in großer Höhe hat. Die Analyse der veröffentlichten Daten zeigt, dass ein gemeinsamer Konsens über das Studiendesign und die Verwendung einer standardisierten Testpalette erforderlich ist, zum Beispiel durch die Schaffung einer öffentlich zugänglichen Testbatterie. Die STAR-Leitlinien für die Datenberichte haben sich bei der Bewertung der Studienqualität als nützlich erwiesen, und ihre Anwendung in künftigen Studien könnte zu einer weiteren Standardisierung der Methoden beitragen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: altitude, hypoxia, neuropsychological tests, cognitive domains, cognition, PRISMA, STAR data reporting guidelines Höhe, Hypoxie, Neuropsychologische Tests, Kognitive Domänen, Kognition, PRISMA, STAR-Leitlinien für die Datenberichte
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 13. Juli 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Fischer, Rainald