Special Operations-duikers zoals Navy SEALs nemen levensbedreigende risico's aan, zoals vijandelijke strijders en ruwe omgevingen. Maar een ander gevaar is stil en onzichtbaar:zuurstofvergiftiging, het resultaat van het inademen van dodelijke zuurstofniveaus die optreden op diepte en onder druk.

Een professor aan de universiteit van Buffalo, Staatsuniversiteit van New York, voert een nieuw type onderzoek uit dat marineduikers kan beschermen tegen deze dodelijke dreiging. Het Office of Naval Research (ONR) sponsort het werk, uitgevoerd door Dr. Blair Johnson, die inspanningsfysiologie doceert aan de universiteit van Buffalo.

Zuurstofvergiftiging komt voort uit het kostbaarste bezit van marineduikers:zuurstof zelf. Ademende lucht bestaat voornamelijk uit zuurstof, stikstof en koolstofdioxide. Terwijl duikers zuurstof nodig hebben om onder water te ademen, de verhouding van gassen kan gevaarlijk worden naarmate ze dieper storten.

"Recent bewijs suggereert dat de hormoonspiegels die essentieel zijn voor het in stand houden van de ademhaling en de hartfunctie sterk dalen wanneer iemand onder water wordt ondergedompeld. " zei Dr. William D'Angelo, die ONR's Undersea Medicine Program beheert. "Dr. Johnson's baanbrekende onderzoek zal uitbreiden naar hoe onderdompeling in water zuurstofvergiftiging veroorzaakt."

Special Operations-duikers zijn bijzonder kwetsbaar. Ze kunnen dodelijke hoeveelheden stikstof- en kooldioxidegassen tegenkomen, een rebreather nodig hebben om de toxiciteit te verminderen.

De duikers gebruiken een rebreather met gesloten circuit die de gassen zo uitfiltert dat er geen bellen op het wateroppervlak verschijnen - handig als ze proberen te voorkomen dat ze worden ontdekt door tegenstanders. Echter, deze extra stealth verhoogt hoeveel zuurstof de duikers inademen en, gecombineerd met missiestress en fysieke inspanning, kan leiden tot epileptische aanvallen, stuiptrekkingen, misselijkheid, duizeligheid en zelfs coma of overlijden - allemaal symptomen van zuurstofvergiftiging.

Johnson's onderzoek richt zich op het sympathische zenuwstelsel van het menselijk lichaam, die de instinctieve "vecht- of vluchtreactie" bestuurt - een fysieke reactie op een aanval, overlevingsdreiging of waargenomen schadelijke gebeurtenis - om de juiste hartslag te behouden, bloeddruk, ademhaling en lichaamstemperatuur.

Johnson en zijn team bouwden een speciale waterdompeltank in de universiteit van Buffalo's Center for Research and Education in Special Environments, waar wetenschappers gesimuleerde extreme omgevingen kunnen bestuderen, zoals het inademen van verschillende gasmengsels onder water.

Tijdens de experimenten, die deze maand begon, vrijwilligers zitten vier uur in de tank, met hun hoofd en één arm boven water. Ze verdragen veranderingen in watertemperatuur, en adem lucht door een rebreather die 100 procent zuurstof bevat. Hun droge armen zijn uitgerust met sensoren om vitale functies te meten.

Het onderzoek van Johnson is uniek omdat zijn team ook acupunctuurnaaldachtige micro-elektroden rechtstreeks in zenuwen steekt - een proces dat microneurografie wordt genoemd. Hierdoor kunnen ze realtime impulsen naar spieren meten, huid en bloedvaten - en registreer reacties op verschuivingen in de watertemperatuur en het inademen van hoge niveaus van zuurstof en andere gasmengsels.

"Het is aangetoond dat het ademen van 100 procent zuurstof op het land de sympathische zenuwactiviteit vermindert, hartslag en bloeddruk, wat kan leiden tot zuurstofvergiftiging in het water, " zei Johnson. "Hoe is dat van toepassing op iemand die in water is ondergedompeld? Welke impact heeft koud water? Welke impact heeft het inademen van verschillende gasmengsels? We kijken naar al deze factoren om het risico op zuurstofvergiftiging te voorkomen of te verminderen."

Het onderzoek van Johnson is het eerste dat de activiteit van de sympathische zenuw rechtstreeks meet via microneurografie - met iemand die in water is ondergedompeld en verschillende gasmengsels inademt. Elk van zijn 50 vrijwilligers zal deelnemen aan maximaal acht immersiesessies. Nadien, Johnson zal de gegevens evalueren om mogelijke preventieve maatregelen tegen zuurstoftoxiciteit te bedenken.