Biomedical Studies of US Army Ranger Training

165 downloads 2633 Views 3MB Size Report
The average sustainable rate of energy expenditure in men working hard for prolonged periods of time .... drive. These are due to the changes in metabolic regulation that reduce energy ..... Ranger students transported to a lab in Pensacola.
Fact Sheet 5 (Supplement)

Biomedical Studies of U.S. Army Ranger Training 

“Rangers Lead the Way!” 

U.S. Army Medical Research and Materiel Command  Military Operational Medicine Research Program

INTRODUCTION  This booklet expands upon the information in a Military Operational Medicine Research Fact Sheet describing biomedical  studies on U.S. Army Ranger training. Most of the findings have been published in technical reports and scientific journals.  These scientific publications are an important part of documenting research, but are usually not useful summaries for  commanders, policy makers, materiel developers, or the soldiers who participated in the studies. This booklet is intended to  deliver findings from military biomedical research back to those who may benefit from the information.  This research was conducted primarily by scientists from the U.S. Army Research Institute of Environmental Medicine  (USARIEM) but included some joint projects with the Walter Reed Army Institute of Research (WRAIR) and the  U.S. Department of Agriculture. Earlier projects involving Ranger training were conducted by the Nutrition & Biochemistry  Division at the Letterman Army Institute of Research.  Comments and questions are welcomed: 301/ 619­7301. 

TABLE OF CONTENTS  Energy Balance and Sleep Duration  Weight Loss  Body Composition Changes  Physical Performance Changes  Biochemical Changes That Help Regulate Metabolism  Sleep Restriction and Mental Status  Susceptibility to Infection  Susceptibility to Cold  Nutritional Adequacy of Rations  Recovery from Ranger Training  Future Research  Reference Publications 

1  3  5  7  9  11  13  15  17  19  21  23 1

ENERGY BALANCE AND SLEEP DURATION  The Ranger course has evolved through trial and error to provide a high level of stress that is still tolerable to the most  dedicated students. Food and sleep restriction are deliberate stressors that are used to test and train small unit leaders in  managing personal adversity. Other stressors include prolonged work, environmental heat and cold, and hardships  associated with living in the environment (being wet from stream crossing or rain, chigger bites, etc.).  In 1991, an epidemic of pneumonia disrupted one of the courses and military medical researchers were asked to quantify  the stress of Ranger training and determine the associated medical risks. One of the questions posed to the medical  researchers was to determine if there was a scientific basis for providing supplements such as a vitamin pill or amino acid to  reduce medical risks without significantly reducing the challenging nature of the training. In 1992, a second study of summer  Ranger training tested the impact of a modest increase in calories (+ 400 kcal per day).  At the time of these studies, students were being fed one MRE per day for half of the course. This produced semistarvation  in four repeated cycles of adequate feeding followed by restricted feeding, with a progressive loss of body weight through  the course. Students were also scheduled for limited organized sleep. The actual sleep measured in these studies averaged  3.6 hours per day over the entire course. Energy expenditure was highest at the start of the course during the Ranger  Assessment Phase (RAP) testing and during the mountain phase; the mountain phase remained the highest period of  energy expenditure even when the sequence of training phases was changed in 1992.  Since these studies, the course has been returned to three phases of training with elimination of the desert phase (for cost  saving reasons). 

Deliberate stressors in Ranger training include inadequate sleep and restricted food intake.  Medical researchers were asked to determine how to make training safer without making it less challenging.  Understanding the limits of human health and performance in the face of these stressors  is important for all combat forces.



ENERGY BALANCE AND SLEEP DURATION

CAMP ROGERS

CAMP DARBY

ENERGY INTAKE AND EXPENDITURE (kcal/day)

(Ft. Benning) 

CAMP MERRILL

CAMP RUDDER

CAMP McGREGOR

(Mountain Phase)

(Jungle Phase)

(Desert Phase)

Energy  Expenditure 

1991 

Difference Between  Energy Intake and Expenditure  Is Fueled from Body Tissues

6000  Food Intake

Energy Requirement  Exceeded by Food Intake 1 MRE per Day  During Patrols

4000 RAP  2000

3.8 hrs.

3.3 hrs.

3.1 hrs.

Average Sleep (3.6 hrs. per 24 hrs.)

4.1 hrs.

0 0

10

20

30

40

50 

60

DURATION OF COURSE (Days)

3

WEIGHT LOSS  The simplest and most informative overall indicator of nutritional status is body weight. From anecdotal information at the  time the studies began, the research team expected to observe a few weight losses as large as 10% of starting body  weight. Instead, the 1991 study demonstrated that all but two of 55 students completing the study lost at least 10% of their  body weight, with an average loss of 16%, or 27 pounds, from start to finish. These were startling results, even for the cadre  at the school.  The 1992 study provided a controlled feeding “intervention,” where the only change in the course stressors was to provide  additional food, averaging 400 kilocalories per day more than in 1991. This reduced the weight loss to an average of 12%  which had significant benefits to protecting against excessive loss of muscle (shown in the next section).  The 1995 study of Winter training examined the effect of doubling the energy intake during the restricted periods  (2 MRE’s per day). The weight loss averaged 5% of initial body weight and some students actually gained weight during the  course. With no change in energy demands of the course, this increased intake would be predicted to result in an average  weight loss of about 8 pounds during the course, equal to the 5% change actually observed.  The average sustainable rate of energy expenditure in men working hard for prolonged periods of time appears to be about  4,000 kilocalories per day. This is the value actually measured during Ranger training. With this information, food  requirements can now be accurately calculated for any level of acceptable weight change during Ranger training.  The National Academy of Sciences reviewed the medical research data from Ranger training and recommended that the  maximum weight loss should be limited to no more than 10­12% of initial body weight. The current policy of feeding 2 MRE’s  per day ensures that only a few individuals come close to this safe limit of weight loss (see green distribution curve on the  facing page).  Energy requirements which are not balanced by food intake are met by body energy stores,  reflected in weight loss.



WEIGHT LOSS % WEIGHT LOSS (DISTRIBUTION OF INDIVIDUALS)

Number of Soldiers

2 MREs

­5%

1 MRE + Food Suppl. (~400 kcal)

­12%

Weight Gain

~ 8 lb. Weight Loss Weight Loss

Nearly every  student lost at  least 10% of their  body weight; the  most extreme loss  was 23% in a lean  soldier

1 MRE

­16% 

Body Energy Stores  Energy Intake 

Energy Demands 

~ 3500 kcal  per day

~ 4000 kcal  per day

1995  1995

1992 

1991

0 +5 

0

­5 ­15 ­10 ­20 Weight Change (% of Starting Weight)

ACTUAL WEIGHT LOSS MEASURED IN 1991

Number of Soldiers

10

Average weight loss in the 1991 course was 27 lbs. 

8

LRP 

6 4 2 0 0

10

20 30 Loss in Pounds

40

50

• Weight loss rates are  controlled by the energy  provided in rations and  supplements 

• Energy requirements have  been measured through the  entire course using a method  with “doubly­labeled” water.  After soldiers drank a special  traceable form of water,  urine samples were collected  and analyzed to provide  accurate measures of  cellular metabolism  (calories per day)  • Trained soldiers can use up to  10,000 kcal/24 hours for a  limited period of time, but a  sustainable work rate coupled  with starvation­induced  efficiency is about 4,000 kcal/d 

5

BODY COMPOSITION CHANGES  Ranger students are relatively lean when they arrive for training, averaging 15% body fat. Some of this fat can be used to  provide energy to the body during periods of restricted food intake but a portion of it is essential fat that cannot be used for  energy. Structural fat makes up cell membranes, nerve sheaths, and pads key structures such as the eyeball, the kidneys,  and the palms of the hands and soles of the feet.  In the 1991 study, many of the students reached this minimum level of fat and were beginning to become more reliant on  protein breakdown from muscle and other tissues. These students were measured for body fat using a precise x­ray  measuring device at the start of the course and again at 6 weeks and 8 weeks. Many individuals had reached rock bottom  for body fat at 6 weeks, with no additional measurable change at 8 weeks. This means that the difference in energy  requirements could only come from protein. This data defined the lower limit of body fat in normal men at around 6­7  pounds of  “essential” fat.  The fattest individual starting the course at 26% body fat ended the course with 11% body fat; most men completed the  course at 4­5% body fat and were increasingly reliant on their muscle breakdown for energy. The increased food intake in  the 1992 study was enough to shift the students away from this catabolic “edge” of depleted fat energy stores and increased  utilization of protein (compare “Changes in Percent Body Fat” figures for 1991 and 1992).  Physical body measurements such as circumferences and skinfold thicknesses confirmed the findings of the x­ray machine.  The largest change was in the abdominal region, with men averaging 32 inch waists at the start of the course, losing an  average 4 inches by the end of the course. For many of the men, skinfolds reached measurements which reflected only the  thickness of doubled skin without any fat layer (approximately 4 millimeters).  Energy intake in 1991 was restricted to one meal/day for half the time of the course,  leading to excessive weight loss which included large losses of lean tissue for some individuals.  Energy stores were used in a ratio of about 2/3 fat and 1/3 lean weight  until fat reserves became low, after which lean tissue loss increased.

6

BODY COMPOSITION CHANGES  CHANGES IN PERCENT BODY FAT “Essential” Fat

Number of Soldiers

(cell membranes, nerve sheaths, structural fat)

1991

5% 15%

Avg. = 14.6%

Circumference  Changes

Ranger Student Being  Measured for Body  Circumferences

Arm Mass –18% 

(6 ­ 26%) 

–1.1” 

Skin Fold  Changes

–2.25”  –1.25”  –1.25” 

Biceps –34%

–4”

Triceps –49%

–3”  Finish

0  0

AVERAGE CHANGES IN BODY MEASUREMENTS* 

~4%

Start

Leg Mass –12% 

% Body Fat

A moderate increase in calories provided to the  Ranger students in 1992 was enough to ensure  individuals did not finish the course with all of their  fat reserves depleted “Essential” Fat (cell membranes, nerve sheaths, structural fat)

Upper Back –30%

–3” 

Side/ Abdominal –63% *1991 Data

1992 24 lbs

15%

(6 ­ 26.1%) 

FAT  LEAN  TISSUE  142 lbs 

10 lbs 

8 lbs 

LEAN  TISSUE  136 lbs 

LEAN  TISSUE  132 lbs 

Bone  Mineral 

Finish 0  0

Avg. = 14.2%

X­ray Scanner  (“DEXA”)  Used for Detailed  Body Composition  Analysis 

Weight

Number of Soldiers

8%

~4%

Start % Body Fat



Start 2 Weeks 4 Weeks 6 Weeks 8 Weeks  1991 Data 

Students lost  most available  fat and  began to lose  lean tissue  representing  about 15­20%  of their muscle  mass; there was  no measurable  loss of bone 

7

PHYSICAL PERFORMANCE CHANGES  Overtraining can be defined as a reduction in physical performance following excessive and repetitive training with  inadequate periods of recovery. Patrolling and other prolonged physical demands during the Ranger course have been  studied as a possible example of overtraining. However, reductions in physical performance in Ranger students are  primarily accounted for by inadequate food intake. A recent USARIEM study conducted with two Norwegian SEALS crossing  Greenland from South to North (3,000 km) on foot clearly demonstrates that men who are properly prepared and adequately  nourished can sustain prolonged physical exercise day after day without a decline in physical performance.  A 1973 Ranger study tested aerobic performance with treadmill running. Maximal aerobic performance was reduced by  about 10%. After three days of rest and refeeding at the end of the course, these soldiers still had reduced aerobic  performance, possibly indicating muscle changes that had not yet recovered. On the other hand, the measured decrease in  performance may not be a meaningful change, because of reduced test performance expected from soldiers who frequently  have extensive foot problems by the end of the course.  Most Army tasks involve strength and strength endurance (e.g., lifting and carrying). Overall muscular strength was  measured with a maximal lift test. In 1991, students averaged 160 pounds for maximal lift, well above the Army average of  130 pounds which is based on thousands of tests in healthy young men. By the end of the third phase, this average lift  dropped to 140 pounds and, by the end of the course, the average lift was 130 pounds, equal to performance of the average  soldier. Individual declines in performance were partially explained by individual losses of muscle mass. Slightly greater food  intake in 1992 (and only slight differences in lean mass loss) did not change the results obtained for maximal lift. A related  test, a maximal jump test which estimates explosive power, demonstrated similar change.  Grip strength and grip hold endurance were tested at the end of each phase in 1991 and showed no changes. In a famous  starvation study conducted in the 1940s to determine how to best rehabilitate returning POWs, grip strength declined by as  much as 30% when healthy men had lost twice as much lean mass as Ranger students. Apparently, grasping function is  preserved until late in starvation as a vitally important capability for survival, or it may be preserved in Ranger students from  continuously carrying weapons at the ready.  Semistarvation causes metabolic changes which produce preferential breakdown  of fast­twitch muscle (strength) and protect slow­twitch muscle (strength endurance). 8 

PHYSICAL PERFORMANCE CHANGES Changes in lift strength reduced Ranger  students to strength of average soldier 

LIFT STRENGTH

Number of Soldiers

Average Weight Lifted: 130

16 14 12 10 8 6 4 2 0

160 lbs 

Increased feeding in 1992 did not prevent  the reduction in lift strength  Lift capacity, which requires explosive power and involves  much more of the total fat­free mass, declined significantly  between the beginning and end.  Finish 80

100

120

The soldiers who lost the most lean tissue had the largest  decrements in lift performance. The vertical jump test  provides the same kind of information as the lift test. 

Start

140

160

Average Soldier

180

200

Lift Weight (lbs)

GRIP STRENGTH

Aerobic performance (VO 2  max) was measured with  treadmill tests in a 1973 study involving 10% body weight  loss. There was a 10% reduction in measured aerobic  capacity which was not immediately recovered after  3 days of food and sleep. 

Ranger Students

Maximum grip strength did not change  between beginning and end.  Grip endurance holding time  was tested at every phase  and also did not change. 

Percent of Initial Strength

100 95 90 85 80 75 70 65

12 Wks Minnesota Starvation Study

24 Wks

No loss of grip strength  of Ranger students

5 10 15 Percent Reduction in Lean Mass

9

BIOCHEMICAL CHANGES THAT HELP REGULATE METABOLISM  Ranger students are familiar with certain changes produced by semistarvation, such as increased sensitivity to cold and reduced sex  drive. These are due to the changes in metabolic regulation that reduce energy requirements and prolong survival in circumstances of  reduced food availability.  Several circulating hormones were measured in blood samples collected during the course. Growth hormone levels increased during  each period of restricted food intake. This is a normal response to semi starvation and an attempt to correct low blood sugar. Hormones  that control metabolic rate, including body heat production, rapidly decrease during restricted food intake. These included thyroid  hormones and insulin­like growth factor­1 (IGF1), both of which are very sensitive to energy and protein deficits. These two hormones  were measurably higher during the 1992 course with the slightly increased food intake. Ranger students also decrease the amount of  time spent fidgeting, gaining incredible efficiency with an “economy of motion.” By the end of the course, students truly move with a  purpose and otherwise remain stationary, conserving limited energy resources. There is probably a link between these automatic  behavioral adaptations and some of the hormonal changes, although these have not been carefully studied.  A steroid hormone, aldosterone, increased progressively through the course, possibly accounting for an increase in water retention  measured in Ranger students by two different methods—stable isotope dilution and bioelectrical impedance. Starvation produces a well  known effect of water retention, including in the legs, and some of the swollen knees observed in students may have been related to this  water retention rather than to infections or trauma.  Testosterone is the primary male sex hormone and the most important anabolic (“protein building”) steroid hormone in the male. During  periods of restricted food intake, this promptly decreased, nearly to the low levels observed in castrated men. Cortisol is also a steroid  hormone but it has primarily catabolic (or “protein breakdown”) effects. This hormone increased significantly in the second half of the  course as body fat stores began to disappear. These hormonal changes extend survival when food is unavailable.  We know only enough to conclude that many of these changes are appropriate adjustments for optimal survival under stressful  conditions. Artificial manipulation may result in unintended consequences. For example, in an Army study with rats infected with the  same type of pneumonia that has caused problems for Ranger students, thyroid levels decreased. It was thought that administering  thyroid hormone to these sick rats might speed their recovery; instead it worsened their illness and increased death rates.  The body supplies energy for vital functions during semistarvation by reducing metabolic demands  and increasing breakdown of tissue.  Dramatic responses of the hormones which regulate these systems were observed in Ranger students.

10

BIOCHEMICAL CHANGES THAT HELP REGULATE METABOLISM  OBSERVED CHANGES GROWTH HORMONE  Increases blood glucose;  anabolic effects 

IGF1  Decreases muscle building and  maintenance (anabolic effect) 

INSULIN  Moves glucose into cells;  decrease helps to sustain  blood glucose 

THYROID HORMONES  Reduces cellular metabolism,  including heat production 

Blood  Levels 

IGF1 Thyroid  Days of Training

ALDOSTERONE  Retains salt and water 

CORTISOL  Increases tissue breakdown  to meet energy needs  (catabolic effect) 

Key hormones involved in  amino acid uptake (IGF1) and  metabolic rate (thyroid hormones)  progressively decline with  underfeeding 

Cortisol Blood  Levels 

Testosterone  Days of Training

TESTOSTERONE  Reduces sex drive and  decreases anabolic effects  on muscle  Blood  Sampling  and Onsite  Processing

Balance between anabolic  (testosterone) and catabolic  (cortisol) action is changed  to allow tissue breakdown  for energy needs 

• Tissue fat and protein are increasingly moved to the blood stream to  compensate for inadequate energy intake and declining glucose  • Most of these blood hormone concentrations are restored to normal levels  with periods of feeding during the course

11 

SLEEP RESTRICTION AND MENTAL STATUS  Inadequate sleep produces specific brain changes which are reflected in certain types of paper and pencil tests. Army  laboratory studies with brain imaging have shown areas of sleep deprived brains that start to shut down with a reduced  metabolism. Caffeine and specific drugs may temporarily reverse these changes but there is no long term substitute for  sleep in a sleep deprived individual.  Sleep duration and quality has been studied in three different Ranger classes (1988, 1991, 1992) using a sophisticated wrist  mounted activity monitor (developed by the Army). These studies confirm that the average sleep duration for the course is  about 3.4­3.6 hours/night. This produces cumulative fatigue effects and by the final phase of the course some unplanned  sleep, including “micro­sleeps”, is probably unavoidable for most of the men. Sleep also becomes fragmented which  reduces the quality of restorative sleep.  Performance steadily declined on most of the tests of mental function through the course. The more difficult tests such as  reasoning produced the greatest reduction in speed, with speed usually sacrificed over accuracy by tired soldiers.  Based on earlier Ranger course observations, medical researchers have recommended that students be provided a full  recovery day to include 8 hours of sleep at least between phases. This has been shown to be completely restorative in other  studies and it was suggested that this would improve the retention of new material and the training value of the course.  On tests of mental functioning, sleep deprived Ranger students maintained high levels of motivation  to perform well, but all students showed substantial impairment.  Speed was generally sacrificed to maintain accuracy.

12

SLEEP RESTRICTION AND MENTAL STATUS  DECODING  • Automatic processing  • Time dependent  • Progressive decline in  performance through the course  • 33% decrease in speed  Actigraph  The word lid rhymes with kid. MEMORY  words Bin and Can are capitalized. • Conscious memorization  The The girl put the bird on the perch. • Recognition, not recall  The words Quote and Price are capitalized. • Not time dependent  • 7% decrease in accuracy  after first phase

Activity Counts 

REASONING  • Challenging mental processing  • Time dependent  • 20% decrease in speed in second half  of course; accuracy maintained,  signifying high motivation 

Periods of Low Activity  Scored As Sleep 

• Inadequate sleep reduces  metabolism in specific parts  of the brain  • More sleep, adequate feeding,  and certain stimulants  (e.g., caffeine, nicotine)  may reverse some of  these changes  • Active research in lab and  field studies continues 

Field and Laboratory  Tests of Militarily­Relevant  Performance 

YES NO barn bid bird cage can flea garage

TRUE FALSE A leads B B is led by A B is followed by A B is led by A A does not follow B

BA AB BA AB AB

B is not followed by A A does not lead B A follows B A leads B A does not follow B

BA AB BA AB AB 

CAMOUFLAGED PATTERN  • Complex visual processing  • Decreased speed and  performance after 2 weeks  • 15% decrease in speed  and accuracy  The Mary Mays Field Test Battery used in 1992

13

SUSCEPTIBILITY TO INFECTION  Ranger students encounter more problems with infections than would be normally expected in healthy soldiers. These include soft  tissue infections (cellulitis), respiratory infections (including pneumonia), and a variety of gastrointestinal and other problems. This  increased susceptibility to infection may be caused by the course stressors. Other factors are also necessarily involved, including  increased opportunities for infection (e.g., poor field sanitation, skin abrasions, exposure to harmful microbes in polluted water). The  1991 study included several sophisticated tests of immune function to determine if there was a connection with course stressors that  might explain the high infection rates.  Three main categories of immune function tests have been conducted in Ranger training. A test with seven different challenges to the  body’s normal defense systems (a multiple version of the tuberculosis skin test) showed that the level of stress did not change the  ability to “remember” previously learned responses to infectious challenges.  A variety of tests using whole blood showed a consistent and large decline in the ability of the body to produce responses that would be  required in a normal response to infection. Although this was a dramatic response, the significance to infection susceptibility is  unknown; in hospitalized immunocompromised patients, the response is much more profound than observed in Rangers.  Some of these abnormal responses improved in the 1992 course, possibly related to the increased food intake. Infection rates were  also much lower; in the last phase of training in 1992, 3% of the graduates had an infection, compared to 25% in 1991. Whether the  increased food intake contributed to a reduced infection rate cannot be concluded from these studies since they were not conducted  side­by­side in time.  A more recent study with Ranger students examined the response to a vaccine given during the course when stress levels are high to  determine if stressors reduce effectiveness. Some of the test volunteers had antibody responses below the level that is thought to be  protective, although a larger sample of cadre and students is needed for this experiment to be conclusive.  A new study is considering the benefits of a vaccine that specifically protects against pneumonia infections and this would be given  before the course begins.  The stress effects of Ranger training appeared most prominently  on the ability of the body to resist infection.

14

SUSCEPTIBILITY TO INFECTION 

IMMUNOLOGICAL “MEMORY” TEST  (Multiple Antigens Test)  Mixed results, with increased sensitivity  to some antigens (e.g., TB) and  decreased sensitivity to others

BLOOD TESTS  Tests with immune cells (lymphocytes)  and hormones (cytokines)  T­Cell Lymphocyte Response  Decreased ability to respond  to an infection  Hormones that regulate immune function  (e.g., Interleukin­2 and IL2 receptors)  Decreased cellular response to infection 

RESPONSE TO VACCINE  (Hepatitis A Vaccine)  Antibody Response  Possibly less protection after vaccination  in stressed soldiers

Decreased Resistance  to Disease  • Cellulitis, especially knees  • Other soft tissue infections  from abrasions and insect bites  • Streptococcal pneumonia  and other respiratory  infections

• Several tests showed the immune system to be effected by extreme food restriction  • Slightly more food reduced these changes and infections decreased  • A separate study indicated that some immunizations may not protect some  highly stressed individuals. Vaccines may work best if given in advance of  high stress periods.

15

SUSCEPTIBILITY TO COLD  Ranger students are especially sensitive to cold because of their decreased fat insulation and because of metabolic changes caused  by semistarvation. Risk of cold injury, especially hypothermia (“nonfreezing cold injury”) which can be life threatening, increases with  water immersion and in Winter Ranger courses.  Safe limits for immersion tables were originally developed for the Ranger school based on available data from normally nourished  unstressed men. These have been revised based on new data from a series of field and laboratory studies. Improvements in the  prediction of safe limits will include adjustments for automated warning systems such as MERCURY. MERCURY combines heat and  cold strain predictions with real­time weather data to provide the Ranger cadre with a color­coded map display of training risk.  A 1995 study took Ranger students directly from their last patrol in the course to a Navy laboratory where controlled measurements of  responses to cold exposure were made. The men did not have normal responses to the cold challenge. For example, shivering which  normally increases body temperature was suppressed compared to normal rested men. More importantly, core temperature  decreased faster than expected. After rest and refeeding for 48 hours, the responses to cold were dramatically improved. This  experiment clearly defined a difference in cold susceptibility in Ranger students.  A series of laboratory studies at the US Army Research Institute of Environmental Medicine have used normal volunteers to test the  individual effects of exercise­induced fatigue, repeated immersion cold exposure and rewarming, and more intensive metabolic and  muscle stress challenges to identify specific factors which increase cold injury risk. These systematic studies have isolated factors  which improve predictions of risk.  Studies in 1997 and 1998 used disposable temperature pills to measure continuously recorded body temperatures in Ranger students  during their normal training in the final phase of swamp training. This provided new information about normal temperature rhythms in  Ranger students, including the finding that the low point in body temperature that normally occurs in early morning ordinarily reaches  lower levels than expected, even in relatively warm environmental conditions. These results demonstrate the need to base individual  cold risk predictions on response measures other than body temperature.  The Ranger Training Brigade uses immersion exposure limits tables  for safe cold weather training guidance in the jungle phase.  Recent studies have led to significant enhancements in prediction of cold injury risk  for soldiers in high stress environments.

16

SUSCEPTIBILITY TO COLD IMMERSION TIME LIMITS

CORE BODY TEMPERATURES (Averages & Ranges) Knee Deep Water 

Waist Deep Water 

Whole Exposure 

< 39°C

Stay Out 

Stay Out 

Stay Out 

Stay Out 

40 – 44°C

1 Hour 

Stay Out 

Stay Out 

Stay Out 

45 – 49°C

4 Hours  If Raining, 2 Hours 

3 Hours  If Raining, 1.5 Hours 

No Wet Stream  Crossings 

Stay Out 

50 – 54°C

7 Hours  If Raining, 2 Hours  8 Hours  If Raining, 4 Hours 

5 Hours  If Raining, 2.5 Hours 

3 Hours  If Raining, .5 Hour 

5 Mins. 

7 Hours  If Raining, 3.5 Hours 

3 Hours  If Raining, 1 Hour 

5 Mins. 

60 – 64°C

9 Hours  If Raining, 4.5 Hours 

8 Hours  If Raining, 4 Hours 

12 Hours  If Raining, 3.5 Hours 

10 Mins. 

65 – 69°C

12 Hours  If Raining, 6 Hours 

12 Hours  If Raining, 6 Hours 

12 Hours  If Raining, 6 Hours 

10 Mins. 

> 70°C

No Limit

No Limit

No Limit

30 Mins. 

55 – 59°C

INDICATIONS OF INCREASED SUSCEPTIBILITY  Subjects initially were  unable to remain in cold  room for 4 hours 

After a 48 hour recovery period  with refeeding and rest, cold  tolerance improved significantly

November ­ Over 24 Hours in Jungle Phase  39

101 

Early morning body  temperatures dip

38

100  99

37  98 97

36 Daytime activities drive  body temperature up  35  9:00  12:00  15:00  18:00  21:00  0:00  3:00  Time of Day

96 6:00 

9:00 

95 

• Using temperature “pill” technology with belt­worn recorders,  new data has been obtained on body temperature changes  in field training. These tests will ensure approved immersion  times do not drop core temperatures lower than predicted. 

MILITARY COLD RESEARCH 

10°C

• Ranger students transported to a lab in Pensacola  immediately after the end of the jungle phase had a special  susceptibility to cold with altered physiological responses 

102 

(Fahrenheit)

Ankle Deep Water 

Body Temperature (Centigrade)

Temperature Reading (Air or Water)

AUTOMATED WARNING SYSTEM

• A series of lab studies have isolated  factors such as repeated immersion  and recent exercise which increase  cold injury risk 

• An automated  system using  real­time  environmental  monitoring and  accurate cold  (and heat)  injury prediction  will replace  tables

17

NUTRITIONAL ADEQUACY OF RATIONS  Operational rations have been tested in Ranger training to determine the nutritional adequacy of the formulations even in  high stress applications.  It was hypothesized that Ranger students would demonstrate deficiencies of one or more specific nutrients as a result of the  extensive food restriction during the course. There were even special provisions in the research plan setting limits on blood  sampling as anticipated reductions in iron and red blood cell concentrations fell below certain limits; this never happened.  The surprising result was that all biochemical measures and indices of nutritional status and health remained within normal  limits. Some Ranger students used a daily multivitamin supplement (one vitamin pill per day was permitted by the cadre),  but even students using no supplements demonstrated normal vitamin status. Detailed physical examinations intended to  reveal any signs of vitamin or nutrient deficiencies revealed underfed but otherwise healthy men.  The MRE and the Long Range Patrol (LRP) ration were tested as the single source of subsistence for 7­10 day periods  during the training. All measurements remained within normal limits and some indices of vitamin status even improved,  confirming the generous vitamin and nutrient fortification of these rations. They were, of course, inadequate for energy  requirements but could be approved for use by soldiers on weight­limited patrolling activities for 10­14 day periods.  A more recent study with cadre from the Camp Merrill participating in a grueling endurance challenge, proved the value of a  carbohydrate drink supplement compared to a flavored look­alike which did not provide additional carbohydrate. This is one  of the studies which contributed to the fielding for Army use of the ERGO drink and HOOAH! bar.  Even with limited food intakes, Ranger students maintained remarkably normal nutritional status,  based on many sophisticated tests performed at the end of patrolling exercises before re­feeding occurred.

18

NUTRITIONAL ADEQUACY OF RATIONS  Restricted ration  concepts which provide  all necessary nutrients  but trade off adequate  energy intake for weight  and bulk in a long range  patrol were tested in  Ranger training

The Meal, Ready­to­Eat, Individual (MRE)  provides 1350 kcal (13% protein, 36% fat,  and 51% carbohydrate) and is to be served  as three meals per soldier per day. In the 1991  study, the MRE, served to Ranger students as  one meal per day for up to 10 days at a time,  was found to be nutritionally adequate (except  for total energy). 

Nutritional Assessments Made on Blood Samples During Ranger Training:  Energy & Nitrogen Metabolism  Serum Iron and Red Blood Cell Status  Iron  Glucose  TIBC  Lactate  Transferrin Saturation  Urea Nitrogen  Ferritin  Creatinine  Red Cells  Total Protein  Hemoglobin  Albumin  Hematocrit  Glycerol  Fatty Acids  Indices of Vitamin Status for:  Hydroxybutyrate  Retinol (Vitamin A)  Serum Enzyme Markers  LDH  GGT  ASAT  ALAT  Bilirubin  Serum Mineral & Electrolytes  Calcium  Phosphorus  Magnesium  Sodium  Potassium  Chloride 

Vitamin B 12  Folate (Plasma & Red Cells)  Ascorbic Acid (Vitamin C)  Vitamin D  Thiamin  Riboflavin (Vitamin B 2 )  Pyridoxamine (Vitamin B 6 )

The Food Packet, Long Range Patrol (LRP)  provides 1560 kcal (15% protein, 35% fat, and  50% carbohydrate) for limited use of one packet  per soldier per day for up to 10 days at a time.  The nutritional adequacy of the LRP, combined  with a pouch bread, was demonstrated in the  1992 study. 

• A separate study  using Ranger  school cadre  led to the fielding  of the HOOAH!  bar and ERGOdrink  (carbohydrate supplements) 

Special exams for nutritional  deficiencies revealed no problems  except simple weight loss 

19

RECOVERY FROM RANGER TRAINING  An important question frequently raised about intensive small unit operations is how quickly do individuals recover and how  soon can they begin the next mission. The Ranger course provides a worst case scenario to address this question. There  has also been some concern about whether or not Ranger students have any long term harm as a consequence of their  exposure.  The first recovery study involved extensive laboratory evaluation of eight graduates from the 1991 study six months after the  end of their course. The men were found to be returned to peak physical condition and health. Based on individual  interviews, problems were determined to be most common in the first 4­6 weeks after training.  Following the 1992 study, 9 graduates still at Fort Benning one week after the course were interviewed and gave blood  samples. Metabolic hormones and other biochemical measures were completely restored to normal. Diarrhea and nausea,  related to overeating, were common complaints. Sleep measurements using actigraphy in the first week after training  demonstrated persistently disrupted sleep patterns.  Ten other graduates of the 1992 study were evaluated in the laboratory using many of the same measurements made  during the course and duplicating all of the measurements made in the 1991 6­month post training study. The most  remarkable finding was an average increase in body fat which exceeded individual levels at the start of the Ranger course  by 50%. There were continued problems of uncontrollable eating urges and some sleep disturbances. Other measurements  were returned to normal including lean mass and muscular strength.  These studies showed that the greatest challenge to recovery following Ranger training was to get appetite under control.  For many students the overshoot which occurs in the recovery of body fat may be unavoidable, but after the first month this  begins to adjust back down to previous levels.  One month after the end of the course, average body fat rose to 150% of body fat measured at the start  of the course  and Rangers reported continuing problems of uncontrollable eating surges and sleep disturbances.

20

RECOVERY FROM RANGER TRAINING  Students who successfully completed the course with the study groups  were invited to the USARIEM lab for post­training recovery studies. RANGER COURSE (8 Weeks)  Students  Measured  and Tested  at Start of  Course 

• Students arrive for  Ranger training  in peak condition 

Intensive  Studies 

RECOVERY STUDY PERIOD (6 Months)  1992  1992  Blood Tests,  Blood Tests  Physical  Only  Measurements,  (1 Week Post)  Physical Exam  (5 Weeks Post) 

1991  Blood Tests,  Physical  Measurements,  Physical Exam  (6 Months Post) 

• Diarrhea  and nausea  from  overeating 

• Abnormally  increased  appetite  (hyperphagia) 

• Hormone  levels  returned  to normal 

• Sleep  disturbances 

• Students  completed the  course with most  body fat gone  and metabolic  adaptations geared  to starvation survival 

• 50% higher body fat  than at start of training  • Strength, lean mass,  and biochemical  measures returned  to normal 

* On the first day after Ranger  school, eating was the first priority,  sleeping was the second 

• Rangers returned to  peak health and fitness  (except for residual  toe numbness) 

21

FUTURE RESEARCH  Ranger training provides an opportunity for military medical researchers to understand the impact of operational stressors  on soldier health and performance. This will lead to development of useful interventions which will make Ranger and other  high intensity training safer and improve effectiveness of the whole force.  Current concepts for minimally invasive “wear­and­forget” physiological sensors that continuously monitor soldier health and  performance will benefit from tests in high intensity training such as the Ranger school and, in turn, Rangers may be early  adopters of the technologies.  A variety of sensors currently exist and engineering technology is not the limiting step; the challenge is to determine how to  interpret the information from sensors so that useful warning can be provided to commanders (instead of raw data such as  heart rate). The current need in this area is for large amounts of data on many different individuals in extreme and varied  training environments. This allows identification of the physiological signals which reliably predict specific health and  performance outcomes.  Real­time physiological sensing will provide soldiers and their commanders information about readiness status.  The greatest challenge in this research is to provide useful interpretation of biomedical signals.

22

FUTURE RESEARCH  Data Fusion Strategies:  Accurate estimates of physiological status  are expected to require sophisticated analyses of change through time,  interpreting evolving datasets on the basis of unit and mission characteristics.  The MERCURY system, in place at the Florida Ranger training camp, is an  example of data fusion involving real­time weather data and physiological  models; individual soldier data will eventually merge real­time biological input 

Sensors:  Temperature “Pill”,  Actigraph,  Foot Strike Monitor 

with the meteorological context.  • Certain parameters  such as dehydration  and mental functioning  will be directly useful to  ensuring safe and effective  future Ranger training  • The Ranger course offers  important test opportunities  to collect data necessary  to develop soldier  health and performance  predictions 

23

REFERENCE PUBLICATIONS  The scientific publications listed below are the result of over two decades of studies performed with the cooperation of the  Ranger Training Brigade at Fort Benning, Georgia. Through these studies, the Army and other services have been able to  develop guidelines for protection from injury and infection during high stress training.  Significant Reports of Data from Biomedical Studies of the Ranger Course (chronological)  Consolazio FC, LO Matoush, RA Nelson, RS Harding, JE Canham.  Nutrition survey:  Ranger Department, Fort Benning, Georgia.  Laboratory Report No. 291,  U.S. Army Medical Research and Nutrition Laboratory, Fitzsimmons General Hospital, Denver, CO, 1966.  Johnson HL, HJ Krzywicki, JE Canham, JH Skala, TA Daws, RA Nelson, CF Consolazio, PP Waring.  Evaluation of calorie requirements for ranger training at  Fort Benning, Georgia.  Institute Report No. 34, Letterman Army Institute of Research, Presidio of San Francisco, CA, 1976.  Pleban RJ, PJ Valentine, DM Penetar, DP Redmond, GL Belenky.  Characterization of sleep and body composition changes during Ranger training.  Military Psychology 1990;2:145­156.  Moore RJ, KE Friedl, TR Kramer, LE Martinez­Lopez, RW Hoyt, RE Tulley, JP DeLany, EW Askew, JA Vogel (1992).  Changes in soldier nutritional status &  immune function during the Ranger training course.  Technical Report No. T13­92, September 1992, US Army Research Institute of Environmental Medicine,  Natick, MA.  162 pp.  Nutritional Assessment of U.S. Army Ranger Training Class 11/91.  Letter Report.  Workshop proceedings of the Committee on Military Nutrition,  National Academy of Sciences, Washington DC, 5­7 Feb 1992.  Martinez­Lopez LE, KE Friedl, RJ Moore, TR Kramer.  A prospective epidemiological study of infection rates and injuries of Ranger students.  Military Medicine 1993;158:433­437.  Friedl KE, JA Vogel, LJ Marchitelli, SL Kubel.  Assessment of regional body composition changes by dual­energy x­ray absorptiometry.  pp. 99­103.  In: Human Body Composition, K.J. Ellis & J.D. Eastman (eds).  New York:  Plenum Press, 1993.  Moore RJ, KE Friedl, RT Tulley, EW Askew.  Maintenance of iron status in healthy men during an extended period of stress and physical activity.  American Journal of Clinical Nutrition 1993;58(6):923­927.  Askew EW, RJ Moore, KE Friedl, RW Hoyt (1993).  Nutritional status and body composition changes during sustained physical work and calorie deprivation.  Experimental Biology 93, 28 Mar­1 April 1993, New Orleans, LA. [published abstract:  FASEB Journal 7(3): A613 (#3550)].  Hoyt RW, RJ Moore, JP DeLany, KE Friedl, EW Askew (1993).  Energy balance during 62 days of rigorous physical activity and caloric restriction.  Experimental Biology 93, 28 Mar­1 April 1993, New Orleans, LA. [published abstract:  FASEB Journal 7(3): A726 (#4194)].  Marriott BM (editor).  Review of the Results of the Nutritional Intervention, Ranger Training Class 11/92 (Ranger II). Workshop proceedings of the Committee  on Military Nutrition, National Academy of Sciences, Washington DC, 15­17 Mar 1993.   Washington DC:  National Academy Press, 1993.  226 pp. 

24

Significant Reports of Data from Biomedical Studies of the Ranger Course (chronological) (continued)  Frykman PN, BC Nindl, KE Friedl, EA Harman, RL Shippee (1993).  Effects of extended physical training and caloric deficit on power output of young healthy  males.  American College of Sports Medicine 40th Annual Meeting, 2­5 June 1993, Seattle, WA. [published abstract:  Medicine and Science in Sports and  Exercise 25 (suppl): S58 (#323)].  Johnson MJ, KE Friedl, PN Frykman, RJ Moore.  Loss of muscle mass is poorly reflected in grip strength performance in healthy young men.  Medicine in Science & Sports and Exercise 1994;26(2):235­240.  Friedl KE, RJ Moore, LE Martinez­Lopez, JA Vogel, EW Askew, LJ Marchitelli, R Hoyt, CC Gordon.  Lower limits of body fat in healthy active men.  Journal of Applied Physiology 1994;77(2):933­940.  Shippee L, K Friedl, T Kramer, M Mays, K Popp, E Askew, B Fairbrother, R Hoyt, J Vogel, L Marchitelli, P Frykman, L Martinez­Lopez, E Bernton, M Kramer,  R Tulley, J Rood, J DeLany, D Jezior, J Arsenault (1995).  Nutritional and immunological assessment of Ranger students with increased caloric intake.  Technical Report No. T95­5, Dec 1994, US Army Research Institute of Environmental Medicine, Natick, MA.  212 pp.  Bernton E, D Hoover, R Galloway, K Popp.  Adaptation to chronic stress in military trainees.  Adrenal androgens, testosterone, glucocorticoids, IGF­1, and  immune function.   Annals of the New York Academy of Sciences 1995;774:217­231.  Friedl KE, MZ Mays, TR Kramer, RL Shippee (1995).  Acute recovery of physiological and cognitive function in U.S. Army Ranger students in a multistressor  field environment.  In:  NATO AC/243 Panel VIII, Workshop on the effect of prolonged exhaustive military activities on man. NATO Technical Report.  3­5 April  1995, Holmenkollen, Oslo, Norway.  Hodgdon JA, KE Friedl, MB Beckett, KA Westphal, RL Shippee.  Use of bioelectrical impedance analysis measurements as predictors of physical  performance.  American Journal of Clinical Nutrition 1996;64(suppl):463S­468S.  Nindl BC, KE Friedl, LJ Marchitelli, RL Shippee, CD Thomas, JF Patton.  Regional fat placement in physically fit males and changes with weight loss.  Medicine and Science in Sports and Exercise 1996;28(7):786­793.  Kramer TR, RJ Moore, RL Shippee, KE Friedl, L Martinez­Lopez, MM Chan, EW Askew.  Effects of food restriction in military training on T­lymphocyte  responses.  International Journal of Sports Medicine 1997;18:S84­S90.  Friedl KE.  Variability of fat and lean tissue loss during physical exertion with energy deficit.  pp. 431­450.  In: JM Kinney and HN Tucker (eds),  Physiology,  Stress, and Malnutrition:  Functional Correlates, Nutritional Intervention.  New York:  Lippincott­Raven Publishers, 1997.  Nindl BC, KE Friedl, PN Frykman, LJ Marchitelli, RL Shippee, JF Patton.  Physical performance and metabolic recovery among lean, healthy men following a  prolonged energy deficit.  International Journal of Sports Medicine  1997;18(5):317­324.  Young AJ, JW Castellani, C O’Brien, RL Shippee, P Tikuisis, LG Meyer, LA Blanchard, JE Kain, BS Cadarette, MN Sawka.  Exertional fatigue, sleep loss, and  negative energy balance increase susceptibility to hypothermia.  Journal of Applied Physiology 1998;85:1210­1217.  Costello R, S Carlson­Newberry (editors),  Military Strategies for Sustainment of Nutrition and Immune Function in the Field.  National Academy Press,  Washington DC, 1999.  Friedl KE, RJ Moore, RW Hoyt, LJ Marchitelli, LE Martinez­Lopez, EW Askew.  Endocrine markers of semistarvation in healthy lean men in a multistressor  environment.  Journal of Applied Physiology (in press, 12/99).

25 

26

Additional copies of this booklet are available from the  Military Operational Medicine Research Program  Fort Detrick, Maryland, USA 

Prepared by:  LTC Karl E. Friedl, Ph.D.  Janet G. Reese,  Anteon Corporation

Military Operational Medicine Research Program  Fort Detrick, Maryland, USA  1999