Astronauci w kosmosie: co się dzieje z mózgiem w zerowej grawitacji?

NASA zobowiązała się wysłać ludzi na Marsa do lat 30-tych XX wieku. Jest to ambitny cel, jeśli uważasz, że typowa podróż w obie strony będzie trwała od trzech do sześciu miesięcy, a załogi będą musiały pozostać na czerwonej planecie przez okres do dwóch lat, zanim wyrównanie planet pozwoli na podróż powrotną do domu. Oznacza to, że astronauci muszą żyć w zmniejszonej (mikro) grawitacji przez około trzy lata - znacznie przekraczając obecny rekord 438 ciągłych dni w kosmosie trzymanych przez rosyjskiego kosmonautę Walerija Poliakowa.

W pierwszych dniach podróży kosmicznych naukowcy ciężko pracowali, aby dowiedzieć się, jak przezwyciężyć siłę grawitacji, aby rakieta mogła katapultować się z ziemi, aby wylądować na Księżycu. Dzisiaj grawitacja pozostaje na szczycie agendy naukowej, ale tym razem bardziej interesuje nas, w jaki sposób zmniejszona grawitacja wpływa na zdrowie astronautów - zwłaszcza ich mózgi. W końcu wyewoluowaliśmy, aby istnieć w grawitacji Ziemi (1 g), a nie w nieważkości przestrzeni (0 g) lub mikrograwitacji Marsa (0,3 g).

Jak dokładnie ludzki mózg radzi sobie z mikrograwitacją? Słabo, w skrócie - choć informacje na ten temat są ograniczone. Jest to zaskakujące, ponieważ wiemy, że twarze astronautów stają się czerwone i wzdęte podczas nieważkości - zjawisko zwane pieszczotliwie „efektem Charliego Browna” lub „puffy head bird syndrome”. Jest to spowodowane płynem składającym się głównie z krwi (komórki i osocze) i płyn mózgowo-rdzeniowy przesuwający się w kierunku głowy, powodując ich okrągłe, opuchnięte twarze i cieńsze nogi.

Te zmiany płynów są również związane z chorobą lokomocyjną, bólami głowy i nudnościami. Ostatnio powiązano je także z niewyraźnym widzeniem z powodu narastania ciśnienia w miarę wzrostu przepływu krwi, a mózg unosi się w górę czaszki - stanu zwanego upośledzeniem widzenia i zespołem ciśnienia wewnątrzczaszkowego. Mimo że NASA uważa ten syndrom za najwyższe ryzyko zdrowotne dla każdej misji na Marsa, zastanowienie się, co go powoduje i - jeszcze trudniejsze pytanie - jak temu zapobiec, wciąż pozostaje tajemnicą.

Gdzie zatem mieszczą się moje badania? Cóż, myślę, że niektóre części mózgu otrzymują zbyt dużo krwi, ponieważ tlenek azotu - niewidzialna cząsteczka, która zwykle unosi się w krwiobiegu - gromadzi się w krwiobiegu. Sprawia to, że tętnice dostarczające mózgowi krew rozluźniają się, dzięki czemu otwierają się za dużo. W wyniku tego nieustannego wzrostu przepływu krwi bariera krew-mózg - „amortyzator mózgu” - może zostać przytłoczona. Pozwala to na powolne gromadzenie się wody (stan zwany obrzękiem), powodując obrzęk mózgu i wzrost ciśnienia, które może być również pogorszone z powodu ograniczeń w jego zdolności do drenażu.

Pomyśl o tym jak o rzece przepływającej przez jej brzegi. W efekcie niedostateczna ilość tlenu dociera wystarczająco szybko do części mózgu. Jest to duży problem, który może wyjaśnić, dlaczego pojawia się zamazana wizja, a także wpływ na inne umiejętności, w tym sprawność poznawczą astronautów (jak myślą, koncentrują się, rozumują i poruszają).

Wycieczka w „Komecie wymiocin”

Aby ustalić, czy mój pomysł był słuszny, musieliśmy to przetestować. Ale zamiast prosić NASA o podróż na księżyc, uniknęliśmy więzów grawitacji Ziemi, symulując nieważkość w specjalnym samolocie nazywanym „kometą wymiocinową”.

Wspinając się i zanurzając w powietrzu, samolot wykonuje do 30 takich „paraboli” w jednym locie, aby zasymulować uczucie nieważkości. Trwają tylko 30 sekund i muszę przyznać, że jest bardzo uzależniająca, a ty naprawdę masz bufiastą twarz!

Po całkowitym przymocowaniu sprzętu zrobiliśmy pomiary od ośmiu wolontariuszy, którzy codziennie przez cztery dni wykonywali pojedynczy lot. Zmierzyliśmy przepływ krwi w różnych tętnicach zaopatrujących mózg za pomocą przenośnego ultrasonografu dopplerowskiego, który działa poprzez odbijanie fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości od krążących krwinek czerwonych. Zmierzyliśmy również poziom tlenku azotu w próbkach krwi pobranych z żyły przedramienia, a także innych niewidzialnych cząsteczek, które zawierały wolne rodniki i białka specyficzne dla mózgu (które odzwierciedlają strukturalne uszkodzenie mózgu), które mogłyby nam powiedzieć, czy bariera krew-mózg ma został zmuszony do otwarcia.

Nasze wstępne ustalenia potwierdziły to, co przewidywaliśmy. Poziomy tlenku azotu wzrosły po powtarzających się atakach nieważkości, co zbiegło się ze zwiększonym przepływem krwi, szczególnie przez tętnice zaopatrujące tył mózgu. Zmusiło to do otwarcia bariery krew-mózg, chociaż nie było dowodów na strukturalne uszkodzenie mózgu.

Planujemy teraz śledzić te badania z bardziej szczegółowymi ocenami zmian krwi i płynów w mózgu za pomocą technik obrazowania, takich jak rezonans magnetyczny, aby potwierdzić nasze odkrycia. Zamierzamy również zbadać skutki, jakie środki zaradcze, takie jak gumowe spodnie ssące - które powodują podciśnienie w dolnej części ciała z myślą, że mogą pomóc „wyssać” krew z mózgu astronauty - jak również leki przeciwdziałać wzrostowi tlenku azotu. Ale te odkrycia nie tylko poprawią podróże kosmiczne - mogą również dostarczyć cennych informacji na temat tego, dlaczego „powaga” ćwiczeń jest dobrym lekiem dla mózgu i jak może chronić przed demencją i udarem w późniejszym życiu.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation przez Damiana Baileya. Przeczytaj oryginalny artykuł tutaj.