Астронавты в космосе: что происходит с мозгом при нулевой гравитации?

НАСА обязалось отправить людей на Марс к 2030-м годам. Это амбициозная цель, когда вы думаете, что обычное путешествие туда и обратно будет где-то между тремя и шестью месяцами, и ожидается, что экипажи останутся на красной планете на срок до двух лет, прежде чем выравнивание планет позволит вернуться домой. Это означает, что космонавтам приходится жить в условиях пониженной (микро) гравитации около трех лет - что намного превышает нынешний рекорд в 438 непрерывных дней в космосе, который проводит российский космонавт Валерий Поляков.

В первые дни космических путешествий, ученые упорно работали, чтобы выяснить, как преодолеть силу тяжести, так что ракета может катапульты бесплатно тянуть Земли для того, чтобы посадить людей на Луну. Сегодня гравитация остается на вершине научной повестки дня, но на этот раз нас больше интересует, как снижение гравитации влияет на здоровье астронавтов - особенно их мозг. В конце концов, мы эволюционировали, чтобы существовать в гравитации Земли (1 г), а не в невесомости космоса (0 г) или микрогравитации Марса (0,3 г).

Так как именно человеческий мозг справляется с микрогравитацией? Плохо, в двух словах - хотя информация об этом ограничена. Это удивительно, так как мы знакомы с тем, что лица астронавтов становятся красными и вздутыми во время невесомости - феномен, ласково известный как «эффект Чарли Брауна» или «синдром опухших голов птиц». Это происходит из-за жидкости, состоящей в основном из крови. (клетки и плазма) и спинномозговая жидкость смещаются к голове, в результате чего у них круглые, опухшие лица и более тонкие ноги.

Эти сдвиги жидкости также связаны с космической укачиванием, головными болями и тошнотой. В последнее время они также были связаны с ухудшением зрения из-за повышения давления по мере увеличения кровотока и того, что мозг плавает вверх внутри черепа - состояние, называемое ухудшением зрения и синдромом внутричерепного давления. Несмотря на то, что НАСА считает, что этот синдром представляет собой главный риск для здоровья для любой миссии на Марс, выяснение причин его возникновения и - еще более сложный вопрос - как его предотвратить, все еще остается загадкой.

Так, где мое исследование вписывается в это? Ну, я думаю, что определенные части мозга в конечном итоге получают слишком много крови, потому что в крови накапливается оксид азота - невидимая молекула, которая обычно плавает в кровотоке. Это заставляет артерии, снабжающие мозг кровью, расслабляться, так что они слишком открываются. В результате этого непрекращающегося всплеска кровотока гематоэнцефалический барьер - «амортизатор» мозга - может быть перегружен. Это позволяет воде медленно накапливаться (состояние, называемое отеком), вызывая отек мозга и повышение давления, которое также может ухудшиться из-за ограничений в дренажной способности.

Думайте об этом как о реке, переполняющей ее берега. Конечным результатом является то, что недостаточно кислорода попадает в участки мозга достаточно быстро. Это большая проблема, которая может объяснить, почему возникает нечеткое зрение, а также влияние на другие навыки, включая когнитивную ловкость астронавтов (как они думают, концентрируются, рассуждают и двигаются).

Поездка в «Vomit Comet»

Чтобы понять, была ли моя идея верной, нам нужно было проверить ее. Но вместо того, чтобы просить НАСА о путешествии на Луну, мы избежали гравитации Земли, имитируя невесомость в специальном самолете, прозванном «кометой рвоты».

Поднимаясь, а затем погружаясь в воздух, этот самолет выполняет до 30 таких «парабол» за один полет, чтобы имитировать чувство невесомости. Они длятся всего 30 секунд, и я должен признать, это очень затягивает, и у тебя действительно пухлое лицо!

Надежно закрепив все оборудование, мы провели измерения у восьми добровольцев, которые выполняли один рейс каждый день в течение четырех дней. Мы измерили кровоток в различных артериях, которые снабжают мозг с помощью портативного ультразвукового допплера, который работает, отражая высокочастотные звуковые волны от циркулирующих эритроцитов. Мы также измерили уровни оксида азота в образцах крови, взятых из вены предплечья, а также других невидимых молекул, которые включали свободные радикалы и специфичные для мозга белки (которые отражают структурное повреждение мозга), которые могли бы сказать нам, имеет ли гематоэнцефалический барьер был вынужден открыть.

Наши первоначальные результаты подтвердили то, что мы ожидали. Уровни оксида азота увеличились после повторных приступов невесомости, и это совпало с усилением кровотока, особенно через артерии, которые снабжают заднюю часть мозга. Это заставило гематоэнцефалический барьер открыться, хотя признаков структурного повреждения головного мозга не было.

В настоящее время мы планируем продолжить эти исследования с более детальной оценкой сдвигов крови и жидкости в мозге, используя методы визуализации, такие как магнитный резонанс, чтобы подтвердить наши выводы. Мы также собираемся изучить эффекты таких контрмер, как резиновые всасывающие штаны - которые создают отрицательное давление в нижней половине тела с идеей, что они могут помочь «высосать» кровь из мозга астронавта - а также лекарства противодействовать увеличению оксида азота. Но эти результаты не только улучшат космические путешествия - они также могут предоставить ценную информацию о том, почему «тяжесть» упражнений является хорошим лекарством для мозга и как он может защитить от деменции и инсульта в дальнейшей жизни.

Эта статья была первоначально опубликована в «Разговоре» Дамиана Бэйли. Прочитайте оригинальную статью здесь.