Astronauter i rymden: Vad händer med din hjärna vid noll gravitation, hur som helst?

NASA har åtagit sig att skicka människor till Mars fram till 2030-talet. Detta är ett ambitiöst mål när du tror att en typisk rundresa kommer att vara någonstans mellan tre och sex månader, och besättningar kommer att förväntas stanna kvar på den röda planeten i upp till två år innan planetplanering möjliggör återresa hem. Det betyder att astronauterna måste leva i reducerad (mikro) gravitation i ungefär tre år - långt bortom den nuvarande posten av 438 kontinuerliga dagar i rymden som rymdes av den ryska kosmonauten Valery Polyakov.

I de tidiga dagarna av rymdresor arbetade forskarna hårt för att ta reda på hur man skulle övervinna tyngdkraften så att en rakett skulle kunna katapulten fria från jordens drag för att landa människor på månen. Idag ligger tyngdkraften på toppen av vetenskapsagendan, men den här gången är vi mer intresserade av hur minskad tyngdkraft påverkar astronauternas hälsa - i synnerhet deras hjärnor. När allt kommer omkring har vi utvecklats för att existera inom jordens gravitation (1 g), inte i rymdens viktlöshet (0 g) eller Mars mikrogravity (0,3 g).

Så exakt hur hanterar människans hjärna microgravity? Dåligt, i ett nötskal - även om information om detta är begränsad. Det här är överraskande, eftersom vi är bekanta med att astronauternas ansikten blir röda och uppblåsta under viktlöshet - ett fenomen som är kärleksfullt kallat "Charlie Brown-effekten" eller "puffy head bird legs syndrom". Detta beror på att vätskan huvudsakligen består av blod (celler och plasma) och cerebrospinalvätska som skiftar mot huvudet, vilket får dem att ha runda, puffiga ansikten och tunnare ben.

Dessa vätskeförskjutningar är också förknippade med rymdbehandlingssjuka, huvudvärk och illamående. De har också nyligen blivit kopplade till suddig syn på grund av en uppbyggnad av tryck som blodflödet ökar och hjärnan flyter uppåt inuti skallen - ett tillstånd som kallas synskador och intrakraniellt tryckssyndrom. Även om NASA anser att detta syndrom är den högsta hälsorisken för något uppdrag till Mars, utreda vad som orsakar det och - en ännu hårdare fråga - hur man förhindrar det, är fortfarande ett mysterium.

Så var ligger min forskning i detta? Tja, jag tror att vissa delar av hjärnan hamnar för mycket för blod eftersom kväveoxid - en osynlig molekyl som vanligtvis flyter runt i blodet - bygger upp i blodomloppet. Detta gör artärerna som levererar hjärnan med blodavslappning så att de öppnar för mycket. Som en följd av denna obevekliga överskott i blodflödet kan blod-hjärnbarriären - hjärnans "stötdämpare" - bli överväldigad. Detta gör att vattnet sakta kan byggas upp (ett tillstånd som kallas ödem), vilket orsakar hjärnsvullnad och en ökning i tryck som också kan förvärras på grund av begränsningar i dess avloppskapacitet.

Tänk på det som en flod som överflödar sina banker. Slutresultatet är att inte tillräckligt med syre kommer snabbt till delar av hjärnan. Detta är ett stort problem som kan förklara varför suddig syn uppstår, liksom effekter på andra färdigheter, inklusive astronauternas kognitiva agility (hur de tänker, koncentrera, motivera och flytta).

En resa i "Vomit Comet"

För att se om min idé var rätt, behövde vi testa den. Men snarare än att fråga NASA för en resa till månen, rymde vi jordens tyngdbands bindningar genom att simulera viktlöshet i ett speciellt flygplan med namnet "uppkastkomeet".

Genom att klättra och sedan doppa genom luften utför detta plan upp till 30 av dessa "paraboler" i en enda flygning för att simulera känslan av viktlöshet. De varar bara 30 sekunder, och jag måste erkänna, det är väldigt beroendeframkallande, och du får verkligen ett puffigt ansikte!

Med all utrustning säkert fastsatt, tog vi mätningar från åtta volontärer som tog en flygning varje dag i fyra dagar. Vi mätta blodflödet i olika artärer som levererar hjärnan med hjälp av en bärbar doppler-ultraljud, som fungerar genom att studsa högfrekventa ljudvågor från cirkulerande röda blodkroppar. Vi mättade också kväveoxidnivåerna i blodprover som tagits från underarmen, liksom andra osynliga molekyler som inkluderade fria radikaler och hjärnspecifika proteiner (som speglar strukturskador på hjärnan) som kan berätta om blodhjernbarriären har tvingats öppna.

Våra första fynd bekräftade vad vi förväntade oss. Kväveoxidhalten ökade efter upprepade satsningar av viktlöshet, och detta sammanföll med ökat blodflöde, särskilt genom artärer som levererar hjärnans baksida. Detta tvingade blod-hjärnbarriären öppen, även om det inte fanns några tecken på strukturell hjärnskada.

Vi planerar nu att följa dessa studier med mer detaljerade bedömningar av blod och vätskeshifts i hjärnan med hjälp av bildtekniker som magnetisk resonans för att bekräfta våra fynd. Vi kommer också att undersöka effekterna som motåtgärder som gummisugpbyxor - vilket skapar ett negativt tryck i den nedre delen av kroppen med tanken på att de kan "suga" blod bort från astronautens hjärna - såväl som droger för att motverka ökningen av kväveoxid. Men dessa resultat kommer inte bara att förbättra rymdresor - de kan också ge värdefull information om varför "gravitationen" av träning är bra medicin för hjärnan och hur det kan skydda mot demens och stroke i senare liv.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation by Damian Bailey. Läs den ursprungliga artikeln här.