Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Astronomi

Forskere tester hjernestimulering i nul tyngdekraft

Holdet forbereder sig på parablerne, der vil stimulere nul tyngdekraft. Kredit:MUSC

"Det er spændende. Jeg elsker det her!" sagde Bashar Badran, Ph.D. "Det her er så sjovt."

Ikke mange forskere får chancen for at flyde, vægtløs, 32, 000 fod over jorden. Forskere fra Medical University of South Carolina udfører normalt forskning i laboratorier - kontrollerede omgivelser, hvor de omhyggeligt kan gentage eksperimenter for at dobbelttjekke resultater. Men med et øje på, hvad rigtige astronauter kan opleve i fremtidige rumrejser, nogle få videnskabsmænd tog for nylig til himlen for at lave hjerneforskning uden tyngdekraft.

Neuroradiolog Donna Roberts, M.D., og neuroforsker Badran samarbejdede om projektet for at udføre transkraniel magnetisk stimulering, eller TMS, på sig selv og en gruppe frivillige assistenter, mest fra Institut for Psykiatri og Adfærdsvidenskab i MUSC College of Medicine.

Roberts har brugt år på at studere, hvordan nultyngdekraft og mikrotyngdekraft påvirker den menneskelige hjerne – faktisk, det var hendes motivation for at tage på medicinstudiet. Dette eksperiment var primært en testcase for at vise, at TMS sikkert kunne bruges i nul tyngdekraft og for at sammenligne deltagernes resultater under jordens tyngdekraft med deres resultater i nul tyngdekraft.

Under en TMS-procedure, en magnetisk puls sendes gennem kraniet ind i hjernen for at stimulere elektrisk aktivitet. Pulsen er meget lokaliseret - den når ikke hele hjernen. TMS-administratoren placerer en spole over emnets hoved; når motivets tommelfinger rykker, administratoren ved, at TMS-spolen er på det rigtige sted.

Her på jorden, TMS er FDA godkendt til svær at behandle depression. Forskere ved MUSC og andre steder undersøger også brugen af ​​TMS til posttraumatisk stresslidelse; at behandle trang og smerter hos mennesker under behandling for opioidbrugsforstyrrelse; og i fysisk og psykisk genoptræning for apopleksipatienter. Depression kan være en bekymring for folk på langvarige missioner langt fra Jorden, som ikke forventer at sætte deres fod på fast grund i årevis, og Roberts og Badran sagde, at TMS kunne være et nyttigt og pladsbesparende værktøj til at pakke på langsigtede rummissioner, snarere end et helt apoteks værdi af medicin.

"Ultimativt, du ønsker ikke at tage til Mars eller en interplanetarisk mission med alle disse medikamenter. Og du kan ikke nemt oprette et kemilaboratorium til at syntetisere dem alle. Så TMS ville være en meget klar, nem løsning på neuropsykiatriske problemer. Det er den lange 20-årige vision, " sagde Badran.

Det har også potentialet til at holde astronauter i god form kognitivt på langtidsflyvninger, så de er klar til at gå på arbejde, når de lander på månen eller den røde planet.

Men først, forskere skal finde ud af, hvordan en "normal" læsning i nul tyngdekraft skal se ud.

Transkraniel magnetisk stimulation kan være nyttig til at opretholde mental sundhed og evner under langvarig rumflyvning. For at få en baseline på, hvordan TMS-aflæsninger skal se ud i nul tyngdekraft, MUSC-forskere tog til skyerne. Kredit:MUSC

Det er allerede kendt, at medicin metaboliserer forskelligt, når en person er i rummet. Astronauter, der tager sovemedicin, for eksempel, skal gennem forsøg og fejl finde ud af den korrekte dosis i rummet, sagde Roberts.

Og Roberts' tidligere forskning, sammenligne astronauters hjerne-MRI før og efter en tur til den internationale rumstation, viste fysiske ændringer i hjernen, der korrelerede med ændringer i astronauternes motoriske færdigheder og kognitive præstationer.

"Hvis der var en måde at holde hjernen i form på vej til Mars, det ville være meget nyttigt. Det er derfor, NASA er interesseret i denne teknologi. Men for at bruge det i rummet, vi skal forstå, 'Er der forskel på den måde, astronauter reagerer på her på Jorden versus oppe i rummet?' ligesom den forskel, de oplever i medicin. Så det var det, denne undersøgelse egentlig var baseret på, " hun sagde.

Og det er her, forskerne skal have det lidt sjovt. For at teste TMS i nul tyngdekraft, de ville gå ombord på et specialfly drevet af Zero Gravity Corporation, som tilbyder nul-tyngdekraftsflyvninger til personlige eventyr, medieproduktioner og forskning.

Flyet, døbt G-Force One, flyver en række buer, på vej opad ved 45 grader og derefter ned igen ved 45 grader. I de korte 20 til 30 sekunder mellem at gå op og ned, alle i flyet bliver vægtløse. Alt, der ikke er boltet ned, flyder op. Og det blot 20- til 30-sekunders vindue var det tidspunkt, hvor Roberts og Badran skulle køre deres TMS-test.

De ville have i alt 30 buer, eller parabler, at arbejde med. Der var 10 personer i deres gruppe, delt mellem mænd og kvinder, og hver person skulle lave testen mindst to gange for at få en god prøve.

Men først, der var noget logistik at overkomme. I laboratoriet, der kan være meget bøvl med udstyret for at få spolen til det helt rigtige sted på nogens hoved. Med så kort et vindue til at udføre testen på flyet, der ville ikke være tid til at futte med maskineriet. De havde brug for en idiotsikker måde at sikre, at spolen ville være på det rigtige sted på det rigtige tidspunkt.

"Vi fokuserede alle virkelig på de små ting, " sagde Badran. "Denne undersøgelse var virkelig en one-shot aftale. Flyet var forudbestilt. Alt var indstillet. Vi havde en fast startdato, et fast tidsrum til at udføre eksperimentet, og alt skulle gå perfekt - og alt var afhængig af at skabe denne ting, der ikke eksisterede." Så Badran fik fat i en motorcykelhjelm og en Dremel-sav og gik i gang. Han fandt ud af, at han kunne Monter en TMS-spole i en niche, han skar ind i hjelmen, men genstanden var for tung og vaklende til at være praktisk.

Næste, han vendte sig til at bruge glasfiberstøbebånd, det samme materiale, der bruges til at lave afstøbninger til brækkede knogler. Hver deltager sad til en fitting, og Badran lavede en letvægter, holdbar hjelm, der passer til den enkeltes hoved, med et fastgørelsesområde til TMS-spolen, der sikrede, at den magnetiske puls ville nå det rigtige sted på den pågældende persons hjerne – ingen manipulation påkrævet.

Drs. Bashar Badran og Donna Roberts brugte deres forskelligartede ekspertise til at udføre et eksperiment i nul tyngdekraft. Kredit:Sarah Pack

Roberts og Badrans frivillige team bestod af folk fra Institut for Psykiatri og Adfærdsvidenskab med erfaring med at administrere TMS, da de alle skulle skiftes som både fag og administratorer. De ville have folk, der var nogenlunde på alder med faktiske astronauter, så gennemsnitsalderen var i 30'erne.

"Alle, der var flyvere, de nåede ikke bare at komme og flyve og have det sjovt. De var aktivt en del af forskerholdet, også, " sagde Badran.

Roberts og Badran vidste, at de havde én chance for at få eksperimentet til at fungere. Disse flyvninger er dyre, og hovedparten af ​​forskningsbevillingen gik til den udgift. I hver 20 til 30 sekunders vægtløshed, de skulle starte softwaren på deres computere, som ville sende et signal til spolen, registrer et tommelfingertræk og meld derefter tilbage, at TMS'et havde virket. Hvis det ikke registrerede et tommelfingertræk, så ville systemet øge strømmen og sende endnu et signal, indtil der blev registreret et tommelfingertræk. Men hvis det slet ikke virkede, de ville være nødt til at foretage fejlfinding i farten - eller stå over for muligheden for, at hele eksperimentet bliver en fuldstændig fiasko.

MUSC-gruppen delte flyvningen med tre andre organisationer, der udfører rumforskning. Fordi TMS-maskinerne trak strøm fra flyet, Badran skulle først køre en test på jorden, ved fuld kraft, for at sikre, at de ikke overbelastede flyet. Det var ret tæt på, han sagde, men flybesætningen gav dem grønt lys. Så op gik de.

De håndlavede hjelme klarede sig smukt. De fik mindst tre målinger for hver person, som de kunne sammenligne med flere målinger taget på jorden før og efter flyvningen. Og som en bonus, eksperimentet var meget sjovere end dit typiske laboratorieeksperiment.

Deres papir, udgivet 21. september i Naturens mikrotyngdekraft , viser, at der var behov for mindre elektromagnetisme i nul tyngdekraft end på Jorden for at fremkalde et tommelfingertræk. Det tyder på, at der sker neurofysiske ændringer i hjernen, men der er flere mulige forklaringer, lige fra hjernen fysisk skifter inde i kraniet til neuroner, der reagerer stærkere på stimulering. Der er mere at lære, de sagde.

Det er et problem, der ligger Roberts på sinde, som hun har argumenteret flere gange, senest i et meningsindlæg i The Lancet Neurology, for mere forskning i hjerneændringer hos rumfarere.

Efter at have vist, at TMS er muligt i nul tyngdekraft, teamet er godt rustet til fortsat at finde svar på disse spørgsmål.


Varme artikler