Hvad sker der med hjernen i nul tyngdekraft?

NASA har forpligtet sig til at sende mennesker til Mars inden 2030'erne. Dette er et ambitiøst mål, når man tror, ​​at en typisk rundrejse vil være mellem tre og seks måneder, og besætninger forventes at blive på den røde planet i op til to år, før planetarisk justering giver mulighed for hjemrejsen. Det betyder, at astronauterne skal leve i reduceret (mikro)tyngdekraft i omkring tre år - langt ud over den nuværende rekord på 438 sammenhængende dage i rummet, som den russiske kosmonaut Valery Polyakov har.

I de tidlige dage af rumrejser, videnskabsmænd arbejdede hårdt for at finde ud af, hvordan man kan overvinde tyngdekraften, så en raket kunne katapultere fri af Jordens træk for at lande mennesker på Månen. I dag, tyngdekraften forbliver øverst på den videnskabelige dagsorden, men denne gang er vi mere interesserede i, hvordan reduceret tyngdekraft påvirker astronauternes helbred – især deres hjerner. Trods alt, vi har udviklet os til at eksistere inden for Jordens tyngdekraft (1 g), ikke i rummets vægtløshed (0 g) eller Mars' mikrotyngdekraft (0,3 g).

Så præcis hvordan klarer den menneskelige hjerne mikrogravitation? Dårligt, i en nøddeskal – selvom information om dette er begrænset. Dette er overraskende, da vi er bekendt med astronauters ansigter, der bliver røde og oppustede under vægtløshed – et fænomen, der kærligt er kendt som "Charlie Brown-effekten", eller "puffy head bird legs syndrome". Dette skyldes, at væske, der hovedsageligt består af blod (celler og plasma) og cerebrospinalvæske, flytter sig mod hovedet, får dem til at have runde, hævede ansigter og tyndere ben.

Disse væskeskift er også forbundet med rumkørselssyge, hovedpine og kvalme. De har også, for nylig, været forbundet med sløret syn på grund af en opbygning af tryk, efterhånden som blodgennemstrømningen øges, og hjernen flyder opad inde i kraniet - en tilstand kaldet synsnedsættelse og intrakranielt tryksyndrom. Selvom NASA anser dette syndrom for at være den største sundhedsrisiko for enhver mission til Mars, finde ud af, hvad der forårsager det og – et endnu sværere spørgsmål – hvordan man kan forhindre det, er stadig et mysterium.

Så hvor passer min forskning ind i dette? Godt, Jeg tror, ​​at visse dele af hjernen ender med at modtage alt for meget blod, fordi nitrogenoxid – et usynligt molekyle, som normalt flyder rundt i blodbanen – ophobes i blodbanen. Dette får arterierne, der forsyner hjernen med blod, til at slappe af, så de åbner sig for meget. Som et resultat af denne ubarmhjertige stigning i blodgennemstrømningen, blod-hjerne-barrieren – hjernens "støddæmper" – kan blive overvældet. Dette tillader, at vand langsomt ophobes (en tilstand kaldet ødem), forårsager hævelse af hjernen og en stigning i tryk, der også kan forværres på grund af grænser i dens dræningskapacitet.

Tænk på det som en flod, der flyder over sine bredder. Slutresultatet er, at der ikke kommer nok ilt til dele af hjernen hurtigt nok. Dette er et stort problem, som kunne forklare, hvorfor sløret syn opstår, samt effekter på andre færdigheder, herunder astronauters kognitive smidighed (hvordan de tænker, koncentrere, grund og flyt).

En tur i 'brækkometen'

For at finde ud af, om min idé var rigtig, vi var nødt til at teste det. Men i stedet for at bede NASA om en tur til månen, vi undslap Jordens tyngdekrafts bindinger ved at simulere vægtløshed i et specielt fly med tilnavnet "brækkometen".

Ved at klatre og derefter dyppe gennem luften, dette fly udfører op til 30 af disse "paraboler" på en enkelt flyvning for at simulere følelsen af ​​vægtløshed. De varer kun 30 sekunder, og jeg må indrømme, det er meget vanedannende, og du får virkelig et hævet ansigt!

Med alt udstyret sikkert fastgjort, vi tog målinger fra otte frivillige, som tog en enkelt flyvning hver dag i fire dage. Vi målte blodgennemstrømningen i forskellige arterier, der forsyner hjernen ved hjælp af en bærbar doppler-ultralyd, som virker ved at kaste højfrekvente lydbølger af cirkulerende røde blodlegemer. Vi målte også nitrogenoxidniveauer i blodprøver taget fra underarmsvenen, samt andre usynlige molekyler, der inkluderede frie radikaler og hjernespecifikke proteiner (som afspejler strukturelle skader på hjernen), der kunne fortælle os, om blod-hjerne-barrieren er blevet tvunget til at åbne.

Vores første resultater bekræftede, hvad vi forventede. Nitrogenoxidniveauer steg efter gentagne anfald af vægtløshed, og dette faldt sammen med øget blodgennemstrømning, især gennem arterier, der forsyner bagsiden af ​​hjernen. Dette tvang blod-hjerne-barrieren til at åbne, selvom der ikke var tegn på strukturel hjerneskade.

Vi planlægger nu at følge disse undersøgelser op med mere detaljerede vurderinger af blod- og væskeskift i hjernen ved hjælp af billeddannelsesteknikker såsom magnetisk resonans for at bekræfte vores resultater. Vi skal også udforske virkningerne af modforanstaltninger såsom gummisugebukser – der skaber et undertryk i den nederste halvdel af kroppen med den idé, at de kan hjælpe med at "suge" blod væk fra astronautens hjerne – såvel som stoffer for at modvirke stigningen i nitrogenoxid. Men disse resultater vil ikke kun forbedre rumrejsen – de kan også give værdifuld information om, hvorfor "tyngdekraften" af træning er god medicin for hjernen, og hvordan den kan beskytte mod demens og slagtilfælde senere i livet.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.