Автор фото, NASA
Космос меняет мозг астронавтов – и это может стать серьезной проблемой для миссий за пределы Луны.
После примерно четырех миллиардов лет эволюции на Земле человек отлично приспособился к жизни в условиях обычной земной гравитации.
Неудивительно, что в начале космической эры существовали серьезные опасения относительно того, что произойдет с человеком, когда он впервые покинет Землю и окажется в невесомости. Не свернется ли кровь? Не начнут ли разрушаться кости? Не «взорвется ли» мозг в невесомости?
В конце 1950-х годов серия полетов с мышами, пауками, а впоследствии и собаками доказала, что животные могут выживать в космосе. А когда настал черед людей, выяснилось, что мы способны там не только выживать, но и успешно работать.
«Происходит адаптация, во многом напоминающая настоящее преобразование», — рассказывал мне в 2019 году астронавт Европейского космического агентства Лука Пармитано во время подготовки к своей второй продолжительной миссии на Международную космическую станцию (МКС).
«Через несколько недель ваше тело уже не такое, как было на Земле. Вы видите и чувствуете, как оно меняется: ноги становятся худее, а лицо круглее».
Пармитано — бывший лётчик-испытатель ВВС Италии, и недавно его избрали одним из четырех членов экипажа миссии «Артемида III».
Запуск, запланированный на 2027 год, предполагает сложный полет на околоземной орбите, во время которого опробуют лунный посадочный модуль и скафандры для предстоящего возвращения людей на Луну.
Неудивительно, что именно Пармитано избрали в этот экипаж — когда общаешься с ним, создается впечатление, что космические полеты для него абсолютно естественным делом.
Автор фото, NASA
«Одна из причин, почему человечество так успешно на Земле, — это наша способность адаптироваться, — сказал он. — Но меня действительно поразило, когда я увидел, как мое тело в космосе изменилось в течение всего нескольких недель. Среды, в которой я находился».
Воздействие космических полетов на человеческое тело — от мышц и костей до заложенных пазух носа — хорошо изучено более чем за 70 лет с тех пор, как человечество впервые вышло на орбиту. Значительно меньше известно о том, как невесомость влияет на наш мозг.
В космосе телу больше не нужно преодолевать силу тяготения во время каждого движения или действия. Поэтому кости, поддерживающие вес тела, и мышцы, которые мы используем для подъема, переноски вещей, ходьбы и бега, начинают терять массу.
Уже через несколько дней в космосе кости теряют кальций, а мышцы начинают ослабевать – это также касается изменений в работе сердца.
Причина, почему у астронавтов часто появляются набухшие лица, заключается в том, что жидкости в организме больше не удерживаются силой тяжести и накапливаются в верхней части тела.
Все это не было бы проблемой, если бы астронавты оставались в космосе навсегда.
Но если они хотят вернуться на Землю в хорошей физической форме, им необходимо соблюдать строгую программу тренировок. Обычно это означает около двух часов занятий каждый день в спортзале МКС.
Даже при таких условиях после шести месяцев в космосе астронавтов часто выносят с корабля по возвращении и кладут на носилки. Для полного восстановления костей может потребоваться до четырех лет.
Однако гораздо меньше понятно, что именно происходит с мозгом астронавтов. И это может оказаться проблемой.
«Мозг, очевидно, самый важный из наших органов, — говорит хирург Европейского космического агентства Алессандро Альчибиаде. — Если вы не привезете в космос эффективный и работоспособный мозг, все остальное будет бесполезно».
Исследования влияния космических полетов на мозг до сих пор были ограничены экспериментами только с несколькими астронавтами во время длительных миссий.
К примеру, астронавт Скотт Келли провел год на МКС, тогда как его брат-близнец, астронавт Марк, оставался на Земле. Исследование показало, что когнитивные способности Скотта почти не изменились во время миссии по сравнению с Марком, но ухудшились примерно на шесть месяцев после возвращения на Землю.
Теперь новое исследование, опубликованное в журнале Frontiers in Psychology учеными из Биркбекского колледжа Лондонского университета в Великобритании и эксклюзивно представленное BBC, объединило результаты 15 исследований визуализации мозга с участием около 377 человек.
Среди них были как астронавты, так и добровольцы, участвовавшие в наземных симуляциях космических полетов, например, в исследованиях с длительным постельным режимом.
Объединив все эти данные, команда из Биркбека считает, что ей удалось определить изменения, происходящие в мозгу под влиянием микрогравитации.
Это прекрасный пример нейропластичности — мы обнаружили, что в мозгу происходят как структурные, так и функциональные изменения, — говорит главный автор исследования, профессор когнитивной нейронауки Биркбекского колледжа Лондонского университета Элиза Раффаэлла Ферре. — Мы определили групп, которые определили групп.
Автор фото, NASA
Итак, так же как тело меняется в космосе, исследование показывает, что мозг также физически адаптируется к отсутствию гравитации, перестраивая себя под новую среду.
Мы видим изменения в участках мозга, которые отвечают за движение, равновесие и ощущение положения тела, — говорит Сильвия Сегецци, соавторка исследования. — Мы также обнаружили изменения в оперкулуме — участке мозга, где соединяются различные сигналы и где они могут обрабатываться одновременно по участию.
Это означает, что мозг эволюционно приспособлен к восприятию гравитации.
«Мы не чувствуем гравитацию так, как чувствуем изменение цвета, света, температуры или звуков, — говорит Ферре. — Но гравитация является постоянной характеристикой среды, которую наш мозг получает и обрабатывает».
«Если хотите немного погрузиться в науку, можно сказать, что сила тяжести – это первый сигнал, получающий плод во время развития. То есть наш мозг буквально формируется на основе восприятия гравитации», — объясняет она.
Ферре приводит пример того, как мы берем чашку кофе. Мы делаем это без труда, потому что мозг автоматически учитывает земную гравитацию и соответственно управляет нашими мышцами.
На первый взгляд это хорошая новость для астронавтов. Если бы мозг не адаптировался в космосе, астронавты имели бы множество проблем – например, постоянно разливали бы кофе. Но сложность состоит в том, насколько быстро происходит эта перестройка мозга.
Хотя мышцы и кости астронавтов поддерживаются в форме благодаря ежедневным тренировкам, управляемый ими мозг может не успевать адаптироваться так же быстро.
«Посмотрите на астронавтов программы » Аполлон», которые ходили по поверхности Луны. Видеозаписи показывают, насколько сложно им было удерживать правильную позу. Это было не только из-за тяжелых скафандры — проблема была в том, что их система равновесия и передвижения изменилась из-за отсутствия».
«Это не значит, что мозг не может перенастроиться, но для этого нужно время и ресурсы».
За последние 50 лет после завершения программы «Аполлон» это не было большой проблемой. Астронавты попадают на МКС и поначалу немного неловки: врезаются в стены, двигают предметы с большой силой, но впоследствии адаптируются.
Когда экипаж возвращается на Землю, им помогают выбраться из капсулы, обеспечивают медицинский уход и проводят реабилитацию для возвращения к жизни в условиях нормальной гравитации.
Но что произойдет во время предстоящих миссий на Луну или Марс, которые планируют NASA и Китай? Во время таких полетов астронавтам придется многократно переходить между условиями гравитации и невесомости, и это может стать серьезным испытанием для мозга.
Автор фото, NASA
Например, во время миссии на Марс после примерно восьми месяцев в космосе экипаж настолько хорошо адаптируется к микрогравитации, что даже выход с корабля на поверхность Марса (где гравитация примерно втрое слабее, чем на Земе).
Хотя их мышцы и кости будут поддерживаться в форме благодаря ежедневным тренировкам, управляемый ими мозг может не успевать адаптироваться. Резкое изменение гравитации может вызвать дезориентацию и быть опасным. Без возможности общаться с Землей в реальном времени астронавтам нужно будет сохранять ясность мышления во время посадки.
«Можно иметь отличную ракету, но если вы не способны ею управлять, если из-за этих изменений сенсорной и двигательной системы вы не можете принимать правильные решения, могут возникнуть проблемы, — говорит Ферре. — Мы должны убедиться, что люди получат необходимую поддержку и, возможно, помочь им быстрее адаптироваться».
Научно-фантастическое решение этой проблемы (например, в фильмах «2001: Космическая одиссея» или «Марсианин» ) обычно заключается в создании космического корабля с центрифугой или большим вращающимся модулем для имитации гравитации.
«Это было бы наилучшим решением: оно помогло бы противодействовать потере костной и мышечной массы и поддерживать адаптацию мозга, — соглашается Алессандро Альчибиаде из Европейского космического агентства. — Почему мы этого не делаем? Потому что это очень дорого: в массы».
Ферре соглашается и разрабатывает новые методы использования небольших электрических импульсов для стимуляции участков мозга, отвечающих за восприятие гравитации, надеясь улучшить способность к адаптации.
Она уверена, что ученые найдут способ преодолеть последствия изменений гравитации, но подчеркивает положительное значение первых результатов ее исследования — не только для астронавтов, но и для всего человечества.
«Космические полеты – это огромный вызов, – говорит она. – Но они также могут стать очень ценным окном для понимания работы нашего мозга, ведь мы никогда не смогли бы исследовать его так на Земле».
