Мозги на Марсе: как космические перелеты влияют на когнитивные функции

Кто хочет на Марс? На удивление, не так и мало людей. Идея колонизировать красную планету циркулирует в обществе уже не первый год, но пока что картошку на Марсе никто не выращивает. Причин тому много. Одной из основных является необходимость просчитать все аспекты столь длительного, опасного и непредсказуемого путешествия, не говоря уже о пребывании на планете с весьма недружелюбной средой. Инженеры занимаются космическими кораблями, планетоходами, жилищами и скафандрами для будущих колонистов. Но в центре всего этого технологического богатства стоит человек, и понимание того, как его организм будет себя чувствовать во время длительных космических перелетов и во время жизни на другой планете, является приоритетной задачей. Посему ученые из университета Южной Каролины решили провести исследование мозга ^[1], его структуры и всех вероятных когнитивных изменений, которые могут в нем протекать, в случае путешествия на Марс. Как именно меняется мозг ^[1] в зависимости от времени пребывания в космосе, как это влияет на поведение человека и стоит ли опасаться за будущее миссии по колонизации Марса? Ответы на эти вопросы мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.

Основа исследования

Загадочный и таинственный Марс, неоднократно побывавший в роли центральной локации научно-фантастических произведений, находится очень близко к нашей родной планете Земля, в масштабах Вселенной конечно. Минимальное расстояние между планетами составляет 54.6, максимальное — 401, а среднее — около 225. И все это в миллионах километров. Для обывателей это колоссальное расстояние, а для знатоков Космоса — короткая прогулка. Однако, для преодоления подобных расстояний с имеющимися у нас технологиями потребуется от 150 до 300 дней, в зависимости от скорости движения, положения Земли относительно Марса и траектории полета. Для многих космонавтов, побывавших на МКС, это не так и долго, однако между орбитальной станцией и пространством между планетами есть разница.

Ранее исследования мозга ^[1] после пребывания на МКС уже проводились. Результатом этих исследований было выявление вертикального смещения мозга ^[1], скопления красноречивых (Eloquent) тканей* мозга ^[1] в области вертекса (макушки) и расширение желудочков головного мозга ^[1].

Красноречивая ткань мозга* — данный термин обозначает область мозга ^[1], удаление которой приведет к потере лингвистических способностей, сенсорным проблемам, частичному или полному параличу.

Исследователи отмечают, что полученные ранее данные об изменениях, протекающих в теле астронавтов во время и после пребывания на орбите, хоть и известны ученым, однако до конца не изучены. Так, к примеру, пока остается неясной этиология и функциональная значимость структурных изменений мозга ^[1]. В рассматриваемом нами сегодня труде, ученые решили детальнее рассмотреть такие аномалии и выяснить, насколько связаны между собой структурные изменения мозга ^[1] до/после полета и когнитивные/моторные характеристики человека.

Кроме того, ученые решили связать изучение структуры мозга ^[1] астронавтов и уже известного синдрома, связанного с космическими полетами. В 2017 году было установлено, что длительное пребывание на МКС вызвало у ряда астронавтов определенные офтальмологические изменения: изменение остроты зрения, «ватные» пятна и хориоидальные складки на сетчатке (ишемические изменения сетчатки), отек диска зрительного нерва. NASA дала этим изменениям общее название — SANS (spaceflight-associated neuro-ocular syndrome), т.е. нейро-глазной синдром, связанный с космическими полетами.

Исследователи считают, что изменения в головном мозге ^[1] напрямую связаны с SANS и могут влиять на другие аспекты работы организма, в том числе и на когнитивные функции.

Результаты исследования

Изучение мозга ^[1] астронавтов проводилось в несколько этапов, во время каждого из которых ученые уделяли внимание определенному показателю. Далее мы рассмотрим по пунктам результаты проведенных анализов и тестов.

Анализ объема по сегментам тканей головного мозга

Никаких существенных изменений до и после полета в общем объеме серого или белого вещества не было выявлено ни у космонавтов шаттла, ни у космонавтов с МКС.

Таблица №1: данные касательно изменений объема серого и белого вещества у космонавтов до/после полета на шаттле и на МКС.

Как и ожидалось, было обнаружено значительное увеличение общего объема желудочков у астронавтов после полета на МКС, но не у астронавтов после полета на шаттле (10.7% — МКС и 0% — шаттл, 1А).

Изображение №1

Для астронавтов МКС процентное изменение объема желудочка для левого латерального, правого латерального, третьего и четвертого желудочков составило: 17.1% ± 6 7.3%, 15.2% ± 6 8.4%, 15.4% ± 6 4.9% и 0.83% ± 6 4.57%, соответственно. Значение %∆VV (процентное изменение общего желудочкового объема) варьировалось до/после полета в зависимости от его продолжительности (1B). Любопытно, что значение %∆VV у более молодых астронавтом было выше, чем у старших (1С).

Оценка локальных изменений границ мозга

Учитывая ранее установленный факт смещения тканей головного мозга ^[1] ввиду пребывания на МКС, ученые провели анализ локального смещения тканей мозга ^[1] в участке интерфейса между мозгом ^[1] и спинномозговой жидкостью. У космонавтов, которые подвергались длительным космическим полетам, были отмечены значительные локальные изменения в структуре мозга ^[1] (снимок ниже).

Изображение №2: МРТ снимок мозга ^[1] астронавта, показывающий наличие скопления красноречивых тканей мозга ^[1] в области вертекса (красный цвет) и локального смещения тканей (синий цвет).

Во время исследования наблюдалась скученность паренхимальных* тканей головного мозга ^[1] в макушке, которая сопровождалась скученностью моторных, премоторных и первичных сенсомоторных областей. Также было выявлено смещение тканей мозга ^[1] вдоль краев желудочка, что соответствует предыдущим наблюдениям касательно увеличения желудочков.

Паренхима* — функциональная ткань мозга ^[1], состоящая из нейронов и нейроглий. Травмы данного участка мозга ^[1] могут привести к когнитивным расстройствам и даже к смерти.

В то же время, у астронавтов, которые испытали кратковременные космические полеты (шаттл) никаких отклонений не было выявлено.

Связь между структурными изменениями мозга и моторикой

Таблица №2: результаты тестов на моторику астронавтов до/после полетов на шаттле и до/после пребывания на МКС.

Тесты моторики показали, что локальные структурные изменения левого хвостатого ядра все же привели к снижению постурального* контроля (3А).

Постуральный рефлекс* — совокупность реакций и рефлексов, обеспечивающих сохранение определенного положения тела или части тела в пространстве.

Изображение №3: локальные изменения паренхимы головного мозга ^[1], влияющие на результаты тестов на моторику.

Тесты на восстановление положения тела после падения и на сохранение неподвижного положения также показали влияние на моторику со стороны локальных изменений паренхимы головного мозга ^[1] (3В).

Время, затраченное астронавтами на выполнение тестов «ходьба» и «приседание» (3С), было больше нормы, что говорит о влиянии локальных изменений в поясной коре мозга ^[1], играющей важную роль в реализации исполнительных функций.

Подводя промежуточный итог, изменения в головном мозге ^[1], вызванные длительным пребыванием на МКС (в контексте исследования) напрямую влияют на способность человека выполнять те или иные задачи, связанные с моторикой. Данные отклонения нельзя назвать критическими или негативно влияющими на повседневные или профессиональные задачи, однако сам факт их наличия говорит о необходимости дальнейшего изучения данного аспекта работы мозга ^[1] человека.

Ученые также решили проверить связь между значениями %∆VV и результатами моторных тестов (таблица ниже).

Таблица №3: корреляция между процентным изменением общего объема желудочка и процентным изменением в результатах тестирования моторики 8 астронавтов (7 человек — МКС и 1 — шаттл).

Значительная корреляция была выявлена в тестах на восстановление положения тела после падения и на сохранение неподвижного положения. Это говорит о том, что подопытные с более значительным увеличением %∆VV ввиду космических полетов испытывали трудности с постуральным контролем.

Связь между структурными изменениями мозга и когнитивными функциями

Все испытуемые до проведения исследования проходили стандартное для всех астронавтов тестирование WinSCAT (Windows Spaceflight Neuro-Cognitive Assessment Tool), оценивающее нейрокогнитивные функции.

Скриншот ранней версии программы WinSCAT (найден тут ^[2]).

Данная программа состоит из различных вопросов и задач (логика, математика и т.д.).

Однако результаты WinSCAT не показывают никакой корреляции с продолжительностью полета. Потому, как заявляют ученые, эту программу нельзя учитывать в данном исследовании.

Таблица №4: статистика тестов WinSCAT астронавтов до и после полетов на МКС.

После полета астронавты продемонстрировали значительное снижение точности выполнения тестов на CDS (закодированные последовательности) и тестов на обучение. Однако при этом было замечено улучшение скорости выполнения теста CDS и теста на сохранение внимания.

Далее ученые решили проверить объем мозга ^[1] и когнитивные функции, а также связь между ними. Во время данного исследования было установлено 3 участка белого вещества, которые связаны с изменением времени реакции на CPT (когнитивные задачи).

Изображение №4: локальная деформация паренхимы головного мозга ^[1], связанная с успешностью выполнения теста непрерывной производительности.

Снимки мозга ^[1] астронавтов после полета, у которых время реакции на тест подверглось минимальному сокращению, показали наличие структурных изменений трех областей белого вещества, а именно изменение объема.

Объем желудочков, как и в случае с тестом на расшифровку закодированных последовательностей, также обладал негативной корреляцией с успешностью тестов непрерывной производительности. Астронавты, чьи желудочки увеличились в объеме после полета, демонстрировали снижение точности и скорости выполнения тестов.

Из 12 астронавтов, ранее пребывавших на МКС длительное время, было четверо, у которых были признаки SANS: у троих были хориоидальные складки на сетчатке, а у четвертого посредством люмбальной пункции было выявлено повышенное внутричерепное давление и отек диска зрительного нерва.

Любопытно, что у четверки астронавтов с SANS изменения объема желудочков мозга ^[1] было значительно меньше, чем у восьмерых без SANS: 12,8% против 6,5%. Однако ученые не готовы считать эти наблюдения на сто процентов верными и репрезентативными по отношению ко всем астронавтам, испытавших длительные космические полеты, так как число испытуемых в исследовании слишком мало. Но в дальнейшем это необычное наблюдение получит более детальное изучение.

Если собрать воедино результаты всех тестов и МРТ, то вырисовывается определенная картина связи между космическими полетами и структурными изменениями мозга ^[1].

Во-первых, это временная корреляция — изменения в мозге ^[1] становятся более выраженными с увеличением времени пребывания в космосе. Во-вторых, возрастная — влияние длительных космических путешествий более выражено у молодых астронавтов. В-третьих, когнитивная — все найденные изменения в мозге ^[1] так или иначе влияли на когнитивные функции астронавтов, качество реализации которых снижалось после полетов.

В исследовании принимали участие 19 астронавтов: 6 мужчин и 1 женщина (средний возраст 46.7 ± 2.1 лет), которые летали на шаттле (14.7 ± 1.6 дней), а также 10 мужчин и 2 женщины (средний возраст 47.5 ± 4.8 лет), которые пребывали на МКС (162.7 ± 21.8 дней). С одной стороны, такого числа испытуемых может быть недостаточно для описания всех аспектов влияния космоса на изменения в мозге ^[1] человека, но этого вполне достаточно, чтобы однозначно утверждать, что подобного рода изменения есть. Следовательно, их необходимо учитывать при планировании длительных космических перелетов и возможной колонизации Марса.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых ^[3] и дополнительные материалы ^[4] к нему.

Эпилог

В данном труде было установлено, что пребывание в космосе имеет непосредственное влияние на изменения в структуре мозга ^[1] человека и, как следствие, на его когнитивные функции. Подобное утверждение можно было высказать и без проведения исследования, однако необходимо было установить какие именно изменения имеют место быть и как именно они влияют на астронавтов после длительных полетов.

Тесты моторики и мыслительных процессов показали снижение скорости и точности их выполнения, а МРТ дало возможность определить какие именно участки мозга ^[1] были затронуты и являются источником подобных изменений когнитивных функций.

Стоит также учесть, что участниками исследования были тренированные астронавты, которые перед полетами проводят уйму времени в подготовке, затрагивающей не только их физическое, но и ментальное состояние. Если профессионалы были затронуты отрицательной корреляцией между космосом и когнитивными функциями, то что можно говорить о простых обывателях.

Именно в этом и заключается важность данного исследования. Раз уж рвение человека исследовать космос и колонизировать планеты нельзя унять, то необходимо быть максимально готовым к столь опасному и непредсказуемому занятию.

Авторы рассмотренного нами исследования считают, что необходимо уделить приоритетное внимание именно мозгу ^[1] человека, если мы хотим успешно бороздить просторы галактики. Прежде всего, по их мнению, нужно сосредоточиться на изучении адаптации мозга ^[1] к космосу и разрабатывать новые методики, которые могут этот процесс усовершенствовать и ускорить.

Космические путешествия — дело непростое и требует учета всех деталей, всех возможных вариантов развития событий, всех проблем и всех путей решения. Это должно касаться не только технической составляющей, ибо в центре всех этих шаттлов, ракет, спутников, планетоходов и прочего удивительного оборудования всегда будет человек — существо со своими преимуществами и недостатками.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99 ^[5], 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? ^[6] (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 ^[7] в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки? ^[8]

Автор: Dmytro_Kikot

Источник ^[9]