Что происходит с мозгом в условиях невесомости?

2 Декабря 2018, Илья Хель 34

Ни для кого не секрет, что NASA взвалило на себя непосильную задачу: отправить людей на Марс к 2030-м годам. Почему непосильную? Потому что достаточно понять, что обычная поездку туда займет от трех до шести месяцев, а экипажу придется пробыть на планете до двух лет прежде чем выравнивание планет позволит ему вернуться домой. Это означает, что астронавтам придется жить в условиях сниженной (микро) гравитации в течение трех лет как минимум — это значительно превышает текущий рекорд непрерывного пребывания в космосе, поставленного российским космонавтом Валерием Поляковам: 438 дней.

В первые дни космических путешествий ученые упорно трудились, чтобы выяснить, как преодолеть силу тяжести так, чтобы ракета могла словно из катапульты запуститься в космос и высадить людей на Луну. Сегодня гравитация также остается на повестке дня у науки, но на этот раз нас больше интересует, как пониженная гравитация влияет на здоровье космонавтов, особенно на их мозги. В конце концов, мы эволюционировали, чтобы существовать в земной гравитации (1 g), а не в невесомости космоса (0 g) или микрогравитации Марса (0,3 g).

«Мозг в чане»

Так как же мозг справляется с микрогравитацией? Если коротко, то очень плохо — впрочем, информация об этом ограничена. Мы знаем, что лица космонавтов краснеют и раздуваются в невесомости — это явление ласково называют «эффектом Чарли Брауна». Происходит это по большей части потому, что жидкость, состоящая в основном из крови (клеток и плазмы) и спинномозговой жидкости, смещается к голове, в результате чего лица становятся одутловатыми и округлыми, а ноги — тонкими.

Эти смещения жидкости также связаны с «космической болезнью» (по аналогии с морской), головными болями и тошнотой. Недавно их также связали с помутнением зрения из-за нарастания давления при увеличении кровотока; сам мозг как бы всплывает в верхнюю часть черепа, оказывая на него давление. Несмотря на то, что NASA считает нарушение зрения и смещение мозга главным риском для здоровья любого человека на Марсе, выяснить, что его вызывает, а также как его предотвратить, пока не получилось.


Профессор физиологии и биохимии Дэмиен Бейли из Университета Южного Уэльса считает, что определенные части мозга в итоге получают слишком много крови, потому что в кровотоке накапливается оксид азота — невидимая молекула, которая обычно там плавает. Артерии, снабжающие мозг кровью, расслабляются, поэтому раскрываются сильнее. В результате этого подъема кровотока гематоэнцефалический барьер — «амортизатор» мозга — становится перегружен. Вода медленно накапливается, мозг разбухает, давление увеличивается.

Представьте, будто река выходит из берегов. Самое главное во всем этом, что в отдельные части мозга поступает недостаточно кислорода. Это большая проблема, которая может объяснить и затуманенность зрения, а также и другие эффекты, которые проявляются на способностях космонавтов думать, концентрироваться, рассуждать и двигаться.

Поездка на «vomit comet»

Чтоб проверить идею, ученые должны реализовать ее на практике. Но вместо того, чтобы просить NASA поездки на Луну, они просто решили вырваться из пут земной гравитации, смоделировав невесомость на специальном самолете, который называется «vomit comet», «рвотная комета».

Поднимаясь в воздух, а затем опускаясь, этот самолет выполнять до 30 параболических фигур за один полет, чтобы имитировать ощущение невесомости. Свободное падение продолжается всего 30 секунд, но лицо успевает раздуться и за эти полминуты.

Надежно закрепив все оборудование, ученые провели измерения среди восьми добровольцев, каждый из который совершал один рейс каждый день в течение четырех дней. Они измеряли кровоток в разных артериях, поддерживающих мозг, используя портативный доплеровский ультразвук, который заставляет высокочастотные звуковые волны отскакивать от циркулирующих красных кровяных клеток. Также измеряли уровень оксида азота в образцах крови, взятых из вены предплечья, а также других невидимых молекул, включающих свободные радикалы и специфичные для мозга белки (которые отражают структурное повреждение мозга) — они могли бы рассказать, открывается ли гематоэнцефалический барьер насильно.

Первоначальные выводы подтвердили в точности то, что и ожидалось. Уровни оксидов азота увеличились после повторных «приступов» невесомости, и это совпало с увеличением кровотока, особенно в артериях, снабжающих заднюю часть мозга. Гематоэнцефалический барьер открылся, хотя никаких свидетельств структурного повреждения головного мозга не было.

Теперь ученые планируют продолжить эти исследования с более подробными оценками  изменений крови и жидкости в мозге, используя методы визуализации вроде магнитного резонанса, чтобы подтвердить результаты. Также они хотят рассмотреть возможность введения контрмер вроде резиновых брюк, которые создают отрицательное давление в нижней части тела и помогают «откачать» кровь из мозга астронавта — а также препаратов, противодействующих увеличению оксида азота. Результаты таких работ могут не только улучшить самочувствие астронавтов в космических путешествиях, но и предоставить ценную информацию о том, почему «гравитация» полезна для мозга.

Хотели бы оказаться в космосе? Расскажите в нашем чате в Телеграме.

34 комментария Оставить свой

  1. Aladdin

    Вижу два пути решения этой проблемы,даже три)
    Первое: создать искусственную гравитацию в межпланетном косм. корабле.
    Второе,послать к Марсу только подготовленных людей.вон йоги целый день могут стоять на голове и ничего,а ведь в этом случае приток всяких жидкостей к голове ещё сильнее чем в невесомости.
    Ну а третий - родить будущих тэйконавтов в прям невесомости,либо не дёргаться с Земли и посылать куда-то далеко ботов))

    • Malk

      Aladdin, Роботы могут стать идеальными исследователями космоса. Но увы пока они слишком примитивны.

  2. Pulsar541

    Корабль-центрифуга -- единственное решение проблемы. А силами Кориолиса можно пренебречь. Этот корабль должен оставаться на орбите Марса. А на самом Марсе космонавты должны ходить с утяжелителями на плечах - мешками с марсианскими камнями для компенсации недостаточной накрузки на суставы и кости.

    • Pulsar541

      Pulsar541, Проблема избытка жидкости в мозге тоже решается. Надо ходить в специальном охлаждающем голову шлеме. Артерии и вены в мозге станут узкими. А ботинки наоборот должны быть с подогревом .

      • vladgans

        Pulsar541, все проще - эластичный жгут на шею, чтобы много крови не приливало ;)

      • passerby

        Pulsar541, А еще можно дырочку просверлить.

    • amd212

      Pulsar541, Гравитация != инерция

      • passerby

        amd212, Знаменитый Шибэльбейн с вами не согласен.

  3. Jeff

    Пока мы не создадим себе робо-тела, делать нам в космосе нечего.

    • vladgans

      Jeff, Я думаю, скорее генная инженерия подправит тело под нужды жизни в космосе и на Марсе

      • Sergey1964

        vladgans, "скорее генная инженерия подправит тело под нужды жизни в космосе и на Марсе"

        Осталось только выяснить - зачем человечеству жить в Космосе и на Марсе? Да, есть поведенческая программа (причём не только у нас), которая толкает на заселение новых территорий. Однако эта программа не в курсе, что заселению территорий за пределами Земли категорически мешает наша биология.

        Да, теоретически можно создать версии человека, адаптированные к невесомости, версии, адаптированные к Марсу и так далее. Но это будет означать разделение вида H. sapiens на несколько разных биологических видов. Судя по палеонтологическим и историческим данным, у рода Homo в целом и у вида H. sapiens очень сильна ксенофобия. Так что есть серьёзные основания предполагать, что разделение H. sapiens на несколько разных видов закончится войной между этими видами. То есть потребуется ещё и генетическая коррекция поведенческих программ, чтобы убрать ксенофобию. Спрашивается - зачем все эти сложности?

        • vladgans

          Sergey1964, Да у нас и сейчас есть разделение. Довольно серьезное. Ну скажем так, вполне достаточное для ксенофобий точно.
          На вопрос зачем, я бы ответил так: наш вид стремится заполнить все возможное пространство. Если смотреть с той же антропологической точки зрения - наши далекие предки очень давно заселили крайний север, где скажем прямо жить не ахти как уютно. Тем более, когда у тебя шкуры, каменные топоры, да огонь с трудом разжигается. Хотя Земля на тот момент была далека от переполнения. И тем не менее HS двигались, пока не заселили всю Землю вперед во всех направлениях; До тех пор, пока это было принципиально возможно. Пересекать Берингов пролив (даже частично по суху) или достигать Австралии и прочих удаленных мест было весьма не просто при тех возможностях. И тем не менее. Мало того, ту же Америку заселяли две независимые группы. Одни шли по побережью, другие в середине материка. Это говорит о том, что это была не случайность. В итоге все это указывает на наше некоторое генетически врожденное стремление.
          Где-то так.

          • Sergey1964

            vladgans, "На вопрос зачем, я бы ответил так: наш вид стремится заполнить все возможное пространство."

            Я написал ровно тоже самое, цитирую. "Да, есть поведенческая программа (причём не только у нас), которая толкает на заселение новых территорий." И следующая самоцитата. "Однако эта программа не в курсе, что заселению территорий за пределами Земли категорически мешает наша биология."

            Понимаете? Ряд наших эволюционно приобретённых поведенческих программ уже давно конфликтуют с нашей же цивилизацией, поскольку затачивались отбором не под цивилизацию. А эта поведенческая программа вошла в конфликт с биологией, поскольку затачивалась под условия Земли, а не под внеземные условия.

        • cats.can.fly

          Sergey1964, "Осталось только выяснить - зачем человечеству жить в Космосе и на Марсе?"
          В основном из-за угрозы глобального леденящего душу песца.
          И песцов таких дофига, как внутренних так и внешних.
          Бомбанёт Еллоустоун - человечеству писец.
          Ядерная война - леденящий душу песец.
          Метеорит достаточного размера - полный песец.
          Квазар плюнет в нашу сторону релятивистской струей - сдует вместе с атмосферой.
          Бомбанёт рядом сверхновая - планетарный песец.
          Последние два - полнейший рандом, их дофига в округе, и в любой момент Земля может огрести.
          Наша экосистема чрезвычайно хрупкая, что то не так и подохнем всем человечеством. Вот и надо делать бэкапы.
          Еще одна причина - банальное любопытство и дух исследователя.
          Война между марсианами и землянами?
          Ага щас, до Марса лететь (беспилотник) пол года, а за это время с политиками произойти может всё что угодно. Успеют пять раз помириться и трижды пожалеть что запустили ракету.
          Колония на Марсе будет 100500 лет расти до того как сможет быть полностью независимой от Земли.
          Ну и все забывают про "эффект обзора", возможно жители Марса будут смотреть на карту Земли и искренне не понимать зачем она разделена границами).

          • Sergey1964

            cats.can.fly, "В основном из-за угрозы глобального леденящего душу песца."

            Если цивилизация способна создать самодостаточную (ключевое слово - самодостаточную) колонию на Марсе - то ей никакие из перечисленных Вами песцов не страшны по определению. Тем более, что извержение супервулкана, например, человечество успешно пережило ещё в то время, когда бегало в шкурах, тем более - переживёт сейчас. А против астероидной угрозы есть технические предложения, почти реализуемые даже на нынешнем уровне технологий.
            А если колония на Марсе не будет самодостаточной - то даже локальный песец на Земле приведёт к гибели колонии.

            "Еще одна причина - банальное любопытство и дух исследователя."

            Для удовлетворения этого любопытства совсем не надо жить в Космосе и создавать там колонии. Достаточно посещать вахтово-экспедиционным методом. Я знаю, о чём говорю, поскольку вдоволь поудовлетворял этот дух и и в процессе занятий спелеологией, и в процессе научных исследований, и в процессе научных исследований совмещённых со спелеологией. Да и практика покорения недоступных горных вершин и глубочайших пещер говорит, что покорять-то покоряют (удовлетворяя тот самый дух), но вот создавать колонии - желающих нет.

            "Колония на Марсе будет 100500 лет расти до того как сможет быть полностью независимой от Земли."

            То есть все эти 100500 лет человечество так и будет жить под угрозой упомянутых Вами леденящих душу песцов. Может, потратить эти 100500 лет на выкапывание песцеубежищ? На Земле выжить при любом из упомянутых Вами песцов всяко легче, чем на Марсе.

            "Наша экосистема чрезвычайно хрупкая, что то не так и подохнем всем человечеством."

            Наша экосистема чудовищно устойчивая. Ни мега-астероиды, ни супер-вулканы, ни даже глобальные ледниковые периоды она просто не замечает, все циклы продолжают функционировать в штатном режиме. Это я Вам сообщаю как доктор биологических наук, тесно связанный с работой по искусственным экосистемам и неплохо представляющий себе работу глобальных экосистем.

  4. evetrov

    то есть чувак из СССР, который 1,5 года прожил в полнейшей невесомости и не умер - это так себе показатель, а вот самолет с 30 секундными манёврами - основательная платформа для исследований

    на марсе всего в 2,5 раза меньше гравитация чем на земле. Можно отъедаться бургерами и весить как балерина :-)

    • passerby

      evetrov, Но балерина тебе все равно не даст :-)

  5. amd212

    Деградирует. Через десять лет невесомости гарантированная смерть :-(

    • vladgans

      amd212, Ну все же на Марсе 0.38 Земной гравитации.

      • amd212

        vladgans, Варишь суп? Вода не кипит? Странно - всё же у плиты температура 38 градусов.
        Хорошо - 15 лет :-)

        • vladgans

          amd212, Сравнение не корректное. Потому как вода кипит при 38 градусах на высоте примерно 18 км ( если я не ошибся в расчетах)
          Человек - не вода. Не только вода точнее. Тут надо биологам вопрос задавать. Но все же, на мой взгляд 30% от Земного это не вот прям "микрогравитация". Все таки наш организм имеет возможности адаптации, в каких-то переделах. Вопрос в каких. И по факту, я думаю, этого сами медики не знают. Не было долговременных экспериментов. Может 15, а может и 30.

          • amd212

            vladgans, Я просарказмировал "ну все же на Марсе 0.38 Земной гравитации". Попробовал гравитацию перевести в температуру. Что было бы если на Земле температура была треть от нормы - 100 градусов Кельвина?

            • vladgans

              amd212, ну не корректные сравнения же.

  6. romale

    Судя по Википедии, космонавту сейчас 76 лет. Полтора года в Космосе, значит на Марсе 2-3 года вполне реально

    • amd212

      romale, Марс приближается к Земле с периодичностью раз в 3 года. Полгода лететь туда, полгода обратно.
      Итого 4 года. Что-то пошло не так и "срок" марсозаключённому придётся продлить до 7-ми лет.
      Ради чего? Видика в "ютупе"? :-)

      • vladgans

        amd212, Ну а ради чего рисковали первые космонавты ? а ради чего рискуют альпинисты на Эвересте ? Мрут там сотнями и продолжают идти. И на Марс будет куча желающих, как только появится принципиальная возможность. даже с небольшими шансами выжить. Да даже с билетом в один конец наберется народ.

        • amd212

          vladgans, По сравнению с полётом на Марс, не так уж они и рисковали. Альпинисты вообще из другой категории людей - адреналиноголики.

          • Sergey1964

            amd212, "Альпинисты вообще из другой категории людей - адреналиноголики."

            Нет, у альпинистов гораздо более сложный комплекс мотиваций, чем банальное получение адреналина. Я сам немножко занимался и альпинизмом, и горным туризмом, и (существенно больше) спелеологией, так что знаю, о чём говорю.

        • Sergey1964

          vladgans, "а ради чего рискуют альпинисты на Эвересте ?"

          Альпинисты не заселяют Эверест. Постоял, огляделся, "Весь мир на ладони - ты счастлив и нем", и быстрее назад, к цивилизации. ))) Впрочем, насчёт "счастлив и нем" тоже не всё так просто. Лично я бывал в ситуациях (правда, отнюдь не на Эвересте - для таких восхождений у меня кишка тонка), когда на "счастлив и нем" банально нет ни физических, ни духовных сил.

          Повторю то, что уже писал. 1) Покорить труднодоступную и плохо совместимую с жизнью территорию, 2) проводить научные исследования на такой территории, 3) жить на такой территории - это три огромные разницы. При этом в 7-миллиардном человечестве находится масса народу, готовых осуществлять (1), некоторое количество народа, готовых осуществлять (2), и практически никого, готового на (3).

          Плотность населения на Аляске - 0,4 человека на км2. При этом условия на Аляске просто несопоставимо лучше, чем на Марсе - на Аляске можно гулять без скафандра (летом так даже купаться и загорать), на Аляске - привычная гравитация, из Аляски за несколько часов (от силы - за пару суток) можно добраться до центров цивилизации и/или слетать погреть пузо на тропическом пляже. Тем не менее, желающих жить на Аляске очень мало. В Сибири - та же картина, желающих очень мало. С чего бы ожидать наплыва желающих жить на Марсе?

          • vladgans

            Sergey1964, Ну я же не говорил о заселении Марса. Я думаю это дела весьма отдаленного будущего.

            Пока первичная цель и задача, как раз таки "Постоял, огляделся, "Весь мир на ладони - ты счастлив и нем", и быстрее назад, к цивилизации" - в доступных скоростях технологически, конечно.

            Следующая задача, это аналог полярных научных станций. и думаю даже эти две задачи ооочень сильно различаются по трудоемкости выполнения.

            И уже потом задача заселения.
            Так что никакого разногласия у нас с вами нету, мне кажется.

  7. romale

    А я ещё думал, почему всегда пришельцев рисуют с большой головой и маленьким телом - они адаптировались...

    • Pyth0n

      romale, А если очень долго находится в космосе, то тело совсем исчезает и остается одна голова. Супер адаптация вроде.

  8. triodpentod

    в любом случае это путешествие в один конец,
    поэтому проблемы мозга не имеют смысла

    • vladgans

      triodpentod, вопрос же, сколько они там продержаться.

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.