Effekten av tyngdlöshet och hypergravity på både hemodynamiska och elektrofysiologiska processer i hjärnan kommer att följas under parabelflygning av EEG och NIRS tekniker. En förstudie av en mer komplex experiment, vilket är planerat att genomföra under medellång och lång sikt rymdfärder.
Tidigare studier av kognitiva, psykiska och / eller motoriska processer under kort, medellång och lång sikt tyngdlöshet har bara beskrivande karaktär, och fokuserat på psykologiska aspekter. Hittills har objektiva observation av neurofysiologisk parametrar inte utförts – utan tvekan eftersom de tekniska och metodologiska medel inte har varit tillgängliga -, undersökningar av neurofysiologiska effekterna av tyngdlöshet är i sin linda (Schneider et al 2008.).
Medan avbildningstekniker som positronemissionstomografi (PET) och magnetisk resonanstomografi (MRT) skulle knappast tillämpas i rymden, representerar den icke-invasiva nära infraröd spektroskopi (NIRS) teknik en metod för kartläggning hemodynamiska processer i hjärnan i realtid som är både relativt billigt och som kan användas även under extrema förhållanden. I kombination med elektroencefalografi (EEG) öppnar för möjligheten att följa electrocortical processer under föränderliga gravitation förhållanden med ett finare tidsupplösning samt med djupare lokalisering, t.ex. med electrotomography (Loreta).
Tidigare studier visade en ökning av beta frekvens aktivitet under normala gravitation förhållanden och en nedgång i tyngdlöshet förhållanden under en parabolisk flygning (Schneider et al. 2008a + b). Tilt studier visat på olika förändringar i hjärnans funktion, som låter antyda, att förändringar i parabelflygning kan spegla emotionella processer snarare än hemodynamiska förändringar. Det är dock fortfarande oklart om dessa effekter av ändrade gravitation eller hemodynamiska förändringar i hjärnan. Kombinera EEG / Loreta och NIRS ska för första gången gör det möjligt att kartlägga effekten av tyngdlöshet och minskad vikt på både hemodynamiska och elektrofysiologiska processer i hjärnan. Inledningsvis ska detta göras som en del av en förstudie under en parabolisk flygning. Efteråt är det också planerat att använda både teknikerna under medellång och lång sikt rymdfärder.
Det kan antas att den långsiktiga omfördelning av blodvolymen och tillhörande ökning av syretillförseln till hjärnan leder till förändringar i centrala nervsystemet som även ansvarar för anemiska processer, och som i sin tur kan minska prestanda (de Santo et al. 2005), vilket innebär att de kan vara avgörande för framgången och säkerhet av ett uppdrag (Genik et al. 2005, Ellis 2000).
Beroende på dessa resultat, blir det nödvändigt att utveckla och använda omfattande motåtgärder. De första resultaten för MARS500 studie tyder på att, förutom att deras betydelse i samband med hjärt-och rörelseorganen system, idrott och fysisk aktivitet kan spela en roll i att förbättra neurokognitiva parametrar. Innan detta kan vara helt etablerad, dock verkar det nödvändigt att lära sig mer om påverkan av förändrade gravitationen villkoren på neurofysiologiska processer och tillhörande neurokognitiva nedskrivningar.
På grund av saknade brain-imaging metoder under extrema förhållanden så långt det underliggande neurofysiologiska processer för nedskrivning kognitiv förmåga och mentala tillstånd inte har utvärderats. I denna skrift har vi kunnat visa förändringar i hjärnan kortikal aktivitet och syresättning nivå under loppet av en parabolisk flygning och för att lokalisera dessa förändringar i hjärnan med hjälp av EEG kombination med Loreta och NIRS. Som väntat fann vi en ökning i electrocortical aktivitet under tyngdlöshet, som var lokaliserade i frontala områden i hjärnan (Brodmann områden 9 6). Resultaten tyder på att ungefär 2000 ms efter övergången hjärnans kortikala aktiviteten är förändrad främst i främre hjärnan. Det kan antas att denna ökade aktivitet i Brodmann område 6 och 9 speglar de mekanismer i hjärnan upptäcka och behandla förändrade gravitationen förutsättningar för att hålla kroppen stabilitet samt motorisk förmåga i annan gravitation förhållanden.
När det gäller hemodynamiska förändringar, visade NIRS att O2Hb av fronten hjärnan dramatiskt minskar i den första hypergravity fas och ökar i tyngdlöshet, medan HHB visade endast måttliga förändringar. Därför denna effekt inte kan hänföras till en förskjutning av blodvolym ensam. Mer sannolikt detta verkar spegla en sorts cerebral autoreglering, särskilt som ökningen av O2Hb sker långt innan övergången från 1,8 G till 0G (särskilt i figur 4). I motsats O2Hb och HHB både minska i den andra hypergravity fasen.
Resultaten av den kognitiva uppgiften visar ingen tydlig försämring under normal gravitation eller tyngdlöshet Inflight jämfört med en preflight-session. Baserat på resultaten från två individer har ingen tydlig förklaring är möjligt om huruvida parabelflygningar eller tyngdlöshet tillsammans med ökad hjärnaktivitet och syresättning nivå har ett inflytande på kognitiva prestationer. Tidigare studier ger anledning att tro att i detta sammanhang betonar också kan spela en roll (Schneider et al. 2007), kunde ändå inga förändringar i kortisol koncentrationen erhållas för båda ämnena. Ytterligare data behövs för att validera dessa fynd och för att möjliggöra korrelation av förändringar i hjärnans kortikala aktivitet, hemodynamiska förändringar samt kognitiva prestationer.
Denna uppsats syftar till att visa att övervakning av lokala förändringar i hjärnan kortikal aktivitet och syresättning nivå under olika faser av ändrad gravitationen är möjligt med hjälp av EEG i kombination med NIRS och Loreta. Dessa resultat är en framgång för rymdforskning och möjliggör visning av komplexa och lokala förändringar i hjärnans kortikala aktiviteten i hypergravity eller tyngdlöshet och korrelera psykiska eller motoriska tester med objektiva förändringar i hjärnan. Nästa steg är att tillämpa denna metod vid långvarig rymduppdrag.
The authors have nothing to disclose.
Vi vill tacka Brain Products GmbH för att ge sin utrustning, kompetens och hjälp. Denna studie har finansierats av det federala ministeriet för ekonomi och teknik genom ett bidrag från den tyska rymdstyrelsen (DLR) 50WB0819.