Что происходит с мозгом астронавта?

Космическая индустрия вовсю развивается и диктует необходимость изучать воздействия окружающей среды на организм космонавтов. Делают это в модельных экспериментах, благо микрогравитацию имитировать учёные уже научились. Больше всего нас интересует, конечно же, мозг. Например, в работе немецких учёных, опубликованной в PLoS One, выяснены морфологические и физиологические изменения в зрелых нейронах и нейронных сетях под действием симулированной микрогравитации различной продолжительности.

 

Источник: public domain


Основных факторов, оказывающих влияние на организм человека в космосе, два: радиация и отсутствие гравитации. Каждый из них уже исследован в серии экспериментов.

Необходимость же этой работы возникла из-за того, что у космонавтов наблюдались зрительные нарушения, тошнота, нервно-мышечная слабость и головные боли. Причины таких нарушений пока неизвестны, но они могли сохраняться в течение длительного времени.

Без гравитации

В этом эксперименте культура мышиных нейронов сначала выращивалась в течение 10 дней до состояния плотной сети, а затем помещалась в устройство, имитирующее микрогравитацию, на разное время: краткосрочное позиционирование (1 час), среднее (24 часа) и долгосрочное (10 дней). После этого оценивались уровень плотности сети, морфология клеток, их подвижность и состояние цитоскелета.

Реакции нейронов оказались разнообразными: у длительно экспонированных нейронов выявлена более глубокая адаптация. В общем-то сохранив функциональные особенности, им пришлось снизить как площадь сети в целом, так и отдельно взятых нейронов (на 24 процента), в то время как у нейронов, подвергавшихся микрогравитации в течение 24 часов, уменьшилась площадь каждой отдельной клетки на 14 процентов. А вот длина нейрона страдала только при кратко- и среднепродолжительном эксперименте, в группе длительной экспозиции такого выявлено не было.

По-видимому, это свидетельствует о том, что сначала нейроны испытывают довольно тяжёлые в функциональном плане перестройки, но затем адаптируются к ним, сохраняя большую часть функциональных особенностей и связей. Ведь то же самое касалось и плотности сети – при короткой и среднепродолжительной гравитации её плотность уменьшалась, а при долгосрочной уже наблюдалось адаптивное увеличение плотности. Плотность этой сети была выше, чем у подверженных непродолжительной микрогравитации клеток, но ниже изначального уровня.

Нижний ряд – клетки, подвергшиеся симуляции микрогравитации, верхний ряд – контроль. Источник: Mohammed Abderrafi Benotmane


Несмотря на то, что нейрональные изменения ярче всего выражались в группах с малым временем экспозиции, более адаптированным «долгим» нейронам требовалось и больше времени для возвращения в исходное состояние после окончания эксперимента —  «возвращения на Землю»

С «щепоткой» радиации

В другом эксперименте смоделировали уже оба фактора – к микрогравитации добавилась хроническая радиация. Исследование также опубликовано в PLoS One, на этот раз совместными усилиями исследователей из Бельгии и Италии.

Культуру зрелых мышиных нейронов подвергали воздействию микрогравитации после хронического облучения Калифорнием-252 или острого рентгеновскими лучами. Острое облучение низкими дозами (0,1 Гр) вызывало задержку роста отростков клеток и уменьшение размера тела нейрона, при том, что нейроны – одни из наиболее радиорезистентных клеток в организме.

Что интересно, острое облучение высокой дозой повышало выживаемость нейрона. Воздействие микрогравитации же вызывало эффект суммации – наиболее яркий результат фиксировался у клеток, подвергшихся действию обоих факторов. Одного удаления нейронов из моделируемой микрогравитации в течение 24 часов не хватало для восстановления длины отростков, тогда как размер тела продемонстрировал чёткую повторную адаптацию к нормальным земным условиям.

Геномный анализ экспрессии генов подтвердил изменение в тех генах, которые участвовали в расширении отростков, выживании клеток и синаптической коммуникации. Предполагается, что все эти изменения могут нести ответственность за наблюдаемые морфологические эффекты. В целом они могут помочь лучше оценить риски для здоровья космонавта.

На уровне целого мозга

Напоследок поговорим о макро-изменениях в мозге астронавтов, которые выявлялись с помощью фМРТ. Результаты учёные опубликовали в New England Journal of Medicine.

С помощью этого метода сравнили 16 томограмм астронавтов, которые пробыли в космосе недолго, и 18 тех, кто провёл там продолжительное время. Вяснилось, что у 17 из 18 астронавтов, которые пробыли в космосе длительное время (в среднем 164 дня), сужалась передняя центральная извилина – область коры, отвечающая за стереотипные движения периферических мышц (лица, тела и конечностей). У тех, кто провёл в полёте мало времени (в среднем 13 дней), такие изменения выявлялись в 3 случаях из 16.

Из тех, кто пребывал в долгосрочном полёте, у троих также обнаруживался отёк зрительного диска. Вероятно, именно в связи с этим и наблюдалось ухудшение зрения космонавтов после полётов. Также отмалось уменьшение пространства между мозгом, его оболочками и черепом.

Собранные вместе, эти наблюдения отражают тот факт, что из-за отсутствия гравитации происходит перераспределение спинно-мозговой жидкости: попросту говоря, мозг космонавтов отекает из-за увеличенного притока СМЖ «наверх». К чему это может привести в долгосрочной перспективе и при более длительных полётах, покажут дальнейшие исследования.


Текст: Дарья Тюльганова

Morphological and Physiological Changes in Mature In Vitro Neuronal Networks towards Exposure to Short-, Middle- or Long-Term Simulated Microgravity by Giuseppe Pani, Nada Samari, Roel Quintens, Louis de Saint-Georges, MariAntonia Meloni, Sarah Baatout, Patrick Van Oostveldt, Mohammed Abderrafi Benotmane in PLoS One. Published September 2013

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0073857

Combined Exposure to Simulated Microgravity and Acute or Chronic Radiation Reduces Neuronal Network Integrity and Survival by Giuseppe Pani, Mieke Verslegers, Roel Quintens, Nada Samari, Louis de Saint-Georges, Patrick van Oostveldt, Sarah Baatout, Mohammed Abderrafi Benotmane in PLoS One. Published May 2016

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0155260

Effects of Spaceflight on Astronaut Brain Structure as Indicated on MRI by Donna R. Roberts, M.D., Moritz H. Albrecht, M.D., Heather R. Collins, Ph.D., Davud Asemani, Ph.D., A. Rano Chatterjee, M.D., M. Vittoria Spampinato, M.D., Xun Zhu, Ph.D., Marc I. Chimowitz, M.B., Ch.B., and Michael U. Antonucci, M.D. Published N Engl J Med 2017; 377:1746-1753 November 2017

DOI: 10.1056/NEJMoa1705129

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтакте и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.