«Изменения происходят, но они обратимые»: как невесомость влияет на мозг космонавтов

Мозг космонавта смещается немного вверх и назад

— Длительное пребывание в космических условиях оказывает значительное влияние на организм человека. Меняется ли работа мозга в невесомости? Как он адаптируется к ней?

— Изучение работы мозга в невесомости — методически очень сложный вопрос. Конечно, с самого начала полетов человека в космос проводили исследования и рабочей памяти, и когнитивных способностей, однако они не выявили никаких драматических изменений. Прямым подтверждением этому служит огромный набор задач, решаемых космонавтами в полете. Трудно даже представить себе, какой объем информации они должны помнить и продолжать запоминать ежедневно, какое количество рабочих операций должны выполнять точно и своевременно.

При этом только относительно недавно стали возможными исследования изменений в головном мозге. В основном, конечно, эти исследования проводятся только до полета и после его завершения. Так, появление магнитно-резонансной томографии (МРТ) дало возможность детально изучить, что происходит со структурами мозга и функциональными связями между разными его областями и отделами.

Нужно отметить, что любые исследования с участием космонавтов — это очень долгое мероприятие. Для того чтобы подтвердить какую-то гипотезу или показать какие-то изменения, нужно получить данные не от одного человека, а от группы — чем она больше, тем больше доверия к полученным результатам. Поэтому, например, мы начали эксперимент с исследованием влияния космического полета на мозг человека в 2013 году, а первые групповые данные получили только через 6-7 лет.

— Какие результаты удалось получить за это время?

— Во-первых, были выявлены структурные изменения. В основном они связаны с перераспределением жидкости в теле человека в условиях невесомости. Известно, что в земных условиях все жидкости организма (конечно, в основном речь о крови) под действием силы тяжести стремятся вниз, а вверх — к мозгу, кровь направляется с помощью работы сердца, мышц вокруг сосудов и специальных венозных клапанов. Теперь представим, что сила тяжести перестает действовать. Что случается с кровью? Вверх она поступает по-прежнему, а вот вниз — только за счет работы сердца. Поэтому практически сразу происходит перераспределение жидкостных сред в сторону головы. Это же касается и спинномозговой жидкости.

Также с помощью МРТ было показано, что мозг смещается немного вверх и назад, и таким образом спинномозговая жидкость между мозгом и верхней частью черепной коробки вытесняется, но в то же время она поступает к голове от спинного мозга. Поскольку черепная коробка твердая и не может расширяться даже под давлением жидкости, избыток этой жидкости поступает в желудочки мозга, которые, в свою очередь, увеличиваются в объеме и несколько сжимают окружающие их структуры — серое и белое вещество.

Это никоим образом не говорит о том, что серого вещества становится меньше, просто происходит его уплотнение.

— Удалось ли в ходе экспериментов выявить какие-либо изменения в когнитивных способностях или нейронных связях космонавтов при выполнении задач на орбите?

— Кроме объяснимых с точки зрения физики структурных изменений происходят и изменения в организации нервных связей. Известно, что даже в спокойном состоянии в мозге идут очень активные процессы передачи сигналов, при этом для каких-то конкретных случаев (например, планирование и осуществление движения рукой, рассматривание какого-нибудь объекта и т.д.) активизируются связи между определенными областями.

Если выполняемая деятельность связана с поддержанием равновесия и ориентацией в пространстве, обязательно в эту сеть включаются вестибулярные ядра, зрительная кора, сенсомоторная кора, мозжечок. При этом каждый информационный «вход» — вестибулярный, зрительный, проприоцептивный, слуховой — вносит свой вклад в земных условиях. Так, при построении движений мозг «слушает» вестибулярный аппарат, так как нужно сначала определить, в каком положении находится голова относительно вектора силы тяжести, а дальше — «слушает» проприоцепцию (рецепторы внутри мышц и суставов), чтобы понять, в каком положении находятся разные сегменты тела. Только после определения себя в пространстве можно грамотно и безопасно построить движение.

Анализ связей (коннективности) мозга после полета показал, что они существенно изменяются. Следующей нашей задачей является поиск ответа на вопрос, насколько это изменение связано с изменениями в позной устойчивости, координации ходьбы и других характеристик функциональной работоспособности. Именно в этом направлении мы продолжаем наши исследования.

— Могут ли возникнуть проблемы с памятью или мышлением у космонавтов после длительного пребывания в космосе?

— Проблемы с памятью и мышлением у космонавтов возникнуть могут, но нет прямых свидетельств тому, что это связано именно с космическим полетом. Скорее это может быть связано с возрастным фактором — все мы с возрастом отмечаем ухудшение памяти и других когнитивных функций.

Большинство выявленных после космического полета изменений в мозге со временем исчезают

— Какие меры предпринимаются для поддержания когнитивных функций у космонавтов во время полетов?

— Лучший способ — это постоянная работа мозга. Сформировавшиеся нервные связи нужно периодически активировать. Так, если вы когда-то выучили стих, вы его скорее всего забудете, если не будете периодически повторять. Самое главное — задействовать не только процессы «поглощения» информации, но и ее анализа, а также синтеза чего-то нового. Космонавты ежедневно решают много сложных операторских задач, которые не просто нужно механически одинаково выполнять, но и задействовать при их решении память, а также возможности анализа и синтеза.

— Какие долгосрочные последствия для мозга могут возникнуть у космонавтов после возвращения на Землю?

— ИМБП РАН проводит эксперименты с «сухой» иммерсией, имитируя таким образом воздействие невесомости на человека. Как происходит моделирование? Каких результатов удалось добиться благодаря ему?

— Модель «сухой» иммерсии была создана в ИМБП в 1970-х годах и с тех пор активно применяется для воспроизведения одного из основных факторов космического полета — безопорности. Модель представляет собой большую ванну, наполненную теплой водой и покрытую специальной водонепроницаемой пленкой, площадь которой в несколько раз превосходит площадь зеркала воды.

Это позволяет при погружении человека в такую ванну создавать эффект устранения опоры — человек «взвешен» в толще воды и ни на что не опирается. Температура воды комфортная — в среднем 33 градуса, отсутствие контакта с водой (благодаря пленке) предотвращает мацерацию кожи, поэтому человек может находиться в таких условиях не только несколько часов, но и несколько дней или даже недель. Самый длинный эксперимент в условиях «сухой» иммерсии длился 56 суток и был проведен в 1970-х годах. Он подтвердил безопасность модели даже при таком длительном применении.

Наши эксперименты показали, что даже непродолжительное пребывание в таком состоянии безопорности сопровождается развитием тех же негативных изменений в разных системах организма, как и после коротких космических полетов. При этом для разных систем длительность воздействия до получения эффектов разная. Например, практически сразу, в течение нескольких часов, наблюдается снижение мышечного тонуса, изменения в системе спинальных рефлексов. Однако для того, чтобы увидеть изменения в костной системе, потребуется несколько недель воздействия.

Стимуляторы мышечной активности в космосе и на Земле

— Как полученные результаты исследований могут пригодиться на Земле? Могут ли они быть использованы для лечения определенных заболеваний?

— «Сухое» иммерсионное воздействие нашло применение в земной медицине и очень активно используется. Конечно, в клинике не используют длительное воздействие, но это и не нужно. Длинные иммерсии мы используем для того, чтобы получить именно негативные эффекты.

Такие быстрые эффекты как снижение мышечного тонуса и усиление работы почек можно прекрасно использовать для снятия мышечной спастики — например, у пациентов с детским церебральным параличом перед проведением сеансов лечебной физкультуры, либо для снятия отеков без применения фармакологических средств — у новорожденных или пациентов, которым противопоказано применение диуретиков. Также сейчас ведутся активные исследования применения курса коротких иммерсий у пациентов с болезнью Паркинсона.

— В одной из недавних научных работ вы изучали возможности по предотвращению риска развития у космонавтов гиперрефлексии — состояния частых мышечных рефлексов. Насколько эффективны существующие средства профилактики, такие как низкочастотная электромиостимуляция или нагрузочный костюм «Пингвин»?

— Модель «сухой» иммерсии хороша еще и тем, что прямо в ней можно испытывать так называемые «пассивные» средства профилактики, которые не требуют активных движений и физических упражнений. К таким средствам как раз и относятся электромиостимуляция, костюм аксиального нагружения, механическая стимуляция опорных зон стоп и другие.

Проведенные эксперименты показали, что различные средства не одинаково хороши для предотвращения негативных эффектов опорной разгрузки. Например, применение костюма аксиального нагружения лучше предотвращает изменение роста, развитие болей в спине и изменения в мышцах спины и бедра. Электромиостимуляция и стимуляция опорных зон стоп лучше работает для постуральных мышц голени, предотвращая развитие их атонии и атрофии, а также развитие гиперрефлексии спинальных рефлексов.

— Вы участвуете в разработке портативного прибора для высоко- и низкочастотной электрической стимуляции скелетной мускулатуры. В чем особенность этой технологии и для чего она нужна? На каком этапе находится разработка сейчас?

— Разрабатываемый нами прибор основан на двух типах электромиостимуляторов, используемых космонавтами на борту Международной космической станции. Эти стимуляторы были специально созданы для нужд космической медицины. Каждый из приборов имеет свое предназначение: тренировка силовых свойств мышц или тренировка выносливости.

Для тренировки силовых свойств мышц используется режим, который изначально пришел из спортивной физиологии — так называемые «токи Коца» или «русские токи». Для тренировки выносливости, направленной большей частью на постуральные мышцы, используются режимы, разработанные в ходе сотрудничества с австрийскими учеными, изначально созданные для «переучивания» мышц с быстрых на медленные при пересадке мышечных тканей в пластической хирургии.

В новом стимуляторе, который мы создаем, эти режимы будут совмещены. Пока что в мире не существует аналогичных приборов с такими характеристиками. Отдельно режимы мы испытывали в клинике: в исследовании участвовали пациенты с хронической сердечной недостаточностью и неврологические пациенты преклонного возраста. Совмещенный режим пока что испытать в клинике возможности не было, так как медучреждения могут работать только с приборами, имеющими регистрацию.

В настоящее время разработан действующий макет электромиостимулятора, готовится опытный образец и в следующем году мы уже выйдем на стадию серийного образца, после чего начнутся клинические исследования. Мы ожидаем, что применение разработанного нами протокола электромиостимуляции найдет применение как у пациентов, не имеющих возможности активно заниматься физкультурой, так и у людей, находящихся в условиях снижения двигательной активности — пожилых людей, офисных работников и других.

— В ближайшие десятилетия человек собирается отправиться на Луну, Марс и другие небесные тела. Как подготовить организм к предстоящим полетам? Какие исследования проводятся сейчас в этой области?

— Несмотря на то, что опыт пилотируемых полетов в космос у человечества уже насчитывает десятилетия, и мы научились поддерживать здоровье и работоспособность человека в условиях нахождения в невесомости в течение и шести месяцев, и даже года, для межпланетных полетов есть еще много нерешенных вопросов. Это и вопрос радиации, воздействия гипомагнитной среды, и проблема повышенной автономности — отсутствия возможности в течение нескольких часов или суток вернуть экипаж на Землю, а также задержки связи — ответа с Земли придется ждать довольно долго.

Сейчас все эти вопросы активно исследуются, в большой мере в нашем Институте. Готовятся новые эксперименты и в космосе — в том числе, ряд новых исследований, посвященных подготовке к межпланетным полетам, будет проведен на Российской орбитальной станции.