Що відбувається з мозком людини в космосі

Космос змінює мозок астронавтів - і це може стати серйозною проблемою для місій за межі Місяця.

Після приблизно чотирьох мільярдів років еволюції на Землі людина чудово пристосувалася до життя в умовах звичайної земної гравітації.

Тож не дивно, що на початку космічної ери існували серйозні побоювання щодо того, що станеться з людиною, коли вона вперше залишить Землю й опиниться в невагомості. Чи не згорнеться кров? Чи не почнуть руйнуватися кістки? Чи не "вибухне" мозок у невагомості?

Наприкінці 1950-х років серія польотів із мишами, павуками, а згодом і собаками довела, що тварини можуть виживати в космосі. А коли настала черга людей, з'ясувалося, що ми здатні там не лише виживати, а й успішно працювати.

"Відбувається адаптація, яка багато в чому нагадує справжнє перетворення", - розповідав мені у 2019 році астронавт Європейського космічного агентства Лука Пармітано під час підготовки до своєї другої тривалої місії на Міжнародну космічну станцію (МКС).

"Через кілька тижнів ваше тіло вже не таке, як було на Землі. Ви бачите й відчуваєте, як воно змінюється: ноги стають худішими, а обличчя - круглішим".

Пармітано - колишній льотчик-випробувач ВПС Італії, та нещодавно його обрали одним із чотирьох членів екіпажу місії "Артеміда III".

Запуск, запланований на 2027 рік, передбачає складний політ на навколоземній орбіті, під час якого випробують місячний посадковий модуль і скафандри для майбутнього повернення людей на Місяць.

Не дивно, що саме Пармітано обрали до цього екіпажу - коли спілкуєшся з ним, складається враження, що космічні польоти для нього є абсолютно природною справою.

"Одна з причин, чому людство таке успішне на Землі, - це наша здатність адаптуватися, - сказав він. - Але мене дійсно вразило, коли я побачив, як моє тіло в космосі змінилося протягом лише кількох тижнів. Я відчув, як сильно воно змінилося і як воно зручно пристосувалося до середовища, в якому я перебував".

Вплив космічних польотів на людське тіло - від м'язів і кісток до закладених пазух носа - добре вивчений за понад 70 років відтоді, як людство вперше вийшло на орбіту. Значно менше відомо про те, як невагомість впливає на наш мозок.

У космосі тілу більше не потрібно долати силу тяжіння під час кожного руху чи дії. Через це кістки, які підтримують вагу тіла, і м'язи, які ми використовуємо для підіймання, перенесення речей, ходьби та бігу, починають втрачати масу.

Уже через кілька днів у космосі кістки втрачають кальцій, а м'язи починають слабшати - це також стосується змін у роботі серця.

Причина, чому в астронавтів часто з'являються набряклі обличчя, полягає в тому, що рідини в організмі більше не утримуються силою тяжіння і накопичуються у верхній частині тіла.

Усе це не було б проблемою, якби астронавти залишалися в космосі назавжди.

Але якщо вони хочуть повернутися на Землю у хорошій фізичній формі, їм необхідно дотримуватися суворої програми тренувань. Зазвичай це означає близько двох годин занять щодня у спортзалі МКС.

Навіть за таких умов після шести місяців у космосі астронавтів часто виносять із корабля після повернення й кладуть на ноші. Для повного відновлення кісток може знадобитися до чотирьох років.

Однак значно менше зрозуміло, що саме відбувається з мозком астронавтів. І це може стати проблемою.

"Мозок, очевидно, є найважливішим із наших органів, - каже хірург Європейського космічного агентства Алессандро Альчібіаде. - Якщо ви не привезете в космос ефективний і працездатний мозок, усе інше буде марним".

Дослідження впливу космічних польотів на мозок досі були обмежені експериментами лише з кількома астронавтами під час тривалих місій.

Наприклад, астронавт Скотт Келлі провів рік на МКС, тоді як його брат-близнюк, астронавт Марк, залишався на Землі. Дослідження показало, що когнітивні здібності Скотта майже не змінилися під час місії порівняно з Марком, але погіршилися приблизно на шість місяців після повернення на Землю.

Тепер нове дослідження, опубліковане в журналі Frontiers in Psychology науковцями з Біркбекського коледжу Лондонського університету у Великій Британії та ексклюзивно представлене BBC, об'єднало результати 15 досліджень візуалізації мозку за участю близько 377 людей.

Серед них були як астронавти, так і добровольці, які брали участь у наземних симуляціях космічних польотів, наприклад у дослідженнях із тривалим постільним режимом.

Об'єднавши всі ці дані, команда з Біркбека вважає, що їй вдалося визначити зміни, які відбуваються в мозку під впливом мікрогравітації.

"Це прекрасний приклад нейропластичності - ми виявили, що в мозку відбуваються як структурні, так і функціональні зміни, - каже головна авторка дослідження, професорка когнітивної нейронауки Біркбекського коледжу Лондонського університету Еліза Раффаелла Ферре. - Ми визначили групу ділянок мозку, які зазнають змін, коли гравітації немає".

Отже, так само як тіло змінюється в космосі, дослідження показує, що мозок також фізично адаптується до відсутності гравітації, перебудовуючи себе під нове середовище.

"Ми бачимо зміни в ділянках мозку, які відповідають за рух, рівновагу та відчуття положення тіла, - каже Сільвія Сегецці, співавторка дослідження. - Ми також виявили зміни в оперкулумі - ділянці мозку, де з'єднуються різні сигнали й де вони можуть оброблятися одночасно за участю кількох органів чуття".

Це означає, що мозок еволюційно пристосований до сприйняття гравітації.

"Ми не відчуваємо гравітацію так, як відчуваємо зміну кольору, світла, температури чи звуків, - каже Ферре. - Але гравітація є постійною характеристикою середовища, яку наш мозок отримує та обробляє".

"Якщо хочете трохи зануритися в науку, можна сказати, що сила тяжіння - це перший сигнал, який отримує плід під час розвитку. Тобто наш мозок буквально формується на основі сприйняття гравітації", - пояснює вона.

Ферре наводить приклад із тим, як ми беремо чашку кави. Ми робимо це без жодних зусиль, тому що мозок автоматично враховує земну гравітацію і відповідно керує нашими м'язами.

На перший погляд, це хороша новина для астронавтів. Якби мозок не адаптувався в космосі, астронавти мали б безліч проблем - наприклад, постійно розливали б каву. Але складність полягає в тому, наскільки швидко відбувається ця перебудова мозку.

Хоча м'язи й кістки астронавтів підтримуються у формі завдяки щоденним тренуванням, мозок, який ними керує, може не встигати адаптуватися так само швидко.

"Подивіться на астронавтів програми "Аполлон", які ходили поверхнею Місяця. Відеозаписи показують, наскільки складно їм було утримувати правильну позу. Це було не лише через важкі скафандри - проблема була в тому, що їхня система рівноваги та пересування змінилася через відсутність земної гравітації", - каже Ферре.

"Це не означає, що мозок не може переналаштуватися, але для цього потрібні час і ресурси".

Протягом останніх 50 років після завершення програми "Аполлон" це не було великою проблемою. Астронавти потрапяють на МКС і спочатку трохи незграбні: врізаються в стіни, рухають предмети із надто великою силою, але згодом адаптуються.

Коли екіпаж повертається на Землю, їм допомагають вибратися з капсули, забезпечують медичний догляд і проводять реабілітацію для повернення до життя в умовах нормальної гравітації.

Але що станеться під час майбутніх тривалих місій на Місяць чи Марс, які планують NASA та Китай? Під час таких польотів астронавтам доведеться багато разів переходити між умовами гравітації та невагомості, і саме це може стати серйозним випробуванням для мозку.

Наприклад, під час місії на Марс після приблизно восьми місяців у космосі екіпаж настільки добре адаптується до мікрогравітації, що навіть вихід із корабля на поверхню Марса (де гравітація приблизно втричі слабша, ніж на Землі) може стати складним завданням.

Хоча їхні м'язи й кістки підтримуватимуться у формі завдяки щоденним тренуванням, мозок, який ними керує, може не встигати адаптуватися. Різка зміна гравітації може спричинити дезорієнтацію і бути небезпечною. Без можливості спілкуватися із Землею в реальному часі астронавтам потрібно буде зберігати ясність мислення під час посадки.

"Можна мати чудову ракету, але якщо ви не здатні нею керувати, якщо через ці зміни сенсорної та рухової системи ви не можете ухвалювати правильні рішення, можуть виникнути проблеми, - каже Ферре. - Ми повинні переконатися, що люди отримають необхідну підтримку, і, можливо, допомогти їм швидше адаптуватися".

Науково-фантастичне розв'язання цієї проблеми (наприклад, у фільмах "2001: Космічна одіссея" або "Марсіянин") зазвичай полягає у створенні космічного корабля із центрифугою або великим обертовим модулем для імітації гравітації.

"Це було б найкращим рішенням: воно допомогло б протидіяти втраті кісткової та м'язової маси й підтримувати адаптацію мозку, - погоджується Алессандро Альчібіаде з Європейського космічного агентства. - Чому ми цього не робимо? Тому що це дуже дорого: у космосі все залежить від маси, а маса означає гроші".

Ферре погоджується і розробляє нові методи використання невеликих електричних імпульсів для стимуляції ділянок мозку, які відповідають за сприйняття гравітації, сподіваючись покращити його здатність до адаптації.

Вона впевнена, що науковці знайдуть спосіб подолати наслідки змін гравітації, але наголошує на позитивному значенні перших результатів її дослідження - не лише для астронавтів, а й для всього людства.

"Космічні польоти - це величезний виклик, - каже вона. - Але вони також можуть стати дуже цінним вікном для розуміння роботи нашого мозку, адже ми ніколи не змогли б дослідити його так на Землі".