Проблема дальних космических миссий: что происходит с мозгом астронавтов и в чём главная опасность?

Космос оказывает влияние на мозг астронавтов – и это может стать серьёзной проблемой для более дальних миссий, чем полёты к Луне.

За четыре миллиарда лет эволюции человек хорошо приспособился к жизни в условиях земной гравитации. Представьте себе страхи на заре эры космических полётов и о чём думали участники первых миссий. Что произойдёт, когда мы впервые покинем Землю и окажемся в условиях невесомости? Загустеет ли наша кровь? Разрушатся ли наши кости? Взорвётся ли наш мозг в условиях микрогравитации?

Не пора ли отказаться от космонавтов на МКС? Да и вообще от людей в космосе?

К концу 1950-х серия космических полётов с живыми существами – мышами, пауками, а позже с собаками – доказала, что животные могут выживать в космосе. А когда дело дошло до людей, оказалось, что человек может не только выживать, но и меняться.

"Происходит адаптация, которая во многом ощущается как трансформация", – сказал в 2019 году астронавт Европейского космического агентства (ЕКА) Лука Пармитано во время подготовки к своей второй длительной миссии на Международной космической станции ​​(МКС). "Через несколько недель ваше тело меняется по сравнению с тем, каким оно было на Земле. Вы видите и чувствуете, как меняется ваше тело, ноги становятся тоньше, а лицо – круглым", – рассказывал астронавт.

Луку Пармитано, бывшего лётчика-испытателя ВВС Италии, недавно выбрали для пилотируемого полёта на Луну в рамках миссии "Артемида III". Он станет одним из четырёх членов экипажа "Артемиды III". Для Луки Пармитано это будет третья космическая миссия.

Лунная миссия, как планируется, стартует в 2027 году. В её ходе будет осуществлена проверка лунных посадочных модулей и скафандров для высадки на Луну. В том, что выбор пал на Пармитано, нет ничего удивительного: когда вы разговариваете с ним, создаётся впечатление, что космические полёты даются ему легко.

Астронавт Лука Пармитано говорит, что физические изменения, которые происходят за несколько недель в космосе, заметны и ощущаются / Фото NASA

"Одна из причин успеха человечества на Земле – наша способность адаптироваться. Но, наблюдая за физическими изменениями, происходящими за несколько недель [в космосе], я действительно был поражён, насколько иначе я себя чувствовал и насколько комфортнее моё новое тело вписывалось в новую окружающую среду", – признаётся астронавт.

Трудности, с которыми сталкивается человеческий организм во время космического полёта – от изменения мышц и костей до заложенности носа, – хорошо задокументированы за 65 лет с момента первого полёта человека в космос. Менее изучен вопрос влияния невесомости на наш мозг.

В космосе нашим телам не нужно преодолевать силу гравитации при каждом действии или движении. В результате кости, поддерживающие наш вес, и мышцы, которые мы используем для подъёма тяжестей, переноски грузов, ходьбы и бега, начинают атрофироваться. Всего за несколько дней в космосе кости теряют кальций, а мышцы начинают разрушаться, и изменения наблюдаются в том числе в работе сердца. Причина отёчности лица у астронавтов также заключается в том, что жидкость больше не удерживается гравитацией и скапливается в верхней части тела.

Всё это было бы нормально, если бы астронавты провели остаток своей жизни в космосе, но если они хотят вернуться на Землю в хорошей физической форме, им необходимо соблюдать строгий режим тренировок. Обычно для астронавтов это два часа в день в тренажёрном зале МКС, но даже после шести месяцев в космосе с ежедневными тренировками их всё равно буквально выносят из вернувшегося космического корабля и кладут на носилки. На полное восстановление костей может уйти до четырёх лет.

Астронавты Марк и Скотт Келли – близнецы. Они участвовали в исследовании, которое помогло понять, какие изменения происходят в мозге и теле человека во время пребывания в космосе и после возвращения на Землю / Фото NASA

Однако гораздо меньше известно о том, какие процессы происходят с мозгом астронавтов. И это может стать проблемой в будущем.

"Мозг, видимо, самый важный из наших органов, – говорит врач-астронавт Европейского космического агентства Алессандро Альчибиаде. – Если вы не возьмёте в космос эффективный мозг, работающий мозг, всё будет бесполезно".

Исследования влияния космических полётов на мозг ограничивались экспериментами лишь на нескольких астронавтах во время длительных миссий. Например, Скотт Келли провёл год на МКС, в то время как его брат-близнец астронавт Марк оставался на Земле. В результате исследования учёные обнаружили, что когнитивные способности Скотта в значительной степени не изменялись во время миссии по сравнению с Марком, но после приземления снизились – и восстанавливались на протяжении примерно шести месяцев.

Что заставляет астронавтов "глупеть" в космосе Что такое "космический запах" и почему пот – проблема. Как астронавты живут на МКС

Новое исследование, опубликованное в журнале Frontiers in Psychology учёными из лондонского университета Биркбек и предоставленное эксклюзивно Би-би-си, объединило результаты 15 исследований с использованием методов нейровизуализации, в которых приняли участие 377 человек. В их число вошли астронавты, а также добровольцы, участвовавшие в симуляциях космических полётов на Земле.

Команда исследователей из Биркбека считает, что им удалось выявить изменения, происходящие в мозге при воздействии микрогравитации.

"Это прекрасная нейропластичность – мы обнаружили как структурные, так и функциональные изменения в мозге", – говорит ведущий автор Элиза Раффаэлла Ферре, одна из ведущих исследователей в области когнитивной нейронауки университета Биркбек. "Мы выявили те области мозга, которые претерпевают изменения при отсутствии гравитации", – отмечает она.

Исследование показывает, что мозг, подобно тому как тело меняется в космосе, также физически адаптируется к отсутствию гравитации, перестраиваясь под новую среду.

"Мы видим изменения в тех частях мозга, которые контролируют движение, равновесие и осознание собственного тела", — говорит Сильвия Сегецци, соавтор исследования.

Это означает, что мозг эволюционировал, чтобы ощущать гравитацию.

"Мы не воспринимаем гравитацию так же, как изменения цвета, света, температуры, звуков, – говорит Ферре. – Но гравитация – это постоянная характеристика окружающей среды, которую наш мозг получает и обрабатывает".

"Если вы хотите немного углубиться в детали, вы можете представить гравитацию как первый сигнал, который получает развивающийся плод. Таким образом, наш мозг построен на обнаружении гравитации", – говорит она.

Ферре приводит пример с поднятием чашки кофе. Мы делаем это без усилий, объясняет она, потому что наш мозг автоматически компенсирует земную гравитацию и соответствующим образом управляет мышцами.

На первый взгляд, это хорошая новость для космонавтов. На самом деле, если бы человеческий мозг не адаптировался к условиям космоса, астронавты столкнулись бы со всевозможными трудностями, в том числе и с травмами, связанными с поднятием чашки кофе. Однако проблема заключается в том, насколько быстро происходит эта перестройка.

Хотя их мышцы и кости должны поддерживаться в форме ежедневными упражнениями, мозг, который ими управляет, может быть не готов к таким быстрым переменам.

"Посмотрите на астронавтов "Аполлона", ходящих по лунной поверхности. Кадры показывают, насколько плохо у них получается сохранять правильную осанку, и это не только потому, что скафандры очень тяжёлые, но и потому, что их равновесие и передвижение были нарушены из-за отсутствия земной гравитации", – говорит Ферре. "Это не говорит о том, что мозг не может перенастроиться, но это требует времени и ресурсов", – подчёркивает она.

За последние 50 лет, прошедших с момента окончания программы "Аполлон", больших проблем с адаптацией астронавтов в космосе не было. Астронавты прибывают на МКС и некоторое время немного неуклюжи, натыкаются на стены или слишком много сил прикладывают для перемещения предметов, чем это необходимо, но затем адаптируются. Когда члены экипажа возвращаются на Землю, им помогают выйти из капсулы, о них заботятся, им помогают вернуться к жизни в условиях земной гравитации.

Но как насчёт будущих длительных миссий на Луну или Марс, которые NASA и Китай планируют осуществить? Для этого астронавтам потребуется переходить из состояния невесомости в состояние, когда есть гравитация, отличающаяся от земной.

Понимание того, что происходит с мозгом во время дальних и длительных космических путешествий, очень важно для подготовки пилотируемых миссий на Марс / Фото NASA

Например, во время миссии на Марс, после примерно восьми месяцев в космосе, экипаж будет настолько хорошо адаптирован к микрогравитации, что даже выход из космического корабля в условиях марсианской гравитации (примерно одна треть земной) может представлять собой проблему. Хотя мышцы и кости должны поддерживаться в форме ежедневными упражнениями, мозг, который ими управляет, может быть не готов. Изменение гравитации может дезориентировать. Без связи с Землёй в режиме реального времени им потребуется сохранять бдительность в момент посадки на поверхность планеты.

"У вас может быть потрясающая ракета, но если вы не можете ею управлять, если вы не можете принимать правильные решения из-за сенсомоторных нарушений, могут возникнуть проблемы", – говорит Ферре. "Нам нужно убедиться, что людям оказывается поддержка, и тогда, возможно, процесс адаптации будет более лёгким", – подчёркивает эксперт.

В научной фантастике решение этой проблемы (например, в фильмах "Космическая одиссея 2001 года" и "Марсианин") обычно заключалось в строительстве космического корабля с центрифугой для создания искусственной гравитации – с помощью имитации земной гравитации.

"Это было бы лучшим решением, оно бы противодействовало потере костной и мышечной массы и помогло бы улучшить работу мозга", – соглашается Алессандро Альсибиаде из Европейского космического агентства. "Почему мы этого не делаем? Потому что это будет стоить дорого – всё сводится к массе, а масса – это деньги, когда речь идёт о космосе", – подчёркивает он.

Ферре разрабатывает новые методы использования малых электрических токов для стимуляции ключевых областей мозга, которые воспринимают гравитацию.

Она уверена, что учёные найдут способ преодолеть последствия изменений гравитации. При этом исследователь подчёркивает, что их исследования важны не только для астронавтов, но и для всего человечества.

"Космические полёты – это сложная задача. Но это [изучение влияния космоса на мозг] также может стать отличным способом понять наш мозг так, как мы не можем сделать это здесь, на Земле", – говорит она.