Невесомость меняет связность мозга у космонавтов
Ученые изучили мозг 13 российских космонавтов, которые совершали полеты на МКС с 2014 по 2020 год. Выяснилось, что под длительным воздействием микрогравитации у космонавтов перестраиваются связи между структурами мозга, отвечающими за адаптацию к незнакомым условиям. Эти связи не всегда возвращаются к исходному состоянию после полета. Статья опубликована в журнале Communications Biology.
Длительное пребывание в космосе вызывает в организме человека физические изменения. Например, ухудшается состояние костей и мышц. Поэтому здоровье космонавтов пристально изучается медиками и учеными. Однако о том, как такие экстремальные условия влияют на мозг, известно мало.
Мозг человека обладает нейропластичностью — высокой адаптивностью к изменениям среды. Это свойство помогает учиться новому и восстанавливаться после травм. Один из механизмов нейропластичности — изменение силы связей между отделами мозга, утрата этих связей и приобретение новых.
Ключевое изменение среды, с которым сталкиваются космонавты на МКС, — воздействие невесомости. Постепенно космонавты привыкают к отсутствию земной гравитации. Однако до сих пор мало известно о том, какие мозговые структуры обеспечивают это привыкание. Также неизвестно, возвращаются ли системы мозга в прежнее состояние по возвращении на Землю.
Чтобы оценить, как перенастроились связи в мозге космонавтов после длительного воздействия невесомости, международная команда ученых изучила изменения у 13 российских космонавтов, которые совершали полеты на МКС с 2014 по 2020 год. Участникам сделали сканирование мозга с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) трижды: до полета в космос, а также сразу после него и спустя 8 месяцев. Двое космонавтов прошли диагностику дважды за весь период исследования — после двух своих полетов.
Используя фМРТ-данные, ученые оценили, как изменилась сила связей между различными участками мозга до и после полета. Активность мозга космонавтов в состоянии покоя сравнивали с результатами сканирования 14 человек в контрольной группе. В результате исследователи обнаружили изменения в связях мозга космонавтов, влияющих на адаптацию к новым ощущениям.
Так, сила связей с различными областями мозга снизилась у задней части поясной извилины. Эти изменения сохранились спустя 8 месяцев после полета. Поскольку поясная извилина вместе с областью предклинья является ключевым узлом так называемой сети пассивной работы мозга (DMN, default mode network), то изменения ее связей могут сигнализировать об общемозговых эффектах адаптации к незнакомым сенсорным ощущениям в условиях космического полета.
Меньше связей с различными зонами продемонстрировала и структура мозга под названием таламус, в особенности — с префронтальной корой. Связи между префронтальной корой и таламусом обеспечивают адаптивное принятие решений и функционирование рабочей памяти.
В угловой извилине правого полушария наблюдался рост связности с другими зонами мозга — как сразу по приземлении, так и спустя 8 месяцев после полета. В условиях невесомости угловая извилина активно вовлечена в сравнение сенсорных ощущений с ожидаемыми результатами действия и в создание плавных двигательных паттернов в ответ на эти ощущения, поскольку привычные движения совершаются иначе, чем на Земле. Известно, что космонавты со временем адаптируются к новому состоянию, — именно эту адаптацию может отражать рост связей угловой извилины с другими структурами мозга.
Единственная структура, для которой связность вернулась к исходному состоянию спустя 8 месяцев, — островковая доля. Островковая доля относится к сети выявления значимости (salience network) — системе мозга, которая отвечает за поиск значимых стимулов в окружающей среде и выбор подходящего ответа на них.
Ученые также заметили снижение связи островковой доли с поясной корой, что указывает на подавление вегетативных реакций в отсутствие привычной силы тяжести. В начале полета космонавты испытывают космическую болезнь движения —состояние укачивания, похожее на морскую болезнь, — однако затем она проходит. Перестройка связи между островковой долей и поясной корой может отражать эти изменения.
Вместе эти результаты говорят об устойчивых изменениях в сенсомоторных и вестибулярных системах мозга после длительного воздействия невесомости, которые могут отражать адаптацию человека при освоении им новой среды.
«Эти изменения функциональные, они опасны не более, чем любая другая адаптация к сложным условиям. У людей с наземными экстремальными профессиями и увлечениями существуют такие же риски с точки зрения работы мозга, — комментирует Екатерина Печенкова, ведущий научный сотрудник Научно-учебной лаборатории когнитивных исследований НИУ ВШЭ. — Поэтому основное направление работы с этими изменениями у космонавтов — использовать полученные знания для разработки упражнений. Они сделают подготовку к еще более длительным (в перспективе — межпланетным) космическим полетам легче и при этом позволят быстро адаптироваться по возвращении на Землю».
Текст: пресс-служба ВШЭ
Jillings, S., Pechenkova, E., Tomilovskaya, E. et al. Prolonged microgravity induces reversible and persistent changes on human cerebral connectivity. Commun Biol 6, 46 (2023). https://doi.org/10.1038/s42003-022-04382-w