Was passiert mit dem Gehirn in der Schwerelosigkeit?

Die NASA hat sich verpflichtet, bis in die 2030er Jahre Menschen auf den Mars zu schicken. Dies ist ein ehrgeiziges Ziel, wenn man bedenkt, dass eine typische Rundreise zwischen drei und sechs Monaten dauern wird und die Besatzungen bis zu zwei Jahre auf dem roten Planeten bleiben müssen, bevor die planetarische Ausrichtung die Rückreise nach Hause ermöglicht. Das bedeutet, dass die Astronauten etwa drei Jahre lang in reduzierter (Mikro-)Schwerkraft leben müssen – weit über den aktuellen Rekord von 438 kontinuierlichen Tagen im All des russischen Kosmonauten Valery Polyakov hinaus.

In den Anfängen der Raumfahrt arbeiteten die Wissenschaftler hart daran, herauszufinden, wie man die Schwerkraft überwinden kann, damit eine Rakete frei vom Zug der Erde katapultieren kann, um Menschen auf dem Mond zu landen. Heute steht die Schwerkraft weiterhin ganz oben auf der wissenschaftlichen Agenda, aber diesmal interessieren wir uns mehr dafür, wie sich die reduzierte Schwerkraft auf die Gesundheit der Astronauten auswirkt – vor allem auf ihr Gehirn. Schließlich haben wir uns so entwickelt, dass wir innerhalb der Erdanziehungskraft (1 g) existieren, nicht in der Schwerelosigkeit des Weltraums (0 g) oder der Mikrogravitation des Mars (0,3 g).

Wie also verkraftet das menschliche Gehirn die Mikrogravitation? Schlecht, kurz gesagt – obwohl die Informationen darüber begrenzt sind. Das ist überraschend, denn wir sind damit vertraut, dass die Gesichter der Astronauten in der Schwerelosigkeit rot und aufgebläht werden – ein Phänomen, das liebevoll als „Charlie Brown-Effekt“ oder „Puffy Head Vogelschenkel-Syndrom“ bezeichnet wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Flüssigkeit, die hauptsächlich aus Blut (Zellen und Plasma) und Liquor besteht, sich zum Kopf hin verschiebt, so dass sie runde, geschwollene Gesichter und dünnere Beine hat.

Diese Flüssigkeitsverschiebungen sind auch mit Raumfahrtkrankheit, Kopfschmerzen und Übelkeit verbunden. In jüngster Zeit wurden sie auch mit verschwommenem Sehen in Verbindung gebracht, da sich der Druck mit zunehmender Durchblutung erhöht und das Gehirn im Inneren des Schädels nach oben schwimmt – ein Zustand, der als Sehbehinderung und intrakranielles Drucksyndrom bezeichnet wird. Auch wenn die NASA dieses Syndrom für jede Marsmission als oberstes Gesundheitsrisiko ansieht, bleibt es ein Geheimnis, herauszufinden, was die Ursache und – eine noch schwierigere Frage – wie man es verhindern kann.

Also, wo passt meine Forschung da rein? Nun, ich denke, dass bestimmte Teile des Gehirns am Ende viel zu viel Blut erhalten, weil sich Stickoxid – ein unsichtbares Molekül, das normalerweise im Blutkreislauf herumschwimmt – im Blutkreislauf ansammelt. Dadurch entspannen sich die das Gehirn mit Blut versorgenden Arterien, so dass sie sich zu sehr öffnen. Durch diesen unerbittlichen Anstieg der Durchblutung kann die Blut-Hirn-Schranke – der „Stoßdämpfer“ des Gehirns – überfordert werden. Dadurch baut sich das Wasser langsam auf (ein Zustand, der als Ödem bezeichnet wird), was zu einer Schwellung des Gehirns und einem Druckanstieg führt, der sich auch aufgrund von Einschränkungen der Drainagekapazität verschlimmern kann.

Stell dir vor, es wäre ein Fluss, der über seine Ufer fließt. Das Endergebnis ist, dass nicht genügend Sauerstoff schnell genug in Teile des Gehirns gelangt. Dies ist ein großes Problem, das erklären könnte, warum verschwommenes Sehen auftritt, sowie Auswirkungen auf andere Fähigkeiten, einschließlich der kognitiven Beweglichkeit der Astronauten (wie sie denken, sich konzentrieren, vernünftig denken und bewegen).

Eine Reise im „Erbrochenen Kometen“.

Um herauszufinden, ob meine Idee richtig war, mussten wir sie testen. Aber anstatt die NASA um eine Reise zum Mond zu bitten, entkamen wir den Fesseln der Schwerkraft der Erde, indem wir die Schwerelosigkeit in einem speziellen Flugzeug simulierten, das den Spitznamen „Erbrochener Komet“ trägt.

Durch Klettern und Tauchen durch die Luft führt dieses Flugzeug bis zu 30 dieser „Parabeln“ in einem einzigen Flug durch, um das Gefühl der Schwerelosigkeit zu simulieren. Sie dauern nur 30 Sekunden und ich muss zugeben, es ist sehr süchtig machend und man bekommt wirklich ein geschwollenes Gesicht!

Da die gesamte Ausrüstung sicher befestigt war, nahmen wir Messungen von acht Freiwilligen vor, die vier Tage lang jeden Tag einen einzigen Flug machten. Wir haben den Blutfluss in verschiedenen Arterien gemessen, die das Gehirn mit einem tragbaren Doppler-Ultraschall versorgen, der durch das Aufprallen hochfrequenter Schallwellen von zirkulierenden roten Blutkörperchen funktioniert. Wir haben auch den Stickoxidspiegel in Blutproben aus der Unterarmvene sowie anderen unsichtbaren Molekülen gemessen, darunter freie Radikale und hirnspezifische Proteine (die strukturelle Schäden am Gehirn widerspiegeln), die uns sagen könnten, ob die Blut-Hirn-Schranke geöffnet wurde.

Unsere ersten Ergebnisse bestätigen, was wir erwartet haben. Der Stickoxidspiegel stieg nach wiederholter Schwerelosigkeit, was mit einer erhöhten Durchblutung einherging, insbesondere durch Arterien, die die Rückseite des Gehirns versorgen. Dadurch wurde die Blut-Hirn-Schranke geöffnet, obwohl es keine Anzeichen für strukturelle Hirnschäden gab.

Wir planen nun, diese Studien mit detaillierteren Bewertungen der Blut- und Flüssigkeitsverschiebungen im Gehirn zu ergänzen, indem wir bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanz einsetzen, um unsere Ergebnisse zu bestätigen. Wir werden auch die Auswirkungen von Gegenmaßnahmen wie Gummi-Saughosen – die einen Unterdruck in der unteren Körperhälfte erzeugen – mit der Idee untersuchen, dass sie helfen können, Blut aus dem Gehirn des Astronauten zu „saugen“ – sowie Medikamente gegen Krebs.

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