Мозг в чане: что происходит с содержимым черепной коробки в невесомости

Ни для кого не секрет, что NASA взвалило на себя непосильную задачу: отправить людей на Марс к 2030-м годам. Почему непосильную? Потому, что достаточно понять, что обычная поездку туда займет от трех до шести месяцев, а экипажу придется пробыть на планете до двух лет, прежде чем выравнивание планет позволит ему вернуться домой.
Это означает, что астронавтам придется жить в условиях сниженной (микро-) гравитации в течение трех лет как минимум — это значительно превышает текущий рекорд непрерывного пребывания в космосе, поставленного российским космонавтом Валерием Поляковам: 438 дней.

В первые дни космических путешествий ученые упорно трудились, чтобы выяснить, как преодолеть силу тяжести так, чтобы ракета могла словно из катапульты запуститься в космос и высадить людей на Луну. Сегодня гравитация также остается на повестке дня у науки, но на этот раз нас больше интересует, как пониженная гравитация влияет на здоровье космонавтов, особенно на их мозги. В конце концов, мы эволюционировали, чтобы существовать в земной гравитации (1 g), а не в невесомости космоса (0 g) или микрогравитации Марса (0,3 g).

«Мозг в чане»

Так как же мозг справляется с микрогравитацией? Если коротко, то очень плохо — впрочем, информация об этом ограничена. Мы знаем, что лица космонавтов краснеют и раздуваются в невесомости — это явление ласково называют «эффектом Чарли Брауна». Происходит это по большей части потому, что жидкость, состоящая в основном из крови (клеток и плазмы) и спинномозговой жидкости, смещается к голове, в результате чего лица становятся одутловатыми и округлыми, а ноги — тонкими.
Эти смещения жидкости также связаны с «космической болезнью» (по аналогии с морской), головными болями и тошнотой. Недавно их также связали с помутнением зрения из-за нарастания давления при увеличении кровотока; сам мозг как бы всплывает в верхнюю часть черепа, оказывая на него давление. Несмотря на то, что NASA считает нарушение зрения и смещение мозга главным риском для здоровья любого человека на Марсе, выяснить, что его вызывает, а также как его предотвратить, пока не получилось.
Профессор физиологии и биохимии Дэмиен Бейли из Университета Южного Уэльса считает, что определенные части мозга в итоге получают слишком много крови, потому что в кровотоке накапливается оксид азота — невидимая молекула, которая обычно там плавает. Артерии, снабжающие мозг кровью, расслабляются, поэтому раскрываются сильнее. В результате этого подъема кровотока гематоэнцефалический барьер — «амортизатор» мозга — становится перегружен. Вода медленно накапливается, мозг разбухает, давление увеличивается.

Представьте, будто река выходит из берегов. Самое главное во всем этом, что в отдельные части мозга поступает недостаточно кислорода. Это большая проблема, которая может объяснить и затуманенность зрения, а также и другие эффекты, которые проявляются на способностях космонавтов думать, концентрироваться, рассуждать и двигаться.

Поездка на «vomit comet»

Чтоб проверить идею, ученые должны реализовать ее на практике. Но вместо того, чтобы просить NASA поездки на Луну, они просто решили вырваться из пут земной гравитации, смоделировав невесомость на специальном самолете, который называется «vomit comet», «рвотная комета».
Поднимаясь в воздух, а затем опускаясь, этот самолет выполнять до 30 параболических фигур за один полет, чтобы имитировать ощущение невесомости. Свободное падение продолжается всего 30 секунд, но лицо успевает раздуться и за эти полминуты.
Надежно закрепив все оборудование, ученые провели измерения среди восьми добровольцев, каждый из который совершал один рейс каждый день в течение четырех дней. Они измеряли кровоток в разных артериях, поддерживающих мозг, используя портативный доплеровский ультразвук, который заставляет высокочастотные звуковые волны отскакивать от циркулирующих красных кровяных клеток. Также измеряли уровень оксида азота в образцах крови, взятых из вены предплечья, а также других невидимых молекул, включающих свободные радикалы и специфичные для мозга белки (которые отражают структурное повреждение мозга) — они могли бы рассказать, открывается ли гематоэнцефалический барьер насильно.
Первоначальные выводы подтвердили в точности то, что и ожидалось. Уровни оксидов азота увеличились после повторных «приступов» невесомости, и это совпало с увеличением кровотока, особенно в артериях, снабжающих заднюю часть мозга. Гематоэнцефалический барьер открылся, хотя никаких свидетельств структурного повреждения головного мозга не было.
Теперь ученые планируют продолжить эти исследования с более подробными оценками изменений крови и жидкости в мозге, используя методы визуализации вроде магнитного резонанса, чтобы подтвердить результаты. Также они хотят рассмотреть возможность введения контрмер вроде резиновых брюк, которые создают отрицательное давление в нижней части тела и помогают «откачать» кровь из мозга астронавта — а также препаратов, противодействующих увеличению оксида азота. Результаты таких работ могут не только улучшить самочувствие астронавтов в космических путешествиях, но и предоставить ценную информацию о том, почему «гравитация» полезна для мозга.