Die NASA hat sich verpflichtet, bis zu den 2030er Jahren Menschen zum Mars zu schicken. Das ist ein ehrgeiziges Ziel, wenn man bedenkt, dass ein typischer Hin- und Rückflug zwischen drei und sechs Monaten dauert und die Besatzungen bis zu zwei Jahre auf dem roten Planeten bleiben müssen, bevor die Ausrichtung des Planeten die Rückreise ermöglicht. Das bedeutet, dass die Astronauten etwa drei Jahre lang in reduzierter (Mikro-)Schwerkraft leben müssen – weit über dem derzeitigen Rekord von 438 Tagen ununterbrochenen Aufenthalts im All, den der russische Kosmonaut Waleri Poljakow hält.
In den Anfängen der Raumfahrt arbeiteten Wissenschaftler hart daran, herauszufinden, wie man die Schwerkraft überwinden kann, damit sich eine Rakete von der Anziehungskraft der Erde lösen kann, um Menschen auf dem Mond zu landen. Auch heute noch steht die Schwerkraft ganz oben auf der wissenschaftlichen Agenda, aber diesmal interessiert uns mehr, wie sich die reduzierte Schwerkraft auf die Gesundheit der Astronauten auswirkt – insbesondere auf ihr Gehirn. Schließlich haben wir uns für die Schwerkraft der Erde (1 g) entwickelt, nicht für die Schwerelosigkeit des Weltraums (0 g) oder die Mikrogravitation des Mars (0,3 g).
Wie kommt das menschliche Gehirn mit der Mikrogravitation zurecht? Schlecht, um es kurz zu machen – obwohl die Informationen darüber begrenzt sind. Das ist überraschend, denn wir kennen die roten und aufgedunsenen Gesichter von Astronauten in der Schwerelosigkeit – ein Phänomen, das liebevoll als „Charlie-Brown-Effekt“ oder „Puffy-Head-Vogel-Beine-Syndrom“ bezeichnet wird. Das liegt daran, dass sich die Flüssigkeit, die hauptsächlich aus Blut (Zellen und Plasma) und Liquor besteht, zum Kopf hin verschiebt, was zu einem runden, geschwollenen Gesicht und dünneren Beinen führt.
Diese Flüssigkeitsverschiebungen werden auch mit Weltraumkrankheit, Kopfschmerzen und Übelkeit in Verbindung gebracht. In jüngerer Zeit wurden sie auch mit verschwommenem Sehen in Verbindung gebracht, da sich ein Druck aufbaut, wenn der Blutfluss zunimmt und das Gehirn im Schädel nach oben wandert – ein Zustand, der als Sehbehinderung und Hirndrucksyndrom bezeichnet wird. Obwohl die NASA dieses Syndrom als das größte Gesundheitsrisiko für jede Marsmission ansieht, ist es immer noch ein Rätsel, was es verursacht und – was noch schwieriger ist – wie man es verhindern kann.
Wie passt nun meine Forschung in dieses Bild? Nun, ich denke, dass bestimmte Teile des Gehirns viel zu viel Blut erhalten, weil sich Stickstoffmonoxid – ein unsichtbares Molekül, das normalerweise im Blutkreislauf herumschwimmt – im Blutkreislauf anreichert. Dadurch entspannen sich die Arterien, die das Gehirn mit Blut versorgen, so dass sie sich zu sehr öffnen. Dieser unaufhörliche Anstieg des Blutflusses kann dazu führen, dass die Blut-Hirn-Schranke – der „Stoßdämpfer“ des Gehirns – überlastet wird. Dadurch kann sich langsam Wasser ansammeln (ein Zustand, der als Ödem bezeichnet wird), was zu einer Schwellung des Gehirns und einem Druckanstieg führt, der durch eine eingeschränkte Abflusskapazität noch verschlimmert werden kann.
Stellen Sie sich das wie einen über die Ufer getretenen Fluss vor. Das Endergebnis ist, dass nicht genügend Sauerstoff schnell genug zu Teilen des Gehirns gelangt. Das ist ein großes Problem, das erklären könnte, warum es zu verschwommenem Sehen kommt, sowie zu Auswirkungen auf andere Fähigkeiten, einschließlich der kognitiven Beweglichkeit der Astronauten (wie sie denken, sich konzentrieren, schlussfolgern und sich bewegen).
Eine Reise im ‚Kotzkometen‘
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 Erdanziehung, indem wir die Schwerelosigkeit in einem speziellen Flugzeug mit dem Spitznamen „Kotzkomet“ simulierten.
Dieses Flugzeug führt bis zu 30 dieser „Parabeln“ in einem einzigen Flug durch, um das Gefühl der Schwerelosigkeit zu simulieren, indem es steigt und dann durch die Luft taucht. Sie dauern nur 30 Sekunden und ich muss zugeben, dass es sehr süchtig macht und man wirklich ein geschwollenes Gesicht bekommt!
Nachdem die gesamte Ausrüstung sicher befestigt war, haben wir Messungen an acht Freiwilligen vorgenommen, die vier Tage lang jeden Tag einen Flug absolvierten. Wir haben den Blutfluss in verschiedenen Arterien, die das Gehirn versorgen, mit einem tragbaren Doppler-Ultraschallgerät gemessen, bei dem Hochfrequenz-Schallwellen von zirkulierenden roten Blutkörperchen zurückgeworfen werden. Außerdem haben wir die Stickoxidkonzentration in Blutproben aus der Unterarmvene gemessen sowie andere unsichtbare Moleküle, darunter freie Radikale und hirnspezifische Proteine (die strukturelle Schäden im Gehirn widerspiegeln), die uns sagen können, ob die Blut-Hirn-Schranke aufgebrochen wurde.
Unsere ersten Ergebnisse bestätigten, was wir erwartet hatten. Nach wiederholten Aufenthalten in der Schwerelosigkeit stieg der Stickoxidspiegel an, was mit einem erhöhten Blutfluss einherging, insbesondere in den Arterien, die den hinteren Teil des Gehirns versorgen. Dadurch wurde die Blut-Hirn-Schranke geöffnet, obwohl es keine Hinweise auf strukturelle Hirnschäden gab.
Wir planen nun, diese Studien mit detaillierteren Bewertungen von Blut- und Flüssigkeitsverschiebungen im Gehirn unter Verwendung von bildgebenden Verfahren wie der Magnetresonanztomographie fortzusetzen, um unsere Ergebnisse zu bestätigen. Wir werden auch die Auswirkungen von Gegenmaßnahmen wie Gummisaughosen – die in der unteren Körperhälfte einen Unterdruck erzeugen, der dazu beitragen soll, das Blut aus dem Gehirn des Astronauten „abzusaugen“ – sowie von Medikamenten untersuchen, die dem Anstieg des Stickstoffoxids entgegenwirken. Aber diese Erkenntnisse werden nicht nur die Raumfahrt verbessern – sie können auch wertvolle Informationen darüber liefern, warum die „Schwerkraft“ der Bewegung eine gute Medizin für das Gehirn ist und wie sie vor Demenz und Schlaganfall im späteren Leben schützen kann.