NASA heeft zich ertoe verbonden om tegen 2030 mensen naar Mars te sturen. Dit is een ambitieus doel als je bedenkt dat een rondreis normaal gesproken tussen de drie en zes maanden zal duren en dat bemanningen tot twee jaar op de rode planeet moeten blijven voordat de uitlijning van de planeet de terugreis naar huis mogelijk maakt. Dit betekent dat de astronauten ongeveer drie jaar in verminderde (micro) zwaartekracht moeten leven – veel langer dan het huidige record van 438 ononderbroken dagen in de ruimte, dat in handen is van de Russische kosmonaut Valery Polyakov.
In de begindagen van de ruimtevaart hebben wetenschappers hard gewerkt om uit te vinden hoe de zwaartekracht kon worden overwonnen, zodat een raket zich los kon katapulteren van de aantrekkingskracht van de aarde om mensen op de maan te laten landen. Vandaag de dag staat de zwaartekracht nog steeds bovenaan de wetenschappelijke agenda, maar deze keer zijn we meer geïnteresseerd in hoe de verminderde zwaartekracht de gezondheid van de astronauten beïnvloedt – vooral hun hersenen. We zijn tenslotte geëvolueerd om te bestaan binnen de zwaartekracht van de aarde (1 g), niet in de gewichtloosheid van de ruimte (0 g) of de microzwaartekracht van Mars (0,3 g).
Dus hoe gaan de menselijke hersenen precies om met microzwaartekracht? Slecht, in een notendop – hoewel de informatie hierover beperkt is. Dit is verrassend, omdat we weten dat de gezichten van astronauten rood en opgeblazen worden tijdens gewichtloosheid – een fenomeen dat liefkozend bekend staat als het “Charlie Brown effect”, of “puffy hoofd vogelbenen syndroom”. Dit komt doordat vloeistof die voornamelijk uit bloed (cellen en plasma) en hersenvocht bestaat, naar het hoofd wordt verplaatst, waardoor ze ronde, gezwollen gezichten krijgen en dunnere benen.
De verschuiving van vocht wordt ook in verband gebracht met bewegingsziekte in de ruimte, hoofdpijn en misselijkheid. Meer recentelijk zijn ze ook in verband gebracht met wazig zien als gevolg van een drukopbouw wanneer de bloedstroom toeneemt en de hersenen binnen de schedel naar boven zweven – een aandoening die visusstoornis en intracranieel druksyndroom wordt genoemd. Hoewel NASA dit syndroom beschouwt als het belangrijkste gezondheidsrisico voor elke missie naar Mars, blijft het uitzoeken wat de oorzaak is en – een nog moeilijkere vraag – hoe het te voorkomen, nog steeds een mysterie.
Dus waar past mijn onderzoek in dit plaatje? Welnu, ik denk dat bepaalde delen van de hersenen uiteindelijk veel te veel bloed krijgen doordat stikstofmonoxide – een onzichtbaar molecuul dat gewoonlijk in de bloedbaan rondzweeft – zich in de bloedbaan ophoopt. Dit zorgt ervoor dat de slagaders die de hersenen van bloed voorzien, zich ontspannen, zodat ze te veel open gaan staan. Als gevolg van deze onophoudelijke toename van de bloedstroom kan de bloed-hersenbarrière – de “schokdemper” van de hersenen – worden overweldigd. Hierdoor kan water zich langzaam ophopen (een aandoening die oedeem wordt genoemd), waardoor de hersenen opzwellen en de druk toeneemt, wat nog verergerd kan worden door beperkingen in de afvoercapaciteit.
Bedenk het als een rivier die buiten zijn oevers treedt. Het eindresultaat is dat niet genoeg zuurstof snel genoeg bij delen van de hersenen komt. Dit is een groot probleem dat kan verklaren waarom wazig zicht optreedt, evenals effecten op andere vaardigheden, waaronder de cognitieve behendigheid van astronauten (hoe ze denken, zich concentreren, redeneren en bewegen).
Een reis in de ‘braakkomeet’
Om uit te vinden of mijn idee klopte, moesten we het testen. Maar in plaats van de NASA om een reis naar de maan te vragen, ontsnapten we aan de aardse zwaartekracht door gewichtloosheid te simuleren in een speciaal vliegtuig dat de bijnaam “braakkomeet” kreeg.
Door te klimmen en dan door de lucht te zakken, maakt dit vliegtuig tot 30 van deze “parabolen” in één enkele vlucht om het gevoel van gewichtloosheid te simuleren. Ze duren maar 30 seconden en ik moet toegeven, het is erg verslavend en je krijgt er echt een opgezwollen gezicht van!
Met alle apparatuur stevig vastgemaakt, hebben we metingen gedaan bij acht vrijwilligers die vier dagen lang elke dag een enkele vlucht maakten. We maten de bloedstroom in verschillende slagaders die de hersenen van bloed voorzien met behulp van een draagbare doppler echografie, die werkt door hoogfrequente geluidsgolven te kaatsen op circulerende rode bloedcellen. We maten ook stikstofmonoxideniveaus in bloedmonsters genomen uit de onderarmader, evenals andere onzichtbare moleculen waaronder vrije radicalen en hersenspecifieke eiwitten (die structurele schade aan de hersenen weerspiegelen) die ons kunnen vertellen of de bloed-hersenbarrière is opengeduwd.
Onze eerste bevindingen bevestigden wat we verwachtten. Stikstofoxide niveaus stegen na herhaalde periodes van gewichtloosheid, en dit viel samen met een verhoogde bloedstroom, met name door de slagaders die de achterkant van de hersenen van bloed voorzien. Dit dwong de bloed-hersen barrière open, hoewel er geen bewijs was van structurele schade aan de hersenen.
We zijn nu van plan om deze studies te vervolgen met meer gedetailleerde beoordelingen van bloed- en vloeistofverschuivingen in de hersenen met behulp van beeldvormingstechnieken zoals magnetische resonantie om onze bevindingen te bevestigen. We gaan ook de effecten onderzoeken van tegenmaatregelen zoals rubberen zuigbroeken – die een negatieve druk creëren in de onderste helft van het lichaam met het idee dat ze kunnen helpen het bloed weg te “zuigen” van de hersenen van de astronaut – evenals geneesmiddelen om de toename van stikstofmonoxide tegen te gaan. Maar deze bevindingen zullen niet alleen de ruimtevaart verbeteren – ze kunnen ook waardevolle informatie verschaffen over waarom de “zwaartekracht” van lichaamsbeweging een goed medicijn is voor de hersenen en hoe het kan beschermen tegen dementie en beroerte op latere leeftijd.