NASA har åtagit sig att skicka människor till Mars på 2030-talet. Detta är ett ambitiöst mål när man tänker på att en typisk rundresa kommer att ta mellan tre och sex månader och att besättningarna förväntas stanna på den röda planeten i upp till två år innan planetens anpassning gör det möjligt för hemresan. Det innebär att astronauterna måste leva i reducerad (mikro)gravitation i ungefär tre år – långt över det nuvarande rekordet på 438 dagar i rymden som innehas av den ryske kosmonauten Valery Polyakov.
I rymdfartens tidiga dagar arbetade vetenskapsmännen hårt för att ta reda på hur man skulle kunna övervinna gravitationskraften så att en raket skulle kunna katapultera sig loss från jordens dragningskraft för att landa människor på månen. I dag står gravitationen fortfarande högst upp på den vetenskapliga dagordningen, men den här gången är vi mer intresserade av hur minskad gravitation påverkar astronauternas hälsa – särskilt deras hjärnor. När allt kommer omkring har vi utvecklats för att existera inom jordens gravitation (1 g), inte i rymdens tyngdlöshet (0 g) eller mikrogravitationen på Mars (0,3 g).
Hur exakt klarar den mänskliga hjärnan av mikrogravitation? Dåligt, i ett nötskal – även om informationen om detta är begränsad. Detta är förvånande, eftersom vi är bekanta med astronauters ansikten som blir röda och uppblåsta under tyngdlöshet – ett fenomen som kärleksfullt kallas ”Charlie Brown-effekten” eller ”puffy head bird legs syndrome”. Detta beror på att vätska som mestadels består av blod (celler och plasma) och cerebrospinalvätska förflyttas mot huvudet, vilket gör att de får runda, uppsvällda ansikten och tunnare ben.
Dessa vätskeförskjutningar är också förknippade med rörelsesjuka i rymden, huvudvärk och illamående. De har också, på senare tid, kopplats till suddig syn på grund av en tryckuppbyggnad när blodflödet ökar och hjärnan flyter uppåt inuti skallen – ett tillstånd som kallas synnedsättning och intrakraniellt trycksyndrom. Även om NASA anser att detta syndrom är den största hälsorisken för alla uppdrag till Mars är det fortfarande ett mysterium att ta reda på vad som orsakar det och – en ännu svårare fråga – hur man kan förebygga det.
Hur passar min forskning in i detta? Jo, jag tror att vissa delar av hjärnan får i slutändan alldeles för mycket blod eftersom kväveoxid – en osynlig molekyl som vanligtvis flyter runt i blodet – byggs upp i blodomloppet. Detta gör att artärerna som förser hjärnan med blod slappnar av, så att de öppnar sig för mycket. Till följd av denna obevekliga ökning av blodflödet kan blod-hjärnbarriären – hjärnans ”stötdämpare” – bli överväldigad. Detta gör att vatten långsamt kan ansamlas (ett tillstånd som kallas ödem), vilket leder till att hjärnan svullnar och att trycket ökar, vilket också kan förvärras på grund av begränsningar i dräneringskapaciteten.
Tänk på det som en flod som går över sina stränder. Slutresultatet är att inte tillräckligt med syre når delar av hjärnan tillräckligt snabbt. Detta är ett stort problem som skulle kunna förklara varför suddig syn uppstår, samt effekter på andra färdigheter inklusive astronauternas kognitiva smidighet (hur de tänker, koncentrerar sig, resonerar och rör sig).
En resa i ”kräkkometen”
För att ta reda på om min idé var riktig, behövde vi testa den. Men i stället för att be NASA om en resa till månen undkom vi jordens gravitationsband genom att simulera tyngdlöshet i ett specialflygplan med smeknamnet ”kräkkometen”.
Det här planet utför upp till 30 av dessa ”parabler” under en enda flygning för att simulera känslan av viktlöshet genom att stiga upp och sedan dyka genom luften. De varar bara 30 sekunder och jag måste erkänna att det är mycket beroendeframkallande och att man verkligen får ett svullet ansikte!
Med all utrustning ordentligt fastsatt tog vi mätningar från åtta frivilliga som tog en enda flygning varje dag under fyra dagar. Vi mätte blodflödet i olika artärer som försörjer hjärnan med hjälp av ett bärbart dopplerultraljud, som fungerar genom att högfrekventa ljudvågor studsar mot cirkulerande röda blodkroppar. Vi mätte också kväveoxidnivåerna i blodprover som togs från underarmsvenen, liksom andra osynliga molekyler som inkluderade fria radikaler och hjärnspecifika proteiner (som återspeglar strukturella skador på hjärnan) som skulle kunna tala om för oss om blod-hjärnbarriären har tvingats upp.
Våra första resultat bekräftade vad vi förutsåg. Nivåerna av kväveoxid ökade efter upprepade anfall av viktlöshet, och detta sammanföll med ett ökat blodflöde, särskilt genom de artärer som försörjer hjärnans baksida. Detta tvingade blod-hjärnbarriären att öppna sig, även om det inte fanns några tecken på strukturella hjärnskador.
Vi planerar nu att följa upp dessa studier med mer detaljerade bedömningar av blod- och vätskeförskjutningar i hjärnan med hjälp av avbildningstekniker som magnetresonans för att bekräfta våra resultat. Vi kommer också att undersöka effekterna av motåtgärder som t.ex. sugbyxor av gummi – som skapar ett undertryck i den nedre delen av kroppen med tanken att de kan hjälpa till att ”suga” bort blod från astronautens hjärna – samt läkemedel för att motverka ökningen av kväveoxid. Men dessa upptäckter kommer inte bara att förbättra rymdresor – de kan också ge värdefull information om varför motionens ”gravitation” är bra medicin för hjärnan och hur den kan skydda mot demens och stroke senare i livet.