Een beetje rondzweven: heeft het een impact op je brein?

Een halve eeuw aan ruimtevluchten hebben reeds aangetoond dat een trip naar de ruimte een serieuze impact heeft op het menselijk lichaam. Zo weten we dat een langdurige blootstelling aan gewichtloosheid* nefaste veranderingen in onze spieren en botten zal introduceren (bv. afname van de spiermassa) en een invloed kan hebben op het ‘cardiovasculair’ (hart- en vaten) stelsel. Tot op heden echter is over de invloed van dat “langdurig zweven” op het menselijke brein nog maar weinig geweten (1, 2). Dit is echter wel een belangrijk aspect omdat dit onder andere implicaties hebben voor de gezondheid van astronauten op langdurige missies (bijvoorbeeld naar Mars in de toekomst) en zelfs misschien voor het nakende ruimtetoerisme en de commerciële ruimtevaart. Parallel aan onze huidige onderzoeken bij astronauten, hebben we ook experimenten uitgevoerd om het effect van een (korte) blootstelling aan gewichtloosheid op het menselijk brein te onderzoeken aan de hand van paraboolvluchten (3) (Figuur 1).

Figuur 1: Een paraboolvlucht.
(Bron figuur: Novespace)

Zo’n paraboolvlucht, het doet misschien een belletje rinkelen maar wat is het nu precies? In principe is het een veredeld vliegtuig dat omgebouwd is tot een ware experimenten zone. Zetels nemen nog maar een klein deeltje van het vliegtuig in beslag en maken plaats voor de mogelijkheid om verschillende experimenten te installeren en voor een “free floating” zone, een ruimte waarin je, zoals de naam al doet vermoeden, vrij mag zweven. Wat uniek is aan een paraboolvlucht, is het vluchtprofiel dat het vliegtuig zal volgen. Dit is een profiel in de vorm van een parabool –surprise!– waardoor de passagiers aan boord van het vliegtuig zowel ‘hypergraviteit’ (meer dan de zwaartekracht op aarde, dus meer dan 1G) als ‘micrograviteit’ (0G, gewichtloosheid) ervaren. Elke parabool duurt ongeveer 1 min met respectievelijk 20 second 1.8G (hypergraviteit), 20 seconden 0G en vervolgens weer 20 seconden 1.8G (Figuur 2) (4). Afhankelijk van het specifieke vluchtprofiel, kunnen ook parabolen gegenereerd worden waarbij in plaats van 0G eerder 0.16G (de zwaartekracht op de maan) of 0.38G (de zwaartekracht op Mars) ervaren wordt (4). Een paraboolvlucht is interessant voor ruimteonderzoek aangezien het de enige alternatief is waarin experimenten bij mensen uitgevoerd kunnen worden in gewichtloosheid.

Figuur 2: Het typische vluchtprofiel tijdens een 0G paraboolvlucht.
(Bron figuur: Van Ombergen et al, Journal of Neurology, 2017)

Om de impact van gewichtloosheid op het menselijke brein te onderzoeken, zijn we met ons onderzoeksteam enkele keren naar Bordeaux getrokken (waar de paraboolvluchten georganiseerd worden door de European Space Agency) en hebben we 28 proefpersonen op zo’n paraboolvlucht gezet. Dan hebben we hersenscans voor en na de paraboolvlucht afgenomen, meer specifiek hebben we onderzocht of er veranderingen waren in het brein in rust, meer bepaald in de manier waarop verschillende hersenregio’s samenwerken. Dit hebben we gedaan aan de hand van ‘resting-state functional MRI scans’, een techniek die toelaat om de functie van het brein in rust te onderzoeken. Elke proefpersoon onderging een hersenscan voor de paraboolvlucht (de dag ervoor) en een hersenscan na de paraboolvlucht (ongeveer 3 à 4u na de vlucht). Bovendien hebben we ook een controlegroep getest, die ook 2 scans ondergaan heeft maar –helaas– niet mee mocht gaan zweven. Dit was nodig aangezien voor een paraboolvlucht iedereen een injectie van scopolamine krijgt, medicatie die reisziekte (en de bijhorende misselijkheid en, zelfs erger, braken) gaat onderdrukken. Je kan je echter wel inbeelden dat die abrupte veranderingen in zwaartekracht ons evenwichtssysteem (dat instaat voor het detecteren van de zwaartekracht) redelijk hard in de war brengen en dat gaat dus gepaard met reisziekte. Het niet toedienen van de medicatie is ook niet heel interessant, braken en gewichtloosheid gaan immers niet goed samen. Door een controlegroep te includeren konden we dus effect van de medicatie op onze resultaten minimaliseren.

 

Op basis van dit experiment hebben we kunnen aantonen dat zelfs kortdurende gewichtloosheid een effect heeft op het menselijke brein. Zo vonden we immers een verminderde ‘intrinsieke connectiviteit’ in de rechter temporo-pariëtale junctie (rTPJ) (Figuur 3), wat in se betekent dat deze regio minder goed gaat samenwerken met de rest van het brein. De rTPJ is een hersenregio die op de scheiding tussen de temporale en pariëtale hersenkwab ligt en belangrijk is voor verschillende functies. Enerzijds is reeds uitvoerig aangetoond dat het een regio is die instaat voor de integratie van ‘multisensorische’ informatie, ofte input komende van verschillende systemen zoals het visueel systeem, ons ‘proprioceptief’ systeem (onze spieren en gewrichten) en het ‘vestibulair’ systeem (evenwichtssysteem) (5). Bovendien is uit eerder onderzoek geweten dat deze hersenregio een cruciale  rol speelt bij het bepalen van verticaliteit (6). Patiënten met een herseninfarct dat schade veroorzaakt in deze regio vertonen echter vaak problemen bij het inschatten van de verticaal (7).

Figuur 3: Na de paraboolvlucht werd een verminderde functionele connectiviteit in de rechter temporo-pariëtale junctie gevonden (blauwe regio aangeduid in het brein).
(Bron figuur: Van Ombergen et al, Scientific Reports, 2017)

 

Aangezien een paraboolvlucht bestaat uit verschillende fases met verschillende “niveaus” van zwaartekracht, kunnen we op basis van deze studie niet uitsluiten of onze resultaten te wijten zijn aan de kortdurende blootstelling aan zwaartekracht of aan het afwisselend patroon van normo-, hyper- en micrograviteit. Toekomstige studies zouden bijvoorbeeld specifiek het effect van hypergraviteit (bvb, aan de hand van centrifuges) kunnen onderzoeken, wat hierin meer inzicht zou kunnen geven (3). Bovendien zou het interessant zijn om in de toekomst te onderzoeken of deze hersenveranderingen gepaard gaan met effectieve veranderingen in gedrag, bijvoorbeeld in hoe iemand verticaliteit kan inschatten. Dit is iets wat in de huidige studie niet onderzocht werd, maar waar in toekomstig onderzoek wel op gefocust moet worden. Stel dat er effectief problemen zijn bij het inschatten van de verticaal, kan dit nefaste gevolgen hebben voor ruimtevaart, bijvoorbeeld wanneer astronauten zelf een landing van een ruimtetoestel moeten uitvoeren (8).

 

Een beetje rondzweven, het doet wat met je brein!

 

 

*Tijdens een verblijf in de ruimte ervaren de astronauten geen zwaartekracht (eenvoudiger wijze ook wel gewichtloosheid genoemd). Dit komt omdat het internationaal ruimtestation (het ISS) voortdurend in vrije val is in een baan rond de aarde.

 

Bronnen

(1) A. Van Ombergen, S. Laureys, S. Sunaert, E. Tomilovskaya, P.M. Parizel, F.L. Wuyts (2017): Spaceflight-induced neuroplasticity in humans as measured by MRI: what do we know so far? npj Microgravity, 3(2).

(2) A. Van Ombergen, A. Demertzi, E. Tomilovskaya, B. Jeurissen, J. Sijbers, I. Kozlovskaya, P.H. Van de Heyning, P.M. Parizel, S. Sunaert, S. Laureys & F.L. Wuyts (2017): The effect of spaceflight and microgravity on the human brain. Journal of Neurology. In print.

(3) A. Van Ombergen, F.L. Wuyts, B. Jeurissen, J. Sijbers, F. Vanhevel, S. Jillings, P.M. Parizel, S. Sunaert, P.H. Van de Heyning, V. Dousset, S. Laureys & A. Demertzi (2017): Intrinsic functional connectivity reduces after first-time exposure to short-term gravitational alterations. Scientific Reports. Accepted for publication.

(4) F. Karmali, M. Shelhamer (2008): The dynamics of parabolic flight: Flight characteristics and passenger percepts. Acta Astronautica, 63(5–6);594–602.

(5) S. Besnard, C. Lopez, T. Brandt, P. Denise, P.F. Smith (2016): The Vestibular System in Cognitive and Memory Processes in Mammals.

(6) F. Fiori, M. Candidi, A. Acciarino, N. David, S.M. Aglioti (2015): The right temporo-parietal junction plays a causal role in maintaining the internal representation of verticality. Journal of Neurophysiology, 3.

(7) B. Baier, J. Suchan, H.O. Karnath, M. Dieterich (2012): Neural correlates of disturbed perception of verticality. Neurology 78, 728–735.

2017-05-30T09:56:26+00:00 30 mei 2017|

About the Author:

Angelique Van Ombergen behaalde een doctoraat in de Medische Wetenschappen aan de Universiteit Antwerpen, waar ze momenteel werkt als post-doctoraal onderzoeker. Haar onderzoek focust zich op hersenplasticiteit in astronauten en vestibulaire patiënten. Daarnaast is ze actief bezig met wetenschapscommunicatie: zo heeft ze haar persoonlijke blogpagina (neuropolisblog.com), publiceert ze haar (blog)artikels op eoswetenschap.eu en geeft ze workshops en presentaties. Bovendien schreef ze een kinderboek over hoe de hersenen werken, getiteld ‘In mijn hoofd’, dat in februari 2018 uitgegeven wordt door Lannoo.