Hersenen op ruimtemissie

Wat weten we over de impact van ruimtevlucht op onze grijze massa?

Harder, better, faster, longer

Een maanlanding, continue aanwezigheid van astronauten in het internationaal ruimtestation (ISS) en plannen voor een trip naar Mars: mensen trekken steeds vaker, langer en verder de ruimte in. De ruimte is een gegeven dat de mensheid sinds lange tijd gefascineerd heeft, maar er zijn een aantal factoren aan verbonden die het een erg vijandelijke omgeving maken voor de menselijke biologie. Gewichtsloosheid is het meest prominente voorbeeld hiervan, maar het gaat veel verder dan dat: kosmische straling, isolatie en opgesloten zitten in een kleine ruimte, het ontbreken van een circadiaans ritme (dag/nacht ritme), continue aanwezigheid van lawaai, … Astronauten die na een verblijf van 6 maanden in het ISS terug landen op de aarde, worden geconfronteerd met een resem aan problemen en klachten: afname van bot- en spiermassa1, vermoeidheid, misselijkheid (“space motion sickness”)2, rugpijn1, oftalmologische symptomen3, cardiovasculaire problemen4 en ga maar door. Heel veel onderzoekers hebben zich bijgevolg ook al gericht op deze geassocieerde problemen en op mogelijke manieren om ze te voorkomen en te minimaliseren (in het vakjargon worden dit “countermeasures” genoemd). Voorbeelden zijn o.a. uitgebreid sport beoefenen aan boort van het ISS (2 à 3u/dag), het opwekken van artificiële zwaartekracht en een farmaceutische behandeling voor de “space motion sickness”.

Bron: NASA

Dierentuin in de ruimte

Het waren de Russen die in november 1957 als eerste een levend wezen de ruimte instuurden om in een baan rond aarde te vliegen (“in orbit”). ‘Laika’, een straathond uit Moskou, mocht de spits afbijten aan boord van de Sputnik 2. Helaas is het geen succesverhaal geworden voor Laika: ze is enkele uren (mogelijks dagen) na haar vertrek in de ruimte overleden.

Sindsdien zijn dieren een belangrijke bron van informatie gebleven om meer te weten te komen over de impact van micrograviteit (≈gewichtsloosheid) op verschillende biologische functies. Deze studies zijn bovendien niet beperkt gebleven tot honden, maar astronauten deden ook reeds onderzoek op katten, apen, konijnen, spinnen, wespen, schildpadden, kwallen, ratten, slakken, vissen, wormen, … Kortom, een hele dierentuin! Sommigen van deze dierenstudies hebben zich ook gefocust op de impact van ruimtevlucht (en dus ook gewichtsloosheid) op het centraal zenuwstelsel. Deze studies5-8, voornamelijk uitgevoerd in de jaren 80 en 90, richtten zich op ratten die enkele dagen in de ruimte doorgebracht hadden. De onderzoekers toonden aan dat er veranderingen optraden in het neurotransmitter systeem (neurotransmitter= een chemische stof die ervoor zorgt dat communicatie van de ene zenuwcel naar de andere mogelijk is). Men vond namelijk een toename van serotonine (5HT-1) receptoren in de hippocampus en een afname van het aantal dopamine D2 receptoren in het striatum. De hippocampus is een belangrijke structuur voor geheugen en is nauw betrokken bij ons leervermogen maar draagt bovendien ook bij tot navigatie en oriëntatie9. Het striatum is op zijn beurt dan weer betrokken bij de coördinatie van bewegingen en locomotie10. De auteurs van deze studies stelden dat deze veranderingen verklaard konden worden door de re-adaptatie van gewichtsloosheid (=0g) naar de zwaartekracht op aarde (=1g). Hierdoor werden immers de navigatie- & oriëntatiecapaciteiten van de ratten aangetast (verschillend in gewichtsloosheid dan in de aanwezigheid van zwaartekracht) en dienden ze zich aan te passen om opnieuw bewegingen uit te voeren in de aanwezigheid van zwaartekracht.

Impact op de menselijke hersenen

De dierenstudies zijn een goede bron van informatie, maar de beste bron is natuurlijk de onderzoeken die gebeuren op menselijke “proefkonijnen” (=astronauten). We hebben de voorbije decennia al heel veel geleerd over de extraterrestriële biologie, maar we moeten ons realiseren dat er nog maar een 400-tal mensen effectief de ruimte in geweest zijn. Bovendien staan de medische ruimtewetenschappen al heel ver in bepaalde domeinen (cardiovasculaire problematiek, botafname, …), maar nog maar weinig tot niks is bekend over de impact van ruimtevlucht op het menselijk centraal zenuwstelsel. Ondanks het feit dat huidige beeldvormingstechnieken heel precies het menselijke brein en al zijn facetten in kaart kunnen brengen, zijn deze helaas “off-limits” in de ruimte…  De reden hiervoor is de onmogelijkheid om een MRI of PET scanner aan boord van het ISS te brengen (gewicht en grootte, heeft stabiele omgeving nodig, hoge kost, in het geval van MRI ook nog eens het feit dat het 1 grote magneet is, … )11.

Er zijn wel reeds ruimtestudies uitgevoerd door gebruik te maken de EEG-techniek (EEG staat voor elektroencephalogram). Bij EEG worden sensoren op het hoofdgeplaatst (meestal met een soort kap of muts). Deze sensoren kunnen dan via de hoofdhuid de elektrische activiteit van de hersenen registreren. Deze registratie vertaalt zich in een patroon van hersengolven waardoor we informatie krijgen over de staat van de hersenen (bijvoorbeeld in slaaptoestand, opgewonden, ontspannen).

De Nederlandse astronaut André Kuipers die aan boord van het ISS een EEG-experiment doet.

Er zijn een aantal voordelen verbonden aan de EEG-techniek waardoor het gemakkelijk zijn ingang gevonden heeft in het ruimteonderzoek: het is niet duur, non-invasief en het kan bovendien gemakkelijk verplaatst worden (lees: mee de ruimte ingestuurd worden). De meerderheid van de EEG-studies hebben zich gefocust op het verstoorde slaappatroon bij de astronauten12. Recenter echter werd ook aangetoond dat een ruimtevlucht veranderingen in de alpha-golven13 met zich meebrengt, alsook veranderingen in bèta-golven14. Dit zou respectievelijk een impact hebben op cognitieve processen en emoties. Eén van de belangrijkste nadelen van EEG is dat het een heel lage spatiële resolutie heeft; het kan met andere woorden niet gebruikt worden om iets te vertellen over een specifiek hersengebied of om een onderscheid te maken tussen 2 verschillende hersengebieden. Er is dus nog werk aan de winkel als we meer willen weten over wat er met het menselijke brein gebeurt tijdens en na zo’n ruimtevlucht!

“BRAIN DTI” project15,16

Om de leegte aan kennis over de impact van ruimtevlucht op het menselijke brein op te vullen, werd het BRAIN DTI project opgestart. Het project loopt voor de European Space Agency (ESA) en bestaat uit een team van internationale groepen met elk hun eigen expertise die samenwerken om het onderzoek op een zo efficiënte en vooruitstrevende manier uit te voeren. Het doel van dit project is simpel: het in kaart brengen van wat er met de hersenen gebeurt na langdurige ruimtemissies. Hiertoe worden geavanceerde MRI-gebaseerde beeldvormingstechnieken gebruikt zoals voxel-based morphometry17 (VBM, een techniek om structurele verschillen in de hersenen in kaart te brengen), diffusie tensor imaging18 (DTI, een techniek om de witte stofbanen in de hersenen en dus de structurele connectiviteit tussen verschillende hersenregio’s in kaart te brengen) en functionele MRI (fMRI, een techniek die toelaat om de functionele connectiviteit in kaart te brengen). Het BRAIN DTI project onderzoekt astronauten en kosmonauten (respectievelijk Europese en Russische astronauten) vlak voor en vlak na hun ruimtemissie op verschillende tijdspunten om zo niet alleen inzicht te krijgen in de directe veranderingen op hersenniveau na de ruimtevlucht maar ook om te kunnen onderzoeken of deze veranderingen zich normaliseren eens terug op aarde of deze blijvend zijn. De bevindingen van dit onderzoek zouden niet alleen leiden tot een beter begrip van het effect van gewichtsloosheid op het menselijke brein, maar kunnen ook een aanzet geven tot het ontwikkelen van efficiëntere en adequatere countermeasures.

Diffusie tensor imaging, een manier om de witte stof banen (ook wel “tracts” genoemd) in de hersenen te onderzoeken. Elke kleur komt overeen met een richting van de tracts; rood is voor links-rechts, blauw is boven-onder en groen is voor-achter. (Bron: dr. Ben Jeurissen (Vision Lab, University of Antwerp))

“Ik ga naar Mars en ik neem mee…”

We kunnen er de laatste tijd niet onderuit, iedereen heeft het er over: een ruimtereis naar Mars! De media loopt er vol van, al zijn er nog veel tegenstanders (voornamelijk uit wetenschappelijke hoek). Niet omdat die experten zozeer tegen het idee zijn om mensen naar de Rode Planeet te sturen, hun tegenkanting komt er door het feit dat we nog niet genoeg kennis hebben (op medisch en technisch vlak) om dit op een veilige manier te doen. Eén van de initiatieven die hierin past is de geplande 1-jaar missies naar het ISS (normaliter duurt een verblijf in het ISS nu 6 maanden). Door astronauten langer in de ruimte te sturen, kunnen de langdurige effecten van een ruimtevlucht op de verschillende fysiologische systemen bestudeert worden. Eind maart 2015 vertrekken er één Amerikaan en één Rus en ze komen (ongeveer) 365 dagen later terug naar aarde. NASA heeft bovendien gezorgd voor een uniek leermodel: een tweelingenexperiment! Ze sturen één van de tweelingbroers de ruimte in voor 1 jaar terwijl de andere (tevens ook een astronaut) aan de grond blijft en fungeert als controlepersoon. Aangezien beide broers bijna identiek hetzelfde DNA hebben, kunnen ze heel precies onderzoeken wat nu juist het effect van de ruimte is, zonder hierbij teveel rekening te moeten houden met individuele verschillen. Men hoopt hiermee al een eerste grote stap te zetten richting Mars.

Een ander initiatief dat een wel heel grote stap richting Mars wil zetten is MarsOne19. MarsOne is een privé initiatief uit Nederland en hun plan is om bemande missies naar de Rode Planeet te sturen vanaf 2024 (vanaf dan willen ze elke 2 jaar 4 mensen sturen). De geselecteerde “astronauten” krijgen dus een one-way ticket naar Mars (er is geen optie om terug te keren wegens te duur) en ze moeten volledig zelf voorzien in alle behoeften. Interessant weetje nummer 1: een enkel kaartje naar Mars zou 6 miljard US dollar kosten (volgens hen), terwijl dit volgens NASA 100 miljard US dollar is. Benieuwd wie het bij het rechte eind heeft! Interessant weetje nummer 2: de selectie zou volgens de laatste berichten gebeuren via een TV-show, met andere woorden jij en ik kunnen vanuit onze luie zetel beslissen wie geschikt is om deze zeer complexe missie aan te vatten. Bovendien duiken er recente geruchten op dat het hele project een hoax zou zijn, dus het valt nog af te wachten hoe ver ze effectief zullen geraken.

MarsOne wil in 2024 starten met bemande missies naar Mars om daar een menselijke kolonie te bouwen. Hun plan is om vanaf dan elke 2 jaar 4 mensen naar Mars sturen met een one-way ticket. Er zijn serieuze bedenkingen op het vlak van technische en financiële haalbaarheid van het project. Bovendien kanten heel veel ruimtewetenschappers kanten zich tegen dit idee en spreken ze van een zelfmoordmissie.

“Are we there yet?”

… nog niet echt! Private initiatieven zoals MarsOne zijn niet echt realistisch en bovendien in dit stadium (als het ware een zelfmoord missie) ethisch onverantwoord. De kans is bijgevolg dus ook erg klein dat ze erin zullen slagen om mensen naar de Rode Planeet te sturen in 2024 maar desalniettemin is ruimtevaart onderzoek dezer dagen wel erg gefocuts op deze toekomstige plannen. De kans dat we als species ooit voet zullen zetten op een andere planeet is erg groot, maar dit zal ons meer tijd en voornamelijk meer onderzoek kosten. Misschien kan dit in 20, 50 of 100 jaar, wie weet?

Referenties

1. Stein TP. Weight, muscle and bone loss during space flight: Another perspective. Eur J Appl Physiol. 2013;113:2171-2181.
2. Lackner JR, DiZio P. Space motion sickness. Exp Brain Res. 2006;175:377-399.
3. Taibbi G, Cromwell RL, Kapoor KG, Godley BF, Vizzeri G. The effect of microgravity on ocular structures and visual function: a review. Surv Ophtalmol. 2013;58(2):155-163.
4. Aubert AE, Beckers F, Verheyden B. Cardiovascular function and basics of physiology in microgravity. Acta Cardiol. 2005;60:129-151.
5. Miller JD, McMillen BA, Murakami DM, McConnaughey MM. Effects of Weightlessness on Receptors in Selected Brain Areas. Physiologist. 1985;28: S203.
6. Miller JD, McMillen BA, McConnaughey MM et al. Effects of Microgravity on Brain Neurotransmitter Receptors, Euro. J Pharm. 1989 161:165.
7. Morey-Holton E, Tischler M. eds., NASA Workshop on Biological Adaptation: NASA Technical Memorandum 89468, Ames Research Center, California (1988).
8. Horowitz JM, Horwitz BA. The Effects of Gravitational Fields On Neural Signaling in the Hippocampus. In 1988-89 NASA Space / Gravitational Biology Accomplishments, NASA Technical Memorandum 4160 edited by T. Halstead, NASA Office of Space Science and Applications, Washington, DC (1990).
9. Burgess N, Maguire EA & O’Keefe J. The human hippocampus and spatial and episodic memory. Neuron. 2002;35:625-641.
10. Rolls, E. Neurophysiology and cognitive functions of the striatum. Révue Neurologique. 1994;150(8–9): 648–660.
11. Marušič U, Meeusen R, Pišot R, Kavcic V. The brain in micro- and hypergravity: The effects of changing gravity on the brain electrocortical activity. Eur J Sport Sci. 2014:1–10.
12. Monk TH, Buysse DJ, Billy BD, Kennedy KS, Willrich LM. Sleep and circadian rhythms in four orbiting astronauts. J. Biol. Rhythms 1998, 13, 188–201.
13. Cheron G et al. Effect of gravity on human spontaneous 10-Hz electroencephalographic oscillations during the arrest reaction. Brain Res. 2006;1121: 104-116.
14. Schneider S, Brümmer V, Carnahan H, Dubrowski A, Askew CD, Strüder HK. What happens to the brain in weightlessness? A first approach by EEG tomography. Neuroimage. 2008;42:1316-1323.
15. Van Ombergen A, Jeurissen B, Loeckx D, et al. Neuroplasticity in astronauts and patients with vestibular lesions studied with novel MRI methods: proof of concept. In: 19th IAA Humans in Space: linking the challanges of space exploration with medicine on Earth. Cologne, Germany; 2013.
16. Clément G, Ngo-Anh JT. Space physiology II: Adaptation of the central nervous system to space flight-past, current, and future studies. Eur J Appl Physiol. 2013;113:1655-1672.
17. Ashburner J, Friston KJ. Voxel-based morpometry: the methods. NeuroImage. 2000;11:805-821.
18. Basser PJ, Mattiello J, LeBihan D. MR diffusion tensor spectroscopy and imaging. Biophys J. 1994;66: 259-267.
19. www.mars-one.com