Космическая индустрия вовсю развивается и диктует необходимость изучать воздействия окружающей среды на организм космонавтов. Делают это в модельных экспериментах, благо микрогравитацию имитировать учёные уже научились.
Больше всего нас интересует, конечно же, мозг. Например, в работе немецких учёных, опубликованной в PLoS One, выяснены морфологические и физиологические изменения в зрелых нейронах и нейронных сетях под действием симулированной микрогравитации различной продолжительности.
Основных факторов, оказывающих влияние на организм человека в космосе, два: радиация и отсутствие гравитации. Каждый из них уже исследован в серии экспериментов.
Необходимость же этой работы возникла из-за того, что у космонавтов наблюдались зрительные нарушения, тошнота, нервно-мышечная слабость и головные боли. Причины таких нарушений пока неизвестны, но они могли сохраняться в течение длительного времени.
Без гравитации
В этом эксперименте культура мышиных нейронов сначала выращивалась в течение 10 дней до состояния плотной сети, а затем помещалась в устройство, имитирующее микрогравитацию, на разное время: краткосрочное позиционирование (1 час), среднее (24 часа) и долгосрочное (10 дней). После этого оценивались уровень плотности сети, морфология клеток, их подвижность и состояние цитоскелета.
Реакции нейронов оказались разнообразными: у длительно экспонированных нейронов выявлена более глубокая адаптация. В общем-то сохранив функциональные особенности, им пришлось снизить как площадь сети в целом, так и отдельно взятых нейронов (на 24 процента), в то время как у нейронов, подвергавшихся микрогравитации в течение 24 часов, уменьшилась площадь каждой отдельной клетки на 14 процентов. А вот длина нейрона страдала только при кратко- и среднепродолжительном эксперименте, в группе длительной экспозиции такого выявлено не было.
По-видимому, это свидетельствует о том, что сначала нейроны испытывают довольно тяжёлые в функциональном плане перестройки, но затем адаптируются к ним, сохраняя большую часть функциональных особенностей и связей. Ведь то же самое касалось и плотности сети – при короткой и среднепродолжительной гравитации её плотность уменьшалась, а при долгосрочной уже наблюдалось адаптивное увеличение плотности. Плотность этой сети была выше, чем у подверженных непродолжительной микрогравитации клеток, но ниже изначального уровня.
Несмотря на то, что нейрональные изменения ярче всего выражались в группах с малым временем экспозиции, более адаптированным «долгим» нейронам требовалось и больше времени для возвращения в исходное состояние после окончания эксперимента — «возвращения на Землю»
С «щепоткой» радиации
В другом эксперименте смоделировали уже оба фактора – к микрогравитации добавилась хроническая радиация. Исследование также опубликовано в PLoS One, на этот раз совместными усилиями исследователей из Бельгии и Италии.
Культуру зрелых мышиных нейронов подвергали воздействию микрогравитации после хронического облучения Калифорнием-252 или острого рентгеновскими лучами. Острое облучение низкими дозами (0,1 Гр) вызывало задержку роста отростков клеток и уменьшение размера тела нейрона, при том, что нейроны – одни из наиболее радиорезистентных клеток в организме.
Что интересно, острое облучение высокой дозой повышало выживаемость нейрона. Воздействие микрогравитации же вызывало эффект суммации – наиболее яркий результат фиксировался у клеток, подвергшихся действию обоих факторов. Одного удаления нейронов из моделируемой микрогравитации в течение 24 часов не хватало для восстановления длины отростков, тогда как размер тела продемонстрировал чёткую повторную адаптацию к нормальным земным условиям.
Геномный анализ экспрессии генов подтвердил изменение в тех генах, которые участвовали в расширении отростков, выживании клеток и синаптической коммуникации. Предполагается, что все эти изменения могут нести ответственность за наблюдаемые морфологические эффекты. В целом они могут помочь лучше оценить риски для здоровья космонавта.
На уровне целого мозга
Напоследок поговорим о макро-изменениях в мозге астронавтов, которые выявлялись с помощью фМРТ. Результаты учёные опубликовали в New England Journal of Medicine.
С помощью этого метода сравнили 16 томограмм астронавтов, которые пробыли в космосе недолго, и 18 тех, кто провёл там продолжительное время. Выяснилось, что у 17 из 18 астронавтов, которые пробыли в космосе длительное время (в среднем 164 дня), сужалась передняя центральная извилина – область коры, отвечающая за стереотипные движения периферических мышц (лица, тела и конечностей). У тех, кто провёл в полёте мало времени (в среднем 13 дней), такие изменения выявлялись в 3 случаях из 16.
Из тех, кто пребывал в долгосрочном полёте, у троих также обнаруживался отёк зрительного диска. Вероятно, именно в связи с этим и наблюдалось ухудшение зрения космонавтов после полётов. Также отмечалось уменьшение пространства между мозгом, его оболочками и черепом.
Собранные вместе, эти наблюдения отражают тот факт, что из-за отсутствия гравитации происходит перераспределение спинно-мозговой жидкости: попросту говоря, мозг космонавтов отекает из-за увеличенного притока СМЖ «наверх». К чему это может привести в долгосрочной перспективе и при более длительных полётах, покажут дальнейшие исследования.
О других, реальных и потенциальных, рисках длительного пребывания в космосе можно прочитать в других наших публикациях (1, 2, 3 и 4.)
Текст: Дарья Тюльганова