Войти
Космическая неврология - это научное исследование функций центральной нервной системы (ЦНС) во время космический полет. Живые системы могут интегрировать входные данные от органов чувств для навигации в окружающей среде и для координации позы, передвижения и глаза движения. Гравитация играет фундаментальную роль в управлении этими функциями. В невесомости во время космического полета сложнее интегрировать сенсорные сигналы и координировать двигательные реакции, поскольку гравитация больше не ощущается во время свободного падения. Например, отолит органы вестибулярной системы больше не сигнализируют о наклоне головы относительно силы тяжести, когда стоит. Однако они все еще могут ощущать движение головы во время движения тела. Неопределенность и изменения в том, как обрабатывается гравитационный вход, могут привести к потенциальным ошибкам в восприятии, которое влияет на пространственную ориентацию и ментальное представление. Нарушения функции вестибулярной системы обычны во время и сразу после космического полета, такие как космическая болезнь движения на орбите и нарушение равновесия после возвращения на Землю.
Адаптация к невесомости включает не только функции сенсорно-моторной связи, но и некоторые функции вегетативной нервной системы. Нарушения сна и ортостатическая непереносимость также распространены во время и после космического полета. В невесомости нет гидростатического давления. В результате перераспределение биологических жидкостей в направлении верхней части тела вызывает уменьшение объема ноги, что может повлиять на мышцы вязкость и податливость. Повышение внутричерепного давления также может быть причиной снижения почти остроты зрения. Кроме того, мышечная масса и сила уменьшаются в результате уменьшения нагрузки при невесомости. Более того, около 70% космонавтов в той или иной степени испытывают космическую болезнь движения в течение первых дней. Лекарства, обычно используемые для борьбы с укачиванием, такие как скополамин и прометазин, обладают снотворным действием. Эти факторы могут привести к хронической усталости. Задача интегративной космической медицины и физиологии состоит в том, чтобы исследовать адаптацию человеческого тела к космическому полету в целом, а не только как сумму частей тела, поскольку все функции тела связаны и взаимодействуют друг с другом.
Космическая неврология - это научное исследование центральной нервной системы функции во время и после полета человека в космос.На сегодняшний день только три страны, США, Россия и Китай, имеют возможность запускать людей на орбиту. Однако 520 астронавтов из более чем тридцати разных стран летали в космос, и многие из них участвовали в исследованиях космической неврологии . Запуск первого живого животного на орбиту на Спутнике 3 ноября 1957 г. положил начало богатой истории уникальных научных и технологических достижений в космосе наук о жизни, которые охватили более чем пятьдесят лет до настоящего времени.
Первые задокументированные эксперименты в области космической неврологии были выполнены во время третьего полета человека на борту российского космического корабля Восток. Эти эксперименты начались после того, как экипаж из предыдущих миссий пожаловался на тошноту и пространственную дезориентацию в невесомости. Эксперименты в области космической нейробиологии обычно решали эти операционные проблемы, пока космические станции Skylab и Salyut не стали доступны для более фундаментальных исследований влияния гравитации на функции ЦНС. Приблизительно 400 экспериментов по космической неврологии было выполнено от Востока-3 в августе 1962 года до Экспедиции 15 на борту Международной космической станции в октябре 2007 года.
Сенсорные и сенсомоторные нарушения при выходе на низкую околоземную орбиту хорошо задокументированы, наиболее известным из них является космическая болезнь движения (SMS). Симптомы SMS вызывают индивидуальные различия, размер космического корабля и движения тела. Обычно в течение первых трех или четырех дней невесомости симптомы варьируются от головных болей и усталости до тошноты и рвоты. Последствия варьируются от простого дискомфорта до возможной потери работоспособности, создавая потенциальные проблемы во время внекорабельной деятельности, повторного входа в атмосферу и аварийного выхода из космического корабля. Тело в невесомости получает множество противоречивых сигналов от зрительных, сомато-сенсорных и вестибулярных органов. Считается, что эти противоречивые данные являются основной причиной SMS, но точные механизмы конфликта не совсем понятны. Лекарства, которые в настоящее время используются для облегчения симптомов, вызывают нежелательные побочные эффекты.
Астронавты должны сохранять бдительность и бдительность при работе со сложным оборудованием. Следовательно, получение достаточного количества сна является решающим фактором успеха миссии. Невесомость, замкнутая и изолированная среда и плотный график в сочетании с отсутствием регулярного 24-часового дня затрудняют сон в космосе. Астронавты обычно спят в среднем около шести часов каждую ночь. Кумулятивная потеря сна и нарушение сна могут привести к ошибкам в работе и несчастным случаям, которые представляют значительный риск для успеха миссии. Сон и циркадные циклы также временно изменяют широкий спектр физиологических, гормональных, поведенческих и когнитивных функций.
Изучаются методы предотвращения потери сна, уменьшения человеческой ошибки и оптимизации умственной и физической работоспособности во время длительного космического полета. Особые опасения включают влияние космической среды на когнитивные процессы более высокого порядка, такие как принятие решений, и влияние изменения силы тяжести на психические функции, что будет важно, если рассматривается искусственная гравитация. как контрмера для будущих межпланетных космических полетов. Также необходимо разработать технологии измерения реакции человека, чтобы оценить способность экипажа эффективно выполнять задачи по управлению полетом. Простые и надежные системы измерения поведенческих и психофизиологических реакций необходимы для оценки умственной нагрузки, стресса, выполнения задачи и осведомленности о ситуации во время космического полета.
Все живые организмы на Земле обладают способностью ощущать и реагировать на изменения во внутренней и внешней среде. Организмы, в том числе люди, должны точно чувствовать, прежде чем они смогут отреагировать, что обеспечит выживание. Тело воспринимает окружающую среду с помощью специализированных органов чувств. ЦНС использует эти ощущения для координации и организации мышечной активности, переключения из неудобных положений и правильной настройки баланса. В обычной речи обычно распознаются пять различных чувств : зрение, слух, запах, вкус и прикоснитесь к. На все эти чувства в некоторой степени влияет невесомость.
На самом деле человеческое тело имеет семь сенсорных систем, а не пять. Шестая и седьмая системы - это чувства движения, расположенные во внутреннем ухе. Первый сигнализирует о начале и конце вращения, а второй сигнализирует о наклоне тела относительно силы тяжести, а также о перемещении тела. Седьмая система больше не предоставляет информацию о наклоне в невесомости; однако он продолжает передавать сигналы, поэтому афферентные сигналы в ЦНС сбивают с толку. Опыт жизни и работы в космосе меняет способ интерпретации ЦНС сигналов отолитовых органов во время линейного ускорения. Хотя восприятие является довольно точным, когда субъекты подвергаются угловому ускорению в рысканье в полете, при угловом вращении в тангаж и крен, а также во время линейное ускорение по поперечной и продольной осям тела. Восприятие движения тела также изменяется во время этого же движения сразу после приземления. Существует адаптация к невесомости на орбите, которая переносится на реакции после полета на линейное ускорение.
Воздействие невесомости вызывает изменения сигналов от рецепторов к прикосновение, давление и сила тяжести, т.е. вся информация, необходимая для устойчивости позы. Адаптивные модификации центральной обработки сенсорной информации имеют место, чтобы вызвать двигательные реакции, соответствующие новой гравитационной среде. В результате в невесомости постепенно отказываются от наземных двигательных стратегий, поскольку астронавты приспосабливаются к невесомости. Это особенно верно для основных постуральных мышц нижних конечностей. Изменения в позе, движении и передвижении, приобретенные при пониженной гравитации, по возвращении не подходят для земной гравитации. После приземления постуральная нестабильность, приближающаяся к клинической атаксии, проявляется в результате этой нейронной реорганизации в полете.
Трудности с стоянием, ходьба, повороты по углам, подъем по лестнице и замедление походки переживаются по мере того, как астронавты повторно адаптируются к гравитации Земли, пока не будут полностью восстановлены земные двигательные стратегии. Адаптация к космическому полету также приводит к значительному увеличению времени, необходимого для преодоления полосы препятствий в день посадки, а восстановление функциональной подвижности занимает в среднем две недели. Эти трудности могут иметь неблагоприятные последствия для способности астронавтов вставать или выходить из транспортного средства во время аварийных ситуаций и эффективно функционировать сразу после выхода из космического корабля после полета. Таким образом, важно понять причину этих серьезных нарушений осанки и стабильности передвижения и разработать контрмеры.
Наиболее серьезные сенсомоторные проблемы, с которыми астронавты столкнутся во время пребывания на Луне и Марсе, могут возникнуть при ходьбе. в своих скафандрах. Костюмы большие и громоздкие, меняют центр тяжести тела. Это наряду с неровной местностью и ограниченным полем обзора затрудняет передвижение.
Функция вестибулярной системы во время космического полета на сегодняшний день изучена наиболее тщательно. Это особенно верно в отношении воспринимающих гравитацию отолитовых органов и их связи с движениями глаз. Функция вестибулярного полукружного канала кажется неизменной в условиях невесомости, поскольку горизонтальные движения глаз, которые компенсируют вращение головы рыскание, не зависят от космического полета. Отсутствие гравитационной стимуляции отолитов снижает торсионный вестибулоокулярный рефлекс при вращении головы кувырком в условиях микрогравитации. Этот дефицит отсутствует, когда астронавты подвергаются воздействию центробежных сил, что позволяет предположить, что адаптивные изменения ЦНС происходят центрально, а не периферически.
В течение первых дней на орбите наблюдается асимметрия вертикального взгляда. движения в ответ на движущиеся визуальные сцены инвертируются. Затем наблюдается возврат к симметрии вестибулоокулярных и оптокинетических рефлексов. Некоторые исследования показали увеличение латентности и снижение пиковой скорости саккад, в то время как другие обнаружили прямо противоположное. Вполне возможно, что эти противоречивые результаты зависят от того, когда были получены меры во время миссии. Существует также серьезное нарушение плавного движения глаз, особенно в вертикальной плоскости.
Полеты человека на Марс будут включать несколько переходов между различными гравитационными средами. Эти изменения в конечном итоге повлияют на рефлекторные движения глаз. Ключевой вопрос заключается в том, могут ли астронавты иметь разные наборы рефлексов, между которыми они могут быстро переключаться в зависимости от гравитационной среды. Определение двойных адаптивных возможностей рефлекторных движений глаз в таких обстоятельствах жизненно важно, чтобы можно было определить, в какой степени навыки сенсорно-моторной связи, приобретенные в среде одного g, будут передаваться другим.
Астронавт на борту Международной космической станции носит прикрепленный к голове дисплей для проведения эксперимента по космической неврологии, направленного на оценку изменений воспринимаемой глубины и расстояния. В невесомости астронавты должны гораздо больше полагаться на зрение, чтобы поддерживать свою пространственную ориентацию, потому что отолитовые органы больше не могут сигнализировать о направлении «вниз». Однако при длительном воздействии кажется, что доверие сдвигается в сторону внутренней вертикальной привязки тела. Ошибочные иллюзии самодвижения во время движений головы, выполняемых во время и после возвращения к земной гравитации, предположительно связаны с переинтерпретацией вестибулярных сигналов. Наземные исследования показывают, что ЦНС разрешает «наклон-перенос» неоднозначность на основе частотного содержания линейного ускорения, обнаруженного отолитом органами, с низкая частота, указывающая на «наклон», и высокая частота, указывающая на «перемещение». Кроссовер существует на частоте около 0,3 Гц, при этом отолитовые сигналы неоднозначны. Воздействие невесомости, по-видимому, приводит к сдвигу этой частоты кроссовера, что может затем способствовать пространственной дезориентации и SMS.
Хотя исследования высших когнитивных процессов, таких как навигация и умственное вращение ограничены, астронавты часто сообщают, что внутренности космического корабля выглядят длиннее и выше, чем они есть на самом деле, и в полете наблюдается уменьшение воспринимаемой высоты трехмерных объектов по сравнению с предыдущими. -полет, предполагающий изменение мысленного представления трехмерных сигналов в невесомости. Восприятие - это модель мозга, гипотеза о мире, которая предполагает законы движения Ньютона. Эти законы изменяются в невесомости, и, следовательно, можно ожидать изменений в мысленном представлении формы и расстояния объектов во время космического полета. Редкие исследования, проведенные до сих пор в космосе, не продемонстрировали кардинальных изменений, вероятно, потому, что ЦНС продолжает использовать внутреннюю модель гравитации, по крайней мере, на короткое время. Можно предположить, что способ обработки трех измерений будет более развитым после длительного отсутствия гравитационной привязки.
Дальнейшие исследования, проведенные в космосе, возможно, покажут, что другие высшие корковые функции нарушаются в условиях невесомости. Сочетание виртуальной реальности с измерением вызванных потенциалов и картированием мозга на борту Международной космической станции должно обеспечить захватывающие результаты в отношении адаптивных механизмов церебральных функций в невесомость.
От Восход до Международной космической станции космические корабли улучшились в размерах и комфорте, позволяя все больше и больше людей выходит на орбиту. Однако даже с учетом всего опыта пилотируемых космических полетов, накопленного за последние пятьдесят лет, не существует единой полностью эффективной контрмеры или комбинации контрмер против негативных последствий длительного пребывания в невесомости. Если бы сегодня экипаж астронавтов отправился в шестимесячное путешествие на Марс, то применяемые в настоящее время контрмеры, вероятно, сделают их менее работоспособными после приземления.
Многие считают, что физиологическая адаптация к гравитации Марса (0,38 G) и повторная адаптация к земной гравитации (1 G) будет улучшена за счет частого воздействия искусственной гравитации на борту космического корабля на пути к Марсу и обратно. Для этого потребуется бортовая центрифуга, рассчитанная на человека, или вращение космического корабля для создания центробежной силы, аналогичной гравитации. Это решение, хотя и потенциально эффективное, вызывает ряд эксплуатационных, инженерных и физиологических проблем, которые необходимо будет решить. Физиологические реакции человека на длительное воздействие чего-либо, кроме невесомости или земной гравитации, неизвестны. Необходимы исследования для определения минимального уровня, продолжительности и частоты уровня гравитации, необходимых для поддержания нормальных функций ЦНС, а также важности градиента силы тяжести по всему телу.
Комплекс функционирование ЦНС даже в среде 1-G Земли не раскрыло всех ее секретов. Необходимо ответить на самые простые вопросы космической неврологии, чтобы минимизировать риски и оптимизировать работу экипажа во время транзитных и планетарных операций. Результаты этого исследования, безусловно, найдут другое применение в медицине и биотехнологии. Наша способность понять, как гравитационная среда Земли сформировала эволюцию сенсорных и моторных систем, может дать нам более четкое представление о фундаментальных механизмах функций ЦНС. Знание о влиянии силы тяжести на функции ЦНС у людей, а также выяснение основных механизмов, с помощью которых возникают эти эффекты, будут иметь прямую пользу для понимания воздействия и обеспечения мер противодействия долгосрочному воздействию на людей невесомость космического полета и частичная гравитация баз Луна и Марс.
