宇航员的大脑会因长期太空任务而“重新连接”

在地球上,我们的大脑会随着年龄的增长而发生变化。但是,如果是在太空中待了很长一段时间后,人类的大脑又会发生什么呢?

在欧洲空间局(ESA)和俄罗斯航天国家集团合作进行的一项新研究中,研究人员探索了宇航员的大脑在往返太空前后会如何变化。他们的研究结果展示了大脑如何适应太空飞行,并指出宇航员的大脑变化几乎可以描述为 ” 重新连接 “,包括流体移动和形状都发生了变化。研究人员还发现,这些变化可能会在返回地球之后持续长达数月,研究小组观察到的这种奇怪的大脑变化 ” 非常新颖,非常出乎意料 “。

如何研究太空中的大脑?

在这项研究中,国际研究团队对 12 名男性宇航员在飞往国际空间站之前和之后的大脑情况进行了分析。他们还观察了这些宇航员返回地球 7 个月后的大脑。所有参与这项研究的宇航员都参加了长时间的太空飞行——平均时间为 5 个半月,即 172 天。

研究团队最初关注的是神经可塑性,以了解大脑如何适应太空飞行,此外也关注了宇航员大脑内部的连接性。

宇航员大脑的结构分析已经完成,但连接性研究还没有,通过关于大脑连接性的论文,终于接近找到有关神经可塑性的答案。为了实现这一目标,研究团队使用了一种称为白质纤维束成像(tractography)的大脑成像技术。这是一种三维重建技术,使用磁共振弥散成像(dMRI)的数据,来扫描并研究大脑的结构和连接。

白质纤维束成像技术提供了某种大脑连接的方案。研究首次使用了这种特殊的方法,来检测太空飞行后大脑结构的变化。

核磁共振数据还可以告诉研究人员更多关于受试宇航员大脑的信息。大脑的灰质就像个人电脑的微处理器,而白质则类似于类似个人电脑主板上所有处理单元之间的连接线路。核磁共振技术可以从灰质和白质的层面上进行结构观察,同时还可以观察大脑中的液体,即脑脊液。

大脑发生了什么变化?

在经历太空飞行之后,这些结构似乎被改变了,这主要是由于在太空中发生的液体移动所引起的形变。有趣的是,研究团队还发现灰质和白质在太空飞行后都有所增加。在大脑中,白质可以促进灰质之间,以及灰质与身体其他部分之间的沟通。

除了这种液体转移,研究团队还注意到大脑的形状变化,特别是在胼胝体,这是大脑中最大的白质带,可以看作是一大束神经纤维(约包含 2 到 2.5 亿个神经纤维)。大脑两个半球间的通信大多数是通过胼胝体进行的,类似于 ” 连接大脑两个半球的中央高速公路 “。

此前,研究者认为太空飞行可能会导致胼胝体本身发生结构变化。但研究团队发现,胼胝体附近的脑室实际上是扩张的,这改变了胼胝体周围区域的神经组织,从而改变了它的形状。脑室是大脑中产生并储存脑脊液的腔隙结构,而脑脊液是包围大脑和脊髓的一种透明体液,是一种含有微神经胶细胞的纯生理盐水,主要用作对大脑皮质的机械性缓冲。

研究人员还 ” 发现大脑几个运动区之间的神经连接发生了变化,” 运动区是大脑的中枢,是发出运动指令的地方,与地球相比,宇航员在太空的失重状态下,需要大幅度调整自己的运动策略。研究表明,大脑被重新连接了。从之前的研究中,这些运动区在太空飞行后显示出了适应的迹象。现在有初步迹象表明,这种适应性也反映在这些区域之间的联系上。

不过,这些变化并不会在宇航员返回地球后立即被注意到的。在宇航员们着陆 7 个月后,研究人员对他们进行了脑部扫描,发现大脑的这些变化依然存在。

我们能做些什么?

事实上,这项研究属于一个更大的研究领域。现在,越来越多研究者正在探索太空飞行,特别是长时间太空旅行对人体的影响。这项研究的结果并不意味着我们完全理解了这一课题,但确实提供了一些新的见解,揭示了大脑会如何受到影响。利用这些信息,研究人员可以更好地保护前往太空执行任务的宇航员。

研究表明,有必要采取对策,以确保大脑的液体转移和形状变化控制在一定限度,可以通过某些方法来降低这些影响,方法之一便是人工重力。理论上,人工重力是由惯性力产生的,可以复制重力的感觉,就像我们在地球上体验到的重力感一样。这是科幻小说中常见的情节,而近年来,已经有科学家开始将这一概念变为现实。

在空间站或飞往火星的火箭上使用人工重力,有很大可能解决大脑液体的转移问题,电影《2001 太空漫游》中的旋转轮空间站就是一个很好的例子。这实现起来很复杂,但这可能是一条可行之路。未来的研究将会告诉我们答案,这项研究的详细结果发表在 2 月 18 日的《神经回路前沿》(Frontiers in Neural Circuits)杂志上。

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