چه بلایی سر مغز در فضا می‌آید؟ چالش بزرگ سفرهای فرامون

سفر به فضا، ساختار و عملکرد مغز فضانوردان را دچار اختلال می‌کند؛ پدیده‌ای که می‌تواند یک چالش بزرگ و حیاتی برای مأموریت‌های فضایی فراتر از مدار ماه باشد.

به گزارش بخش اخبار علمی زوم تک به نقل از منبع خبر بی‌بی‌سی (BBC)، با پشت سر گذاشتن حدود چهار میلیارد سال تکامل، بدن انسان‌ها به بهترین شکل ممکن برای زندگی در شرایط گرانش نرمال زمین سازگار شده است. با این حال، در آغاز عصر فضا، ترس‌های عمیقی درباره این موضوع وجود داشت که با خروج از زمین و تجربه بی‌وزنی چه اتفاقی برای ما رخ خواهد داد. آیا خون ما لخته می‌شود؟ استخوان‌هایمان خرد می‌شوند؟ یا مغز ما در شرایط میکروگرانش (Microgravity) منفجر خواهد شد؟

تغییرات فیزیکی شگفت‌انگیز بدن انسان در فضا

در اواخر دهه ۱۹۵۰، مجموعه‌ای از پروازهای فضایی با موش‌ها، عنکبوت‌ها و در نهایت سگ‌ها ثابت کرد که حیوانات می‌توانند در فضا زنده بمانند. وقتی نوبت به انسان‌ها رسید، ما نشان دادیم که نه تنها می‌توانیم در فضا زنده بمانیم، بلکه می‌توانیم با شرایط آن سازگار شویم.

لوکا پارمیتانو (Luca Parmitano)، فضانورد آژانس فضایی اروپا (ESA)، در سال ۲۰۱۹ و در طول تمرینات خود برای دومین مأموریت طولانی‌مدت در ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) گفت: «یک فرآیند سازگاری وجود دارد که از بسیاری جهات شبیه به یک دگرگونی بیولوژیکی کامل است. پس از چند هفته، بدن شما با آنچه روی زمین بود متفاوت می‌شود؛ شما تغییر بدن خود را می‌بینید و حس می‌کنید، پاهایتان لاغرتر می‌شوند و صورتتان گرد و پف‌آلود می‌شود.»

پارمیتانو، خلبان آزمایش‌کننده سابق نیروی هوایی ایتالیا، اخیراً برای سومین مأموریت فضایی خود به عنوان یکی از چهار خدمه مأموریت آرتمیس ۳ (Artemis III) انتخاب شده است. این پرواز چالش‌برانگیز که قرار است در سال ۲۰۲۷ پرتاب شود، فرودگرهای ماه و لباس‌های فضایی را برای بازگشت انسان به ماه در مدار زمین آزمایش خواهد کرد.

پارمیتانو می‌گوید: «یکی از دلایل موفقیت نوع بشر روی زمین، قابلیت بالای ما در سازگاری است. اما دیدن تغییرات فیزیکی که در طول چند هفته در فضا رخ می‌دهد، واقعاً مرا شگفت‌زده کرد؛ اینکه چقدر احساس متفاوتی داشتم و چقدر راحت بدن جدیدم با محیطی که در آن بودم سازگار شد.»

تأثیر مخرب بی‌ وزنی بر استخوان‌ ها و ماهیچه‌ ها

سختی‌ها و آسیب‌های پروازهای فضایی بر بدن انسان – از تحلیل رفتن عضلات گرفته تا پوکی استخوان و انسداد سینوس‌ها – در طول حدود ۷۰ سال گذشته از زمان اولین پرتاب انسان به مدار، به خوبی مستند شده است. با این حال، آنچه کمتر شناخته شده، تأثیرات شگفت‌انگیز گرانش صفر (Zero-gravity) بر مغز انسان است.

در فضا، بدن ما دیگر نیازی به غلبه بر نیروی گرانش برای هر حرکت یا اقدامی ندارد. در نتیجه، استخوان‌هایی که وزن ما را تحمل می‌کنند و ماهیچه‌هایی که برای بلند کردن، راه رفتن و دویدن استفاده می‌کنیم، شروع به تحلیل رفتن می‌کنند. تنها پس از چند روز حضور در فضا، استخوان‌ها کلسیم خود را از دست می‌دهند و عضلات شروع به تخریب می‌کنند که این تغییرات شامل قلب نیز می‌شود. دلیل اینکه فضانوردان تمایل به داشتن صورت‌های پف‌کرده دارند نیز این است که مایعات بدن دیگر توسط گرانش به سمت پایین کشیده نمی‌شوند و در قسمت بالایی بدن تجمع می‌یابند.

اگر فضانوردان بقیه عمر خود را در فضا سپری می‌کردند، این موضوع مشکلی ایجاد نمی‌کرد؛ اما اگر بخواهند با وضعیت فیزیکی مناسب به زمین بازگردند، باید یک رژیم ورزشی بسیار سخت را دنبال کنند. به طور معمول، این برنامه شامل دو ساعت ورزش روزانه در باشگاه ایستگاه فضایی بین‌المللی است. با این حال، حتی پس از شش ماه حضور در فضا، آن‌ها پس از بازگشت با برانکارد از کپسول خارج می‌شوند و تا چهار سال طول می‌کشد تا تراکم استخوان‌های آن‌ها به حالت عادی بازگردد.

اما موضوعی که بسیار کمتر مورد درک قرار گرفته، اتفاقاتی است که در این مدت در مغز فضانوردان رخ می‌دهد و این امر می‌تواند یک فاجعه بزرگ برای آینده نجوم باشد.

بدون یک مغز کارآمد، مأموریت‌های فضایی بی‌ارزش هستند

آلساندرو آلسیبیاد (Alessandro Alcibiade)، پزشک پرواز آژانس فضایی اروپا می‌گوید: «مغز احتمالاً مهم‌ترین ارگان در بدن ماست. اگر یک مغز کارآمد و سالم را با خود به فضا نبرید، تمام این مأموریت‌های گران‌قیمت کاملاً بی‌ارزش خواهند بود.»

تحقیقات در مورد تأثیرات سفر فضایی بر مغز تاکنون به آزمایش‌هایی روی تعداد کمی از فضانوردان در مأموریت‌های طولانی‌مدت محدود بوده است. به عنوان مثال، اسکات کلی (Scott Kelly) یک سال را در ISS گذراند، در حالی که برادر دوقلوی فضانوردش، مارک، روی زمین ماند. در مطالعه‌ای که انجام شد، محققان دریافتند توانایی‌های شناختی اسکات در طول مأموریت در مقایسه با مارک تغییر چندانی نکرده، اما تا حدود شش ماه پس از فرود روی زمین کاهش یافته است.

اکنون، تحقیقات جدیدی که در ژورنال Frontiers in Psychology توسط دانشمندان دانشگاه بیرکبک لندن منتشر شده، نتایج حاصل از ۱۵ مطالعه تصویربرداری مغزی شامل حدود ۳۷۷ شرکت‌کننده را تجمیع کرده است. این افراد شامل فضانوردان و همچنین داوطلبان شبیه‌سازی پروازهای فضایی روی زمین (مانند مطالعات استراحت مطلق در تخت) بودند.

با ترکیب همه این داده‌ها، تیم تحقیقاتی بیرکبک معتقد است تغییراتی را که در مغز هنگام مواجهه با میکروگرانش رخ می‌دهد، شناسایی کرده است.

انعطاف‌ پذیری عصبی؛ سیم‌کشی مجدد مغز در فضا

الیسا رافائلا فره (Elisa Raffaella Ferrè)، استاد علوم اعصاب شناختی در دانشگاه بیرکبک لندن می‌گوید: «این یک انعطاف‌پذیری عصبی (Neuroplasticity) شگفت‌انگیز است؛ ما دریافتیم که هم تغییرات ساختاری و هم عملکردی در مغز رخ می‌دهد. ما مجموعه‌ای از نواحی مغزی را شناسایی کرده‌ایم که در غیاب گرانش دچار دگرگونی می‌شوند.»

بنابراین، درست همانطور که بدن در فضا تغییر می‌کند، تحقیقات نشان می‌دهد که مغز نیز خود را از نظر فیزیکی با نبود گرانش وفق می‌دهد و خود را برای محیط جدید بازنویسی و سیم‌کشی مجدد می‌کند.

سیلویا سگزی (Silvia Seghezzi)، یکی از نویسندگان این مقاله علمی می‌گوید: «ما شاهد تغییراتی در بخش‌هایی از مغز هستیم که حرکت، تعادل و آگاهی بدنی را کنترل می‌کنند. ما همچنین تغییراتی را در بخش اوپرکولوم (Operculum) مغز مشاهده کردیم؛ جایی که تمام این سیگنال‌های حسی به هم می‌رسند و می‌توانند به صورت چندحسی پردازش شوند.»

انسان‌ ها با حسگرهای داخلی گرانش متولد می‌شوند

این یافته‌ها به این معنی است که مغز ما برای حس کردن گرانش تکامل یافته است. پروفسور فره می‌گوید: «ما گرانش را به همان شیوه‌ای که تغییر در رنگ، نور، دما یا صداها را درک می‌کنیم، حس نمی‌کنیم. اما گرانش ویژگی ثابتی از محیط است که مغز ما به طور مداوم در حال دریافت و پردازش اطلاعات آن است.»

او اضافه می‌کند: «اگر بخواهیم نگاهی علمی‌تر داشته باشیم، می‌توانید به گرانش به عنوان اولین سیگنالی که جنین در حال رشد دریافت می‌کند نگاه کنید؛ بنابراین مغز ما بر اساس تشخیص گرانش ساخته شده است.»

فره برای توضیح این موضوع، مثال برداشتن یک فنجان قهوه را مطرح می‌کند. او توضیح می‌دهد که ما این کار را بدون هیچ تلاشی انجام می‌دهیم، زیرا مغز ما به طور خودکار گرانش زمین را جبران کرده و ماهیچه‌های ما را بر همان اساس حرکت می‌دهد. در فضا، اگر مغز خود را با شرایط جدید تطبیق ندهد، فضانوردان با مشکلات حرکتی شدیدی مواجه خواهند شد.

خطرات هولناک تغییر گرانش در سفر به مریخ

چالش اصلی زمانی رخ می‌دهد که فضانوردان بخواهند بین سطوح مختلف گرانش جابجا شوند. به عنوان مثال، نگاهی به فضانوردان مأموریت آپولو بیندازید که روی سطح ماه راه می‌رفتند. فیلم‌ها نشان می‌دهند که آن‌ها چقدر در حفظ وضعیت بدنی درست ضعیف بودند؛ این موضوع تنها به خاطر سنگین بودن لباس‌های فضایی نبود، بلکه به این دلیل بود که تمام سیستم تعادل و جابجایی آن‌ها به دلیل نبود گرانش زمین تغییر کرده بود.

در طول ۵۰ سال گذشته، این موضوع مشکل بزرگی نبود؛ زیرا فضانوردان پس از بازگشت به زمین، فوراً تحت مراقبت و توانبخشی پزشکان قرار می‌گرفتند. اما در مأموریت‌های طولانی‌مدت آینده به مقصد مریخ که ناسا و چین در سر می‌پرورانند، داستان متفاوت است.

در مأموریت مریخ، پس از حدود هشت ماه سفر در فضا، خدمه چنان با میکروگرانش سازگار می‌شوند که حتی خارج شدن از فضاپیما در گرانش مریخ (که تقریباً یک‌سوم زمین است) می‌تواند یک چالش مرگبار باشد. در حالی که ماهیچه‌ها و استخوان‌های آن‌ها با ورزش روزانه حفظ می‌شوند، مغزی که آن‌ها را کنترل می‌کند ممکن است آماده نباشد. این تغییر گرانش ناگهانی می‌تواند گیج‌کننده و خطرناک باشد؛ آن هم در شرایطی که به دلیل فاصله زیاد، ارتباط زنده و آنی با زمین وجود ندارد و آن‌ها باید در لحظه فرود، تصمیمات حیاتی بگیرند.

راه‌ حل‌ های علمی؛ از جاذبه مصنوعی تا تحریک الکتریکی مغز

راه‌حل‌های علمی-تخیلی برای این مشکل (برای مثال در فیلم‌های اودیسه فضایی یا مریخی) معمولاً ساخت فضاپیماهایی با یک چرخ غول‌پیکر یا سانتریفیوژ برای شبیه‌سازی گرانش بوده است.

آلسیبیاد، پزشک آژانس فضایی اروپا با این ایده موافق است: «این بهترین راه‌حل خواهد بود؛ چرا که از کاهش توده استخوانی و عضلانی جلوگیری کرده و به حفظ شرایط بهینه مغز کمک می‌کند. اما چرا این کار را انجام نمی‌دهیم؟ چون هزینه بسیار سنگینی دارد. در صنایع فضایی، همه چیز به جرم و وزن بستگی دارد و جرم بیشتر یعنی پول بیشتر.»

به همین دلیل، پروفسور فره در حال توسعه تکنیک‌های جدیدی است که در آن از جریان‌های الکتریکی کوچک برای تحریک نواحی کلیدی مغز که گرانش را حس می‌کنند، استفاده می‌شود تا انعطاف‌پذیری و سازگاری مغز را افزایش دهد.

او مطمئن است که دانشمندان راهی برای غلبه بر اثرات تغییرات گرانش پیدا خواهند کرد، اما در عین حال تأکید می‌کند که این تحقیقات دریچه فوق‌العاده‌ای را برای شناخت بهتر مغز انسان، حتی برای کسانی که روی زمین زندگی می‌کنند، باز کرده است.