"Het is spannend. Ik hou van dit spul!" zei Bashar Badran, doctoraat "Dit is zo leuk."

Niet veel onderzoekers krijgen de kans om te zweven, gewichtloos, 32, 000 voet boven de aarde. Wetenschappers van de Medical University of South Carolina doen meestal onderzoek in laboratoria - gecontroleerde omgevingen waar ze experimenten zorgvuldig kunnen herhalen om de resultaten te controleren. Maar met het oog op wat echte astronauten zouden kunnen ervaren in toekomstige ruimtereizen, een paar wetenschappers zijn onlangs de lucht in gegaan om hersenonderzoek te doen zonder zwaartekracht.

Neuroradioloog Donna Roberts, MD, en neurowetenschapper Badran werkten samen aan het project om transcraniële magnetische stimulatie uit te voeren, of TMS, op zichzelf en een groep vrijwillige assistenten, meestal van de afdeling Psychiatrie en Gedragswetenschappen van het MUSC College of Medicine.

Roberts heeft jarenlang bestudeerd hoe zwaartekracht en microzwaartekracht het menselijk brein beïnvloeden - in feite, dat was haar motivatie om medicijnen te gaan studeren. Dit experiment was in de eerste plaats een testcase om aan te tonen dat TMS veilig kan worden gebruikt in zwaartekracht en om de resultaten van deelnemers onder de zwaartekracht van de aarde te vergelijken met hun resultaten in zwaartekracht.

Tijdens een TMS-procedure een magnetische puls wordt door de schedel naar de hersenen gestuurd om elektrische activiteit te stimuleren. De puls is zeer gelokaliseerd - hij bereikt niet de hele hersenen. De TMS-beheerder plaatst een spoel over het hoofd van de proefpersoon; wanneer de duim van de proefpersoon trilt, de beheerder weet dat de TMS-spoel op de goede plek zit.

Hier op aarde, TMS is door de FDA goedgekeurd voor moeilijk te behandelen depressie. Wetenschappers van MUSC en elders onderzoeken ook het gebruik van TMS voor posttraumatische stressstoornis; om hunkeren naar en pijn te behandelen bij mensen die worden behandeld voor een stoornis in het gebruik van opioïden; en in fysieke en mentale revalidatie voor patiënten met een beroerte. Depressie kan een punt van zorg zijn voor mensen op langdurige missies ver van de aarde die niet verwachten jarenlang voet op vaste grond te zetten, en Roberts en Badran zeiden dat TMS een nuttig en ruimtebesparend hulpmiddel zou kunnen zijn voor langdurige ruimtemissies, in plaats van de medicijnen van een hele apotheek.

"Uiteindelijk, je wilt niet naar Mars of een interplanetaire missie met al deze medicijnen. En je kunt niet gemakkelijk een scheikundelab opzetten om ze allemaal te synthetiseren. Dus TMS zou een heel duidelijk, gemakkelijke oplossing voor neuropsychiatrische problemen. Dat is de lange 20-jarige visie, ' zei Badraan.

Het heeft ook het potentieel om astronauten cognitief in goede conditie te houden tijdens lange-termijnvluchten, zodat ze klaar zijn om aan het werk te gaan wanneer ze op de maan of de rode planeet landen.

Maar eerst, onderzoekers moeten uitzoeken hoe een "normale" aflezing in gewichtloosheid eruit zou moeten zien.

Het is al bekend dat medicijnen anders metaboliseren wanneer een persoon in de ruimte is. Astronauten die slaappillen slikken, bijvoorbeeld, met vallen en opstaan ​​de juiste dosering in de ruimte moeten uitzoeken, zei Roberts.

En Roberts' eerdere onderzoek, het vergelijken van de hersen-MRI's van astronauten voor en na een reis naar het internationale ruimtestation, toonde fysieke veranderingen in de hersenen die correleerden met veranderingen in de motorische vaardigheden en cognitieve prestaties van de astronauten.

"Als er een manier was om de hersenen op weg naar Mars in vorm te houden, dat zou erg handig zijn. Daarom is NASA geïnteresseerd in deze technologie. Maar om het in de ruimte te gebruiken, we moeten begrijpen, 'Is er een verschil in de manier waarop astronauten erop reageren hier op aarde versus in de ruimte?' net als het verschil dat ze ervaren in medicijnen. Dus daar was deze studie echt op gebaseerd, " ze zei.

En dit is waar de wetenschappers een beetje plezier konden hebben. Om TMS in gewichtloosheid te testen, ze zouden aan boord gaan van een speciaal vliegtuig van Zero Gravity Corporation, die zero gravity-vluchten biedt voor persoonlijk avontuur, mediaproducties en onderzoek.

Het vliegtuig, genaamd G-Force One, vliegt een reeks bogen, omhoog met 45 graden en dan terug naar beneden met 45 graden. Gedurende de korte 20 tot 30 seconden tussen omhoog en omlaag gaan, iedereen in het vliegtuig wordt gewichtloos. Alles wat niet is vastgeschroefd, drijft omhoog. En dat venster van slechts 20 tot 30 seconden was de tijd waarin Roberts en Badran hun TMS-test moesten uitvoeren.

Ze zouden in totaal 30 bogen hebben, of parabolen, werken met. Er waren 10 mensen in hun groep, verdeeld tussen mannen en vrouwen, en elke persoon moest de test minstens twee keer doen om een ​​goed monster te krijgen.

Maar eerst, er waren wat logistiek te overwinnen. In het labortorium, er kan veel gedoe zijn met de apparatuur om de spoel precies op de juiste plek op iemands hoofd te krijgen. Met zo'n kort venster voor het uitvoeren van de test in het vliegtuig, er zou geen tijd zijn om met de machines te spelen. Ze hadden een waterdichte manier nodig om ervoor te zorgen dat de spoel op het juiste moment op de juiste plaats zou zijn.

"We concentreerden ons allemaal echt op de kleine dingen, " zei Badran. "Deze studie was echt een eenmalige deal. De vlucht was voorgeboekt. Alles was ingesteld. We hadden een vaste startdatum, een vaste tijdsperiode om het experiment uit te voeren en alles moest perfect gaan - en alles draaide om het creëren van dit ding dat niet bestond. "Dus Badran pakte een motorhelm en een Dremel-zaag en ging aan het werk. Hij ontdekte dat hij kon plaats een TMS-spoel in een nis die hij in de helm heeft gesneden, maar het ding was te zwaar en wankel om praktisch te zijn.

Volgende, hij wendde zich tot het gebruik van glasvezel giettape, hetzelfde materiaal dat wordt gebruikt om afgietsels voor gebroken botten te maken. Elke deelnemer zat voor een fitting, en Badran maakte een lichtgewicht, duurzame helm die past bij het hoofd van het individu, met een bevestigingsgebied voor de TMS-spoel die ervoor zorgde dat de magnetische puls de juiste plek in de hersenen van die persoon zou bereiken - geen knutselen nodig.

Het vrijwilligersteam van Roberts en Badran bestond uit mensen van de afdeling Psychiatrie en Gedragswetenschappen met ervaring in het toedienen van TMS, omdat ze allemaal om de beurt zouden moeten zijn als zowel proefpersonen als beheerders. Ze wilden mensen die ongeveer zo oud waren als echte astronauten, dus de gemiddelde leeftijd was in de jaren '30.

"Iedereen die een vlieger was, ze konden niet alleen komen vliegen en plezier hebben. Ze maakten actief deel uit van het onderzoeksteam, te, ' zei Badraan.

Roberts en Badran wisten dat ze maar één kans hadden om het experiment te laten slagen. Deze vluchten zijn duur, en het grootste deel van de onderzoeksbeurs ging naar die kosten. In elke 20 tot 30 seconden gewichtloosheid, ze zouden de software op hun computers moeten starten, die een signaal naar de spoel zou sturen, registreer een duimbeweging en meld vervolgens dat de TMS heeft gewerkt. Als het geen duimbeweging registreerde, dan zou het systeem het vermogen vergroten en een ander signaal sturen totdat een duimbeweging werd geregistreerd. Maar mocht het helemaal niet lukken, ze zouden onmiddellijk problemen moeten oplossen - of de mogelijkheid onder ogen zien dat het hele experiment een complete mislukking wordt.

De MUSC-groep deelde de vlucht met drie andere organisaties die ruimteonderzoek uitvoeren. Omdat de TMS-machines stroom uit het vliegtuig trokken, Badran moest eerst een test op de grond doen, op volle kracht, om ervoor te zorgen dat ze het vliegtuig niet zouden overbelasten. Het was redelijk dichtbij, hij zei, maar de cockpitbemanning gaf hen groen licht. Dus gingen ze omhoog.

De handgemaakte helmen presteerden prachtig. Ze kregen ten minste drie metingen voor elke persoon, die ze konden vergelijken met meerdere metingen op de grond voor en na de vlucht. En als bonus het experiment was veel leuker dan je typische laboratoriumexperiment.

hun papier, gepubliceerd op 21 september in Natuur Microzwaartekracht , toont aan dat er minder elektromagnetisme nodig was in de zwaartekracht dan op aarde om een ​​duimtrekking te veroorzaken. Dat suggereert dat er neurofysische veranderingen plaatsvinden in de hersenen, maar er zijn verschillende mogelijke verklaringen, variërend van de hersenen die fysiek in de schedel verschuiven tot neuronen die sterker reageren op stimulatie. Er valt meer te leren, ze zeiden.

Het is een probleem dat Roberts na aan het hart ligt, zoals ze meermaals heeft betoogd, meest recentelijk in een opiniestuk in The Lancet Neurology, voor meer onderzoek naar hersenveranderingen bij ruimteverkenners.

Nadat we hebben aangetoond dat TMS mogelijk is zonder zwaartekracht, het team is goed toegerust om antwoorden op deze vragen te blijven vinden.