宇宙における神経科学

宇宙神経科学または宇宙神経科学は、宇宙飛行中の中枢神経系（CNS）機能を科学的に研究する分野です。生体システムは感覚からの入力を統合することで、環境内を移動し、姿勢、移動、眼球運動を調整することができます。重力はこれらの機能を制御する上で基本的な役割を果たしています。宇宙飛行中の無重力状態では、自由落下中に重力が感知されなくなるため、感覚入力を統合し、運動反応を調整することがより困難になります。例えば、前庭系の耳石器は、立っているときには重力に対する頭部の傾きを感知しなくなります。しかし、体の動き中の頭部の移動は依然として感知できます。重力入力の処理方法の曖昧さや変化は、知覚に潜在的なエラーをもたらす可能性があり、空間の定位や精神的表現に影響を及ぼします。前庭系の機能不全は、軌道上での宇宙酔いや地球帰還後の平衡障害など、宇宙飛行中および直後によく見られます。[ 1 ]

無重力への適応には、感覚運動連関機能だけでなく、自律神経系機能も関与する。宇宙飛行中および飛行後には、睡眠障害や起立性不耐性もよく見られる。無重力環境では静水圧がない。その結果、体液が上半身に向かって再分配され、脚の容積が減少し、筋肉の粘性やコンプライアンスに影響を及ぼす可能性がある。頭蓋内圧の上昇も近視力の低下の一因となっている可能性がある。[ 2 ]また、無重力での負荷軽減の結果として、筋肉量と筋力はともに減少する。さらに、宇宙飛行士の約70％が、最初の数日間は程度の差はあれ宇宙酔いを経験する。 [ 3 ]乗り物酔い対策として一般的に使用されるスコポラミンやプロメタジン などの薬剤には、催眠作用がある。これらの要因は慢性疲労につながる可能性がある。統合宇宙医学と生理学の課題は、人体のすべての機能が相互に関連して相互作用するため、人体の単なる部分の合計としてではなく、全体として宇宙飛行への人体の適応を調査することです。

宇宙神経科学の歴史

宇宙神経科学は、有人宇宙飛行中および有人宇宙飛行後の中枢神経系の機能に関する科学的研究です。

現在までに、有人宇宙飛行能力を持つのは、アメリカ合衆国、ロシア、中国の3カ国のみです。しかしながら、 30カ国以上から520人の宇宙飛行士が宇宙飛行を経験しており、その多くが宇宙神経科学研究に参加しています。1957年11月3日、スプートニク号で初めて生きた動物を軌道上に打ち上げたことは、宇宙生命科学における50年以上にわたる独自の科学的・技術的成果の豊かな歴史の始まりとなりました。[ 4 ]

宇宙神経科学実験に関する最初の記録は、ロシアのボストーク宇宙船による3回目の有人ミッション中に実施されました。これらの実験は、以前のミッションの乗組員が無重力状態での吐き気や空間識失調を訴えたことから始まりました。スカイラブ宇宙ステーションとサリュート宇宙ステーションが重力が中枢神経系機能に及ぼす影響に関するより基礎的な研究に利用できるようになるまでは、宇宙神経科学実験は主にこれらの運用上の問題に対処するものでした。 1962年8月のボストーク3号から2007年10月の国際宇宙ステーションによる第15次長期滞在まで、約400件の宇宙神経科学実験が実施されました。 [ 5 ]

運用面

低地球軌道に到着した際に生じる感覚および感覚運動障害は十分に記録されており、その中で最もよく知られているのが宇宙酔い（SMS）である。個人差、宇宙船の大きさ、体の動きがSMSの症状を引き起こす。通常、無重力状態の最初の3～4日間続き、症状は頭痛や疲労から吐き気や嘔吐まで多岐にわたる。その結果は単なる不快感から行動不能まで様々であり、船外活動、再突入、宇宙船からの緊急脱出の際に問題を引き起こす可能性がある。無重力状態では、体は視覚、体性感覚、前庭器官からさまざまな矛盾した信号を受け取る。これらの矛盾した入力がSMSの主な原因であると考えられているが、その正確なメカニズムは十分に解明されていない。現在、症状を緩和するために使用されている薬剤は、望ましくない副作用を引き起こす。[ 6 ]

宇宙飛行士は複雑な機器を操作しながら、常に注意を払い、警戒を怠ってはなりません。そのため、十分な睡眠をとることはミッション成功の重要な要素です。無重力、閉鎖的で孤立した環境、そして多忙なスケジュールに加え、24時間体制ではないため、宇宙では睡眠をとることが困難です。宇宙飛行士の平均睡眠時間は毎晩約6時間です。睡眠不足や睡眠障害が蓄積すると、パフォーマンスの低下や事故につながり、ミッションの成功に重大なリスクをもたらす可能性があります。睡眠と概日周期は、生理機能、ホルモン機能、行動機能、認知機能など、幅広い機能を時間的に調節します。

長期宇宙飛行中の睡眠不足を防ぎ、ヒューマンエラーを減らし、精神的および肉体的パフォーマンスを最適化する方法が研究されています。特に懸念されるのは、意思決定などの高次認知プロセスに対する宇宙環境の影響と、変化する重力が精神機能に与える影響です。これらは、将来の惑星間宇宙ミッションに対する人工重力対策として検討される場合に重要になります。 [ 7 ]また、乗組員が飛行管理タスクを効果的に遂行する能力を評価するために、人間の反応測定技術の開発も必要です。宇宙飛行中の精神的負荷、ストレス、タスクへの関与、状況認識を評価するには、シンプルで信頼性の高い行動および心理生理学的反応測定システムが必要です。

宇宙における感覚機能

地球上のすべての生物は、内部環境と外部環境の変化を感知し、それに対応する能力を持っています。人間を含む生物は、反応する前に正確な感覚を得る必要があり、それが生存の鍵となります。体は特殊な感覚器官によって環境を感知します。中枢神経系はこれらの感覚を利用して、筋肉の活動を調整・組織化し、不快な姿勢から体勢を変え、適切なバランスを調整します。日常会話では、視覚、聴覚、嗅覚、味覚、触覚の五感を通常認識します。これらの感覚はすべて、無重力によって多少の影響を受けます。

実際、人体には5つではなく7つの感覚系がある。6番目と7番目の感覚系は内耳にある運動感覚である。前者は回転の開始と終了を、後者は重力に対する体の傾きと並進運動を知らせる。無重力状態では7番目の感覚系はもはや傾きの情報を提供しないが、並進運動の信号は引き続き送るため、中枢神経系への求心性信号は混乱を招く。宇宙での生活と作業の経験は、直線加速時の中枢神経系が耳石器官の信号を解釈する方法に変化をもたらす。被験者が飛行中にヨーの角加速度にさらされた場合、知覚はかなり正確であるが、ピッチとロールの角回転、および体の横軸と縦軸に沿った直線加速時には乱れが生じる。着陸直後の同じ運動中にも、体の動きの知覚は変化する。軌道上の無重力状態への適応があり、これは飛行後の直線加速に対する反応に引き継がれる。[ 8 ]

姿勢、動き、移動

無重力状態にさらされると、触覚、圧力、重力の受容器からの信号、つまり姿勢の安定に必要なすべての情報が変化する。新しい重力環境に適した運動反応を生み出すために、感覚情報の中枢処理における適応的修正が起こる。その結果、宇宙飛行士が無重力環境に適応するにつれて、地上での運動戦略は無重力下では徐々に放棄される。これは特に下肢の主要な姿勢筋に当てはまる。低重力下で獲得された姿勢、動作、移動の変化は、帰還時の地球の重力には適さないものとなる。着陸後、この飛行中の神経再編成の結果として、臨床的運動失調に近い姿勢不安定性が現れる。[ 9 ]

宇宙飛行士は地球の重力に再適応する過程で、地上での運動戦略を完全に取り戻すまで、立つ、歩く、角を曲がる、階段を上るといった動作に困難を覚え、歩行速度も低下します。また、宇宙飛行への適応により、着陸日に障害物コースを横断するのに必要な時間も大幅に増加し、機能的な運動能力の回復には平均2週間かかります。[ 10 ]これらの困難は、緊急時に宇宙船から立ち上がったり脱出したりする宇宙飛行士の能力、そして飛行後に宇宙船を離れた直後に効果的に活動する能力に悪影響を及ぼす可能性があります。そのため、姿勢と移動の安定性に対するこれらの深刻な障害の原因を理解し、対策を講じることが重要です。

月や火星滞在中に宇宙飛行士が直面する最も重大な感覚運動障害は、宇宙服を着て歩き回る際に発生する可能性が高い。宇宙服は大きくかさばるため、体の重心が変化する。さらに、起伏のある地形と限られた視野が、移動を困難にする。

代償眼球運動

宇宙飛行中の前庭系の機能は、これまでで最も綿密に研究されてきた。特に、重力を感知する耳石器官と眼球運動との関係においてはその研究が進んでいる。前庭三半規管の機能は無重力下でも変化しないようである。これは、頭部ヨー回転を補正する水平眼球運動が宇宙飛行の影響を受けないためである。耳石への重力刺激がないことで、微小重力下での頭部回転時の捻転性前庭眼反射が減少する。この障害は宇宙飛行士が遠心力にさらされているときには見られず、これは適応的な中枢神経系の変化が末梢ではなく中枢で起こっていることを示唆している。[ 11 ]

軌道上での最初の数日間は、動く視覚シーンに対する垂直眼球運動の非対称性が反転します。その後、前庭動眼反射と視運動反射は対称性に戻ります。いくつかの研究では、サッカードの潜時の増加とピーク速度の低下が示されましたが、全く逆の結果を示す研究もあります。これらの矛盾する結果は、ミッション中の測定値の取得時期に依存している可能性があります。また、特に垂直面において、滑面追跡眼球運動に深刻な障害が見られます。 [ 12 ]

火星への有人ミッションでは、異なる重力環境を何度も遷移することになります。これらの変化は、最終的に反射眼球運動に影響を及ぼすでしょう。重要な疑問は、宇宙飛行士が重力環境に応じて異なる反射群を迅速に切り替えられるかどうかです。このような状況における反射眼球運動の二重適応能力を明らかにすることは極めて重要であり、それによって、1G環境で獲得した 感覚運動連関スキルが他の環境にどの程度転移するかを判断できます。

空間の方向性

国際宇宙ステーションに搭乗した宇宙飛行士は、知覚される奥行きと距離の変化を評価することを目的とした宇宙神経科学実験を行うためにヘッドマウントディスプレイを装着しています。

無重力状態では、宇宙飛行士は空間識を維持するために視覚に大きく依存しなければならない。なぜなら、耳石器官が「下」方向を伝えることができなくなるからである。しかし、長期曝露中は、視覚への依存は、固有の身体の垂直方向の基準へと移行するように見える。地球の重力下および帰還後に頭部を動かす際に生じる自己運動の錯覚は、おそらく前庭入力の再解釈によるものである。地上での研究では、中枢神経系が耳石器官で検出された直線加速度の周波数成分に基づいて「傾斜-並進」の曖昧さを解決し、低周波数は「傾斜」を、高周波数は「並進」を示すことが示唆されている。約0.3 Hzでクロスオーバーが存在し、そこでは耳石信号が曖昧になる。無重力状態への曝露は、おそらくこのクロスオーバー周波数のシフトをもたらし、それが空間識失調およびSMSの一因となる可能性がある。[ 13 ]

ナビゲーションやメンタルローテーションなどの高次認知プロセスの調査は限られているが、[ 14 ]宇宙飛行士は宇宙船の内部が実際よりも長く高く見えると頻繁に報告しており、飛行前と比較して飛行中の三次元物体の知覚される高さが低くなることが観察されており、これは無重力状態での三次元の手がかりの精神的表現の変化を示唆している。知覚は脳のモデルであり、ニュートンの運動の法則を前提とする世界についての仮説である。これらの法則は無重力状態では変化するため、宇宙飛行中に物体の形状と距離の精神的表現が変化することが予想できる。[ 15 ]これまで宇宙で実施されたまれな調査では劇的な変化は示されていないが、これはおそらく中枢神経系が少なくともしばらくの間は重力の内部モデルを使用し続けるためだろう。 [ 16 ]重力の参照が長期間失われた後、三次元を処理する方法がより発達することが推測される。

宇宙で行われるさらなる調査により、無重力状態では他の高次皮質機能も障害されることが明らかになるかもしれません。国際宇宙ステーションでの誘発電位測定および脳マッピングと仮想現実を組み合わせることで、無重力状態における脳機能の適応メカニズムに関する興味深い結果が得られるはずです。

神経科学と宇宙探査

ボスホートから国際宇宙ステーションに至るまで、宇宙船は大型化と快適性が向上し、軌道上への飛行をますます多くの人々に可能にしてきました。しかし、過去50年間に得られた有人宇宙飛行の経験をすべて活かしても、長期間の無重力状態への曝露による悪影響に対する完全に効果的な単一の対策、あるいは複数の対策の組み合わせは存在しません。もし今日、宇宙飛行士の乗組員が6ヶ月間の火星への旅に出発するとしたら、現在採用されている対策では、着陸後の運用能力が低下する可能性が高いでしょう。[ 1 ]

多くの人は、火星への往復の途上で宇宙船に搭載された人工重力に頻繁にさらされることで、火星の重力（0.38 G）への生理的適応と地球の重力（1 G）への再適応が促進されると考えている。そのためには、重力と同様の遠心力を発生させるために、搭載された人間対応の遠心分離機か宇宙船の回転が必要となる。この解決策は効果的である可能性はあるが、対処すべき運用上、工学上、生理学上の多くの問題を提起する。無重力または地球の重力以外のものに長期間さらされた場合の人間の生理学的反応は不明である。正常な中枢神経系機能を維持するために必要な重力レベルの最小レベル、期間、頻度、および体全体の重力勾配の重要性を特定するための研究が必要である。 [ 17 ]

CNSの複雑な機能は、地球の1G環境下でも、その秘密のすべてが明らかになったわけではありません。宇宙神経科学の最も基本的な疑問に答えることで、移動中や惑星での活動中にリスクを最小限に抑え、乗組員のパフォーマンスを最適化する必要があります。この研究の結果は、医学やバイオテクノロジーの分野でも確実に応用されるでしょう。地球の重力環境が感覚器や運動器の進化にどのように影響を与えたかを理解できれば、CNS機能の基本メカニズムをより明確に理解できます。重力が人間のCNS機能に及ぼす影響に関する知識、およびこうした影響が発生する基本メカニズムの解明は、宇宙飛行の無重力状態や月や火星基地の部分重力に人間が長期間さらされた場合の影響を理解し、その対策を講じることに直接役立ちます。

参照

参考文献

  1. ^ a bクレマン G、レシュケ M (2008)。宇宙における神経科学。ニューヨーク：スプリンガー。ISBN 9780387789491。
  2. ^ Mader TM, Gibson R, Pass AF, et al. (2001). 「長期宇宙滞在後の宇宙飛行士における視神経乳頭浮腫、眼球平坦化、脈絡膜ひだ、遠視シフトの観察」 .眼科学. 118 (10): 2058– 2069. doi : 10.1016/j.ophtha.2011.06.021 . PMID 21849212 . 
  3. ^クランプトンGH (1990). 『乗り物酔いと宇宙酔い』 ボカラトン: CRCプレス.
  4. ^ Clément G, Slenzka K (2006). 『宇宙生物学の基礎：宇宙における細胞、植物、動物の研究』ニューヨーク：シュプリンガー.
  5. ^ Reschke MF, Krnavek JM, Somers JT, et al. (2007).宇宙飛行の簡潔な歴史と、様々な飛行プログラムで実施された前庭感覚運動研究の包括的な概要. ヒューストン: NASAジョンソン宇宙センター.
  6. ^ Clément G (2011). 『宇宙医学の基礎 - 第2版』 ニューヨーク: Springer.
  7. ^ Clément G, Bukley A (2007).人工重力. ニューヨーク: Springer.
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  9. ^ Clément G, Gurfinkel VS, Lestienne F, Lipshits MI, Popov KE (1984). 「無重力状態への姿勢制御の適応」.実験脳研究. 57 (1): 61– 72. doi : 10.1007/bf00231132 . PMID 6519230 . 
  10. ^ Reschke MF, Bloomberg JJ, Harm DL, et al. (1998). 「宇宙飛行における姿勢、移動、空間定位、および乗り物酔い」. Brain Research Reviews . 28 ( 1–2 ): 102–117 . doi : 10.1016/ s0165-0173 (98)00031-9 . PMID 9795167 . 
  11. ^ Clément G (1998). 「微小重力下における眼球運動と運動知覚の変化」. Brain Research Reviews . 28 ( 1–2 ): 161–172 . doi : 10.1016/s0165-0173(98)00036-8 . PMID 9795198 . 
  12. ^ Clément G, Moore S, Raphan T, Cohen B (2001). 「宇宙飛行中の持続的な直線加速に対する傾きの知覚（体性重力錯覚）. Experimental Brain Research . 138 (4): 410– 418. doi : 10.1007/s002210100706 . PMID 11465738 . 
  13. ^ Clément G, Denise P, Reschke MF, Wood SJ (2007). 「宇宙飛行後の垂直軸外回転時における人間の眼球の逆回転とロール傾斜知覚」. Journal of Vestibular Research . 17 : 209– 215.
  14. ^ Léone G (1998). 「重力が人間の方向感覚を失った物体の認識に及ぼす影響」. Brain Research Reviews . 28 ( 1–2 ): 203–214 . doi : 10.1016/s0165-0173(98)00040-x . PMID 9795218 . 
  15. ^ Villard E, Tintó Garcia-Moreno F, Peter N, Clément G (2005). 「放物線飛行中の微小重力下における幾何学的視覚錯視」NeuroReport . 16 (12): 1395– 1398. doi : 10.1097/01.wnr.0000174060.34274.3e . PMID 16056146 . 
  16. ^ McIntyre J, Zago M, Berthoz A, et al. (2001). 「脳はニュートンの法則をモデル化しているか？」Nature Neuroscience . 4 (7): 693– 695. doi : 10.1038/89477 . PMID 11426224 . 
  17. ^ Young LR (2000). 「宇宙飛行における前庭反応：ヒューマンファクターの問題」.航空・宇宙・環境医学. 71 : A100– A104.
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