20多年來，來自世界各地的太空人在國際空間站生活和工作。 太空人在太空中面臨許多挑戰，首先是失重——他們必須在漂浮時做任何事情，從刷牙到做科學實驗。 地球上缺乏重力使一切變得更加困難，並改變了太空人的大腦。 一組研究人員對15名太空人進行了十年的研究，測試了他們在太空旅行前後的行走、平衡和協調能力，並使用成像技術記錄了他們大腦的變化。 研究發現，當太空人返回地球時，他們在行動方面遇到了障礙，例如行走困難和平衡困難。 與此同時，太空旅行改變了他們大腦的形狀和功能。 通過這些測量和分析，研究人員希望在長期太空任務中更好地保持太空人的身心健康，這對於未來的火星甚至更遙遠的行星任務至關重要。
60多年前，人類首次進入太空。 人類在國際空間站上生活和工作了20多年。 今天，人類正雄心勃勃地計畫一次火星之旅。 然而，為了保證人類在火星上旅行的安全，科學家仍然需要研究太空旅行對人類大腦和身體的影響。 在過去的十年裡，研究人員一直在探索太空活動對太空人大腦的影響，以及他們行走、平衡和協調的能力。
在太空中，太空人面臨許多挑戰[1]。 在沒有地球引力的情況下，他們必須適應並學習如何在失重狀態下生活和行動。 想象一下在漂浮時洗澡或進行科學實驗。 身體的平衡系統位於內耳，稱為前庭系統（前庭系統），它依靠地球的引力來告訴大腦指示我們是“向上”和“向下”（圖1）。 然而，前庭系統無法在無重力環境中正常工作因此，太空中的太空人經常混淆“向上”和“向下”的概念。
此外，太空人承受著很大的壓力：生活在太空中的太空人與家人和朋友分離數月，太空人在太空環境中難以獲得高質量的睡眠。 這些因素可能會促使大腦發生變化，而這些變化通常不會發生在地球上。 研究人員想知道，當人類進入太空時，大腦會發生什麼。
為了實現這一目標，研究人員邀請了15名太空人參與這項研究。 這些太空人將在國際空間站上生活六個月到一年。 每位太空人在進入太空之前和返回地球後都會對他們的大腦進行成像（圖2A）。 這些過程主要使用磁共振成像（MRI）技術進行（圖2B）。 MRI掃瞄器能夠記錄兩個方面的資訊：太空人大腦的大小和形狀，以及大腦各部分在不同活動期間的功能狀態。 這些活動將考驗太空人行走、平衡和協調諸如定時障礙賽（圖 2c）、穩定地站在坡道平台上（圖 2d）、將釘子插入小孔（圖 2e）等任務。 研究人員想分析太空人在太空飛行前後的測試表現差異。
研究結果發現，當太空人返回地球時，他們的行走、平衡和手部協調能力會變得更差[2]。這主要是由於太空人在太空生活中已經適應了非常不同的無重力環境。 在這種環境中，前庭系統無法正常運作，大腦會減少來自該系統的資訊量。 此外，太空人在空間站周圍移動不需要太多的腿部肌肉，他們可以在空間站中漂浮數月。 這些變化使他們在返回地球後無法正常行走。 他們的大腦必須重複使用來自前庭系統的資訊，以重新學習如何在重力下移動。
此外，研究人員還發現了太空生命對大腦的許多影響（圖3a）。 首先長時間的太空飛行使顱骨內的大腦向上移動[3]，導致大腦頂部和顱骨內部受壓。 這種壓縮可能是太空人返回地球後行走、平衡和協調能力受損的原因，因為與運動相關的大腦區域被壓縮。
其次，研究人員發現大腦中的水量也發生了變化。 事實上，頭骨內的大腦總是被水包圍。 大腦內部有乙個特殊的口袋來儲存水，稱為心室（ventricles）。經過長時間的空間活動後，心室的體積增加[3, 4]。這可能是因為在失重狀態下，缺乏重力將水“拉”到下肢，使多餘的水被困在顱骨中並且難以排出，而擴大的心室有助於儲存這些多餘的水。 然而，目前尚不清楚這種變化對太空中的太空人是好是壞，也不清楚太空人返回地球後心室的體積需要多長時間才能恢復正常——當然，如果它能恢復到正常大小。
最後，研究人員觀察到，你在太空中度過的時間越長（比如一整年），太空人大腦的變化就越明顯[3]。這一發現至關重要，因為它將影響未來更長的太空任務計畫，並且是確保太空人大腦健康的重要因素。 例如，一次火星任務可以持續近三年，這比任何人在太空中度過的時間都要多！
乙個重要的問題是，長時間生活在太空中是否會改變大腦的工作方式。 如前所述，生活在太空環境中的太空人失去了“向上”和“向下”的感知。 由於它們失重，它們不需要在地面上進行日常活動，例如刷牙——如果他們願意，它們甚至可以跳到天花板上刷牙，他們甚至不會覺得自己在倒立！
為了了解太空環境對前庭系統的影響，研究人員用MRI掃瞄器記錄了太空人的大腦活動，以觀察前庭系統的工作原理[5]。 研究結果表明，當太空人返回地球時，大腦中負責感官的更多部分參與其中，幫助前庭系統處理資訊（圖3b）。 換言之，在太空中生活了很長時間後，大腦中主要負責視覺和觸覺的區域積極參與前庭系統的功能！一種可能的解釋是，在太空中待了幾個月後，大腦逐漸適應了地球的引力環境，當太空人返回地球時，他們將需要更多的“腦力”來適應地球的引力環境。
值得注意的是，這些大腦變化與太空人返回地球後的平衡能力有關。 換言之，大腦變化較大的太空人在返回地球時可能會更好地平衡。 了解為什麼一些太空人比其他太空人更能適應太空生活和地球上的生活，這有助於確定哪些太空人在進入太空之前可能需要額外的培訓，以及哪些太空人在返回後可能最需要幫助才能恢復地球上的生活。
儘管如此，進入太空的人太少了。 如何在地球上研究類似的情況？
一些研究人員在地球上提出了替代方法。 例如，通過使用床上實驗來類比太空中的太空人，而不依靠他們的腿來支撐他們在床上的體重，方法是讓健康的志願者在床上躺兩個月而不站立，從而研究了太空旅行的一些影響。 其他研究人員調查了在南極洲研究站過冬的人。 冬天來了，外面的極度寒冷讓人難以忍受，他們只好呆在車站裡。 這些研究有助於揭示孤立環境對個人心理健康和大腦功能的影響。
雖然這些情況可以提供有關人體如何對太空活動做出反應的寶貴資訊，但它們不如實際進入太空的情況有價值。 因此，在未來的時間裡，科學家們將需要調查更多的太空人。 這將有助於我們更深入地了解長期空間活動前後大腦和身體的生理變化。
總體而言，目前人類太空旅行似乎相對安全。 然而，當太空人返回地球時，他們會遇到暫時的行動不便問題，例如行走和平衡問題。 通過磁共振掃瞄器的檢測，研究人員發現了太空人大腦的一系列變化，包括大腦的向上運動、腦室的擴大，以及需要更多的“腦力”來處理資訊。 當它們返回地球時，其中一些變化將需要數月甚至更長時間才能恢復。
這些發現對於未來航天任務的規劃具有重要意義，有助於我們了解如何更好地在太空環境中安全生存，推動開發更有效的訓練和方法，並確保太空人在長期太空任務中的身心健康。
0] hupfeld ke, mcgregor hr, tays gd and seidler rd (2023) what happens to astronauts’ brains when they tr**el to space?. front. young minds. 11:918925. doi: 10.3389/frym.2023.918925 [licensed under cc-by]
1] hupfeld, k. e., mcgregor, h. r., reuter-lorenz, p. a., and seidler, r. d. 2021. microgr**ity effects on the human brain and beh**ior: dysfunction and adaptive plasticity. neurosci. biobeh**.rev. 122:176–89. doi: 10.1016/j.neubiorev.2020.11.017
2] tays, g. d., hupfeld, k. e., mcgregor, h. r., salazar, a. p., de dios, y. e., beltran, n. e., et al. 2021. the effects of long duration spaceflight on sensorimotor control and cognition. front. neural circuits 15:723504. doi: 10.3389/fncir.2021.723504
3] hupfeld, k. e., mcgregor, h. r., lee, j. k., beltran, n. e., kofman, i. s., de dios, y. e., et al. 2020. the impact of 6 and 12 months in space on human brain structure and intracranial fluid shifts. cereb. cortex commun. 1:tgaa023. doi: 10.1093/texcom/tgaa023
4] mcgregor, h. r., hupfeld, k. e., pasternak, o., wood, s. j., mul**ara, a. p., bloomberg, j. j., et al. 2021. case report: no evidence of intracranial fluid shifts in an astronaut following an aborted launch. front. neurol. 12:774805. doi: 10.3389/fneur.2021.774805
5] hupfeld, k. e., mcgregor, h. r., koppelmans, v., beltran, n. e., kofman, i. s., de dios, y. e., et al. 2021. brain and beh**ioral evidence for reweighting of vestibular inputs with long-duration spaceflight. cereb. cortex 32:755–69. doi: 10.1093/cercor/bhab239