これが宇宙飛行中のあなたの脳に起きる変化だ

宇宙へ行くと、脳が変わる。なぜなら、宇宙旅行者は微小重力下に置かれるため、脳が重力について知っていることすべてに挑戦することになるからだ。この体験は、脳の機能と異なる領域間の「接続性」を変化させる。これは、環境の変化や外傷性脳ストレス、怪我に対応して、脳や神経系が変化する能力の一部なのだ。

宇宙で長期間過ごす宇宙飛行士の身体的な変化については、以前から知られていた。例えば、循環系が適応し、代謝が変化し、無重力に近い状態で存在することを体が覚えなければならないのだ。しかし、脳への影響については、NASAの研究によっていくつかの変化がわかっているものの、まだ比較的新しい研究分野だ。このような変化は、地球に帰還した後も数カ月間持続するものもある。このような変化がどのようなもので、人にどのような影響を与えるのかを理解することは、今後の宇宙開発にとって重要なことだ。

だからこそ、アントワープ大学とリエージュ大学の科学者が、欧州宇宙機関と協力して最近行った宇宙飛行士の長期的な研究は非常に重要なのだ。軌道上で生活し、仕事をし、惑星間を移動するのであれば、その精神力は一流でなければならない。まもなく3人目のベルギー人宇宙飛行士となるラRaphaël Liégeois氏は、「新世代の宇宙飛行士がより長いミッションに備えるため」、この研究の重要性を認めている。

今回の研究は、長期的な宇宙居住への影響だけでなく、地球上の人々がどのような状況に置かれているのかを研究する上でも期待できるものだ。

飛行前と飛行後の脳を調べる

では、宇宙へ行くと、脳はどうなるのだろうか？明らかに、脳は孤立しているわけではなく、身体の他の部分からの情報に依存している。突然、脳は重力に関するすべての情報が間違っている場所に置かれることになる。内耳からの信号のように、脳にはあること（落下している！）を伝え、目には何も動いていないこと（おっとっと！）を示すものもある。また、昼夜逆転の信号もある。例えば、宇宙飛行士がプロジェクトで疲れて、リラックスするために夕日を見るとする。しかし、国際宇宙ステーションでは、24時間に16回の日没と日の出があるのだ。脳は、「いつ寝るんだろう？いつ起きるんだろう？」と、このような信号が混在していると、神経接続は自分で再配線しなければならない。ストレスの多い環境だ。

脳がどのように適応するのかを理解するために、ベルギーの研究チームは16人の宇宙飛行士の脳を磁気共鳴画像法（MRI）によりスキャンした。そのうちのいくつかは、ミッション前に “安静時”に撮影されたものだ。つまり、スキャンの間、彼らは何の作業もしなかったのだ。そして、宇宙滞在後、さらに数回のスキャンを行い、どのような変化が存在し、それがどの程度の期間持続するかを調べた。この「安静時機能的MRI」技術により、研究チームは脳のデフォルト状態と「飛行後」の状態を調査することができた。

宇宙で脳は何をしているのか？

その結果、飛行後の脳の機能的結合状態は明らかに異なっていることが判明した。これは、ある部位の活動が他の部位の活動と相関している状態を表している。この研究のリーダーであるSteven Jillings氏とFloris Wuyts氏（アントワープ大学）によると、宇宙旅行者の脳はフライト前後のスキャンで著しい違いを見せたという。「我々は、視覚、聴覚、運動情報など、毎回1種類の情報のみを扱うのではなく、異なる種類の情報の統合をサポートする領域で、宇宙飛行後に結合性が変化することを発見しました」と、彼らは述べている。「さらに、これらの変化したコミュニケーションパターンの一部は、地上に戻ってからも8カ月間保持されることがわかりました。同時に、いくつかの脳の変化は、その領域が宇宙ミッション前に機能していたときのレベルに戻っていました。」

良い知らせは、長い目で見れば、脳は適応したことだ。宇宙旅行者たちは、その変化に慣れた。実際、しばらくすると、彼らはまるで「軌道上」で生まれたかのようになった。しかし、長い目で見ると、ある種の変化は長く続き、ある種の変化は永久的なものになった。宇宙旅行者は、根本的に違う人間になって帰ってきたようなものだ。

宇宙飛行士が長期間の宇宙滞在を計画する上で、身体的な変化と神経学的な変化の両方を理解することは重要なことだ。次のステップは、これらの変化が行動にどのような影響を与えるかを研究することである。このような変化は、宇宙飛行士の選抜に役立つのだろうか？神経接続の「可塑性」が高い人ほど、長期間の飛行に適しているのだろうか？いずれも、さらなる研究に値する良い質問だ。

地上での影響

宇宙飛行士の脳の変化の研究は、体からの信号に脳が適応できない地球上の人々にとっても興味深い示唆を与えてくれる。もちろん、このような研究は難しい分野だ。というのも、研究者は人の頭の中を調べて、外傷や病気の後になぜ問題が起こるのかを知ることができないからだ。しかし、このMRIを用いた研究は、医学研究の出発点となるものです。著者の1人、Floris L. Wuyts氏は、ストレスのかかる体験の前後で人々の脳を観察するのは倫理的な方法だと指摘している。

「理想的には、健康なときと障害に悩まされ始めたあとの脳スキャンがあれば、どこで変化が起こったかがわかるからです」と彼は言う。「しかし、そんな理想的な状況は存在しませんし、もちろん、被験者にわざとトラウマになるような体験をさせることも出来ません。」

だから、宇宙飛行士に高度なMRI手法を使ったこの対照研究は、研究者に、脳の複雑な神経ネットワークのどこを見れば、さらなる研究と治療の対象になるかを示してくれている。「宇宙飛行士からのスキャンは、灯台のようなもので、地上の患者の問題のありそうなポイントを照らし出してくれます。」と、Wuyts氏は述べている。

論文

Frontiers: Neuroplasticity in F16 fighter jet pilots

研究の要旨

変化するGレベルにさらされると、脳が対処しなければならない異常な感覚運動要求が生じる。本研究では、頻繁なGレベル遷移と高いGレベルにさらされる戦闘機パイロットが、マッチドコントロールと比較して、神経可塑性を示すような差のある機能特性を示すかどうかを調べることを目的とした。安静時機能的磁気共鳴画像データを取得し、パイロットの飛行経験の増加に伴う脳機能的結合（FC）の変化を評価し、パイロットとコントロールのFCの差を評価した。右頭頂葉オペラクル2（OP2）および右角回（AG）をROIとして、全脳探索および関心領域（ROI）分析を行った。その結果、左下前頭回、右中前頭回、右側頭極で飛行経験との正の相関が見られた。また、一次感覚運動領域では負の相関が観察された。戦闘機パイロットの左下前頭回の全脳機能的結合は対照群と比較して低下しており、このクラスタは内側上前頭回との機能的結合が低下していた。また、右頭頂葉と左視覚野、右角回と左角回の間の機能的結合は、対照群に比べパイロットの方が増加していた。これらの知見は、戦闘機パイロットの脳における運動、前庭および多感覚処理の変化を示唆しており、おそらく飛行中に変化する感覚運動要求への対処戦略を反映していると考えられる。前頭葉の機能的結合の変化は、飛行中の困難な状況に対処するための適応的な認知戦略を反映している可能性がある。これらの知見は、戦闘機パイロットの脳機能特性に関する新しい知見を提供し、宇宙へ旅立つ人間にとっても興味深いものである可能性がある。

この記事は、CAROLYN COLLINS PETERSEN氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス（表示4.0 国際）に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。