"Det finns människor vars jobb är att ligga i badrummet": hur effekten av viktlöshet på astronauternas hälsa studeras

2024 Författare: Malcolm Clapton | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 04:11

Om hur förhållandena för viktlöshet på jorden simuleras och vad deltagaren i experimentet med "torr" nedsänkning kände.

Det finns människor vars jobb det är att ligga i badrummet. Ljug i timmar, till och med dagar i sträck (och få betalt för det). Det finns dock ingen anledning att avundas dem - vi pratar om deltagare i komplexa vetenskapliga experiment, under vilka läkare från Institutet för biomedicinska problem vid den ryska vetenskapsakademin studerar effekten på människokroppen av tillstånd som liknar viktlöshet. I sig själv leder denna upplevelse, som alla långa vistelser i rymden, till funktionsfel i kroppen.

Vi bad Lyubov Amirova och Ilya Rukavishnikov, anställda vid Institutet för biologiska och biologiska vetenskaper, att berätta om hur och varför metoden för "torr" dykning uppfanns och vilka vetenskapliga resultat den tillåter att erhålla. Dessutom föreslår vi att du bekantar dig med dagboken för en deltagare i "dyket" som varade i fem dagar, ingenjör och populariserare av astronautik Alexander Khokhlov. Inspelningarna gjordes direkt under experimentet.

Att vara i rymden, även på en väl skyddad rymdfarkost, har en negativ effekt på en astronauts hälsa. I rymdflygning är nästan allt ovanligt och fientligt för kroppen - en ökad bakgrundsstrålning, mikrogravitation, isolering, en artificiell atmosfär och belysning, och monotonin av sensoriska stimuli som driver dig in i hemlängtan. Bland dessa faktorer är endast mikrogravitation specifik för rymdflygning och är praktiskt taget inte reproducerbar under markförhållanden.

Vid gryningen av astronautikens era var den största faran inte mikrogravitation, utan överbelastning, och det var för dem som astronauter tränades aktivt. Med utvecklingen av teknologin blev flygningarna mer och mer förlängda, och i juni 1970 gjorde de sovjetiska kosmonauterna Andriyan Nikolaev och Vitaly Sevastyanov den första långa 18-dagars rymdflygningen, satte rekord för varaktigheten av en kontinuerlig flygning, återvänder till jorden och … kan inte stå och gå. Tillståndet för astronauterna var deprimerande: muskelatrofi, negativa reaktioner från det kardiovaskulära systemet.

Detta tillstånd ledde forskarna till två slutsatser. För det första är det nödvändigt att utveckla ett förebyggande system (så att detta inte händer igen!) Och för det andra att studera effekten av tyngdlöshet på människokroppen (för att förstå de grundläggande lagarna för påverkan av tyngdlöshet). Det blev tydligt att utan en stor mängd data om förändringar i varje organsystem var det omöjligt att skicka astronauter ut i rymden. Men hur kan man studera effekten av viktlöshet på människokroppen utan utrymme?

Noll gravitation nedsänkning

Forskare har hittat en Salomon-lösning på detta problem - en imitation av förhållandena för viktlöshet på jorden. Sådana experiment som simulerar rymdflygning kallas modell (eller modeller), och deras effekt på kroppen liknar effekten av viktlöshet. Eftersom de huvudsakliga faktorerna som påverkade astronauternas tillstånd var fysisk lossning, vätskefördelning och brist på stöd, utgjorde de grunden för modellexperiment.

I modern vetenskap kan inte ett enda modellexperiment helt reproducera villkoren för tyngdlöshet, därför, beroende på vad forskare planerar att studera, är forskningsobjektet och den experimentella modellen noggrant utvalda. Ganska ofta fungerar laboratoriedjur som möss och råttor som "försökspersoner", men den mest värdefulla informationen tillhandahålls av modellexperiment på människor - frivilliga försökspersoner.

Testarens dagbok

Vi publicerar fragment av register som hölls på Facebook av designingenjören för rymdinstrumenteringen Central Research Institute of the RTK, popularizer av kosmonautik Alexander Khokhlov, som deltog i experimentet "Effektiviteten av lågfrekvent EMS i förebyggande syfte av muskelavträning, som utvecklas under villkoren för marksimulering av rymdflygförhållanden", som i mars - april i år hölls vid Institutet för biomedicinska problem vid den ryska vetenskapsakademin (SSC RF - IBMP RAS).

"I morse fick jag veta att utredaren som stod framför mig var sjuk, jag kallades omedelbart till IBMP och jag gick in i experimentet en dag tidigare. Jag går till doppbadet på torsdag (det första i den andra fliken). Idag blev det experiment: "Pose", "Fälttest", "Vision", "Andning", "H-reflex", "Algometria" och "Vulcan-I". På "Vision" lade de vikter på mina ögon (i fyra minuter), efter att tidigare ha ingjutit bedövningsmedel. Så här brukade astronauterna mäta sitt ögontryck och sedan bytte de till luft."

”Mitt deltagande i experimentet har gått in i en ny fas. Vid 9:30-tiden sänkte jag mig i ett torrt bad i fem dagar.

Vattnet, med en behaglig temperatur, är täckt med en film som virar runt min kropp från alla håll. Bara huvudet och ibland händerna tittar ut. Kroppen skyddas från filmen av ett lakan, som byts varje dag. Från kläder: strumpor, kalsonger och en T-shirt.

Första dagen går ovanligt. Nya sensationer som kommer att intensifieras mot natten. Vårt liv i baden av torr nedsänkning stöds dygnet runt av team om tre personer i tjänst: en läkare, en laboratorieassistent och en tekniker.

Här behöver du inte bli uttråkad, experiment ersätts av experiment, vardagliga stunder tar också tid. På kvällen började den första tre timmar långa elektriska myostimuleringen. Dess närvaro är huvudskillnaden i detta experiment i ett torrt nedsänkningsbad från de tidigare. Lågfrekvent EMS kan hjälpa till att övervinna de skadliga effekterna av viktlöshet på astronauter, såväl som äldre personer med begränsad rörlighet på jorden. Stimuleringen påminner om rytmiska skiljetecken på låren och smalbenen."

Det finns flera sätt att studera effekten av viktlöshet på människokroppen. Detta kan till exempel göras i ett flygplan som faller längs en parabolisk bana. Men varaktigheten av nolltyngdkraftsfasen är i detta fall så kort att det inte finns något behov av att tala om långsiktiga effekter.

För att uppnå starkare stötar kan du helt enkelt ligga på sängen, med huvudänden sänkt. Sängvila kommer att leda till muskelatrofi, och blodet som ständigt rusar mot huvudet kommer att föra tillståndet för patientens kardiovaskulära system närmare det hos en astronaut. Det är sant att du måste ljuga länge - åtminstone några veckor, och helst några månader.

Den mest ovanliga och samtidigt den närmaste modellen för effekterna av viktlöshet är den "torra" nedsänkningen (från den engelska nedsänkningen - "immersion"), där en person är nedsänkt i vatten i flera dagar eller veckor.

Forskning om modellen för "torr" nedsänkning / Oleg Voloshin

Forskning om modellen för "torr" nedsänkning / Oleg Voloshin

Forskning om modellen för "torr" nedsänkning / Oleg Voloshin

Uppfinningen av modellen hjälptes av följande observation - en lång vistelse i vatten verkar på människokroppen på ett sätt som liknar viktlöshet. De första nedsänkningsdykningarna var "våta" - försökspersonerna befann sig i en pool med sötvatten i flera dagar.

Å ena sidan bekräftades forskarnas gissningar om likheten mellan de observerade förändringarna, men å andra sidan, på grund av konstant kontakt med vatten, började människor bokstavligen dra av huden. De frivilliga testarna blev inte hjälpta av skyddande salvor, och bassängens sidor blev svarta av talg som hade planterats på dem och oxiderats. Dessutom förbjöds försökspersonerna, så att de inte drunknade, att sova i poolen, och vakthavande läkare tvingades väcka dem.

”Den första natten i badet var utmanande. När jag slumrade till vid 00:00-tiden, vaknade jag snart med konstiga förnimmelser av att vattnet klämde mig genom filmen, min rygg började värka, sedan drogs det ihop sig i magen (började svullna). Och som ett resultat sov jag bara två timmar på morgonen, och klockan sex tittade jag redan i taket.

På morgonen fram till 10:00 hade jag experiment på fastande mage. Till exempel SPLANCH, där ultraljud visade att jag har mycket luft i magen och tarmarna. Det tog en dag i badet. Jag har ingen aptit. Jag tänker bara dricka till middag.

Eftersom anpassningstiden fortfarande är igång är det svårt att skriva och läsa, så jag lyssnar mest på musik med hörlurar. Du behöver inte bli uttråkad, det finns tillräckligt med uppmärksamhet från vaktlag och forskare.

Och mer om det goda. Ett av experimenten heter Ryazhenka, och på kvällen dricker vi en mugg av en välsmakande och hälsosam produkt."

Det blev tydligt att det är omöjligt att genomföra ett experiment under sådana förhållanden och modellen behöver förbättras avsevärt. Den mest eleganta versionen av dess förbättring föreslogs av anställda vid Institutet för medicinska och biologiska problem, E. B. Shulzhenko och I. F. Vil-Williams i början av 70-talet. Poolen täcktes med ett vattentätt tyg av stor yta så att föremålet var helt nedsänkt i vattenpelaren, men samtidigt inte kom i kontakt med skålens sidor och botten. Det är bara motivets huvud och armar kvar på ytan.

I professor Dowells huvudläge, under noggrann övervakning av en läkare och forskare, lever volontären under hela experimentet. Ett undantag är tiden för kvällshygienprocedurer - forskare hedras inte med smutsiga knep. Innan man går och lägger sig tas motivet upp ur badkaret, sänks ned i en tvättvagn och förs till duschen. "Ta en paus" från en hård dags arbete är tillåtet inte mer än 15 minuter. Sedan dess har modellen för "torr" nedsänkning tillämpats praktiskt taget oförändrad.

Forskning om modellen för "torr" nedsänkning / Oleg Voloshin

Forskning om modellen för "torr" nedsänkning / Oleg Voloshin

Forskning om modellen för "torr" nedsänkning / Oleg Voloshin

Det är bra i rymden, det är bättre på jorden

För en person långt ifrån rymdbiologin kan det tyckas att under den mer än 55-åriga historien om bemannad astronautik har människan i rymden studerats upp och ner. Men detta är bara delvis sant.

Ja, de grundläggande regelbundenheterna som uppstår med en astronaut under flygning är kända - vid noll gravitation fungerar hjärtat och blodkärlen olika, vätskevolymen i kroppen minskar, muskelsvaghet och rörelseillusioner uppstår. Men ingen forskare kommer att berätta att alla öppna ändringar är detaljerade och inte kräver ytterligare studier.

Trots att hundratals människor har varit i rymden omfattar de mest omfattande biologiska undersökningarna sällan fler än 15-20 astronauter. Även en så liten, ur statistisk analyssynpunkt, kräver en grupp flera års förberedande arbete, ofta skapandet av ny utrustning (lämplig för den internationella rymdstationens strikta krav) och utbildning av astronauter i alla krångligheter av biologiska undersökningar.

Långt från jordens myller pågår forskningen vackert och mätt - som regel kan tre till fem kosmonauter delta i ett experiment på ett år, och från det ögonblick då en hypotes inleds till dess frukter, kan ta tio till ett och ett halvt år.

Många studier görs ofta parallellt, både i rymden och i "torr" nedsänkning, vilket gör det möjligt att jämföra de observerade förändringarna. Till exempel har det visat sig att sju dagars rymdflygning och sju dagars nedsänkning orsakar liknande förändringar i det kardiovaskulära systemet i samband med förändringar i vätskebalansen i kroppen.

Den natten sov jag i sju timmar, det är bättre, kroppen anpassar sig till ovanliga förhållanden. Det visade sig att testarna är uppdelade i de som lider mer av ryggen, och de som har mage. Jag har en mage. Men det finns också de som får en mängd överraskningar. Därför är ett av forskarnas favoritskämt att föreslå att testaren, som kommit ut från badrummet, lägger sig där igen och vilar.

Om själva experimentet utförs av två dussin forskare, är vardagen förknippad med tjänsteteamen. Teamet i tjänst matar testarna tre gånger om dagen, övervakar dagens cyklogram, tar blod och saliv för analys, tar med en anka för mindre behov och hjälper forskare att utföra tester.

Det mest intressanta händer på kvällen. Hela dagen svajar testarna, som maneter, i badrummen, men ibland tas de ut. Vissa tester kräver tillgång till kroppen. Varje minut utanför badet registreras.

Och på kvällen i 15 minuter utförs hygienprocedurer under gravitationsförhållanden. I teamet ingår hiss. Testaren rullar in på soffan och förs till vågen och höjdmätaren. Han reser sig upp med hjälp av en läkare och mäter indikatorerna. Sedan placeras testaren i en toalett med en vanlig toalettskål för att kunna gå stort, sedan lägger han sig på tvättsoffan och duschar liggandes. Vid det här laget torkar teamet av filmen och byter lakan i badet. Längre in i duschrummet, på befallning av testaren, täckt med en handduk, tas en soffa med rena kalsonger och strumpor in. Han rullar ensam och klär sig liggandes. Han tas till badet, lastas av, sätts på en t-shirt med sensorer från "Sömn"-experimentet och nedsänks i badet. Allt på max 15 minuter. Den riktiga "Formel-1".

Nästan identiska förändringar i rymdflygning och i nedsänkning sker med musklerna: deras tonus minskar och deras styrka minskar. I båda fallen beror det på bristen på stöd. Som det visade sig är stöd nödvändigt för den normala funktionen av muskuloskeletala systemet - ben, i frånvaro av chockbelastningar som uppstår på jorden när man går och springer, förlorar kalcium och blir ömtåliga. Vid noll gravitation är sköra ben inte farliga, men när de återvänder till jorden och överbelastade kan detta leda till skada.

I avsaknad av stödjande stimuli lider inte bara ben utan även muskler. Så fort astronauten övergår i ett tillstånd av viktlöshet börjar hans muskler att tappa ton, vilket leder till funktionsförändringar inom några veckor. När de utsätts för "torr" nedsänkning händer samma sak - från dag till dag tappar musklerna sin ton och styrka, och när de tas bort från nedsänkningen känns försökspersonerna som fiskar som kastas i land.

Enkelriktade förändringar gör det möjligt för forskare att utföra mer detaljerade studier på jorden, och därigenom frigöra astronauternas tid för andra uppgifter.

En annan viktig faktor vid rymdfärd är en minskning av fysisk aktivitet. Trots det faktum att kosmonauterna varje dag gör en stor mängd arbete, ganska aktivt rör sig runt stationen och gör fysiska övningar, förblir belastningen på kroppen betydligt mindre än jordens. Allt de interagerar med har ingen vikt, inte ens dem själva. Följaktligen krävs mycket liten muskelansträngning för att uppnå ett motoriskt mål.

Under nedsänkningsförhållanden är testaren förbjuden att generera onödiga muskelansträngningar, och detta övervakas strikt av forskarna. I gengäld får försökspersonen ett kommando av 3-4 personer som uppfyller, liksom andar, hans behov och önskningar.

Jag upplever påverkan på min kropp som liknar tyngdlöshet i rymdflygning. Likaså där värker ryggen (som tur är inte mycket), lite täppt i näsan och problem med gaser i mage och tarmar.

Varje dag genomgår jag en tre timmar lång elektromyostimulering av benen, vilket ska göra det lättare för mig att återvända till jorden om två nätter. Jag återgår till min vanliga upprätt position på tisdag morgon. Jag mådde mycket bättre än den andra dagen av nedsänkningen, kroppen vänjer sig vid det. Men aptiten har inte kommit tillbaka än, jag äter med en ansträngning av vilja.

Till frukost har vi yoghurt, olika flingor att välja på, torkad frukt. Lunch: soppa (buljong med ägg, svamp, köttbullar etc.), varmrätt, dryck, torrt bröd, sallad. Till middag, varmrätt och sallad.

Vi äter i en position med en kudde under ryggen för att kunna svälja normalt. Men fortfarande inte särskilt bekvämt. Först den första dagen, före den akuta anpassningen, åt jag allt, nu - mindre än hälften av den föreskrivna kosten.

Drycker: te, vatten, gelé och juice. Kaffe är inte tillåtet under experimentets villkor."

Det är viktigt att förstå att trots tekniska framsteg kan inte all forskning göras i rymden. I den "torra" nedsänkningsmodellen finns det betydligt färre sådana restriktioner. Till exempel magnetisk resonansavbildning (en tomograf i omloppsbana - låter fantastiskt!) Och transkraniell magnetisk stimulering i noll gravitation har aldrig utförts, men tack vare data som erhållits under nedsänkning har forskare en uppfattning om vad de kan förvänta sig i rymden.

Det finns också sådana studier, vars inställning inte bara är tekniskt svår, utan också innebär risker för astronauten. Till exempel kan vi återkalla en biopsi - avlägsnande av en liten bit av biologisk vävnad. Denna undersökning kräver sterila operationsrumsförhållanden och händerna på en erfaren kirurg, men även om alla villkor är uppfyllda finns det en liten sannolikhet för komplikationer. För en astronaut i omloppsbana är detta en omotiverad risk. Ändå utförs sådana studier i nedsänkning och avslöjar hemligheterna med en ovanligt komplex skelettmuskel.

Längre

För att berätta exakt vilka resultat som kan erhållas tack vare den "torra" nedsänkningsmodellen, låt oss uppehålla oss mer i detalj vid en serie experiment som ägnas åt studier av ryggsmärta och en ökning av astronauternas höjd under övergången till noll gravitation.

Ryggsmärta uppstår hos astronauter under de första dagarna av flygningar, såväl som hos testare under förhållanden med "torr" nedsänkning. Under tidigare studier var det möjligt att visa att under förhållanden av viktlöshet, på grund av förändringar i transporten av näringsämnen, ökar mellankotskivorna och vätska ackumuleras inuti deras strukturer. Dessutom kan smärta uppstå på grund av påverkan på ryggmärgens känsliga rötter till följd av en ökning av ryggradens längd.

Anledningen till dessa störningar, som visas av studier utförda vid Ryska federationens statliga forskningscenter - IBMP RAS under ett antal år, kan vara en minskning av tonen i de ryggsträckande musklerna. Antagandet om närvaron av muskler som är involverade i att bibehålla hållningen lades fram av V. S. Gurfinkel redan 1965.

Förändringar i tonen i bensträckmusklerna registrerades logiskt i tidigare modellstudier. Därför fanns det anledning att tro att under nolltyngdkraftsförhållanden minskar även tonus i ryggmusklerna, vilket är inblandat i att bibehålla hållningen på jorden (de kallas "hållning"), där gravitationsbelastningen gör att de håller sig i god form.

För att testa denna hypotes genomfördes en serie modellexperiment med "torr" nedsänkning av olika varaktighet - från sex timmar till fem dagar. Samtidigt undersöktes tonen i ryggens muskler med bestämning av indikatorer på deras tvärgående styvhet; parallellt med metoderna för resonansvibrografi studerades myotonometri, magnetisk resonanstomografi, förändringar i ryggraden. Dessutom mätte forskare en persons längd och bedömde arten av det resulterande smärtsyndromet.

Jag har börjat den sista, femte dagen med torr nedsänkning på IBMP RAS. Hälsotillståndet är gott. Jag har nästan anpassat mig till den betingade tyngdlösheten. Imorgon bitti, ett hack och en massa tester. Idag finns det tillräckligt med dem också.

Under nedsänkningen deltar testarna i olika experiment. Detta är studiet av smärttröskeln ("Algometri"), och förändringar i synen i nedsänkning, och förmågan att kontrollera belastningen genom att klämma på handflatan ("Dynamometer") och trycka på foten ("Pedal").

Många instrument som nu finns tillgängliga finns antingen ombord på ISS eller används före och efter flygningen för experiment med astronauter.

På fritiden lyssnar jag på musik och läser boken Beyond the Earth.

Som ett resultat visade det sig att smärtsyndromet inte tillhör radikulär smärta, utan är muskulärt till sin natur, utan bestrålning. Att vistas under förhållanden med gravitationsavlastning åtföljs av en minskning av tonen (eller lateral stelhet) i ryggens extensorer, som tillhör gruppen av hållningsmuskler, och det är under de första timmarna och dagarna som denna process är särskilt uttalad.

Samma förändringar ledde till en ökning av astronautens höjd under mikrogravitationsförhållanden. I ländryggen ökade, enligt MRT-data, höjden på mellankotskivorna och ländryggen utjämnades.

I gruppen av studier där profylaktiska medel användes, såsom en "Penguin"-dräkt med axiell belastning och ett hårdvarumyostimuleringskomplex, var svårighetsgraden och bedömningen av smärtsyndrom, såväl som en ökning av höjden, mindre än i gruppen med "ren" nedsänkning utan användning av profylax.

Inte bara för utrymmet

Den "torra" nedsänkningsmodellen återger kosmiska störningar ganska bra, men dessutom hjälper den också till att bekämpa vissa sjukdomar. Till exempel ger en kur med nedsänkningsbad lättnad till personer med alltför ökad muskeltonus, vilket hindrar dem från att röra sig helt.

Att ta ett doppbad är ett bra sätt att sänka ditt blodtryck. Mekanismen för processen är enkel: vattnet som omger en person pressar blod och lymfa från de perifera kärlen in i det centrala blodomloppet, vilket uppfattas av kroppen som ett överskott av vätska och leder till att det avlägsnas (på ett naturligt sätt - urinering ökar) och en minskning av trycket. Förresten, för att uppnå denna effekt behöver dykning inte vara "torr" - förmodligen har många märkt att de när de simmar börjar vilja använda toaletten, och nu vet du varför.

"Klockan 9:30 på morgonen slutade den femte dagen av torr nedsänkning för mig. Jag togs ut från badrummet. Dag noll är en av de viktigaste, det är för uppgifternas skull denna dag som testarna ligger i fem dagar utan stöd. På en båra togs jag till laboratoriet för gravitationsfysiologi, där tester omedelbart utfördes på experimenten "Architecture", "Pose", "Fälttest" och sedan DEXA, "Dynamometer", TMS, "Tonus", " Isokinesis".

Mitt tillstånd förbättras för varje minut, först hade jag huvudvärk, som om jag donerade 450 milliliter donerat blod, mina ben skakade lite under tester med slutna ögon. Nu är allt bra och magen gör inte ont.

Idag övernattar jag på institutet på grund av experimentet "Sömn". Sedan två dagar till med research, och den 11 april - den sista dagen då äventyret med fördjupning slutar för mig. Detta är en mycket givande upplevelse som kommer att komma väl till pass i framtiden.

Det är intressant att nästa etapp av nedsänkning planeras till hösten vid IBMP - 21 dagar. Men det kommer att finnas en speciell uppsättning."

Modellexperiment utförs i speciella medicinska eller vetenskapliga institutioner utrustade med unik utrustning, under överinseende av högt kvalificerade forskare. För närvarande utförs ett experiment med användning av en fem dagars "torr" nedsänkning vid Ryska federationens statliga forskningscenter - IBMP RAS.

Det är intressant att de förändringar som sker med kroppen i nedsänkning kan simulera inte bara rymdflygning, utan också tillståndet av senil sarkopeni - åldersrelaterad atrofi av skelettmuskler. Denna nedsänkning är den första som använder lågfrekvent elektromyostimulering av benmusklerna, som syftar till att förhindra negativa muskelförändringar. Under studierna på unga, men urtränade frivilliga försökspersoner kommer de mest effektiva elektriska stimuleringsprotokollen att väljas ut.

Efter att ha slutfört dyket kommer försökspersonerna att behöva genomgå en mängd olika tester som kommer att bedöma hur muskeltonusen, deras struktur, såväl som den vertikala ställningen och gångarten hos de frivilliga har förändrats.

Publikationer som ägnas åt biomedicinska experiment i rymden och deras modellering är sällsynta. I vår artikel övervägdes bara en liten del av detta stora ämne, vilket inkluderar astronauternas välbefinnande ombord på stationen, uppskjutningar av satelliter bebodda av djur,modellexperiment med deltagande av primater och rymdteknik i rehabiliteringen av patienter.

Litteratur

I. B. Kozlovskaya, D. A. Maksimov, Yu. I. Voronkov, I. Sunn, V. N. Ardashev, I. G. Dorogan-Suschev, I. V. Rukavishnikov. Förändringar i ländryggen och akut ryggsmärta när den utsätts för en 3-dagars "torr" nedsänkning // Kremlin Medicine. Clinical Bulletin. - 2015. - Nr 2.

I. V. Rukavishnikov, L. E. Amirova, T. B. Kukoba, E. S. Tomilovskaya, I. B. Kozlovskaya. Inverkan av gravitationsavlastning på ryggens muskeltonus // Human Physiology. - 2017. - Nr 3.