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14th of November 2018

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Zeit im Weltall lässt Gehirn vorübergehend schrumpfen

Untersuchung an Kosmonauten: Zeit im Weltall lässt Gehirn vorübergehend schrumpfen Danke für Ihre Bewertung! 0

Ein längerer Aufenthalt im Weltraum führt nicht nur zu Muskelschwund. Unsere Untersuchungen haben nur gezeigt, dass er auch Folgen fürs Gehirn hat: Das Volumen schrumpft.

Wir wissen aus der Forschung seit mehreren Jahren, dass Langzeitaufenthalte von mehr als einem Monat im Weltraum zu Muskelschwund, Verminderung der Knochendichte und Veränderungen im Immunsystems des Menschen führen. In den ersten 72 Stunden nach Übertritt in die Schwerelosigkeit (korrekter wäre Mikrogravitation) zeigen manche Astronauten Schwindel, Übelkeit und Kopfschmerzen.

Die Folgen, die ein solcher Aufenthalt für das menschliche Gehirn haben könnte, sind in den vergangenen Jahren in den Fokus der Wissenschaft getreten. Nordamerikanische Kollegen konnten in einer beschreibenden Auswertung nach Zusammenführung unterschiedlicher Datenquellen zeigen, dass sich in der anatomischen Darstellung des menschlichen Gehirns mittels Magnetresonanztomographie von Astronauten nach Rückkehr zur Erde die zentrale Längsfurche des Gehirns sichtbar verengt und an der Schädelbasis Regionen der grauen Substanz zu schrumpfen scheinen.

Über den Autor

Peter zu Eulenburg ist Professor für Neuroimaging beim Deutschen Schwindel- und Gleichgewichtszentrum der Ludwig-Maximilians-Universität München.

Volumenminderungen in der grauen Substanz

Wir konnten jetzt in der ersten Teilauswertung des Langzeit-Projektes für strukturelle Veränderungen am Gehirn überraschend deutlich zeigen, dass es wenige Tage nach der Rückkehr aus der Schwerelosigkeit im Vergleich zu einer Ausgangsmessung vor dem Start wirklich zu großflächigen Volumenminderungen in der grauen Substanz (Hirnrinde mit den Nervenzellen) im Menschen kommt. Dafür untersuchten wir von 2014 bis 2018 zehn russische Kosmonauten, die im Durchschnitt 189 Tage an Bord der internationalen Raumstation ISS verbracht hatten, per Magnetresonanztomographie. Im Durchschnitt lag der Rückkehr bei 1,39 Prozent. Eine andere Untersuchung hatte solche Befunde in der Vergangenheit angedeutet.

Treibende Kraft hierfür scheint eine druckbedingte Ausdehnung des mit Hirnwasser (Liquor) gefüllten Raumes innerhalb der Höhlen des Großhirns zu sein. Das Plus lag bei 12,9 Prozent. Die hauptsächliche aus Nervenfasern bestehende weiße Substanz des Gehirns erschien direkt nach der Landung im Vergleich zur Voruntersuchung hingegen unverändert.

Im Langzeitverlauf nach einem halben Jahr waren die Volumenminderungen der grauen Substanz dann erfreulicher Weise zum größten Teil, aber insgesamt leider noch nicht vollständig rückläufig. Die Räume mit Hirnwasser hatten sich aber nun vor allem um das Gehirn herum weiter ausgedehnt. Gleichzeitig war überraschenderweise die weiße Substanz des Großhirns in vielen Bereichen im Langzeitverlauf (sieben Monate nach Rückkehr) im Vergleich zur Messung vor dem Start und auch im Vergleich zur ersten Messung nach der Rückkehr deutlich geschrumpft.

Tiefgreifende Veränderung der Hirnwasser-Zirkulation

Wir vermuten nun, dass während des Weltraumaufenthalts etwas Volumen der weißen Substanz durch sich ausdehnendes Nervenwasser ausgetauscht wird. Im halben Jahr nach der Rückkehr zur Erde wird dieses „freie“ Wasser wieder abgegeben, sodass es zu dieser relativen Schrumpfung der weißen Substanz kommt. Unsere Ergebnisse deuten insgesamt auf eine anhaltende und tiefgreifende Veränderung der Hirnwasser-Zirkulation durch die Langzeit-Mission im All auch viele Monate nach einer Rückkehr zur Erde hin. Das hatte niemand erwartet.

Ob die dabei beobachteten großflächigen Veränderungen der grauen und weißen Substanz eine Relevanz für die Kognition, also die geistigen Fähigkeiten der Kosmonauten haben, ist zum jetzigen Zeitpunkt unklar. Ein klinischer Hinweis für Druckveränderungen im Kopf des Menschen sind bisher lediglich teilweise langfristige Änderungen der Sehkraft bei einzelnen Raumfahrern. Diese könnten ebenso wie die von uns beobachteten Phänomene durch den Druck des sich aufstauenden Nervenwassers auf den Augapfel und die Netzhaut von hinten sowie auf den vorderen Ansatz des Sehnervs dahinter entstehen.

Als übergeordnete Ursache für alle beobachteten Veränderungen sind möglicherweise Flüssigkeitsverschiebungen der verschiedenen Wassersäulen im Körper des Menschen noch oben in Richtung Kopf durch die fehlende Schwerkraft zu vermuten. Diese Flüssigkeitsverschiebung von den Beinen und dem Rumpf aufwärts mit geringen aber anhaltenden Druckveränderungen im Venensystem des Kopfes als Folge, könnten sich dann über den langen Verlauf (189 Tage) im All aufsummieren und zu den beobachteten Effekten für das Gehirn führen.

Veränderungen müssen weiter beobachtet werden

Aus den Ergebnissen unserer Studie ergeben sich meiner Meinung nach mehrere potentielle Konsequenzen. Aus der Sicht eines Neurologen brauchen wir eine ausführliche und standardisierte kognitive Testbatterie, um alle Langzeit-Raumfahrer noch detaillierter zu untersuchen. Die MRT-Aufnahmen vom Kopf sollten länger nach der Rückkehr einheitlich fortgesetzt werden (> 2 Jahre). So würden sich potentielle medizinische Folgen der beobachteten Strukturveränderungen des Gehirns besser abschätzen lassen. Und nur dann ließe sich auch der Prozess einer kompletten Rückbildung der beobachteten Veränderungen an der grauen Substanz hoffentlich bestätigen.

Während des Aufenthalts auf der ISS oder zukünftiger Raumstationen gäbe es zudem mehrere vergleichsweise einfache Möglichkeiten um den Hirn- und/oder Augendruck kontinuierlich zu erfassen. Damit könnte man die zeitliche Dynamik der Zirkulationsänderungen im Nervenwassersystem des Kopfes besser abschätzen. Finden diese am Anfang, über die gesamte Zeit oder erst gegen Ende statt. Wir vermuten hier aktuell einen linearen und sich aufsummierenden Zusammenhang der beobachteten Veränderungen mit der Dauer des Aufenthaltes im Weltraum. All diese Zusatzuntersuchungen sollten es außerdem ermöglichen sinnvolle Gegenmaßnahmen (künstliche Schwerkraft, Hosen mit Unterdrucksystem zum Binden von Körperflüssigkeiten in der unteren Körperhälfte, Medikamente) gezielt und dosiert einzusetzen. Dies wäre auch im Hinblick auf noch längere Raumfahrtmissionen (>1 Jahr) in absehbarer Zukunft, wie z.B. zum Mars, sicherlich erforderlich.

Das Projekt wurde gefördert durch die europäische (ESA) und russische Raumfahrtagentur (Roskosmos) und den belgischen Wissenschaftsfonds.

Originalarbeit: Brain Tissue–Volume Changes in Cosmonauts; Angelique Van Ombergen, Peter zu Eulenburg, Floris L. Wuyts, et al.; DOI: 10.1056/NEJMc1809011; The New England Journal of Medicine 2018

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