20多年来，来自世界各地的宇航员在国际空间站生活和工作。 宇航员在太空中面临许多挑战，首先是失重——他们必须在漂浮时做任何事情，从刷牙到做科学实验。 地球上缺乏重力使一切变得更加困难，并改变了宇航员的大脑。 一组研究人员对15名宇航员进行了十年的研究，测试了他们在太空旅行前后的行走、平衡和协调能力，并使用成像技术记录了他们大脑的变化。 研究发现，当宇航员返回地球时，他们在行动方面遇到了障碍，例如行走困难和平衡困难。 与此同时，太空旅行改变了他们大脑的形状和功能。 通过这些测量和分析，研究人员希望在长期太空任务中更好地保持宇航员的身心健康，这对于未来的火星甚至更遥远的行星任务至关重要。
60多年前，人类首次进入太空。 人类在国际空间站上生活和工作了20多年。 今天，人类正雄心勃勃地计划一次火星之旅。 然而，为了保证人类在火星上旅行的安全，科学家仍然需要研究太空旅行对人类大脑和身体的影响。 在过去的十年里，研究人员一直在探索太空活动对宇航员大脑的影响，以及他们行走、平衡和协调的能力。
在太空中，宇航员面临许多挑战[1]。 在没有地球引力的情况下，他们必须适应并学习如何在失重状态下生活和行动。 想象一下在漂浮时洗澡或进行科学实验。 身体的平衡系统位于内耳，称为前庭系统（前庭系统），它依靠地球的引力来告诉大脑指示我们是“向上”和“向下”（图1）。 然而，前庭系统无法在无重力环境中正常工作因此，太空中的宇航员经常混淆“向上”和“向下”的概念。
此外，宇航员承受着很大的压力：生活在太空中的宇航员与家人和朋友分离数月，宇航员在太空环境中难以获得高质量的睡眠。 这些因素可能会促使大脑发生变化，而这些变化通常不会发生在地球上。 研究人员想知道，当人类进入太空时，大脑会发生什么。
为了实现这一目标，研究人员邀请了15名宇航员参与这项研究。 这些宇航员将在国际空间站上生活六个月到一年。 每位宇航员在进入太空之前和返回地球后都会对他们的大脑进行成像（图2A）。 这些过程主要使用磁共振成像（MRI）技术进行（图2B）。 MRI扫描仪能够记录两个方面的信息：宇航员大脑的大小和形状，以及大脑各部分在不同活动期间的功能状态。 这些活动将考验宇航员行走、平衡和协调诸如定时障碍赛（图 2c）、稳定地站在坡道平台上（图 2d）、将钉子插入小孔（图 2e）等任务。 研究人员想分析宇航员在太空飞行前后的测试表现差异。
研究结果发现，当宇航员返回地球时，他们的行走、平衡和手部协调能力会变得更差[2]。这主要是由于宇航员在太空生活中已经适应了非常不同的无重力环境。 在这种环境中，前庭系统无法正常运作，大脑会减少来自该系统的信息量。 此外，宇航员在空间站周围移动不需要太多的腿部肌肉，他们可以在空间站中漂浮数月。 这些变化使他们在返回地球后无法正常行走。 他们的大脑必须重复使用来自前庭系统的信息，以重新学习如何在重力下移动。
此外，研究人员还发现了太空生命对大脑的许多影响（图3a）。 首先长时间的太空飞行使颅骨内的大脑向上移动[3]，导致大脑顶部和颅骨内部受压。 这种压缩可能是宇航员返回地球后行走、平衡和协调能力受损的原因，因为与运动相关的大脑区域被压缩。
其次，研究人员发现大脑中的水量也发生了变化。 事实上，头骨内的大脑总是被水包围。 大脑内部有一个特殊的口袋来储存水，称为心室（ventricles）。经过长时间的空间活动后，心室的体积增加[3, 4]。这可能是因为在失重状态下，缺乏重力将水“拉”到下肢，使多余的水被困在颅骨中并且难以排出，而扩大的心室有助于储存这些多余的水。 然而，目前尚不清楚这种变化对太空中的宇航员是好是坏，也不清楚宇航员返回地球后心室的体积需要多长时间才能恢复正常——当然，如果它能恢复到正常大小。
最后，研究人员观察到，你在太空中度过的时间越长（比如一整年），宇航员大脑的变化就越明显[3]。这一发现至关重要，因为它将影响未来更长的太空任务计划，并且是确保宇航员大脑健康的重要因素。 例如，一次火星任务可以持续近三年，这比任何人在太空中度过的时间都要多！
一个重要的问题是，长时间生活在太空中是否会改变大脑的工作方式。 如前所述，生活在太空环境中的宇航员失去了“向上”和“向下”的感知。 由于它们失重，它们不需要在地面上进行日常活动，例如刷牙——如果他们愿意，它们甚至可以跳到天花板上刷牙，他们甚至不会觉得自己在倒立！
为了了解太空环境对前庭系统的影响，研究人员用MRI扫描仪记录了宇航员的大脑活动，以观察前庭系统的工作原理[5]。 研究结果表明，当宇航员返回地球时，大脑中负责感官的更多部分参与其中，帮助前庭系统处理信息（图3b）。 换言之，在太空中生活了很长时间后，大脑中主要负责视觉和触觉的区域积极参与前庭系统的功能！一种可能的解释是，在太空中待了几个月后，大脑逐渐适应了地球的引力环境，当宇航员返回地球时，他们将需要更多的“脑力”来适应地球的引力环境。
值得注意的是，这些大脑变化与宇航员返回地球后的平衡能力有关。 换言之，大脑变化较大的宇航员在返回地球时可能会更好地平衡。 了解为什么一些宇航员比其他宇航员更能适应太空生活和地球上的生活，这有助于确定哪些宇航员在进入太空之前可能需要额外的培训，以及哪些宇航员在返回后可能最需要帮助才能恢复地球上的生活。
尽管如此，进入太空的人太少了。 如何在地球上研究类似的情况？
一些研究人员在地球上提出了替代方法。 例如，通过使用床上实验来类比太空中的宇航员，而不依靠他们的腿来支撑他们在床上的体重，方法是让健康的志愿者在床上躺两个月而不站立，从而研究了太空旅行的一些影响。 其他研究人员调查了在南极洲研究站过冬的人。 冬天来了，外面的极度寒冷让人难以忍受，他们只好呆在车站里。 这些研究有助于揭示孤立环境对个人心理健康和大脑功能的影响。
虽然这些情况可以提供有关人体如何对太空活动做出反应的宝贵信息，但它们不如实际进入太空的情况有价值。 因此，在未来的时间里，科学家们将需要调查更多的宇航员。 这将有助于我们更深入地了解长期空间活动前后大脑和身体的生理变化。
总体而言，目前人类太空旅行似乎相对安全。 然而，当宇航员返回地球时，他们会遇到暂时的行动不便问题，例如行走和平衡问题。 通过磁共振扫描仪的检测，研究人员发现了宇航员大脑的一系列变化，包括大脑的向上运动、脑室的扩大，以及需要更多的“脑力”来处理信息。 当它们返回地球时，其中一些变化将需要数月甚至更长时间才能恢复。
这些发现对于未来航天任务的规划具有重要意义，有助于我们了解如何更好地在太空环境中安全生存，推动开发更有效的训练和方法，并确保宇航员在长期太空任务中的身心健康。
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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
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