ANGELIQUE VAN OMBERGEN
Hersenen op ruimtemissie: eerste inzichten.27/10/2015 Eerder dit jaar schreef ik al eens een blogpost uit de reeks “hersenen op ruimtemissie”. Toen had ik het over waarom de ruimte zo’n uitdagende omgeving is voor mensen en wat er tot op heden geweten is over de impact van ruimtevlucht op onze hersenen, namelijk zeer weinig. Een deel van mijn doctoraatsonderzoek spitst zich dan ook specifiek toe op het verkrijgen van meer inzicht in dit fenomeen. Het onderzoek staat nog in zijn kinderschoenen, maar we hebben toch al kleine stukjes van de puzzel kunnen oplossen en onze resultaten werden een tijdje geleden gepubliceerd in het tijdschrift Brain Structure and Function (1). Het is de eerste keer dat soortgelijk onderzoek op mensen werd uitgevoerd. De ruimte is een erg vijandige omgeving voor mensen. Astronauten worden dan ook geconfronteerd met verschillende risicofactoren: gewichtloosheid, kosmische straling, sterke vibratie van het International Ruimte Station (ISS), isolatie, … . Ondanks het feit dat mensen zich zeer goed kunnen aanpassen aan nieuwe omstandigheden (zelfs in extrema), doen er zich toch soms ongewenste aanpassingen voor. Zo hebben onderzoekers al aangetoond dat een ruimtevlucht nefaste gevolgen heeft voor ons cardiovasculair systeem, ons bot- en spierstelsel, en ook cognitieve problemen met zich meebrengt. Specifieker hebben eerdere studies al gesuggereerd dat astronauten tijdelijk problemen hebben met stappen en bewegen (‘locomotie’) (2) en hierbij een slechtere coördinatie hebben (3), alsook zich heel instabiel voelen (4). Bovendien kampen ze met duizeligheid, misselijkheid en desoriëntatie door een conflict binnenin hun evenwichtssysteem (zowel wanneer ze naar de ruimte gaan als wanneer ze terugkomen) omwille van de zwaartekracht die eerst plots wegvalt en, wanneer ze terugkomen naar de aarde, vervolgens plots terug aanwezig is. Ook ervaren ze problemen met enkele specifieke functies van het evenwichtssysteem, zoals bijvoorbeeld de inschatting van verticaliteit, oriëntatie, het verwerken van de eigen beweging en het verwerken van zwaartekracht-gerelateerde prikkels (5,6). Afgezien van dierenstudies, is er nog maar weinig geweten over de impact van ruimtevlucht op het menselijk centraal zenuwstelsel. Daarom hebben we een studie opgezet -het BRAIN DTI project- die dit wil onderzoeken door middel van beeldvorming van de hersenen bij astronauten voor en na de ruimtevlucht (zie vorige blogpost “hersenen op ruimtemissie: wat weten we over de impact van ruimtevlucht op onze grijze massa?” voor een uitgebreidere toelichting). We hebben reeds resultaten van 1 astronaut (kosmonaut om correct te zijn, aangezien het een Russische astronaut betreft) en daarbij vonden we dat er na de vlucht minder connectiviteit (verbinding) is in een gedeelte van de hersenen wat de insulaire cortex wordt genoemd (zoals te zien in het blauw op de figuur a hierboven). De insulaire cortex maakt deel uit van de vestibulaire cortex; de hersengebieden die instaan voor het verwerken van vestibulaire prikkels ofte prikkels komende van onze evenwichtsorganen. Dit zou dus kunnen verklaren waarom astronauten zoveel problemen hebben met het inschatten van zelf-beweging en verticaliteit wanneer ze terug komen uit de ruimte. Bovendien vonden we na de ruimtevlucht ook minder connectiviteit in hersenregio’s die instaan voor motor-gerelateerde taken, met andere woorden, taken die te maken hebben met beweging. Van de regio’s in het blauw hieronder (figuur b) weten we dat deze betrokken zijn bij de snelheid, accuraatheid en coördinatie van bewegingen. Veranderingen in deze regio’s zouden dus kunnen verklaren waarom astronauten bij het terugkeren naar de ruimte tijdelijk problemen hebben met stappen, bewegen, de coördinatie hiervan en aldus instabiliteit ervaren. Deze bevindingen zijn interessant, niet alleen omdat het de eerste keer is dat soortgelijk onderzoek bij mensen uitgevoerd wordt, maar ook omdat tot op heden enkel gekeken werd naar bijvoorbeeld het evenwichtsorgaantje in ons binnenoor en onze spieren en botten om de typische ruimtevlucht problemen te onderzoeken. Deze studie toont echter aan dat we verder moeten kijken en ook op het niveau van de hersenen verschillen waar te nemen zijn. Dit is belangrijk, onder andere voor het ontwikkelen van methodes om deze nefaste gevolgen van ruimtevlucht tegen te gaan, maar ook voor toekomstige bemande ruimtemissies naar andere planeten (zoals bijvoorbeeld Mars als meest populaire bestemming). Hierbij denken we dan onder andere aan het opwekken van artificiële zwaartekracht aan boord, het uitoefenen van sport, de werking van medicatie, ... Deze resultaten kunnen ook interessant zijn voor patiënten hier op aarde met evenwichts- en bewegingsstoornissen. We kunnen echter veel leren van astronauten aangezien we dezelfde persoon voor en na een “traumatische” gebeurtenis kunnen testen (in principe is een ruimtevlucht een echte traumatische gebeurtenis, zeker voor ons evenwichtssysteem en bewegingsstelsel). Vanuit een ethisch perspectief zou dit anders nooit mogelijk zijn, vandaar dat astronauten studies niet enkel meer inzicht geven in het effect van ruimtevlucht op het menselijk lichaam, maar ook kunnen bijdragen om meer kennis in ziektebeelden op aarde te verkrijgen. De resultaten zijn uiteraard nog maar exploratief en verder onderzoek is nodig, maar ze geven ons wel een eerste tip van de sluier wat betreft het effect van gewichtloosheid en ruimtevlucht op onze grijze massa. “Houston, we’re trying to solve the problem…” Bronnen (1): Demertzi A/Van Ombergen A, Tomilovskaya ES, Jeurissen B et al. (2015). Cortical reorganization in an astronaut after long-duration spaceflight. Brain Struct Funct, ePub ahead of print. (2): Kozlovskaya IB (1981). Pathophysiology of motor functions in prolonged manned space flights. Acta Astr,8:1059-1072. (3): Tomilovskaya ES et al. (2013). Effects of long-duration space flights on characteristics of the vertical gaze fixation reaction. J Vestib Res, 23(1):3-12. (4) Paloski, WH et al. (1993). Vestibular ataxia following shuttle flights: effects of microgravity on otolith-mediated sensorimotor control of posture. Am J Otol, 14(1):9-17. (5) Brandt, T et al.(2005). Vestibular loss causes hippocampal atrophy and impaired spatial memory in humans. Brain, 128(11):2732-2741. (6) Lopez, C et al.(2007). Changes of visual vertical perception: a long-term sign of unilateral and bilateral vestibular loss. Neuropsychologia, 45(9):2025-2037.
1 Comment
Britse wetenschappers hebben mogelijks een doorbraak gevonden die kan leiden tot een manier om reisziekte te onderdrukken. Dit aan de hand van een neuromodulatie techniek, tDCS genoemd, waarbij men gebruikt maakt van elektrische schokjes. Ze hebben hun bevindingen recent gepubliceerd in het toonaangevende Neurology tijdschrift. Reisziekte is een vaak voorkomend fenomeen waarbij iemand symptomen zoals misselijkheid ervaart en soms zelfs moet braken wanneer hij of zij een bootreis maakt (zeeziekte), een autorit (wagenziekte), de trein neemt, van bestemming A naar B vliegt of zelfs tijdens een ruimtereis (in dit geval spreekt we dan van ruimteziekte), kortom wanneer iemand blootgesteld wordt aan passieve beweging. Reisziekte is fundamenteel gebaseerd op een conflict tussen onze zintuigen. In ons dagelijks leven werken drie systemen nauw samen: ons vestibulair of evenwichtssysteem (aan weerszijden gelokaliseerd in ons binnenoor), onze proprioceptie (waarneming van de positie en bewegingen van onze lichaamsdelen via sensoren in spieren en gewrichten) en ons visueel systeem. Dit zorgt ervoor dat we ons evenwicht kunnen bewaren en dat we bepaalde bewegingen kunnen uitvoeren, zoals bijvoorbeeld lopen of fietsen zonder om te vallen. De nauwe samenwerking tussen deze drie systemen, zorgt er ook voor dat we zelf-beweging kunnen onderscheiden van omgevingsbeweging (waarbij wijzelf stilstaan, maar het de omgeving is die effectief beweegt). In sommige gevallen, loopt het hier mis en kan dit aanleiding geven tot bepaalde symptomen zoals we die zien bij reisziekte. Wanneer we reizen in een auto bijvoorbeeld, vertelt ons evenwichtssysteem ons –terecht– dat we bewegen. Het is immers in staat om lineaire bewegingen, alsook versnellingen en rotaties op te meten. Aan de andere kant, vertelt ons proprioceptief systeem onze hersenen –grotendeels onterecht– dat we stilzitten (we voelen immers de autostoel en rugleuning duwen tegen ons zitvlak en rug). Ons visueel systeem kan tot op bepaalde hoogte helpen, door aan te geven welke van de twee het bij het juist eind heeft, maar in sommige gevallen loopt het ook hier mis. Denk maar aan een situatie die ons allen bekend is: we zitten in een trein en plots vertrekt de trein naast ons. Dit kan soms een heel rare ervaring zijn en het duurt even voor we doorhebben dat wij het niet zijn die bewegen, maar de trein naast ons. Hierbij wordt alle informatie afgewogen vooraleer we hiervan een juiste inschatting kunnen maken. Dit is ook een voorbeeld van een situatie waarin ons visueel systeem tekort schiet, het kan namelijk het verschil niet maken tussen eigen beweging en omgevingsbeweging (puur op basis van visuele prikkels). Gelukkig sturen ons evenwichtssysteem en onze proprioceptie info naar onze hersenen die ons zegt dat we niet bewegen. Door bijvoorbeeld te gaan lezen, versterken we deze conflictsituatie. Immers, als we in een boek lezen, staan de pagina’s natuurlijk stil (relatief ten opzichte van onszelf), waardoor we sneller en meer last kunnen krijgen van de onaangename reisziekte-symptomen. Dit verklaart ook waarom de klachten veel minder of zelfs niet optreden wanneer je zelf als bestuurder plaatsneemt. Je kan dan immers anticiperen op de bewegingen (je weet wanneer er een bocht aankomt bijvoorbeeld) en daardoor minimaliseer je het sensorisch conflict. Je visueel systeem en vestibulair systeem werken als het ware beter samen om de juiste informatie door te geven naar de hersenen. Passagiers daarentegen kunnen veel minder anticiperen op de aankomende beweging (in het bijzonder passagiers die achteraan zitten en de weg niet kunnen zien), vandaar dat zij meer kans hebben om ziek te worden. Onderzoekers zijn nog niet helemaal zeker wat nu precies risicofactoren zijn en waarom dus de ene persoon snel reisziekte ervaart terwijl de andere er absoluut geen last van heeft, maar omgevingsfactoren zoals geslacht, leeftijd en individuele gevoeligheid spelen zeker een belangrijke rol (2). Zo is bijvoorbeeld geweten dat vrouwen over het algemeen gevoeliger zijn voor reisziekte dan mannen. Preventie en behandeling van reisziekte werden reeds uitgebreid bestudeerd, maar voorlopig zijn er maar enkele ‘middeltjes’ die echt goed helpen terwijl de grote meerderheid een erg beperkt effect heeft. De meest effectieve behandelingsmethode, maar ook slechts gedeeltelijk effectief, zijn geneesmiddelen, zoals bijvoorbeeld anti-emetica (medicatie die misselijkheid en/of braken onderdrukt). Een voorbeeld hiervan is Touristil. Ook gember wordt soms genoemd als middel tegen reisziekte, maar wetenschappelijke studies zijn niet in staat om dit aan te tonen, dus het effect van gember tegen reisziekte blijft voorlopig een volksfabel (3). Volgens een Britse studie zouden we nu ook “elektrische schokjes” aan dit lijstje kunnen toevoegen. In hun studie hebben de onderzoekers gebruik gemaakt van transcraniële direct current stimulatie (tDCS), een vorm van neuromodulatie. Hierbij wordt hersenactiviteit gemoduleerd door een zwakke hoeveelheid (meestal 1 à 2 mA) elektrische stroom die toegediend wordt door de schedel (vandaar de benaming transcranieel, wat letterlijk ‘door de schedel’ betekent). Met modulatie wordt bedoeld dat er een verandering geïnduceerd wordt: er zal elektrische stroom doorheen de hersenen lopen, van de anode naar de kathode (respectievelijk de positieve en negatieve pool). Door de plaatsing hiervan te veranderen, kan een bepaalde hersenregio gestimuleerd worden of net onderdrukt worden. Meer specifiek hebben de Britse wetenschappers proefpersonen opzettelijk misselijk gemaakt door hen rond te draaien op een gemotoriseerde draaistoel - klinkt als een leuk onderzoek, niet? Vervolgens dienden ze aan de hand van de tDCS-techniek elektrische schokjes toe over een hersengebied in de pariëtale kwab van de linker hemisfeer. In eerdere studies had men immers reeds aangetoond dat dit gebied betrokken is bij het verwerken van vestibulaire prikkels. Hun hypothese was dat men, door heel specifiek deze regio te onderdrukken, ook de symptomen van reisziekte zou kunnen onderdrukken. En hun theorie klopte; wanneer deze mensen opnieuw rondgedraaid werden, hadden ze veel minder last van reisziekte: ze konden de rotatie langer verdragen, de symptomen startten pas later en de recuperatietijd na het stopzetten van de rotatie was sneller. De onderzoekers zelf stellen dat deze therapie in de toekomst gemakkelijk toegankelijk zal zijn en mogelijks zelf beschikbaar zou kunnen gemaakt worden op mobiele telefoons. Volgende keer dan toch maar geen Touristil, maar elektrische pulsen als we een ritje moeten maken? Bronnen (1): Arshad Q, Cerchiai N, Goga U, Nigmatullina Y, Roberts RE, Casani AP, Goldberg JF, Gresty MA, Bronstein AM (2015). Electrocortical therapy for motion sickness. Neurology, ePub ahead of print. (2): Golding, JF (2006). Motion sickness susceptibility. Auton. Neurosci. Basic Clin, 129(1-2):67–76. (3): Palatty PL, Haniadka R, Valder B, Arora R, Baliga MS (2013). Ginger in the prevention of nausea and vomiting: a review. Crit Rev Food Sci Nutr, 53(7):659-669. (4) Arshad Q, Nigmatullina Y, Roberts RE, Bhrugubanda V, Asavarut P, Bronstein AM (2014). Left cathodal trans-cranial direct current stimulation of the parietal cortex leads to an asymmetrical modulation of the vestibular-ocular reflex. Brain Stimul, 7:85–91. Interessante links Waarom word je wagenziek? door Prof. Herman Kingma van Maastricht Universiteit Vorig jaar schreef ik in opdracht van Breinwijzer een lessenpakket voor het initiatief Meeting of Minds for Youth (MOM4Y).
Je kent ze wel, die twee soorten mensen: de ene vindt feilloos zijn weg in een doolhof, terwijl de andere verdwaald is na twee straten. Afgezien van het feit dat je met de eerste persoon vlot thuisgeraakt na een avondje stappen en dit met de tweede een echte opgave kan zijn, is er een cruciaal verschil tussen deze ‘padvinders’ en ‘verdwalers’: hun brein. Meerdere studies hebben zich al over het onderwerp gebogen en allen wijzen in dezelfde richting. Het verschil tussen deze twee soorten mensen bevindt zich heel specifiek in een hersenstructuur; de ‘hippocampus’ (Grieks voor zeepaard, zo genoemd omwille van zijn vorm). Deze structuur is betrokken bij lange-termijn geheugen en navigatie.In het kader van de rol van de hippocampus bij navigatie, vroeg Eleanor Maguire, onderzoekster aan University College London, zich af of taxichauffeurs in Londen grotere hippocampi zouden hebben dan gemiddeld. In tegenstelling tot andere grootsteden, zoals bijvoorbeeld New York, waar het stratenplan eenvoudig georganiseerd is, is hartje Londen een regelrechte wirwar met meer dan 25.000 straten. Kersverse taxichauffeurs dienen dan ook een training van 3 à 4 jaar te doorlopen alvorens ze hun kwalificatie kunnen krijgen, iets wat maar voor 50% van de starters is weggelegd. Maguire ontdekte dat de Londense taxichauffeurs meer grijze stof hadden in het posterieure (achterste) deel van hun hippocampus (1,2,3) wanneer dit vergeleken werd met een controlegroep (geen taxichauffeurs) met dezelfde leeftijd, geslacht en educatie. Bovendien kende dit ook een lineair verband: hoe langer iemand ervaring had als taxichauffeur, hoe groter de hippocampus.In hetzelfde licht hebben Amerikaanse onderzoekers over verschillende studies dan weer aangetoond dat de functie van de hippocampus daalt wanneer mensen afhankelijk zijn van een GPS (4,5,6). Daarnaast is het volume van de grijze stof in de hippocampus ook kleiner bij GPS-gebruikers. Bovendien scoorden zij in hetzelfde onderzoek ook slechter op een cognitieve test in vergelijking met mensen die geen GPS gebruiken. Dit kan erop wijzen dat het niet uitdagen van ons intern navigatiesysteem (door op automatische piloot te rijden met GPS) ook nefaste gevolgen kan hebben voor onze cognitie.Daarenboven gaat het verschil verder dan enkel de anatomie van de hersenen, ook de hersenactiviteit is anders wanneer deze 2 groepen vergeleken worden. Onderzoekers uit Nederland (7) hebben tijdens een fMRI experiment onderzocht welke hersenactiviteit betrokken is bij een virtuele navigatietaak. Meer specifiek zijn ze nagegaan – aan de hand van het registreren van oogbewegingen – welke hersenactiviteit gerelateerd was met het bekijken én onthouden van voorwerpen (‘landmarks’) langs de route. Uit hun experiment is gebleken dat ‘de padvinders’, mensen met een goed richtingsgevoel, vooral communiceren met de hippocampus, terwijl ‘verdwalers’ dit in veel mindere mate doen en eerder communiceren met andere hersengebieden. De onderzoekers concludeerden hieruit dat ‘verdwalers’ enkel en alleen onthouden welke afslag ze moeten nemen als ze bvb. een boom of standbeeld tegenkomen, terwijl padvinders die boom of het standbeeld echt opnemen in hun interne plattegrond.
Hersenen op ruimtemissie4/10/2015 Wat weten we over de impact van ruimtevlucht op onze grijze massa? |
© Angelique Van Ombergen - Alle rechten voorbehouden.