علم الأعصاب في الفضاء

علم الأعصاب الفضائي، أو علم الأعصاب الفلكي، هو الدراسة العلمية لوظائف الجهاز العصبي المركزي أثناء الرحلات الفضائية . تستطيع الكائنات الحية دمج المدخلات الحسية للتنقل في بيئتها وتنسيق وضعية الجسم ، والحركة ، وحركات العين . تلعب الجاذبية دورًا أساسيًا في التحكم بهذه الوظائف. في حالة انعدام الوزن أثناء الرحلات الفضائية، يصبح دمج المدخلات الحسية وتنسيق الاستجابات الحركية أكثر صعوبة، لأن الجاذبية لا تُستشعر أثناء السقوط الحر . على سبيل المثال، لا تُشير أعضاء الأذن الداخلية للجهاز الدهليزي إلى ميل الرأس بالنسبة للجاذبية عند الوقوف . ومع ذلك، لا تزال قادرة على استشعار حركة الرأس أثناء حركة الجسم. يمكن أن تؤدي حالات الغموض والتغيرات في كيفية معالجة مدخلات الجاذبية إلى أخطاء محتملة في الإدراك ، مما يؤثر على التوجه المكاني والتمثيل الذهني . تُعد اضطرابات الجهاز الدهليزي شائعة أثناء الرحلات الفضائية وبعدها مباشرة، مثل دوار الحركة في المدار واضطرابات التوازن بعد العودة إلى الأرض. ^{[ 1 ]}

لا يقتصر التكيف مع انعدام الوزن على وظائف الاقتران الحسي الحركي فحسب، بل يشمل أيضًا بعض وظائف الجهاز العصبي اللاإرادي . كما أن اضطرابات النوم وعدم تحمل الوضعية الانتصابية شائعان أثناء وبعد الرحلات الفضائية. ينعدم الضغط الهيدروستاتيكي في بيئة انعدام الوزن، مما يؤدي إلى إعادة توزيع سوائل الجسم نحو الجزء العلوي منه ، وبالتالي انخفاض حجم الساقين، الأمر الذي قد يؤثر على لزوجة العضلات ومرونتها . وقد يكون ارتفاع ضغط الجمجمة مسؤولاً أيضًا عن انخفاض حدة البصر القريب . ^{[ 2 ]} بالإضافة إلى ذلك، تنخفض كتلة العضلات وقوتها نتيجة لانخفاض الحمل في حالة انعدام الوزن . علاوة على ذلك، يعاني ما يقرب من 70% من رواد الفضاء من دوار الحركة الفضائي بدرجة ما خلال الأيام الأولى. ^{[ 3 ]} للأدوية الشائعة الاستخدام لمكافحة دوار الحركة، مثل سكوبولامين وبروميثازين ، تأثيرات منومة. ويمكن أن تؤدي هذه العوامل إلى الإرهاق المزمن . يكمن التحدي الذي يواجه الطب الفضائي المتكامل وعلم وظائف الأعضاء في دراسة تكيف جسم الإنسان مع رحلات الفضاء ككل، وليس فقط كمجموع أجزاء الجسم لأن جميع وظائف الجسم مترابطة وتتفاعل مع بعضها البعض.

حتى الآن، لا تملك سوى ثلاث دول، هي الولايات المتحدة وروسيا والصين ، القدرة على إرسال بشر إلى المدار. ومع ذلك، فقد سافر 520 رائد فضاء من أكثر من ثلاثين دولة إلى الفضاء، وشارك العديد منهم في أبحاث علم الأعصاب الفضائي . وشكّل إطلاق أول حيوان حي إلى المدار على متن سبوتنيك في 3 نوفمبر 1957 بداية تاريخ حافل بالإنجازات العلمية والتقنية الفريدة في علوم الحياة الفضائية ، والذي امتد لأكثر من خمسين عامًا حتى الآن. ^{[ 4 ]}

أُجريت أولى التجارب الموثقة في علم الأعصاب الفضائي خلال المهمة المأهولة الثالثة على متن مركبة الفضاء الروسية فوستوك . بدأت هذه التجارب بعد أن اشتكى طاقم المهمات السابقة من الغثيان وفقدان التوازن المكاني في حالة انعدام الوزن . ركزت تجارب علم الأعصاب الفضائي عادةً على معالجة هذه المشكلات التشغيلية إلى أن أُتيحت محطتا الفضاء سكايلاب وساليوت لإجراء أبحاث أساسية أكثر حول تأثير الجاذبية على وظائف الجهاز العصبي المركزي. أُجري ما يقارب 400 تجربة في علم الأعصاب الفضائي ، بدءًا من فوستوك-3 في أغسطس 1962 وحتى البعثة 15 على متن محطة الفضاء الدولية في أكتوبر 2007. ^{[ 5 ]}

تُعدّ الاضطرابات الحسية والحركية الحسية عند الوصول إلى مدار أرضي منخفض من الأمور الموثقة جيدًا، وأشهرها دوار الحركة الفضائية . وتتسبب الاختلافات الفردية، وحجم المركبة الفضائية، وحركات الجسم في ظهور أعراض دوار الحركة الفضائية. وتستمر هذه الأعراض عادةً خلال الأيام الثلاثة أو الأربعة الأولى من انعدام الوزن، وتتراوح بين الصداع والإرهاق والغثيان والقيء . وتتفاوت عواقبها من مجرد الشعور بعدم الراحة إلى العجز المحتمل، مما قد يُسبب مشاكل أثناء الأنشطة خارج المركبة ، والعودة إلى الغلاف الجوي، والخروج الطارئ منها. ويتلقى الجسم مجموعة متنوعة من الإشارات المتضاربة من الأعضاء البصرية والحسية الجسدية والدهليزية في حالة انعدام الوزن. ويُعتقد أن هذه المدخلات المتضاربة هي السبب الرئيسي لدوار الحركة الفضائية، ولكن الآليات الدقيقة لهذا التضارب غير مفهومة جيدًا. وتُسبب الأدوية المستخدمة حاليًا لتخفيف الأعراض آثارًا جانبية غير مرغوب فيها. ^{[ 6 ]}

يجب على رواد الفضاء البقاء متيقظين ومنتبهين أثناء تشغيل المعدات المعقدة. لذا، يُعدّ الحصول على قسط كافٍ من النوم عاملاً حاسماً لنجاح المهمة. فعدم الجاذبية، والبيئة المغلقة والمعزولة، وجداول العمل المزدحمة، بالإضافة إلى غياب نمط يومي منتظم من 24 ساعة، تجعل النوم صعباً في الفضاء. ينام رواد الفضاء عادةً ست ساعات فقط في المتوسط ​​كل ليلة. وقد يؤدي تراكم نقص النوم واضطرابه إلى أخطاء في الأداء وحوادث تُشكّل خطراً كبيراً على نجاح المهمة. كما تُنظّم دورات النوم والساعة البيولوجية مجموعة واسعة من الوظائف الفسيولوجية والهرمونية والسلوكية والمعرفية.

تُجرى حاليًا دراساتٌ حول طرق الوقاية من قلة النوم، والحد من الأخطاء البشرية ، وتحسين الأداء الذهني والبدني خلال رحلات الفضاء طويلة الأمد. ومن بين الشواغل الرئيسية تأثير بيئة الفضاء على العمليات المعرفية العليا، مثل اتخاذ القرارات، وتأثير تغير الجاذبية على الوظائف الذهنية، وهو أمرٌ بالغ الأهمية إذا ما اعتُبرت الجاذبية الاصطناعية إجراءً مضادًا في مهمات الفضاء بين الكواكب المستقبلية. ^{[ 7 ]} كما يُعدّ تطوير تقنيات قياس الاستجابة البشرية ضروريًا لتقييم قدرة الطاقم على أداء مهام إدارة الرحلة بكفاءة. وتبرز الحاجة إلى أنظمة قياس بسيطة وموثوقة للاستجابات السلوكية والنفسية-الفسيولوجية لتقييم الحمل الذهني، والإجهاد ، والانخراط في المهام، والوعي الظرفي أثناء رحلات الفضاء.

تتمتع جميع الكائنات الحية على الأرض بالقدرة على استشعار التغيرات في بيئتها الداخلية والخارجية والاستجابة لها. يجب على الكائنات الحية، بما فيها الإنسان، أن تستشعر بدقة قبل أن تتمكن من التفاعل، مما يضمن بقاءها . يستشعر الجسم البيئة المحيطة به عبر أعضاء حسية متخصصة. يستخدم الجهاز العصبي المركزي هذه الأحاسيس لتنسيق وتنظيم أنشطة العضلات، والانتقال من الأوضاع غير المريحة، وضبط التوازن بشكل صحيح. في اللغة الدارجة، تُعرف الحواس الخمس عادةً: البصر ، والسمع ، والشم ، والتذوق ، واللمس . وتتأثر جميع هذه الحواس إلى حد ما بانعدام الوزن.

في الواقع، يمتلك جسم الإنسان سبعة أنظمة حسية، وليس خمسة. النظامان السادس والسابع هما حاسة الحركة الموجودة في الأذن الداخلية. يشير النظام السادس إلى بداية ونهاية الدوران، بينما يشير النظام السابع إلى ميل الجسم بالنسبة للجاذبية، بالإضافة إلى حركته الانتقالية. لا يوفر النظام السابع معلومات عن الميل في حالة انعدام الوزن، ولكنه يستمر في الإشارة إلى الحركة الانتقالية، مما يجعل الإشارات الواردة إلى الجهاز العصبي المركزي مُربكة. تُغير تجربة العيش والعمل في الفضاء طريقة تفسير الجهاز العصبي المركزي لإشارات عضو الأذن الداخلية أثناء التسارع الخطي . على الرغم من أن الإدراك يكون دقيقًا إلى حد كبير عندما يتعرض الأفراد لتسارع زاوي في الانعراج أثناء الطيران، إلا أن هناك اضطرابات تحدث أثناء الدوران الزاوي في الميل والدوران ، وأثناء التسارع الخطي على طول المحورين العرضي والطولي للجسم. كما يتغير إدراك حركة الجسم أثناء الحركة نفسها مباشرة بعد الهبوط. هناك تكيف مع انعدام الوزن في المدار يمتد إلى ردود الفعل اللاحقة للرحلة تجاه التسارع الخطي. ^{[ 8 ]}

يؤدي التعرض لانعدام الوزن إلى تغييرات في الإشارات الواردة من مستقبلات اللمس والضغط والجاذبية ، أي جميع المعلومات اللازمة لاستقرار وضعية الجسم. وتحدث تعديلات تكيفية في المعالجة المركزية للمعلومات الحسية لإنتاج استجابات حركية مناسبة لبيئة الجاذبية الجديدة. ونتيجة لذلك، يتم التخلي تدريجيًا عن الاستراتيجيات الحركية الأرضية في حالة انعدام الوزن، حيث يتكيف رواد الفضاء مع هذه البيئة. وينطبق هذا بشكل خاص على عضلات الوضعية الرئيسية الموجودة في أسفل الساقين. وبالتالي، تصبح التعديلات في وضعية الجسم والحركة والتنقل المكتسبة في ظل انخفاض الجاذبية غير مناسبة لجاذبية الأرض عند العودة. وبعد الهبوط، يظهر عدم استقرار في وضعية الجسم يقترب من الرنح السريري نتيجةً لإعادة التنظيم العصبي أثناء الرحلة. ^{[ 9 ]}

يواجه رواد الفضاء صعوبات في الوقوف والمشي والانعطاف وصعود السلالم، بالإضافة إلى تباطؤ في المشية ، وذلك أثناء إعادة تأقلمهم مع جاذبية الأرض، إلى حين استعادة استراتيجيات الحركة الأرضية بشكل كامل. كما يؤدي التأقلم مع رحلات الفضاء إلى زيادة ملحوظة في الوقت اللازم لاجتياز مسار العوائق يوم الهبوط، ويستغرق استعادة القدرة على الحركة الوظيفية أسبوعين في المتوسط. ^{[ 10 ]} قد تُؤثر هذه الصعوبات سلبًا على قدرة رواد الفضاء على الوقوف أو الخروج من المركبة في حالات الطوارئ، وعلى قدرتهم على العمل بكفاءة فور مغادرتهم المركبة الفضائية بعد الرحلة. لذا، من المهم فهم أسباب هذه الاضطرابات العميقة في وضعية الجسم وثبات الحركة، ووضع تدابير مضادة لها .

من المرجح أن تظهر أبرز المشكلات الحسية الحركية التي سيواجهها رواد الفضاء خلال إقامتهم على سطح القمر والمريخ أثناء تجولهم ببدلاتهم الفضائية . فالبدلات كبيرة الحجم وثقيلة الوزن، وتؤثر على مركز ثقل الجسم . هذا، بالإضافة إلى وعورة التضاريس ومحدودية مجال الرؤية، يجعل الحركة صعبة.

تُعدّ وظيفة الجهاز الدهليزي أثناء الرحلات الفضائية الأكثر دراسةً على الإطلاق. وينطبق هذا بشكل خاص على أعضاء الأذن الداخلية الحساسة للجاذبية وعلاقتها بحركات العين . ويبدو أن وظيفة القناة الهلالية الدهليزية لا تتغير في حالة انعدام الوزن، لأن حركات العين الأفقية التي تعوض دوران الرأس حول محوره لا تتأثر بالرحلات الفضائية. ويؤدي غياب تحفيز الجاذبية لأعضاء الأذن الداخلية إلى تقليل رد الفعل الدهليزي العيني الالتوائي أثناء دوران الرأس في بيئة انعدام الجاذبية. ويختفي هذا النقص عند تعرض رواد الفضاء لقوى الطرد المركزي ، مما يشير إلى أن التغيرات التكيفية في الجهاز العصبي المركزي تحدث مركزياً وليس طرفياً. ^{[ 11 ]}

خلال الأيام الأولى في المدار، ينعكس عدم تناظر حركات العين العمودية استجابةً للمشاهد المرئية المتحركة. ثم يُلاحظ عودة تناظر المنعكسات الدهليزية العينية والبصرية الحركية. وقد أظهرت بعض الدراسات زيادة في زمن الكمون وانخفاضًا في ذروة سرعة حركات العين السريعة ، بينما وجدت دراسات أخرى عكس ذلك تمامًا. ومن المحتمل أن تعتمد هذه النتائج المتضاربة على توقيت الحصول على القياسات خلال المهمة. كما يوجد اضطراب كبير في حركات تتبع العين السلسة ، لا سيما في المستوى العمودي. ^{[ 12 ]}

ستتضمن مهمات البشر إلى المريخ عدة انتقالات بين بيئات جاذبية مختلفة. ستؤثر هذه التغيرات في نهاية المطاف على حركات العين الانعكاسية. والسؤال المحوري هو ما إذا كان رواد الفضاء يمتلكون مجموعات مختلفة من ردود الفعل التي يمكنهم التبديل بينها بسرعة بناءً على بيئة الجاذبية. يُعد تحديد القدرات التكيفية المزدوجة لحركات العين الانعكاسية في مثل هذه الظروف أمرًا بالغ الأهمية لتحديد مدى إمكانية نقل مهارات الربط الحسي الحركي المكتسبة في بيئة جاذبية واحدة إلى بيئات أخرى.

في حالة انعدام الوزن ، يعتمد رواد الفضاء بشكل أكبر على حاسة البصر للحفاظ على إدراكهم المكاني ، لأن أعضاء الأذن الداخلية لا تستطيع الإشارة إلى اتجاه "الأسفل". مع ذلك، خلال التعرض المطول لانعدام الوزن، يبدو أن الاعتماد يتحول نحو مرجع رأسي داخلي للجسم. يُعزى وهم الحركة الذاتية الخاطئ أثناء حركات الرأس التي تحدث أثناء وبعد العودة إلى جاذبية الأرض، على الأرجح، إلى إعادة تفسير المدخلات الدهليزية . تشير الدراسات الأرضية إلى أن الجهاز العصبي المركزي يحل غموض "الميل-الانتقال" بناءً على محتوى التردد للتسارع الخطي الذي ترصده أعضاء الأذن الداخلية ، حيث يشير التردد المنخفض إلى "الميل" والتردد العالي إلى "الانتقال". يوجد تقاطع عند حوالي 0.3  هرتز حيث تصبح إشارات الأذن الداخلية غامضة. من المفترض أن التعرض لانعدام الوزن يؤدي إلى تحول في تردد التقاطع هذا، مما قد يساهم في فقدان التوجه المكاني ومتلازمة دوار الحركة الذاتية. ^{[ 13 ]}

على الرغم من محدودية الدراسات التي تتناول العمليات المعرفية العليا، كالملاحة والتدوير الذهني ، ^{[ 14 ]} فإن رواد الفضاء يُبلغون باستمرار أن الأجزاء الداخلية للمركبات الفضائية تبدو أطول وأعلى مما هي عليه في الواقع، ويُلاحظ انخفاض في الارتفاع المُدرك للأجسام ثلاثية الأبعاد أثناء الرحلة مقارنةً بما قبلها، مما يُشير إلى تغير في التمثيل الذهني للإشارات ثلاثية الأبعاد في حالة انعدام الوزن. الإدراك هو نموذج للدماغ، فرضية عن العالم تفترض قوانين نيوتن للحركة . تتغير هذه القوانين في حالة انعدام الوزن، وبالتالي، يُمكن توقع تغيرات في التمثيل الذهني لشكل الأجسام ومسافاتها أثناء الرحلات الفضائية. ^{[ 15 ]} لم تُظهر الدراسات النادرة التي أُجريت في الفضاء حتى الآن تغيرات جذرية، ربما لأن الجهاز العصبي المركزي يستمر في استخدام نموذج داخلي للجاذبية، على الأقل لفترة قصيرة. ^{[ 16 ]} يُمكن التكهن بأن طريقة معالجة الأبعاد الثلاثة ستكون أكثر تطورًا بعد غياب طويل للمرجع الجاذبي.

قد تكشف المزيد من الدراسات التي تُجرى في الفضاء عن تأثر وظائف قشرية عليا أخرى في ظروف انعدام الوزن. ومن المتوقع أن يُسفر الجمع بين الواقع الافتراضي وقياس الكمونات المُستحثة ورسم خرائط الدماغ على متن محطة الفضاء الدولية عن نتائج واعدة حول آليات التكيف للوظائف الدماغية في حالة انعدام الوزن.

منذ مركبة فوسخود الفضائية وحتى محطة الفضاء الدولية ، شهدت المركبات الفضائية تحسناً ملحوظاً في الحجم والراحة، مما أتاح لعدد متزايد من البشر السفر إلى المدار. ومع ذلك، ورغم كل الخبرة المكتسبة في رحلات الفضاء البشرية على مدى الخمسين عاماً الماضية، لا يوجد حتى الآن أي إجراء مضاد فعال تماماً، أو مجموعة من الإجراءات المضادة، لمواجهة الآثار السلبية للتعرض المطول لانعدام الوزن. فلو انطلق طاقم من رواد الفضاء في رحلة مدتها ستة أشهر إلى المريخ اليوم، فمن المرجح أن تجعلهم الإجراءات المضادة المستخدمة حالياً أقل كفاءة بعد الهبوط. ^{[ 1 ]}

يعتقد الكثيرون أن التكيف الفسيولوجي مع جاذبية المريخ (0.38 G) وإعادة التكيف مع جاذبية الأرض (1 G) سيتحسنان من خلال التعرض المتكرر للجاذبية الاصطناعية على متن المركبة الفضائية أثناء رحلتها من وإلى المريخ. ويتطلب ذلك وجود جهاز طرد مركزي مُصمم للاستخدام البشري على متن المركبة ، أو دوران المركبة الفضائية لتوليد قوة طرد مركزي مماثلة للجاذبية. هذا الحل، على الرغم من فعاليته المحتملة، يثير عددًا من القضايا التشغيلية والهندسية والفسيولوجية التي يجب معالجتها. لا تزال الاستجابات الفسيولوجية البشرية للتعرض طويل الأمد لأي شيء عدا انعدام الجاذبية أو جاذبية الأرض غير معروفة. هناك حاجة إلى إجراء بحوث لتحديد الحد الأدنى لمستوى الجاذبية ومدتها وتواترها اللازم للحفاظ على وظائف الجهاز العصبي المركزي الطبيعية، بالإضافة إلى أهمية تدرج الجاذبية عبر الجسم. ^{[ 17 ]}

لم تكشف آلية عمل الجهاز العصبي المركزي المعقدة، حتى في بيئة جاذبية الأرض الطبيعية (1G)، عن جميع أسرارها. يجب الإجابة على أبسط أسئلة علم الأعصاب الفضائي لتقليل المخاطر وتحسين أداء الطاقم أثناء الرحلات الفضائية والعمليات الكوكبية. من المؤكد أن نتائج هذا البحث ستجد تطبيقات أخرى في الطب والتكنولوجيا الحيوية . إن قدرتنا على فهم كيف أثرت جاذبية الأرض على تطور الأنظمة الحسية والحركية ستمنحنا فهمًا أوضح للآليات الأساسية لوظائف الجهاز العصبي المركزي. إن معرفة تأثيرات الجاذبية على وظائف الجهاز العصبي المركزي لدى البشر، بالإضافة إلى توضيح الآليات الأساسية التي تحدث من خلالها هذه التأثيرات، ستعود بفائدة مباشرة على فهم تأثير التعرض طويل الأمد للبشر لانعدام الوزن في رحلات الفضاء والجاذبية الجزئية في قواعد القمر والمريخ ، وعلى توفير تدابير مضادة له .

• تأثير رحلات الفضاء على جسم الإنسان

• أبحاث علم الأعصاب الفضائي
• الدماغ في الفضاء
• علم وظائف الأعضاء البشرية في الفضاء
• ويليامز د (1998). " من الفضاء الخارجي إلى الفضاء الداخلي: أبحاث علم الأعصاب على متن مكوك الفضاء" . طبيب الأسرة الكندي . 44 : 708-10 ، 718-20 . PMC 2277804. PMID 9585839 .