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研究人员在零重力下测试大脑刺激

  • 科学
  • 2020-10-06 13:54:37
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很少有研究人员有机会在地球上方32,000英尺的高度失重的情况下漂浮。南卡罗来纳州医科大学的科学家通常在可控制的环境中进行实验室研究,在这些环境中,他们可以仔细地重复实验以再次检查结果。但是,考虑到真正的宇航员在未来的太空旅行中可能会遇到什么,一些科学家最近飞向天空,以零重力进行大脑研究。

神经放射学家Donna Roberts医师和神经科学家Badran共同进行了这个项目,对他们自己和一组志愿者助手进行了经颅磁刺激或TMS治疗,这些助手大多来自MUSC医学院的精神病学和行为科学系。

罗伯茨花了多年的时间研究零重力和微重力如何影响人脑-实际上,这就是她上医学院的动机。该实验主要是一个测试案例,旨在证明TMS可以安全地用于零重力环境,并将参与者在地球重力作用下的结果与零重力环境下的结果进行比较。

在TMS程序中,电磁脉冲通过颅骨发送到大脑以刺激电活动。脉搏高度局部化,无法到达整个大脑。TMS管理员将线圈盘绕在受试者的头部;当受试者的拇指抽搐时,管理员知道TMS线圈在正确的位置。

在地球上,TMS已获得FDA批准用于难治性抑郁症。MUSC和其他地方的科学家也正在研究使用TMS治疗创伤后应激障碍。治疗阿片类药物使用障碍患者的渴望和疼痛; 以及中风​​患者的身心康复。抑郁症可能是远离地球的长期任务的人们的担忧,他们不希望多年踏上坚实的基础,罗伯茨和巴德兰说,TMS可能是有用的节省空间的工具,可以长期使用太空任务,而不是整个药房的药物价值。

“最终,您不想带着所有这些药物去火星或进行行星际飞行任务。而且您不能轻易地建立一个化学实验室来合成所有这些药物。因此,TMS对于神经精神病学来说将是一个非常清晰,简单的解决方案问题。这是20年的长期愿景,”巴德兰说。

它还有可能在长期飞行中使宇航员保持良好的认知状态,因此,当他们降落在月球或红色星球上时,他们已经准备好开始工作。

但是首先,研究人员必须弄清楚零重力下的“正常”读数是什么样的。

众所周知,当一个人在太空中时,药物的代谢方式会不同。罗伯茨说,例如,服用安眠药的宇航员必须通过反复试验找出太空中的适当剂量。

罗伯茨以前的研究比较了国际空间站旅行前后宇航员的大脑MRI,结果显示大脑的物理变化与宇航员的运动技能和认知能力的变化有关。

“如果有一种方法可以使大脑在通往火星的过程中保持健康,那将非常有用。这就是为什么NA​​SA对这项技术感兴趣的原因。但是要在太空中使用它,我们必须了解,'宇航员对地球的反应方式与对太空的反应方式有何不同?” 就像他们在用药上所经历的差异一样。这就是这项研究的真正依据。”她说。

这是科学家们必须获得一些乐趣的地方。为了在零重力下测试TMS,他们将登上由零重力公司(Zero Gravity Corporation)运营的特殊飞机,该飞机为个人冒险,媒体制作和研究提供零重力飞行。

这架被称为G-Force One的飞机飞行了一系列弧线,以45度向上飞行,然后以45度向下飞行。在上升和下降之间的短暂20到30秒内,飞机上的每个人都变得失重。任何没有用螺栓固定的东西都会浮起来。仅仅20到30秒的时间就是Roberts和Badran必须运行其TMS测试的时间。

它们总共要使用30个弧或抛物线。他们的小组中有10个人,男女各异,每个人至少需要进行两次测试才能获得好的样本。

但是首先,需要克服一些后勤问题。在实验室中,对设备的操作很麻烦,无法将线圈准确地放置在某人的头上。如此短的窗口可以在飞机上进行测试,因此没有时间对机器进行测试。他们需要一种万无一失的方法来确保线圈在正确的时间放置在正确的位置。

巴德兰说:“我们所有人都真正专注于小事情。” “这项研究实际上是一次性完成的。航班已预先预订。一切都已设定。我们有一个固定的开始日期,一个固定的时间段来进行实验,一切都必须完美进行-一切都取决于创造这个东西,不存在。”于是Badran拿起了摩托车头盔和Dremel锯,开始工作了。他发现他可以将TMS线圈安装到切入头盔的壁iche中,但是这种装置太笨重且不实用。

接下来,他转向使用玻璃纤维铸造带,该材料与制造用于骨折的骨骼的铸造材料相同。每个参与者都坐下来进行试穿,Badran制作了适合个人头部的轻便耐用头盔,并带有TMS线圈的固定区域,可确保电磁脉冲到达该人大脑的正确位置-无需修补。

Roberts和Badran的志愿者小组由来自精神病学和行为科学系的具有管理TMS经验的人员组成,因为他们都需要轮流担任受试者和管理者。他们想要的人大约是实际宇航员的年龄,因此平均年龄在30年代左右。

巴德兰说:“每个飞行者,他们不仅仅是飞来飞去,玩得开心。他们也是研究团队的积极成员。”

罗伯茨和巴德兰知道他们有一次使实验成功的机会。这些飞行费用昂贵,大部分研究经费都用于这笔费用。每失重20到30秒钟,他们将需要在计算机上启动该软件,该软件将向线圈发送信号,记录拇指抽动,然后报告TMS正常工作。如果未记录到拇指抽搐,则系统将增加功率并发送另一个信号,直到记录了拇指抽搐。但是,如果根本不起作用,他们将不得不即时进行故障排除,否则将面临整个实验彻底失败的可能性。

MUSC小组与其他三个进行太空研究的组织共享了这次飞行。由于TMS机器需要从飞机上获得动力,因此Badran必须首先以最大功率在地面上进行测试,以确保它们不会使飞机超载。他说,距离已经很近了,但机组人员给了他们批准。因此,他们去了。

手工制作的头盔表现出色。他们每个人至少获得三个测量值,可以与飞行前后在地面上进行的多个测量值进行比较。而且,与一般的实验室实验相比,该实验更有趣。

他们的论文于9月21日发表在《自然微重力》上,该论文表明,零重力所需的电磁力比地球所需的电磁力要少。这表明大脑中发生了神经物理变化,但是有几种可能的解释,从大脑在颅骨内物理移动到对刺激产生更强烈反应的神经元不等。他们说,还有更多的东西要学。

正如罗伯茨曾多次争论(最近在《柳叶刀》《神经病学》中的一篇评论文章中)争论的那样,这是一个问题,需要对太空探索者的大脑变化进行更多研究。

事实证明,TMS在零重力条件下是可行的,因此该团队有足够的能力继续寻找这些问题的答案。

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