Cerebros en el Espacio Sideral

Posted by JC Gorman on May 11, 2022 in Behavioral Neuroscience, Developmental Neuroscience, Neuroscience | Leave a comment

por JC Gorman

Los cerebros han evolucionado durante 500 millones de años para existir en un planeta con gravedad. Sin embargo, cuando los astronautas ingresan al espacio exterior, sus cerebros tienen que superar algunos desafíos serios contrarios a la forma en que fueron diseñados. Los astronautas reportan todo tipo de efectos secundarios, tanto durante su estancia en el espacio como a su regreso a la Tierra, incluyendo varios problemas neurológicos. Al comprender las causas detrás de estos problemas puede también ayudarnos a comprender cómo funciona el cerebro. No obstante,existen muchas limitaciones para estudiar los cerebros de los astronautas. Para tener una mejor idea de cómo los períodos prolongados sin gravedad pueden afectar a los humanos, los científicos han realizado todo tipo de experimentos ingeniosos para resolver este problema. Sin embargo, los resultados de estos estudios sugieren que la colonización espacial a largo plazo puede estar más lejos de lo que pensamos.

Uno de los síntomas más notables de los vuelos espaciales se denomina “síndrome de la cara hinchada”, cuando las caras de los astronautas parecen más inflamadas. Normalmente, la gravedad ayuda a regular el flujo de fluidos por todo el cuerpo; sin embargo, en un entorno libre de gravedad, los fluidos no circulan adecuadamente por todo el cuerpo y, por lo tanto, tanto la sangre como el líquido cefalorraquídeo se acumulan en las cabezas de los astronautas. Esto hace que el cerebro se hinche y se comprima por el cráneo, lo que a su vez causa problemas visuales y hace que estructuras más pequeñas en el cerebro se compacten [1]. Las evaluaciones médicas en la Tierra han revelado que los nervios ópticos de los astronautas se hinchan y sus ojosse aplanan. Algunos astronautas también experimentan hemorragias en la retina. Estos efectos todavía se ven un año después de haber regresado del espacio.

Además de las partes del cerebro que se aplastan durante largos períodos de tiempo, los viajes espaciales también pueden “reconectar” nuestros cerebros.Unos  tomaron imágenes de los cerebros de astronautas para ver la estructura del cerebro antes y después de 6 meses de vuelo espacial. A través de estas imágenes, los investigadores descubrieron que la materia blanca, el material en el cerebro que ayuda a transmitir información y señales de manera rápida y eficiente, se redujo significativamente en la parte del cerebro responsable por el control motor y una región del cerebro responsable por el equilibrio, la ínsula corteza [2].

Otro efecto notable en los astronautas es la interrupción de sus ciclos de sueño y vigilia. En los transbordadores espaciales, el sol sale y se pone cada 45 minutos y el brillo de la luz es variable. Los astronautas deben estar alerta durante sus turnos, pero también deben dormir profundamente sin gravedad, lo que significa que no pueden acostarse en un colchón suave y descansar la cabeza en una almohada. En cambio, deben acostumbrarse a dormir sin peso mientras están atados a una cámara de sueño. Se sabe que las interrupciones en los ritmos biológicos naturales causan varios problemas cognitivos y de comportamiento, como la disminución del enfoque, la vigilancia, la atención, las habilidades motoras y la memoria. Según la investigación de la NASA y los informes de primera mano de los astronautas, la microgravedad tiene un efecto en la capacidad humana para funcionar, tanto física como mentalmente. Los astronautas tienen más dificultades para controlar sus movimientos y completar tareas cognitivas [3]. Estos efectos nunca desaparecieron. Los astronautas pueden experimentar esta pérdida de materia blanca debido a la disminución de la necesidad de equilibrio y movimiento mientras flotan en cero gravedad, pero el hecho que la materia blanca nunca se recupere significa que los astronautas podrían tener problemas con el movimiento por el resto de sus vidas.

Otro efecto notable en los astronautas es la interrupción de sus ciclos de sueño y vigilia. En las naves espaciales, el sol sale y se pone cada 45 minutos y el brillo de la luz es variable. Los astronautas deben estar alerta durante sus turnos, pero también deben dormir profundamente sin gravedad, lo que significa que no pueden acostarse en un colchón suave y descansar la cabeza en una almohada. En cambio, deben acostumbrarse a dormir sin peso mientras están atados a una cámara de sueño. Se sabe que las interrupciones en los ritmos biológicos naturales causan varios problemas cognitivos y de comportamiento, como la disminución del enfoque, la vigilancia, la atención, las habilidades motoras y la memoria. Según la investigación de la NASA y los informes de primera mano de los astronautas, la microgravedad tiene un efecto en la capacidad humana para funcionar, tanto física como mentalmente. Los astronautas tienen más dificultades para controlar sus movimientos y completar tareas cognitivas [3].

¿Cómo podemos estudiar el cerebro en el espacio?

Para estudiar cómo influye la falta de gravedad tanto en el desarrollo del sistema nervioso como en nuestra capacidad para navegar por el mundo, los científicos de la Estación Espacial Internacional realizaron varios experimentos con ratas. Experimentos previos de vuelos espaciales mostraron un aumento dramático en las sinapsis entre las células del oído responsables de la audición y el equilibrio. Las sinapsis son los puntos de contacto en los que se comunican las células neuronas, ya sea enviando y recibiendo mensajes químicos o mediante impulsos eléctricos. Este equipo quería confirmar el aumento de las sinapsis y determinar qué tan temprano se produce este cambio y cuánto tiempo dura. Muestras de tejido tomadas de las partes del cerebro responsables del equilibrio en ratas a bordo mostraron que, en el oído interno, el número de sinapsis aumentó drásticamente ya en el segundo dia del vuelo. Aunque el número disminuyó para el día 14, las ratas espaciales todavía tenían más sinapsis en general que las ratas de control en tierra. Esto puede significar que para superar los desafíos de la ingravidez, el cerebro pudo adaptarse a los vuelos espaciales con relativa rapidez, lo que ilustra cuán adaptable es el cerebro y cómo nuestros cerebros pueden adaptarse a la vida sin gravedad.

Además de adaptarse a experimentar la ingravidez, el cerebro también tiene que aprender a moverse y navegar por el mundo de manera diferente. Los investigadores en el espacio crearon una pista que daría señales contradictorias a los sistemas visual y de equilibrio de las ratas, lo que les permitiría estudiar el papel de cada uno en la creación de vínculos entre las neuronas y los lugares. Los investigadores registraron señales de una región del cerebro conocida por obtener pistas sobre dónde estamos con respecto a la navegación espacial, el hipocampo. Al principio, las señales cerebrales de las ratas eran anormales mientras intentaban navegar por la pista especial, y sus cerebros luchaban por establecer vínculos claros con los lugares. Sin embargo, para el día 9, los cerebros reanudaron la señalización normal. Ser capaz de adaptarse gradualmente al entorno muestra el mecanismo que los propios astronautas pueden usar y también muestra cuán flexible puede ser el cerebro incluso cuando experimenta un entorno para el que no fue desarrollado.

También podemos usar ratas para estudiar cómo la vida en el espacio podría afectar el desarrollo humano. Si algún día los humanos quieren lograr un viaje espacial a largo plazo, necesitaremos entender cómo pueden ser afectados bebés que nacen en el espacio. En los humanos, poco después del nacimiento, un bebe recien nacido estira los brazos de un sobre su cabeza, haciendo movimientos de pasos. Alrededor de un año después, los primeros pasos reales del niño son importante, producido por muchos meses de práctica. Las crías de las ratas también muestran un reflejo relacionado con la gravedad, conocido como reflejo de enderezamiento. Si sostienes a una rata bebé boca arriba y luego la sueltas, se dará la vuelta, o se enderezará, de cualquier manera que pueda. A medida que madure, aprenderá a enderezarse con eficiencia y suavidad. Los investigadores en el espacio trajeron ratas que luego dieron a luz en la Estación Espacial Internacional. Cuando las ratas alcanzaron la edad en la que normalmente habrían aprendido a caminar y enderezarse, estas ratas jóvenes flotaron sin enderezarse. Como no tenían información de los sensores de gravedad que les decían que estaban boca abajo, nunca sintieron la necesidad de voltearse. Curiosamente, después de regresar a la Tierra, las ratas podían enderezarse, pero nunca pudieron hacerlo tan suavemente como las ratas que nacieron en la Tierra.

De vuelta en la Tierra, los científicos observaron lo que podría haber sido diferente en sus cerebros. Descubrieron que había menos dendritas (protuberancias que reciben señales entrantes) en las neuronas de motor que estaban involucradas en la postura y el control motor. Esto puede significar que las ratas necesitaban la gravedad para desarrollar un reflejo de enderezamiento normal y, al experimentar la ingravidez, esa parte de su cerebro permaneció subdesarrollada. Otro hallazgo interesante es que había más sinapsis en partes del cerebro relacionadas con el movimiento de las patas traseras, quizás porque en el espacio, las ratas pueden caminar en una jaula en tres dimensiones en lugar de solo dos. Este es otro ejemplo de cómo los cerebros pueden adaptarse rápidamente a nuevos entornos. Aunque las ratas eran deficientes en el reflejo de enderezamiento, se enriquecieron de otras maneras como resultado del nuevo entorno en el que se criaron.

Otra forma de estudiar el desarrollo del cerebro en el espacio es hacer crecer pequeños grupos de células cerebrales humanas y medir sus diferencias en comparación con las que crecen en la Tierra. Estos grupos de células cerebrales se llaman organoides. Mientras que el cerebro humano se compone de alrededor de 86 mil millones de neuronas, los organoides a menudo son solo miles de células y del tamaño de un alfiler. En 2017, el laboratorio Muotri en UCSD empaquetó estas células para enviarlas al espacio y luego cultivarlas en placas que pueden medir la actividad eléctrica de las células dentro de los organoides. Estas células desarrollaron patrones eléctricos similares a los de los fetos en desarrollo, un resultado positivo. Si bien hay mucho más que aprender sobre el desarrollo del cerebro en el espacio, este estudio abre la puerta a cómo pueden ocurrir futuros experimentos.

Estudiar el desarrollo y la adaptabilidad del cerebro en el espacio plantea una pregunta interesante: aunque evolucionamos para vivir en la Tierra, ¿podríamos vivir con la misma facilidad en otros lugares? La mayor parte del trabajo realizado en el laboratorio de la Estación Espacial nos ha enseñado que el cerebro tiene una adaptabilidad asombrosa, pero la adaptabilidad no dura para siempre. El sistema nervioso en desarrollo se adapta a las influencias que recibe en determinados momentos. Sin embargo, después de un período crítico, la oportunidad de una amplia adaptación se desvanece; los cambios realizados durante el período de adaptación parecen ser permanentes. Si bien los resultados no son concluyentes, es posible que los humanos aún no estén listos para la colonización espacial a largo plazo, al menos tal vez hasta que podamos crear gravedad artificial.

Referencias:

[1] Robitzski, D. (2019, August 29). Scientists grew tiny human brains and hooked them up to Robots. Futurism. Retrieved May 10, 2022, from https://futurism.com/scientists-grew-human-brains-robots

[2] Penttila, N. (2019, September 8). Astronauts study the brain in space. Dana Foundation. Retrieved May 10, 2022, from https://www.dana.org/article/astronauts-study-the-brain-in-space/

[3] Magazine, S. (2022, February 24). Long-term space travel may ‘rewire’ astronauts’ brains. Smithsonian.com. Retrieved May 10, 2022, from https://www.smithsonianmag.com/smart-news/spacefaring-astronauts-return-home-with-rewired-brains-180979626/