Сухое научное погружение

Есть люди, чья работа — лежать в ванной. Лежать часами, даже днями напролет (и получать за это деньги). Однако завидовать им не надо — речь идет об участниках сложных научных экспериментов, в ходе которых врачи из Института медико-биологических проблем РАН изучают воздействие на человеческий организм условий, сходных с условиями невесомости. Сам по себе этот опыт, как любое длительное пребывание в космосе, приводит к сбоям в работе организма. О том, как и зачем был придуман способ «сухого» погружения и какие научные результаты он позволяет получить, мы попросили рассказать сотрудников ИМБП РАН Любовь Амирову и Илью Рукавишникова. Кроме того, предлагаем ознакомиться с дневником участника «погружения», длившегося пять суток, инженера и популяризатора космонавтики Александра Хохлова. Записи были сделаны непосредственно во время эксперимента.

Пребывание в космосе, даже на хорошо защищенном космическом корабле, отрицательно сказывается на здоровье космонавта. В космическом полете практически все для организма непривычно и враждебно — повышенный радиационный фон, микрогравитация, изоляция, искусственная атмосфера и освещение и монотонность сенсорных стимулов, вгоняющая в тоску по дому. Среди этих факторов только микрогравитация специфична для космического полета и практические не воспроизводима в земных условиях.

На заре эры космонавтики главной опасностью считалась не микрогравитация, а перегрузки, и именно к ним активно готовили космонавтов. С развитием техники полеты становились все более и более продолжительными, и в июне 1970 года советские космонавты Андриян Николаев и Виталий Севастьянов совершают первый длительный 18-суточный космический полет, ставят рекорд по продолжительности непрерывного полета, возвращаются на Землю и... не могут стоять и ходить. Состояние космонавтов было удручающим: мышечная атрофия, негативные реакции со стороны сердечно-сосудистой системы.

Такое положение вещей навело ученых на два заключения. Во-первых, нужно разработать систему профилактики (чтобы такого больше не повторилось!) и, во-вторых, изучить влияние невесомости на организм человека (чтобы понять фундаментальные закономерности влияния невесомости). Стало понятно, что, не имея большого количества данных об изменениях в каждой системе органов, посылать космонавтов в космос нельзя. Но как изучить влияние невесомости на организм человека без космоса?

Погружение в невесомость

У ученых нашлось соломоново решение этой проблемы — имитация условий невесомости на Земле. Такие имитирующие космический полет эксперименты называют модельными (или моделями), и их влияние на организм похоже на воздействие невесомости. Так как основными факторами, повлиявшими на состояние космонавтов, стали физическая разгрузка, перераспределение жидкости и отсутствие опоры, то они и легли в основу модельных экспериментов.

В современной науке ни один модельный эксперимент не может полностью воспроизвести условия невесомости, поэтому в зависимости от того, что планируют изучить ученые, тщательно подбирается объект исследования и экспериментальная модель. Довольно часто в роли «испытуемых» выступают лабораторные животные, такие как мыши и крысы, но наиболее ценную информацию дают модельные эксперименты на людях — испытуемых-добровольцах.

Чтобы изучить влияние невесомости на организм человека, существует несколько способов. Например, это можно делать в падающем по параболической траектории самолете. Вот только длительность фазы невесомости в этом случае настолько мала, что говорить о долгосрочных эффектах не приходится.

Для достижения более сильных воздействий можно просто лежать на кровати, у которой будет опущен головной конец. Постельный режим приведет к атрофии мышц, а постоянно приливающая к голове кровь приблизит состояние сердечно-сосудистой системы испытуемого к таковому у космонавта. Правда, лежать придется долго — как минимум несколько недель, а лучше несколько месяцев.

Наиболее необычная и в то же время самая приближенная к эффектам невесомости модель — это «сухая» иммерсия (от англ. immersion — «погружение»), в которой человека на несколько дней или недель погружают в воду.

Изобретению модели помогло следующее наблюдение — длительное пребывание в воде действует на организм человека схожим с невесомостью образом. Первые иммерсионные погружения были «мокрыми» — испытуемые находились в бассейне с пресной водой на протяжении нескольких суток.

С одной стороны, догадки ученых о схожести наблюдаемых изменений подтвердились, но с другой, из-за постоянного контакта с водой у людей буквально начинала слезать кожа. Испытателям-добровольцам не помогали защитные мази, а борта бассейна стали черными от насевшего на них и окислившегося кожного жира. Также испытуемым, чтобы они не утонули, запрещалось спать в бассейне, и дежурившие рядом врачи были вынуждены их будить.

Стало ясно, что проведение эксперимента в таких условиях невозможно и модель нуждается в существенной доработке. Наиболее изящный вариант ее усовершенствования предложили сотрудники Института медико-биологических проблем Е.Б. Шульженко и И.Ф. Виль-Вильямс в начале 70-х годов. Бассейн накрыли водонепроницаемой тканью большой площади, чтобы испытуемый был полностью погружен в толщу воды, но при этом не соприкасался с бортами и дном чаши. На поверхности остаются лишь голова и руки испытуемого.

В режиме «голова профессора Доуэля», под тщательным наблюдением врача и исследователей, доброволец живет на протяжении всего эксперимента. Исключение составляет время вечерних гигиенических процедур — грязнули не в почете у ученых. Перед сном испытуемого вынимают из иммерсионной ванны, погружают на помывочную каталку и везут в душ. «Отдохнуть» от тяжелого трудового дня разрешается не более 15 минут. С тех пор модель «сухой» иммерсии применяется практически неизменном виде.

В космосе хорошо, на Земле лучше

Человеку, далекому от космической биологии, может показаться, что за более чем 55-летнюю историю пилотируемой космонавтики человека в космосе изучили вдоль и поперек. Но это верно лишь отчасти. Да, основные закономерности, происходящие с космонавтом в полете, известны — в невесомости по-иному работают сердце и сосуды, снижается объем жидкости в организме, появляются мышечная слабость и двигательные иллюзии. Но ни один ученый не скажет вам, что все открытые изменения детально описаны и не требуют дальнейшего изучения.

Несмотря на то, что в космосе побывали сотни человек, самые обширные биологические обследования редко включают в себя более 15-20 космонавтов. Даже такая небольшая, с точки зрения статистического анализа, группа требует нескольких лет подготовительных работ, зачастую создания нового оборудования (подходящего под строгие требования Международной космической станции) и обучения космонавтов всем тонкостям проведения биологических обследований. Вдали от земной суеты исследования проходят чинно и размеренно — как правило, за год в одном эксперименте могут поучаствовать от трех до пяти космонавтов, и от момента зарождения гипотезы до ее плодов, таким образом, может пройти десяток-полтора лет.

Многие исследования зачастую проводятся параллельно, как в космосе, так и в «сухой» иммерсии, что позволяет сравнивать наблюдаемые изменения. Например, показано, что семь суток космического полета и семь суток иммерсии вызывают схожие изменения в сердечно-сосудистой системе, связанные с изменением баланса жидкости в организме.

Практически идентичные изменения и в космическом полете, и в иммерсии происходят с мышцами — снижается их тонус и уменьшается сила. В обоих случаях к этому приводит отсутствие опоры. Как оказалось, опора необходима для нормального функционирования скелетно-мышечного аппарата — кости, в отсутствие ударных нагрузок, возникающих на Земле при ходьбе и беге, теряют кальций и становятся хрупкими. В невесомости хрупкие кости не представляют опасности, однако при возвращении на Землю и при перегрузках это может привести к травме.

В отсутствие опорных стимулов страдают не только кости, но и мышцы. Как только космонавт переходит в состояние невесомости, его мышцы начинают терять тонус, что уже через несколько недель приводит и к функциональным изменениям. При воздействии «сухой» иммерсии происходит то же самое — от дня ко дню мышцы теряют тонус и силу, и при извлечении из иммерсии испытуемые чувствуют себя как рыбы, выброшенные на берег.

Однонаправленные изменения позволяют ученым провести более подробные исследования на Земле, освободив тем самым время космонавтов под другие задачи.

Еще один немаловажный фактор космического полета — это снижение физических нагрузок. Несмотря на то, что каждый день космонавты выполнят большой объем работы, довольно активно перемещаются по станции и занимаются физическими упражнениями, нагрузка на организм остается существенно меньше земной. Все, с чем они взаимодействуют, не имеет веса, даже они сами. Следовательно, для достижения двигательной цели требуются совсем небольшое мышечное усилие.

В условиях иммерсии же испытателю запрещается генерировать лишние мышечные усилия, и за этим строго следят исследователи. Взамен испытуемый получает команду из 3-4 человек, исполняющих, словно джинны, его потребности и желания.

Важно понимать, что, несмотря на развитие технологий, не все исследования можно провести в космосе. В модели «сухой» иммерсии таких ограничений существенно меньше. Например, магнитно-резонансная томография (томограф на орбите — звучит фантастически!) и транскраниальная магнитная стимуляция в невесомости не проводились ни разу, но благодаря данным, полученным в иммерсии, у ученых имеется представление, чего можно ожидать в космосе.

Есть и такие исследования, постановка которых не только технически сложна, но и сопряжена с рисками для космонавта. Для примера можно вспомнить биопсию — изъятие маленького кусочка биологической ткани. Это исследование требует стерильных условий операционной и руки опытного хирурга, но даже при соблюдении всех условий существует небольшая вероятность осложнения. Для космонавта на орбите это неоправданный риск. Тем не менее, подобные исследования проводятся в иммерсии и позволяют открыть тайны необычайно сложно устроенной скелетной мышцы.

Выше ростом

Чтобы рассказать, какие именно результаты можно получить благодаря модели «сухой» иммерсии, остановимся подробнее на серии экспериментов, посвященных изучению болей в спине и увеличению роста космонавтов при переходе к невесомости.

Боли в спине возникают у космонавтов в первые дни полетов, а также у испытателей в условиях «сухой» иммерсии. В ходе предыдущих исследований удалось показать, что в условиях невесомости из-за изменения транспорта питательных элементов межпозвоночные диски увеличиваются, а внутри их структур накапливается жидкость. Кроме того, боль могла возникать из-за воздействия на чувствительные корешки спинного мозга в результате увеличения длины позвоночника.

Причиной этих нарушений, как показали исследования, проводившиеся в ГНЦ РФ — ИМБП РАН на протяжении ряда лет, может быть снижение тонуса мышц-экстензоров спины. Предположение о наличии мышц, участвующих в поддержании позы, было выдвинуто В.С. Гурфинкелем еще в 1965 году.

Изменение тонуса в мышцах — разгибателях ног закономерно регистрировалось в предыдущих модельных исследованиях. Поэтому имелись основания предполагать, что в условиях невесомости снижается также и тонус мышц спины, которые участвуют в поддержании позы на Земле (они называются «позными»), где гравитационная нагрузка заставляет их оставаться в тонусе.

Для проверки этой гипотезы была проведена серия модельных экспериментов с «сухой» иммерсией различной длительности — от шести часов до пяти суток. При этом исследовался тонус мышц спины с определением показателей их поперечной жесткости; параллельно средствами резонансной вибрографии, миотонометрии, магнитно-резонансной томографии изучались изменения позвоночника. Помимо этого, ученые измеряли рост человека и оценивали характер возникающего болевого синдрома.

В результате выяснилось, что болевой синдром не относится к корешковой боли, а носит мышечный характер, без иррадиации. Пребывание в условиях гравитационной разгрузки сопровождается снижением тонуса (или поперечной жесткости) разгибателей спины, относящихся к группе позных мышц, причем именно в первые часы и дни этот процесс идет особенно выраженно.

Эти же изменения приводили к увеличению роста космонавта в условиях микрогравитации. В поясничном отделе позвоночника, по данным МРТ, увеличивалась высота межпозвоночных дисков и сглаживался поясничный лордоз.

В группе исследований, в которой применялись средства профилактики, такие как костюм аксиальной нагрузки «Пингвин» и аппаратный комплекс миостимуляции, выраженность и оценка болевого синдрома, а также увеличение роста были меньше по сравнению с группой «чистой» иммерсии без применения средств профилактики.

Не только для космоса

Модель «сухой» иммерсии достаточно хорошо воспроизводит космические нарушения, но помимо этого еще и помогает бороться с некоторыми заболеваниями. Например, курс иммерсионных ванн приносит облегчение людям с чрезмерно повышенным мышечным тонусом, мешающим им полноценно двигаться.

Принять иммерсионную ванну — хороший способ снизить артериальное давление. Механизм процесса прост: окружающая человека вода выдавливает кровь и лимфу из периферических сосудов в центральный кровоток, что воспринимается организмом как переизбыток жидкости и приводит к ее удалению (естественным путем — увеличивается мочеотделение) и снижению давления. Кстати, для достижения этого эффекта погружение не обязательно должно быть «сухим» — наверное, многие замечали, что во время плавания начинает хотеться в туалет, и теперь вы знаете, почему.

Модельные эксперименты проводятся в специальных медицинских или научных заведениях, оснащенных уникальным оборудованием, под присмотром высококвалифицированных исследователей. В настоящий момент в ГНЦ-РФ ИМБП РАН проводится эксперимент с применением пятисуточной «сухой» иммерсии.

Интересно, что изменения, происходящие с организмом в иммерсии, могут не только моделировать космический полет, но и состояние старческой саркопении — возрастной атрофии скелетной мускулатуры. В данной иммерсии впервые применяется низкочастотная электромиостимуляция мышц ног, направленная на профилактику негативных мышечных изменений. В ходе исследований на молодых, но детренированных испытуемых-добровольцах будут подобраны наиболее эффективные протоколы электрической стимуляции.

После завершения погружения испытуемым предстоит пройти разнообразные тесты, которые оценят, как изменились тонус мышц, их строение, а также вертикальная стойка и походка добровольцев.

Публикации, посвященные медико-биологическим экспериментам в космосе и их моделированию, встречаются редко. В нашей статье была рассмотрена лишь небольшая часть этой обширной темы, включающей в себя самочувствие космонавтов на борту станции, запуски спутников, населенных животными, модельные эксперименты с участием приматов и космические технологии в реабилитации пациентов.

Любовь Амирова, Илья Рукавишников