2022年03月11日 09:00
【科學快訊】
太空中，缺少力的束縛，連頭發也能向四面飛。可為什麼腦子會被擠？
撰文 | 栗子
審校 | 二七
生活在地球上，大概沒有哪種動物能不受重力的支配。
人類也不例外。我們體內的骨架，便是在重力的嚴格約束之下制造出來的。好像蓋房子那樣，如果結構設計得不夠堅固，建築物輕易就能被重力摧毀。
不只是人體骨架，我們的每個細胞都會受到重力的影響。有研究認為，細胞之所以很小，一個主要原因就是重力限制了它的尺寸：細胞越小，重力的作用越可以忽略不計，但如果大到一定程度，可能就需要更複雜的細胞骨架，來支撐整個細胞不被破壞。
聽上去，是重力讓生命變得艱難。但各種動物能在這樣的星球繁衍生息，就表示我們已經演化成了適應重力的版本。如此一來，反倒是失重環境，更能給身體造成傷害。偶爾坐坐過山車或許無妨，可如果像宇航員那樣，離開地球去太空飛船裏住上半年，體內的變化就不容忽視。
關於太空旅行的影響，除了骨質疏松之外，最常被人提起的可能要數腦部的變化。最近，有一支國際研究團隊發現，經曆過長時間太空旅行的人類，腦部的神經連接確實發生了明顯的變化。
被擠得變了形
地球上的我們，總是能感受到重力的牽引，就算搭上飛機去到萬米高空，也不太可能在機艙裏漂浮——往上跳便會落下來。但當宇航員乘坐的航天器，在火箭的推動下，以第一宇宙速度沖進太空，就可以圍繞地球飛行，而不會立刻掉落了。
航天器繞著地球飛，宇航員也繞著地球飛，兩者速度幾乎一致，所以宇航員很難感受到那股牽引著自己的力量，也就進入了「失重」狀態。不過，就算速度再接近，宇航員和航天器也不是完全的相對靜止，或者說太空中重力對人和物體的影響並不是零，只是非常小。實際上，宇航員是處在「微重力」（microgravity）的環境。
在缺少束縛的情況下，哪怕一滴水也會展現出與地球上不同的風貌，變成球形漂浮在空中。而人體內也有不少液體，在正常重力條件下，液體自然向下流動，但微重力的環境會阻止一些液體流向下肢，讓全身各處的液體被重新分配。一個可能的結果就是，液體更多地流向腦部。
從前已經有科學家發現，在太空生活半年後回到地球的宇航員，腦脊液（CSF）所占的體積增加了。腦脊液是在腦和脊髓的中空空間裏流動的液體，起到圍繞和保護的作用。不過，當時的研究並沒有深入到神經連接的層面。
而如今新的研究認為，是這些液體的重新分布，讓腦部的一些神經連接發生了變化。
一群科學家通過歐洲航天局與俄羅斯聯邦航天局的合作項目，觀察了12位俄羅斯宇航員：他們都經曆過一段長期太空旅行，平均時常172天，接近6個月。
團隊利用一項名叫纖維示蹤成像（fiber tractography）的技術，它能根據擴散磁共振成像（dMRI）提供的數據來重建3D圖像，圖中會包含各種神經束，以便科學家看出腦中的「布線方式」有無改變。為此，研究者在宇航員出發去往太空前、回到地球10天後，以及回到地球7個月後，都進行了測量。
最初，他們只是觀察到宇航員腦中的胼胝體（corpus callosum）形狀有變。胼胝體是一大束神經纖維，就像連接左右兩個腦半球的「中央高速公路」。科學家起先以為，是胼胝體本身的結構變化造成了形變。
但後來，研究團隊注意到了與胼胝體相鄰的腦室（brain ventricles）：從太空回來後，宇航員的腦室擴張了。腦室本就是生產和儲存腦脊液的空間，充滿了液體，也因為去過太空而變得比從前更大。科學家相信，正是腦室的膨脹，讓相鄰的神經組織——胼胝體產生了微觀結構變化。
當然，胼胝體並不是唯一變形的神經束。科學家還觀察到，一些與感覺運動有關的神經束，如皮質腦橋束（corticopontine tract）、皮層脊髓束（corticospinal tract）等等，在太空旅行前後也出現了微觀結構變化。感覺運動（sensorimotor），是指一個刺激作用於感覺神經、傳至大腦、再由運動神經發出動作指令的這一系列活動。在太空旅行途中發生變化的感覺運動束裏，有許多還連接著小腦，而小腦是負責運動控制的部位。
對此，論文的一作安德烈·多羅辛（Andrei Doroshin）說：「在失重狀態下，宇航員們可能需要大幅度地調整自己的運動策略（來適應環境）。」
觀察結果也讓科學家相信，宇航員的大腦被「重新布線」了。雖然在回到地球的7個月後，一些神經組織的結構變化，比如胼胝體的變形，已逐漸恢複。不過，仍然可以觀察到一部分改變。而在沒去過太空的對照組中，並沒發現類似的改變，就排除了自然衰老這個因素。
腦部還會往上移
雖然，這是第一次有研究者在神經連接的層面，真實觀察到宇航員腦部的變化。但人類早就不是第一次感受到，微重力環境對人腦的破壞力了。
曾經去國際空間站工作過的宇航員裏，半數以上都在回到地球後出現過視力受損的問題。科學家們稱之為太空飛行相關神經視覺綜合征（Space flight-associated Neuro-ocular Syndrome，SANS），視神經腫脹、視網膜出血、視網膜出現白斑等等，都是相關症狀。
在2017年11月發表的一項研究當中，科學家也利用核磁共振成像（MRI）觀察了一些參與長期太空任務的宇航員。結果發現，他們的頭部大多有一處非常顯著的變化，就是腦部在顱骨中的位置往上移動了。相比之下，參與短期太空任務的宇航員，就沒有出現這個變化。
那麼，腦部上移又會怎樣呢？研究者發現，曾經長時間住在太空的宇航員，腦頂發生了「擁擠」的現象，腦回和腦溝變窄了，腦部的凹陷和凸起令它展現出折疊的形態。科學家說，這就意味著在人腦頂部，留給腦脊液流動的空間變少了。
假如腦脊液的流動受阻，顱內的壓力便可能增加。團隊推測，宇航員們的視神經腫脹，或許就是這個原因造成的，只是還需要進一步證實。
2020年4月發表的另外一項研究，同樣針對視神經腫脹，但並非只關注腦頂這一個部位。這支研究團隊的核磁共振結果顯示，宇航員們在長時間的太空旅行後回到地球1年，腦脊液的總體積依然比去太空之前要大。不止如此，腦部的總體積也有所增大。
另外，科學家還發現，那些宇航員的腦垂體變形了：比去太空之前更矮更小。而且，在沒去太空時垂體偏向鼓脹，而住過太空後，垂體變得更加扁平或凹陷。他們認為，這就是太空飛行使顱內壓升高的證據，也是視神經腫脹的原因。
不論真實的原因是什麼，宇航員腦中發生的重大變化，都足以令人瞠目。隨著越來越多的人類進入太空，失重旅行給宇航員們帶來的健康問題，也開始受到更多的重視和探究。唯有找到對抗微重力的有效方式，才能更好地保護那些探索宇宙奧秘的先驅。
原論文：
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