ABSTRACT
Weakness and neuromuscular deconditioning of the anti-gravity spine muscles develop after 6-month missions in space. There is also a high incidence of herniated nucleus pulposus in cervical and lumbar discs with back pain post-flight. Prolonged microgravity reduces the physiological loading forces needed for spine homeostasis and may alter neuromuscular postural reflexes leading to injury upon return to 1G. Nine astronauts were tested using the Biering-Sorensen test to measure spine isometric endurance pre- and post-flight. The results show significant decrements in muscle isometric endurance and correlates with atrophy of the multifidus, erector spinae, quadratus lumborum and psoas, reduced cross-sectional area and functional cross-sectional area with MRI measurements. Current ISS exercise countermeasures appear to be insufficient in mitigating loss of spinal function due to lack of specifically designed exercises to address specific antigravity muscles. Intensity of resistance loading is proposed to be specific to the muscle isoform that needs the most optimal mechanotransduction using adjustable pulley resistance vectors in line or parallel to the target muscle fibre orientations. Pulley apparatus may be in the form of flywheel or pneumatic derived resistance. Since antigravity muscles are predominantly Type I muscle isoform, endurance and stability are the main functional qualities which would require higher repetitions in good form, moderate resistance, and multiple sets. This proposal is intended to define efficient type of spine exercises to counter the maladaptive effects from prolonged spaceflight and lead to accepted countermeasures. Supported by NASA Grants NNXlOAM18G and NNX13AM89G.
La debilidad y el desacondicionamiento neuromuscular de los músculos de la columna vertebral encargados de la anti-gravedad aparecen a partir del sexto mes de estancia en el espacio. En la etapa posterior al vuelo también se observa una elevada incidencia de núcleos pulposos herniados en discos cervicales y lumbares con dolor de espalda. La microgravedad prolongada reduce las fuerzas de carga fisiológica necesarias para la homeostasis de la columna vertebral, además de que puede alterar los reflejos posturales neuromusculares provocando lesiones al regresar a 1G. Nueve astronautas fueron evaluados con la prueba de Biering-Sorensen para medir la resistencia isométrica de la columna vertebral antes y después del vuelo. Los resultados muestran decrecimientos significativos en la resistencia isométrica muscular y correlatos con atrofia del multifidus, erector spinae, quadratus lumborum y psoas, reducción del área transversal y área transversal funcional con mediciones IRM. Las contramedidas actuales de la EEI para los ejercicios parecen ser insuficientes para mitigar la pérdida de función espinal provocada por la falta de ejercicios dirigidos a músculos antigravedad específicos. Se propone que la intensidad de la carga de resistencia sea específica para la isoforma muscular que requiere la mecanotransducción más óptima usando vectores de resistencia de polea ajustables alineados o paralelos a las orientaciones de la fibra muscular a que estén dirigidos. El dispositivo de poleas puede tomar la forma de volante o de resistencia derivada de fuerza neumática. Como los músculos antigravedad son predominantemente isoformas musculares Tipo I, la resistencia y la estabilidad son las principales cualidades funcionales que requerirían mayores repeticiones en buena forma, resistencia moderada y múltiples ciclos. La propuesta que aquí se presenta está dirigida a definir el tipo eficiente de ejercicios para la columna vertebral para contrarrestar los efectos de adaptación inadecuada provocados por un vuelo espacial prolongado, así como avanzar hacia la creación de contramedidas aceptables. Realizado con el apoyo de las subvenciones de la NASA NNXlOAM18G y NNX13AM89G.
ABSTRACT
In order to develop effective countermeasures to maintain the health and well-being of crew members during prolonged spaceflight, such as a mission to Mars, an integrated physiologic view is necessary. Future spacecraft to deep space will be constrained by limited volume, food, water, shelter and other resources. Thus, it's important to understand the highest risks and to direct research into these areas. This review paper examines important risks during a 2-3 year mission to Mars with a view to provide devices and methods to integrate across many physiologic systems in an attempt to reproduce activities of daily living on Earth. Because effective hardware for artificial gravity by centrifugation may be decades away, we propose use of lower body negative pressure (LBNP) as means to simulate multiple beneficial effects of gravitational stress including blood and fluid shifts towards the feet and mechanical loading of the body. LBNP-devices are reconfigurable as wearable suits to reduce mass or combined with exercise devices to increase efficacy of exercise in weightlessness.
Para desarrollar contramedidas efectivas para mantener la salud y el bienestar de los miembros de la tripulación durante un vuelo espacial prolongado, como una misión a Marte, es necesaria una visión fisiológica integrada. Las naves espaciales futuras al espacio profundo estarán limitadas por un volumen limitado, alimentos, agua, refugio y otros recursos. Por lo tanto, es importante comprender los riesgos más altos y dirigir la investigación en estas áreas. Este documento de revisión examina riesgos importantes durante una misión de 2-3 años a Marte con el fin de proporcionar dispositivos y métodos para integrarse en muchos sistemas fisiológicos en un intento de reproducir las actividades de la vida diaria en la Tierra. Debido a que el hardware efectivo para la gravedad artificial por centrifugación puede estar a décadas de distancia, proponemos el uso de la presión negativa de la parte inferior del cuerpo (LBNP) como un medio para simular múltiples efectos beneficiosos del estrés gravitacional, incluidos los cambios de sangre y fluidos hacia los pies y la carga mecánica del cuerpo. Los dispositivos LBNP son reconfigurables como trajes portátiles para reducir la masa o combinados con dispositivos de ejercicio para aumentar la eficacia del ejercicio en la ingravidez.
ABSTRACT
Maintaining health in microgravity and overcoming environmental hazards such as cosmic radiation are essential for long-term space flight. Recent studies have focused on the involvement of hypoxia-inducible factor (HIF)-1 in altered gravity using cell-based or in vivo mouse model systems. HIF-1alpha and its target downstream gene expression are differentially expressed in hypergravity and microgravity. Nevertheless, underlying molecular mechanism of HIF-1alpha involvement is still unclear. Herein, we analyzed the 2019 Science paper by Garrett-Bakelman and coauthors in which NASA performed multidimensional analyses of long-term human spaceflight in identical twin astronauts. Correlations were found between the expression of HIF-1alpha related cytokines and prolonged space flight. We hypothesize that HIF-1alpha is a molecular target for the development of therapeutics to prevent the detrimental effects of microgravity and cosmic radiation on astronauts during long-term space flight.
Mantener la salud en microgravedad y superar los peligros ambientales como la radiación cósmica son esenciales para los vuelos espaciales a largo plazo. Estudios recientes se han centrado en la participación del factor inducible por hipoxia (HIF) -1 en la gravedad alterada utilizando sistemas de modelos de ratones basados en células o in vivo. HIF-1alpha y su expresión génica secuencial objetivo se expresan diferencialmente en hipergravedad y microgravedad. Sin embargo, el mecanismo molecular subyacente de la participación de HIF-1alpha aún no está claro. Aquí, analizamos el artículo de Ciencia de 2019 de Garrett-Bakelman y coautores en el que la NASA realizó análisis multidimensionales de vuelos espaciales humanos a largo plazo en astronautas gemelos idénticos. Se encontraron correlaciones entre la expresión de citoquinas relacionadas con HIF-1alpha y el vuelo espacial prolongado. Presumimos que HIF-1alpha es un objetivo molecular para el desarrollo de terapias para prevenir los efectos perjudiciales de la microgravedad y la radiación cósmica en los astronautas durante los vuelos espaciales a largo plazo.