Effect of head-down tilt bed rest on brain structure and function

Abstract

Introduction: Future long-duration exploratory missions to the Moon and Mars will expose several stressors to the human body that are likely to result in adverse cognitive and behavioral conditions. To assure mission success, it is critically to ascertain the neurobehavioral risks asso-ciated with such endeavors. Head-down tilt bed rest provides a unique analog to study some of the effects of spaceflight on Earth. Methods: As part of a randomized controlled study conducted by the French Institute for Space Medicine and Physiology in Toulouse, France in 2017, twenty young healthy men underwent 60 days of bed rest. Participants were randomly assigned to either a treatment group (n = 10) receiving a daily antioxidant supplement or a control group (n = 10) not receiving any treatment. To assess brain changes in response to prolonged immobilization, electroencephalography was employed both at rest, and while performing two standardized cognitive tasks measuring selec-tive attention and emotion processing at different time points before, during, and after the bed rest phase. Results: Irrespective of the assigned groups, distinct decreases in resting state spectral power were observed within the delta, theta, alpha, and beta frequency bands across all electrode sites with the onset of bed rest. An extended duration of the bed rest exposure did not further change this response. Spectral power returned to baseline level eight days after the cessation of bed rest. Additionally, data revealed a significant decrease of efficiency in the selective attention task after 60 days of bed rest that was corroborated by changes in event-related potential (ERP) ampli-tudes across several brain regions regardless of the assigned groups that did not recover eight days after bed rest. In addition, significantly lowered ERP amplitudes at frontal and parietal re-gions in response to positive and negative pictures of the emotion task were found in partici-pants tested after one month of bed rest compared to a control group tested before bed rest. Source localization confirmed a bilateral lower activity in the posterior cingulate gyrus, insula and precuneus in the bed rest group for emotional, but not neutral stimuli. Conclusion: The present work provides evidence for the adverse effects of long-duration bed rest on neurophysiology and behavior that could not be mitigated by the antioxidant supplement. Future research is needed to elucidate the mechanisms underlying these effects to promote the development of efficient target-specific countermeasures to assure human survival in space.

Zukünftige Langzeit-Weltraummissionen zum Mond und Mars werden den menschlichen Körper verschiedenen Stressoren aussetzen, die höchstwahrscheinlich negative kognitive und verhaltensspezifische Auswirkungen haben können. Um den Erfolg dieser Missionen zu gewährleisten, ist es von entscheidender Bedeutung, die neurophysiologischen und verhaltensbezogenen Risiken, die mit solchen Unternehmungen einhergehen, zu ermitteln. Bettruhe in Kopftieflage bietet ein einzigartiges Analogmodell, um auch auf der Erde einige der Auswirkungen der Raumfahrt auf den Menschen zu untersuchen. Methodik: Im Rahmen einer randomisiert-kontrollierten Studie, die 2017 vom französischen Institut für Weltraummedizin und Physiologie in Toulouse, Frankreich, durchgeführt wurde, unterzogen sich zwanzig junge, gesunde Männer 60-tägiger Bettruhe. Die Teilnehmer wurden nach dem Zufallsprinzip entweder einer Behandlungsgruppe (n = 10), die täglich ein antioxidatives Nahrungsergänzungsmittel einnahm, oder einer Kontrollgruppe (n = 10), die keine Behandlung erhielt, zugewiesen. Um die Veränderungen des Gehirns als Reaktion auf die andauernde Inaktivität zu beurteilen, wurde ein Elektroenzephalogramm in Ruhe und während der Durchführung zweier standardisierter kognitiver Aufgaben zur Messung der selektiven Aufmerksamkeit und der Emotionsverarbeitung zu verschiedenen Zeitpunkten vor, während und nach der Bettruhephase aufgezeichnet. Ergebnisse: Unabhängig von der Gruppenzuordnung konnten deutliche Abnahmen der spektralen Leistungsdichte im Ruhezustand in den Delta-, Theta-, Alpha- und Beta-Frequenzbändern über alle Elektroden mit dem Beginn der Bettruhe beobachtet werden. Eine längere Dauer der Bettruhe änderte diese Reaktion nicht weiter. Die spektrale Leistungsdichte kehrte acht Tage nach Beendigung der Bettruhephase auf das Ausgangsniveau zurück. Zusätzlich wurde eine signifikant verringerte Effizienz während der Bearbeitung der selektiven Aufmerksamkeitsaufgabe nach 60 Tagen Bettruhe festgestellt, die mit veränderten Amplituden der ereigniskorrelierten Potenziale (EKP) in zahlreichen Hirnregionen einherging. Dieses Verhalten war unabhängig von den Gruppen und erholte sich auch acht Tage nach Bettruhe noch nicht. Darüber hinaus zeigten die Daten signifikant verringerte EKP-Amplituden in frontalen und parietalen Hirnregionen als Reaktion auf die positiven und negativen Bilder der Emotionsaufgabe bei Teilnehmern, die nach einem Monat Bettruhe getestet wurden, im Vergleich zu einer Kontrollgruppe, die vor der Bettruhe getestet wurde. Die Quellenlokalisation bestätigte eine geringere Aktivität im bilateralen posterioren cingulären Cortex, in der Insula und im Precuneus in der Bettruhegruppe für emotionale, aber nicht für neutrale Stimuli. Schlussfolgerung: Die vorliegende Arbeit liefert weitere Nachweise für die negative Auswirkung von Langzeit-Bettruhe auf die Neurophysiologie und das Verhalten, die durch die Einnahme eines antioxidativen Nahrungsergänzungsmittels nicht gemildert werden konnte. Zukünftige Untersuchungen sind notwendig, um die Mechanismen, die diesen Effekten zugrunde liegen, aufzuklären und die Entwicklung effizienter zielgerichteter Gegenmaßnahmen zu fördern, um das Überleben der Menschen im Weltraum zu sichern.