Cortical Neuroplasticity and Cognition in Extreme Environments

Abstract

L'espace est l'un des environnements les plus extrêmes pour l’Homme, et pourtant, aujourd’hui, la conquête de l’espace est devenue un enjeu géopolitique et scientifique. Les nations spatiales s'efforcent d'explorer l'espace profond et de coloniser la Lune et Mars. Ces missions exposent les humains à divers facteurs de stress physiologiques et psychologiques qui peuvent également provoquer des processus d'adaptation fonctionnelle et structurelle dans notre cerveau. Au-delà des conditions gravitationnelles altérées et du rayonnement cosmique, l'activité́ physique restreinte et l'isolement social dans un espace confiné constituent également un risque potentiel. Pour garantir la sécurité́ mais aussi le succès de ces missions, il est essentiel d'évaluer les influences des séjours de longue durée dans l'espace sur les ressources cognitives et leurs corrélats neuronaux afin de prévoir les risques potentiels pour la santé. Dans cette thèse, l'impact de trois de ces facteurs de stress sur les fonctions cérébrales a été examiné dans deux modèles d’étude spatiaux (une étude d’alitement et un vol parabolique). Le Papier I a étudié́ les effets de l'Inactivité Physique sur la mémoire épisodique et ses corrélats neuronaux au moyen de l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle. Les facteurs de stress Isolement, Confinement et la Privation Sensorielle et leur impact sur le traitement affectif et l'activité́ électrocorticale ont fait l'objet du deuxième article. Dans le Papier III, l'impact de microgravité́ sur les processus attentionnels pendant un vol parabolique a été étudié́. Les résultats ont montré́ que l'immobilisation à long terme de deux mois modifiait l'activité cérébrale pendant l'encodage et la récupération de la mémoire dans l'hippocampe et le gyrus parahippocampique gauches. Cependant, il a été observé qu’un entraînement intensif, réalisé pendant la période d'immobilisation, peut contrer ces changements. Deuxièmement, l'isolement social et le confinement associés à l'alitement ont provoqué une réduction des amplitudes du potentiel évoqué (PE) lors de la visualisation d'images provoquant de vives émotions. Cet émoussement émotionnel a été observé principalement dans les régions centropariétales et ne s'est pas produit dans un groupe témoin. La localisation a confirmé une activité électrocorticale plus faible dans le gyrus cingulaire postérieur, l'insula et le precuneus dans le groupe alité. Troisièmement, la performance attentionnelle était altérée pendant de courtes périodes d’apesanteur. De plus, la performance attentionnelle était fortement influencée par l'état émotionnel des participants juste avant le vol parabolique. Les résultats démontrent l’impact négatif des facteurs de stress associés aux vols spatiaux sur les adaptations neurocomportementales. Ils vont également au-delà des applications de la médecine spatiale, par exemple dans des situations où l'activité physique ou les contacts sociaux sont réduits.

Space is one of the most extreme environments for human beings, yet space faring nations strive for deep space exploration and human settlement on Moon and Mars. These missions expose crews to various physiological and psychological stressors such as radiation, altered gravity conditions, social isolation and confinement, and reduced physical activity - stressors that are also known to alter neuroplasticity and cognitive functions. To ensure missions’ success and safety, it is important to know how the brain adapts in response to these stressors and to understand the associated neurobehavioral risks. As part of this dissertation, the impact of three of those stressors on brain function was examined through two different spaceflight analog models, i.e., Head-down tilt Bed Rest and Parabolic Flight. The effects of Physical Inactivity in form of long-term bed rest on episodic memory and its neural correlates by means of functional magnetic resonance imaging were the focus of Research Paper I. The impact of long-term head-down tilt bed rest, which is also characterized as a semi-isolated, confined and sensory deprived environment, on affective processing and its underlying electrocortical activity was investigated in Research Paper II. In Research Paper III, the impact of short bouts of Microgravity on attentional processes during a parabolic flight was examined. First, the results showed that long-term immobilization of two months of Head-down tilt Bed Rest (HDBR) altered brain activity during memory encoding and retrieval in the left hippocampus and parahippocampal gyrus. These changes could be largely counteracted by a high-intensity training intervention that was performed during the immobilization period. Second, bed rest associated social isolation and confinement evoked reduced Event Related Potential (ERP) amplitudes in participants while looking at highly arousing photographs. This emotional blunting was observed predominantly in centroparietal regions and did not occur in a control group. Source localization confirmed a lower electrocortical activity in the posterior cingulate gyrus, insula, and precuneus in the bed rest group for pleasant and unpleasant, but not for neutral photographs. Third, attentional performance during a Continuous Performance Task (CPT) was impaired by weightlessness. There was additional evidence that attentional performance was also influenced by participants’ emotional states. The results provide evidence of the adverse neurobehavioral adaptations brought about by these spaceflight associated stressors. The results go beyond applications of space medicine and provide further insight into the adaptational processes of the brain in response to physical inactivity, confinement, and vestibular deficiency.

Der Weltraum ist eine für Menschen unnatürliche Umgebung, dennoch streben die nationalen Raumfahrtagenturen vermehrt Langzeitmissionen und eine Kolonisierung von Mond und Mars an. Bei diesen (Langzeit-)Aufenthalten ist der Mensch verschiedenen physiologischen und psychologischen Stressoren ausgesetzt, die auch funktionelle und strukturelle Adaptionsprozesse in unserem Gehirn verursachen können. Neben den veränderten Gravitationsbedingungen und kosmischer Strahlung, stellen auch eingeschränkte körperliche Aktivität und soziale Isolation auf einem engen Raum ein potenzielles Risiko dar. Um die Sicherheit, aber auch den Erfolg solcher Missionen zu gewährleisten und um mögliche gesundheitliche Risiken vorherzusagen, ist es entscheidend, die Einflüsse von Langzeitaufenthalten im Weltraum auf kognitive Ressourcen und ihre neuronalen Korrelate zu erfassen. In der vorliegenden Dissertation wurden drei dieser Stressoren und deren Auswirkungen auf die Hirnfunktion in drei separaten Studien näher untersucht. Dafür wurden zwei verschiedene Weltraumanalogmodelle genutzt – eine Bettruhestudie in Kopftieflage sowie ein Parabelflug. In dem ersten Forschungsartikel wurden die Auswirkungen von körperlicher Inaktivität in Form von Langzeitbettruhe auf die episodische Gedächtnisbildung und deren neuronale Korrelate mittels funktioneller Magnetresonanztomographie untersucht. Die Auswirkungen auf die affektive Verarbeitung und die elektrokortikale Aktivität einer solchen Langzeitimmobilisierung, die zusätzlich auch durch eine sensorische Deprivation, Beengtheit und einer Semi-Isolation der Teilnehmer gekennzeichnet waren, standen im Mittelpunkt des zweiten Forschungsartikels. In dem dritten Forschungsartikel wurden die Auswirkungen von Mikrogravität auf Aufmerksamkeitsprozesse während eines Parabelflugs untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass eine langfristige Immobilisierung die Hirnaktivität während der Gedächtnisenkodierung und des Abrufs im linken Hippocampus und im parahippocampalen Gyrus veränderte. Diesen Veränderungen konnte durch ein hochintensives Training, das während der Bettruhe durchgeführt wurde, entgegengesteuert werden. Zusätzlich verursachte die mit Bettruhe einhergehende soziale Isolation und Beengtheit eine Reduktion der Amplituden der ereigniskorrelierten Potenziale (EKP) beim Betrachten von hocherregenden Bildern. Diese emotionale „Abstumpfung“ wurde vor allem in zentroparietalen Regionen beobachtet und trat nicht in der Kontrollgruppe auf. Durch eine Quellenlokalisierung konnte zudem eine geringere elektrokortikale Aktivität im posterioren Gyrus cingulare, in der Insula und im Precuneus in der Bettruhegruppe beobachtet werden. In der dritten Studie konnte zudem gezeigt werden, dass die Aufmerksamkeitsleistung der Probanden in kurzen Phasen der Schwerelosigkeit beeinträchtigt war. Zusätzlich wurde die Aufmerksamkeitsleistung durch den emotionalen Zustand der Teilnehmer unmittelbar vor dem Parabelflug beeinflusst. Zusammenfassend liefern die Ergebnisse dieser Dissertation weitere Erkenntnisse über die neurofunktionellen und kognitiven Anpassungen des Gehirns, die nicht nur infolge von mit der Raumfahrt verbundenen Stressoren auftreten können, sondern auch in Situationen, die durch soziale Isolation, Reduktion der körperlichen Aktivität oder durch vestibuläre Defizite gekennzeichnet sind.