Angesichts der bevorstehenden kommerziellen Raumfahrt versuchen Wissenschaftler zu verstehen, was es für den menschlichen Körper bedeutet, außerhalb der Erde zu sein. Die Psychologin Dr. Elisa Raffaella Ferrè möchte wissen, wie die Schwerkraft oder ihr Fehlen unser Denken verändert.
Elisa ist eine leitende Psychologiedozentin und Direktorin des Vestibular Multisensory Embodiment (VeME)-Labors an der Royal Holloway, University of London. Ihre Arbeit hat sie mit Parabelflügen vom Labor in die Lüfte und durch die Zusammenarbeit mit Künstlern, Musikern und Space Yoga des YouTube-Kanals von Guerilla Science in ungewöhnlichere Richtungen geführt Serie.
Ihre Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der Schwerkraft auf das Gehirn. Warum müssen wir das studieren?
Das ist eine sehr gute und aktuelle Frage. Im vergangenen Jahr jährte sich die Apollo-Mondlandung zum 50. Mal. Vor fünfzig Jahren hatten wir mutige Menschen, die in den Weltraum gingen, ohne überhaupt zu wissen, was sie taten, und sie kamen damit zurecht. Sie haben einen tollen Job gemacht. Aber wir stehen am Beginn eines neuen Weltraumzeitalters.
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Die NASA wird in 20 Jahren Astronauten zum Mars schicken, und die kommerzielle Raumfahrt wird Realität. Bald können Sie ein Ticket kaufen, um in den Weltraum zu fliegen, Ihre Reise zu genießen und wiederzukommen. Die Erfahrung, im Weltraum zu sein, ist faszinierend, aber es ist nicht einfach für unseren Körper und unser Gehirn, mit der außerirdischen Schwerkraft umzugehen. Es ist notwendig zu verstehen, wie die Schwerkraft unser Gehirn beeinflussen kann, bevor wir in diese Richtung gehen.
Wenn wir auf der Erde sind, wirkt sich die Schwerkraft auf eine Weise auf unser Gehirn aus, die wir nicht erkennen?
Ja. Der Einfluss der Schwerkraft auf die menschliche Kognition wird in Psychologie und Neurowissenschaften immer noch vernachlässigt. Wir haben uns auf viele andere Aspekte unserer Wahrnehmung konzentriert, wie z. B. wie wir Farben erkennen und wie gut wir Geräusche wahrnehmen.
Die Schwerkraft ist ein sensorisches Signal. Die Schwerkraft der Erde ist eine konstante Beschleunigung von 9,807 m/s², also 1 g. Aber wir können es nicht „fühlen“. Sie können eine Farbe sehen, Sie können ein Lied hören, Sie können eine Mücke auf Ihrer Haut entdecken, aber Sie nehmen die Schwerkraft nicht wahr. Die Schwerkraft ist jedoch das beständigste sensorische Signal im Gehirn und trägt stillschweigend zu vielen verschiedenen Dingen in unserem täglichen Leben bei, wie Gehen, Springen, Heben von Gegenständen, was auch immer.
Wir haben uns in einer terrestrischen Umgebung unter einer stabilen Beschleunigung von 1 g entwickelt. Die vestibulären Otolithen, winzige, ausgeklügelte Rezeptoren im Innenohr, überwachen ständig die Größe und Richtung der Gravitationsbeschleunigung.
Die Bedeutung der Schwerkraft für das Verhalten wird offensichtlich, wenn wir uns an einem Ort befinden, an dem es nicht die übliche Gravitationsbeschleunigung gibt, wie z. B. im Weltraum. In der Schwerelosigkeit muss sich das menschliche Gehirn anpassen und damit fertig werden, dass das vertraute 1g nicht mehr da ist. Deshalb ist es nicht so einfach, im Weltall zu sein.
Astronauten berichten oft von der sogenannten „Raumfahrtkrankheit“. Stellen Sie sich die schlimmste Reisekrankheit vor, die Sie je hatten, und multiplizieren Sie sie jetzt mit 10 oder sogar mehr. Hier sind wir! Dies wird durch das Fehlen der Schwerkraft verursacht:Das Gehirn braucht Zeit, um sich an eine neue Gravitationsumgebung anzupassen.
Das ist ein junges Studienfach, nicht wahr?
Es ist, und es ist ein sehr ungewöhnliches Forschungsgebiet. Im Vergleich zu anderen Sinnesmodalitäten ist unser Wissen über die Schwerkraft als Wahrnehmungssignal nicht so weit fortgeschritten. Der Grund ist sehr einfach. Es ist nicht einfach, den Beitrag der Schwerkraft auf der Erde zu untersuchen, wo die Schwerkraft immer vorhanden ist.
Genau. Wie machst du das?
Wir müssen kreativ sein, um Wege zu finden, die Schwerkraft auf und möglicherweise außerhalb der Erde zu untersuchen. Auf der Internationalen Raumstation [ISS] wird ständig fantastische medizinische Forschung betrieben. Astronauten sind an mehreren Experimenten beteiligt – erinnern Sie sich, wie beschäftigt Tim Peake war? – Bereitstellung direkter Daten zu den Auswirkungen der Schwerkraft auf die Körperphysiologie.
Wir sprechen jedoch über ein paar Leute, die extrem gut ausgebildet sind, um im Weltraum zu sein. Was mich mehr interessiert, ist, was mit Nicht-Astronauten passiert, wenn sie der nicht-irdischen Schwerkraft ausgesetzt sind.
Meine Forschung kombiniert Techniken aus der kognitiven Neurowissenschaft und der experimentellen Psychologie mit Methoden der Weltraumforschung. Wir führen von der Europäischen Weltraumorganisation [ESA] unterstützte Experimente zum Parabelflug – dem berühmten „Vomit Comet“ – und menschlichen Zentrifugen durch.
Wir entwickeln in unserem Labor auch Techniken zur Veränderung der Schwerkraft, sodass wir verstehen können, wie sich die Schwerkraft auf das Verhalten großer Menschengruppen hier auf der Erde auswirkt.
Wir verwenden Inversionstabellen, die Menschen passiv auf den Kopf stellen können. Wir haben kürzlich auch gezeigt, dass Virtual Reality zuverlässig verwendet werden kann, um das Gehirn auszutricksen und Menschen glauben zu machen, dass sie sich auf einem Planeten mit anderer Schwerkraft befinden, zum Beispiel auf dem Mars.
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Und schließlich wenden wir eine künstliche Gleichgewichtssimulation an, bei der einige hinter dem Ohr platzierte Elektroden den Nervus vestibularis [der für das Hören und das Gleichgewicht verantwortlich ist] elektrisch stimulieren. Es sieht ein bisschen nach Frankenstein aus, aber es ist absolut sicher, keine Sorge. Mit diesen Methoden können wir untersuchen, wie sich Wahrnehmung und Kognition verändern, wenn Gravitationsinformationen verändert werden.
Sie haben den Parabelflug erwähnt – können Sie kurz erklären, was das ist?
Das ist der wirklich lustige Teil meiner Forschung! Parabelflüge werden mit einem umgerüsteten Airbus A310 durchgeführt. Es gibt nicht die üblichen Sitzgelegenheiten, aber experimentelle Geräte. Mehrere Teams befinden sich gleichzeitig an Bord des Flugzeugs, und die Experimente können von den Biowissenschaften bis zur Physik variieren.
Bei diesen Flügen folgt das Flugzeug der Flugbahn einer Parabel. Es wechselt zwischen Anstiegen und Gefällen mit einem Neigungswinkel von 45°. Jede Parabel beginnt mit einer „Hochzieh“-Beschleunigungsphase, in der die Gravitationslast das Doppelte der Erdanziehungskraft ist, was wir Hypergravitation oder 2 g nennen.
Die Piloten ließen das Flugzeug dann in den „freien Fall“ fallen. Diese Phase erzeugt Schwerelosigkeit (0g). Dann führen die Piloten eine „Pull-out“-Beschleunigung durch, bei der die Schwerkraft wieder doppelt so groß ist. Jede Phase dauert ungefähr 20 Sekunden.
Während des Fluges werden wir viele Parabeln haben, ungefähr 15 oder 16, also dauert der Flug selbst zwei oder drei Stunden. Es ist eine lange Zeit, aber das Experiment kann wegen der kurzen Exposition gegenüber Mikrogravitation nur 20 Sekunden dauern.
Können Sie in nur 20 Sekunden etwas erreichen?!
Es ist kompliziert, aber es ist machbar. Das Experiment muss gut geplant, präzise und kontrolliert sein. Wir müssen sicherstellen, dass das Experiment vor dem Start perfekt ist. Dann ist es eine Art Tanz, eine Choreografie von Menschen, die in diesen 20 Sekunden in einem Raum von etwa 1,5 m und während sie schweben, Dinge für das Experiment tun.
Es ist also eine Herausforderung. Es ist weit entfernt von Laborkomfort, aber das Erlebnis der Schwerelosigkeit an sich ist schon eine schöne Belohnung!
Wie fühlt es sich an?
Schwerelosigkeit ist das Beste, was es gibt. Es ist Ehrfurcht und Freiheit. Bewegungen sind ohne Anstrengung, ohne körperliche Zwänge, schwebend. Es ist eine erstaunliche Erfahrung. Aber lassen Sie mich ehrlich sein:Es ist nicht einfach.
Ich habe bereits die Reisekrankheit erwähnt, die wir bei Parabelflügen bekommen. Wir haben normalerweise einige Medikamente, aber es gibt Übelkeit und Orientierungslosigkeit.
Welche Wirkung hat Ihrer Meinung nach die Schwerkraft auf die Wahrnehmung?
Meine Forschungsgruppe und ich interessieren uns dafür, wie die Schwerkraft die menschliche Wahrnehmung und Entscheidungsfindung beeinflusst. Wir wollten beispielsweise sehen, ob die Entscheidungsfindung optimal ist, wenn die Schwerkraft nicht mehr unsere übliche 1-g-Beschleunigung ist.
Wir haben das tatsächlich im Labor gemacht, indem wir die Leute gebeten haben, eine zufällige Zahl zu sagen. Sie werden sagen:„Wie hängt das zusammen?“ Nun, [wenn Sie eine Reihe von Zufallszahlen sagen], entscheiden Sie sich entweder für dieselbe Option und erzeugen ein „stereotypes Verhalten“. Ich würde zum Beispiel immer wieder „zwei“, „zwei“, „zwei“ sagen. Oder Sie wechseln von einer Nummer zur anderen, um sozusagen ein „optimales Verhalten“ zu erzeugen. Also mehr Optionen, mehr neuartiges Verhalten.
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Wenn wir nun über Anpassungen an die Umwelt nachdenken, wollen wir einen Kompromiss zwischen Stereotyp und Roman eingehen. Wir wollen nicht immer die gleiche Wahl treffen, wir wollen nicht immer eine andere Wahl treffen.
Diese Art der Generierung von Zufallszahlen kann uns einige Hinweise darauf geben, wie bereitwillig und erforschend Menschen in einer Umgebung sind. Wir taten dies, indem die Teilnehmer aufrecht standen, im Einklang mit der Ausrichtung der Schwerkraft, oder flach lagen, eine Haltung, die der Schwerkraft nicht entspricht.
Diese einfache Manipulation ermöglichte es uns, die physiologische Verarbeitung der Schwerkraft zu verändern, was dazu führte, dass sehr unterschiedliche Gravitationsinformationen unser Gehirn erreichten. Die vestibulären Organe erkennen sofort „Ich bin nicht auf die Schwerkraft ausgerichtet“.
Wir stellten fest, dass Menschen im Liegen eher stereotype Reaktionen hervorriefen. Dies sagt uns, dass die Teilnehmer keine optimale Strategie zur Lösung der Aufgabe angewendet haben und dass ihre Entscheidungsfindung von der veränderten Schwerkraft beeinflusst wurde.
Das ist jetzt ein Laborexperiment. Aber stell dir vor, du bist auf dem Mars. Sie müssen sich entscheiden, ob Sie die Gegend erkunden oder bleiben wollen. Vielleicht ist das Erkunden riskant, aber du musst es tun, und wenn du dich nicht bewegst, erkundest du es nicht, könnte dies ein Problem sein.
Unsere Labormanipulation sagt uns im Grunde, schau, Menschen treffen möglicherweise nicht die richtige Entscheidung, wenn sie sich außerhalb des Heimathafens der terrestrischen Schwerkraft befinden, was meiner Meinung nach einige Auswirkungen haben könnte.
Wie würden Sie das überwinden?
Hoffentlich mit gutem Training. In der Tat erwarte ich diese Art von Beeinträchtigung nicht bei Astronauten:Wie ich bereits sagte, durchlaufen sie ein umfangreiches Training, bevor sie ins Weltall fliegen. Ich denke eher an einen kommerziellen Raumflug; Wir haben das Ticket gekauft, dann wollen wir in den Flieger.
Wir wollen wirklich keine zwei oder vier Jahre Ausbildung, bevor wir in den Urlaub fahren. Dieses Szenario erfordert gute Trainingsprogramme, um sicherzustellen, dass potenzielle Raumfahrer bei Bedarf optimale Entscheidungen treffen können.
Es scheint sich schneller zu bewegen als die Wissenschaft sich bewegt. Stimmt das?
Es sieht so aus. Ich denke, wir haben in den letzten Jahren erstaunliche Ergebnisse in Bezug auf technische Verbesserungen in der Weltraumforschung erzielt. Aber wir müssen uns auch bemühen zu verstehen, wie wir die menschliche Leistungsfähigkeit verbessern können. Ich bin nicht pessimistisch; Ich sage nur, dass es ein Problem gibt und wir es lösen müssen.
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Also, was kommt als nächstes?
Dies ist ein herausforderndes Feld, aber es ist so offen für die „Was kommt als nächstes“-Frage:Es gibt so viele Aspekte, die wir möglicherweise untersuchen können. Wir untersuchen derzeit, wie sich eine veränderte Schwerkraft auf Risikobereitschaft und soziale Interaktionen auswirkt. Aber wir forschen auch an der sensorischen Verarbeitung auf niedriger Ebene und haben gerade eine Forschungsstudie darüber abgeschlossen, ob die Schmerzwahrnehmung durch veränderte Schwerkraft beeinflusst wird.
Schmerzen können durch die Schwerkraft beeinflusst werden?
Dies ist noch nicht veröffentlicht, da wir es gerade fertiggestellt haben, aber ja, die veränderte Schwerkraft scheint Menschen weniger Schmerzen zu bereiten, eine Art analgetische Wirkung.
Wenn Ihnen jetzt ein Ticket für einen kommerziellen Raumflug angeboten würde, würden Sie gehen?
Absolut ja! Natürlich würde ich gehen.
Wenn du die Wahl hättest, irgendwohin in den Weltraum zu gehen, wohin würdest du gehen?
Der Mond.
Das hast du so schnell gesagt, dass du deine Antwort schon kanntest. Warum der Mond?
Ich werde immer emotional, wenn ich die Videos von der Mondlandung sehe. Ich bin leider zu jung, um es live gesehen zu haben, aber ich denke, es war immer beeindruckend für mich, dieses Filmmaterial zu sehen.
Fast jede Nacht sehen wir den Mond von der Erde aus. Können Sie sich vorstellen, wie schön es sein könnte, unseren Planeten, die Erde, von dort aus zu sehen? Es wird uns bewusst machen, wie schön, aber dennoch zart und zerbrechlich unser Blauer Marmor ist.
Glauben Sie, dass wir jemals in der Lage sein werden, den Weltraum zu kolonisieren? Dass wir jemals außerhalb der Erde leben können?
Möglicherweise. Unser Gehirn ist fantastisch in der Anpassung. Denken Sie an die Erde, wo es den Menschen gelungen ist, in vielen herausfordernden Umgebungen zu leben; in der Wüste, auf dem Gipfel eines Berges. Der Weltraum ist die ultimative Grenze. Es wird nicht einfach, viel schwieriger als das, was wir in Science-Fiction-Filmen sehen, aber ja. Warum nicht?
- Dieses Interview erschien erstmals in der Februar-Ausgabe 2020 des BBC Science Focus Magazine
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