Die Auswirkungen von Weltraumstrahlung auf den Sehnerv und die Forschung an Astronauten

Wenn Astronauten im Weltraum Sterne sehen, hat das nicht immer mit dem Blick in die unendlichen Weiten des Weltalls zu tun. Manchmal sehen sie auch Sternchen, wenn ihnen gar nicht danach ist - selbst bei geschlossenen Augen. Dieses Phänomen, das Astrophysiker bereits 1952, lange vor dem ersten bemannten Raumflug, vorhergesagt hatten, ist komplex und Gegenstand aktueller Forschung.

Die Ursachen der Lichtblitze: Ein Zusammenspiel von Teilchen und Schwerelosigkeit

Ursprünglich vermuteten Forscher Protonen als alleinige Ursache der Blitze, da der Strahlungsgürtel hauptsächlich aus positiv geladenen Elementarteilchen besteht. Kosmonauten auf der Raumstation "Mir" untersuchten das Phänomen zwischen 1998 und 2000 mit speziellen lichtdichten Helmen. Die Erwartung war, dass die Anzahl der Lichtblitze mit der Strahlungsintensität im Magnetfeld der Erde zunimmt. Die Experimente fanden an verschiedenen Stellen der Umlaufbahn statt, insbesondere im Bereich der Südatlantischen Anomalie, wo der Van-Allen-Gürtel aufgrund einer Schwäche im Magnetfeld bis in die Umlaufbahn der "Mir" vordringt. Überraschenderweise war die Anzahl der Sternchen dort aber kaum höher als anderswo im Orbit.

Energiereiche Teilchen als Schlüsselfaktor

Erst als Casolino und Kollegen die Protonen außer Acht ließen und stattdessen den Anteil besonders energiereicher Partikel mit den gezählten Blitzen verglichen, ergab sich ein Zusammenhang. Schwere Kerne sind um ein Vielfaches energiereicher als Protonen und können Atome in der Netzhaut ionisieren oder anregen, so dass sie Energie in Form von Licht abgeben. Die Kosmonauten auf der "Mir" zählten bei ihren Tests pro Stunde durchschnittlich bis zu zehn Blitze, Astronauten der Apollo-Missionen 14. Auf der amerikanischen Raumstation "Skylab" sahen die Crewmitglieder zeitweise wahre Leuchtfeuer: Jede Sekunde blitzte es in ihren Augen auf.

Der Einfluss kosmischer Teilchen auf das Gehirn

Ein italienisches Forscherteam vom Nationalen Institut für Kernphysik in Rom vermutet, dass kosmische Teilchen, die durch das Gehirn fliegen, Halluzinationen erzeugen könnten. Bislang wurden Lichtblitze, die viele Astronauten bei geschlossenen Augen wahrnehmen, auf die Wirkung der Teilchen direkt im Auge zurückgeführt. Bereits als die Astronauten Buzz Aldrin und Neil Armstrong 1969 über die Lichterscheinungen, die auch Phosphene genannt werden, berichteten, hatte die Nasa eine Untersuchung durchgeführt. Die Raumfahrtbehörde kam zu dem Schluss, dass die Blitze entstehen, wenn sich kosmische Teilchen im Augapfel schneller als das Licht bewegen. Dabei wird die so genannte Tscherenkow-Strahlung abgeben. Die Blitze galten fortan als harmlos. Die italienischen Forscher um Livio Narici glauben hingegen, dass die kosmischen Blitze direkt durch die Einwirkung der Teilchen auf den visuellen Kortex entstehen. Zum Beispiel berichten Krebspatienten, deren Hirntumor mit einem Strahl aus Kohlenstoff-Atomen beschossen wird, von ähnlichen Lichterscheinungen. Um ihre Theorie zu bestätigen, experimentieren die italienischen Forscher seit einigen Jahren mit Astronauten auf der Internationalen Raumstation. Die Astronauten müssen Helme mit Teilchendetektoren tragen, um festzustellen, aus welcher Richtung ein Teilchen gekommen ist, wenn der Astronaut einen Blitz wahrnimmt. Die Forscher um Narici haben den Verdacht, dass die Blitze nicht ganz so harmlos sein könnten wie bislang angenommen. Störende Reize könnten Astronauten zum Beispiel in kritischen Situationen ablenken, fürchten die Forscher. Welche Auswirkungen Kollisionen des Hirngewebes mit energiereichen Teilchen langfristig haben, ist ebenfalls unbekannt.

Das raumfahrtassoziierte neurookulare Syndrom (SANS)

Die NASA identifizierte das mysteriöse Syndrom erstmals, als die Sehkraft des Astronauten John Phillips nach sechs Monaten im Orbit von 100% auf 20% sank. Spezielle diagnostische Untersuchungen ergaben, dass die Augäpfel des Astronauten flacher geworden waren und dadurch die Netzhaut mit den lichtempfindlichen Zellen verschoben hatte. Die Augenärzte der NASA wussten, dass etwas den Druck auf die Augen der Astronauten erhöhte, konnten die Ursache aber nicht ganz genau bestimmen. In einer weiteren Studie untersuchte deshalb ein Forscherteam mehrere Astronauten nach ihrem Langzeitaufenthalt auf der internationalen Raumstation ISS. Zu diesem Zweck verglichen sie hochauflösende Hirnscans der Weltraumbesucher kurz vor und nach ihrer Reise ins Weltall. Hierbei zeigte sich, dass die Gehirnflüssigkeit für das VIIP-Syndrom verantwortlich ist. Durch die Schwerelosigkeit steigt die Menge der Gehirnflüssigkeit deutlich an und drückt auf die hochsensiblen Strukturen im Auge. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass sie sich die Verformung im Augeninnern und die damit einhergehende Sehschwäche nach der Rückkehr auf die Erde nicht bei allen Astronauten zurückbildet. Will man also Astronauten auf lange Reisen schicken, z.B. Auch ein halbes Jahr nach der Rückkehr von Langzeit-Missionen im All gibt es demnach noch »großflächige Volumenänderungen«, wie die Universität mitteilte. Die Forscher beobachteten bei den Raumfahrern auch noch rund sieben Monate nach deren Rückkehr zur Erde ein geringeres Volumen der sogenannten grauen Substanz. Das ist der Teil des Großhirns, der hauptsächlich Nervenzellen enthält. Scans zeigten außerdem, dass sich der mit Nervenwasser gefüllte Raum im Großhirn dagegen ausgeweitet hatte. Und auch an der weißen Substanz wurden Veränderungen festgestellt: Unmittelbar nach der Landung blieb sie zwar zunächst scheinbar unverändert. Ob die Veränderungen relevant für das Denkvermögen der Raumfahrer sind, ist nach Forscherangaben noch unklar. Belegt sind den Angaben zufolge bislang nur Veränderungen des Sehvermögens, die - so vermuten die Forscher - durch den Druck des ausgedehnten Nervenwassers auf die Netzhaut und den Sehnerv entstanden sein könnten.

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Studien zu Veränderungen der Gehirnstruktur

Der Münchner Mediziner Peter zu Eulenburg hatte gemeinsam mit Forschern aus Belgien und Russland zwischen 2014 und 2018 zehn russische Raumfahrer untersucht, die im Schnitt 189 Tage auf der Internationalen Raumstation ISS verbracht hatten. »Wir sind die ersten, die über einen längeren Zeitraum nach der Landung Veränderungen untersuchen konnten«, sagte zu Eulenburg. Dass längere Aufenthalte im Weltall die Gehirnstruktur von Raumfahrern verändern können, hatte im vergangenen Jahr schon eine von der US-Weltraumagentur Nasa finanzierte Studie gezeigt, an der das Universitätsklinikum Frankfurt beteiligt war.

Bettruhestudien als Analogie zur Schwerelosigkeit

Bettruhestudien werden seit vielen Jahren genutzt, um die Veränderungen des Auges unter erhöhten Druckverhältnissen wie in Schwerelosigkeit besser zu verstehen. In der aktuellen NASA- und DLR-Studie SANS-CM führt unsere Luft- und Raumfahrtmedizin während der Liegephasen umfangreiche Untersuchungen durch.Die Messung des Augeninnendrucks mittels Pneumatonometrie wird im Liegen und auch in der Gegenmaßnahme „Sitzen“ durchgeführt. Claudia Stern unter anderem den Augeninnendruck und untersucht Netzhaut und Sehnerv sowie mittels MRT das Gehirn. Auch das Herz-Kreislauf-System unterliegt ständiger Beobachtung. Und mit der optischen Kohärenztomographie lassen sich Veränderungen im Gehirn mikrometergenau verorten.

Für all die Untersuchungen und Experimente ist zwölfköpfiges DLR-Team im Einsatz. Unsere Studienteilnehmenden sind oft ganz überrascht, was wir alles rund ums Thema Auge genau untersuchen. Der Sehnervenkopf schwillt etwas an und die Sehfähigkeit im Nahbereich verschlechtert sich leicht. Die Veränderungen sind bei Teilnehmenden der Bettruhestudien reversibel, also rückläufig. Einige Zeit nach Studienende hat sich das Auge vollständig regeneriert. Das kann bei Menschen im Weltraum allerdings anders sein. Es gibt ehemalige Astronauten, die seit ihrer Rückkehr zur Erde dauerhaft eine Brille tragen.

Gegenmaßnahmen und Prävention

Während der VaPER-Bettruhestudie konnte das Anschwellen des Sehnervenkopfs bei einigen Teilnehmenden erstmals nachgewiesen werden. Die Probanden lagen 30 Tage in Sechs-Grad-Kopftieflage, zum ersten Mal ohne Kissen.Auch bei der Nachfolgstudie AGBRESA konnte die Veränderung des Sehnervenkopfs festgestellt werden. Mit Fahrten auf der DLR-Kurzarmzentrifuge haben wir eine mögliche Gegenmaßnahme getestet. Mit der aktuellen Bettruhestudie SANS-CM, die Anfang 2022 in die nächste Runde geht, testen wir im Auftrag der NASA erneut Gegenmaßnahmen. Eine ist die Unterdruckkammer LBNP (Lower Body Negative Pressure Device). In späteren Kampagnen soll zum Beispiel ein Radfahr-Training eingesetzt werden.

Weitere Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf den Körper

Neben den Auswirkungen auf den Sehnerv und das Gehirn hat die Schwerelosigkeit noch weitere Auswirkungen auf den menschlichen Körper. Dazu gehören:

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• Flüssigkeitsverschiebungen: Das Wasser im Körper verteilt sich um und fließt Richtung Kopf, was zu einem aufgedunsenen Gesicht und schrumpfenden unteren Extremitäten führt.
• "Space Adaptation Back Pain": Durch die fehlende Gravitation dehnen sich die Bandscheiben aus, was zu Kreuzschmerzen führen kann.
• Weltraum-Anämie: In der Schwerelosigkeit wird weniger Blut produziert, was zu Anämie führen kann.
• Knochenschwund: Durch die fehlende Belastung werden Knochen im Zeitraffer abgebaut.
• Muskelschwund: Die Muskeln müssen weniger leisten und werden abgebaut.

Um diesen Effekten entgegenzuwirken, steht bei den Insassinnen und Insassen der ISS täglich zweieinhalb Stunden Sport auf dem Programm. Experimentiert wird daher etwa mit EMS-Anzügen, die Muskeln durch schwache Stromimpulse stimulieren und das Training so effektiver machen könnten. Durch die elektrische Unterstützung sollen auch die kleinen Muskeln besser trainiert werden, die die Wirbelsäule stabilisieren - um so ein weiteres bekanntes Problem von Raumfahrenden in den Griff zu bekommen: Ihr Risiko für Bandscheibenvorfälle ist nach der Landung massiv erhöht.

Die Zwillingsstudie mit Scott und Mark Kelly

Mit 50 Jahren brach US-Astronaut Scott Kelly ein letztes Mal ins All auf - beauftragt mit einer Mission, für die er geeignet war wie kein anderer. Die Aufgabe: 340 Tage auf der Internationalen Raumstation ISS zu verbringen und dabei Proben vom eigenen Körper zu sammeln, sich selbst zu vermessen sowie immer wieder Tests zu absolvieren. Die Daten sollten Aufschluss darüber geben, wie die Monate in der Unwirtlichkeit des Alls sich auf die Gesundheit des Menschen auswirken.Scott Kelly war deshalb der beste Kandidat für dieses Vorhaben, weil er einen eineiigen Zwillingsbruder hat, der früher ebenfalls Astronaut war. Während Scotts Reise ließ sich Bruder Mark auf der Erde in gleicher Weise untersuchen und lieferte damit einzigartige Vergleichsdaten. Nun, drei Jahre nach Kellys Rückkehr zur Erde, ziehen die Wissenschaftler im Fachmagazin Science Bilanz.

Alles in allem unterscheidet sich Scotts Gesundheitszustand kaum von dem seines Bruders. Dennoch haben Schwerelosigkeit, Weltraumstrahlung, die gestörte innere Uhr sowie psychischer Stress Spuren hinterlassen. Zehn physiologische Prozesse hatte die Weltraum-Reise zumindest zeitweilig messbar verändert.Als potenziell riskant stufte das Forscherteam um Francine Garrett-Bakelmann von der Cornell University in New York Veränderungen der Blutgefäße ein, die wahrscheinlich von der Schwerelosigkeit herrühren. Wo die Gravitation fehlt, fließen die Flüssigkeiten des Körpers in Richtung Kopf. Man kann dies, so berichten es die Wissenschaftler, an den angeschwollenen Gesichtern und "Hühnerbeinen" vieler Astronauten beobachten.Durch die aufsteigenden Flüssigkeiten verändern sich die Druckverhältnisse im Körper. Diese Entwicklung ist vermutlich ein Grund dafür, dass Scotts Halsschlagader sich vergrößerte und ihre Wände verdickten - ein potenzielles Risiko für Schlaganfälle. Veränderte Druckverhältnisse im Körperinneren könnten auch verantwortlich für Auffälligkeiten an den Augen sein, die bei Scott ebenso wie bei etlichen seiner Kollegen beobachtet wurden. Die Augäpfel verformten sich, der Sehnerv verdickte, Sehstörungen traten auf. Geklärt sind weder Ursache noch Prognose dieses Phänomens.

Einige Parameter waren unmittelbar nach der Landung am stärksten verändert. Gerade wieder am Boden wies der Astronaut höhere Stress- und Entzündungswerte auf. In kognitiven Tests schnitt er schlechter ab als zu allen anderen Zeitpunkten. Es dauerte etwa sechs Monate, eher er wieder auf seiner ursprünglichen geistigen Höhe war. Dies könne zum Problem werden, wenn Menschen eines Tages auf dem Mars aufsetzen sollten, warnten die Wissenschaftler.Zugleich stellten sie Veränderungen der Genaktivität fest. Betroffen waren vor allem Zellen, die für die Immunabwehr und die Reparatur von DNA-Schäden zuständig sind. Mehr als 90 Prozent dieser Veränderungen bildeten sich nach der Landung wieder zurück.

Eine Überraschung brachte die Beobachtungen der Telomere. Das sind Schutzkappen auf den Enden von Chromosomen, die üblicherweise durch Stress oder das Alter schrumpfen. Während Kellys Weltraum-Aufenthalt aber wuchsen diese Kappen. Unmittelbar nach der Rückkehr nahm die Länge wieder ab, einige Telomere waren am Ende kürzer als zuvor. Was diese Veränderungen bedeuten, ist nicht klar.

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Insgesamt blieben viele Fragen offen, was die Forscher trocken mit der "limitierten" Größe ihrer Stichprobe begründen. Gemessen daran war der Aufwand beachtlich. Mehr als 80 Wissenschaftler aus zwölf Universitäten haben fünf Jahre lang an dieser Studie gearbeitet.

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