Resumen
Objetivo
La luz espacial afecta negativamente el comportamiento sensoriomotor; El ejercicio mitiga algunos de estos efectos. El reposo en la cama de la inclinación hacia abajo (HDBR) induce la descarga del cuerpo y los cambios de fluido, y a menudo se usa para investigar los efectos de vuelo espacial. Aquí, examinamos si el ejercicio mitiga los efectos de 70 días HDBR en el cerebro y si se relacionan los cambios de aptitud y cerebro con HDBR.
Métodos
Los sujetos de HDBR fueron asignados al azar sin ejercicio (n = 5) o ejercicio de resistencia aeróbico y de resistencia tradicional (n = 5). Además, se incluyó un grupo de ejercicio del volante (n = 8). Los protocolos de ejercicio para grupos de ejercicios fueron similares en intensidad, por lo tanto, estos grupos se agruparon en análisis estadísticos. MRI pre y post-HDBR (estructura y conectividad estructural/funcional) y medidas de aptitud física (fuerza de la parte inferior del cuerpo, área de sección transversal muscular, VO2 Max, composición corporal) fueron recolectados. Se utilizaron análisis de permutación de vóxel para probar las diferencias grupales en los cambios cerebrales y sus asociaciones con los cambios de aptitud.
Resultados
Las comparaciones de los ejercicios con los controles revelaron que el ejercicio condujo a un menor deterioro de la condición física con HDBR, pero no afectó el volumen del cerebro o la conectividad. Las comparaciones grupales mostraron que el ejercicio moduló la recuperación posterior al HDBR de la conectividad cerebral en las regiones somatosensoriales. El análisis posttoc mostró que esto estaba relacionado con la disminución de la conectividad funcional con HDBR en los no ejercitantes, pero no en los ejercicios. Los análisis correlacionales entre la aptitud física y los cambios cerebrales mostraron que las disminuciones de la aptitud se asociaron con conectividad funcional y aumentos volumétricos (todos riñonal > .74), potencialmente reflejando la compensación. Se observaron cambios cerebrales modestos o incluso disminuciones en la conectividad y el volumen en sujetos que mantuvieron o mostraron pequeñas ganancias de aptitud. Estos resultados no sobrevivieron a la corrección de Bonferroni, pero pueden considerarse significativos debido a los grandes tamaños de efecto.
Conclusión
El ejercicio realizado durante HDBR mitiga la disminución de la condición física y la fuerza. Las asociaciones entre la aptitud física y la conectividad cerebral y los cambios de volumen, aunque no se ajustan para comparaciones múltiples en esta pequeña muestra, sugieren que el ejercicio supino reduce los cambios cerebrales compensatorios inducidos por HDBR.
Introducción
Durante los astronautas de vuelo espacial se adaptan a la microgravedad. Al regresar a la tierra a menudo experimentan problemas con el control de la postura (1) y locomoción (2). Estos efectos de comportamiento motor están vinculados a patrones alterados de activación del músculo de la pierna, coordinación del tronco de la cabeza (3), y reinterpretación central adaptativa de información visual, vestibular y propioceptiva (4–6). Hasta la fecha, se han publicado cuatro estudios de neuroimagen en astronautas. Todos estos estudios que tenían diseños longitudinales demostraron que el vuelo espacial puede conducir a estructural (7–9) y cambios de cerebro funcionales, incluso en regiones que están involucradas en el control motor (10). Los cambios del cerebro estructural que informamos anteriormente se observaron en todo el cerebro y en su mayoría disminuyen el volumen de la materia gris y podrían, en cierta medida, reflejar los cambios de líquido cerebral (11). Sin embargo, se observaron aumentos específicos de volumen de materia gris en regiones específicas importantes para el movimiento de las extremidades inferiores (8).
El reposapiés de la cama de inclinación hacia abajo (HDBR) se usa ampliamente como un entorno de investigación analógica de vuelo espacial en la Tierra. Imita los efectos de microgravedad, como los cambios de cabeza de los fluidos corporales y la descarga del cuerpo axial (12). HDBR puede inducir el deterioro de la marcha y el equilibrio (13) y puede dar lugar a cambios cerebrales estructurales (14, 15), cambios en la conectividad funcional cerebral (16) y los cambios de activación cerebral durante el rendimiento de las tareas cognitivas y motoras (17–19). Por ejemplo, después del volumen de HDBR, el volumen de la materia gris (GM) aumenta y el agua libre extracelular (FW) disminuye en las regiones del cerebro que controlan las extremidades inferiores, como la circunvolución para-cingulada. Mayores aumentos en el volumen GM y mayores disminuciones en FW (11) En estas regiones, se asocian con disminuciones más pequeñas o incluso mejoras en el rendimiento del equilibrio de pre a Post HDBR, lo que sugiere que tales cambios cerebrales reflejan procesos compensatorios. Con HDBR también hay aumentos en la conectividad funcional (es decir, la correlación de la activación cerebral en regiones cerebrales distintas durante el descanso) de las redes cerebrales vestibulares, motores y somatosensoriales, y disminuyen en la conectividad de las redes visuales y somatosensoriales ((16). Los aumentos de conectividad más grandes entre las regiones motoras y somatosensoriales se correlacionaron con menores disminuciones en el rendimiento del equilibrio con HDBR. Además, HDBR conduce a cambios de activación en la corteza del opérculo parietal en respuesta a las entradas vestibulares. Mayores aumentos en la activación frontoparietal con HDBR correlacionado con mayores disminuciones de movilidad inducida por HDBR (20). Juntos, estos hallazgos podrían reflejar mecanismos neuroplásticos en respuesta a las entradas sensoriales alteradas del entorno HDBR, algunos de los cuales pueden facilitar la adaptación. Además, debe tenerse en cuenta que las asociaciones descritas anteriormente entre los cambios cerebrales y el comportamiento motor solo compensan una parte más pequeña de los cambios cerebrales generalizados que se observan con HDBR. Por lo tanto, es posible que al menos algunos de los cambios cerebrales observados con HDBR sean desadaptativos. Por lo tanto, el SNC y la disfunción motora que ocurre en la microgravedad podría poner en peligro el éxito de la misión espacial, y también podría interactuar con el envejecimiento de la estructura y la función del cerebro en los miembros de la tripulación. Estos cambios son particularmente preocupantes a medida que las misiones de vuelo espacial se extienden en duración y los objetivos de exploración se empujan más allá de la órbita de la tierra baja, donde se espera que los astronautas ambulen de manera autónoma en un terreno desconocido.
Estos hallazgos crean una justificación fuerte para identificar contramedidas efectivas para los cambios cerebrales desadaptativos (p. Ej., Neurodegeneración) que ocurren con el vuelo espacial y las medidas que promueven los cambios cerebrales compensatorios que ocurren con el vuelo espacial que podría dar lugar a una lectura más rápida a la gravedad de la Tierra u otros entornos gravitacionales (es decir, luna o mares). El ejercicio durante HDBR puede mitigar los efectos en la aptitud física (21), pero no se sabe cuáles son los efectos de ejercicio durante HDBR en el cerebro. Durante mucho tiempo se ha establecido que el ejercicio aeróbico en general puede aumentar el volumen GM, potencialmente a través de la ramificación dendrítica, la angiogénesis, la sinaptogénesis y la gliogénesis (22). El ejercicio mejora aún más la función cognitiva a través de la promoción del factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF), que juega un papel en el metabolismo energético (23). Tales efectos se han observado en adultos jóvenes y mayores (24, 25). Además, el ejercicio tiene un efecto preventivo en la neurodegeneración relacionada con la edad, un efecto atenuante en la progresión de la enfermedad neurológica (por ejemplo, lesión cerebral traumática y demencia) (26, 27), y da como resultado mejoras en el funcionamiento cognitivo en sujetos con deterioro cognitivo leve (28). Por lo tanto, es posible que el entrenamiento ejercicio también pueda mitigar los efectos adversos de HDBR en la estructura y función del cerebro. En apoyo de esta hipótesis, nosotros y otros mostraron previamente que el ejercicio aeróbico y de resistencia mitigan parcialmente los efectos adversos de HDBR en el rendimiento de la marcha y el equilibrio (13, 29, 30).
Para el estudio actual analizamos los efectos del ejercicio aeróbico y de resistencia en los cambios funcionales y estructurales del cerebro de pre a post HDBR. Además, examinamos si los cambios en la aptitud física se correlacionan con los cambios cerebrales. Las medidas de resultado cerebrales se seleccionaron si mostraron cambios con HDBR en cualquiera de nuestros estudios anteriores, e incluyen: 1) volumen GM (datos de MRI T1); 2) distribución del cerebro FW (imágenes ponderadas por difusión; (11)); y 3) conectividad funcional cerebral de las regiones sensoriomotoras (fMRI de estado de reposo; (16)). Seleccionamos las siguientes medidas de aptitud física del estudio de ejercicio más grande: 1) aptitud cardiorrespiratoria (VO2 pico), 2) masa corporal sin grasa y 3) estructura y función muscular. Estas medidas se han relacionado con la estructura y función del cerebro en otros estudios (31, 32) y también exhibió cambios significativos de pre a post HDBR en sujetos que no son de ejercicio. Presumimos que a) el ejercicio mitigaría una parte sustancial de los efectos de HDBR en los cambios del cerebro funcional y estructural y que b) los cambios en la aptitud física se correlacionarían con los cambios en la función del cerebro y la estructura de las regiones cerebrales sensoriomotoras como la corteza motora primaria, la corteza somatosensorial, el área motora suppativa y el superficie.
Método y materiales
El estudio actual es parte de un estudio de marco HDBR longitudinal prospectivo más grande (33) para el cual los sujetos fueron asignados al azar a un grupo de control HDBR o un grupo de ejercicio aeróbico y de resistencia regular de HDBR (ver bajo ‘Intervención de ejercicio de reposo en cama’). Los estudios de complemento para el estudio del marco HDBR incluyen un grupo de volantes HDBR y una evaluación de resonancia magnética del cerebro. Aquí, combinamos datos de dos protocolos de estudio que están integrados en el estudio de marco HDBR más grande, es decir, un estudio que investiga la actividad física como una contramedida para la disminución musculoesquelética con HDBR (33) y un estudio que investiga los cambios cerebrales con HDBR (34).
Participantes
La inclusión de los participantes en el estudio HDBR matriz más grande comenzó antes del estudio HDBR Flywheel y HDBR Neuroimaging (ver Fig. 1). Aquí, incluimos solo sujetos que se inscribieron en el estudio HDBR principal (es decir, sujetos de control HDBR y sujetos de ejercicio aeróbico y de resistencia HDBR) y el estudio de complemento HDBR Flywheel que también participaron en el estudio complementario de neuroimagen HDBR. En total, 18 de los 24 participantes completaron ambos protocolos. Seis sujetos (3 sujetos de control y 3 sujetos de ejercicio regular (ver ‘Intervención de ejercicio en cama de cama’) no participaron en el estudio de resonancia magnética cerebral HDBR. Los principales resultados del estudio de neuroimagen HDBR (11, 16, 19) y estudio de ejercicio HDBR (35) se han informado por separado.
En total, 18 sujetos participaron en este estudio. Estos sujetos se dividieron en 3 grupos. Diez sujetos fueron participantes del estudio HDBR matriz y habían sido asignados aleatoriamente a un grupo de control HDBR o un grupo de ejercicio aeróbico y de resistencia regular de HDBR. Los 8 sujetos restantes fueron muestreados de un estudio adicional al estudio HDBR principal. Estos 8 sujetos completaron el ejercicio del volante durante los 70 días de HDBR y se incluyeron en la orden de que firmaron el consentimiento.
La edad media de los 18 sujetos masculinos fue de 31.1 ± 4.7 años al momento de la admisión (rango: 25.7–39.8 años). Los sujetos potenciales fueron reclutados a través de la publicidad al público en general (es decir, a nivel nacional) y fueron prescindidos por un formulario en línea, o por teléfono por las enfermeras de la NASA Test Supring Discying. Los criterios de inclusión fueron 1) edad entre 24 y 55 años, 2) índice de masa corporal entre 18.5 y 30.0 kg/m2no fumador, 3) sin medicamento recetado, 4) y ausencia de contraindicaciones médicas para la participación en el estudio (por ejemplo, contraindicación para la resonancia magnética). Los sujetos que aprobaron el examen previo se sometieron a una detección en el sitio que incluyó un examen físico equivalente de Clase III de la Fuerza Aérea, examen psicológico, detección de drogas y una verificación de antecedentes penales.
Este estudio se realizó de conformidad con la Declaración de Helsinki y aprobado por las siguientes juntas de revisión institucional: 1) la Universidad de Michigan; 2) la rama médica de la Universidad de Texas (UTMB); y 3) Centro espacial de la NASA Johnson. Todos los sujetos proporcionaron consentimiento informado por escrito y recibieron una compensación monetaria por su participación.
Intervención de reposo en cama
Todos los sujetos completaron 70 días de 6 °-HDBR en el centro de descanso de la cama ubicado en la Rama Médica de la Universidad de Texas (Galveston, TX). Los sujetos permanecieron en la posición de inclinación hacia abajo, excepto por 30 minutos durante cada comida (3 comidas/día), cuando se les permitió apuntalar la cabeza. Los sujetos fueron admitidos para medidas de línea de base ~ 3 semanas antes del inicio de HDBR …
