Efter att ha tillbringat 14 frigid månader i Antarktis, lämnade nio expeditioner kontinenten med något mindre hjärnor, enligt en ny studie.
Ett team av forskare skannade expeditionernas hjärnor före och efter resan och fann att vissa strukturer i orgelet hade krympt under resan. I synnerhet en hjärnstruktur som var kritisk för inlärning och minne som kallas hippocampus hade tappat betydande volym. Resultaten, publicerade idag (4 december) i The New England Journal of Medicine, antyder att expeditionerna kan ha missat efter välbehövlig hjärnstimulering genom att leva och arbeta i en isolerad forskningsstation ute på polarisen, med bara en få utvalda personer och i månader i slutet.
Hjärnkrympningen kan också undergräva expeditionernas förmåga att bearbeta känslor och interagera med andra, eftersom hippocampus är "nyckeln" till dessa kognitiva förmågor, medförfattare Alexander Stahn, en rymdmedicinsk forskare vid Charité - Universitätsmedizin Berlin och biträdande professor i medicinsk vetenskap inom psykiatri vid University of Pennsylvania, berättade Live Science i ett e-postmeddelande.
Hjärnförändringarna som ses i Antarktis-teamet ekar liknande observationer gjorda i gnagare, vilket antyder att långvariga perioder med social isolering trubblar hjärnans förmåga att bygga nya neuroner. Att leva i en "monoton" miljö, en plats som sällan förändras och innehåller få intressanta föremål eller rum att utforska, verkar leda till förändringar i gnagarnas hjärnor som liknar dem som ses i expeditionerna, särskilt i hippocampus. Som en av få hjärnregioner för att generera nervceller till vuxen ålder hippocampus kontinuerligt vår neuralkretsar när vi lär oss och få nya minnen, enligt BrainFacts.org.
Även om gnagarhjärnan verkar förlita sig på miljöstimulering för att upprätthålla hippocampus, är mindre känt om effekterna av isolering och monotoni på den mänskliga hjärnan. Stahn och hans medförfattare trodde att en avlägsen forskningsstation vid Sydpolen kan fungera som det perfekta laboratoriet att undersöka. Stahn studerar främst hur hjärnan kan förändras under långvarig rymdresa, men Antarktis tillät honom att undersöka dessa effekter lite närmare hemma, sade han.
"Det kan betraktas som en utmärkt rymdanalog att bedöma effekterna av långvarig isolering och inneslutning," sade han.
Polarforskningsstationen i fråga, kallad Neumayer Station III, står på Ekström Ice Shelf nära Weddell Sea och rymmer nio personer under vintermånaderna, enligt Alfred Wegener Institute, som driver stationen. Byggnaden i sig innehåller de flesta av teamets arbetsytor, gemensamma utrymmen och försörjningsrum, som ligger över den snötäckta ishyllan på 16 hydrauliska stöttor. Omgiven av bitterkall vildmark passar stationen verkligen i läroboksdefinitionen av "isolerat".
Innan expeditionerna gick ner för den antarktiska vintern, skannade Stahn och hans medförfattare subjektens hjärnor via magnetisk resonansavbildning (MRI), som använder ett starkt magnetfält och radiovågor för att fånga strukturella bilder av hjärnan. Av medicinska skäl kunde en av expeditionerna inte genomgå MR, men författarna mätte inre nivåer av ett protein som kallas hjärnan härledd neurotrofisk faktor (BDNF) för alla nio teammedlemmar. BDNF-proteinet stöder tillväxten av nya neuroner och gör det möjligt för de spirande cellerna att överleva; utan BDNF kan hippocampus inte skapa nya neurala anslutningar.
Författarna testade expeditionernas BDNF-nivåer och kognitiva prestanda under hela expeditionen och skannade sina hjärnor igen efter att teamet hade återvänt hem. Forskare gjorde också samma mätningar från nio friska deltagare som inte åkte på expeditionen.
Visst nog tappade expeditionerna mer hippocampal volym och BDNF under sina 14 månader på Sydpolen än gruppen som stannade hemma.
I synnerhet doppade en region i hippocampus, kallad dentate gyrus, avsevärt i de åtta expeditionerna som genomgick MRI. Denna region tjänar som värmeled för neurogenes i hippocampus och registrerar minnen från händelser, enligt BrainFacts.org. I genomsnitt krympte varje expeditionsdentatgyrus med cirka 4% till 10% under sin vistelse på forskningsstationen.
Expeditioner med större volymförlust i dentat-gyrusen presterade också sämre vid tester av rumslig behandling och selektiv uppmärksamhet, jämfört med deras poäng före expeditionen. Andra områden med expeditioners hjärnor verkade också krympa under resan, inklusive flera fläckar i hjärnbarken (det skrynkliga yttre lagret av hjärnan); dessa fläckar var vänster parahippocampal gyrus, höger dorsolateral prefrontal cortex och vänster orbitofrontal cortex.
En fjärdedel av vägen genom expeditionen hade expeditionernas BDNF-nivåer redan sjunkit från sina basnivåer, och de minskade så småningom med i genomsnitt cirka 45%. Dessa nivåer förblev låga även 1,5 månader efter att laget kom hem. Större minskningar av BDNF-nivåer korrelerade med större volymförlust i dentatgyrusen från före expeditionen till därefter, säger studien.
Eftersom deras studie endast inkluderade nio personer, betonade författarna att deras "data bör tolkas med försiktighet." Baserat på enbart sin forskning kan författarna inte bestämma vilka delar av expeditionen som utgjorde social eller miljöberövande, noterade de. Ändå, säger forskarna, antyder resultaten att långvarig isolering kan tappa den mänskliga hjärnan hos BDNF, förändra strukturen i hippocampus och undergräva viktiga kognitiva funktioner som minne.
Forskarna undersöker för närvarande flera möjliga sätt att förebygga denna hjärnkrympning, "som specifika rutiner för fysisk träning och virtuell verklighet för att förstärka sensorisk stimulering," sa Stahn. Teoretiskt, om fynd från gnagareundersökningar gäller hos människor, "berikar" en persons miljö med nya föremål och aktiviteter kan skydda hippocampus från krympning, sade författarna.
