O conceito de Estação Espacial Giratória não é novo pois data da 2ª Guerra Mundial, quando Von Braun, o cientista nazista que criou as bombas voadoras V2 e V3 a propôs (veja vídeo no final da página). Aliás, Von Braun queria até mesmo ir a Lua e definiu todos os conceitos não só de trajetórias balísticos mas como as recursos necessários para viagens espaciais, tanto é que, depois da guerra, ele foi trabalhar no projeto espacial nos EUA, que culminou com o Saturno V e a colocação do homem na Lua. Esse mesmo conceito já foi usado em filmes como 2001 – Uma Odisséia no Espaço e vários outros. Hoje em dia uma fundação existe apenas com esse propósito de criar uma estação espacial rotacional, a Gateway Fundation.
Apesar da experiência adquirida no vôo espacial humano desde o vôo histórico de Yuri Gagarin em 1961, ainda não foi identificada uma contramedida completamente eficaz para mitigar os efeitos da ausência de gravidade nos seres humanos. Se os astronautas embarcassem em uma jornada para Marte hoje, a exposição de seis meses à ausência de peso no caminho os deixaria consideravelmente debilitados, mesmo com a implementação do conjunto de contramedidas em pedaços que atualmente são empregadas. A exposição contínua ou intermitente a estados gravitacionais simulados a bordo da sonda durante a viagem de e para Marte, também conhecida como gravidade artificial, tem o potencial de melhorar a adaptação à gravidade de Marte e a re-adaptação à gravidade da Terra. Muitas funções fisiológicas são afetadas negativamente pelo ambiente sem gravidade dos voos espaciais, porque são calibradas para a gravidade normal da Terra. Portanto, o conceito de gravidade artificial é fornecer uma substituição de amplo espectro para as forças gravitacionais que ocorrem naturalmente na superfície da Terra, evitando assim o descondicionamento fisiológico que ocorre na ausência de peso. Como os pesquisadores há muito se preocupam com os efeitos sensório-motores adversos que ocorrem na ausência de peso e nos ambientes rotativos, um estudo adicional das interações complexas entre os sistemas sensório-motor e outros sistemas fisiológicos em ambientes rotativos deve ser realizado na Terra e no espaço antes que a gravidade artificial possa seja implementado.
Introdução
Os preparativos para missões humanas em Marte em um futuro não muito distante estão em andamento. Como resultado dessas longas missões, os exploradores enfrentarão severos descondicionamentos fisiológicos devido à falta de peso se novas contramedidas mais eficazes não forem desenvolvidas. As experiências espaciais e a experiência de vôo operacional identificaram efeitos prejudiciais à saúde e ao desempenho humano como resultado da exposição à falta de peso, mesmo quando são implementadas contramedidas atualmente disponíveis. Os requisitos para contramedidas eficazes tornam-se mais complexos em função do aumento da duração da missão, juntamente com os diferentes níveis de gravidade, à medida que avançamos da Estação Espacial Internacional para a Lua e para Marte.
Muitos anos de esforço por parte dos engenheiros biomédicos espaciais foram investidos no desenvolvimento de contramedidas para mitigar o descondicionamento fisiológico associado ao prolongamento da ausência de peso. No entanto, durante os primeiros dias após o pouso, a maioria dos astronautas enfrenta problemas de orientação e equilíbrio espacial. Como correm o risco de fraturas ósseas e lesões musculares durante o período de recuperação, eles devem ter um grau adicional de cautela (Clément, 2011). Contramedidas mais eficazes ou combinações de contramedidas devem ser desenvolvidas porque o objetivo de uma missão humana em Marte é fazer mais do que simplesmente sobreviver. O sucesso da missão seria muito comprometido se os astronautas que chegassem a Marte não estivessem em condições de deambular ou desempenhar funções básicas como resultado de uma condição física enfraquecida. Falhas no desempenho sensório-motor durante a pilotagem, atividade extra-veicular ou tarefas de orientação remota colocariam a tripulação em risco aumentado. Missões humanas de longa duração, como ir a Marte, não podem ser seriamente consideradas até que os problemas associados à exposição à falta de peso sejam resolvidos com sucesso.
Várias contramedidas diferentes, geralmente direcionadas à estimulação de um sistema fisiológico específico, têm sido empregadas na tentativa de mitigar os efeitos da exposição humana à ausência de peso (Sawin et al., 1998). Embora para alguns astronautas essas contramedidas sejam ineficientes e onerosas, elas são razoavelmente eficazes contra algumas das perdas cardiovasculares e musculoesqueléticas. No entanto, eles manifestaram eficácia limitada no combate a toda a gama de alterações cognitivas, sensoriais e sensório-motoras que ocorrem durante o vôo espacial.
A gravidade artificial, no contexto dos voos espaciais, é a simulação da gravidade a bordo de uma espaçonave tripulada alcançada pela aceleração linear ou rotação constante de todo ou parte do veículo (Stone, 1973). A gravidade artificial é uma abordagem alternativa para lidar com os problemas dos efeitos induzidos pela falta de peso no corpo humano. Dirigir-se a cada sistema fisiológico individual de maneira fragmentada, que é o modo de operação atual, só é válido se o princípio da superposição se aplicar ao efeito combinado desses subsistemas em interação. Todos os sistemas físicos e fisiológicos são desafiados pela aplicação da gravidade artificial, que estimula esses sistemas simultaneamente, aproximando-se do ambiente gravitacional normal da Terra. Músculos antigravitacionais são ativados, ossos e sistema cardiovascular são estressados, e os otólitos do sistema vestibular são estimulados de maneira semelhante à da Terra (Young et al., 2006; Clément e Bukley, 2007).
É óbvio que a gravidade artificial não pode resolver todos os problemas associados ao vôo espacial de longa duração. Claramente, ele não pode fazer nada pela exposição à radiação, ciclos diurnos alterados e problemas psicológicos que provavelmente surgirão do confinamento e isolamento prolongados. O que ele faz é oferecer uma contramedida com potencial para abordar os problemas debilitantes e potencialmente fatais da perda óssea, descondicionamento cardiovascular, enfraquecimento muscular, distúrbios sensório-motores e neurovestibulares e distúrbios regulatórios. A gravidade artificial pode ser considerada uma contramedida integrada, pois aborda todos esses sistemas (Clément e Pavy-Le Traon, 2004).
Outro fator determinante para a introdução da gravidade artificial pode ser uma contramedida para a diminuição da acuidade visual e trauma ocular observados em tripulantes de longa duração, a chamada deficiência visual devido à síndrome da pressão intracraniana (VIIP). A causa hipotética da PIVI é que a mudança de fluido induzida pela falta de peso é o fator precipitante que leva ao comprometimento da reabsorção do líquido cefalorraquidiano e drenagem venosa do sistema nervoso central (Mader et al., 2011). É possível que intervenções como oclusão venosa de membros e pressão negativa na parte inferior do corpo possam desempenhar um papel preventivo, e estas estão sendo investigadas. No entanto, a gravidade artificial contínua ou intermitente pode ser a contramedida mais eficiente. Por enquanto, não compreendemos completamente todas as ramificações da síndrome VIIP e se ela tem efeitos a longo prazo na função cerebral. No entanto, atualmente a síndrome do VIIP é motivo de grande preocupação para missões de longa duração.
Muitos livros e artigos de revisão foram escritos sobre o tema da gravidade artificial (Stone, 1973; Lackner e DiZio, 2000; Young et al., 2006; Clément e Bukley, 2007; Hall, 2009). O objetivo deste artigo é fornecer uma ampla visão geral de estudos recentes em terra e em voo que se relacionam com os efeitos da gravidade artificial como uma potencial contramedida. Um dos principais problemas associados aos seres humanos em ambientes rotativos é o efeito adverso nas funções sensório-motoras. O sistema vestibular está envolvido na regulação de outros sistemas fisiológicos, incluindo sistemas de mineralização respiratória, cardiovascular, circadiana e até óssea. As respostas fisiológicas desses sistemas à exposição contínua dos seres humanos a algo que não seja a gravidade da Terra e a ausência de peso são desconhecidas. É necessário realizar pesquisas para identificar o nível mínimo, a duração e a frequência do nível de exposição à gravidade artificial necessário para manter as funções fisiológicas normais. Além disso, os limites para a adaptação humana à taxa de rotação, gradiente de gravidade e Coriolis e acelerações de acoplamento cruzado precisam ser revisados.
Rotação do veículo espacial
A lógica para usar a centrifugação é que a força centrífuga resultante fornece um vetor de gravidade aparente durante a rotação em torno de um eixo excêntrico. A força centrífuga produzida pela rotação é uma função do quadrado da taxa angular (?) e do raio (r) de rotação. Por exemplo, um membro da tripulação em pé na borda de um habitat girando a cerca de 4 rpm em torno de um eixo localizado a 56 m experimentaria a sensação de ficar em pé, aproximando-se da mesma experiência que na Terra (Figura 1).
Durante a fase inicial do conceito de viagem espacial humana, os cientistas introduziram a idéia de criar um substituto para a gravidade da Terra usando a centrifugação. Korolev propôs conectar dois módulos Voskhod por uma corda de 300 me girá-los a 1 rpm para produzir 0,16 G (Harford, 1973). Inspirado pelos trabalhos pioneiros de Oberth (1923) e Noordung (1928), von Braun também propôs uma espaçonave com um diâmetro de 76 m de rotação a 3 rpm, cujo resultado seria uma plataforma adequada para expedições a Marte, expondo os ocupantes a 0,3 G (Von Braun, 1953). No mesmo princípio, o toro de Stanford com 1,8 km de raio de O’Neil girando a exatamente 1 rpm gerou gravidade da Terra para os habitantes de uma colônia espacial (O´Neill, 1977).
Quando qualquer movimento linear é tentado em qualquer plano que não seja paralelo ao eixo de rotação, é gerada uma força de Coriolis. Essa é uma desvantagem significativa associada a ambientes rotativos. A força de Coriolis combina-se com a força centrífuga para produzir um vetor de gravidade aparente que difere em magnitude ou em magnitude e direção. Esse vetor pode se manifestar de duas maneiras para um ser humano andando em um ambiente rotativo: (a) aumenta o peso aparente do corpo se movendo na direção da rotação e subtrai o peso aparente quando o corpo está se movendo na direção oposta de movimento; e (b) quando o corpo se move radialmente em direção ao centro de rotação, a força de Coriolis é exercida perpendicularmente ao movimento do corpo na direção da rotação. Quando o corpo está se afastando do centro de rotação, a força é oposta à direção de rotação. Por outro lado, um movimento do corpo paralelo ao eixo de rotação não gera força de Coriolis (Crosbie, 1960; Stone, 1973).
Além disso, qualquer deslocamento angular de todo o corpo ou parte do corpo que não seja paralelo ao eixo de rotação criará acelerações angulares de acoplamento cruzado que induzem a estimulação dos três canais semicirculares do sistema vestibular. Esse movimento em um ambiente estacionário normalmente estimula apenas os canais semicirculares que correspondem ao plano de rotação da cabeça. O mesmo movimento da cabeça em um ambiente rotativo também estimula os canais que estão no plano do ambiente rotativo. A última combinação de estimulação do canal resulta em sensações ilusórias de movimento corporal ou ambiental e possivelmente enjôo (Guedry e Benson, 1978).
Dado que a força centrífuga depende da taxa de rotação e do raio, as mudanças no nível de gravidade artificial podem ser alcançadas aumentando ou diminuindo o raio ou aumentando ou diminuindo a taxa de rotação. O raio da estrutura terá um impacto direto no custo e na complexidade do veículo espacial, enquanto a taxa de rotação influenciará principalmente as respostas fisiológicas e psicológicas da tripulação a bordo. O desenho final será o resultado de um estudo de trade-off entre essas duas opções (Diamandis, 1997).
Os resultados de estudos com seres humanos que vivem em salas de rotação lenta na década de 1960 (Graybiel et al., 1960, 1965, 1969; Kennedy e Graybiel, 1962; Guedry et al., 1964) sugeriram que o sistema aceitável mais leve para fornecer equipamentos “confortáveis” a gravidade artificial usando uma espaçonave em rotação seria uma rotação a 6 rpm em um raio que varia de 12 a 24 m, de modo a criar um nível de gravidade artificial que varia de 0,3 G a 1 G (Stone e Letko, 1965; Figura 2). Esses limites teóricos às taxas de rotação e raios foram baseados em observações casuais de humanos andando, subindo, movendo objetos e realizando movimentos nominais da cabeça em uma centrífuga de grande raio. Essas suposições foram amplamente adotadas pelo valor nominal como corretas, mas precisam ser validadas por evidências experimentais. Dados mais recentes sugerem que os limites de adaptação dos seres humanos ao ambiente rotativo são muito maiores do que os estudos anteriores haviam previsto. Por exemplo, observou-se que indivíduos em um ambiente rotativo podiam tolerar uma taxa de rotação de até 10 rpm, desde que a exposição fosse progressiva (Graybiel et al., 1965) ou até 23 rpm após a habituação de sintomas de enjoo (Young et al., 2001).
Graybiel et al. (1977) observaram que quando os astronautas faziam movimentos voluntários da cabeça enquanto eram passivamente girados em uma cadeira rotativa a bordo da estação espacial Skylab, eles não experimentavam mais enjoo de movimento ou desorientação espacial após 1 semana em órbita. Experimentos de voo parabólico indicaram que “a gravidade dos efeitos colaterais das forças de Coriolis durante os movimentos da cabeça depende da força gravitacional, aumentando a possibilidade de que um nível de gravidade artificial menor que 1 G reduza a doença de movimento associada a uma determinada taxa de rotação” (Lackner e DiZio, 2000). Os efeitos indutores de náuseas de Coriolis e acelerações de acoplamento cruzado também podem ser mitigados restringindo o movimento da cabeça durante a centrifugação. Os limites empiricamente determinados para a taxa de rotação e os raios propostos nos anos 60 para os seres humanos se adaptarem a um ambiente rotativo, portanto, parecem excessivamente conservadores. Esses limites foram obtidos por experimentação sob condições limitadas específicas. Experimentos adicionais sob condições mais extremas podem permitir a extensão desses limites. Claramente, mais pesquisas são garantidas.
Centrifugação de raio curto
Uma espaçonave rotativa apresenta sérios desafios de projeto, operacionais e financeiros. Na prática, é altamente provável que os humanos não exijam gravidade (ou fração dela) por 24 horas por dia, 7 dias por semana, para permanecerem saudáveis. Uma nave espacial em rotação contínua não seria necessária se a gravidade intermitente provar ser suficiente. Uma centrífuga de raio curto com classificação humana apresenta uma oportunidade realista de curto prazo para fornecer gravidade artificial intermitente.
Uma centrífuga com classificação humana projetada para estudar respostas vestibulares a acelerações lineares em órbita voou a bordo da missão Space Shuttle Neurolab (STS-90) em 1998. Esse experimento foi a primeira e única avaliação em vôo da gravidade artificial em astronautas. Os resultados deste experimento sugeriram que a força centrífuga de 0,5 G e 1 G ao longo do eixo longitudinal e transversal dos sujeitos, respectivamente, foi bem tolerada pela tripulação (Clément et al., 2001). Para os astronautas que usavam a centrífuga por 20 minutos todos os dias durante uma missão espacial de 16 dias, o descondicionamento cardiovascular era reduzido (Moore et al., 2005).
Uma centrífuga movida a humanos que acopla exercícios com gravidade artificial é uma abordagem interessante e nova. O exercício foi introduzido como uma contramedida nos dias do programa Gemini, por meio de engenhosos dispositivos elásticos, pneumáticos, mecânicos, hidráulicos e elétricos. Os tripulantes são mantidos “abaixados” usando um cinto de segurança preso à bicicleta ergométrica ou à esteira. Os dispositivos elásticos apenas efetivamente criam força, não aceleração sustentada. Vários projetos foram propostos para o exercício durante a centrifugação, como a “Twin Bike” da Universidade de Udine (Antonutto et al., 1993; di Prampero, 2000), o “Ciclo Espacial” da Universidade da Califórnia em Irvine (Caiozzo et al., 2004) e a centrífuga movida a humanos do NASA Ames Research Center (Greenleaf et al., 1996). A suposição é que o exercício sob tais forças inerciais aumentaria o tempo de exercício necessário para manter a saúde e a aptidão no espaço. Se os resultados dos testes forem positivos e a quantidade de exercício for realmente reduzida por centrifugação, esses dispositivos serão bons candidatos para contramedidas de missão de longa duração.
Em uma centrífuga de raio curto, os sujeitos geralmente ficam em decúbito dorsal, com a cabeça próxima ao eixo de rotação e os pés voltados para fora. Durante a centrifugação no espaço, o sujeito é exposto apenas à força centrífuga ao longo de seu eixo longitudinal do corpo, conhecido como gravidade artificial. No entanto, durante a centrifugação na Terra, a força centrífuga combina-se com a força gravitacional, resultando na chamada força gravito-inercial, que é maior em magnitude do que a própria força centrífuga e inclinada em relação ao eixo longitudinal do corpo (Figura 3) .
Além disso, em uma centrífuga de raio curto, há uma diferença notável na magnitude da força centrífuga na cabeça do sujeito e nos pés. O gradiente de gravidade é a variação do nível de gravidade artificial em função da distância do centro de rotação. O gradiente de gravidade também afeta a pressão hidrostática ao longo do eixo longitudinal do corpo. A pressão hidrostática influencia a circulação sanguínea na cabeça e nas extremidades inferiores e, portanto, afeta o funcionamento do sistema cardiovascular. Não se sabe se o gradiente de gravidade tem alguma influência crítica nos sistemas cardiovascular e neurovestibular.
A força de Coriolis é proporcional à velocidade linear do movimento transmitido, à massa do objeto em movimento e à taxa de rotação do ambiente em rotação. É importante observar que a magnitude da força de Coriolis não depende do raio do ambiente rotativo. A força de Coriolis está, portanto, igualmente presente nas centrífugas de raio curto e longo. Para um determinado nível de força centrífuga, a taxa de rotação de uma centrífuga de raio curto a bordo deve ser maior que a de uma espaçonave em rotação, para que o movimento do corpo resulte em maior força Coriolis. No entanto, os movimentos de cabeça, corpo e membros dos membros da tripulação serão mais restritos, portanto, os limites de conforto da tripulação durante a centrifugação de raio curto devem ser reavaliados.
Atualmente desconhecida e logisticamente difícil de determinar, é a “prescrição” ideal de quanta aceleração / gravidade é necessária para manter a saúde normal e por quanto tempo. A solução ideal é, obviamente, uma espaçonave rotativa que fornece uma aceleração constante de 1 G. No caso de centrifugação intermitente usando uma centrífuga de raio curto a bordo, é necessário um programa de pesquisa para identificar os níveis de gravidade necessários para mitigar o descondicionamento dos sistemas fisiológicos, determinar como essas cargas devem ser aplicadas (por exemplo, duração, frequência, tempo). do dia) e fornecer protocolos para minimizar ou eliminar efeitos colaterais indesejáveis. A gravidade artificial também deve ser integrada a outras contramedidas, como exercícios, treinamento sensório-motor e prescrições farmacológicas para otimizar a saúde da tripulação.
Um método para avaliar os efeitos de diferentes níveis ou duração da carga gravitacional nos sistemas fisiológicos é testar se a centrifugação intermitente de raio curto pode superar o descondicionamento do repouso no leito. Nestas investigações, as respostas fisiológicas medidas apenas durante o repouso no leito são comparadas com as mesmas respostas fisiológicas durante o repouso e a centrifugação intermitente. O pressuposto é que as diferenças observadas entre as respostas nas duas condições são devidas às forças da rede que agem ao longo do eixo longitudinal do corpo (Figura 4).
Um total de 19 estudos foram realizados avaliando a eficácia da centrifugação de rádio curto, fornecendo 1–2 G no coração durante o repouso no leito ou intervenções de imersão a seco com duração de 3 a 28 dias. Os resultados desses estudos mostraram que a centrifugação intermitente com e sem exercício aeróbico concomitante durante repouso contínuo no leito: (a) atenuação da perda de volume plasmático (Lee et al., 1997; Iwasaki et al., 1998, 2001, 2005); (b) manutenção da capacidade de exercício (Katayama et al., 2004); (c) melhor tempo de tolerância ortostática pós-repouso (Schneider et al., 2002; Iwase, 2005; Watenpaugh et al., 2007; Guinet et al., 2009; Shibata et al., 2010; Linnarsson et al., 2015 ); e (d) reduziu as respostas exageradas à inclinação da cabeça para cima após o repouso no leito, como freqüência cardíaca elevada e aumento da atividade do nervo simpático muscular (Iwasaki et al., 2005).
Poucos estudos sobre repouso no leito e centrifugação de raio curto compararam as alterações ósseas e musculares. Smith et al. (2009) não encontraram diferenças significativas na densidade mineral óssea durante a centrifugação em comparação aos controles. No entanto, este estudo durou apenas 21 dias, enquanto os estudos tradicionais de contramedida demonstrando alterações ósseas durante o repouso no leito tiveram uma duração muito maior; por exemplo, 30 dias (Zwart et al., 2007) a 117 dias (Shackelford et al., 2004). No entanto, investigações recentes em repouso no leito de 5 dias mostraram uma diminuição nos níveis séricos de marcadores para formação óssea (CD200) e um aumento nos níveis séricos de marcadores para reabsorção óssea (CD200R1) em indivíduos controle. Em indivíduos submetidos a 30 min de centrifugação por dia, as alterações nos níveis de marcadores para homeostase óssea observadas em condições de repouso no leito foram atenuadas, sugerindo que a centrifugação é uma contramedida promissora para a perda óssea (Kos et al., 2014).
Nenhum estudo de repouso no leito combinado com centrifugação intermitente examinou a integridade estrutural das fibras musculares (isto é, CSA e distribuição por tipo de fibra) após o descondicionamento, embora este teste tenha sido realizado em muitos dos estudos tradicionais de contramedida. Futuros estudos de gravidade artificial sobre o descondicionamento muscular esquelético devem, portanto, focar na análise de parâmetros musculares globais, como volume e resistência muscular, mas também fibras musculares individuais por tipo de fibra.
Em relação ao desempenho sensório-motor, estudos recentes mostraram que, após repouso prolongado no leito, os indivíduos exibem alterações significativas no reflexo de alongamento monossináptico e na mobilidade funcional avaliada pelo tempo que leva para os indivíduos concluírem uma pista de obstáculos (Reschke et al., 2009). No entanto, não houve efeitos significativos do repouso no leito sobre o reflexo funcional do alongamento e sobre os parâmetros de controle do equilíbrio associados à posturografia dinâmica computadorizada (Reschke et al., 2009). O funcionamento cognitivo, avaliado por uma bateria auto-administrada de testes usados ??na Estação Espacial Internacional, não parece ser afetado negativamente pelo repouso prolongado na cama de cabeça para baixo (Seaton et al., 2009). Foi proposto que o descarregamento do corpo do repouso de longa duração com a cabeça para baixo pode servir como um análogo exclusivo para diferenciar alterações proprioceptivas e somatossensitivas das alterações graviceptoras no comportamento sensório-motor pós-voo espacial (Reschke et al., 2009). Um estudo de 21 dias em repouso, comparando os efeitos neurovestibulares após o repouso, não mostrou diferença no controle do equilíbrio e na rotação ocular, independentemente de a centrifugação intermitente ter sido usada ou não (Jarchow e Young, 2010). No mesmo estudo, o erro na vertical visual subjetiva foi significativamente diferente de zero no grupo centrifugado e não diferente no grupo controle; no entanto, esse efeito teve vida curta (Moore et al., 2010).
Os investigadores também testaram se a posição intermitente em pé ou uma combinação de exercícios de elevação do calcanhar, agachamento e salto foram suficientes para evitar alterações no equilíbrio e na marcha após um repouso na cama de 5 dias. Um estudo de projeto cruzado foi realizado com 10 indivíduos do sexo masculino durante 6 ° de inclinação da cabeça para baixo: (a) sem contramedida; (b) em pé 25 minutos por dia; (c) durante atividades do tipo locomoção, 25 minutos por dia. A marcha foi avaliada pela classificação do desempenho dos sujeitos durante várias tarefas de locomoção. Os escores de equilíbrio foram derivados da oscilação ântero-posterior pico-a-pico em pé sobre uma almofada de espuma com os olhos abertos ou fechados ou ao fazer movimentos de cabeça inclinada. Quando nenhuma contramedida foi usada, os movimentos da cabeça levaram à diminuição da estabilidade postural e ao aumento da incidência de quedas imediatamente após o repouso, em comparação com o anterior. Quando exercícios eretos ou semelhantes a locomoção foram utilizados, a estabilidade postural e a incidência de quedas não foram significativamente diferentes da linha de base após o repouso no leito. Esses resultados indicam que períodos diários de 25 minutos de exercícios em pé ou semelhantes a locomoção são úteis contra a instabilidade postural após um repouso de 5 dias. A eficácia dessas contramedidas na locomoção não pôde ser avaliada, no entanto, porque a marcha não foi alterada após um descanso de cinco dias na cama (Mulder et al., 2014).
Os resultados de estudos usando cadeiras rotativas em órbita sugerem que o limiar para a percepção humana da verticalidade está entre 0,22 G e 0,5 G (Arrott et al., 1990; Benson et al., 1997; Clément et al., 2001). No entanto, em algumas investigações, a cabeça do sujeito estava no centro, enquanto em outros estudos, fora do centro, do mesmo lado dos pés ou do lado oposto (Clément e Reschke, 2008). Estudos recentes confirmaram que o limiar para a percepção da verticalidade no voo parabólico também é compreendido entre 0,16 G e 0,38 G (de Winkel et al., 2012; Harris et al., 2014). É interessante notar que esse limiar é muito superior ao limiar para a percepção de aceleração linear, que varia de 0,005 G a 0,02 G, dependendo do eixo do movimento (Benson et al., 1986).
A percepção da verticalidade também depende do sujeito. Um estudo recente no solo (Clément et al., 2014) tentou determinar os parâmetros de rotação de uma centrífuga de raio curto para que os indivíduos no escuro se sentissem como se estivessem em pé. Os resultados mostraram que cerca de metade dos indivíduos parecia vertical quando a centrifugação provocou 1 G no centro de massa ao longo do eixo longitudinal do corpo, enquanto a outra metade sentiu que estava vertical quando experimentou cerca de 1 G no nível da orelha. Os batimentos cardíacos variaram com a percepção de verticalidade dos sujeitos. Esses resultados sugerem que um grupo de indivíduos estava confiando principalmente nos órgãos otólitos para a percepção da verticalidade, enquanto o outro grupo também confiava em receptores somatossensoriais extra-vestibulares. A percepção de verticalidade do tripulante pode, portanto, ser um fator a ser levado em consideração na prescrição de gravidade artificial durante o vôo espacial.
Simuladores parciais de gravidade
Outro método para simular a gravidade parcial na Terra é através do uso de técnicas de inclinação ou suspensão do corpo. Por exemplo, uma inclinação de 9,5 ° na cabeça resulta em uma força de 0,16 G ao longo do eixo longitudinal do corpo, simulando a gravidade lunar; uma inclinação de 22,3 ° resulta em uma força de 0,38 G ao longo do eixo longitudinal do corpo, simulando a gravidade marciana (Figura 5). O princípio observado acima para comparar as alterações nas respostas fisiológicas entre a centrifugação intermitente e o repouso no leito (ver Figura 4) pode ser aplicado para comparar as alterações entre a inclinação estática do corpo e o repouso no leito. Um estudo anterior usou uma inclinação de 9,5 ° na cabeça durante o repouso para simular uma missão lunar. Os sujeitos foram colocados em inclinação de 6 ° de cabeça para baixo por 4 dias para simular a microgravidade durante a viagem à Lua, depois em 9,5 ° de inclinação de cabeça para cima por 6 dias para simular os efeitos da gravidade da Lua (0,16 G) e novamente em 6 ° inclinação para baixo por 4 dias para simular a viagem de volta. O exercício muscular foi realizado durante o período de inclinação da cabeça para cima para simular 6 h de EVA lunar. Os resultados mostraram que as respostas hormonais e aos fluidos corporais não foram diferentes entre esta missão simulada e um descanso de cama com inclinação de cabeça para baixo durante 14 dias ou um voo espacial de 14 dias (Pavy-Le Traon et al., 1997). Esses resultados indicam que a gravidade da Lua não é eficaz para prevenir o descondicionamento cardiovascular após o vôo espacial. Não se sabe se a gravidade de Marte é eficaz ou não.
Os sujeitos nessas simulações anteriores não tinham peso e, portanto, esses protocolos não forneciam um análogo para a carga no sistema músculo-esquelético. Cavanagh et al. (2013) propuseram um novo analógico que incluía a capacidade de simular em pé e sentado em um ambiente de carregamento lunar. No projeto proposto, o leito inclinado de 9,5 ° com cabeça para cima é montado em seis mancais lineares e é livre para viajar com um grau de liberdade ao longo dos trilhos, permitindo assim uma carga de aproximadamente 16% em peso dos pés em pé. Eles demonstraram que as forças de reação nos pés durante os períodos em pé eram uma simulação razoável da posição lunar e que a sessão “lunar” também poderia ser simulada com sucesso. De fato, durante um teste de 6 dias, eles mediram mudanças significativas no volume dos músculos quadríceps.
Um ambiente de gravidade parcial também pode ser simulado descarregando uma parte do peso de um sujeito usando técnicas de suspensão. Os sujeitos estão na posição vertical ou deitados de um lado. Os sistemas de suspensão suspensa são usados ??para descarregar parcial ou totalmente as pernas do sujeito por meio de cabos, molas e um chicote de bicicleta. Essa configuração simples fornece uma simulação satisfatória de um ambiente de gravidade parcial nas extremidades inferiores. No entanto, a força de elevação não vertical que ocorre durante a locomoção e o desconforto do arnês são as principais desvantagens do sistema. Além disso, embora o sujeito experimente menos peso, a força de 1 G ainda está atuando em seu sistema vestibular e órgãos internos.
O simulador de gravidade parcial do MIT, também conhecido como Moonwalker, é capaz de simular uma gravidade parcial tão baixa quanto 0,05 G (Figura 6A). Um estudo recente testou 12 indivíduos saudáveis ??antes e depois da simulação da gravidade marciana (0,38 G) para determinar os efeitos da adaptação parcial da gravidade no desempenho da marcha. Os resultados mostraram que os indivíduos andavam com uma marcha alterada caracterizada por um aumento no centro descendente de aceleração da massa, atividade muscular reduzida e aumento dos ângulos articulares máximos após a simulação da gravidade marciana (Wu, 1999).
Recentemente, foi introduzida uma esteira com pressão positiva mais baixa (LBPP), que oferece a capacidade de estudar a dinâmica da marcha durante a descarga do peso corporal. Enquanto estão na esteira, os participantes usam um par de shorts de neoprene com uma saia no estilo caiaque que se fecha em uma câmara de ar, criando uma vedação hermética. Quando a câmara de ar infla, há um aumento na pressão do ar ao redor da parte inferior do corpo, que eleva o sujeito para cima nos quadris (Figura 6B), reduzindo efetivamente as forças gravitacionais nos pés. A redução no peso corporal aparente pode variar de 1 a 80%. Em comparação com um sistema de suspensão, a pressão do ar é aplicada uniformemente sobre a parte inferior do corpo no LBPP, reduzindo assim a formação de pontos de pressão comuns em sistemas baseados em arnês, mantendo a ativação muscular normal e padrões de marcha (Takacs et al., 2013).
Outra configuração de suspensão tem os sujeitos suspensos horizontalmente e permite “andar na parede” de uma plataforma rotativa (Figura 6C). A inclinação da passarela determina a magnitude da força ao longo do eixo corporal longitudinal do sujeito. Estudos realizados com este engenhoso sistema no Centro de Pesquisa Langley da NASA na década de 1960 mostraram que os sujeitos estavam confortáveis ??andando, correndo e pulando em níveis de gravidade simulados variando de 0,16 a 0,3 G. Em níveis acima de 0,3 G, os sujeitos relataram “sensações de perna e peso corporal ”, que se tornou bastante perturbador a 0,5 G (Letko e Spady, 1970).
Um estudo recente mostrou que a pressão negativa da parte inferior do corpo combinada com a caminhada em uma esteira horizontal por 40 min por dia forneceu cargas axiais corporais longitudinais suficientes para evitar o descondicionamento da coluna lombar após um repouso de 28 dias, pois essa combinação produziu uma força equivalente a um peso corporal na direção cabeça-pé por um período de tempo suficiente (Macias et al., 2007).
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Para ajudar a informar a decisão final sobre a realização de rotação contínua de todo o veículo espacial ou a exposição intermitente do tripulante à centrifugação de raio curto, os limites da adaptação humana em um ambiente rotativo devem ser revistos. Precisamos identificar os intervalos aceitáveis ??e / ou ótimos para o raio e a taxa de rotação, para evitar consequências inaceitáveis ??à saúde e ao desempenho da equipe. Para aplicações intermitentes, precisamos identificar qual nível, duração, frequência e hora do dia de exposição à gravidade artificial são ideais. Também precisamos investigar as respostas fisiológicas às transições entre a gravidade artificial, a microgravidade e a gravidade da Lua ou de Marte, porque esses estudos seriam úteis para avaliar se é possível a dupla adaptação a um ambiente rotativo e não rotativo.
As agências espaciais estão trabalhando em um programa global de pesquisa sobre gravidade artificial que aproveitaria as instalações disponíveis em todo o mundo (por exemplo, centrífugas de raio curto e longo, salas de rotação lenta, instalações para imersão em repouso / seco, sistemas de suspensão, etc.) e integrar estudos sobre modelos humanos, animais e celulares. A padronização das medidas realizadas antes e depois de cada intervenção por gravidade artificial permitirá uma avaliação mais compatível entre vários estudos. As medições biomédicas se concentrarão na validação de contramedidas, eventos médicos e aceitação e conforto do sujeito.
Em relação ao desempenho sensório-motor, os projetos de gravidade artificial que podem ser realizados em um futuro próximo incluem: (a) testar mais valores de nível de gravidade ao longo de Gz na faixa de microgravidade a 1 G, usando os métodos descritos acima, para chegar razoavelmente a conclusões sobre o limiar, resposta estímulo ideal e saturação para os efeitos da centrifugação no desempenho sensório-motor; (b) testar os efeitos dos níveis de gravidade superiores a 1 G para avaliar se o aumento da intensidade do estímulo Gz realmente reduz o tempo de exposição necessário; (c) compare se a exposição à centrifugação por períodos curtos e intermitentes em uma ou várias sessões é tão benéfica quanto a exposição contínua à gravidade da Terra; (d) investigar se a centrifugação de Gz reduz a pressão intracraniana e possivelmente mitiga a síndrome de VIIP; (e) avaliar se a centrifugação pode mitigar a diminuição no desempenho pós-vôo, estudando o efeito da centrifugação nas tarefas cognitivas e funcionais; e (f) avaliar os efeitos do gradiente de gravidade na orientação espacial comparando as respostas em indivíduos colocados a várias distâncias do eixo de rotação em uma centrífuga de raio longo.
Conclusão
Embora estudos baseados no solo tenham o potencial de determinar uma prescrição sonora da gravidade artificial, a validação desses estudos só pode ser realizada no espaço. Nenhuma centrífuga com classificação humana que foi construída especificamente para combater o descondicionamento cardiovascular e musculoesquelético voou no espaço até o momento. Algumas informações podem ser obtidas em estudos usando modelos animais, comparando as possíveis diferenças entre os efeitos de uma prescrição de gravidade artificial durante a centrifugação na Terra e no espaço. No entanto, questões como quais são os impactos da centrifugação dentro de um veículo espacial no nível de vibração, enjôo ou tempo da tripulação precisam ser abordadas pelo uso de uma centrífuga com classificação humana. Os efeitos a curto prazo da centrifugação podem ser avaliados através do estudo de alterações em biomarcadores ou expressões gênicas. Quaisquer resultados positivos desta centrífuga espacial também proporcionariam o ímpeto para futuras pesquisas terrestres.
Publicado em 11/12/2019
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