Assessment of Human External Respiration Parameters in Simulated Lunar Gravity and Microgravity

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper presents main results of experiments devoted to studying the influence of simulated microgravity and lunar gravity on the function of external respiration in humans. It has been shown that influence of human exposure to head-down bed rest (a model of the physiological effects of microgravity) and head-up bed rest (a model of the physiological effects of lunar gravity), similar to the influence of a horizontal position (bed rest), leads to a clinically insignificant decrease in the main respiratory parameters in the first hours of these analogue ground-based investigations. Subsequently, during hypokinesia, the marked changes are gradually levelled out. After cessation of experimental exposures, parameters of external respiration function are at the level of background values.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. A. Puchkova

Institute of Biomedical Problems of the RAS

Author for correspondence.
Email: alina.a.puchkova@gmail.com
Russian Federation, Moscow

V. P. Katuntsev

Institute of Biomedical Problems of the RAS

Email: alina.a.puchkova@gmail.com
Russian Federation, Moscow

A. V. Shpakov

Institute of Biomedical Problems of the RAS

Email: alina.a.puchkova@gmail.com
Russian Federation, Moscow

D. M. Stavrovskaya

Institute of Biomedical Problems of the RAS

Email: alina.a.puchkova@gmail.com
Russian Federation, Moscow

G. K. Primachenko

Institute of Biomedical Problems of the RAS

Email: alina.a.puchkova@gmail.com
Russian Federation, Moscow

V. M. Baranov

Institute of Biomedical Problems of the RAS

Email: alina.a.puchkova@gmail.com
Russian Federation, Moscow

References

  1. Krittanawong C., Singh N.K., Scheuring R.A. et al. Human health during space travel: state-of-the-art review // Cells. 2023. V. 12. № 1. P. 40.
  2. Tomsia M., Cieśla J., Śmieszek J. et al. Long-term space missions’ effects on the human organism: what we do know and what requires further research // Front. Physiol. 2024. V. 15. P. 1284644.
  3. Ghani F., Cheung I., Phillips A. et al. Lung volume, capacity and shape in microgravity: A systematic review and meta-analysis // Acta Astronautica. 2023. V. 212. P. 424.
  4. Prisk G.K. Microgravity and the respiratory system // Eur. Respire. J. 2014. V. 43. № 5. P. 1459.
  5. Prisk G.K. Pulmonary challenges of prolonged journeys to space: taking your lungs to the moon // Med. J. Aust. 2019. V. 211. № 6. P. 271.
  6. Baranov V.M. [Evolution of views on physiology of breathing in microgravity] // Aviakosm. Ekolog. Med. 2023. V. 57. № 5. P. 20.
  7. Donina Zh.A. Intersystem relationship between respiration and blood circulation // Human Physiology. 2011. V. 37. № 2. P. 229.
  8. Baranov V.M., Katuntsev V.P., Baranov M.V. et al. [Challenges to space medicine in human exploration of the Moon: risks, adaptation, health, performance] // Ulyanovskiy Mediko-Biologicheski Zhurnal. 2018. № 3. P. 109.
  9. Baranov M.V., Katuntsev V.P., Shpakov A.V., Baranov V.M. A method of ground simulation of physiological effects of hypogravity on humans // Bull. Exp. Biol. Med. 2016. V. 160. № 3. P. 401.
  10. Grigoriev A.I., Kozlovskaya I.B. One-year antiorthostatic hypokinesia (ANOG) – physiological model of interplanetary space flight. Moscow: RAS, 2018. 288 p.
  11. Hargens A.R., Vico L. Long-duration bed rest as an analog to microgravity // J. Appl. Physiol. 2016. V. 120. № 8. P. 891.
  12. Kozlovskaja I.B., Jarmanova E.N., Egorov A.D. et al. [Development of a Russian system for preventing the adverse effects of weightlessness during long flights to the ISS] // Mezhdunarodnaja kosmicheskaja stancija. Rossijskij segment. Moscow: RAS, 2011. V. 1. P. 63.
  13. Kameneva M.Yu., Cherniak A.V., Aisanov Z.R. et al. [Spirometry: national guidelines for the testing and interpretation of results] // Pulmonologiya. 2023. V. 33. № 3. P. 307.
  14. Malaeva V.V., Korenbaum V.I., Pochekutova I.A. et al. [Acoustical evaluation of human lung function during simulation of physiological effects of microgravity and lunar gravity] // Extreme Medicine. 2016. V. 55. № 1. P. 40.
  15. Segizbaeva M.O., Donina Zh.A., Aleksandrov V.G., Aleksandrova N.P. The mechanisms of compensatory responses of the respiratory system to simulated central hypervolemia in normal subjects // Adv. Exp. Med. Biol. 2015. V. 858. P. 9.
  16. Donina Zh.A., Baranov V.M., Aleksandrova N.P., Nozdrachev A.D. [Respiration and hemodynamics in modeling the physiological effects of weightlessness]. St. Petersburg: Nauka, 2013. 182 p.
  17. Katz S., Arish N., Rokach A. et al. The effect of body position on pulmonary function: a systematic review // BMC Pulm. Med. 2018. V. 18. P. 159.
  18. Yadollahi A., Singh B., Bradley T.D. Investigating the dynamics of supine fluid redistribution within multiple body segments between men and women // Ann. Biomed. Eng. 2015. V. 43. № 9. P. 2131.
  19. Yamada Y., Yamada M., Yokoyama Y. et al. Differences in lung and lobe volumes between supine and standing positions scanned with conventional and newly developed 320-detector-row upright CT: intra-individual comparison // Respiration. 2020. V. 99. № 7. P. 598.
  20. Yamada Y., Yamada M., Chubachi S. et al. Comparison of inspiratory and expiratory airway volumes and luminal areas among standing, sitting, and supine positions using upright and conventional CT // Sci. Rep. 2022. V. 12. № 1. P. 21315.
  21. Segizbaeva M.O., Pogodin M.A., Lavrova I.N. et al. The influence of antiorthostatic effects on respiratory parameters and functional activity of human inspiratory muscles // Human Physiology. 2011. V. 37. № 2. P. 171.
  22. Grigoriev A.I., Larina I.M. [Water-salt metabolism and functions of the kidneys in humans under continuous hypokinesia] // Nefrologiya. 2001. V. 5. № 3. P. 7.
  23. Noskov V.B. Adaptation of water-electrolyte metabolism to space flight and its imitation // Human Physiology. 2013. V. 39. № 5. P. 551.
  24. Montgomery L.D. Body volume changes during simulated microgravity. II: Comparison of horizontal and head-down bed rest // Aviat. Space Environ. Med. 1993. V. 64. № 10. P. 899.
  25. Whittle R.S., Keller N., Hall E.A. et al. Gravitational dose-response curves for acute cardiovascular hemodynamics and autonomic responses in a tilt paradigm // J. Am. Heart Assoc. 2022. V. 11. № 14. P. e024175.
  26. Pablo A.S., Jacob B.L., Jacquelyn C.K. et al. Effects of exercise training on pulmonary function in adults with chronic lung disease: a meta-analysis of randomized controlled trials // Arch. Phys. Med. Rehabil. 2018. V. 99. № 12. P. 2561.
  27. Arbeille P., Provost R., Zuj K., Vincent N. Measurements of jugular, portal, femoral, and calf vein cross-sectional area for the assessment of venous blood redistribution with long duration spaceflight (Vessel Imaging Experiment) // Eur. J. Appl. Physiol. 2015. V. 115. № 10. P. 2099.
  28. Norsk P. Adaptation of the cardiovascular system to weightlessness: Surprises, paradoxes and implications for deep space missions // Acta Physiol. 2020. V. 228. № 3. P. e13434.
  29. Elliott A.R., Prisk G.K., Guy H.J., West J.B. Lung volumes during sustained microgravity on Spacelab SLS-1 // J. Appl. Physiol. 1994. V. 77. № 4. P. 2005.
  30. Elliott A.R., Prisk G.K., Guy H.J. et al. Forced expirations and maximum expiratory flow-volume curves during sustained microgravity on SLS-1 // J. Appl. Physiol. 1996. V. 81. № 1. P. 33.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Relative changes in the main spirometric parameters obtained after 7 h of orthostatic (OH), anti-orthostatic (ANOG) and horizontal hypokinesia (HH) exposure. Bold font indicates the parameters GEF, FGEF, and SPEF1, the change of which after 7 h of experimental exposure reached the level of reliability (p < 0.05) compared to the background values in all three experimental models

Download (109KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».