MODULATION OF HUMAN ADAPTATION PROCESSES TO WEIGHTLESSNESS CONDITIONS BY ARTIFICIAL REPRODUCTION OF WEIGHT LOAD EFFECTS IN SPACE FLIGHT

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

At present, the mechanisms of human adaptation to the action of weightlessness, which humans, as a biological species, have encountered only recently, continue to be intensively studied. Understanding the mechanisms of human adaptation to weightlessness allows us to propose ways of modulating this process with preservation of useful adaptive reactions against the background of suppression of negative syndromes characteristic of space flight and inhibition of mechanisms preventing favorable functioning of physiological systems after returning to the conditions of gravity. One of the integral components of the system of countermeasure of the negative influence of weightlessness is artificial reproduction of the effects of gravity, i.e. imitation of the impact on the human body of the weight load characteristic of the Earth conditions. The article considers the role of artificial reproduction of the effects of the weight load corresponding in value to the weight of the human body before the space flight. The article tests the hypothesis about the possibility of modulation of adaptation processes to weightlessness conditions by providing the necessary sensory inflow to the receptors of gravity-dependent physiological systems and its influence on the processes of re-adaptation to Earth conditions. The “weight” loading used during the flight was analyzed, as well as the data of pre-flight, flight and post-flight tests on the performance of 10 cosmonauts who performed long space flights with an average duration of 173 ± 33 days. It is shown that regular reproduction of the effects of weight load corresponding to the human body mass on Earth allows to modulate the process of human adaptation to weightlessness.

About the authors

E. V. Fomina

Institute of Biomedical Problems, RAS

Email: fomin-fomin@yandex.ru
Moscow, Russia

N. A. Senatorova

Institute of Biomedical Problems, RAS

Email: fomin-fomin@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, Russia

P. V. Romanov

Institute of Biomedical Problems, RAS

Email: fomin-fomin@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, Russia

D. R. Babich

Institute of Biomedical Problems, RAS

Author for correspondence.
Email: fomin-fomin@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, Russia

References

  1. Gunga H.C. Human physiology in extreme environments. Academic Press. London, 2020. 349 p.
  2. Ajdaraliev A.A., Maksimov A.L. [Human adaptation to extreme conditions: Forecasting experience]. Sankt-Peterburg: «Nauka», 1988. 126 p.
  3. Oppedizano M., Luidzhievich D., Artyuh L.Yu. [Human adaptation to extreme conditions of activity. Physiological mechanisms (structural trace of adaptation)] // Forcipe. 2021. V. 4. № 4. P. 18.
  4. Medvedev D.V., Suslina I. [Physiological factors conditioning human physical efficiency at different stages of adaptation for the muscle activity] // Fundament. Res. 2012. № 9–4. P. 820.
  5. 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.
  6. Trudel G., Shahin N., Ramsay T. et al. Hemolysis contributes to anemia during long-duration space flight // Nat. Med. 2022. V. 28. № 1. P. 59.
  7. Scott J.M., Stoudemire J., Dolan L., Downs M. Leveraging spaceflight to advance cardiovascular research on earth // Circulat. Res. 2022. V. 130. № 6. P. 942.
  8. Grigor’ev A., Orlov O., Baranov V. Space medicine: Scientific foundations, achievements, and challenges // Her. Russ. Acad. Sci. 2021. V. 91. № 6. P. 626.
  9. Stavnichuk M., Mikolajewicz N., Corlett T. et al. A systematic review and meta-analysis of bone loss in space travelers // NPJ Microgravity. 2020. V. 6. № 1. P. 13.
  10. Tverdokhlib V.P., Tverdokhlib D.V., Mitinsky G.M. et al. [General adaptation mechanisms and prevention determine the health of a healthy person] // Hum. Sport. Med. 2006. № 3–1. P. 99.
  11. Naumov I.A., Kornilova L.N., Glukhikh D.O. et al. The effect of afferentation of various sensory systems on the otolith-ocular reflex in a real and simulated weightlessness // Human Physiology. 2021. V. 47. № 1. P. 70.
  12. Reschke M.F., Wood S.J., Clément G. Ocular counter rolling in astronauts after short-and long-duration spaceflight // Sci. Rep. 2018. V. 8. № 1. P. 7747.
  13. Glukhikh D.O., Naumov I.A., Schoenmaekers C. et al. The role of different afferent systems in the modulation of the otolith-ocular reflex after long-term space flights // Front. Physiol. 2022. V. 13. P. 743855.
  14. Noskov V.B. Adaptation of the water-electrolyte metabolism to space flight and at its imitation // Human Physiology. 2013. V. 39. P. 551.
  15. Olde Engberink R.H., van Oosten P.J., Weber T. et al. The kidney, volume homeostasis and osmoregulation in space: Current perspective and knowledge gaps // NPJ Microgravity. 2023. V. 9. № 1. P. 29.
  16. Fomina E.V., Senatorova N.A., Bakhtereva V.D. et al. The role of fast running in prevention of negative effects of prolonged exposure to weightlessness // Extreme Med. 2023. V. 25. № 4. P. 91.
  17. Fomina E.V., Lysova N.Yu., Rezvanova S.K. et al. [Predictors of cosmonaut's readiness to work on the martian surface on the evidence from orbital missions onboard the International space station] // Aviakosm. Ekol. Med. 2019. V. 53. № 7. P. 19.
  18. Neves L.N.S., Gasparini V.H., Alves S.P. et al. Cardiorespiratory fitness level influences the ventilatory threshold identification // J. Phys. Educ. 2021. V. 32. P. e3279.
  19. Beaver W.L., Wasserman K., Whipp B.J. A new method for detecting anaerobic threshold by gas exchange // J. Appl. Physiol. 1986. V. 60. № 6. P. 2020.
  20. Summers R.L., Martin D.S., Meck J.V., Coleman T.G. Mechanism of spaceflight-induced changes in left ventricular mass // Am. J. Cardiol. 2005. V. 95. № 9. P. 1128.
  21. Hughson R.L., Robertson A.D., Arbeille P. et al. Increased postflight carotid artery stiffness and inflight insulin resistance resulting from six-months spaceflight in male and female astronauts // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2016. V. 310. № 5. P. H628.
  22. Ghani F., Cheung I., Phillips A. et al. Lung volume, capacity and shape in microgravity: A systematic review and meta-analysis // Acta Astronaut. 2023. V. 212. P. 424.
  23. 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.
  24. Baranov V.M., Katuntsev V.P., Tarasenkov G.G. et al. [Studies of the activity of the central respiratory mechanism in long-term space missions] // Aviakosm. Ekol. Med. 2022. V. 56. № 3. P. 5.
  25. Kunz H., Quiriarte H., Simpson R.J. et al. Alterations in hematologic indices during long-duration spaceflight // BMC Hematol. 2017. V. 17. P. 12.
  26. Serova A.V., Zhuravleva O.A., Rykova M.P. et al. [Morphofunctional status of cosmonauts' erythrocytes after missions to the International space station of varying duration] // Aviakosm. Ekol. Med. 2024. V. 58. № 4. P. 25.
  27. Scott J.M., Feiveson A.H., English K.L. et al. Effects of exercise countermeasures on multisystem function in long duration spaceflight astronauts // NPJ Microgravity. 2023. V. 9. № 1. P. 11.
  28. Moore A.D., Lynn P.A., Feiveson A.H. The first 10 years of aerobic exercise responses to long-duration ISS flights // Aerosp. Med. Hum. Perform. 2015. V. 86. № 12. P. A78.
  29. Moore Jr. A.D., Downs M.E., Lee S.M. et al. Peak exercise oxygen uptake during and following long-duration spaceflight // J. Appl. Physiol. 2014. V. 117. № 3. P. 231.
  30. Hackney K.J., Scott J.M., Hanson A.M. et al. The astronaut-athlete: Optimizing human performance in space // J. Strength Cond. Res. 2015. V. 29. № 12. P. 3531.
  31. English K.L., Downs M., Goetchius E. et al. High intensity training during spaceflight: Results from the NASA Sprint Study // NPJ Microgravity. 2020. V. 6. № 1. P. 21.
  32. Greene K.A., Withers S.S., Lenchik L. et al. Trunk skeletal muscle changes on CT with long-duration spaceflight // Ann. Biomed. Eng. 2021. V. 49. P. 1257.
  33. Blottner D., Moriggi M., Trautmann G. et al. Space omics and tissue response in astronaut skeletal muscle after short and long duration missions // Int. J. Mol. Sci. 2023. V. 24. № 4. P. 4095.
  34. Burkhart K., Allaire B., Bouxsein M.L. Negative effects of long-duration spaceflight on paraspinal muscle morphology // Spine. 2019. V. 44. № 12. P. 879.
  35. McNamara K.P., Greene K.A., Moore A.M. et al. Lumbopelvic muscle changes following long-duration spaceflight // Front. Physiol. 2019. V. 10. P. 627.
  36. Islamov R., Mishagina E., Tyapkina O. et al. Mechanisms of spinal motoneurons survival in rats under simulated hypogravity on earth // Acta Astronaut. 2011. V. 68. № 9–10. P. 1469.
  37. Porseva V., Shilkin V., Strelkov A. et al. Changes in the neurochemical composition of motor neurons of the spinal cord in mice under conditions of space flight // Bull. Exp. Biol. Med. 2017. V. 162. P. 336.
  38. Chelyshev Y.A., Muhamedshina Y., Povysheva T. et al. Characterization of spinal cord glial cells in a model of hindlimb unloading in mice // Neuroscience. 2014. V. 280. P. 328.
  39. Tyapkina O., Volkov E., Nurullin L. et al. Resting membrane potential and Na+, K+-ATPase of rat fast and slow muscles during modeling of hypogravity // Physiol. Res. 2009. V. 58. № 4. P. 599.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 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».