Astronautin kuntokuuri: ennen matkaa

Edellisessä artikkelissa esiteltiin lyhyesti mikrogravitaation ja avaruusmatkailun asettamia fysiologisia haasteita ihmiskeholle. Etenkin avaruusmatkan jälkeistä paluuta maahan, ja maan painovoiman alaisuuteen, vaativat huolellista valmistautumista, jotta astronautit uudelleensopeutuvat turvallisesti sekä nopeasti normaaleihin olosuhteisiin. Artikkelin tarkoituksena on esitellä, suurpiirteisessä fysiologisten järjestelmien järjestyksessä, fyysisen harjoittelun tavoitteita ja sisältöjä avaruusmatkailua ennen. Eri avaruusjärjestöillä on pieniä eroavaisuuksia harjoitusmenetelmissä ja lopulta harjoittelu suunnitellaan yksilöllisesti jokaiselle avaruusmatkailijalle tarpeiden ja rajoituksien mukaan. Harjoitteluun liittyviä ravintovaatimuksia ei käsitellä tämän artikkelin yhteydessä.

Kuten aikaisemmassa artikkelissa mainittiin, on veren ja veren plasmavolyymin merkittävä putoaminen ensimmäisten päivien aikana mikrogravitaatiossa yksi merkittävimmistä haasteista maan painvoimaan uudelleensopeutumisen kannalta [9]. Tästä johtuen tulee veren volyymin olla jo ennen matkaa optimaalisella (lue: perusurheilijan) tasolla. Punasolujen ja hemoglobiinin runsas määrä verenkierrossa osaltaan mahdollistaa tehokkaan happimolekyylien (0₂) siirron aivoihin sekä lihaksistoon. Aikaisemmat tutkimukset [4] ovat osoittaneet lisääntyneellä kestävyysliikunnalla olevan suora vaikutus lisääntyneeseen antidiureettisen hormonin, vasopressiinin, tuotantoon kehossa, jonka kautta veren volyymi lisääntyy ensimmäisten 1-2 harjoitusviikon aikana merkittävästi. Luonnollisesti vähentyneellä liikunnalla on taas päinvastainen vaikutus, jota tulisi välttää etenkin astronauttien viimeisellä valmistautumisjaksolla ennen avaruusmatkaa.

Harjoitussuositukset (sydän- ja verenkiertoelimistö):

Astronauttikandidaatit, joille ei ole osoitettua lentoa, keskittyvät harjoittelussaan enemmän yleisen aerobisen kestävyyden ylläpitoon ja tasaisesti 5-6 harjoituspäivän saavuttamiseen viikkotasolla. Merkittävä osa harjoittelusta on joko pitkäkestoista (>45 min/kerta) kestävyysharjoittelua noin 65-80% maksimisykkeestä [3]. Useasti harjoittelua pyritään pitämään mielenkiintoisena pallopelien kautta (esim. jalkapallo tai koripallo). Viimeisen puolen vuoden aikana ennen lentoa (n. 24 vko aikaisemmin) harjoittelun intensiteettiä ja määrää aletaan johdonmukaisesti varioimaan esimerkiksi korkean intensiteetin intervalliharjoittelun (HIIT) kautta. Tarkoituksena on altistaa keho jatkuvasti muuttuville ja vastukseltaan kasvaville harjoitusärsykkeille, jolloin veren volyymia ja maksimaalista hapenottokykyä (VO_2max) saadaan nostettua lähempänä avaruusmatkaa. Osana maksimaalisen hapenottokyvyn kehittymistä myös sydämen vasemman kammion iskuvolyymi kasvaa HIIT-harjoittelun myötä urheilijan tasolle, joka on ensiarvoisen tärkeää ennen siirtymistä mikrogravitaatioon.

Yli puoli vuotta (>180 vuorokautta) kestävien avaruusmatkojen jälkiseurauksena astronautit ovat menettäneet merkittävästi luumassaa ja –tiheyttä [11], joka altistaa matkailijoiden luuston kohonneelle osteoporoosi- ja murtumariskille. Tämän johdosta luuston tiheyttä ja mineraalikoostumusta tulee nostaa valmistautumisjaksolla ennaltaehkäisevänä toimenpiteenä. Korkean vastuksen  (esim. kyykky vapailla painoilla) tai tärähdyksen (esim. hyppy ja alastulo) ovat osoittaneet kehittävän etenkin alaraajojen ja lantionseudun luutiheyttä ja –massaa [13]. Vielä kun luumassan häviäminen on merkittävintä lantion sekä lonkka- ja sääriluissa avaruusmatkailun jälkeen, on aiheellista huomioida näihin vaikuttavat harjoitusmuodot jo etukäteen, varmistaakseen astronauteille parhaimman mahdollisuuden turvalliseen paluuseen sekä uudelleensopeutumiseen.

Harjoitussuositukset (luusto):

Dynaamiset (liike) harjoitteet ja luusolujen ”havaitsema” korkea mekaaninen rasitus vahvistavat tehokkaasti em. luuston rakenteita [12]. Toisaalta liiallinen rasitus (isku) voi johtaa murtumaan, joten vastuksen tulee nousta pienin askelin ja johdonmukaisesti astronautin harjoitustaustan mukaisesti. Yksinkertaistettu portaittainen nosto alaraajoille asetettavan mekaanisen rasituksen (pienestä suureen) suhteen tulisi suurpiirteittäin olla seuraavanlainen: 1) kävely 2) pyöräily 3) juokseminen 4) korkean vastuksen voimaharjoittelu (vapaat painot) ja 5) hyppiminen sekä spurtit.

Astronauttikandidaattien kyky harjoitella juoksemalla on alusta alkaen on ensiarvoisen tärkeää varmistaakseen luuston riittävän korkean aineenvaihdunnan. Kuten sydän- ja verenkiertoelimistön kohdalla, mekaanisen rasituksen määrä tulee systemaattisesti kasvattaa lähestyttäessä avaruusmatkaa, varmistaen progressiivisen ossifikaation lantion ja alaraajojen luustossa.  HIIT-harjoittelu palvelee sopivasti myös tätä tarkoitusta, jonka lisäksi viimeisen valmistautumisvaiheen aikana käytetään runsaasti takakyykkyä, maastavetoa ja varpaille nousua. Seuraavaksi siirrytään plyometris-ballistiseen harjoitteluun koostuen erilaisista raskaista hypyistä ilman ja lisäpainojen kanssa. Hyppyharjoittelu vaatii lähtökohtaisesti korkeat alaraajojen maksimivoimatasot (esim. 2x oma paino puolikyykyssä) astronauteilta turvallisen suorittamisen kannalta.

Lihaksiston ja ääreishermoston kohdalla avaruusmatkailun isoimmat haasteet keskittyvät keskivartalon ja alaraajojen toiminnallisuuteen matkan jälkeen. Toimintojensa perusteella lihaksisto voidaan jakaa mobilisoiviin ja stabiloiviin lihaksiin. Avaruusmatkailun jäljiltä stabiloivat lihakset, esim. ryhtiä ja taloudellista seisoma-asentoa ylläpitävät, lamaantuvat merkittävästi. Etenkin selkärankaa tukevan pitkittäisen multifidius lihaksen massa putoaa kahden kuukauden painottomuuden aikana miltei 20% [1], mikä asettaa selkärangan alttiiksi rasitusmurtumille maahan paluun yhteydessä ja jälkeen. Alaraajojen stabiloivan lihasketjun, soleus-vastus medialis-gluteus min./med., typpi I lihassoluhävikki (”hitaat lihassolut”) heikentää seisoma-asennon lisäksi myös liiketehokkuutta ja –voimaa [10]. Tutkimuksissa on havaittu suljetun kineettisen ketjun (wikipedia) harjoitteiden toimivan tehokkaimmin em. stabiloivan lihasketjun neuromuskulaariseen harjoittamiseen [6; 7].

Harjoitussuositukset (neuromuskulaarinen järjestelmä):

Jokaisen astronauttikandidaatin neuromuskulaarisen harjoittelun pääprinsiippinä on toiminnallisuuden johdonmukainen kehittäminen – pyrkien maksimoimaan taloudellinen liikkuminen ja ennaltaehkäisemään lihas- ja luustoperäisiä vammoja, ennen ja jälkeen avaruusmatkan. Keskivartalon ja lantion syvien lihaksien (mm. multifidius, transversus abdominis) isometrinen pitoharjoittelu ynnä erilaisten, jatkuvaa motorista oppimista stimuloivien, suljetun kineettisen ketjun harjoitteiden [5] soveltaminen jatkuu läpi peruskoulutuskauden. Jatkuvasti muuttuvia ja vaihtuvia visuaalisia ärsykkeitä soveltavat ketterys- ja tasapainoharjoitteet sekä nopeatempoiset pallopelit lisäävät kortikospinaalisen radan (yhteydessä aivoihin) ja myös koko keskushermoston toimintaa [8].

Alaraajojen neuromuskulaarisen toiminnan tehostaminen korkeammilla vastuksilla ja täsmällisillä harjoitteilla sekä lihasmassan kasvattaminen (hypertrofia) ovat prioriteetteja avaruusmatkaan valmistavalla jaksolla. Tavoitteiden saavuttamiseen soveltuvat erityisesti alaraajojen isoja lihaksia aktivoivat harjoitteet (eng. Big 3): 1) takakyykkyyn, 2) maastavetoon ja 3) varpaille nousuun tangon kanssa. Jatkuvasti kasvavan voimantuoton saavuttamiseksi on olemassa monia harjoittelun ohjelmointimalleja, mutta klassinen malli [2] on erittäin toimiva tässä tapauksessa. ’Big 3’ –harjoitteiden (laajennettuna versiona) kanssa toteutetaan ensin ns. hypertrofinen 6-12 viikon harjoitusjakso (3-6 sarjaa, 8-12 toistoa, 70-85% 1RM, 2 min palautusta sarjojen välissä). Tätä seuraa 4-8 viikon maksimivoimajakso (4-8 sarjaa, 3-6 toistoa, 90-95% 1RM, 4-5 min palautusta sarjojen välissä) samoilla harjoitteilla. Lopulta toiminnallisuuden harjoittelun kruunaa ns. räjähtävän harjoittelun jakso, jossa käytetään runsaasti erilaisia plyometris-ballistisia harjoitteita eli hyppyjä ja kevyitä painoja vastaan räjähtäviä liikkeitä, samalla ylläpitäen saavutetut maksimivoimatasot alaraajoissa.

Lukijalle on toivottavasti auennut tästä artikkelista astronauttien fyysisen harjoittelun ennen avaruusmatkaa muistuttavan erehdyttävän paljon huippu-urheilijoiden harjoittelua. Luonnollisesti eri fysiologisia järjestelmiä aktivoivien harjoittelumenetelmien tulee olla sopusoinnussa ja synkronoituna keskenään maksimaalisen hyödyn ja tehon takaamiseksi. Punaisena lankana toimii kasvava harjoitusvastus ja intensiteetti mitä lähemmäksi lähtölaskentaa tullaan. Muistutan vielä tämän artikkelin edustavan merkittävissä määrin myös allekirjoittaneen näkemystä avaruusmatkailua edeltävän harjoittelun tarpeista, eikä tämän johdosta edusta suoranaisesti avaruusjärjestöjen sekä yksityisten yritysten ohjelmia kokonaisuudessaan.

  

Lähdeluettelo*

[1] Belavy et al. (2008) PMID: 18317179

[2] Bompa & Carrera (1975) Periodization training for sports, 2nd Ed, Human Kinetics

[3] Clarkson et al. (1997) PMID: 10193742

[4] Convertino (2007) PMID: 17630597

[5] Distefano et al. (2013) PMID: 23364296

[6] Fujiwara et al. (2011) PMID: 21869635

[7] Irish et al. (2010) PMID: 20386128

[8] Jensen et al. (2005) PMID: 15890749

[9] Levine et al. (1997) PMID: 9244220

[10] Narici & de Boer (2010) PMID: 20617334

[11] Pavy-Le Traon et al. (2007) PMID: 17661073

[12] Turner & Robling (2005) PMID: 15793082

[13] Vainionpää et al. (2007) PMID: 17140871

*Käytä Pubmed.org –sivustoa PMID-koodeilla julkaisujen etsimiseen. Suorat linkit numerosarjoissa.

Tähtiainesta turvallisesti etsimässä

Kun John F. Kennedy toukokuussa 1961 ilmoitti yhdysvaltalaisten astronauttien lähettämisestä Kuuhun, tuskin edes hän pystyi hahmottamaan seuraavan 50 vuoden aikana seurannutta kehitystä ja tapahtumaketjua. Nyt vuonna 2013 ihmiskunta liki kirjaimellisesti seisoo avaruuden reunalla, ainakin jos pohditaan miehitettyjen avaruuslentojen ja –matkustamisen yleistymistä. Jo yli viiden vuosikymmenen ajan on tarkasti valikoituja, koulutukseltaan, työkokemukseltaan sekä terveydentilaltaan soveltuvia, miehiä sekä naisia lähetetty joko maata kiertävälle radalle tai Kuuhun. Seuraavaksi vuorossa ovat kaupalliset ja liki kaikille (taloudellisten ehtojen puitteissa) avoinna olevat avaruusmatkat. Artikkeli pureutuu painottomuuden (Huom! Mikrogravitaatio tarkempi kuvaus) aiheuttamiin muutoksiin, riskeihin ja tulevaisuuden matkailussa huomioitaviin seikkoihin.

Palataksemme vielä ihmiskunnan innovatiivisimman, haasteellisimman ja menestyksekkäimmän projektin, Apollo-avaruusohjelman, lähtötilanteeseen, niin tietomme pitkän aikajakson vaikutuksista astronauttien terveyteen oli täysin hämärän peitossa. NASAn panokset Apollo-ohjelmassa olivat valtavat, koska ainoastaan Neuvostoliitto oli kerännyt todellista dataa fysio- ja psykologisista muutoksista avaruudessa, mutta tämä informaatio ei ollut avoinna heille tuolloin.

Itse asiassa koko ohjelmaa tuskin olisi edes pystytty julkistamaan ilman saksalaista ilmailu- ja avaruuslääketieteen tutkija tohtori Hubertus Strugholdia, joka palveli toisen maailmansodan aikana Luftwaffea Saksassa ja tuotiin vuonna 1947 Yhdysvaltoihin ”Operation Paperclip” välityksellä. Nazi-Saksan aikaisten keskitysleirien ”resursseja” häikäilemättä hyväksikäyttänyt Strughold tutkimusryhmineen ei liiemmin länsimaisten tutkimuksen eettisiä prinsiippejä tai komiteoita tutkimuksissaan soveltanut tai noudattanut. Kaikista sotarikossyytteistä livennyt Strughold kuitenkin omasi tuohon aikaan edistyneimmän näkemyksen painottomuuden aiheuttamista muutoksista ihmiskehossa, jonka toi myöhemmin Yhdysvaltojen ilmavoimien sekä NASAn käyttöön.

Miten Strughold ja myöhemmin muut tutkijat ympäri maailman keräsivät viitteellisiä tuloksia mikrograviaation aiheuttamista muutoksista, jos avaruuteen ei päässyt?

Suurimmaksi osaksi tulokset perustuivat maanpäällisiin painottomuussimulaatioihin kuten paraboliset lennot (akuutti painottomuus <20 sekuntia) -6° sänkylepo ja vesi-immersiot. Sänkylepomenetelmä on näistä käytetyin, vaikka tulokset eivät täysin vastaa vastaavia muutoksia (suuruudessaan) oikeassa painottomuudessa, avaruudessa. 

Fysiologiset muutokset

Yksinkertaistamalla voidaan olettaa ihmiskehon pyrkivän jatkuvasti taloudellisuuteen kaikissa toiminnoissaan - fysiologisten järjestelmien rasituksessa/käytössä – vastaavasti kuten autoa ajaessa pyritään säästämään polttoainetta optimoimalla teknologiset/ajokäyttäytymiseen liittyvät toiminnot.  Tämä tarkoittaa jatkuvaa eri fysiologisten järjestelmien sopeutumisprosessia suhteessa ympäristöön ja ulkoisiin ärsykkeisiin (esim. juokseminen tai muu fyysinen aktiviteetti).

Perusympäristömme kaikkialla maailmassa on 1G (9.81 m/s²) painovoima vaihtelevin ilmanlämpötiloin ja –painein (riippuen korkeuserosta merenpintaan). Tämä tarkoittaa että kehomme vastustaa passiivisesti jatkuvasti tuota maan vetovoimaa, suurimman osan ajasta ”jalat edellä”. Koska kävelemme kahdella jalalla (tai istuessa tuemme), niin on luonnollista että alavartalon lihaksisto ja luusto on tilavuudeltaan sekä mekaanisilta ominaisuuksiltaan ylävartaloa suurempi.

Matkustaessa avaruuteen loittonemme maan vetovoiman lähipiiristä, mikä vähentää merkittävästi kehomme altistumista tuolle ”passiiviselle mekaaniselle stressille”. Näin ollen lihaksisto, sydän- ja verenkiertoelimistö, luusto, hermosto, endokriinis- sekä neuro-vestibulaarinen järjestelmä oletettavasti* pyrkii taloudellisuuteen myös uudessa ympäristössä avaruudessa.

Seurauksena tästä suuri osa nesteistä ja verimassasta siirtyy jaloista kohti ylävartaloa, jonka myötä niin plasma- kuin verivolyymi vähenevät merkittävästi ensimmäisen 24 tunnin aikana avaruudessa. Lantion ja alaraajojen sisäisen sekä ulkoisen mekaanisen stressin vähenemisen johdosta luuston tiheys ja mineraalimassa, lihasmassa ja –voima (ynnä ääreishermoston toiminta), sekä solun sisäisten ja ulkoisten nesteiden määrä lähtee jyrkkään laskuun ensimmäisen viikon aikana. Edellä mainittujen muutosten myötä myös kehon massa (paino) laskee noin 3-4 % muutamassa päivässä, kun taas astronauttien pituus kasvaa (selkärangan välilevyjen laajentuminen). Plasma- ja verivolyymin väheneminen vaikuttaa osaltaan sydämen rakenteellisiin ja toiminnallisiin muutoksiin. Ensimmäisten vuorokausien aikana sydämen lyöntitiheys nousee johtuen verimassan vähenemisestä sekä katekoliamiinien (adrenaliini & noradrenaliini) lisääntyneestä esiintyvyydestä verenkierrossa. Vähentyneen verimassan ja alaraajojen pienentyneen verenkierron myötä myös sydämen iskutilavuus pienenee hiljalleen.

Lihaksiston ja sydämen rakenteelliset muutokset avaruudessa (mikrogravitaatio, ei totaalinen painottomuus) pienenevät suhteellisesti ajan myötä, mutta luuston massan jatkuva väheneminen (kuukausittain noin 1.6%) asettaa valtavat riskit ja ongelmat paluulle takaisin maan kamaralle. Pitkillä avaruusmatkoilla (>180 päivää) suurimmaksi riskitekijäksi terveyden kannalta muodostuu kosminen säteily, joka vaikuttaa syöpäsolujen lisääntymiseen kehossa. Euroopan avaruusjärjestön lääketieteellinen komitea onkin asettanut esim. kaavailulle Mars –matkalle ehdoksi ettei astronauttien syöpäriski saa kasvaa yli 6% tuon ko. matkan aikana. Nykyisellään tuota ehtoa ei pystytä vielä täyttämään (laskennallisesti) noin 500 vuorokauden Mars-matkan aikana. Useat julkiset ja yksityiset avaruusteknologian yritykset kehittelevät jatkuvasti tehokkaampia säteilysuojia miehitettyihin avaruusaluksiin.

 

Painava paluu Maahan

Suurimmat haasteet ja ongelmat astronauttien terveydelle kohdataan vasta välittömästi Maahan paluun yhteydessä. Ensimmäinen merkittävä toiminnallinen ongelma, jonka avaruusmatkailijat kohtaavat poistuessaan avaruussukkulasta/moduulista hoitohenkilökunnan avustamana, on kykenemättömyys seisoa omilla jaloillaan. Jalkojen ja keskivartalon tukilihaksiston rappeutuminen sekä verimassan matala volyymi osaltaan aiheuttavat nk. ortostaattisen intoleranssin, jossa aivojen verenkierto, ja sen seurauksena aivojen happitaso ei saavuta tarvittavaa tasoa, jolloin astronautit usein kokevat lukuisia pyörtymisiä pyrkiessään seisomaan. Osasyynä tähän on myös verenpainetta kontrolloivien painerefleksien ja –reseptoreiden akuutti epätoiminnallisuus sopeutuessaan maan painovoimaan. Etenkin lantion ja alaraajojen luuston tiheyden ja mineraalimassan alhainen taso nostavat murtumis- ja osteoporoosiriskiä, jonka takia mekaanista stressiä voidaan lisätä ainoastaan kevyesti asteittain.

Seuraavat puolitoista kuukautta nuo huonossa pystyasennossa, heikoilla ja huojuvilla jaloilla, hoippuvat avaruusmatkailijat pyritään harjoittamaan intensiivisellä harjoitusohjelmalla takaisin normaalikuntoon, jossa heidän motorinen suorituskyky sekä voima- ja kestävyystasot palautetaan mahdollisuuksien mukaan lähtötasoille. Avaruusmatkan pituudesta riippuen, ja aiemmin mainituista sydän- ja verenkiertoelimistön sekä alaraajan lihaksiston muutoksista johtuen, astronauttien maksimaalinen hapenottokyky (kestävyys) yleensä laskee noin 12%. Jokainen voi kuvitella millaiselta harjoittelu tuntuu kun on maannut vaikkapa kolme viikkoa sairaalassa – paitsi avaruudessa fyysinen kunto heikkenee yli kahden viikon matkoilla vielä merkittävästi enemmän.

Sanomattakin on selvää että vanhemmat ja pitkäaikaissairauksista kärsivät yksilöt joutuvat nykyisen informaation valossa suhteettoman riskin alaisuuteen jo pelkästään painottomuuden ja maan painovoiman aiheuttamien toiminnallisten muutosten takia. Tässä artikkelissa ehdimme ainoastaan raapaista monimutkaisen vyyhdin pintaa, eikä kaikkia fysiologisia, puhumattakaan psykologisista, muutoksista pystytty käymään läpi.

Tulevissa artikkeleissa pyrin esittelemään astronauttien ennen ja jälkeen käyttämiä harjoitusohjelmia ja –menetelmiä, sekä kertomaan enemmän avaruudessa tapahtuvan tutkimuksen tarjoamista teknologisista/lääketieteellisistä sovellusmahdollisuuksista.

Tähtiä kohti – harkitsevin askelin!

Lähde:

Pavy-Le Traon, A. et al. (2007) Eur J Appl Physiol, 101, 143-194

*Autonomista taloudellisuuden intentioita ei voida tällä hetkellä aukottomasti osoittaa tieteen menetelmin, joten sitä on tässä yhteydessä käytetty helposti hahmotettavana esimerkkinä ja loogisena päätelmänä.