Völlig schwerelos: Unser Gehirn im Weltraum
“Völlig losgelöst, von der Erde, schwebt das Raumschiff, völlig schwerelos”
Wie Major Tom und die zahlreichen beliebten Lieder, Filme, Dokumentationen, Bücher und Planetariumsvorführungen zeigen: Wir Menschen sind vom Weltraum grenzenlos fasziniert! Nicht grundlos ist Astronautin und Astronaut unter den beliebtesten Traumberufen von Kindern.
Gut bekannt ist schon den Jüngsten, dass wer sich auf eine Weltraummission begeben will, ein hartes Training auf der Erde bestreiten und auch im Weltall täglich intensiv Sport treiben muss. Nur so können die Schwerelosigkeit und die lebensfeindlichen Bedingungen im Weltall körperlich verkraftet werden. Weniger bekannt sind die Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf das Gehirn. Nun, da Weltraumtourismus auf dem Vormarsch ist, sollten wir die Risiken und Nebenwirkungen einer Reise aus unserer Atmosphäre betrachten, bevor wir wie Major Tom scherzend abheben.
“Die Erdanziehungskraft ist überwunden”
Stelle dir vor, du wärst im Weltraum, würdest aus dem Fenster der Weltraumstation auf die kleine blaue Erde sehen. Vielleicht spürst du in diesem Moment, wie sich dein Körper bei der Vorstellung leichter anfühlt, wie deine Arme und Beine widerstandslos schweben würden? Nicht nur deine Körperteile, auch die gesamte Körperflüssigkeit wäre der Schwerelosigkeit (beziehungsweise Mikrogravitation) ausgesetzt. Und das stellt unser komplettes Nervensystem vor einige Herausforderungen.
Wenig Platz und mehr Flüssigkeit
Konkret für das Gehirn bedeutet das eine Flüssigkeitsverschiebung des Liquors (Hirnwassers) und Bluts in den Schädel, einer Umverteilung der freien extrazellulären Flüssigkeit im Gehirn und eine Aufwärtsbewegung des Gehirns in Richtung des Scheitels bei längeren Weltraummissionen. So werden der Subarachnoidalraum zwischen Gehirn und Schädelwand am Scheitel verringert und die mit Liquor gefüllten Ventrikel im Gehirn in der Schwerelosigkeit deutlich erweitert. Diese Ventrikelerweiterung bleibt auch nach der Rückkehr zur Erde über Monate bis Jahre bestehen (tatsächlich ist nicht sicher, ob überhaupt eine Rückbildung zu einer altersgemäßen Norm möglich ist) 1,2. Auch der sogenannte perivaskuläre Raum, der extrazelluläre Raum um die Blutgefäße des Gehirns, erweitert sich.
All diese Veränderungen führen zu einer Flüssigkeitszunahme im begrenzten Raum der knöchernen Schädelkalotte. Das könnte das glymphatische System (das Reinigungssystem unseres Gehirns – genauer eine extrazelluläre Flüssigkeitsbewegung, die ähnlich des Lymphsystems im restlichen Körper dazu dient, Abfall- und Stoffwechselprodukte aus dem Gewebe abzutransportieren) stören, den mittleren Druck im Gehirn über den Tag erhöhen und sich dadurch negativ auf die kognitive Funktion auswirken 1.
Nicht den Durchblick verlieren
Die größte Herausforderung in der Weltraummedizin ist eine Sehverschlechterung, diese gilt als das bedeutendste Hindernis für zukünftige langandauernde Marsmissionen. Mit dem komplizierten Namen spaceflight associated neuro-ocular syndrome, kurz SANS genannt, werden mehrere strukturelle Veränderungen der Augen beschrieben, die zu Sehstörung in der Nähe und Ausfällen im Gesichtsfeld führen können und bei deutlich längeren Weltraummissionen sogar zu einem irreversiblen Sehverlust führen könnten 3. Nach Langzeitmissionen (>1 Monat) werden bei 70% aller Weltraumreisenden SANS-Zeichen festgestellt.
Wie genau es dazu kommt, bleibt bislang ungeklärt. Es wird von einer Kombination mehrerer Faktoren ausgegangen. Als wichtige Ursachen werden die kopfwärts gerichtete Flüssigkeitsverschiebung, der erhöhte mittlere Druck im Gehirn, der dadurch gestörter Blutfluss über die Venen und das gestörte glymphatische System und die Aufwärtsverschiebung des gesamten Gehirns diskutiert 4.
Weltraumkrankheit – Reiseübelkeit in der Rakete
Sollte dir beim Autofahren leicht übel werden, würde dir die Weltraumkrankheit ordentlich zu schaffen machen. Denn durch die Schwerelosigkeit werden die Orientierungssysteme des Körpers ordentlich verwirrt.
Konkret handelt es sich um einen Konflikt zwischen den Signalen des Gleichgewichtsorgans (des Vestibularorgans) und dem im Gehirn gespeicherten Erwartungsmodell, basierend auf lebenslangen Erfahrungen unter der Erdschwerkraft. Bis zu 80% der Weltraumfahrerinnen und -fahrer sind in den ersten Tagen von den äußerst unangenehmen Symptomen betroffen.
Sie leiden an Übelkeit, Erbrechen und Schwindel, Blässe sowie Kaltschweißigkeit, Müdigkeit und Kopfschmerzen. Zum Glück kann das Gehirn die störenden Signale des Gleichgewichtsorgans in der Regel nach 3 bis 5 Tagen zunehmend als weniger wichtig werten und verstärkt auf die Augen zur räumlichen Orientierung setzen. Es lernt also die über das bisherige Leben unter der Erdschwerkraft erstellten Modelle zu Orientierung und Körperposition auf Basis der Signale des Gleichgewichtsorgans zu ignorieren 5.
Helfen kann also ein intensives Schwerelosigkeitstraining vor der Weltraummission und übelkeitshemmende Medikamente. Wieder umstellen muss sich das Gehirn dann aber nach der Rückkehr auf die Erde zur Schwerkraft, dann können nochmals ähnliche Symptome auftreten 6.
Historischer Exkurs: Wie Gehörlose die Forschung voran brachten
Wusstest du, dass elf gehörlose Männer einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis der Weltraumkrankheit und der sensorischen Verarbeitung unter veränderter Schwerkraft leisteten?
Die elf Männer aus Washington hatten wegen Hirnhautentzündungen in der Kindheit kein funktionierendes Innenohr, welches für das Gehör und den Gleichgewichtssinn zuständig ist. Sie machten in den 1950er und 60er Jahren viele anstrengende Experimente der NASA mit, unter anderem Parabelflüge (bei denen durch Auf- und Abbewegungen des Flugzeugs kurzfristig Schwerelosigkeit erzielt wird), tagelanger Aufenthalt in einem sich langsam drehendem Raum und Experimente auf Schiffen. Erstaunlicherweise waren diese gehörlosen Männer komplett immun gegenüber der Simulation der Weltraumkrankheit, ihnen wurde weder übel, noch litten sie an Desorientierung oder erlebten räumliche Illusionen wie die gesunden Kontrollprobanden 7.
Die Ergebnisse bewiesen die zentrale Rolle des Innenohrs (exakt des Vestibularorgans) für die Weltraumkrankheit. Sie zeigten, dass nicht die Schwerelosigkeit allein, sondern der Konflikt zwischen verschiedenen sensorischen Wahrnehmungen, also das, was durch Gleichgewichts-, Seh- und Tast- sowie Lagesinn wahrgenommen wird, verursachend ist 6.
Kosmische Strahlung
Nicht nur die Schwerelosigkeit macht dem menschlichen Körper zu schaffen, auch die hohe kosmische Strahlung ist extrem gefährlich. Die Astronautinnen und Astronauten könnten bei einer Marsmission bis zu 2000 Millisievert im Weltall ausgesetzt sein, ohne den Schutz durch die Atmosphäre und das Magnetfeld der Erde, das entspricht der Strahlendosis von mehr als 20.000-mal den Oberkörper zu röntgen. Diese enorme Strahlenexposition birgt ein hohes Risiko für Krebserkrankungen, Schädigung des Nervensystems, degenerative Erkrankungen und Strahlenkrankheit 8.
Fast alle Ergebnisse stammen aus Experimenten mit Versuchstieren und sind deshalb nicht zuverlässig auf den Menschen übertragbar, liefern aber wichtige Erkenntnisse. Bei den bestrahlten Mäusen wurden kognitive Beeinträchtigungen in Form von Aufmerksamkeitsstörungen, verlangsamter Reaktionszeit, aggressives Verhalten, Defizite im Gedächtnis und räumlichem Lernen festgestellt 9. Zudem verursachte die Bestrahlung Entzündungsreaktionen im Gehirn der Tiere, welche die Blut-Hirn-Schranke (schützende Abgrenzung des Gehirns vom Blut) stören. Durch die Bestrahlung wurden auch Nervenzellen (konkret die Synapsen, Dendriten und isolierenden Myelinscheiden um die Nervenfasern) und das Neurotransmittersystem geschädigt 10.
Sehr spannend ist, dass ein großer Unterschied zwischen männlichen und weiblichen Mäusen bei den Experimenten festgestellt wurde: Die Männchen zeigten stärkere kognitive Defizite, erhöhte Angst, verminderte soziale Interaktion und eine chronische Immunreaktion im Gehirn, wohingegen die Weibchen weitgehend unbeeinträchtigt blieben und nur Hinweise auf leichte Gedächtnisstörungen lieferten. Das Gehirn von weiblichen Mäusen scheint also widerstandsfähiger gegenüber der Strahlung zu sein 11.
Frauen besser geeignet fürs Weltall?
Wenn es bei Mäusen einen Geschlechterunterschied gibt, dann vielleicht auch bei Menschen? Tatsächlich ja! Allerdings ergibt sich ein komplexes Bild, und es kann nicht pauschal gesagt werden, dass Frauen geeigneter fürs Weltall wären. Zwar gibt es nur eine begrenzte Datenlage (nur ca. 11,5% der Astronauten sind Frauen!), jedoch weisen bisherige Daten darauf hin, dass Frauen seltener an der Sehstörung SANS und an Hörverlust leiden. Im Gegensatz dazu berichten die Astronautinnen aber häufiger von der Weltraumkrankheit und haben ein deutlich höheres, strahleninduziertes Krebsrisiko 1,12.
“Die Erde schimmert blau” – der Überblick-Effekt
Nach all den Schwierigkeiten fürs Gehirn zurück zu der kindlichen Faszination für den Weltraum, die nicht von ungefähr kommt. Astronautinnen und Astronauten erleben oft beim Anblick unseres blauen Heimatplaneten aus dem All eine unglaubliche emotionale Ergriffenheit.
Frank White beschrieb 1987 als Überblick-Effekt diese enorme Ehrfurcht und das Gefühl der Verbundenheit mit der gesamten Menschheit. Die Weltraummannschaften beschrieben, sich im Angesicht der Weite des Universums selbst ganz klein zu fühlen, ein Phänomen, das als Selbsttranszendenz bezeichnet wird. Nicht wenige von ihnen erlebten einen dauerhaften Perspektivwechsel und andauernde Änderung ihrer Identität mit dem besonderen Wunsch, die Erde und Menschheit zu schützen. Einige ehemalige Astronauten und Astronautinnen sind im Anschluss bedeutende spirituelle Lehrer, Autoren und Umweltaktivisten geworden 13.
“Die Crew hat dann noch ein paar Fragen”
Zu Risiken und Nebenwirkungen einer Weltraumexkursion fragen Sie Ihre Ärztin oder … äh? Leider ist Weltraummedizin bislang noch nicht Inhalt des Medizinstudiums in Deutschland. Weitere Informationen lassen sich deshalb beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln finden, bei der Europäischen Weltraumorganisation ESA oder bei der NASA.
Ganz klar aus dem „Beipackzettel“ wird jedoch, es handelt sich um ein unfassbar spannendes Thema der Medizin und Neurowissenschaft mit noch vielen offenen Fragen. Durch mehr Missionen aus der Atmosphäre heraus werden wir viel zu unserem Gehirn und über die menschlichen Grenzen lernen.
Major Tom denkt sich: „Wenn die wüssten, mich führt hier ein Licht durch das All, das kennt ihr noch nicht, ich komme bald.“
Bildquellen
Quellen
Sehr viele wortwörtliche Zitate aus “Major Tom (Völlig losgelöst)” von Peter Schilling
Schilling, P. (1982). Major Tom (Völlig losgelöst) [Lied]. Auf Error in the System. Elektra Records.
1. Seidler, R. D., Mao, X. W., Tays, G. D., Wang, T. & Eulenburg, P. zu. Effects of spaceflight on the brain. The Lancet Neurology 23, 826–835 (2024).
2. Barisano, G. et al. The effect of prolonged spaceflight on cerebrospinal fluid and perivascular spaces of astronauts and cosmonauts. Proceedings of the National Academy of Sciences 119, e2120439119 (2022).
3. Macias, B. R. et al. Association of Long-Duration Spaceflight With Anterior and Posterior Ocular Structure Changes in Astronauts and Their Recovery. JAMA Ophthalmol 138, 553–559 (2020).
4. Brunstetter, T. J. et al. Predicting Spaceflight-Associated Neuro-Ocular Syndrome in International Space Station Astronauts. JAMA Ophthalmol 143, 933–937 (2025).
5. Cohen, B., Dai, M., Yakushin, S. B. & Cho, C. The neural basis of motion sickness. J Neurophysiol 121, 973–982 (2019).
6. Heer, M. & Paloski, W. H. Space motion sickness: incidence, etiology, and countermeasures. Auton Neurosci 129, 77–79 (2006).
7. How 11 Deaf Men Helped Shape NASA’s Human Spaceflight Program – NASA. https://www.nasa.gov/missions/project-mercury/how-11-deaf-men-helped-shape-nasas-human-spaceflight-program/ (2017).
8. Why Space Radiation Matters – NASA. https://www.nasa.gov/missions/analog-field-testing/why-space-radiation-matters/ (2017).
9. Alaghband, Y. et al. Galactic cosmic radiation exposure causes multifaceted neurocognitive impairments. Cell Mol Life Sci 80, 29 (2023).
10. Wuyts, F. L., Deblieck, C., Vandevoorde, C. & Durante, M. Brains in space: impact of microgravity and cosmic radiation on the CNS during space exploration. Nat. Rev. Neurosci. 26, 354–371 (2025).
11. Krukowski, K. et al. The impact of deep space radiation on cognitive performance: From biological sex to biomarkers to countermeasures. Sci Adv 7, eabg6702 (2021).
12. Hughes-Fulford, M., Carroll, D. J., Allaway, H. C. M., Dunbar, B. J. & Sawyer, A. J. Women in space: A review of known physiological adaptations and health perspectives. Experimental Physiology n/a,.
13. published, L. D. Space philosopher Frank White on ‘The Overview Effect’ and humanity’s connection with Earth. Space https://www.space.com/frank-white-overview-effect (2022).
