Waar ruimteonderzoek al niet goed voor is: de relatie tussen bloeddrukregeling en ons evenwichtssysteem blootgelegd.

Deze keer een blogpost uit wel erg dichte hoek, namelijk eentje over het werk van mijn collega’s. Aan de hand van ‘vestibulaire’ (gerelateerd tot het evenwichtssysteem) en ‘cardiovasculaire’ (gerelateerd tot het hart- en vatenstelsel) testen hebben zij voor het eerst de relatie tussen bloeddrukregeling en ons evenwichtssysteem kunnen aantonen (1), soms ook wel de ‘vestibulo-sympathische reflex’ (VSR) genoemd. Dit hebben ze kunnen doen door een groep van kosmonauten in Moskou te testen voor en na ruimtevlucht en deze resultaten werden eind vorig jaar gepubliceerd in Scientific Reports, een tijdschrift van de Nature Publishing Group.

Figuur 1: De ‘set-up’ van het vestibulaire luik van studie met de specifieke draaistoel uit de Neurolab missie waarin de kosmonaut plaats dient te nemen en waarin hij/zij zal rondgedraaid worden. Tijdens deze rotatie worden de oogbewegingen geanalyseerd, meer specifiek de ocular counterrolling (OCR). Op deze manier kan een uitspraak gedaan worden over de functie van de otolietorganen van het evenwichtssysteem. (Bron figuur: Hallgren et al, 2015, getekend door Pieter Rombaut).

Iedereen heeft het wel al eens of waarschijnlijk zelfs meerdere keren voorgehad: bij het te snel rechtop staan plots zwart voor de ogen zien en je duizelig voelen, iets wat ook wel een bloeddrukval of met een moeilijker woord ‘orthostatische intolerantie’ genoemd wordt. Het is immers een continue uitdaging voor het menselijk lichaam om een stabiele bloeddruk te behouden tijdens het rechtop staan. Indien dit niet goed (meer) lukt, komen de klachten zoals hierboven beschreven op: duizeligheid, zwart voor de ogen en soms zelfs flauwvallen. Echter, sinds tientallen jaren wordt reeds gedacht dat het vestibulair systeem, aan de hand van reflexen naar het cardiovasculair systeem, een rol heeft in het voorkomen van deze bloeddrukval tijdens positieveranderingen (zoals bijvoorbeeld snel rechtop gaan staan). Dit werd nog nooit eerder direct aangetoond, maar deze nieuwe studie lijkt voor de eerste keer in staat om de link tussen beiden bloot te leggen. 

Het vestibulaire systeem bestaat uit 2 grote delen: 3 semicirculaire kanalen die rotaties opmeten in elk vlak en de otolietorganen die lineaire bewegingen detecteren, waaronder ook de zwaartekracht. Het zijn dus ook de otolietorganen die verstoord worden tijdens een ruimtevlucht, aangezien deze geen zwaartekracht meer zullen detecteren en met andere woorden hun referentiepunt kwijt zijn. Door een kosmonaut voor en na de ruimtevlucht op een speciale draaistoel te plaatsen (zie figuur 1), kan de functie van deze otolietorganen getest worden. Echter, door de kosmonaut ‘off-axis’ rond te draaien (met andere woorden, de as van rotatie zal niet door het midden van zijn/haar lichaam gaan), zal of het linker- of het rechter otolietsysteem geprikkeld worden (voor een uitgebreidere uitleg, zie * hieronder). Door deze prikkeling zal het vestibulair systeem op zijn beurt een reflex generen: de ocular counterrolling reflex (OCR), die zoals zijn naam doet vermoeden een ‘torsionele’ beweging van de ogen inhoudt (een beetje zoals de wijzers op een klok, maar dan met het hele oog). Door deze oogbeweging op te meten en te kwantificeren, kan inzicht verkregen worden in hoe goed (of net niet) de otolietorganen werken. 

In parallel werd ook het cardiovasculair systeem onderzocht, meer specifiek de bloeddrukveranderingen die ontstaan bij rechtop komen. Dit werd gedaan aan de hand van een ‘tilt-test’, waarbij een kosmonaut gaat neerliggen op een soort tafel of bed (figuur 2). Vervolgens zal de tafel verschillende keren rechtop worden geplaatst, terwijl de bloeddrukmetingen gewoon doorlopen. Hierdoor kan immers de verandering in verschillende bloeddruk-gerelateerde parameters opgenomen worden wanneer er een orthostatische of positieverandering is.
 
Door zowel het vestibulair systeem als het cardiovasculair systeem te testen in kosmonauten en dit zowel voor en na de ruimtevlucht, kon de link tussen bloeddrukregeling en het vestibulair systeem aangetoond worden. Op aarde is dit echter moeilijker, omdat het niet ethisch verantwoord is om de otolietfunctie bij mensen aan te tasten (hierdoor zouden ze immers problemen krijgen met hun evenwicht – je kan je inbeelden dat mensen niet echt in de rij staan aan te schuiven om aan zo’n experiment deel te nemen en bovendien zou geen enkele ethische commissie het toelaten). Door kosmonauten te onderzoeken echter, kan een ethisch verantwoord maar zeer uniek model onderzocht worden: kosmonauten hun otolietfunctie wordt immers aangetast doordat ze geen zwaartekracht waarnemen tijdens hun ruimtemissie. Door verschillen voor en na te gaan bekijken, kan elke kosmonaut bovendien ook nog eens als zijn eigen controle optreden, wat het wetenschappelijk een zeer interessant en sterk model maakt. 

Figuur 2: De opstelling van de tilt test die werd uitgevoerd bij de kosmonauten in de studie voor en na hun ruimtevlucht. De kosmonaut wordt op een bed geplaatst terwijl allerlei bloeddruk parameters opgenomen worden. Plots wordt de tafel snel rechtop geplaatst (een tilt-beweging) en kunnen alle veranderingen in de bloeddruk parameters opnieuw opgemeten worden. Het rechtop plaatsen van het bed komt overeen met gewoon rechtop komen, zoals na het liggen. (Bron figuur: Prof Floris Wuyts)

De resultaten van het onderzoek zijn te zien in figuur 3. Door het verschil voor en na de ruimtevlucht te nemen voor de bloeddrukmetingen (meer specifiek voor ‘mean arterial pressure’, MAP) (laten we dit “delta_MAP” noemen) en het verschil voor en na ruimtevlucht in otolietfunctie (“delta_OCR”), konden de onderzoekers aantonen dat er een significante correlatie is tussen beiden. Alle blauwe cirkels in figuur 3 zijn de data van een kosmonaut, geplot in de grafiek. De figuur toont aan dat een kosmonaut die na de ruimte een afname in otolietfunctie heeft (met andere woorden: minder functie na de ruimtevlucht dan ervoor) ook een afname in MAP zal vertonen bij rechtop staan.

Figuur 3: De correlatie tussen bloeddruk (op de verticale as, de y-as) en de otolietfunctie van het vestibulair systeem (op de horizontale as, de x-as). Deze figuur toont aan dat een kosmonaut die na de ruimte een afname in otolietfunctie heeft (met andere woorden: minder functie na de ruimtevlucht dan ervoor) ook een afname in de bloeddruk parameter (‘mean arterial pressure’, MAP) zal vertonen bij rechtop staan. (Bron figuur: Hallgren et al, 2015)

Dit onderzoek toont aan dat een intact otoliet systeem (lees: vestibulair systeem) een belangrijke rol speelt in het voorkomen van instabiliteit in de bloeddrukregulatie tijdens rechtop staan. Dit heeft niet enkel implicaties voor verder ruimteonderzoek, maar kan ook betekenis hebben voor het beter begrijpen en behandelen van bloeddrukproblemen hier op aarde.
 
Opnieuw een interessante studie die de relevantie van ruimteonderzoek aantoont!
 
* De uitgebreide fysica laat ik achterwege, maar het komt erop neer dat de combinatie van de zwaartekrachtsvector, die altijd aanwezig is op aarde, en de vector van de centripetale kracht door de rotatie, er een vectorsom ontstaat die resulteert in de ‘gravito-inertiële acceleratie’ (GIA). Dit staat ook aangeduid op figuur 1. Het is deze GIA die de kosmonaut het idee geeft dat hij gekanteld wordt –terwijl dit niet zo is– en dit zal er voor zorgen dat de ogen zullen tegen bewegen met de OCR, in een poging om de horizon horizontaal te houden. Belangrijk om te vermelden is dat de test in het donker wordt uitgevoerd, waardoor de kosmonaut geen visuele feedback krijgt en met andere woorden puur het vestibulair systeem gemeten wordt, aangezien deze reflex anders onderdrukt zou worden.

Bronnen
(1): Hallgren, E. et al. Dysfunctional vestibular system causes a blood pressure drop in astronauts returning from space. Sci. Rep. 5, 17627; doi: 10.1038/srep17627 (2015).