Galileo Training / Novotec Medical GmbH - Forschung unter ......The DLR's parabolic flights serve both to conduct autonomous research and to prepare experiments in space. Investiga-tions

Forschungunter SchwerelosigkeitResearchunder Weightlessness

Humanphysiologische Experimente

Humanphysiological experiments

Die Parabelflüge des DLR dienen zum

einen der eigenständigen Forschung,zum anderen der Vorbereitung von Expe-

rimenten im Weltraum. Das Forschungs-spektrum umfasst nahezu alle Themen

der Forschung unter Weltraumbedingun-gen, von der Medizin bis hin zur physi-kalischen Grundlagenforschung. Hierzu

einige ausgewählte Beispiele:

B iowissenschaftl iche

Forschung

Forschungsschwerpunkt:Wahrnehmung und Verarbeitung derSchwerkraft

Untersuchungen zum Gleichgewichts-sytem am Menschen und am Modell-system "Fisch"

Für die Orientierung im dreidimensiona-len Raum sind Menschen und Tiere auf

ein optimales Zusammenspiel von Gleich-gewichtssystem, Augen, Tastsinn undKörperlage angewiesen. Sind die Infor-mationen widersprüchlich oder ist dieVerarbeitung im Gehirn gestört, kommt eszu Problemen.Beim Menschenäußern sichdie Probleme der Bewegungskrankheit(Kinetose) in einer Reihevon vegetativenSymptomen, wie etwa Schwindelgefühlt,bekannt als See- oder Reisekrankheit.Bei Astronauten, die aufgrund von verän-derten Schwerkraftbedingungen ähnlicheSymptomen erfahren können, sprichtman von Raumkrankheit. Hier bietetgerade die Schwerelosigkeit ein einmali-ges "Werkzeug", diese Phänomene angesunden Menschen und an Wirbeltierenzu untersuchen, da einzelne, schwerkraft-abhängige Reize ausgeschaltet werdenkönnen.

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The DLR's parabolic flights serve both toconduct autonomous research and to

prepare experiments in space. Investiga-

tions cover almost all fields of studyunder space conditions, from medicine

to basic research in physics. Here are afew examples:

Life SciencesResearch

Research focus:

Perception and transduction of gravity

Studies on the vestibular system inhumans and fish

For their orientation in three-dimensional

space, humans and animals equallydepend on optimum interaction betweentheir vestibular system, their eyes, theirsense of touch, and the position of theirbodies. Whenever conflicting information

is received, or the cerebral "processingmechanism" malfunctions, problemsimmediately arise. In humans, the prob-

lems caused by motion sickness (kineto-sis) manifest themselves in a number of

vegetative symptoms such as dizziness,which are known collectively under thename of sea or travel sickness. Astro-

nauts, who may have similar symptomsbecause of changes in gravity, are saidto suffer from space sickness. In this re-spect, weightlessness is a unique "too/"for investigating these phenomena in

healthy humans and vertebrates becauseit eliminates certain factors that relate

to gravity.

Parabolic-flight experiments on fisheshave shown that these variants of motion

sickness are caused by unequal (or asym-

metrical) gravity-sensitive otoliths locatedin the right and left inner ear.

Under normal gravity, this asymmetry willbe compensated by the brain. After achange in gravity, including a change to

Parabelflugexperimente mit Fischenhaben ergeben, dass ungleiche t.asym-metrische") Schweresteinchen, die sogenannten Otolithen, im linken bezie-hungsweise rechten Innenohr dieUrsache solcher Bewegungskrankheitendarstellen.

Beinormaler Erdschwerkraft wird dieseAsymmetrievom Gehirn ausgeglichen.Unter veränderter Schwerkraft, ins-besondere Schwerelosigkeit.wird dieserAusgleich noch für eine individuellunter-schiedlich lange Zeitspanne aufrecht-halten.

Diese Otolithen bestehen im Wesentli-chen aus einem Eiweißgerüst und Kalk(Calciumcarbonat), wobei dessen Ein-lagerung in die Steine vom ZentralenNervensystem gesteuert wird. Damit istanzunehmen, dass die eigentliche Ur-sache für Bewegungskrankheiten einezentralnervös gesteuerte, asymmetrischeEinlagerung von Calcium ist.

In weiteren Parabelflügen und Experi-menten auf einer Satellitenmissionwirdgetestet, ob sich die Einlagerung vonCalcium durch dauerhaft erhöhte bezie-hungsweise erniedrigte Schwerkraftmanipulieren lässt. Dazu wollen dieWissenschaftlerBuntbarschlarvenwährendihrer Entwicklungzunächst in einer Zentri-fuge (Hyperschwerkraft)beziehungs-weise in einem Klinostaten (simulierteSchwerelosigkeit)halten. Anschließendsoll im Rahmen der Parabelflüge getestetwerden, ob sich die zuvor unter Hyper-beziehungsweise (simulierter)Schwere-losigkeit gehaltenen Fischewährend derSchwerelosigkeitsphasen unterschiedlichstark bewegungskrank verhalten.

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Forschung unter Schwerelosigkeit> BiowissenschaftlicheForschungResearch under Weightlessness > Life Sciences Research

weightlessness, this compensation pro-cess persists for aperiod that differsfrom one individual to the next.

Otoliths essentially consist of a pro teinskeleton on which calcium (calcium car-

bonate) is deposited, a process that iscontrolled by the central nervous system.This being so, we may assume that theroot cause of motion sickness lies in the

asymmetry of the CNS-controlled calciumdeposition process. Das Schwimmverhalten von Fischen

Swimming behaviour of fish

Further parabolic flights as weil as experi-ments on a satellite mission are beingconducted to see whether calcium depo-sition can be manipulated by permanent-Iy increasing or reducing gravity. For thispurpose, scientists plan to keep cichlidlarvae in a centrifuge (hypergravity) anda clinostat (simulated weightlessness) asthey pass through their development.Afterwards, parabolic-fIight tests will berun to see whether fishes kept underhypergravity or in simulated weightless-ness display differently intense symptomsof motion sickness during phases ofweightlessness.

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Das menschliche Koordinations- undGleichgewichtssystemThe human coordination and vestibularsystem

Untersuchung von Augen-bewegungen zur Analyse desGleichgewichtssinns

Der Gleichgewichtssinn, das so genanntevestibuläre System, besteht aus den Oto-

lithenorganen und den Bogengängen imOhr. Gemeinsam erfassen sie alle Kopf-bewegungen und die allgemeine Stellungdes Kopfes im Raum. Das visuelle Systemliefert hingegen allgemeine Informationen

über die relative Stellung und Bewegungunseres Körpers im visuellen Raum. Sokönnen wir beispielsweise auch ohne dieInformation, wie wir zur Schwerkraft aus-

gerichtet sind, erkennen, ob ein Bildgerade an der Wand hängt. Andererseitskönnen wir in einem völlig abgedunkeltenRaum ohne Probleme aufrecht stehen,

da das Gleichgewichtssystem permanentdie Ausrichtung des Kopfes zurSchwerkraft feststellt.

Zur Messung und Analyse von Augen-bewegungen wurde ein hochempfindli-

ches Diagnosegerät, das 3D-Eye TrackingDevice, für den Einsatz unter Schwere-

losigkeit entwickelt. Es wurde bereits aufzahlreichen Parabelflügen eingesetzt und

wird seit April 2004 im Weltraum auf derInternationalen Raumstation ISS erfolg-reich genutzt.

Erste Ergebnissedieser Experimente, aufParabelflügen und auf der ISS,haben zueinem grundlegenden Verständnis derzentralnervösen Steuerung im Gehirngeführt.

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Eye-movement studies to analyzethe sense of equilibrium

The sense of equilibrium is located in theso-called vestibular system, which con-sists of the otholith organs and the semi-circular canals in the ear. Together; theyregister all head movements as weil asthe general position of the head inspace. The visual system, on the otherhand, suppfies general information aboutthe relative position and movement ofour body within the visual space. Thus,for instance, we are able to see whether

or not a picture is hanging straight evenif we have no information about our

orientation relative to the force of gravity.At the same time, we have no problemsstanding upright in a completely darkroom because the equilibrium systempermanently identifies the afignment ofthe head in relation to gravity.

To measure and analyze eye movements,a highly sensitive piece of diagnosticequipment called the 3D eye trackingdevice was deve/oped for use in weight-lessness. Having been deployed onnumerous parabofic ffights before, it isbeing successfully used on the Interna-tional Space Station since April 2004.Initial results of these experiments con-ducted on parabofic ffights and on theISS yielded fundamental insights into theway in which the central nervous systemis controlled by the brain.

It was found that the basics of signalprocessing in the brain achieved by train-ing and experience is modified as gravityconditions change. It is impossible toforesee at the moment what implicationsthis insight may have for our understand-ing of human orientation in 3-0 space.Apparently, gravity influences not onlythe system of equilibrium but also thecontrol of eye movements in general,and thus possibly the visual process itself.

Further parabolic-flight experiments andmeasurements on the ISS are planned toelaborate our present knowledge andprovide us with fresh insights into the

Sie zeigen, dass sich das durch Erfahrungund Trainingerworbene Grundmuster derReizverarbeitungin Abhängigkeit von derSchwerkraft ändert. Die Konsequenzendieses Befundes für unser Verständnisder Orientierung des Menschen im Raumsind noch nicht absehbar. Offenbar wirdnicht nur das Gleichgewichtssystem,sondern auch die allgemeine Steuerungder Augenbewegung und damit möglich-erweise der Sehvorgang selbst durch dieSchwerkraft beeinflusst.

Weitere Parabelflugexperimente undMessungen auf der ISS sollen die bishererhaltenen Ergebnisse vertiefen und neueErkenntnisse über die gesamte vestibulo-vegetative Regulation liefern. Die Er-kenntnisse dienen dazu, die Pathologiedes vestibulären Systems nach Ausfallvon beteiligten Sensorsystemen besserzu verstehen. Die Wissenschaftler hoffen,somit auch im klinischen Alltag bessereDiagnose- und Therapiemöglichkeitenvon Gleichgewichts- und Bewegungs-störungen entwickeln zu können.

Charakterisierung vonSchwerkraftsensoren in pflanzen

Bei Parabelflügen werden Vorgänge inden Zellen untersucht, mit denen pflanzendie optimale Ausrichtung ihrer Stängel,Wurzeln oder Äste kontrollieren und

gegebenenfalls korrigieren. Dies nennendie Wissenschaftler Gravitropismus undGravimorphose. Das Beschleunigungsprofildes Parabelflugs mit normaler, Hyper-und Mikrogravitation bietet die bestmög-lichen Bedingungen für Untersuchungen,die zeigen sollen, welche Art von Schwer-kraftsensoren in den pflanzen aktiviert

werden. In einigen Experimenten konntebereits gezeigt werden, dass auchPflanzen in Sekundenschnelle auf dieeintretende Schwerelosigkeit reagierenkönnen.

Forschung unter Schwerelosigkeit> Biowissenschaftliche ForschungResearch under Weightlessness > Life Sciences Research

entire vestibulo-vegetative regulation sys-tem. This knowledge will help to improveour understanding of the pathology ofthe vestibular system after a camplete orpartial fai/ure of the sense of equilibrium.On that basis, scientists hope to developimproved methods for diagnosing andtreating equi/ibrium and motion disturb-ances in everyday clinical practice.

Characterization of gravity sensorsin plants

A number of tests on parabolic flightsinvestigate those cellularprocesses bywhich plants control and, if necessary,optimize the orientation of their stems,roots, and branches.In scientificlanguage,this is calledgravitropism or gravimor-phosis. With its successive phases ofnormal gravity,hypergravity,and micro-gravity, the accelerationof a parabolicflight offers optimum conditions forstudies intended to identify the kind ofgravitysensors that are activated inplants. Some experiments have alreadyshown that even plants are capable ofresponding to the onset of weightless-ness within secands.

Biologische und medizinische Forschungin SchwerelosigkeitLife Sciences research in weightlessness

Forschungsschwerpu nkt:Neue Erkenntnisse über das Zusam-menspiel der Körpersysteme imMenschen

Fit für die Mars-Mission und für dasAlter - Neues Trainingsgerät verhin-dert Muskel- und Knochenschwund

Bettlägerigkeit, Bewegungsarmut undLähmung, aber auch ein Gipsverbandoder der Aufenthalt in Schwerelosigkeitführen bereits nach etwa zwei Wochenzum Muskelabbau. Denn die Muskelnwerden unter diesen Bedingungen nichtgebraucht und daher nur wenig aktiviert.Die Folge des Kraftverlustesist zwangs-läufig der Abbau des Knochens, da diesernicht mehr das entscheidende SignalzurAnregung des Knochenstoffwechselserhält, nämlich die durch den Muskelhervorgerufene Verformung.

Astronauten erfahren während längererWeltraummissionenKnochen-und Muskel-abbau. Nach rückkehr zur Erde kehrt sichder Vorgang jedoch wieder um. Muskel-und Knochenabbau tritt bei Menschenauf der Erdevor allem mit zunehmendemAlter ein. Alleine in Deutschland leidenfast sechs MillionenMenschen, vor allemFrauen, an Osteoporose. Von daher liegtes nahe zu fragen, ob diese Vorgängebeim Astronauten und beim Menschenauf der Erde vergleichbar sind und weI-chen Beitrag die Weltraumforschung zurOsteoporose-Problematik leisten kann.

Forschung mit der Unterdrucktonne

Research with the Lower Body NegativePressure Device

Research focus:

New insights into the interactionof human body systems

Fit to go to Mars and fit for old age-New trainer prevents atrophy inmusc1es and bones

Confinement to bed, lack of exercise,and paralysis as weil as wearing a piastercast and, not least, living in weightless-ness will lead to muscular atrophy afterabout two weeks, because there is littleor no scope for exercising muscles underthese conditions. When a muscle losesstrength, the bone will inevitably deterio-rate as it lacks the crucial signal that acti-vates its metabolism - the deformationcaused by the action of the muscle.Astronauts experience muscle and boneatrophy during prolonged space missions.However, the process reversesafter theirreturn to Earth. With people living onEarth, muscle and bone atrophy is mostprevalent among those of advanced age.Only in Germany, almost six million

Bisherige Ergebnissezeigen:1. Forschung in Schwerelosigkeit ist

ideal, um die zentrale Rolle dermechanischen Belastung für dieRegulierung des Muskel- undKnochenstoffwechsels zu untersuchen.

2. Forschung in Schwerelosigkeit hilft,auf der Erde erstellte Triningsonzepteund Maßnahmen gegen Muskel- undKnochenabbau auf ihre Richtigkeitund Wirksamkeit an einem gesundenMenschen zu Überprüfen.

Um Muskeln und Knochen der Astro-nauten bei Langzeitmissionen möglichst"normal" zu erhalten, wurde ein neuesTrainingsgerät auf der Basiseiner Rüttel-platte entwickelt, das" Galileo Space".In einer achtwöchigen Bettliegestudie(2003/04) wurde nachgewiesen, dassdie Probanden, die als Training im Liegenfür einige Minuten pro Taggegen diesevibrierende Platte drücken mussten, nuretwa zehn Prozent ihrer Muskelleistungund 0,5 Prozent ihrer Knochendichteeinbüßten. Testkandidaten ohne Trainingverloren hingegen 40 Prozent ihrerMuskelkraft und 4,5 Prozentder Knochen-dichte. Weitere Studien prüfen nun denEinsatz des Geräts für alte und krankeMenschen. In der Kinderklinik Köln wird

es beispielsweise bereits bei Kindern,die an der Glasknochenkrankheit leiden,erfolgreich eingesetzt.

Forschung unter Schwerelosigkeit> Biowissenschaftliche ForschungResearchunder Weightlessness > Life Seiences Research

people suffer from osteoporosis, mostof them women. Given this fact, theobvious question is whether the proces-ses that affect astronauts and people onEarthare comparable, and to whatextent space research can contributetowards solving the osteoporosisproblem.

Current results show that

1. research in weightlessness is ideal forinvestigating the key role of mechani-cal stress in regulating the metabolismof muscles and bones, and that

2. research in weightlessness helps,through tests conducted on healthysubjects, to check the soundness andefficiency of concepts and methodsdeveloped on Earth to counteractmuscle and bone atrophy.

To keep the muscles and bones of astro-nauts on long-term missions as "normal"as possible, a new training device named"Galileo space" was developed whichbasically consists of a vibrating plate. Astudy in which subjects were confined tobed for eight weeks in 2003/04 showedthat those who had to press against thisvibrating plate for a few minutes eachday while Iying in bed lost only about tenpercent of their muscular strength and0.5 percent of their bone density. Subjectswithout such training, on the other hand,lost 40 percent of their muscular strengthand 4.5 percent of their bone density.Further studies are now investigating thepossibility of using the device to help theold and siek. At the children's hospital ofCologne, for instance, the device is alreadybeing used with success to treat childrensuffering from brittle-bone disease.

Ways of using the device under weight-lessness are currently being explored inparabolic-f/ight experiments. Additionalfactors investigated include heart and

Galileo Space System

Messung von schnellen Flüssigkeits-verschiebungen beim MenschenMeasurement of rapid body fluid shiftsin humans

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Unterdrucktonne mit Galileo Space System

Lower Body Negative Pressure Device withGalileo Space System

Auf Parabelflugexperimenten wirderprobt, wie dieses Gerät unter Schwere-losigkeit eingesetzt werden kann. Zusätz-lich werden Herz- und Muskelaktivitäten

sowie Hormone beim Training unter

wechselnden Schwerkraftbedingungenerfasst. Hierdurch versuchen die Wissen-

schaftler herauszufinden, welche klini-

schen Laborparameter und welcheMuskelaktivitäten die aussagekräftigstenAntworten in der Schwerelosigkeit derISS versprechen.

Untersuchungen zu den ThemenStress, Immunsystem sowie mentaleund motorische Leistungsfähigkeit

In diesen Experimenten wird der Einfluss

von Stress-Faktoren (Schwerelosigkeit)auf das Immunsystem mittels Hormon-analyse sowie deren Auswirkungen aufdie Leistungsfähigkeit untersucht. Zum

Einsatz kommt hierbei ein psycho-physio-logisches, am Gürtel zu tragendes Mess-gearät, das Heath-Lab. Es erlaubt einevergleichende Analyse von Herz-Kreislauf-

daten und Kognitiven Fähigkeiten. Nacherfolgreichen Tests auf Parabelflügenkommt ab Ende 2006 auf der ISS zumEinsatz. Das Gerät und die entwickelten

Untersuchungsmethoden haben sichauf Parabelflügen als derart erfolgreicherwiesen, dass sie auf der Erde bei der

Untersuchung von Piloten jetzt routine-mäßig eingesetzt werden.

muscle activity as weil as hormone pro-duction when training under varyinggravity conditions. In this war, scientiststry to find out what clinicallaboratoryparameters and what muscular activitiespromise to provide the most meaningfulanswers under zero-gravity conditionson the ISS.

Studies dealing with stress, theimmunesystem, and mental andmotor performance

In these experiments, hormone analysesserve to investigate the influence ofstress factors on the immune system asweil as on human performance. Theequipment used in this case is the HealthLab, a psycho-physiologicallaboratorywhich permits analyzing the performanceof subjects under stress. A variety ofparameters are measured to identify thestress level. The device was developedfor use on the ISS. Having been success-fully tested in parabolic flights, it willbeinstalled on the ISS late in 2006. Thedevice as weil as the examination methods

developed for it proved so successful onparabolic flights that both are now beingused routinely to examine pilots onEarth.