Już ponad dwie dekady zespół naukowców z UCLouvain prowadzi badania nad kontrolą ruchu w warunkach nieważkości. Dzięki specjalistycznemu urządzeniu umieszczonemu na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej odkrywają, w jaki sposób grawitacja kształtuje nasze codzienne ruchy. To odkrycie stanowi przełom zarówno dla eksploracji kosmosu, jak i medycyny rehabilitacyjnej.
Innowacyjne urządzenie zwane „manipulandum” pozwala z niezwykłą dokładnością mierzyć siły wywierane przez palce podczas operowania przedmiotami. Inżynierowie biomedyczni z UCLouvain wychodzą poza tradycyjne projektowanie instrumentów dla laboratoriów naziemnych – obecnie ich konstrukcje trafiają na orbitę okołoziemską.
Od 2004 roku zespół badawczy pod kierownictwem profesora Philippe’a Lefèvre’a, inżyniera biomedycznego z Politechniki UCLouvain (EPL), oraz profesora Jean-Louisa Thonnarda, specjalisty w dziedzinie rehabilitacji, pracuje nad dogłębnym zrozumieniem mechanizmów kontrolujących ruch. Choć to mózg odpowiada za sterowanie naszymi ruchami, grawitacja również pełni kluczową funkcję, nadając im codzienną strukturę. Naukowcy z UCLouvain udowodnili, że w jej nieobecności mózg musi ponownie nauczyć się wykonywania podstawowych czynności. Badania zrealizowano przy wsparciu Belspo (instytucji koordynującej politykę naukową na szczeblu federalnym), Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) oraz zespołu astronautów pod przewodnictwem Thomasa Pesqueta. Wyniki, opublikowane w JNeurosci, oficjalnym czasopiśmie Towarzystwa Neurobiologicznego, jednoznacznie dowodzą, że punkty odniesienia związane z grawitacją odgrywają fundamentalną rolę w koordynacji sensomotorycznej.
Znaczenie tego orbitalnego laboratorium wykracza daleko poza badania kosmiczne. Poza wąskim gronem przyszłych eksploratorów Marsa, z tych odkryć skorzystają przede wszystkim pacjenci poddawani rehabilitacji neurologicznej. Obserwując, jak mózg adaptuje się ponownie do warunków grawitacyjnych po długotrwałym pobycie w nieważkości, naukowcy zdobyli cenne informacje dotyczące procesów uczenia się i rehabilitacji ruchowej.
Belgijska technologia na pokładzie ISS
Na potrzeby eksperymentu w kosmosie, w środowisku pozbawionym grawitacji, naukowcy skonstruowali zminiaturyzowane urządzenie pomiarowe wyposażone w zaawansowane czujniki. Powstało ono we współpracy z firmą spin-off Arsalis i jej założycielem Massimo Pentą. „Manipulandum”, rejestrujące z najwyższą precyzją siły wywierane przez palce podczas operowania przedmiotami, zostało zamontowane na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej przez astronautę Thomasa Pesqueta. W latach 2018-2023 jedenastu astronautów, w tym znany francuski kosmonauta, uczestniczyło w szeroko zakrojonym badaniu nazwanym Grip (z ang. chwyt), zarówno podczas pobytu na orbicie, jak i sześć miesięcy po powrocie na Ziemię. Uczestnicy wykonywali zadania wyświetlane na tablecie dotykowym, z otwartymi lub zamkniętymi oczami, przeprowadzając różnorodne manewry z użyciem „manipulandum”: ruchy precyzyjne (w kierunku świetlnych znaczników), oscylacyjne (z narzuconą częstotliwością) oraz zderzeniowe (polegające na uderzaniu w małe obiekty docelowe). W stanie nieważkości zaobserwowano odchylenia toru ruchu w dwóch pozycjach (siedzącej i leżącej na plecach), podczas gdy na Ziemi zjawisko to występowało jedynie podczas ruchów poziomych wykonywanych w pozycji leżącej.
Rezultaty badań są zdumiewające: w warunkach braku normalnego odczuwania grawitacji i przy ograniczonej widoczności (zamknięte oczy), astronauci systematycznie zbaczali z toru podczas przemieszczania przedmiotu. Ten fenomen, niewystępujący w większości warunków ziemskich, sugeruje, że nasz mózg wykorzystuje grawitację niczym wewnętrzne wahadło – swoisty niewidzialny pion, który koordynuje współpracę między ręką, okiem i równowagą. Kiedy ten punkt odniesienia zanika w nieważkości, zakłóca to cały system sensomotoryczny. Jak wyjaśnia Philippe Lefèvre: „Na Ziemi nasze wizualne punkty odniesienia są głównie dostosowane do grawitacji. Spójrzmy na dowolne pomieszczenie: ściany są pionowe, podłoga pozioma. Większość elementów naszego otoczenia podąża za tą nieświadomie przyjmowaną orientacją. To właśnie dlatego, gdy po raz pierwszy widzimy Krzywą Wieżę w Pizie, czujemy dezorientację – widoczne nachylenie budynku zaburza nasz zintegrowany system sensoryczny.”
Kosmiczne badania z ziemskim zastosowaniem
„To, czego uczymy się w kosmosie, ma bezpośrednie przełożenie na życie na Ziemi” – podkreśla Philippe Lefèvre. Narzędzia opracowane w ramach projektu Grip są obecnie wykorzystywane przez naukowców z UCLouvain do lepszego zrozumienia schorzeń takich jak choroba Parkinsona, drżenie samoistne czy zaburzenia orientacji u pacjentów z chorobą Alzheimera. Technologia ta umożliwia również obiektywną ocenę postępów w odzyskiwaniu sprawności ruchowej po zabiegach ortopedycznych lub udarach mózgu, dzięki przenośnym czujnikom monitorującym rzeczywiste wykorzystanie kończyn górnych w warunkach domowych. Rozwiązania te znajdują zastosowanie w laboratoriach analizy chodu, ośrodkach rehabilitacyjnych, a nawet w przemyśle sportowym i obuwniczym.
Poza korzyściami medycznymi, projekt Grip odzwierciedla fundamentalny trend: zbliżenie inżynierii i biomedycyny. „Dwadzieścia lat temu ta dyscyplina nie istniała w naszych programach nauczania” – przypomina Philippe Lefèvre. „Dziś stanowi kluczowy element kształcenia wielu inżynierów, budując coraz mocniejszy pomost między zdrowiem a technologią.” Potwierdzeniem tej ewolucji jest niedawne utworzenie katedry inżynierii zdrowia na Politechnice w Louvain, finansowanej kwotą dwóch milionów euro.
Dlaczego mówimy o „nieważkości” zamiast „bezważkości”?
Termin „bezważkość” często pojawia się w opisach stanu astronautów przebywających na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Naukowcy preferują jednak precyzyjniejsze określenie „nieważkość”. Skąd ta różnica?
Wbrew powszechnemu przekonaniu, grawitacja ziemska nie znika w kosmosie. Na wysokości około 400 kilometrów, gdzie znajduje się ISS, przyciąganie Ziemi wciąż działa z dużą siłą. Jednak stacja porusza się z ogromną prędkością, znajdując się w stanie ciągłego swobodnego spadania wokół naszej planety. W rezultacie obiekty i ciała na jej pokładzie nie „odczuwają” siły grawitacyjnej. Dlatego mówimy o nieważkości – stanie, w którym grawitacja nadal istnieje, ale jej efekty nie są odczuwalne.
Jest to więc termin bardziej adekwatny do opisania charakterystycznego unoszenia się typowego dla życia na orbicie, który dodatkowo pozwala w mowie uniknąć mylenia pojęć ciężkości i bezważkości.
