Menschliches Navigationssystem im Weltraumtest

Ob Kopfstand, Handstand, Augen zu oder auf: Wo oben und unten ist, ist immer klar. Unser unbestechliches Gleichgewichtsorgan im Innenohr weiß jederzeit, aus welcher Richtung die Erdschwere an uns zerrt. Aber was passiert, wenn die Schwerkraft wegfällt? Wie ergeht es Astronauten im All?
Diesen Fragen geht der Gleichgewichtsforscher Andrew Clarke nach, der das Labor für experimentelle Gleichgewichtsforschung an der Charité Berlin leitet. Clarke und sein Team wollen herausfinden, wie sich die Schwerelosigkeit auf das menschliche Gleichgewichts- und Orientierungssystem auswirkt. Die Berliner Forscher haben dazu einen weltraumtauglichen Hightech-Apparat entwickelt, der aus einer Kopfeinheit und einem Laptop besteht: den „3-D-Eye-Tracker“. Im April 2004 hat der holländische ESA-Astronaut André Kuipers ein Exemplar dieses Messsystems im Rahmen der DELTA-Mission zur ISS gebracht. Seitdem wird die tragbare Kompaktanlage aus Deutschland dort eingesetzt. „André Kuipers und Gennadi Padalka waren die ersten, die wir oben mit dem Eye-Tracker untersucht haben“, erzählt Clarke. „Alle europäischen Astronauten und russischen Kosmonauten auf der ISS nehmen an unserem Experiment teil, dass noch zwei Jahre läuft.“
Koordiniert und unterstützt wird das Experiment von der Europäischen Weltraumorganisation ESA sowie vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Navigation aus dem Innenohr

Um sich räumlich zu orientieren, verarbeitet das Gehirn des Menschen Informationen des Gleichgewichtssinns und der Augen. Es „errechnet“ anhand dieser „Daten“ die Position von Kopf bzw. vom Körper im Raum sowie die Distanz und Ausrichtung des Körpers zu Personen und Objekten in der Umgebung.
Die wichtigste Komponente dieses uralten „Navigationssystems“, das Mensch und Tier zur Orientierung dient, sind die Gleichgewichtsorgane im Innenohr. Und die wichtigste Richtschnur für die Ortung der Körperposition im Raum ist die Schwerkraft. „In den Gleichgewichtsorganen gibt es spezielle Schwerkraftsensoren, die so genannten Gravizeptoren, die selbst bei geschlossenen Augen spüren lassen, wo oben und unten ist“, so Clarke.
Zugleich sind die Gleichgewichtsorgane über einen „Blickfixierungsreflex“ mit den Augen verschaltet. „Wenn man den Kopf bewegt, melden diese Sensoren die Bewegung ans Gehirn. Innerhalb von 10 bis 12 Millisekunden geht dann ein unwillkürliches Nervensignal an die Augen, die sich dann automatisch in die entgegengesetzte Richtung bewegen.“ Die unwillkürlichen Augenbewegungen kompensieren die Kopfbewegungen, um das Blickfeld stabil zu halten. Diese reflexhafte Verknüpfung von Gleichgewichtssystem und Auge war entwicklungsgeschichtlich überlebensnotwendig. „Nur so konnten Tiere in Bewegung beispielsweise ihre Beute im Auge behalten“, so Clarke.

Eperimental-Know-how aus Berlin

Diesen Reflex machen sich die Forscher um Clarke in ihrem Experiment zunutze, um das Zusammenspiel von Gleichgewichts- und Sehsinn zu beobachten. Die Astronauten müssen die stirnbandähnliche Kopfeinheit des Eye-Tracker-Messsystems anlegen und dann eine vorgegebene Sequenz von Kopfbewegungen ausführen. Dabei zeichnet das speziell für den Einsatz im All entwickelte System sowohl die Kopfbewegungen als auch die reflexhaften Augenbewegungen auf. An der Kopfeinheit angebrachte digitale Minikameras tasten die Augen viele hundert Mal pro Sekunde ab, so dass selbst geringste Bewegungen des Augapfels erfasst werden. Der zugehörige Laptop speichert die Datenflut über Kopf- und Augenbewegungen für die spätere wissenschaftliche Auswertung.
Damit Vergleichsdaten zur Verfügung stehen, müssen die Astronauten auch unmittelbar vor und nach ihrem Aufenthalt im All entsprechende Experimentalsitzungen absolvieren. „Wir haben zu diesem Zweck im russischen Sternenstädtchen einen zweiten Eye Tracker aufgestellt“, so Clarke. Hinzu kommen die Untersuchungen an der Charité, die wir mit nahezu allen europäischen sowie russischen Raumfahrern durchführen.
So absolvierte 2005 Rekordkosmonaut Sergei Krikalow das Experiment - zunächst auf der Internationalen Raumstation. Bei seinem sechsten Flug stellte er einen neuen Aufenthaltsweltrekord auf. Insgesamt 803 Tage, 9 Stunden und 39 Minuten war er schwerelos im Weltraum. Im Januar 2006 wurde nun sein irdischer Normalzustand vom Clarke-Team an der Berliner Charité gecheckt.

Grundlagenforschung im All

Clarke hofft, durch die Analyse der so gewonnenen engmaschigen Daten mehr darüber zu erfahren, wie das menschliche Orientierungssystem auf den Wegfall seiner wichtigsten Bezugsgröße, nämlich der Schwerkraft, reagiert. „Wir können erstmals experimentell beobachten, wie sich das Navigationssystem des Menschen in der Schwerelosigkeit verändert“, begeistert sich Clarke. „Für einen Forscher ist das natürlich äußerst faszinierend. Die ganze sensorische und motorische Abstimmung des Systems muss ja sozusagen neu kalibriert werden“.
Offensichtlich wird der Wegfall der Schwerkraft und damit wichtiger Informationen der Gleichgewichtsorgane dadurch kompensiert, dass andere Sinnesinformationen stärker und anders gewichtet werden: beispielsweise die Sinnesinformationen der Augen, aber auch die des Muskelsystems.
Durch die Experimente auf der ISS fand das Forscherteam an der Berliner Charité erstmals heraus, dass auch die Steuerung unserer Augen der Schwerkraft unterliegt. Auch unser Blick "torkelt" in der Schwerelosigkeit umher. Zwar kann der Raumfahrer lesen, doch ist dies mit einer größeren Willens- und Kraftanstrengung verbunden.
Zurück auf der Erde erfolgt eine rasche Rückanpassung an Schwerkraftbedingungen. „Bei der Readaption passiert ein Großteil unmittelbar in den ersten Stunden nach dem Wiedereintritt ins Schwerefeld. Eigentlich müssten wir die Astronauten stündlich durchmessen.“

Schach der Raumkrankheit

„Die Experimente in der Schwerelosigkeit liefern uns neue Erkenntnisse. Und wenn wir das Gleichgewichts- und Orientierungssystem besser begreifen, dann können wir auch die Störungen des Systems besser verstehen“, so Clarke. „Wir können dann in der Diagnose besser differenzieren und bestimmt auch bessere Therapien entwickeln.“
Aber nicht nur irdische Patienten mit Gleichgewichts- und Bewegungsstörungen können von den Resultaten des Experiments profitieren. Die neuen Erkenntnisse helfen ebenso die so genannte Raumkrankheit zu bekämpfen, unter der immerhin 60 % aller Raumfahrer in den ersten Tagen im All leiden. Die Raumkrankheit zählt wie die See- und die Reisekrankheit zu den Bewegungskrankheiten. Diese so genannten Kinetosen treten auf, wenn es – auf Schiffen, in schwankenden Fahr- oder Flugzeugen – zu einem Konflikt zwischen den Wahrnehmungen von Gleichgewichtssinn und Augen kommt.

Unerwarteter Spin-off-Erfolg

Neben dem zu erwartenden Nutzen des Experiments für die klinische Praxis hat sich ein eher unerwarteter Spin-off ergeben. „Eigentlich haben wir unseren Eye Tracker für den Einsatz im Weltraum entwickelt. Interessanterweise ist das System aber auch auf der Erde ein ziemlicher Erfolg. Wir haben inzwischen mehr als 40 Exemplare an namhafte Laboratorien in Europa und in den USA verkauft“, freut sich Clarke. Dank CE-Zulassung – das Gerät entspricht damit den amtlichen Richtlinien für einen Betrieb in der EU – kann die Anlage nun sogar in Kliniken eingesetzt werden, beispielsweise in der Diagnostik oder zur Steuerung des Laserstrahls bei Augenoperationen.

Ansprechpartner für das Eye Tracking Device (ETD)
Prof. Dr.-Ing. Andrew H. Clarke
Charité Campus Benjamin Franklin
Labor für experimentelle Gleichgewichtsforschung
Hindenburgdam 30
12200 Berlin
andrew.clarke@charite.de