"Det är spännande. Jag älskar det här!" sa Bashar Badran, Ph.D. "Det här är så roligt."

Det är inte många forskare som får chansen att flyta, viktlös, 32, 000 fot över jorden. Forskare vid Medical University of South Carolina bedriver vanligtvis forskning i laboratorier – kontrollerade miljöer där de noggrant kan upprepa experiment för att dubbelkolla resultaten. Men med ett öga på vad riktiga astronauter kan uppleva i framtida rymdresor, några forskare tog nyligen till skyarna för att göra hjärnforskning utan gravitation.

Neuroradiologen Donna Roberts, M.D., och neuroforskaren Badran samarbetade i projektet för att utföra transkraniell magnetisk stimulering, eller TMS, på sig själva och en grupp frivilliga assistenter, mestadels från institutionen för psykiatri och beteendevetenskap vid MUSC College of Medicine.

Roberts har ägnat flera år åt att studera hur nollgravitation och mikrogravitation påverkar den mänskliga hjärnan – faktiskt, det var hennes motivation för att gå till läkarutbildningen. Detta experiment var främst ett testfall för att visa att TMS säkert kunde användas i noll gravitation och för att jämföra deltagarnas resultat under kraften av jordens gravitation med deras resultat i noll gravitation.

Under en TMS-procedur, en magnetisk puls skickas genom skallen in i hjärnan för att stimulera elektrisk aktivitet. Pulsen är mycket lokaliserad – den når inte hela hjärnan. TMS-administratören placerar en spole över personens huvud; när motivets tumme rycker, administratören vet att TMS-spolen är på rätt plats.

Här på jorden, TMS är FDA-godkänt för svårbehandlad depression. Forskare vid MUSC och på andra håll undersöker också användningen av TMS för posttraumatisk stressyndrom; att behandla begär och smärta hos personer under behandling för opioidanvändningsstörning; och i fysisk och psykisk rehab för strokepatienter. Depression kan vara ett bekymmer för människor på långvariga uppdrag långt från jorden som inte förväntar sig att sätta sin fot på fast mark på flera år, och Roberts och Badran sa att TMS kan vara ett användbart och utrymmesbesparande verktyg för att packa på långvariga rymduppdrag, snarare än ett helt apoteks värda mediciner.

"I sista hand, du vill inte åka till Mars eller ett interplanetärt uppdrag med alla dessa mediciner. Och du kan inte enkelt skapa ett kemilab för att syntetisera dem alla. Så TMS skulle vara en mycket tydlig, enkel lösning för neuropsykiatriska problem. Det är den långa 20-åriga visionen, sa Badran.

Det har också potential att hålla astronauter i god form kognitivt på långtidsflygningar så att de är redo att börja arbeta när de landar på månen eller den röda planeten.

Men först, forskare måste ta reda på hur en "normal" avläsning i noll gravitation ska se ut.

Det är redan känt att mediciner metaboliseras annorlunda när en person är i rymden. Astronauter som tar sömntabletter, till exempel, måste ta reda på rätt dosering i rymden genom försök och misstag, sa Roberts.

Och Roberts tidigare forskning, jämföra astronauternas hjärn-MRI före och efter en resa till den internationella rymdstationen, visade fysiska förändringar i hjärnan som korrelerade med förändringar i astronauternas motoriska färdigheter och kognitiva prestanda.

"Om det fanns ett sätt att hålla hjärnan i form på vägen till Mars, det skulle vara mycket användbart. Det är därför NASA är intresserad av denna teknik. Men för att kunna använda den i rymden, vi måste förstå, "Finns det någon skillnad i hur astronauter svarar på det här på jorden jämfört med uppe i rymden?" precis som skillnaden de upplever i mediciner. Så det var vad den här studien egentligen baserades på, " Hon sa.

Och det var här som forskarna fick ha lite kul. För att testa TMS i noll gravitation, de skulle gå ombord på ett specialplan som drivs av Zero Gravity Corporation, som erbjuder zero gravity flighter för personliga äventyr, medieproduktioner och forskning.

Planet, dubbad G-Force One, flyger en serie bågar, på väg uppåt i 45 grader och sedan tillbaka ner i 45 grader. Under de korta 20 till 30 sekunderna mellan att gå upp och ner, alla i planet blir viktlösa. Allt som inte är fastskruvat flyter upp. Och det bara 20- till 30-sekundersfönstret var den tid under vilken Roberts och Badran var tvungna att köra sitt TMS-test.

De skulle ha totalt 30 bågar, eller paraboler, att arbeta med. Det var 10 personer i deras grupp, delad mellan män och kvinnor, och varje person behövde göra testet minst två gånger för att få ett bra prov.

Men först, det fanns en del logistik att övervinna. I labbet, det kan bli mycket krångel med utrustningen för att få spolen till exakt rätt plats på någons huvud. Med ett så kort fönster för att utföra testet på planet, det skulle inte finnas tid att fussa med maskineriet. De behövde ett idiotsäkert sätt att säkerställa att spolen skulle vara på rätt plats vid rätt tidpunkt.

"Vi fokuserade verkligen på de små sakerna, " sade Badran. "Denna studie var verkligen en engångsuppgörelse. Flyget var förbokat. Allt var klart. Vi hade ett fast startdatum, en fast tidsperiod för att göra experimentet och allt måste gå perfekt – och allt hängde på att skapa den här saken som inte fanns." Så Badran fick tag i en motorcykelhjälm och en Dremel-såg och började jobba. Han fann att han kunde montera en TMS-spole i en nisch som han skar i hjälmen, men utrustningen var för tung och vinglig för att vara praktisk.

Nästa, han övergick till att använda glasfibergjuttejp, samma material som används för att göra avgjutningar för brutna ben. Varje deltagare satt för en passning, och Badran skapade en lättviktare, slitstark hjälm som passar individens huvud, med ett fästområde för TMS-spolen som säkerställde att den magnetiska pulsen skulle nå rätt plats på den personens hjärna – inget mixtrande krävs.

Roberts och Badrans volontärteam bestod av personer från institutionen för psykiatri och beteendevetenskap med erfarenhet av att administrera TMS, eftersom de alla skulle behöva turas om som både subjekt och administratörer. De ville ha människor som var ungefär en ålder av riktiga astronauter, så medelåldern var på 30-talet.

"Alla som var flygare, de fick inte bara komma och flyga och ha kul. De ingick aktivt i forskargruppen, för, sa Badran.

Roberts och Badran visste att de hade en chans att få experimentet att fungera. Dessa flygningar är dyra, och huvuddelen av forskningsanslaget gick till den kostnaden. I varje 20 till 30 sekunder av viktlöshet, de skulle behöva starta programvaran på sina datorer, som skulle skicka en signal till spolen, registrera ett tumryck och rapportera sedan tillbaka att TMS hade fungerat. Om det inte registrerade ett tumryck, då skulle systemet öka effekten och skicka ytterligare en signal tills ett tumryck registrerades. Men om det inte fungerade alls, de skulle behöva felsöka i farten – eller möta möjligheten att hela experimentet skulle bli ett fullständigt misslyckande.

MUSC-gruppen delade flygningen med tre andra organisationer som bedriver rymdforskning. Eftersom TMS-maskinerna drog ström från flygplanet, Badran var tvungen att köra ett test på marken först, med full kraft, för att säkerställa att de inte skulle överbelasta planet. Det var ganska nära, han sa, men flygbesättningen gav dem klartecken. Så upp gick de.

De handgjorda hjälmarna presterade vackert. De fick minst tre mått för varje person, som de kunde jämföra med flera mätningar som gjorts på marken före och efter flygningen. Och som en bonus, experimentet var mycket roligare än ditt typiska labbexperiment.

Deras papper, publicerad 21 september in Naturens mikrogravitation , visar att mindre elektromagnetism behövdes i noll gravitation än på jorden för att framkalla ett tumryck. Det tyder på att neurofysiska förändringar sker i hjärnan, men det finns flera möjliga förklaringar, allt från att hjärnan fysiskt förskjuts i skallen till neuroner som reagerar starkare på stimulering. Det finns mer att lära, sa de.

Det är en fråga som ligger Roberts nära hjärtat, som hon har argumenterat flera gånger, senast i en opinionsartikel i The Lancet Neurology, för mer forskning om hjärnförändringar hos rymdforskare.

Efter att ha visat att TMS är möjligt i noll gravitation, teamet är väl rustat för att fortsätta hitta svar på dessa frågor.