Abstract Astronauts returning from spaceflight typically show transient declines in mobility and balance. These whole-body postural control behaviors have been investigated thoroughly, while study of the effects of spaceflight on other sensorimotor behaviors is prevalent. Here, we tested the effects of the spaceflight environment of microgravity on various sensorimotor and cognitive tasks during and after missions to the International Space Station (ISS). We obtained mobility (Functional Mobility Test), balance (Sensory Organization Test-5), bimanual coordination (bimanual Purdue Pegboard), cognitive-motor dual-tasking and various cognitive measures (Digit Symbol Substitution Test, Cube Rotation, Card Rotation, Rod and Frame Test) before, during and after 15 astronauts completed 6+ month missions aboard the ISS. We used linear mixed effect models to analyze performance changes due to entering the microgravity environment, behavioral adaptations aboard the ISS and subsequent recovery from microgravity. We identified declines in mobility and balance from pre- to post-flight, suggesting possible disruption and/or downweighting of vestibular inputs; these behaviors recovered to baseline levels within 30 days post-flight. We also identified bimanual coordination declines from pre- to post-flight and recovery to baseline levels within 30 days post-flight. There were no changes in dual-task performance during or following spaceflight. Cube rotation response time significantly improved from pre- to post-flight, suggestive of practice effects. There was a trend for better in-flight cube rotation performance on the ISS when crewmembers had their feet in foot loops on the “floor” throughout the task. This suggests that tactile inputs to the foot sole aided orientation. Overall, these results suggest that sensory reweighting due to the microgravity environment of spaceflight affected sensorimotor performance, while cognitive performance was maintained. A shift from exocentric (gravity) spatial references on Earth towards an egocentric spatial reference may also occur aboard the ISS. Upon return to Earth, microgravity adaptions become maladaptive for certain postural tasks, resulting in transient sensorimotor performance declines that recover within 30 days.

ABSTRACT Following long-duration spaceflight, some astronauts exhibit ophthalmic structural changes referred to as Spaceflight Associated Neuro-ocular Syndrome (SANS). Optic disc edema is a common sign of SANS. The origin and effects of SANS are not understood as signs of SANS have not manifested in previous spaceflight analog studies. In the current spaceflight analog study, eleven subjects underwent 30 days of strict head down-tilt bed rest in elevated ambient carbon dioxide (HDBR+CO 2 ). Using functional magnetic resonance imaging (fMRI), we acquired resting-state fMRI data at 6 time points: before (2), during (2), and after (2) the HDBR+CO 2 intervention. Five participants developed optic disc edema during the intervention (SANS subgroup) and 6 did not (NoSANS group). This occurrence allowed us to explore whether development of signs of SANS during the spaceflight analog impacted resting-state functional connectivity during HDBR+CO 2 . In light of previous work identifying genetic and biochemical predictors of SANS, we further assessed whether the SANS and NoSANS subgroups exhibited differential patterns of resting-state functional connectivity prior to the HDBR+CO 2 intervention. We found that the SANS and NoSANS subgroups exhibited distinct patterns of resting-state functional connectivity changes during HDBR+CO 2 within visual and vestibular-related brain networks. The SANS and NoSANS subgroups also exhibited different resting-state functional connectivity prior to HDBR+CO 2 within a visual cortical network and within a large-scale network of brain areas involved in multisensory integration. We further present associations between functional connectivity within the identified networks and previously identified genetic and biochemical predictors of SANS. Subgroup differences in resting-state functional connectivity changes may reflect differential patterns of visual and vestibular reweighting as optic disc edema develops during the spaceflight analog. This finding suggests that SANS impacts not only neuro-ocular structures, but also functional brain organization. Future prospective investigations incorporating sensory assessments are required to determine the functional significance of the observed connectivity differences. HIGHLIGHTS We investigated resting-state functional connectivity (FC) during a spaceflight analog with elevated CO 2 (HDBR+CO 2 ). During the HDBR+CO 2 intervention, a subset of participants developed optic disc edema, a sign of spaceflight-associated neuro-ocular syndrome (SANS). Participants with signs of SANS exhibited a distinct pattern of resting-state functional connectivity changes within visual and vestibular-related networks during HDBR+CO 2 . Participants who developed optic disc edema exhibited different FC prior to the spaceflight analog within a visual cortical network and within a large-scale network of brain areas involved in multisensory integration.

Abstract Humans are exposed to extreme environmental stressors during spaceflight and return with alterations in brain structure and shifts in intracranial fluids. To date, no studies have evaluated the effects of spaceflight on perivascular spaces (PVSs) within the brain, which are believed to facilitate fluid drainage and brain homeostasis. Here, we examined how the number and morphology of magnetic resonance imaging (MRI)-visible PVSs are affected by spaceflight, including prior spaceflight experience. Fifteen astronauts underwent six T 1 -weighted 3T MRI scans, twice prior to launch and four times following their return to Earth after ∼6-month missions to the International Space Station. White matter MRI-visible PVS number and morphology were calculated using an established automated segmentation algorithm. We found that novice astronauts showed an increase in total PVS volume from pre- to post-flight, whereas experienced crewmembers did not (adjusted for age, sex, and time between landing and first MRI scan). Moreover, experienced astronauts exhibited a significant correlation between more previous flight days and greater PVS median length at baseline, suggesting that experienced astronauts exhibit holdover effects from prior spaceflight(s). There was also a significant positive correlation between pre- to post-flight increases in PVS median length and increases in right lateral ventricular volume. The presence of spaceflight associated neuro-ocular syndrome (SANS) was not associated with PVS number or morphology. Together, these findings demonstrate that spaceflight is associated with PVS morphological changes, and specifically that spaceflight experience is an important factor in determining PVS characteristics.

ABSTRACT Astronauts are exposed to microgravity and elevated CO 2 levels onboard the International Space Station. Little is known about how microgravity and elevated CO 2 combine to affect the brain and sensorimotor performance during and after spaceflight. Here we examined changes in resting-state functional connectivity (FC) and sensorimotor behavior associated with a spaceflight analog environment. Participants underwent 30 days of strict 6 ° head-down tilt bed rest with elevated ambient CO 2 (HDBR+CO 2 ). Resting-state functional magnetic resonance imaging and sensorimotor assessments were collected 13 and 7 days prior to bed rest, on days 7 and 29 of bed rest, and 0, 5, 12, and 13 days following bed rest. We assessed the time course of FC changes from before, during, to after HDBR+CO 2 . We then compared the observed connectivity changes with those of a HDBR control group, which underwent HDBR in standard ambient air. Moreover, we assessed associations between post-HDBR+CO 2 FC changes and alterations in sensorimotor performance. HDBR+CO 2 was associated with significant changes in functional connectivity between vestibular, visual, somatosensory and motor brain areas. Several of these sensory and motor regions showed post-HDBR+CO 2 FC changes that were significantly associated with alterations in sensorimotor performance. We propose that these FC changes reflect multisensory reweighting associated with adaptation to the HDBR+CO 2 microgravity analog environment. This knowledge will further improve HDBR as a model of microgravity exposure and contribute to our knowledge of brain and performance changes during and after spaceflight.