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 Spaceflight induces widespread changes in human brain morphology. It is unclear if these brain changes differ with varying mission durations or one’s history of spaceflight experience (e.g., number of prior missions, time between missions). Here we addressed this issue by quantifying voxelwise post-flight changes in gray matter volume, white matter microstructure, extracellular free water (FW), and ventricular volume in a sample of 28 astronauts. We found that longer missions induced greater ventricular expansion and larger FW displacement at the top of the brain. A greater number of prior missions was associated with white matter microstructure declines in a tract supporting voluntary leg movement. Longer inter-mission intervals were associated with greater ventricle expansion, with compensatory ventricular expansion observed only in those crewmembers with inter-missions intervals of 3 years or longer. Longer missions therefore induce more extensive brain fluid shifts, and the ventricles may require at least 3 years to recover post-flight.

ABSTRACT Spaceflight has numerous untoward effects on human physiology. Various countermeasures are under investigation including artificial gravity (AG). Here, we investigated whether AG alters resting-state brain functional connectivity changes during head-down tilt bed rest (HDBR), a spaceflight analog. Participants underwent 60 days of HDBR. Two groups received daily AG administered either continuously (cAG) or intermittently (iAG). A control group received no AG. We assessed resting-state functional connectivity before, during, and after HDBR. We also measured balance and mobility changes from pre-to post-HDBR. We examined how functional connectivity changes throughout HDBR and whether AG is associated with differential effects. We found differential connectivity changes by group between posterior parietal cortex and multiple somatosensory regions. The control group exhibited increased functional connectivity between these regions throughout HDBR whereas the cAG group showed decreased functional connectivity. This finding suggests that AG alters somatosensory reweighting during HDBR. We also observed brain-behavioral correlations that differed significantly by group. Control group participants who showed increased connectivity between the putamen and somatosensory cortex exhibited greater mobility declines post-HDBR. For the cAG group, increased connectivity between these regions was associated with little to no mobility declines post-HDBR. This suggests that when somatosensory stimulation is provided via AG, functional connectivity increases between the putamen and somatosensory cortex are compensatory in nature, resulting in reduced mobility declines. Given these findings, AG may be an effective countermeasure for the reduced somatosensory stimulation that occurs in both microgravity and HDBR.

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.

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 The microgravity environment results in transient changes in sensorimotor behavior upon astronauts’ return to Earth; the effects on behavior inflight are less understood. We examined whether adaptation to sensory conflict is disrupted in microgravity, suggesting competition for adaptive resources. We evaluated sensorimotor adaptation pre-, in-, and post-flight, as well as functional brain changes at pre- and post-flight, in astronauts participating in International Space Station missions. Astronauts (n = 13) performed this task pre- and four times post-flight within an MRI scanner and performed the task three times in microgravity during a 6-mo mission. We collected behavioral data from Earth-bound controls (n = 13) along the same timeline. Astronauts displayed no change in adaptation from pre- to inflight or following their return to Earth. They showed greater aftereffects of adaptation inflight; controls did not. Astronauts also displayed increased brain activity from pre- to post-flight. These increases did not return to baseline levels until 90 d post-flight. This pattern of brain activity may reflect compensation, allowing astronauts to maintain pre-flight performance levels. These findings indicate that microgravity does not alter short-term visuomotor adaptation; however, it does affect de-adaptation, and post-flight sensorimotor neural activation can take up to 90 d to return to pre-flight levels.