Human PhysiologyHuman PhysiologyФизиология человека0131-16463034-6150The Russian Academy of Sciences66400710.31857/S0131164622700205MIDFWYОБЗОРЫCognitive Functions of the Brain: a Review of Research in WeightlessnessКогнитивные функции мозга: обзор исследований в невесомостиLipshitsM. I.ЛипшицМ. И.yurilevik@yandex.ruLevikYu. S.ЛевикЮ. С.yurilevik@yandex.ruInstitute of Information Transmission Problems (Kharkevich Institute), RASФГБУН Институт проблем передачи информации имени А.А. Харкевича РАН01032023492869825022025Copyright ©; 2023, М.И. Липшиц, Ю.С. ЛевикCopyright ©; 2023, М.И. Липшиц, Ю.С. Левик2023М.И. Липшиц, Ю.С. ЛевикМ.И. Липшиц, Ю.С. Левикhttps://journals.eco-vector.com/0131-1646/article/view/664007

The review is devoted to the role of gravity in the implementation of human cognitive functions. The influence of weightlessness on various aspects of cognitive activity is considered, such as the choice of a vertical, the formation of a reference system, including the time coordinate, the recognition of the symmetry of complex shapes, the processes of memorizing and recognizing images, and orientation in three-dimensional labyrinths. It is described how the EEG activity of the brain in response to visual stimuli changes in weightlessness. It is shown that in weightlessness there are not only changes in the work of reflex mechanisms, but also restructuring at the level of the cognitive system, in particular, “reprogramming” of sensorimotor systems, and the development of new skills for the functioning of the brain in changed conditions.

Данный обзор посвящен роли гравитации в реализации когнитивных функций человека. Рассматривается влияние невесомости на различные аспекты когнитивной деятельности, такие как выбор вертикали, формирование системы отсчета, включая временну́ю координату, распознавание симметрии сложных фигур, процессы запоминания и распознавания изображений, ориентация в трехмерных лабиринтах. Описано как в невесомости изменяется ЭЭГ-активность мозга в ответ на зрительные стимулы. Показано, что в невесомости существуют не только изменения в работе рефлекторных механизмов, но и перестройки на уровне когнитивной системы, в частности “перепрограммирование” сенсомоторных систем, и выработка новых навыков функционирования мозга в изменившихся условиях.

frame of referencecognitive functionsweightlessnessvirtual visual environmentsensorimotor conflictmotor functionsoperator activity.система отсчетакогнитивные функцииневесомостьвиртуальная зрительная средасенсомоторный конфликтдвигательные функцииоператорская деятельность.Clement G., Gurfinkel V.S., Lestienne F. et al. Adaptation of Postural Control to Weightlessness // Exp. Brain Res. 1984. V. 57. № 1. P. 61.Clement G., Gurfinkel V.S., Lestienne F. et al. Changes in Posture during Transient Perturbations in Microgravity // Aviat. Space Environ. Med. 1985. V. 56. № 7. P. 666.Liddell E., Sherrington C. Reflexes in Response to Stretch (Myotatic Reflexes) // Proc. Roy. Soc. B: Biol. Sci. 1924. V. 96. № 675. P. 212.Магнус Р. Установка тела. М.–Л.: Изд. АН СССР, 1962. 624 с.Гурфинкель В.С., Левик Ю.С. Сенсорные комплексы и сенсомоторная интеграция // Физиология человека. 1979. Т. 5. № 3. С. 399. Gurfinkel V.S., Levik Yu.S. Sensory Complexes and Sensorimotor Integration // Human Physiology. 1979. V. 5. № 3. P. 269.Левик Ю.С. Управление движениями на основе системы внутреннего представления на Земле и в космосе // Физиология человека. 2021. Т. 47. № 3. С. 105. Levik Y.S. Motor Control Based on the Internal Representation System on the Earth and in Space // Human Physiology. 2021. V. 47. № 3. P. 335.Левик Ю.С. Исследования в космосе и новые концепции в физиологии движений // Авиакосм. и эколог. мед. 2020. Т. 54. № 6. С. 80.Clement G., Vieville T., Lestienne F., Berthoz A. Modification of gain asymmetry and beating field of vertical optokinetic after-nystagmus in microgravity // Neurosci. Lett. 1986. V. 63. № 3. P. 271.Thornton W.E., Uri J.J., Moore T., Pool S. Studies of the horizontal vestibulo-ocular reflex in spaceflight // Arch. Otolaryngol. Head Neck Surg. 1989. V. 115. № 8. P. 943.Andre-Deshays C., Israel I., Charade O. et al. Gaze control in microgravity. I. Saccades, pursuit, eye-head coordination // J. Vestib. Res. 1993. V. 3. № 3. P. 331.Israel I., Andre-Deshays C., Charade O. et al. Gaze control in microgravity. 2. Sequences of saccades toward memorized visual targets // J. Vestib. Res. 1993. V. 3. № 3. P. 345.Clement G., Popov K.E., Berthoz A. Effect of prolong weightlessness on horizontal and vertical optokinetic nystagmus in microgravity // Exp. Brain Res. 1993. V. 94. № 3. P. 456.Gurfinkel V.S., Lestienne F., Levik Yu.S., Popov K.E. Egocentric references and human spatial orientation in microgravity. I. Perception of complex tactile stimuli // Exp. Brain Res. 1993. V. 95. № 2. P. 339.Gurfinkel V.S., Lestienne F., Levik Yu.S., Popov K.E. Egocentric references and human spatial orientation in microgravity. II. Body-centered coordinates in the task of drawing ellipses with prescribed orientation // Exp. Brain Res. 1993. V. 95. № 2. P. 343.Papaxanthis C., Pozzo T., Popov K.E., McIntyre J. Hand trajectories of vertical arm movement in one-G environments // Exp. Brain Res. 1998. V. 120. № 4. P. 496.Липшиц М.И., Гурфинкель Е.В., Мацакис Й., Лестьен Ф. Влияние невесомости на сенсомоторное взаимодействие при операторской деятельности: проприоцептивные обратные связи // Авиакосм. и эколог. мед. 1993. Т. 27. № 1. С. 26.Липшиц М.И., Макинтайер Д., Поляков А.В. Исследования влияния невесомости на воспроизведение заданного положения при различных режимах работы рукоятки / Проблемы нейрокибернетики. Ростов-на–Дону, 1999. С. 96.Липшиц М.И., Гурфинкель Е.В., Мацакис Й., Лестьен Ф. Влияние невесомости на сенсомоторное взаимодействие при операторской деятельности: зрительная обратная связь, латентное время двигательного ответа // Авиакосм. и эколог. мед. 1993. Т. 27. № 2. С. 22.Lipshits M., McIntyre J. Haptic perception in weightlessness: a sense of force or effort? / 12th Man in Space Symposium, June 8–13, 1997. Abstract vol. Washington, USA, 1997. P. 36.Попов К.Е., Ролль Р., Липшиц М.И. и др. Ошибки целевых движений руки в условиях орбитального полета // Авиакосм. и эколог. мед. 1999. Т. 33. № 2. С. 3.Semjen A., Leone G., Lipshits M. Motor timing under microgravity // Acta Astronaut. 1998. V. 42. № 1–8. P. 303.Semjen A., Leone G., Lipshits M. Temporal control and motor control: two functional modules which may be influenced differentially during microgravity // Hum. Mov. Sci. 1998. V. 17. № 1. P. 77.Leone G., Lipshits M., McIntyre J., Gurfinkel V. Independence of bilateral symmetry detection from a gravitational reference frame // Spat. Vis. 1995. V. 9. № 1. P. 127.Leone G., De Schonen S., Lipshits M. Prolonged weightlessness, reference frame and visual symmetry detection // Acta Astronaut. 1998. V. 42. № 1–8. P. 281.De Schonen S., Leone G., Lipshits M. The face inversion effect in microgravity: Is gravity used as a spatial reference for complex object? // Acta Astronaut. 1998. V. 42. № 1–8. P. 287.Manzey J., Lorenz B., Polyakov V. Human performance during a 14 months space mission / 12th Man in Space Symposium. June 8–13, 1997. Abstract vol. Washington, 1997. P. 130.Leone G., Lipshits M., Gurfinkel V., Berthoz A. Is there an effect of weightlessness on mental rotation of three-dimentional objects? // Cogn. Brain Res. 1995. V. 2. № 4. P. 255.Липшиц М.И., Леон Ж., Гурфинкель В.С., Бертоз А. Исследование влияния невесомости на инерцию мысленного прослеживания движущихся объектов // Авиакосм. и эколог. мед. 1995. Т. 29. № 5. С. 20.Lipshits M., McIntyre J., Zaoui M. et al. Does gravity play an essential role in the asymmetrical visual perception of vertical and horizontal line length? // Acta Astronaut. 2001. V. 49. № 3–10. P. 123.Lipshits M., McIntyre J. Gravity affects the preferred vertical and horizontal in visual perception of orientation // NeuroReport. 1999. V. 10. № 5. P. 1085.Lipshits M., Bengoetxea A., Cheron G., McIntyre J. Two reference frames for visual perception in two gravity conditions // Perception. 2005. V. 34. № 5. P. 545.Липшиц М.И., Макинтайер Д. Роль гравитации в выполнении гаптической задачи сравнения // Физиология человека. 2007. Т. 33. № 1. С. 135. Lipshits M.I., McIntyre J. Role of gravitation in solving a haptic comparison problem // Human Physiology. 2007. V. 33. № 1. P. 120.McIntyre J., Lipshits M., Gurfinkel V., Berthoz A. Internal reference frame for visual-haptic coordination // Eur. J. Neurosci. 2000. V. 12. Suppl. 11. P. 151.McIntyre J., Lipshits M. Central processes amplify and transform anisotropies of the visual system in a test of visual-haptic coordination // J. Neurosci. 2008. V. 28. № 5. P. 1246.Tolman E.C. Cognitive maps in rat and man // Psychol. Rev. 1948. V. 55. № 4. P. 189.Vidal M., Lipshits M., McIntyre J., Berthoz A. Gravity and Spatial Orientation in Virtual 3D-Mazes // J. Vestib. Res. 2003. V. 13. № 4–6. P. 273.De Saedeleer C., Vidal M., Lipshits M. et al. Weightlessness alters up/down asymmetries in the perception of self-motion // Exp. Brain Res. 2013. V. 226. № 1. P. 95.Cohen M.M., Larsen C.A. Human spatial orientation in the pitch dimension // Pecep. Psychophys. 1974. V. 16. № 3. P. 508.Young L.R., Oman C.M., Dichgans J.M. Influence of head orientation on visually induced pitch and roll sensation // Aviat. Space Environ. Med. 1975. V. 46. № 3. P. 264.Cheron G., Leroy A., De Saedeleer C. et al. Effect of gravity on human spontaneous 10-Hz electroencephalographic oscillations during the arrest reaction // Brain Res. 2006. V. 1121. № 1. P. 104.Cheron G., Leroy A., Bengoetxea A. et al. Les neurosciences spatiales: l’électroencéphalographie dans la navigation virtuelle // Science Connection. 2006. № 10. P. 25.Cheron G., Leroy A., Palmero-Soler E. et al. Gravity Influences Top-Down Signals in Visual Processing // PLoS One. 2014. V. 9. № 1. P. e82371.Cebolla A.M., Petieau M., Palmero-Soler E., Cheron G. Brain potential responses involved in decision-making in weightlessness // Sci. Rep. 2022. V. 12. № 1. P. 12 992.Cebolla A.M., Petieau M., Dan B. et al. Cerebellar contribution to visuo-attentional alpha rhythm: insights from weightlessness // Sci. Rep. 2016. V. 6. P. 37 824.Takács E., Barkaszi I., Czigler I. et al. Persistent deterioration of visuospatial performance in spaceflight // Sci. Rep. 2021. V. 11. № 1. P. 9590.Morfoisse T., Herrera A.G., Angelini L. et al. Does gravity shape internal representations of space for human 3D perception? // bioRxiv. 2020. https://doi.org/10.1101/2020.03.23.003061Koller D.P., Kasanin V., Flynn–Evans E.E. et al. Altered sleep spindles and slow waves during space shuttle missions // NPJ Microgravity. 2021. V. 7. № 1. P. 48.Demertzi A., Van Ombergen A., Tomilovskaya E. et al. Cortical reorganization in an astronaut’s brain after long-duration spaceflight // Brain Struct. Funct. 2016. V. 221. № 5. P. 2873.Jillings S., Van Ombergen A., Tomilovskaya E. et al. Macro- and microstructural changes in cosmonauts' brains after long-duration spaceflight // Sci. Adv. 2020. V. 6. № 36. P. 9488.Hupfeld K.E., McGregor H.R., Lee J.K. et al. Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative. The Impact of 6 and 12 Months in Space on Human Brain Structure and Intracranial Fluid Shifts // Cereb. Cortex Commun. 2020. V. 1. № 1. P. tgaa023.Van Ombergen A., Demertzi A., Tomilovskaya E. et al. The effect of spaceflight and microgravity on the human brain // J. Neurol. 2017. V. 264. Suppl 1. P. 18.Arone A., Ivaldi T., Loganovsky K. et al. The Burden of Space Exploration on the Mental Health of Astronauts: A Narrative Review // Clin. Neuropsychiatry. 2021. V. 18. № 5. P. 237.Roma P.G., Schneiderman J.S., Schorn J.M. et al. Assessment of Spaceflight Medical Conditions’ and Treatments’ Potential Impacts on Behavioral Health and Performance // Life Sci. Space Res (Amst). 2021. V. 30. P. 72.Delle Monache S., Indovina I., Zago M. et al. Watching the Effects of Gravity. Vestibular Cortex and the Neural Representation of “Visual” Gravity // Front. Integr. Neurosci. 2021. V. 15. P. 793634.Kohn F.P.M., Ritzmann R. Gravity and neuronal adaptation, in vitro and in vivo-from neuronal cells up to neuromuscular responses: a first model // Eur. Biophys. J. 2018. V. 47. № 2. P. 97.Tays G.D., Hupfeld K.E., McGregor H.R. et al. The Effects of Long Duration Spaceflight on Sensorimotor Control and Cognition // Front. Neural Circuits. 2021. V. 15. P. 723504.