Des environnements professionnels analogues au défi spatial : étude des réponses adaptatives au stress et contre-mesures de santé pour un maintien opérationnel sous contrainte

Occupational analogs environments to the space challenge : Study of adaptive responses to stress and health countermeasures for operational support under constraint

• Auteur / Autrice : Barbara Le Roy
• Direction : Charles Martin-Krumm, Marion Trousselard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 04/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale BioSE - Biologie, Santé, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Adaptation, mesure et évaluation en santé. Approches interdisciplinaires
• Jury : Président / Présidente : Olivier Gapenne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charles Martin-Krumm, Marion Trousselard, Angelique Van Ombergen, Olivier Manen, Anne Pavy-Le Traon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Gapenne, Angelique Van Ombergen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biologie spatiale

Santé et hygiène

Spationautes

Adaptation (physiologie)

Effets du vol spatial

Médecine

Vol spatial -- Effets physiologiques

Mots clés libres

Adaptation

Analogues spatiaux

Ldse

Contre-Mesures

Stress

Adaptation

Space analogs

Ldse

Countermeasures

Stress

Résumé

A l’aube des prochaines missions spatiales de longue durée, explorer les étoiles n’a jamais été aussi réel. Ces missions exposeront les astronautes à des conditions de vie extrêmes auxquelles ils devront s’adapter. Des conditions similaires existent dans plusieurs environnements analogues sur Terre, et leurs études peuvent fournir une opportunité pour améliorer la compréhension des défis que pose l’adaptation de l’être humain sous contrainte. Ces milieux peuvent être marqués par un climat vigoureux, une absence de lumière naturelle, un danger extrême, des installations et des fournitures limitées, l’isolement des proches ou l’interaction obligatoire avec les membres de l’équipage. Ils sont rarement rencontrés par la plupart des êtres humains et concernent principalement certaines professions dans le cadre de missions limitées. L’objectif de cette Thèse est ainsi (1) d’étudier l’impact des environnements analogues à l’espace sur les capacités adaptatives humaines (i.e., psychologiques, cognitives, physiologiques et sensorielles) ; et (2) d’identifier des profils à risque au cours de la mission et d’évaluer des contre- mesures de santé pour maintenir la santé et les performances des astronautes.L’impact de cinq environnements analogues à l’espace (i.e., vols paraboliques en microgravité et gravité partielle, simulation au risque nucléaire, radiologique, biologique et chimique, simulation de survie en mer, sous-marin nucléaire lanceur d’engins, base de recherche en Antarctique) a été étudié. Ces analogues ont été choisis comme modèle pour cibler différentes temporalités des missions spatiales (e.g., trajet, danger, confinement, durée) et intégrer les contraintes d’isolement, de confinement, d’inhabituel, voire d’extrême. Des profils d’adaptation ont été établis par un modèlede réseau d’interactions psychosensorielles et par un modèle de machine learning appliqué au fonctionnement intéroceptif et parasympathique avant le départ en mission. L’exploration de trois contre-mesures a été conduite à travers une revue de la littérature sur les technologies et programmes permettant d’améliorer l’intégration des informations sensorielles internes, le développement d’un outil permettant une activité physique immersive pour améliorer l’état de présence en renforçant les bénéfices de l’activité physique ainsi que la stimulation de la branche auriculaire du nerf vague afin de renforcer l’activité parasympathique du système nerveux autonome.Les résultats mettent en évidence une carte des effets bénéfiques et négatifs qui demandent à être confirmés avant des applications aux milieux écologiques. Il ressort de ces 11 études scientifiques que l’adaptation est un processus multifactoriel, non linéaire au cours du temps et qui implique que les équipages soient suffisamment sélectionnés et entrainés. L’intelligence artificielle a le potentiel de notamment pouvoir identifier des profils d’adaptation sur l’état psychophysiologique avant le départ. Par ailleurs, nos résultats ont révélé la nécessité de cibler des contre-mesures qui renforcent les voies intéroceptives et le tonus vagal pour maintenir les performances des membres de l’équipage.Ainsi, l’ensemble de ces travaux permettent de mettre en évidence certains enjeux posés par les missions spatiales de demain. Nos résultats donnent un aperçu de leurs impacts physiologiques, cognitifs, sensoriels et comportementaux afin de mieux comprendre comment les êtres humains sont capables d’adaptation. Ils fournissent un cadre pour l’étude de l’adaptation sous contrainte, particulièrement important à la lumière des prochaines expéditions spatiales plus longues vers des destinations plus lointaines.

As dawn breaks on the next phase of long-duration space missions, exploring the stars has never seemed so possible. The next generation of astronauts will have to adapt to extreme living conditions. Similar conditions can be found in various analog environments on Earth, and their study is an opportunity to improve our understanding of human adaptation under stress. These environments are marked by intense climatic conditions, a lack of natural light, extreme danger, limited facilities and supplies, isolation from loved ones, and unavoidable interactions with other crew members. They are rarely encountered by most human beings, and are mainly the domain of certain professions who spend a limited time in them. The aim of this thesis is thus: (1) to study the impact of space analog environments on human adaptive capacities (psychological, cognitive, physiological and sensory); and (2) to identify profiles of people who are at risk of maladaptation during the mission, and to evaluate countermeasures that can help to maintain the health and performance of astronauts.Five space analog environments (parabolic flight in partial and microgravity, a simulated nuclear, radiological, biological and chemical attack, a survival at sea exercise, life onboard a nuclear-powered ballistic missile submarine, and an Antarctic research base) were studied. These analogs were chosen as they correspond to various aspects of a space mission (the journey, danger, confinement, duration) and reflect the constraints found in space (isolation, confinement, the unusual, the extreme). Adaptation profiles were identified by modelling the network of psychosensory interactions, anda machine learning model applied to interoceptive and parasympathetic functioning prior to departure. A review of the literature on technologies and programs identified three countermeasures: a method to improve the integration of internal sensory information; the development of an immersive tool that enhances presence by reinforcing the benefits of physical activity; and stimulation of the auricular branch of the vagus nerve to enhance parasympathetic activity in the autonomic nervous system.While the results identify both beneficial and negative effects, they must be confirmed before they can be applied to ecological environments. The reported 11 scientific studies show that adaptation is a non-linear, multi-factorial process, and that crews must be carefully selected and well- trained. Artificial intelligence may be able to identify adaptation profiles based on the individual’s psychophysiological state prior to departure. Finally, the findings identify the need to target countermeasures that strengthen interoceptive pathways and vagal tone to maintain crew members’ performance.Overall, this work highlights some of the challenges of future space missions. The results provide an insight into their expected physiological, cognitive, sensory, and behavioral impacts, and provide an insight into how human beings adapt. They provide a framework for the study of adaptation under stress, which is particularly important in the light of future long duration space expeditions to more distant destinations.