Praca w NASA i kariera astronauty 1994 – w listopadzie rozpoczął pracę w Klinice Medycyny Lotniczej (Flight Medicine Clinic) w Centrum Lotów Kosmicznych imienia Lyndona B. Johnsona. 1996–1998 – od lutego 1996 do maja 1997 był lekarzem personelu NASA przebywającego w Centrum Wyszkolenia Kosmonautów im. J. Gagarina w Gwiezdnym Miasteczku pod Moskwą. Podczas czterech załogowych misji NASA na rosyjską stację kosmiczną Mir Marshburn pracował w zespole wsparcia w centrum kontroli lotu w mieście Korolow. Od lipca 1997 do sierpnia 1998 był współodpowiedzialnym za działania medyczne podczas programu Shuttle-Mir. 1998–2000 – w czasie przygotowań do misji STS-98 oraz STS-101 kierował personelem medycznym. 1999 – po raz pierwszy starał się o przyjęcie do korpusu astronautów NASA podczas 18 naboru. Znalazł się wśród 123 finalistów, ale ostatecznie nie został przyjęty. 2001–2003 – przez 10 miesięcy był przedstawicielem NASA przy National Space Biomedical Research Institute w Bostonie (Massachusetts). Później pracował w Rosji, Kazachstanie oraz Houston w Stanach Zjednoczonych podczas przygotowań i misji Ekspedycji 7 na ISS. 2004 – 6 maja został członkiem 19 grupy amerykańskich astronautów. W czerwcu w Johnson Space Center rozpoczął przeszkolenie specjalistyczne, w ramach którego m.in.