高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)鍛煉在載人航天飛行失重防護(hù)中的應(yīng)用與展望

王子牛 李小濤* 呂松澤 蒙鵬君 張劍鋒 王惠娟

(1.西安電子科技大學(xué)特殊環(huán)境生理與體能訓(xùn)練融合創(chuàng)新研究中心 陜西西安 710126;2.中國航天員科研訓(xùn)練中心航天醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 735305)

長期太空飛行會(huì)導(dǎo)致人體運(yùn)動(dòng)能力下降，體育運(yùn)動(dòng)鍛煉是目前失重防護(hù)的核心措施［1］。現(xiàn)階段，用于太空失重防護(hù)的體育鍛煉器材主要為跑臺(tái)、功率自行車、抗阻力鍛煉裝備、彈力帶、下體負(fù)壓褲等，且每種器材都有著不同的訓(xùn)練計(jì)劃，主要包括中低強(qiáng)度、高強(qiáng)度及組合式鍛煉［2］。當(dāng)前，在空間站及地面模擬失重運(yùn)動(dòng)鍛煉防護(hù)實(shí)驗(yàn)中，較多采用中低強(qiáng)度鍛煉，尤其是耐力性訓(xùn)練更以中等強(qiáng)度為主，而中等強(qiáng)度鍛煉仍不能完全對(duì)抗失重所致的腿部肌肉萎縮，肌肉蛋白流失、肌肉力量減弱、肌力峰值功率降低、肌肉募集能力下降，且心肺功能下降、骨密度減少等情況仍有發(fā)生［3］。當(dāng)前，國際空間站的防護(hù)鍛煉計(jì)劃耗時(shí)較長，且并不能完全有效地對(duì)抗所有生理系統(tǒng)的機(jī)能失調(diào)。而短期高強(qiáng)度鍛煉即可提升無氧閾水平，而較長時(shí)間的高強(qiáng)度鍛煉可以提升耐力與最大攝氧量［4］。國外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已通過地面模擬失重實(shí)驗(yàn)對(duì)基于高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)鍛煉的失重防護(hù)方案進(jìn)行了初步探討［5］。當(dāng)前，我國載人航天飛行尚處于發(fā)展階段，中國空間站剛剛組建，我國航天員最大飛行時(shí)長尚不足兩個(gè)月，長期載人航天飛行面臨的失重問題及其防護(hù)措施的有效性有待進(jìn)一步驗(yàn)證和優(yōu)化。因此，該文對(duì)當(dāng)前基于運(yùn)動(dòng)鍛煉的防護(hù)方案分類綜述，旨在為中國航天員的失重防護(hù)鍛煉提供新的思路和借鑒。

1 基于耐力性運(yùn)動(dòng)鍛煉的失重防護(hù)

1.1 用于失重防護(hù)的耐力運(yùn)動(dòng)鍛煉措施

在運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練中常用于耐力訓(xùn)練的方式有跑步、騎功率自行車、劃船機(jī)等。基于失重環(huán)境下的耐力訓(xùn)練方式在一定程度上有別于普通訓(xùn)練方式，如地面模擬失重實(shí)驗(yàn)中太空跑臺(tái)鍛煉，將人體呈-6°頭低位平躺，身體兩側(cè)采用兩根牽引帶，沿Z 軸足向牽拉，使志愿者下肢承受一定體重比例的力負(fù)荷。模擬失重環(huán)境的自行車、劃船機(jī)鍛煉同樣采用-6°頭低臥位進(jìn)行［1］。當(dāng)前，空間站上的耐力鍛煉防護(hù)主要采用太空跑臺(tái)、功率自行車等設(shè)備。其中跑臺(tái)力負(fù)荷來自足向牽引帶；自行車負(fù)荷來自電磁阻尼；抗阻鍛煉裝置的負(fù)荷來自飛輪慣性阻力［3］。

1.2 中低強(qiáng)度耐力鍛煉的失重防護(hù)

當(dāng)前，在國際空間站（ISS）工作的美國航天員采用55%最大攝氧量（VO2max）對(duì)應(yīng)的中等強(qiáng)度有氧鍛煉作為失重防護(hù)手段（防護(hù)鍛煉方案見表1、表2），但結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鍛煉持續(xù)時(shí)間45min仍不能完全對(duì)抗失重所引發(fā)人體的相關(guān)不良生理效應(yīng)，長期航天飛行后，航天員的最大攝氧量仍然降低6%以上，有的甚至降低達(dá)30%以上［3］。以往研究表明，基于中等強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)鍛煉失重防護(hù)方案并不能完全有效地防護(hù)長期失重飛行后出現(xiàn)的下肢肌肉萎縮、立位耐力不良、心血管能力降低等不良反應(yīng)［2-3］。

表1 國際空間站有氧運(yùn)動(dòng)鍛煉執(zhí)行方案

表2 國際空間站抗阻鍛煉執(zhí)行方案

1.3 高強(qiáng)度間歇耐力鍛煉的失重防護(hù)

長期高強(qiáng)度耐力性鍛煉可改善血脂的狀況，增加高密度脂蛋白，降低低密度脂蛋白和總膽固醇［6］。高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練被廣泛地運(yùn)用在精英運(yùn)動(dòng)員的體能訓(xùn)練中，研究表明，高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練與傳統(tǒng)的低強(qiáng)度長間歇訓(xùn)練相比有著更好的生理適應(yīng)性［7］，Tabata等采用6周時(shí)間對(duì)比了70%VO2max強(qiáng)度每次60min 的有氧訓(xùn)練和每次7～8組170%VO2max強(qiáng)度持續(xù)20s，間隔休息10s的高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練兩種訓(xùn)練策略的訓(xùn)練效果，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中等強(qiáng)度持續(xù)運(yùn)動(dòng)鍛煉僅提高了有氧運(yùn)動(dòng)能力，而高強(qiáng)度間歇鍛煉可同時(shí)有效提高有氧和無氧運(yùn)動(dòng)能力［8］。Bouaziz 等的研究表明，高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練相比于傳統(tǒng)有氧耐力訓(xùn)練，最大攝氧量增益更大［9］。Kemmler等研究表明，在高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練與高強(qiáng)度阻力（HITRT）的鍛煉計(jì)劃中，二者均顯著影響了心臟指數(shù)（SVI）和心肌質(zhì)量指數(shù)（MMI），高強(qiáng)度間歇鍛煉組在心臟代謝，尤其是心臟功能上的提升效果顯著［10］。

2 抗阻鍛煉的失重防護(hù)

2.1 中低強(qiáng)度抗阻鍛煉的失重防護(hù)

阻力鍛煉能夠有效提高肌肉力量，保持肌肉圍度。用于失重防護(hù)的抗阻力鍛煉通常使用飛輪抗阻力訓(xùn)練器、拉力帶等設(shè)備進(jìn)行［2］。Ashton 等［11］研究發(fā)現(xiàn)，短期、中期和長期抗阻力鍛煉可有效改善健康成人的不良心臟代謝風(fēng)險(xiǎn)。Okamoto 等［12］采用中低負(fù)荷40%1RM 持續(xù)運(yùn)動(dòng)至力竭，分別在30min 和60min 檢測(cè)頸動(dòng)脈順應(yīng)性與動(dòng)脈硬化指數(shù)后，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)后動(dòng)脈順應(yīng)性增加，動(dòng)脈硬化指數(shù)減少。相比同等負(fù)荷量的低強(qiáng)度訓(xùn)練，高強(qiáng)度抗阻鍛煉可以顯著提升肌肉質(zhì)量和力量，大負(fù)荷抗阻鍛煉會(huì)降低動(dòng)脈順應(yīng)性，增加動(dòng)脈硬度，以及脈搏波反射，盡管這一發(fā)現(xiàn)并不普遍，但短時(shí)間的大負(fù)荷抗阻鍛煉會(huì)顯著降低動(dòng)脈順應(yīng)性并增加動(dòng)脈硬度，并且這種效果會(huì)持續(xù)約60min［13-16］。

2.2 高強(qiáng)度抗阻鍛煉的失重防護(hù)

當(dāng)前，國際空間站上歐美航天員的抗阻鍛煉主要采用飛輪抗阻力鍛煉裝置（iRED）［3］。Owerkowicz 等研究了每周2次，每次4組，重復(fù)7次的高負(fù)荷深蹲的飛輪抗阻鍛煉能夠有效提高最大攝氧量、最大力量、肌肉圍度及關(guān)節(jié)力量［17］。Alkne等采用為期90天的頭低位臥床模擬失重實(shí)驗(yàn)，對(duì)高強(qiáng)度抗阻鍛煉的失重防護(hù)進(jìn)行了驗(yàn)證，研究表明，每周2次，每次4組，最大重復(fù)7次的深蹲，和每次4組，重復(fù)14次的提踵的高強(qiáng)度抗阻力鍛煉可有效對(duì)抗模擬失重所致的肌肉力量下降［18］。Belavy等的研究也表明，通過飛輪抗阻力鍛煉能夠有效防止下肢的肌肉萎縮，對(duì)抗神經(jīng)肌肉功能的下降，同時(shí)在一定程度上預(yù)防爆發(fā)力的下降［19］。

3 耐力與抗阻鍛煉相結(jié)合的失重防護(hù)

3.1 中低強(qiáng)度耐力鍛煉聯(lián)合抗阻鍛煉

Lee 等在模擬失重實(shí)驗(yàn)中將高負(fù)荷飛輪抗阻力鍛煉和中等強(qiáng)度遞增負(fù)荷下體負(fù)壓跑臺(tái)鍛煉相結(jié)合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)體負(fù)壓能夠有效模擬直立運(yùn)動(dòng)的人體血流動(dòng)力學(xué)特征，單純的下體負(fù)壓鍛煉方案對(duì)志愿者心肺能力的防護(hù)作用并不顯著，下體負(fù)壓與高負(fù)荷飛輪抗阻力鍛煉和高強(qiáng)度跑臺(tái)相結(jié)合的鍛煉可對(duì)志愿者的耐力、力量表現(xiàn)及肌維度進(jìn)行有效防護(hù)，對(duì)立位血容量及體位改變引起的心血管功能失調(diào)起到一定的改善作用，但對(duì)志愿者立位耐力不良的防護(hù)效果并不理想，但基本能夠有效維持有氧運(yùn)動(dòng)能力［20］。Guinet等對(duì)有氧耐力鍛煉和抗阻鍛煉相結(jié)合的失重防護(hù)效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，組合鍛煉方案可減輕腰椎旁脊柱肌肉結(jié)構(gòu)及功能的下降［21］。Miller 等研究發(fā)現(xiàn)單純跑臺(tái)鍛煉可有效防護(hù)男性受試者的平衡能力，而對(duì)女性單腿平衡能力的防護(hù)效果有限，男性與女性的沖刺能力、最大攝氧量也能得到有效的保護(hù)［22］。耿捷等對(duì)頭低位臥床模擬失重期間的志愿者，分別采用中低強(qiáng)度自行車鍛煉和中等強(qiáng)度負(fù)荷下蹲、提踵的失重防護(hù)效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比持續(xù)25 天，每周6 天的60%～90%VO2max遞增負(fù)荷功率自行車耐力鍛煉和每周6 天，每次5組，重復(fù)5次的60%～80%最大負(fù)荷深蹲結(jié)合每次5 組，每組重復(fù)10 次的60%～80%最大負(fù)荷提踵鍛煉的防護(hù)方案，結(jié)果表明，抗阻鍛煉在一定程度上可以改善心血管功能、維持體重、肌肉維度等，而功率自行車鍛煉對(duì)心血管功能的防護(hù)效果更佳，同時(shí)立位耐力、最大運(yùn)動(dòng)時(shí)間得以有效維持［23］。

3.2 高強(qiáng)度耐力鍛煉聯(lián)合抗阻鍛煉

國外相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)抗阻鍛煉與高強(qiáng)度間歇有氧鍛煉相結(jié)合的防護(hù)方案進(jìn)行了驗(yàn)證（鍛煉方案如圖1所示），Miller 通過與在軌飛行的航天員對(duì)比，結(jié)后發(fā)現(xiàn)，航天員體能大幅度下降，在感知運(yùn)動(dòng)測(cè)試中，姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)中的步態(tài)控制能力下降，心率也隨之升高，地面對(duì)照組與鍛煉組都經(jīng)歷了體能和平衡的降低，但鍛煉組防止了神經(jīng)肌肉與心血管能力的有害變化［22］。Giovanni等研究發(fā)現(xiàn)，該鍛煉方案對(duì)眼功能的影響效果并不明顯［5］，但該鍛煉方案可有效對(duì)抗模擬失重所致的感知能力表現(xiàn)下降［24］。

圖1 抗阻力聯(lián)合高強(qiáng)度有氧訓(xùn)練綜合方案

Blottner D等的研究發(fā)現(xiàn)，在為期60天的頭低位臥床地面模擬失重實(shí)驗(yàn)中，鍛煉組分別進(jìn)行每周6次80%～90%的體重負(fù)荷（BW）單腿跳躍（訓(xùn)練量由2組12次到4組15次逐步增加）和垂直縱跳（訓(xùn)練量由10組3次到1 組12 次逐步增加），對(duì)照組不做任何運(yùn)動(dòng)鍛煉，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)照組由于長期臥床而導(dǎo)致下肢骨骼肌的肌纖維類型發(fā)生了由I型到II型的轉(zhuǎn)變，并引發(fā)毛細(xì)血管網(wǎng)稀疏，肌肉圍度下降，而鍛煉組顯著減輕了模擬失重的影響［1］。Kramer 等研究發(fā)現(xiàn)，80%～90%的BW高強(qiáng)度下肢跳躍訓(xùn)練保持了下肢峰值力量的輸出，防止了瘦體重、心臟泵血功能與呼吸能力的降低，且高強(qiáng)度鍛煉組的靜息心率與臥床前并無差異［25］。雖然Ogoh 等研究發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度下肢跳躍鍛煉并不能有效保護(hù)腦血流（CBF）的改變與腰椎旁肌肉的萎縮［26］。但Ritzmann等的研究發(fā)現(xiàn)，該高強(qiáng)度下肢跳躍鍛煉可有效對(duì)抗模擬失重所致功能性活動(dòng)度減小，同時(shí)可有效縮短模擬失重后志愿者相關(guān)生理機(jī)能的恢復(fù)時(shí)間［27］。高強(qiáng)度的抗阻鍛煉可有效促進(jìn)肌蛋白合成、骨密度提升、肌肉圍度和肌肉力量增加［28，29］，而高強(qiáng)度的耐力鍛煉可有效改善心血管功能［30］，若采取適宜的組合方案，或許能夠相互補(bǔ)充，獲取更為有效的防護(hù)效果［31］。

4 結(jié)語

基于中小強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)鍛煉的失重防護(hù)效果并不理想；高強(qiáng)度、高負(fù)荷訓(xùn)練具有肌肉與神經(jīng)刺激程度大、心血管功能可被快速調(diào)動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，能夠通過較短時(shí)間達(dá)到較好的鍛煉和防護(hù)效果，從而有效節(jié)省航天員的防護(hù)鍛煉時(shí)間。但大刺激意味著較高的運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，將中等強(qiáng)度、中等負(fù)荷與高強(qiáng)度、高負(fù)荷交替進(jìn)行，抗阻鍛煉與耐力鍛煉相結(jié)合發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，制訂基于多維度的綜合運(yùn)動(dòng)鍛煉失重防護(hù)方案，或許能更為有效提升現(xiàn)有鍛煉方案的失重防護(hù)效果并大幅度縮減失重防護(hù)鍛煉的耗時(shí)。