高強度運動鍛煉在載人航天飛行失重防護中的應用與展望

王子牛 李小濤* 呂松澤 蒙鵬君 張劍鋒 王惠娟

(1.西安電子科技大學特殊環境生理與體能訓練融合創新研究中心 陜西西安 710126;2.中國航天員科研訓練中心航天醫學基礎與應用國家重點實驗室 北京 735305)

長期太空飛行會導致人體運動能力下降，體育運動鍛煉是目前失重防護的核心措施［1］。現階段，用于太空失重防護的體育鍛煉器材主要為跑臺、功率自行車、抗阻力鍛煉裝備、彈力帶、下體負壓褲等，且每種器材都有著不同的訓練計劃，主要包括中低強度、高強度及組合式鍛煉［2］。當前，在空間站及地面模擬失重運動鍛煉防護實驗中，較多采用中低強度鍛煉，尤其是耐力性訓練更以中等強度為主，而中等強度鍛煉仍不能完全對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生［3］。當前，國際空間站的防護鍛煉計劃耗時較長，且并不能完全有效地對抗所有生理系統的機能失調。而短期高強度鍛煉即可提升無氧閾水平，而較長時間的高強度鍛煉可以提升耐力與最大攝氧量［4］。國外相關研究機構已通過地面模擬失重實驗對基于高強度運動鍛煉的失重防護方案進行了初步探討［5］。當前，我國載人航天飛行尚處于發展階段，中國空間站剛剛組建，我國航天員最大飛行時長尚不足兩個月，長期載人航天飛行面臨的失重問題及其防護措施的有效性有待進一步驗證和優化。因此，該文對當前基于運動鍛煉的防護方案分類綜述，旨在為中國航天員的失重防護鍛煉提供新的思路和借鑒。

1 基于耐力性運動鍛煉的失重防護

1.1 用于失重防護的耐力運動鍛煉措施

在運動員訓練中常用于耐力訓練的方式有跑步、騎功率自行車、劃船機等。基于失重環境下的耐力訓練方式在一定程度上有別于普通訓練方式，如地面模擬失重實驗中太空跑臺鍛煉，將人體呈-6°頭低位平躺，身體兩側采用兩根牽引帶，沿Z 軸足向牽拉，使志愿者下肢承受一定體重比例的力負荷。模擬失重環境的自行車、劃船機鍛煉同樣采用-6°頭低臥位進行［1］。當前，空間站上的耐力鍛煉防護主要采用太空跑臺、功率自行車等設備。其中跑臺力負荷來自足向牽引帶；自行車負荷來自電磁阻尼；抗阻鍛煉裝置的負荷來自飛輪慣性阻力［3］。

1.2 中低強度耐力鍛煉的失重防護

當前，在國際空間站（ISS）工作的美國航天員采用55%最大攝氧量（VO2max）對應的中等強度有氧鍛煉作為失重防護手段（防護鍛煉方案見表1、表2），但結果發現，鍛煉持續時間45min仍不能完全對抗失重所引發人體的相關不良生理效應，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30%以上［3］。以往研究表明，基于中等強度的運動鍛煉失重防護方案并不能完全有效地防護長期失重飛行后出現的下肢肌肉萎縮、立位耐力不良、心血管能力降低等不良反應［2-3］。

表1 國際空間站有氧運動鍛煉執行方案

表2 國際空間站抗阻鍛煉執行方案

1.3 高強度間歇耐力鍛煉的失重防護

長期高強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］。高強度間歇訓練被廣泛地運用在精英運動員的體能訓練中，研究表明，高強度間歇訓練與傳統的低強度長間歇訓練相比有著更好的生理適應性［7］，Tabata等采用6周時間對比了70%VO2max強度每次60min 的有氧訓練和每次7～8組170%VO2max強度持續20s，間隔休息10s的高強度間歇訓練兩種訓練策略的訓練效果，研究結果發現，中等強度持續運動鍛煉僅提高了有氧運動能力，而高強度間歇鍛煉可同時有效提高有氧和無氧運動能力［8］。Bouaziz 等的研究表明，高強度間歇訓練相比于傳統有氧耐力訓練，最大攝氧量增益更大［9］。Kemmler等研究表明，在高強度間歇訓練與高強度阻力（HITRT）的鍛煉計劃中，二者均顯著影響了心臟指數（SVI）和心肌質量指數（MMI），高強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

2.1 中低強度抗阻鍛煉的失重防護

阻力鍛煉能夠有效提高肌肉力量，保持肌肉圍度。用于失重防護的抗阻力鍛煉通常使用飛輪抗阻力訓練器、拉力帶等設備進行［2］。Ashton 等［11］研究發現，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險。Okamoto 等［12］采用中低負荷40%1RM 持續運動至力竭，分別在30min 和60min 檢測頸動脈順應性與動脈硬化指數后，發現運動后動脈順應性增加，動脈硬化指數減少。相比同等負荷量的低強度訓練，高強度抗阻鍛煉可以顯著提升肌肉質量和力量，大負荷抗阻鍛煉會降低動脈順應性，增加動脈硬度，以及脈搏波反射，盡管這一發現并不普遍，但短時間的大負荷抗阻鍛煉會顯著降低動脈順應性并增加動脈硬度，并且這種效果會持續約60min［13-16］。

2.2 高強度抗阻鍛煉的失重防護

當前，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7次的高負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、肌肉圍度及關節力量［17］。Alkne等采用為期90天的頭低位臥床模擬失重實驗，對高強度抗阻鍛煉的失重防護進行了驗證，研究表明，每周2次，每次4組，最大重復7次的深蹲，和每次4組，重復14次的提踵的高強度抗阻力鍛煉可有效對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，對抗神經肌肉功能的下降，同時在一定程度上預防爆發力的下降［19］。

3 耐力與抗阻鍛煉相結合的失重防護

3.1 中低強度耐力鍛煉聯合抗阻鍛煉

Lee 等在模擬失重實驗中將高負荷飛輪抗阻力鍛煉和中等強度遞增負荷下體負壓跑臺鍛煉相結合，結果發現體負壓能夠有效模擬直立運動的人體血流動力學特征，單純的下體負壓鍛煉方案對志愿者心肺能力的防護作用并不顯著，下體負壓與高負荷飛輪抗阻力鍛煉和高強度跑臺相結合的鍛煉可對志愿者的耐力、力量表現及肌維度進行有效防護，對立位血容量及體位改變引起的心血管功能失調起到一定的改善作用，但對志愿者立位耐力不良的防護效果并不理想，但基本能夠有效維持有氧運動能力［20］。Guinet等對有氧耐力鍛煉和抗阻鍛煉相結合的失重防護效果進行了研究，結果表明，組合鍛煉方案可減輕腰椎旁脊柱肌肉結構及功能的下降［21］。Miller 等研究發現單純跑臺鍛煉可有效防護男性受試者的平衡能力，而對女性單腿平衡能力的防護效果有限，男性與女性的沖刺能力、最大攝氧量也能得到有效的保護［22］。耿捷等對頭低位臥床模擬失重期間的志愿者，分別采用中低強度自行車鍛煉和中等強度負荷下蹲、提踵的失重防護效果進行了實驗研究，對比持續25 天，每周6 天的60%～90%VO2max遞增負荷功率自行車耐力鍛煉和每周6 天，每次5組，重復5次的60%～80%最大負荷深蹲結合每次5 組，每組重復10 次的60%～80%最大負荷提踵鍛煉的防護方案，結果表明，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心血管功能的防護效果更佳，同時立位耐力、最大運動時間得以有效維持［23］。

3.2 高強度耐力鍛煉聯合抗阻鍛煉

國外相關研究團隊對抗阻鍛煉與高強度間歇有氧鍛煉相結合的防護方案進行了驗證（鍛煉方案如圖1所示），Miller 通過與在軌飛行的航天員對比，結后發現，航天員體能大幅度下降，在感知運動測試中，姿勢和運動中的步態控制能力下降，心率也隨之升高，地面對照組與鍛煉組都經歷了體能和平衡的降低，但鍛煉組防止了神經肌肉與心血管能力的有害變化［22］。Giovanni等研究發現，該鍛煉方案對眼功能的影響效果并不明顯［5］，但該鍛煉方案可有效對抗模擬失重所致的感知能力表現下降［24］。

圖1 抗阻力聯合高強度有氧訓練綜合方案

Blottner D等的研究發現，在為期60天的頭低位臥床地面模擬失重實驗中，鍛煉組分別進行每周6次80%～90%的體重負荷（BW）單腿跳躍（訓練量由2組12次到4組15次逐步增加）和垂直縱跳（訓練量由10組3次到1 組12 次逐步增加），對照組不做任何運動鍛煉，結果發現，對照組由于長期臥床而導致下肢骨骼肌的肌纖維類型發生了由I型到II型的轉變，并引發毛細血管網稀疏，肌肉圍度下降，而鍛煉組顯著減輕了模擬失重的影響［1］。Kramer 等研究發現，80%～90%的BW高強度下肢跳躍訓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 等研究發現，高強度下肢跳躍鍛煉并不能有效保護腦血流（CBF）的改變與腰椎旁肌肉的萎縮［26］。但Ritzmann等的研究發現，該高強度下肢跳躍鍛煉可有效對抗模擬失重所致功能性活動度減小，同時可有效縮短模擬失重后志愿者相關生理機能的恢復時間［27］。高強度的抗阻鍛煉可有效促進肌蛋白合成、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，或許能夠相互補充，獲取更為有效的防護效果［31］。

4 結語

基于中小強度運動鍛煉的失重防護效果并不理想；高強度、高負荷訓練具有肌肉與神經刺激程度大、心血管功能可被快速調動等優勢，能夠通過較短時間達到較好的鍛煉和防護效果，從而有效節省航天員的防護鍛煉時間。但大刺激意味著較高的運動風險，將中等強度、中等負荷與高強度、高負荷交替進行，抗阻鍛煉與耐力鍛煉相結合發揮各自優勢，制訂基于多維度的綜合運動鍛煉失重防護方案，或許能更為有效提升現有鍛煉方案的失重防護效果并大幅度縮減失重防護鍛煉的耗時。