超等長收縮鍛煉在失重生理效應防護中的應用進展

劉書娟， 王林杰， 王顏晴， 汪 毅，2， 張劍鋒， 戴小倩， 王惠娟

(1.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 100094；2.北京體育大學運動醫學與康復系， 北京 100084)

1 引言

載人航天飛行任務中，航天員在軌每天要進行體育鍛煉以對抗失重生理效應。 國際空間站航天員每天在軌鍛煉時間長達2.5 h，在2009 年引入高強間歇鍛煉方案后鍛煉時間仍需1.5 ～2 h[1]。 即使進行了長時間鍛煉，仍然不能完全對抗失重導致的生理效應，國際空間站航天員在軌飛行6 個月后，最大耗氧量降低6.1%，膝關節伸肌峰值扭矩降低5.8%，股骨頸骨密度降低1.7%，防護效果依然亟待提升[2]。

失重生理效應防護措施包括有氧鍛煉和力量鍛煉，而這2 種鍛煉會存在干擾效應，降低彼此的鍛煉效果[3-6]。 為減小干擾效應，力量訓練應在耐力鍛煉之前進行，至少間隔4 h 以上。 但是實際執行時由于時間限制或乘員個人偏好等原因，不能很好地遵守該原則，只能盡可能避免背對背(即一次緊接著另一次)訓練，解決這一問題的一個辦法就是只使用一種鍛煉方式[7]。

為提高防護效果和防護效率，航天醫學領域不斷探索新型高效防護措施。 近年研究發現，超等長收縮鍛練應用于模擬失重頭低位臥床實驗中對抗失重生理效應，展現出了獨特的優勢。 超等長收縮鍛煉最初通過一種跳深的方法來提高運動員的彈跳能力，即運動員從一定高度落下后又迅速向上或者向前跳起的動作練習，是指骨骼肌工作時先做離心式拉長，繼而做向心式收縮的一種復合收縮形式，其核心是拉伸-縮短周期循環(Stretch Shortening Cycle， SSC)[8-9]。 肌肉在離心收縮時，肌梭受到快速牽拉導致牽張反射的產生，反射性地引起工作肌產生主動收縮，使肌肉中的能量最大限度地被貯存起來，在隨后的向心收縮中爆發式釋放出來，使肌肉的收縮更加迅速、有力，對骨胳產生更高的應變力和應變率。

超等長收縮訓練的關鍵要素包括肌肉牽拉速度、肌肉牽拉長度、離心向心收縮的耦聯時間。 在一定范圍內，肌肉牽拉長度越大，肌肉彈性成分貯存的形變勢能越多；肌肉牽拉速度越快，肌梭的反應越強烈，牽張反射越明顯，肌肉產生的張力越大；離心向心收縮的耦聯時間是保證離心收縮時產生的彈性勢能轉化為向心收縮時動能的關鍵條件。 滿足以上3 個關鍵要素即可稱之為超等長收縮訓練，快速、連續跳躍是最經典的超等長收縮訓練。 超等長收縮鍛煉耗時越短，越能提高肌肉爆發力，提高肌肉的最大力量，增大肌肉體積，保護骨骼肌超微結構[10-11]，近年來已被應用到失重生理效應防護研究中。

2 在模擬失重防護研究中的應用

-6°頭低位臥床是地面模擬失重生理效應的公認模型，被廣泛應用于研究模擬失重生理效應及機制和驗證失重生理效應防護措施的有效性。在德國航空航天中心( Deutsches Zentrum für Luftund Raumfahrt e. V.，DLR) 聯合康斯坦茨大學、弗萊堡大學開展的-6°60 d 頭低位臥床實驗中，應用了臥位模擬失重超等長收縮鍛煉來對抗失重生理效應，實驗中設置了-6°頭低位臥床模擬失重對照組和超等長收縮鍛煉防護組[12-17]。

對照組不進行任何鍛煉，超等長收縮鍛煉防護組利用模擬失重超等長收縮鍛煉平臺進行鍛煉，該平臺通過2 個環繞肩部的帶子將志愿者與平臺相連，實現水平方向的自然移動(圖1)。 將志愿者拉向力板的力由低壓氣缸產生，通過改變氣缸的壓力可產生0 ～1800 N 的力。 該平臺可通過2 個力板記錄地面反作用力，平臺底部的反饋監視器用于提供實時反饋(例如跳躍高度或峰值力量)。 超等長收縮鍛煉防護組每天進行4×12次下蹲跳和2×15 次直立跳躍，每組的跳躍間隔時間為30 ～60 s，單純鍛煉時間約為3 min，包含跳躍間隔時間約為5 min，再加上熱身放松時間約為10 min；每周鍛煉6 d，在60 d 頭低位臥床期間共鍛煉了48 d[12-13]。

圖1 模擬失重超等長收縮鍛煉平臺示意圖Fig. 1 Schematic diagram of simulated weightlessness plyometric contraction exercise platform

在臥床實驗前后檢測了心血管、肌肉、骨骼系統相關指標和平衡功能、步態、神經肌肉控制能力指標的變化，驗證了超等長收縮鍛煉對模擬失重導致的失重生理效應的防護效果[14-17]。

3 防護效果及應用優勢

3.1 對心血管、肌肉、骨骼三大系統的防護

跳躍組在60 d 頭低位臥床后相對最大耗氧量較臥床前無顯著性變化，而對照組顯著性降低(約降低29%)，表明超等長收縮鍛煉對模擬失重導致的心血管功能指標最大耗氧量的降低可以進行有效防護，這是由于超等長收縮鍛煉作為一種高強間歇鍛煉方案，對心血管功能進行了有效防護。 Kramer 研究了不同跳躍間隔對跳躍運動急性生理反應的影響[18]，發現跳躍時間間隔小于1 s，2 組跳躍間的休息時間小于30 s 時，鍛煉強度可以達到98%VO2max，并達到了最大心率，高于90%VO2max的鍛煉時間占總鍛煉時間的40%，血乳酸值高達9 mmol/L。 因此，在合適的跳躍頻率和跳躍間隔下，跳躍即是一種高強間歇鍛煉方式(High-Intensity Interval Training，HIIT)。 高強度訓練是維持心血管功能的有效鍛煉模式，可以有效提高最大耗氧量。

超等長收縮鍛煉對模擬失重導致的肌萎縮、肌力、肌張力、爆發力降低都具有良好防護效果[14，16-17]。 跳躍組肌肉功能重要指標膝關節伸肌、屈肌峰值力矩在臥床后沒有顯著性變化，而對照組顯著降低(分別降低約41%和16%)。 且超等長收縮鍛煉可以對抗模擬失重導致的肌萎縮、I型和II 型肌纖維橫截面積減小以及I 型向II 型的轉換。 此外由于超等長鍛煉是一種全身性的運動，對失重導致的背部、大腿、小腿等肌張力和肌肉激活度的降低也能有效防護，進而對抗肌肉爆發力降低，維持肌肉輸出功率和力量發展速率。目前為止，其他傳統鍛煉均不能對爆發力進行有效防護，而爆發力是正常活動中預防跌倒的重要因素，對正常活動起著重要作用。 超等長收縮鍛煉對肌肉結構功能的防護作用可能主要依賴于連續拉伸-縮短刺激對肌肉生長、功能維持的重要作用。

超等長收縮鍛煉對模擬失重導致的骨密度降低具有良好防護效果。 跳躍組臥床后脛骨骨密度較臥床前有增加趨勢，而對照組顯著降低(降低約2.4%)，這是由于超等長鍛煉對骨骼的高應變力和應變率影響是維持骨密度的關鍵性因素[13]。

可見，超等長鍛煉防護首次實現了只使用一種鍛煉方式同時對心血管、肌肉、骨骼三大系統進行有效防護。 而傳統鍛煉的單項防護只能對三大系統中的一個/兩個進行有效防護，需要組合進行綜合防護，如跑臺鍛煉主要對失重導致的最大耗氧量降低進行了有效防護，而對肌力的防護效果有限；抗阻力鍛煉主要對肌力進行了有效防護，而對最大耗氧量的防護效果有限，而綜合應用跑臺和抗阻力鍛煉等綜合防護措施才能對心血管、肌肉、骨骼三大系統的有效防護。

3.2 對平衡功能、步態、神經肌肉控制的防護

超等長收縮鍛煉除了對三大系統進行全面防護外，對平衡功能、步態、神經肌肉控制等也具有良好防護效果[15]，是一種較全面的防護措施。

身體平衡控制能力是各種日常運動的基本先決條件，長期臥床會引起姿勢和步態控制不足，使個體容易摔倒和受傷。 在60 d 頭低位臥床實驗中，通過睜眼或閉眼單腳站立測試、步態步速生物力學測試、起立-行走計時測試、站起測試等方法，檢測了反映姿態控制、平衡功能、動態步態控制、神經肌肉控制能力等多項指標，發現臥床后對照組單腳站立不穩、肌肉協調性降低，步態不穩、步速降低，行走時腳與地面的間隙減小，膝關節屈曲角度減小，起立-行走測試和站起測試時間均增加，表明臥床導致受試者姿勢控制和運動步態控制以及功能性活動能力降低，跌倒風險增加。 跳躍防護組可以通過有效防止腿部肌肉運動協調性降低，抵消姿勢和步態控制中的功能退化。

目前在頭低位臥床實驗中應用的其他防護措施包括力量訓練、耐力鍛煉、下體負壓、人工重力等，均未能完全保持步態、姿勢控制和功能性活動能力。 跳躍鍛煉防護比其他防護措施具有更大優勢可能有以下原因:①跳躍是全身運動，這種運動已經證明比節段性單關節運動更能提高下肢的運動能力[19]。 ②跳躍過程中每次跳躍重復都需要最大的肌肉收縮力，比其他活動(如自行車、跑步或力量訓練)所需的肌肉力量大很多。 為了達到峰值力量，需要主動肌最大程度的完全收縮，同時抑制拮抗肌[20]，以減少共收縮。

3.3 降低鍛煉時間成本

國際空間站航天員每天的鍛煉時間(含準備和撤收)長達2.5 h，在引入高強間歇鍛煉后仍需要1.5 h，每周鍛煉6 次，而超等長鍛煉每天僅需要幾分鐘，每周鍛煉6 次。 這對于時間資源相非常緊張的國際空間站來說至關重要，節省出的鍛煉時間航天員可用于開展其他工作。

3.4 節約上行資源

與目前的多模式、多設備防護措施相比，這種單模式、單設備防護措施所需鍛煉設備減少。 目前國際空間站上需要跑臺、自行車、抗阻力鍛煉等多項大型鍛煉設備，而超等長收縮鍛煉僅需單一的超等長鍛煉設備。 目前國際空間站航天員失重生理效應防護鍛煉總量大，消耗的生命保障資源(食物、水、氧氣)多；而超等長收縮鍛煉防護鍛煉總量小，消耗的生命保障資源要少得多，且減少與運動相關的總能量消耗也有助于減少能量負平衡的風險及其相關后果，可節約上行資源。

4 應用前景

由于超等長鍛煉具有防護效果更好、更全面，防護效率更高，節約上行資源等諸多優勢，被認為是一種非常有前景的失重生理效應防護措施，不僅可用于長期在軌駐留任務，還可利用月球、火星自身低重力實現超等長收縮鍛煉，在載人登月和載人火星任務中具有廣泛的應用前景。

超等長收縮鍛煉的應用可從航天領域擴展到老年醫學和康復醫學，對老年人、久坐人員和運動康復人員也具有非常好的應用前景。

由于操作限制(可用空間狹小)、鍛煉能力或意愿等因素影響而無法進行超等長鍛煉，可由振動抗阻鍛煉來補充替代。 振動抗阻鍛煉是利用機器在腳上產生的力來引發訓練刺激，振動頻率20～40 Hz，峰值幅度12 mm，高頻率與低頻率交替出現。 在振動鍛煉期間也會發生拉伸-縮短周期(SSC)。 Cochrane 等[21]通過B 超測量肌肉收縮組織位移，并在急性全身振動期間記錄肌電圖活動，證明了在6 Hz 振動頻率下存在SSC。 振動誘導的肌肉骨骼力的大小可能比跳躍鍛煉的力要低得多，但是振動力度上的不足可以通過非常高的重復次數來補償。 即使在30 Hz 下只有1 min的振動訓練，也相當于1800 個周期。 臥床實驗時，全身振動(每天2 次，頻率20 Hz，峰值幅度≤4 mm，加載負荷為體重的15%，且沒有額外的鍛煉)對維持肌肉組織[22]和骨骼[23]無效。 然而在為期56 d 的柏林臥床實驗研究中，振動與阻力鍛煉相結合[24]，采用漸進鍛煉方案，受試者進行深蹲、提踵等鍛煉動作，每周進行11 次，結果表明這種訓練方法可以保持肌肉力量[25-26]，防止骨質流失[27-28]。

6 尚需解決的問題

超等長收縮鍛煉作為一種新型失重防護鍛煉措施，目前已通過地面頭低位臥床實驗驗證，證實其防護效果良好，但尚未直接應用于空間任務中。

將超等長收縮鍛煉實際應用于空間任務，還需解決以下問題:①研制改進超等長收縮鍛煉設備，使其適合航天器空間大小。 由于目前的鍛煉設備最小長度是航天員的身高加上最大跳躍高度，需約2.5 m 的安裝空間，這對安裝到登月艙等更小航天器帶來挑戰。 ②需驗證超等長收縮鍛煉不會對航天器產生過大的沖擊力而影響航天器飛行姿態，可在失重飛機上進行相關驗證。 ③驗證不同重力環境下進行超等長鍛煉防護，應施加多大的加載負荷更符合人體運動力學規律，降低損傷風險并對骨肌系統刺激效果最好。 ④航天員如何快速準確掌握不同重力環境下的最優動作技術，合理高效完成鍛煉動作。 ⑤由于超等長收縮鍛煉是一種高強度鍛煉方案，在航天員無法完成時，需尋求其他防護措施，如振動、想象鍛煉等。

5 展望

超等長收縮鍛煉作為一種新型防護措施，高度符合目前國際空間站的運行模式，可作為目前失重防護措施的補充替代方案，用于長期在軌駐留任務和星際探索任務航天員健康的保障。 將超等長收縮鍛煉實際應用于空間任務，后續還需開展相關研究研制改進更適合航天器空間大小的超等長收縮鍛煉設備，驗證其對工程工況是否有影響，尋求最優鍛煉動作和鍛煉負荷的最佳組合，探索除跳躍鍛煉形式之外的有效超等長鍛煉措施及其他替代措施。