太空中的體醫融合：基于運動鍛煉的失重防護

王子牛，李小濤，周 敏，張劍鋒，高 原

前言

神舟十三號飛行成組183天的空間站駐留刷新了中國航天員長期在軌飛行新紀錄，中國空間站在軌建造階段即將完成。后期我國航天員長期太空駐留也將變得更為頻繁。長期太空飛行必須面對的失重環境對航天員的安全與健康提出了挑戰，同時也給予了航天領域“體醫融合”新的歷史機遇。太空失重環境中，人體生理各個系統在失去重力刺激的調節下產生一系列去重力性改變，以適應新的無重力環境。去重力性生理適應會使航天和返回地球后面臨新的重力環境在適應障礙。失重導致的肌肉萎縮、骨質丟失、心血管功能失調使航天員在重新面對重力應激時面臨極大的威脅，主要表現為立位耐力下降、運動能力減退以及平衡控制能力障礙等。

載人航天飛行過程中長期暴露于失重環境所造成的這一系列去重力適應性改變與運動員停訓綜合征及老年人的生理機能減退相似，恰好與地面長期的運動鍛煉所產生的適應性變化效果相反。因此，用于延緩衰老、預防停訓綜合征的體育運動鍛煉可能是最為有效的失重不良生理效應的對抗措施。當前國際空間站及中國空間站所有航天員均按計劃嚴格執行著規律的運動鍛煉，以對抗失重所引起的身體機能減退[1-2]。

1 太空失重對人體生理機能的影響

人在地球重力環境中進化和生活，人體各生理系統已完全適應1G的重力環境，當航天員離開地球進入太空后，重力作用消失使血液流體靜壓消失，血液及體液向上半身轉移。從而導致人體各器官出現一系列改變，其中心血管系統、肌肉骨骼系統與感覺神經系統的影響最顯著[3-4]。這些改變會對航天員在軌的日常生活及返回后的身體狀況帶來巨大的挑戰，甚至威脅到航天員的生命安全。

1.1 太空失重對心血管系統的影響

失重環境下血液頭向轉移和體液丟失，使循環血容量下降，靜脈回心血流量增加，從而導致心輸出量增加[5]。重力作用的消失引起心肌和血管適應性改變，使心臟發生退行性改變，造成嚴重的心血管系統功能障礙，失重還將導致下肢靜脈順應性改變將導致航天員立位耐力不良和運動能力下降，制約其出艙的活動時間和工作效率，甚至影響返回時的正常操縱和應急離艙的能力[6]。另外失重引發血管的結構和功能發生區域特異性改變，并影響血管內皮細胞形態和功能，引起相關基因和分子的表達變化；失重導致腦血流速度升高，血管阻力下降導致顱內壓升高，最終將嚴重影響視覺敏銳度[7]。

1.2 太空失重對肌肉骨骼系統的影響

在失重環境中，抗重力肌群處于廢用狀態，產生肌萎縮、肌肉力量與耐力下降、肌肉纖維轉變以及細胞器數目改變等現象[8]。有研究指出失重環境下機體還將出現承重骨鈣流失、骨骼抗壓功能減弱、椎體間隙增大等[9]。有研究報道，1個月的短期飛行可導致肌肉質量丟失10%～20%，骨質丟失1%～2%；長期飛行中如果沒有防護，肌肉質量丟失可達50%，下肢骨丟失可達20%[10]。Comfort等[11]學者通過對比分析發現骨密度丟失情況最為嚴重，骨密度降低引起的骨質疏松可產生骨折的風險。Juhl等[12]學者發現失重環境造成骨小梁體積丟失，并造成骨質內的造血干細胞功能降低。

1.3 太空失重對感覺神經系統的影響

失重會對中樞神經系統的結構、功能和代謝能力產生顯著影響。航天員在失重環境下前庭系統和中樞神經系統的傳入信號發生異常，造成大腦的錯誤翻譯和不響應，引發前庭本體性飛行錯覺和空間運動病[13]。空間運動病會引起航天員空間定向能力減弱，肌肉工作不協調肌緊張度過高和工作能力下降，嚴重威脅飛行安全，飛行初期表現為胃口差、嗜睡、胃腸道不適、惡心想吐等，胃腸道癥狀出現于進入軌道飛行后的前幾分鐘到幾小時內，過度運動頭部通常使癥狀加重，在30～48 h內這些癥狀可基本消退[10]。

2 太空失重生理效應的防護

2.1 太空失重生理防護策略概述

失重環境使飛行員重力負荷降低，身體活動減少，從而造成一系列生理機能改變。“藥物治療”、“下體負壓”、“人工重力”、“企鵝服”、“電針刺激”等防護措施，可一定程度上對抗失重所帶來的負面影響，但效果有時并不理想[14]。此外，外藥物防護具有簡單、省事、省時的優點。服用復方甘油和脈律定可防止心率異常，服用抗利尿激素和加壓素防止水和電解質紊亂，服用調節自主神經的藥物可提高立位耐力[1]。有研究證明，服用中藥“太空養心丸”可以改善失重期間的心臟射血和收縮功能，對腦血流以及立位耐力不良也有較好的防護效果[15]。但口服藥物并不能完全防止失重帶來的生理改變。因此各國航天醫學研究人員進行了一系列物理干預研究：下體負壓，促使血液向下肢轉移，減少回心血流量，從而達到刺激心臟搏動提升心血管功能[17]；穿著“企鵝服”，借助衣服內置拉力帶使航天員在進行各項操作和運動時必須克服彈性阻力，達到鍛煉肌肉的目的[14]；電針刺激，采用經皮電刺激，通過刺激神經的交匯處或穴位，對航天員進行體外的干預刺激，以達到失重防護的目的[18]。運動鍛煉防護方案被證實可增加心血管負荷并的增加有效循環血量，從而提高心肺功能和有氧工作能力；同時對抗失重性肌萎縮和代謝改變，從而維持肌肉力量。因此，運動鍛煉是目前載人航天飛行中最常用的失重防護策略。

2.2 基于運動鍛煉的太空失重防護

目前ISS采用的運動方式為有氧運動（跑臺、自行車）與抗阻運動（飛輪、彈力帶）兩種[19]。其中抗阻鍛煉主要對下肢肌群力量和耐力，對抗骨質丟失有較好的防護效果，其次步行或跑步等具有沖擊性的運動均可為骨質丟失的防護起到積極的作用[11]。

2.2.1 太空自行車

太空自行車是一種固定式腳踏車，由帶有摩擦阻力的飛輪與腳踏聯動組成，該設備可以進行持續運動的數據采集，主要用于有氧鍛煉及最大耗氧量監測，同時該設備能夠為航天員的日常訓練提供0～350W的負荷，可以根據自身需要選擇阻力大小，實現個性化鍛煉計劃的制定[19]。太空自行車主要鍛煉腿部肌肉，有效防止肌肉的萎縮，鍛煉心血管功能，增加循環血量，維持下肢肌耐力，提高機體有氧工作能力[20]。在2021年我國自主建造的空間中，也采用了該設備對航天員進行防護，可見該設備在航天失重防護領域的重要性

2.2.2 太空跑臺

太空跑臺是航天員在太空進行跑步訓練的跑步機，當人站立在跑臺上時，由腰部的牽引繩將航天員固定在跑臺上，給航天員的下肢施加一定作用力[19]。太空跑臺主要用于有氧耐力鍛煉，同時也可達到對骨骼的高沖擊性鍛煉[20]。保持一定量的跑步鍛煉可以減少血液頭向轉移，提高航天員的運動耐力[4]。

2.2.3 飛輪抗阻鍛煉器

飛輪抗阻鍛煉器是一種不依賴于重力的鍛煉裝置，由可自由選擇配重的飛輪組成，當飛輪進行旋轉時產生的慣性作為航天員的鍛煉負荷，航天員可以通過飛輪進行離心與向心運動鍛煉。ISS通過不斷的改進，前期使用的間斷性抗阻鍛煉裝置（Intermittent resistive device，iRED）已升級為可以提供更大負荷的高級抗阻訓練裝置（Advanced resistive exercise device，ARED），其可滿足全身或單一關節的抗阻鍛煉[19，21]。主要用于長期航天飛行中對抗失重性肌肉萎縮和骨丟失[20]。

2.2.4 彈力帶

彈力帶一般為橡膠制品，主要用于上下肢及肩背部肌肉的小負荷力量鍛煉，逐漸已被大型ARED抗阻鍛煉設備所取代[21]。中國空間站由于抗阻鍛煉設備暫時尚未配置到位，神舟十二和神舟十三號飛行成組空間站駐留期間暫時采取彈力帶進行抗阻鍛煉。

3 太空失重防護的地面研究

由于失重對人體的影響涉及多個生理系統多個環節，各生理系統功能有效發揮有賴于其他系統的協同配合，現有的單純一項防護措施不能完全對抗長期失重的不利影響。因此，必須考慮不同防護措施之間的交互作用，對其進行有機的整合，共同全面對抗失重對人體的不良影響[20]。航天飛行器及空間實驗艙是失重防護的研究的最佳的實驗場所。但由于實驗設備的重量及每次發射升空的艙體運載負荷限制，以及地面研究人員與在軌航天員之間的交流限制，直接在空間站進行運動鍛煉方案的實驗研究較為方便[22]。因此，在地面開展模擬失重實驗研究成為空間站研究的有力補充。

3.1 太空失重環境的地面模擬

目前應用最廣泛的地面模擬是人體-6°頭低位臥床（Head down tilt bed rest，HDBR）和動物尾吊實驗[22]。HDBR時，頭部的角度一般采用-12°～0°，但經過對比試驗表明-6°HDBR能更真實的模擬航天飛行中的生理反應[23]。動物尾吊實驗通過對小動物無創尾部懸吊的控制，保持頭部處于-30°的位置，進行失重模擬[22]。其他的模擬方式還有拋物線飛行，飛機飛到一定高度后快速下墜并完成一次拋物線飛行，期間可產生15～60秒的失重狀態，一架中等飛機可以作出25～40次拋物線飛行[24]。但該實驗方式成本較高且每次模擬失重的時長較短，在載人航天中主要用于失重體驗或航天員操作活動訓練，而不適用于失重生理效應防護研究[25]。中性重力水槽與干浸模擬失重實驗作為地面失重模擬，與前者相比成本問題得到了有效解決，但即便經改良的干浸模擬失重實驗最長持續時間一般也不過一周，并不適合失重對抗防護研究[26]。而HDBR作為經典的地基模擬失重人體模型，可有效模擬多種失重生理效應，在航天醫學領域被普遍采用。

3.2 太空運動鍛煉平臺的地面模擬

在地面研究太空運動，必須將太空失重狀態中的運動鍛煉模式在地面重現，首先就要考慮鍛煉器材在空間站中的形態及運動原理。在地面進行模擬實驗時的太空跑臺，人以平躺或頭低位的姿勢臥位于跑臺，身體兩側由兩根牽引繩（由X，Y軸）進行牽引，并設置自身體重的80%牽引力對軀體進行重力加載，以模擬失重環境[27]。太空自行車在地面進行模擬時與臥位跑臺相似，但不同的地方在于沒有牽引繩進行重力加載，而是靠肩枕與可移動靠墊作為固定身體的裝置來進行固定[28]。飛輪抗阻鍛煉分為下肢與上肢鍛煉兩種模式，在地面進行模擬時，志愿者穿著束縛背心平躺于飛輪抗阻鍛煉器，鍛煉器由帶自旋阻力可調節重量的飛輪與可滑動的靠墊組成。其中飛輪上肢鍛煉動作使用鍛煉輔助拉桿通過連接帶與飛輪相連，驅動飛輪旋轉，飛輪下肢鍛煉動作使用連接帶與束縛背心相連驅動飛輪旋轉[29]。

3.3 基于運動鍛煉的模擬失重防護研究

3.3.1 地面模擬失重的運動鍛煉對抗研究

在地面進行的模擬太空失重運動鍛煉，對即將在空間站使用的有氧運動鍛煉與抗阻鍛煉方案的效果進行驗證[27]。研究發現，有氧鍛煉方案可以有效的預防最大攝氧量的降低，防止抗重力骨骼肌質量和收縮強度的下降，提高運動耐力，而高強度間歇耐力鍛煉也被提出可以優化現有的有氧運動鍛煉方案[30]。但對于航天引起的立位耐力不良的防治效果有限。相較于有氧運動，抗阻鍛煉則可有效對抗骨密度丟失及肌肉圍度與肌肉力量的降低[31]。高強度仰臥跳躍鍛煉可以有效保護肌肉質量、力量、耐力及最大攝氧量的降低[32]。為了進一步提升現有運動鍛煉方案的失重防護效果，研究人員提出多種綜合性鍛煉方案。研究發現，有氧運動結合抗阻訓練在改善自主神經功能、增加每搏輸出量和心輸出量，降低脈搏和平均舒張壓上的功效優于單一類運動，兩者結合可有效對抗失重引起的骨丟失、抗重力骨骼肌萎縮及平衡功能改變[33-34]。

3.3.2 地面失重模擬的短臂離心機鍛煉對抗研究

人類處于1G的重力環境，當前還沒有任何一種防護方案可以對航天員的身體進行全面防護，有學者提出可以構建人工重力環境全面研究失重引起的生理改變，但由于航天飛行器的體積限制和技術成本問題，在現階段難以現實。因此有學者提出基于短臂離心機（Short arm centrifuge，SAC）的人工重力的效應[31]。具體實施方式是通過SAC旋轉產生慣性離心力，以實現人工重力效應。SAC自身旋轉產生的離心力可使志愿者足水平重力達到1G～3G[35]。SAC訓練不會對肌肉與神經分泌產生影響，因此SAC被視為一種安全的干預措施[36]。但單純SAC干預60天，每天30分鐘的SAC訓練并不能有效提升人體的有氧運動能力、關節力量及爆發力[17]。也有研究發現，SAC并不能完全消除失重導致的心血管負面效應[37]。

通過SAC結合中等強度的自行車蹬踏鍛煉可以有效的防止有氧運動能力及無氧運動耐力的降低[34]；可以增加心臟迷走神經和外周血管交感神經活動水平，增強立位應激時血壓調節能力，提高心血管功能儲備，維持心臟泵血與收縮功能[38]。呼吸頻率方面也較單純短臂離心機方案顯著提升[39]。現階段由于國內設備的限制，僅能進行自行車蹬踏鍛煉，但在國外結合運動鍛煉的措施里跳躍運動已被證實是可行的[40]。SAC跳躍運動時與以往陸地跳躍相比反作用力峰值降低，同時運動模式的變化會降低對抗的效應，所以在未來的研究中，需要進行更多的鍛煉方式與SAC結合或聯合干預的研究[17]。

3.3.3 地面模擬失重的下體負壓對抗研究

下體負壓（Lower body negative pressure，LBNP）通過將人體下肢至于負壓裝置中，在負壓作用下使血液向下肢聚集，以減少循環系統中的回血血量，增加心臟負荷達到增強鍛煉效果的目的。下體負壓跑步機與下體負壓傾斜床類似，但區別在于箱體與跑步機相聯[41]。

下體負壓可以有效模擬重力-慣性立場對人體循環功能的影響，通常作為研究中樞血容量不足的心血管反射反應的手段[42]。有研究表明，下體負壓可以顯著提高下體負壓耐力，單純下體負壓可降低模擬失重帶來的心臟功能的降低，但對腦血流的變化并不能起到防護作用[43]。每周6天進行40分鐘的LBNP結合跑步鍛煉的方式與5分鐘單純LBNP后發現，有氧運動能力及無氧運動能力得到了有效的防護[44]。LBNP+跑步鍛煉方式可以為腰椎提供軸向負荷，對失重造成的腰椎失調問題進行了有效防護[45]。在吳燕紅等[46]的實驗里也證實了LBNP結合運動鍛煉可以有效對抗失重帶來的人體運動能力下降的負面效應。雖然下體負壓結合跑臺訓練是一項有效的防護措施，但是如要在下體負壓裝置內安裝跑臺的話，需要較大體積，在狹小的太空艙內難以實現。

3.3.4 地面模擬失重的血流限制訓練對抗研究

血流限制，又稱為加壓訓練或血管阻塞訓練，是通過血流限制裝置（氣囊、彈力帶等）對軀體的外部加壓，實現人工可調節的血流循環阻力，從而模擬人體在正常重力下的血流動力學環境[47]。血流限制通過物理加壓的方式促使動靜脈血流部分阻斷，減少回心血量，使機體出現局部代謝危機，從而誘導大腦分泌生長激素促進合成代謝，提高組織修復的能力[48]。

Kubota等[47]在頭低位模擬失重期間，驗證了血流限制與30%1RM的低強度的抗阻鍛煉相結合的防護策略，結果發現實驗組相比對照組在進行基于血流限制的抗阻鍛煉時心臟每博射血量下降、心率更高、血漿腎素活性、血管加壓素、去甲腎上腺素）和乳酸的血清濃度也顯著升高。血流限制結合較低強度的運動鍛煉可以達到高強度訓練的效果，可使肌肉力量和有氧耐力得到有效改善，并有效預防廢用性骨骼肌萎縮[49]。

周開祥等實驗研究發現，血流限制結合有氧運動從血液循環方面對機體低氧負荷進行干預，可引起心率升高，收縮壓、舒張壓、平均動脈壓增高，可顯著提高最大攝氧量[50]。此外，血流限制下的有氧運動會造成遠端肢體肌飽和度下降、ATP和磷酸肌酸濃度下降、無機磷鹽酸Pi增加[51]；還將使乳酸等謝產物大量堆積、內環境PH值下降，乳酸濃度增高[52]。長期進行血流限制結合有氧運動的訓練會提高機體攝氧和利用氧的能力，有效改善心臟泵血功能，改善主觀疲勞耐受力。血流限制結合有氧運動與血流限制結合抗阻鍛練相比，更利于機體提高合成代謝能力[53]。

4 結語

太空失重環境會引起人體多個生理系統功能紊亂，嚴重威脅航天員的健康和安全。當前航天飛行普遍采用的以體育鍛煉為主的體醫融合失重防護策略，雖然在一定程度有效地緩解了失重所致的肌肉骨骼形態功能改變，但并不能完全解決包括心血管功能紊亂在內的所有問題。國際航天醫學領域對于航天失重防護的主要策略依然集中在運動鍛煉方案的完善上。如何縮短鍛煉時長同時保障鍛煉效果始終是失重防護方案研究的重點。我國基于運動鍛煉的失重防護研究尚處于初期階段，但未來6個月或更長時間的連續太空駐留將成常態。我們的失重防護方案將面臨更加嚴峻的考驗。航天醫學領域的體醫融合失重防護研究將是航天員健康和安全的有力保障，中國載人航天空間站的長期駐留和未來深空探測需要更多體育科研人員的參與。