太空中的体医融合：基于运动锻炼的失重防护

王子牛，李小涛，周 敏，张剑锋，高 原

前言

神舟十三号飞行成组183天的空间站驻留刷新了中国航天员长期在轨飞行新纪录，中国空间站在轨建造阶段即将完成。后期我国航天员长期太空驻留也将变得更为频繁。长期太空飞行必须面对的失重环境对航天员的安全与健康提出了挑战，同时也给予了航天领域“体医融合”新的历史机遇。太空失重环境中，人体生理各个系统在失去重力刺激的调节下产生一系列去重力性改变，以适应新的无重力环境。去重力性生理适应会使航天和返回地球后面临新的重力环境在适应障碍。失重导致的肌肉萎缩、骨质丢失、心血管功能失调使航天员在重新面对重力应激时面临极大的威胁，主要表现为立位耐力下降、运动能力减退以及平衡控制能力障碍等。

载人航天飞行过程中长期暴露于失重环境所造成的这一系列去重力适应性改变与运动员停训综合征及老年人的生理机能减退相似，恰好与地面长期的运动锻炼所产生的适应性变化效果相反。因此，用于延缓衰老、预防停训综合征的体育运动锻炼可能是最为有效的失重不良生理效应的对抗措施。当前国际空间站及中国空间站所有航天员均按计划严格执行着规律的运动锻炼，以对抗失重所引起的身体机能减退[1-2]。

1 太空失重对人体生理机能的影响

人在地球重力环境中进化和生活，人体各生理系统已完全适应1G的重力环境，当航天员离开地球进入太空后，重力作用消失使血液流体静压消失，血液及体液向上半身转移。从而导致人体各器官出现一系列改变，其中心血管系统、肌肉骨骼系统与感觉神经系统的影响最显著[3-4]。这些改变会对航天员在轨的日常生活及返回后的身体状况带来巨大的挑战，甚至威胁到航天员的生命安全。

1.1 太空失重对心血管系统的影响

失重环境下血液头向转移和体液丢失，使循环血容量下降，静脉回心血流量增加，从而导致心输出量增加[5]。重力作用的消失引起心肌和血管适应性改变，使心脏发生退行性改变，造成严重的心血管系统功能障碍，失重还将导致下肢静脉顺应性改变将导致航天员立位耐力不良和运动能力下降，制约其出舱的活动时间和工作效率，甚至影响返回时的正常操纵和应急离舱的能力[6]。另外失重引发血管的结构和功能发生区域特异性改变，并影响血管内皮细胞形态和功能，引起相关基因和分子的表达变化；失重导致脑血流速度升高，血管阻力下降导致颅内压升高，最终将严重影响视觉敏锐度[7]。

1.2 太空失重对肌肉骨骼系统的影响

在失重环境中，抗重力肌群处于废用状态，产生肌萎缩、肌肉力量与耐力下降、肌肉纤维转变以及细胞器数目改变等现象[8]。有研究指出失重环境下机体还将出现承重骨钙流失、骨骼抗压功能减弱、椎体间隙增大等[9]。有研究报道，1个月的短期飞行可导致肌肉质量丢失10%～20%，骨质丢失1%～2%；长期飞行中如果没有防护，肌肉质量丢失可达50%，下肢骨丢失可达20%[10]。Comfort等[11]学者通过对比分析发现骨密度丢失情况最为严重，骨密度降低引起的骨质疏松可产生骨折的风险。Juhl等[12]学者发现失重环境造成骨小梁体积丢失，并造成骨质内的造血干细胞功能降低。

1.3 太空失重对感觉神经系统的影响

失重会对中枢神经系统的结构、功能和代谢能力产生显著影响。航天员在失重环境下前庭系统和中枢神经系统的传入信号发生异常，造成大脑的错误翻译和不响应，引发前庭本体性飞行错觉和空间运动病[13]。空间运动病会引起航天员空间定向能力减弱，肌肉工作不协调肌紧张度过高和工作能力下降，严重威胁飞行安全，飞行初期表现为胃口差、嗜睡、胃肠道不适、恶心想吐等，胃肠道症状出现于进入轨道飞行后的前几分钟到几小时内，过度运动头部通常使症状加重，在30～48 h内这些症状可基本消退[10]。

2 太空失重生理效应的防护

2.1 太空失重生理防护策略概述

失重环境使飞行员重力负荷降低，身体活动减少，从而造成一系列生理机能改变。“药物治疗”、“下体负压”、“人工重力”、“企鹅服”、“电针刺激”等防护措施，可一定程度上对抗失重所带来的负面影响，但效果有时并不理想[14]。此外，外药物防护具有简单、省事、省时的优点。服用复方甘油和脉律定可防止心率异常，服用抗利尿激素和加压素防止水和电解质紊乱，服用调节自主神经的药物可提高立位耐力[1]。有研究证明，服用中药“太空养心丸”可以改善失重期间的心脏射血和收缩功能，对脑血流以及立位耐力不良也有较好的防护效果[15]。但口服药物并不能完全防止失重带来的生理改变。因此各国航天医学研究人员进行了一系列物理干预研究：下体负压，促使血液向下肢转移，减少回心血流量，从而达到刺激心脏搏动提升心血管功能[17]；穿着“企鹅服”，借助衣服内置拉力带使航天员在进行各项操作和运动时必须克服弹性阻力，达到锻炼肌肉的目的[14]；电针刺激，采用经皮电刺激，通过刺激神经的交汇处或穴位，对航天员进行体外的干预刺激，以达到失重防护的目的[18]。运动锻炼防护方案被证实可增加心血管负荷并的增加有效循环血量，从而提高心肺功能和有氧工作能力；同时对抗失重性肌萎缩和代谢改变，从而维持肌肉力量。因此，运动锻炼是目前载人航天飞行中最常用的失重防护策略。

2.2 基于运动锻炼的太空失重防护

目前ISS采用的运动方式为有氧运动（跑台、自行车）与抗阻运动（飞轮、弹力带）两种[19]。其中抗阻锻炼主要对下肢肌群力量和耐力，对抗骨质丢失有较好的防护效果，其次步行或跑步等具有冲击性的运动均可为骨质丢失的防护起到积极的作用[11]。

2.2.1 太空自行车

太空自行车是一种固定式脚踏车，由带有摩擦阻力的飞轮与脚踏联动组成，该设备可以进行持续运动的数据采集，主要用于有氧锻炼及最大耗氧量监测，同时该设备能够为航天员的日常训练提供0～350W的负荷，可以根据自身需要选择阻力大小，实现个性化锻炼计划的制定[19]。太空自行车主要锻炼腿部肌肉，有效防止肌肉的萎缩，锻炼心血管功能，增加循环血量，维持下肢肌耐力，提高机体有氧工作能力[20]。在2021年我国自主建造的空间中，也采用了该设备对航天员进行防护，可见该设备在航天失重防护领域的重要性

2.2.2 太空跑台

太空跑台是航天员在太空进行跑步训练的跑步机，当人站立在跑台上时，由腰部的牵引绳将航天员固定在跑台上，给航天员的下肢施加一定作用力[19]。太空跑台主要用于有氧耐力锻炼，同时也可达到对骨骼的高冲击性锻炼[20]。保持一定量的跑步锻炼可以减少血液头向转移，提高航天员的运动耐力[4]。

2.2.3 飞轮抗阻锻炼器

飞轮抗阻锻炼器是一种不依赖于重力的锻炼装置，由可自由选择配重的飞轮组成，当飞轮进行旋转时产生的惯性作为航天员的锻炼负荷，航天员可以通过飞轮进行离心与向心运动锻炼。ISS通过不断的改进，前期使用的间断性抗阻锻炼装置（Intermittent resistive device，iRED）已升级为可以提供更大负荷的高级抗阻训练装置（Advanced resistive exercise device，ARED），其可满足全身或单一关节的抗阻锻炼[19，21]。主要用于长期航天飞行中对抗失重性肌肉萎缩和骨丢失[20]。

2.2.4 弹力带

弹力带一般为橡胶制品，主要用于上下肢及肩背部肌肉的小负荷力量锻炼，逐渐已被大型ARED抗阻锻炼设备所取代[21]。中国空间站由于抗阻锻炼设备暂时尚未配置到位，神舟十二和神舟十三号飞行成组空间站驻留期间暂时采取弹力带进行抗阻锻炼。

3 太空失重防护的地面研究

由于失重对人体的影响涉及多个生理系统多个环节，各生理系统功能有效发挥有赖于其他系统的协同配合，现有的单纯一项防护措施不能完全对抗长期失重的不利影响。因此，必须考虑不同防护措施之间的交互作用，对其进行有机的整合，共同全面对抗失重对人体的不良影响[20]。航天飞行器及空间实验舱是失重防护的研究的最佳的实验场所。但由于实验设备的重量及每次发射升空的舱体运载负荷限制，以及地面研究人员与在轨航天员之间的交流限制，直接在空间站进行运动锻炼方案的实验研究较为方便[22]。因此，在地面开展模拟失重实验研究成为空间站研究的有力补充。

3.1 太空失重环境的地面模拟

目前应用最广泛的地面模拟是人体-6°头低位卧床（Head down tilt bed rest，HDBR）和动物尾吊实验[22]。HDBR时，头部的角度一般采用-12°～0°，但经过对比试验表明-6°HDBR能更真实的模拟航天飞行中的生理反应[23]。动物尾吊实验通过对小动物无创尾部悬吊的控制，保持头部处于-30°的位置，进行失重模拟[22]。其他的模拟方式还有抛物线飞行，飞机飞到一定高度后快速下坠并完成一次抛物线飞行，期间可产生15～60秒的失重状态，一架中等飞机可以作出25～40次抛物线飞行[24]。但该实验方式成本较高且每次模拟失重的时长较短，在载人航天中主要用于失重体验或航天员操作活动训练，而不适用于失重生理效应防护研究[25]。中性重力水槽与干浸模拟失重实验作为地面失重模拟，与前者相比成本问题得到了有效解决，但即便经改良的干浸模拟失重实验最长持续时间一般也不过一周，并不适合失重对抗防护研究[26]。而HDBR作为经典的地基模拟失重人体模型，可有效模拟多种失重生理效应，在航天医学领域被普遍采用。

3.2 太空运动锻炼平台的地面模拟

在地面研究太空运动，必须将太空失重状态中的运动锻炼模式在地面重现，首先就要考虑锻炼器材在空间站中的形态及运动原理。在地面进行模拟实验时的太空跑台，人以平躺或头低位的姿势卧位于跑台，身体两侧由两根牵引绳（由X，Y轴）进行牵引，并设置自身体重的80%牵引力对躯体进行重力加载，以模拟失重环境[27]。太空自行车在地面进行模拟时与卧位跑台相似，但不同的地方在于没有牵引绳进行重力加载，而是靠肩枕与可移动靠垫作为固定身体的装置来进行固定[28]。飞轮抗阻锻炼分为下肢与上肢锻炼两种模式，在地面进行模拟时，志愿者穿着束缚背心平躺于飞轮抗阻锻炼器，锻炼器由带自旋阻力可调节重量的飞轮与可滑动的靠垫组成。其中飞轮上肢锻炼动作使用锻炼辅助拉杆通过连接带与飞轮相连，驱动飞轮旋转，飞轮下肢锻炼动作使用连接带与束缚背心相连驱动飞轮旋转[29]。

3.3 基于运动锻炼的模拟失重防护研究

3.3.1 地面模拟失重的运动锻炼对抗研究

在地面进行的模拟太空失重运动锻炼，对即将在空间站使用的有氧运动锻炼与抗阻锻炼方案的效果进行验证[27]。研究发现，有氧锻炼方案可以有效的预防最大摄氧量的降低，防止抗重力骨骼肌质量和收缩强度的下降，提高运动耐力，而高强度间歇耐力锻炼也被提出可以优化现有的有氧运动锻炼方案[30]。但对于航天引起的立位耐力不良的防治效果有限。相较于有氧运动，抗阻锻炼则可有效对抗骨密度丢失及肌肉围度与肌肉力量的降低[31]。高强度仰卧跳跃锻炼可以有效保护肌肉质量、力量、耐力及最大摄氧量的降低[32]。为了进一步提升现有运动锻炼方案的失重防护效果，研究人员提出多种综合性锻炼方案。研究发现，有氧运动结合抗阻训练在改善自主神经功能、增加每搏输出量和心输出量，降低脉搏和平均舒张压上的功效优于单一类运动，两者结合可有效对抗失重引起的骨丢失、抗重力骨骼肌萎缩及平衡功能改变[33-34]。

3.3.2 地面失重模拟的短臂离心机锻炼对抗研究

人类处于1G的重力环境，当前还没有任何一种防护方案可以对航天员的身体进行全面防护，有学者提出可以构建人工重力环境全面研究失重引起的生理改变，但由于航天飞行器的体积限制和技术成本问题，在现阶段难以现实。因此有学者提出基于短臂离心机（Short arm centrifuge，SAC）的人工重力的效应[31]。具体实施方式是通过SAC旋转产生惯性离心力，以实现人工重力效应。SAC自身旋转产生的离心力可使志愿者足水平重力达到1G～3G[35]。SAC训练不会对肌肉与神经分泌产生影响，因此SAC被视为一种安全的干预措施[36]。但单纯SAC干预60天，每天30分钟的SAC训练并不能有效提升人体的有氧运动能力、关节力量及爆发力[17]。也有研究发现，SAC并不能完全消除失重导致的心血管负面效应[37]。

通过SAC结合中等强度的自行车蹬踏锻炼可以有效的防止有氧运动能力及无氧运动耐力的降低[34]；可以增加心脏迷走神经和外周血管交感神经活动水平，增强立位应激时血压调节能力，提高心血管功能储备，维持心脏泵血与收缩功能[38]。呼吸频率方面也较单纯短臂离心机方案显著提升[39]。现阶段由于国内设备的限制，仅能进行自行车蹬踏锻炼，但在国外结合运动锻炼的措施里跳跃运动已被证实是可行的[40]。SAC跳跃运动时与以往陆地跳跃相比反作用力峰值降低，同时运动模式的变化会降低对抗的效应，所以在未来的研究中，需要进行更多的锻炼方式与SAC结合或联合干预的研究[17]。

3.3.3 地面模拟失重的下体负压对抗研究

下体负压（Lower body negative pressure，LBNP）通过将人体下肢至于负压装置中，在负压作用下使血液向下肢聚集，以减少循环系统中的回血血量，增加心脏负荷达到增强锻炼效果的目的。下体负压跑步机与下体负压倾斜床类似，但区别在于箱体与跑步机相联[41]。

下体负压可以有效模拟重力-惯性立场对人体循环功能的影响，通常作为研究中枢血容量不足的心血管反射反应的手段[42]。有研究表明，下体负压可以显著提高下体负压耐力，单纯下体负压可降低模拟失重带来的心脏功能的降低，但对脑血流的变化并不能起到防护作用[43]。每周6天进行40分钟的LBNP结合跑步锻炼的方式与5分钟单纯LBNP后发现，有氧运动能力及无氧运动能力得到了有效的防护[44]。LBNP+跑步锻炼方式可以为腰椎提供轴向负荷，对失重造成的腰椎失调问题进行了有效防护[45]。在吴燕红等[46]的实验里也证实了LBNP结合运动锻炼可以有效对抗失重带来的人体运动能力下降的负面效应。虽然下体负压结合跑台训练是一项有效的防护措施，但是如要在下体负压装置内安装跑台的话，需要较大体积，在狭小的太空舱内难以实现。

3.3.4 地面模拟失重的血流限制训练对抗研究

血流限制，又称为加压训练或血管阻塞训练，是通过血流限制装置（气囊、弹力带等）对躯体的外部加压，实现人工可调节的血流循环阻力，从而模拟人体在正常重力下的血流动力学环境[47]。血流限制通过物理加压的方式促使动静脉血流部分阻断，减少回心血量，使机体出现局部代谢危机，从而诱导大脑分泌生长激素促进合成代谢，提高组织修复的能力[48]。

Kubota等[47]在头低位模拟失重期间，验证了血流限制与30%1RM的低强度的抗阻锻炼相结合的防护策略，结果发现实验组相比对照组在进行基于血流限制的抗阻锻炼时心脏每博射血量下降、心率更高、血浆肾素活性、血管加压素、去甲肾上腺素）和乳酸的血清浓度也显著升高。血流限制结合较低强度的运动锻炼可以达到高强度训练的效果，可使肌肉力量和有氧耐力得到有效改善，并有效预防废用性骨骼肌萎缩[49]。

周开祥等实验研究发现，血流限制结合有氧运动从血液循环方面对机体低氧负荷进行干预，可引起心率升高，收缩压、舒张压、平均动脉压增高，可显著提高最大摄氧量[50]。此外，血流限制下的有氧运动会造成远端肢体肌饱和度下降、ATP和磷酸肌酸浓度下降、无机磷盐酸Pi增加[51]；还将使乳酸等谢产物大量堆积、内环境PH值下降，乳酸浓度增高[52]。长期进行血流限制结合有氧运动的训练会提高机体摄氧和利用氧的能力，有效改善心脏泵血功能，改善主观疲劳耐受力。血流限制结合有氧运动与血流限制结合抗阻锻练相比，更利于机体提高合成代谢能力[53]。

4 结语

太空失重环境会引起人体多个生理系统功能紊乱，严重威胁航天员的健康和安全。当前航天飞行普遍采用的以体育锻炼为主的体医融合失重防护策略，虽然在一定程度有效地缓解了失重所致的肌肉骨骼形态功能改变，但并不能完全解决包括心血管功能紊乱在内的所有问题。国际航天医学领域对于航天失重防护的主要策略依然集中在运动锻炼方案的完善上。如何缩短锻炼时长同时保障锻炼效果始终是失重防护方案研究的重点。我国基于运动锻炼的失重防护研究尚处于初期阶段，但未来6个月或更长时间的连续太空驻留将成常态。我们的失重防护方案将面临更加严峻的考验。航天医学领域的体医融合失重防护研究将是航天员健康和安全的有力保障，中国载人航天空间站的长期驻留和未来深空探测需要更多体育科研人员的参与。