典型返回再入过载下姿态差异对猕猴生理反应的影响研究

任 逸, 祝 郁, 肖艳华, 王建全, 孙 浩, 马博涵, 郭玉琴, 刘炳坤,阚广悍, 肇 海, 李富柱, 马红磊*

(1.江苏大学机械工程学院, 镇江 212013; 2.中国航天员科研训练中心, 北京 100094)

1 引言

载人登月任务过程中涉及复杂的动态载荷,尤其在月地返回阶段,高加速度过载将直接影响机体的心血管功能与肌肉活动,与航天员的机能状态甚至生命安全密切相关[1-3]。人体的心血管系统是一个充满血液的密闭环境,过载会放大人体各部位间静水压力梯度进而引发体液的重新分配[3-4],如在头盆向过载(+Gz)作用下,头面部血液向下肢转移,导致脑血流量减少可引起脑缺血缺氧,严重时会影响视觉并最终导致意识丧失(G-induced Loss of Consciousness,G-LOC)[5-6]。也有研究发现前庭外周器官参与调节动脉压力、体温、肌肉及骨代谢等生理功能,而异常的重力环境会影响前庭耳蜗向中枢神经系统传入信号,进而引发机体多种生理与组织学变化[7-9]。因此,研究超重环境暴露对人体生理状态的影响,对于维护航天员的健康及保障任务的成功至关重要。

超重暴露会以一种姿态依赖的方式引发机体心血管系统内静水压主导的跨壁压力变化,与血管顺应性、血液动力学及心脏舒张性能等生物力学反应密切相关[10-11]。有研究人员提出,这些生物力学反应会引发机体代偿性的神经激素调节,如颈动脉及心房压力感受器、血管平滑肌拉伸受体等兴奋程度发生异质性变化时,会加剧动脉系统与静脉回流间的不对称性,易造成机体内环境稳态的破坏[11-13]。此外,刘炳坤等[14]利用HUMOS 数字假人模拟获取了过载下卧姿与躺姿状态心、肺、肝脏等重要器官的变形及移位,发现姿态及重力环境与膈肌的状态密切相关,特别是在+Gx作用下腹腔压力增大时,膈肌下降受阻易加剧对心肺的压迫,引发呼吸困难与胸痛。Peterson 等[10]也研究提出过载方向与姿态诱导的腹压及胸壁压力变化会直接影响胸内压,进而导致心室容积及中心静脉压的改变。然而,以往研究多以数字假人或鼠、兔等小型动物为实验对象,少见有关于灵长类动物的研究结论及高量级过载下姿态间的差异性对比分析。因此,评估分析高加速度过载下姿态因素对机体生理状态的影响程度,有助于丰富航天生理学基础研究,并制定针对性的防护对策,提高乘员的安全及效率。

载人飞行任务按飞行器负荷与再入速度分为2 种返回模式[15]:一是钱学森式弹道返回,该方式下返回舱经受高温直接突破大气层后逐渐减速落地;二是跳跃式半弹道返回,返回舱在初次进入大气层后采用升力控制跃出,然后二次进入大气层并进一步下降直至开伞落地。中国的CE-5T1返回器与美国阿波罗返回舱采用的均是半弹道式返回模式。卧姿状态(人体背部与水平面存在20°夹角)和躺姿状态(无背角)是2 种典型姿态[16],虽然二者均属于仰卧,但卧姿返回工况下,人体受到大小为G·sin20°的胸背向过载与G·sin70°头盆向过载的复合作用,躺姿返回工况下,人体主要受到大小为1 G 的胸背向过载,因此机体的动态响应可能存在差别,该种差异对航天员过载耐力存在何种影响,目前仍不明确[17-18]。因此,本文利用数控动物离心机模拟上述2 种典型的返回再入过载工况,并选取成年健康雄性猕猴作为实验对象,通过监测对比实验前后猕猴的生理参数变化情况,研究姿态差异对机体生理反应的影响。

2 方法

2.1 2 种返回再入过载工况

根据CE-5T1 与Apollo 返回舱的实际再入参数并结合预实验结果,推测过载峰值在13 G 以上时会出现严重的生理反应,甚至引起重要脏器的损伤。为进一步探究猕猴的超重耐限,并综合考虑了设备工作能力及运行安全性,本文实验以CE-5T1 与Apollo 的再入曲线加速度变化规律为基础进行标准化处理,使过载曲线的最大峰值分别为13 G、15 G,见图1(a)、(b),并保持双峰脉宽时间一致,代表再入模拟实验的高量级过载环境。图1(c)、(d)分别为CE-5T1 的卧姿与Apollo的躺姿工况。

2.2 实验动物及分组

为避免雌性激素对实验结果产生影响,选取18 只健康雄性猕猴,年龄4 ～8 岁,体重7 ～11 kg,体长约90 cm,无人畜共患病,不携带B病毒和结核杆菌等致病因子。猕猴在常规饲养期间,保持室内温度25 ℃左右及良好的湿度和通风条件,实验人员定时投放食物和水,每组喂养条件相同。

将猕猴随机分为A、B 2 组,A 组(卧姿,n=9)以CE-5T1 过载曲线为输入,并进一步细分为A1、A22 个亚组,分别对应图1(a)中峰值为13 G 与15 G 的过载曲线;B 组(躺姿,n=9)以Apollo 过载曲线为输入,细分为B1、B22 个亚组,分别对应图1(b)中峰值为13 G 与15 G 的过载曲线。首日进行峰值为13 G 过载实验的卧姿、躺姿组猕猴记录为A1、B1,隔日进行峰值为15 G 过载实验的卧姿、躺姿组猕猴记录为A2、B2,因此A1、B1、A2、B2均包含9 例样本。

图1 2 种典型再入式返回过载曲线及对应姿态Fig.1 Two typical reentry overload curves and corresponding postures

本文动物实验通过中国航天员科研训练中心伦理委员会批准。

2.3 实验设备

以中国航天员科研训练中心自研的动物离心机为平台,该装置由机械系统和电子控制系统构成。机械系统包括支承转臂、平衡转臂、座椅、支撑台架、电机、减速器、驱动轴等,转臂半径为1.5 m,最大输出过载20 G。正式测试前,按照实验过载负荷要求和实验程序进行预实验,确保输出过载与实验设计过载环境保持良好的一致性。

利用 HYG08 型心电监护仪(日本光电)完成猕猴生理参数的监测,全过程连续监测猕猴心电、心率(Heart Rate)等生理参数,并在实验前和停止时刻测量血压及血氧饱和度。

2.4 行为学观察

根据猕猴的生活习性设定了距离猴笼50 cm走动、拉动猴笼缩进、木棍伸入猴笼等固定项目,由3 名生物学专家通过观察每只猕猴窜动、扑咬、站角、抓取等行为反应进行综合评分,评分范围为-3 ～3,其中1 ～3 分别对应与实验前相比该反应略微增强、明显增强和极强烈;-1 ～-3 分别对应与实验前相比该反应略微减弱、明显减弱和极明显减弱(几乎无动作);0 分则表示与实验前几乎无差异,最终结果取均值。行为学观察在13 G卧姿与躺姿加载实验前后进行。

2.5 实验方法

提前3 天将猕猴转运至实验室适应环境,期间进行动物行为学观察。实验前,将猕猴固定于离心机转臂末端座椅,卧姿座椅的椅背与水平面存在20°背角,躺姿座椅的椅背垂直于水平面,猕猴初始状态均为面朝离心机旋转中心,保证良好及一致的束缚状态后,佩戴HYG08 型心电监护仪。首日进行峰值为13 G 的卧姿与躺姿过载环境模拟,实验前后分别测量猕猴血压及血氧饱和度参数,并在实验过程中连续监测心率、心电等生理参数,结果分别记录于A1与B1组。实验结束后由参试人员进行行为学观察,后转运至饲养间休息。隔日进行峰值为15 G 的卧姿与躺姿过载环境模拟,监测并记录猕猴生理参数变化情况,并将结果分别记录于A2与B2组。每组猕猴分别进行过载峰值为13 G 与15 G 的过载暴露,共计36次测试。

2.6 统计分析

采用SPSS 18.0 软件分析实验数据,结果数据以平均值±标准差(ˉx±s)表示,统计数据采用配对样本t检验进行分析。当P＜0.05 认为差异具有统计学意义。

3 结果

3.1 心率

图2 为加载实验各时刻猕猴心率变化。从变化趋势来看,A1、A2组猕猴的心率分别在第一峰值和第二峰值时刻达到最高,后逐渐下降;而B 组猕猴在加载过程中心率始终升高,静息后逐渐回到正常水平。A1、A2组的最大变化幅度分别为88%、107%,B1、B2组最大变化幅度分别为48%、28%。t检验结果显示,A1、B1组心率差异显著(P=0.015),而A2、B2组间无显著性差异(P＞0.05)。

图2 2 种姿态各时刻猕猴心率变化Fig.2 The changes of HR in macaques at each moment under two posture conditions

3.2 血氧饱和度

图3 为加载前后猕猴血氧饱和度变化情况,各组猕猴在超重暴露后血氧饱和度均呈降低趋势,其中A2组猕猴的降幅相对明显,但未达到显著性水平(P=0.262)。t检验结果表明,各组间血氧饱和度并无显著性差异(P＞0.05)。

图3 2 组猕猴实验前后血氧饱和度变化情况Fig.3 Changes of SaO2 in two groups of macaques before and after the experiment

3.3 血压

图4 为2 组猕猴实验前后舒张压与收缩压对比。从图中可以看出,除加载实验后B1组猕猴舒张压略低于A1组,其余时刻B 组猕猴收缩压与舒张压均高于A 组猕猴,但并无显著性差异(P＞0.05)。从变化趋势来看,A1、A2组猕猴加载实验后收缩压与舒张压均呈升高趋势,且变化幅度整体略大于B 组猕猴。B 组猕猴仅在15 G 过载后收缩压出现轻微降低,其余时刻收缩压与舒张压均增大。t检验结果显示,B 组猕猴在15 G 加载实验后较实验前舒张压出现明显升高(P=0.045),其余均无显著性差异(P＞0.05)。

图4 实验前后猕猴血压变化情况Fig.4 Changes of BP in macaques before and after the experiment

3.4 行为学观察

猕猴13G 加载前后行为学评分如表1 所示。2 组猕猴超重暴露后表现出相似的行为趋势,站角行为增加,窜动、扑咬、抓取等行为均减少。提示2 组猕猴反应有所迟钝,身体灵敏性弱化,扑食动作明显减少。其中,A、B 组猕猴在扑咬行为上表现出显著性的差异(P=0.035),其余均未达到明显水平(P＞0.05)。

表1 猕猴行为学综合评分(n=9)Table 1 Comprehensive behavioral scores of macaques(n=9)

4 讨论

目前已有研究证实了姿态差异对机体的生理反应存在显著影响[19-20]。本文分析了高量级过载环境下姿态对机体影响的差异性。卧姿与躺姿属于2 种典型的返回再入姿态,前者下肢呈蜷曲状态,大腿与腹部贴合较紧密,背部与水平面存在约20°夹角,且头肩部进一步抬高,故在+Gx作用下,机体会同时受到大小为G·sin20°的头盆向过载分量作用[21]。躺姿状态下,机体下肢呈自然状态,小腿抬高接近水平放置且高于心脏的位置,后背与肩部接近水平并在此基础上略微抬高头部。采用躺姿有利于机体在过载暴露下获得更多的舒适感,且下肢的抬高有利于血液向心脏回流,进而提高机体对超重过载的耐受性[22]。

本文研究结果表明,2 种姿态下,猕猴心率与血压均表现出上升趋势,血氧饱和度呈降低趋势。其中,卧姿组猕猴心率与血压的变化幅度整体略高于躺姿组,但并未达到显著性水平。人体的大血管沿身体纵轴方向分布,头盆向过载(±Gz)的变化极易引起人体心血管系统内静水压力梯度的改变[23-24],该种变化会引起机体代偿性的神经激素调节,与心肺功能及肌肉活动等密切相关。卧姿工况下,由于座椅背角的存在,猕猴受到大小为G·sin20°的头盆向过载分量作用,在静水压效应的影响下,头面部血液向下转移,一方面使颈动脉血压降低,传入压力感受器的冲动减少,并通过神经中枢引起心交感神经与交感缩血管紧张[25-26],心迷走神经紧张减弱,效应为心率与血压明显升高;另一方面,头面部血、氧供给不足时,肌肉代谢反射被激活,代谢产物潴留于肌肉内并刺激薄髓鞘与无髓鞘神经纤维放电频率增加,引起心交感神经兴奋,进一步提高了机体的心率与血压[26]。而躺姿工况下,机体交感-肾上腺系统整体兴奋性提高是造成心率加快、血压升高的主要原因,且躺姿下生理参数变化趋势较卧姿组更为平稳[27]。

此外,超重暴露下姿态变化会引发机体重要脏器的形变与位移,直接影响着体液转移与呼吸运动,与血氧饱和度的变化密切相关。刘炳坤等[14]研究发现,卧姿工况下,机体心脏存在明显的骨盆向位移及胸背向的压缩变形,膈肌及腹腔脏器在头盆向过载分量与大腿的支撑共同作用下变形并不明显,因此将有利于呼吸活动。躺姿工况下,机体主要受到胸背向过载作用,胸内压升高会引起肺脏的压缩变形与心室容积减小,常与呼吸困难及胸骨持续疼痛相关。但在本文研究中,2组猕猴的血氧饱和度指标并未发现显著性差异。

2 组猕猴除扑咬动作外,行为学综合评分并未表现出明显差异,但均提示反应与灵敏性的降低。从过载环境的特点来看,CE-5T1 过载持续作用时间整体较长,加速度曲线双峰间隔较大;而Apollo 过载相对持续较短、峰值间隔小。以往的低量级过载人体实验中有志愿者表示,CE-5T1 过载下不适感稍轻[28],这可能与其加载曲线两峰值间的长时间低过载有关,志愿者在此过程中得到了一定的休息和恢复。

本文研究存在一些局限性,如选取的样本量较小,这可能是造成某些生理参数变化差异性不明显的原因之一。另外,在高量级过载作用下是否存在机体组织器官的损伤,则需要对猕猴进行病理损伤测试,进一步的病理损伤分析将在今后研究中进行。

5 结论

本文研究依托短臂动物离心机模拟了卧姿与躺姿的2 种典型月地返回过载,测试观察了峰值为13 G、15 G 过载作用后卧姿及躺姿猕猴的生理及行为学反应,结论如下:

1)卧姿较躺姿工况而言,猕猴机体的生理反应对于峰值为13 G、15 G 过载环境下更敏感,心率、血压变化幅度更大,其中13 G 过载作用后,卧姿猕猴心率明显高于躺姿猕猴(P=0.015),但血氧饱和度并未出现明显差异;

2)峰值为13 G、15 G 过载作用后,躺姿及卧姿猕猴均出现精神萎靡、反应与灵敏性下降等行为学特征,在扑咬的行为学评分上存在显著差异,卧姿猕猴扑咬反应减少更明显(P=0.035)。

致谢感谢刘炳坤老师对本文实验设计及结果分析的指导,谨致谢意。