宇航員在失重情況下漂浮的畫面，是不是特別酷炫？但是，失重的太空環(huán)境并沒(méi)有想象中美好，人類長(zhǎng)期適應(yīng)于地球的引力作用，一旦進(jìn)入空間飛行的失重狀態(tài)，生理系統(tǒng)就不可避免地發(fā)生一系列適應(yīng)性變化，即失重生理效應(yīng)。為了應(yīng)對(duì)失重導(dǎo)致的不良生理效應(yīng)，我們是如何在地面對(duì)失重狀態(tài)進(jìn)行模擬和研究，并加以防護(hù)措施的呢？

       近期，研究院科普知識(shí)專欄將陸續(xù)推出4篇系列文章，為大家詳細(xì)介紹在地面對(duì)失重狀態(tài)進(jìn)行模擬和研究的“臥床實(shí)驗(yàn)”。

目前，空間微重力環(huán)境地面模擬主要通過(guò)以下手段實(shí)現(xiàn)：落塔法、拋物飛行法、水浮法、氣浮法、懸吊法、以及在醫(yī)學(xué)研究中應(yīng)用的頭低腳高位臥床法（人體）和尾部/后肢懸吊法（動(dòng)物）。

圖1   航天飛行導(dǎo)致的失重生理效應(yīng)

頭低腳高位臥床法（人體）即頭低位臥床實(shí)驗(yàn)（Head-down Bed Rest Experiment），它可以模擬失重所引起的體液頭向分布和運(yùn)動(dòng)減少對(duì)人體的影響，其所引起的心血管功能紊亂、肌肉萎縮、骨質(zhì)疏松、內(nèi)分泌失調(diào)、水鹽代謝變化、免疫功能下降等變化與失重的影響也十分相似。因此，可以用頭低位臥床實(shí)驗(yàn)進(jìn)行失重對(duì)人體生理功能影響、機(jī)理和防護(hù)措施等研究，此方法簡(jiǎn)單、易行，是目前應(yīng)用最廣泛的人體模擬失重的方法，有關(guān)失重對(duì)人體生理影響的機(jī)理認(rèn)識(shí)也大多來(lái)自頭低位臥床實(shí)驗(yàn)。

50年代，前蘇聯(lián)、美國(guó)就開(kāi)始進(jìn)行頭低位臥床實(shí)驗(yàn)（表1），我國(guó)自60年代起也進(jìn)行了頭低位臥床實(shí)驗(yàn)。1971年，前蘇聯(lián)Genin等利用9名志愿者進(jìn)行了4°頭低位臥床30天，此后頭低位臥床就被作為人體模擬失重的主要方法，并為認(rèn)識(shí)長(zhǎng)期模擬失重生理效應(yīng)積累了大量信息。最初，臥床實(shí)驗(yàn)主要用于模擬失重對(duì)心血管系統(tǒng)的影響，此階段美國(guó)和前蘇聯(lián)/俄羅斯在每次發(fā)射任務(wù)前，都進(jìn)行了與飛行任務(wù)相同（時(shí)間）的地面頭低位臥床實(shí)驗(yàn)，以預(yù)測(cè)航天員在飛行中可能發(fā)生的生理改變；之后逐漸用于研究失重對(duì)多個(gè)生理系統(tǒng)的影響研究。

表1   前蘇聯(lián)/俄羅斯、美國(guó)、歐洲臥床實(shí)驗(yàn)完成情況回顧

頭低位臥床實(shí)驗(yàn)發(fā)展史可分為三個(gè)不同的階段：第一階段（20世紀(jì)70～80年代）主要針對(duì)短期飛行急性適應(yīng)期出現(xiàn)的醫(yī)學(xué)問(wèn)題，如體液急性丟失與轉(zhuǎn)移、感覺(jué)系統(tǒng)相互作用的變化等，頭低位臥床實(shí)驗(yàn)周期一般為7～15天；第二階段（20世紀(jì)90年代）主要針對(duì)中期飛行出現(xiàn)的心血管功能失調(diào)、肌肉萎縮、立位耐力下降等，實(shí)驗(yàn)周期一般為30～60天；第三階段（2002年～）主要關(guān)注長(zhǎng)期飛行中和返回后骨質(zhì)丟失持續(xù)惡化的最大程度及其誘發(fā)的其它醫(yī)學(xué)問(wèn)題等，兼顧長(zhǎng)期飛行中由于高應(yīng)激、免疫功能下降等問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)周期一般為90～150天甚至更長(zhǎng)。

頭低位臥床實(shí)驗(yàn)一般在特殊的臥床實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。例如，美國(guó)NASA的阿莫斯研究中心就是專門進(jìn)行頭低位臥床實(shí)驗(yàn)研究的場(chǎng)所。頭低位臥床實(shí)驗(yàn)的組織實(shí)施包括志愿者的選拔和培訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)管理等，實(shí)驗(yàn)的實(shí)施必須符合醫(yī)學(xué)倫理學(xué)要求。由于人的個(gè)體差異很大，在招募志愿者時(shí)，一般會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的確定招募志愿者的年齡、性別、高度、體重、脂肪含量、運(yùn)動(dòng)能力和健康狀態(tài)等條件。

頭低位臥床實(shí)驗(yàn)過(guò)程通常包括三個(gè)時(shí)期，即志愿者自由活動(dòng)期、頭低位臥床期和恢復(fù)期。自由活動(dòng)期即志愿者到達(dá)臥床實(shí)驗(yàn)室后大約需要花費(fèi)一至兩周的時(shí)間以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和飲食。臥床期即志愿者在頭低位臥床期間身體只能仰臥、平躺、翻身、側(cè)身，可以說(shuō)吃喝拉撒睡玩和測(cè)試都在床上進(jìn)行，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程飲食和營(yíng)養(yǎng)也會(huì)受到嚴(yán)格監(jiān)測(cè)和控制（圖2）；恢復(fù)期即志愿者起床以后處于自由活動(dòng)狀態(tài)，有專門工作的人員協(xié)助進(jìn)行后恢復(fù)，模擬航天員航天返回后的再適應(yīng)地球環(huán)境的過(guò)程。

圖2    6°頭低位臥床實(shí)驗(yàn)

頭低位臥床實(shí)驗(yàn)可以模擬失重所引起的身體一系列生理變化，包括運(yùn)動(dòng)能力的降低、體液的頭向分布、激素和代謝改變、姿勢(shì)感覺(jué)的部分喪失、骨骼肌肉系統(tǒng)去負(fù)荷、代謝需求減少以及立位耐力下降等。臥床的角度是0°~-12°（即頭低位12°），甚至更低，目前大多采用-6°。大量研究證實(shí)，頭低位臥床實(shí)驗(yàn)是一種很好的模擬失重生理效應(yīng)的模型。通過(guò)頭低位臥床實(shí)驗(yàn)，人們既能預(yù)測(cè)長(zhǎng)期空間飛行可能發(fā)生的不利影響，闡明失重生理效應(yīng)發(fā)生的機(jī)制，也能評(píng)價(jià)某些對(duì)抗措施的效果，為長(zhǎng)期空間飛行后人類重返重力場(chǎng)提供必要幫助。

盡管完成頭低位臥床實(shí)驗(yàn)需要特殊的場(chǎng)所和裝置，且方法和程序較為復(fù)雜的，但科學(xué)價(jià)值巨大，美國(guó)、前蘇聯(lián)/俄羅斯、法國(guó)以及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家均開(kāi)展了廣泛的頭低位臥床實(shí)驗(yàn)研究，NASA及ESA已完成90天～120天的頭低位臥床實(shí)驗(yàn)，俄羅斯甚至已完成400多天的實(shí)驗(yàn)，積累了大量數(shù)據(jù)。

下一期文章，我們將詳細(xì)介紹我國(guó)臥床實(shí)驗(yàn)發(fā)展歷程，敬請(qǐng)期待！

參考文獻(xiàn)：

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