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)境并沒有想象中美好，人類長期適應(yīng)于地球的引力作用，一旦進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)對失重導致的不良生理效應(yīng)，我們是如何在地面對失重狀態(tài)進行模擬和研究，并加以防護措施的呢？

       近期，研究院科普知識專欄將陸續(xù)推出4篇系列文章，為大家詳細介紹在地面對失重狀態(tài)進行模擬和研究的“臥床實驗”。

目前，空間微重力環(huán)境地面模擬主要通過以下手段實現(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（動物）。

圖1   航天飛行導致的失重生理效應(yīng)

頭低腳高位臥床法（人體）即頭低位臥床實驗（Head-down Bed Rest Experiment），它可以模擬失重所引起的體液頭向分布和運動減少對人體的影響，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驗進行失重對人體生理功能影響、機理和防護措施等研究，此方法簡單、易行，是目前應(yīng)用最廣泛的人體模擬失重的方法，有關(guān)失重對人體生理影響的機理認識也大多來自頭低位臥床實驗。

50年代，前蘇聯(lián)、美國就開始進行頭低位臥床實驗（表1），我國自60年代起也進行了頭低位臥床實驗。1971年，前蘇聯(lián)Genin等利用9名志愿者進行了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，并為認識長期模擬失重生理效應(yīng)積累了大量信息。最初，臥床實驗主要用于模擬失重對心血管系統(tǒng)的影響，此階段美國和前蘇聯(lián)/俄羅斯在每次發(fā)射任務(wù)前，都進行了與飛行任務(wù)相同（時間）的地面頭低位臥床實驗，以預測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多個生理系統(tǒng)的影響研究。

表1   前蘇聯(lián)/俄羅斯、美國、歐洲臥床實驗完成情況回顧

頭低位臥床實驗發(fā)展史可分為三個不同的階段：第一階段（20世紀70～80年代）主要針對短期飛行急性適應(yīng)期出現(xiàn)的醫(yī)學問題，如體液急性丟失與轉(zhuǎn)移、感覺系統(tǒng)相互作用的變化等，頭低位臥床實驗周期一般為7～15天；第二階段（20世紀90年代）主要針對中期飛行出現(xiàn)的心血管功能失調(diào)、肌肉萎縮、立位耐力下降等，實驗周期一般為30～60天；第三階段（2002年～）主要關(guān)注長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)學問題等，兼顧長期飛行中由于高應(yīng)激、免疫功能下降等問題，實驗周期一般為90～150天甚至更長。

頭低位臥床實驗一般在特殊的臥床實驗室中進行。例如，美國NASA的阿莫斯研究中心就是專門進行頭低位臥床實驗研究的場所。頭低位臥床實驗的組織實施包括志愿者的選拔和培訓、實驗管理等，實驗的實施必須符合醫(yī)學倫理學要求。由于人的個體差異很大，在招募志愿者時，一般會根據(jù)實驗的目的確定招募志愿者的年齡、性別、高度、體重、脂肪含量、運動能力和健康狀態(tài)等條件。

頭低位臥床實驗過程通常包括三個時期，即志愿者自由活動期、頭低位臥床期和恢復期。自由活動期即志愿者到達臥床實驗室后大約需要花費一至兩周的時間以適應(yīng)實驗環(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，可以說吃喝拉撒睡玩和測試都在床上進行，整個實驗過程飲食和營養(yǎng)也會受到嚴格監(jiān)測和控制（圖2）；恢復期即志愿者起床以后處于自由活動狀態(tài)，有專門工作的人員協(xié)助進行后恢復，模擬航天員航天返回后的再適應(yīng)地球環(huán)境的過程。

圖2    6°頭低位臥床實驗

頭低位臥床實驗可以模擬失重所引起的身體一系列生理變化，包括運動能力的降低、體液的頭向分布、激素和代謝改變、姿勢感覺的部分喪失、骨骼肌肉系統(tǒng)去負荷、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，頭低位臥床實驗是一種很好的模擬失重生理效應(yīng)的模型。通過頭低位臥床實驗，人們既能預測長期空間飛行可能發(fā)生的不利影響，闡明失重生理效應(yīng)發(fā)生的機制，也能評價某些對抗措施的效果，為長期空間飛行后人類重返重力場提供必要幫助。

盡管完成頭低位臥床實驗需要特殊的場所和裝置，且方法和程序較為復雜的，但科學價值巨大，美國、前蘇聯(lián)/俄羅斯、法國以及日本等發(fā)達國家均開展了廣泛的頭低位臥床實驗研究，NASA及ESA已完成90天～120天的頭低位臥床實驗，俄羅斯甚至已完成400多天的實驗，積累了大量數(shù)據(jù)。

下一期文章，我們將詳細介紹我國臥床實驗發(fā)展歷程，敬請期待！

參考文獻：

[1] 魏金河. 失重生理效應(yīng)的層次特征[J]. 航天醫(yī)學與醫(yī)學工程, 1994(2):134-139.

[2] 徐沖, 吳大蔚. 國外頭低位人體臥床實驗回顧與啟示[J]. 載人航天信息, 2014(6):19-23.

[3]于喜海, 陳金盾, 孫海龍,等. 失重模擬技術(shù)的發(fā)展及其比較研究[J]. 航天器環(huán)境工程, 1998(2):22-28.