长期失重生理效应体育锻炼防护措施研究进展

李志利 姜世忠

（1中国航天员科研训练中心 2中国人民解放军第四军医大学）

1 前言

人是在地球重力环境中进化和生活的，人体各生理系统从形态、结构和功能上都已经适应了地球重力环境，而一旦进入失重环境，人的生理系统将发生一系列的适应性变化，航天员在进入其他星球或重返地球时，失重、暴露将严重影响他们的安全和健康，因此需要采取相应的防护措施[1]。防护措施是一个用来抑制产生这些不利影响的体系，包括物理、体育锻炼、营养、药物和程序等。依据防护措施使用时机可分为：飞行前选拔训练、飞行中防护、返回前干预和飞行后的康复；依据防护措施的性质可将其分为：体育锻炼防护措施和非体育锻炼防护措施两类，后者又可以分为营养、药物、物理和制度等，其中体育锻炼类防护措施是目前整个失重防护措施体系中的核心[2，3]。本文主要针对长期失重体育锻炼防护措施进行重点阐述。这些防护措施中，有些正在航天飞行中使用，有些处于研究中。

2 在用的防护措施

随着载人航天器体积、载荷的增加，其内部配备的体育锻炼设备也日益完善，表1是国外不同航天器中配备的体育锻炼设备。目前国际空间站（ISS）所用体育设备主要由拉力器、抗阻力锻炼装置、跑台和自行车功量计等组成[1,2]。航天员每天都要花费大约2.5h进行锻炼，其中包括设备准备和个人卫生处理。锻炼类型通常由有氧锻炼（耐力锻炼）和无氧锻炼（力量锻炼）组成，表2是ISS第11批长期考察组锻炼日程安排中一天。

表1 国外载人航天器中的锻炼设备

表2 ISS第11批长期考察组锻炼日程安排中的一天

2.1 拉力器

拉力器是航天员防护失重生理效应的重要锻炼设备，随后逐渐被较大型的抗阻力锻炼装置代替。但目前俄罗斯仍将其作为防护措施的一部分配备在国际空间站中，拉力器的锻炼通常结合自行车功量计进行，主要用来锻炼肩部和背部肌肉。

2.2 自行车功量计

自行车功量计是航天飞行中应用最广泛的一种锻炼设备。它提供的负荷为0～350W，调节方式为手动或自动调节，操作时需采用坐位或仰卧位，可提供实时与锻炼有关的数据。自行车功量计可用来进行有氧或无氧锻炼，以锻炼心血管功能，增加循环血量，维持下肢肌耐力，提高机体的有氧工作能力。除了锻炼外，自行车功量计也用于飞行中航天员心血管功能的评价。利用自行车功量计进行上肢锻炼，对上肢的锻炼则有利于出舱活动。长期耐力锻炼虽然能提高最大耗氧量（VO2max）但同时也降低了立位耐力，但在卧床结束前或航天飞行返回前进行一次最大强度的锻炼似乎能有效对抗立位耐力不良。越来越多的研究显示自行车功量计也能有效对抗失重性肌肉萎缩,但是对于骨骼，一般认为自行车功量计锻炼对骨的影响有限[4]。

2.3 跑台

跑台是美国和苏联/俄罗斯空间站中最常应用的另一种体育锻炼防护措施，可用来进行抗重力肌的耐力锻炼、对骨骼的高冲击性锻炼、对心脏的有氧锻炼，也有助于步态训练。它是用一个相对恒定的弹性力负荷加载装置将航天员固定在跑台上，负荷通过类似甲胄一样的束缚装置和弹性绳施加在人体上以代替重力的作用，使航天员能够在失重环境通过在跑台上站立、行走、跑、跳。利用跑台锻炼有两种模式：马达驱动模式，此模式下跑台可将速度控制在0km/h～16km/h；非马达驱动模式，即在没有马达带动下，航天员在跑台上运动需克服摩擦阻力，以带动跑台传动。

2.4 抗阻力锻炼装置

2.4.1 飞轮抗阻力锻炼装置[5]

飞轮抗阻力锻炼装置是ESA研制的一种不依赖于重力的抗阻力锻炼装置，主要用在长期航天飞行中对抗失重性肌肉萎缩和骨丢失。其原理是类似玩具“悠悠球”的原理（见图1），锻炼时，肌肉首先向心收缩克服飞轮的惯性使其加速，随后需要肌肉进行离心收缩使其减速，加速的力量越大，减速的力量也就越大。装置的惯性大小通过增加或减少飞轮盘片的数量实现。由于该装置能够产生更大的离心力，而离心运动能够对肌肉产生更大的刺激，以此对抗肌肉萎缩。

图1 飞轮抗阻力锻炼装置原理示意图

2.4.2 间断性抗阻力锻炼装置

间断性抗阻力锻炼装置（IRED）是美国在ISS上用来对抗肌肉萎缩和骨丢失的重要防护措施，主要由肩托、连接绳和阻力筒构成。肩托通过固定绳连着两个阻力筒，每个筒中含有一系列弹性带，通过转动来调节锻炼阻力。利用IRED可进行多种锻炼活动，包括肌肉大范围的向心和离心收缩，可锻炼所有主要肌群的力量和耐力，以维持骨骼肌的质量和体积，同时能增加对骨的牵拉应力刺激[6，7]。研究显示每周6天抗阻力锻炼能有效对抗受试者腰椎、骨盆、足跟等部位的骨密度降低。由于IRED设计最大阻力较小，约136kg，对肌肉的刺激有限，同时由于其内部的弹力绳易老化等原因，现已被新一代的抗阻力锻炼装置（ARED）所代替。相对于IRED而言，ARED能提供更大的阻力（272kg），其实际应用效果还未见报道。

2.5 企鹅服

企鹅服是俄罗斯设计一种特殊的服装，其夹层中排列着多条弹力绳（图2），航天员穿着这种服装，在肌肉松弛时处于一种“胎儿”状态；在进行各种操作活动和运动时，必须克服服装弹力的作用，以此达到锻炼肌肉的目的，可提供的最大力负荷为49kg。由于企鹅服不影响人的操作和活动，因此受到了航天员的欢迎。穿着时，初始状态下肩部受力约15kg，每日穿着10h～12h，能有效预防比目鱼肌肌纤维的萎缩[8]。

图2 企鹅服结构示意图

3 研究中的防护措施

研究中的体育锻炼防护措施除划船器外，大部分都是不同防护措施的组合或综合防护措施。划船运动是一种大强度的全身运动，持续时间较长而且不依赖于重力，要求运动员具有较好的力量、耐力、速度、技能等四项基本能力，其中力量、耐力最为重要。划船运动对心脏有着良好的作用，它可使心脏发生营养性肥大。划船运动员心脏面积增大的比例仅次于公路和场地自行车运动员。早期由于划船器体积大且笨重未持续在太空中使用。

由于失重对人体的影响涉及多个生理系统、也是多环节的，而现有单项防护措施多是针对某个生理系统或者失重生理效应发生的某个环节或部分进行对抗，因此单纯一项防护措施是很难进行有效防护的。通过对不同防护措施的原理进行分析，将不同的单项防护措施进行合理组合可能会产生比单项防护措施更加有效的防护效果。因此除进行上述单项的体育锻炼防护措施研究外，航天医学家们还积极探讨不同防护措施之间的综合应用研究。

3.1 下体负压+跑台

受工程设计的限制，原有跑台的力加载装置所能提供的力负荷较小且不舒适，Hargens等设计了利用下体负压筒来代替原有力加载装置，并提出了下体负压+跑步运动（LBNP/treadmill）的锻炼模式[9]。对比研究发现，在高负荷（120%体重）下，LBNP/treadmill锻炼模式的舒适性明显好于传统跑台，能够使参与卧床实验男性和女性受试者最大耗氧量和短跑能力都得以维持。在LBNP/treadmill锻炼的基础上增加了5min单纯LBNP暴露能有效提高了卧床后的立位耐力，对骨丢失也有一定的防护作用。虽然被证明是一项有效的防护措施，但是由于是在下体负压装置内安放跑台进行锻炼，因此下体负压装置的体积较大，在狭小的太空舱内实施还有一定的困难。

3.2 补液+自行车功量计

补充平衡液与自行车功量计联合就是针对立位耐力不良发生的两个因素，低血容量和心脏功能减弱，利用自行车功量计锻炼对心脏功能进行维持，利用平衡液补充使血容量恢复。经卧床实验证明两者相互结合对模拟失重后立位耐力不良形成了有效的对抗。该设计将现有补液措施和自行车功量计锻炼相有机结合有效利用了现有的资源，提高了防护的效果。但是这种防护效果的所能持续的时间还需进一步研究，这也是其是否具有实际应用价值的关键。

还有其它一些综合防护措施的研究，如体育锻炼与药物、营养，耐力锻炼和抗阻力锻炼，人工重力和锻炼结合、振动结合企鹅服或抗阻力锻炼等。其中部分研究已取得了良好的对抗效果（见表3）。

4 体育锻炼防护措施应用方案

通常，体育锻炼对于心血管、免疫和肌肉骨骼系统很有益处，对于前庭和体温调节也很有帮助。然而，虽然有详细的在轨锻炼制度，但现有锻炼措施对于骨骼、肌肉和有氧运动能力的维持效果还很有限，而且，这些措施对于神经-运动适应性变化和飞行后立位低血压的影响也不尽一致。造成这种现象的原因部分是因为有氧运动能力、肌力、肌耐力锻炼和骨的维持所需的运动方式不同所致，因此在制定运动方案时需要综合考虑对各系统的防护作用。

表3 部分综合防护措施防护效果

对于有氧运动能力而言，通过对卧床实验回顾性分析发现，在卧床期间几乎所有锻炼方案（不同锻炼类型和锻炼持续时间）都能减缓有氧运动能力的下降。美国在航天飞行中对不同强度的有氧锻炼进行了研究，发现中等强度锻炼组航天员在飞行后VO2max下降了4.5%，而低强度锻炼组航天员VO2max下降的程度更大，说明低强度的功量计锻炼并不能维持失重条件下人的有氧运动能力，需要较高强度的锻炼才有可能使长期失重后的有氧运动能力得到维持。通过对比连续性锻炼和间歇性有氧锻炼两种方式的效果发现间歇性方式对抗效果更好。目前美国和俄罗斯采用的有氧锻炼方式就是间歇性锻炼。抗阻力锻炼也同样是间断性高强度能够更有效对抗废用性肌萎缩。最近的研究表明有氧锻炼有助于维持肌肉中的I型肌纤维比例，是对抗阻力锻炼很好的补充。

5 未来体育锻炼防护措施的发展方向

虽然进行了大量强有力的锻炼和其他防护措施的干预，航天员返回地球后还是发生了明显的肌肉萎缩和骨质疏松。说明现有的对抗体系还不能满足人类在太空的长期驻留或登陆火星的需求，必须建立更加有效的防护措施。目前各国的航天医学家们也正在积极探索有效的防护措施以应对快速发展的航天需求。

5.1 现有体育锻炼防护措施的优化研究

在防护措施的发展方面，一个很重要的方向就是对现有防护方法的挖掘再研究，包括锻炼设备硬件的改进和锻炼方案或运动处方的修订。这是因为：一方面原有的防护设备设计参数已不能满足锻炼方案的需求，或设计上的缺陷导致使用上的限制，如iRED设备的最大负荷较低，不能给予肌肉更大的刺激；跑台的人体力负荷加载装置所能施加的最大力限制和在使用时对航天员带来的不适限制了跑步锻炼的效果。同时这些设备对锻炼效果的监测和评估也带来很多困难。另一方面，随着研究的不断深入和相关科学领域的进步，基于新理论的锻炼方案的提出。如基于高强度间歇性锻炼方案比持续性的锻炼方案更适合在天基使用。

锻炼方案的修订主要是基于运动医学科学的发展和航天医学研究的深入而进行的调整。航天特殊的环境对锻炼方案有着特殊的要求，锻炼方案的设计需要考虑许多限制条件并在其中找到一精确的平衡点。这些限制因素包括锻炼的效果、操作的方便性，个体的依从性和航天器本身对设备及操作的要求，这些要求共同决定了设备的重量和尺寸、实施的时间，而且还要求对环境的干扰最小。目前，ISS上的锻炼程序的一个最主要问题就是耗时、费力、不舒适，而且效果有限[1]。

5.2 综合防护措施研究

人体作为一个多生理系统有机整合的一个整体，各生理系统功能有效发挥有赖于其他系统的协同配合，使在研究防护措施时必须考虑防护措施对不同生理系统的防护作用，在防护措施应用上也要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，以保持人体在整体功能水平上的高效性[10]。目前的研究来看，还没有一种措施能够独立在太空对抗失重生理效应，除非将整个太空舱旋转起来产生持续的人工重力，但是这会带来许多难于解决的其他问题。间断性人工重力虽然实现起来相对容易，但是，研究发现每日进行几个小时以上的重力暴露对于时间资源非常紧张的航天员来讲显然也是不实际的，同时间断性重力暴露对于失重性肌肉萎缩和骨丢失而言，实际效果还未确定。学科交叉、人体生理机能的整合和载人航天资源的昂贵代价决定了在未来失重防护措施的发展方向是建立以综合防护为主的失重防护措施体系。令人鼓舞的是已有很多学者将不同的防护方法进行组合，研究组合后的防护效果，如不同锻炼类型的综合安排，不同类别防护措施的综合如物理和体育，营养体育，药物补充等。其中一些已经取得了良好的防护效果，如下体负压+锻炼，GH/IGF-1+锻炼，有氧锻炼+抗阻力锻炼，离心+蹲起锻炼等[4]。

在航天领域，受重量、体积、功耗和上行载荷限制的影响，要求在研究防护措施时必须提前考虑在未来太空中应用的可行性。一般而言，体育锻炼设备在硬件设计上需要遵循以下原则：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、可维护性强、对飞船的影响小，同时还需考虑航天员的依从性和锻炼设备之间在功能上的可代替性。 ◇

［1］Sawin,C.F.,et al..Considerations for development of countermeasures for physiological decrements associated with long-duration space missions.Acta Astronautica 2007，60（4-7）:488-496.

［2］Kozlovskaya,I.B..Countermeasures for long-term space flights,lessons learned from the Russian space program.J Gravit Physiol,2002.9（1）:313-317.

［3］Kozlovskaya,I.B.and A.I.Grigoriev.Russian system of countermeasures on board of the International Space Station （ISS）:the first results.Acta Astronaut,2004.55（3-9）:233-237.

［4］Buckey,J.C..Space Physiology.2006,New York:Oxford University Press.

［5］Alkner,B.A.and P.A.Tesch,Efficacy of a gravity-independent resistance exercise device as a countermeasure to muscle atrophy during 29-day bed rest.Acta Physiol Scand,2004.181（3）:345-357.

［6］Trappe,S.,et al..Exercise in space:human skeletal muscle after 6 months aboard the International Space Station.J Appl Physiol,2009.106（4）:1159-1168.

［7］Gopalakrishnan,R.,et al..Muscle volume,strength,endurance,and exercise loads during 6-month missions in space.Aviat Space Environ Med,2010.81（2）:91-102.

［8］国际空间站服务舱医学操作手册BOOK1.2000.

［9］Watenpaugh,D.E.，et al..Lower body negative pressure exercise plus brief postexercise lower body negative pressure improve postbed rest orthostatic tolerance.J Appl Physiol,2007.103（6）:1964-1972.

［10］White,R.J.and M.Averner,Humans in space.Nature,2001.409（6823）:1115-8.