限制运动对腰部椎旁肌横断面积和收缩功能的影响

王 健，王晓娟，冯金生，杨 镐，张 芷，谢 琳，袁立伟

1 前言

长期太空在轨飞行是导致腰部神经肌肉系统功能退化和产生慢性腰痛的重要原因［11，1］，也是航天运动生理学研究密切关注的航天员基本健康保障问题之一。微重力环境导致腰痛的发生机制比较复杂，确切的病理尚不清楚。一般认为，微重力环境下航天员腰痛是一个与微重力神经肌肉适应密切相关的生理学现象，可能与腰椎稳定肌的结构与功能改变及其引起的腰椎稳定性破坏有关［6］。地面模拟试验研究发现，长期的头低位卧床限制运动能够造成LMF萎缩和背伸肌力下降［22］。然而，模拟失重能否改变LMF抗疲劳能力以及中枢运动控制，目前研究尚不清楚。本研究拟采用头低位卧床（Head down bed rest，HDBR）限制运动的方法，研究为期30天的HDBR对受试者腰部椎旁肌横断面积（Cross sectional area，CSA）及最大抗阻收缩能力、抗疲劳能力和快速反应能力的影响，为进一步研究和制定航天员腰椎运动保护方案提供科学理论依据。

2 方法

2.1 受试者

对自愿报名参加本实验的45名男性受试者进行3轮筛选。首先，通过心理素质测试，初步选拔30名受试者。其次，通过医学检查确定20名受试者；最后，再通过体能检测确定14名受试者参与本次实验。最后确认的受试者各项生理功能正常，无腰痛病史及其它慢性病史，平均年龄28.79±4.71岁，身高1.72±0.04m，体重68.07±7.73kg。

2.2 实验设计

本研究采用前、后测对比试验的方法，考察30天头低位卧床对受试者腰部椎旁肌横断面积以及收缩功能的影响。其中，1）通过最大随意收缩试验，检测LMF和LE最大平均肌电值（Average electromyography，AEMGmvc），以此考察肌肉最大随意收缩能力的变化；2）通过背伸肌疲劳试验，检测LMF和LE肌电活动的平均功率频率（Mean power frequency，MPF）下降率，以此考察被检肌肉抗疲劳能力；3）通过经典落球试验，检测被检肌肉对腰部肌肉突发性负荷的快速反应时间（Rapid reaction time，RRT），以此考察被检肌肉的中枢运动控制效率；4）通过磁共振成像，定量检测腰部椎旁肌CSA。以上检测指标的前测试验安排在卧床试验前2天内进行，后测指标安排在卧床试验结束的即刻进行。

2.3 卧床试验与肌肉形态功能试验

2.3.1 头低位卧床试验

受试者在了解本实验的目的、程序以及对身体可能产生的影响等情况后，签署了知情同意书。所有受试者在实验开始前7天入住卧床实验室，熟悉环境，接受相关知识和要求的培训。卧床室温度20℃～26℃。30天卧床试验开始后，受试者每天需保持头部-6°的卧床姿势，允许其在床上绕身体纵轴变换体位，但不得坐立、下床活动，同时禁止使用枕头等颈部支撑物。卧床期间所进行的各种日常生活性活动如饮食、洗澡、如厕等均在-6°头低位床上实施。通过闭路电视24h连续监控卧床行为，一旦发现违规者，立即纠正。本实验由中国航天员科研训练中心伦理委员会批准执行。

2.3.2 最大随意收缩试验

采用最大背伸肌力检测方法，要求受试者双腿直立，调整手柄高度至膝关节部位。双手正握手柄，直臂状态下完成最大背伸运动。共计完成3次测试，选取背伸肌力最大一次的sEMG信号，计算最大平均肌电值（AEMGmvc）。

2.3.3 肌肉疲劳试验

推荐理由:本书讨论了社会热点问题和人们普遍关注的话题中的化学基本知识及化学所发挥的作用，并介绍了一些基础化学知识，让读者更好地了解并对其潜在性和危险性做出合理的评判。

采用动态背伸肌疲劳试验［14］。受试者四肢固定于测试床上，躯干悬空。要求受试者双手交叉抱头，双臂外展至地面平行位置，然后完成50次动态躯干屈伸运动，要求每次运动伸到180°，屈到120°，运动周期1.8s／次，由节拍器引导动作节奏。连续采集受试者被检肌肉90s的sEMG信号。截取每次运动的sEMG信号，计算MPF及其下降率（%）。

2.3.4 落球试验

令受试者双臂弯曲成直角，双手握持长方形托盘，托盘重量小于200g。试验开始时，主试手持重量2kg的重锤置于托盘上方15cm高处。托盘表面安置有感知重锤击打的压力传感器，其感知信号与肌电信号并行输入肌电图机。分别在受试者处于睁眼和闭眼两种不同实验条件下完成重锤释放。睁眼情况下要求受试者注意观察主试释放重锤的全部过程。闭眼情况下，受试者无法预知主试释放重锤的时间。设置睁眼和闭眼实验条件的目的在于进一步考察视觉心理预期对突发性载荷引起的被检肌肉本体感受性快速反应时间的影响。睁眼和闭眼重锤试验重复3次，取其平均值作为检测结果。

2.3.5 椎旁肌 MRI成像

使用德国西门子公司3.0TMR（3.0TSystem Megnetom，Verio，Germany）设备完成磁共振成像。受试者取水平仰卧位，于HDBR前2天和HDBR第30天完成成像检测。扫描成像条件:快速自旋回波T2加权横断面成像（SET2WI）:Slice Thinkness 5mm，TR:3000ms，TE:135 ms，FOV:24×24cm。每列对象采用相同序列检查相同的腰椎节段:L3、L3／4、L4、L4／5、L5、L5／S1，取 L4／5平面图像资料，手工标定腰部椎旁肌轮廓线，通过对轮廓包罗面的积分处理，测量腰部椎旁肌横断面积（图1）。

2.4 sEMG信号采集与处理

采用 ME6000（Mega Electronics Ltd，Finland）表面肌电仪采集sEMG信号。按照SINIAM标准，分别选择L5～S1部位的表层LMF和L2～L3部位的LE体表标志，帖放氯化银体表引导电极，探测电极连线与被检肌肉长轴走向一致，电极直径0.5cm，电极间距2cm，参照电极置于探测电极外侧3cm处。放置电极前用细砂纸和75%酒精棉球清理皮肤表面以减小阻抗。sEMG信号采样频率为1000 Hz，输入阻抗小于10GΩ，通带滤波10～500Hz，噪声水平小于3.5μV。采用 Mega-Win软件分别选取最大随意收缩和疲劳试验的肌电信号计算平均肌电值AEMG和MPF下降率；采用自行编制的计算机判别程序自动判别落球试验中被检肌肉的快速反应时间。本实验定义的快速反应时间特指自下落物体接触塑料托盘至受试者被检肌肉出现反射性肌电活动之间的时间（ms）。初始反应信号的判别条件是3倍的基线AEMG标准差。

2.5 统计分析

采用双因素方差分析考察卧床前后和睁眼闭眼因素对落球试验快速反应时间的影响；采用自身对照t检验考察卧床先后AEMGmvc、MPF下降率和椎旁肌CSA变化。显著性差异水平为P＜0.05。数据统计分析采用SPSS 16.0软件进行。

3 结果

3.1 30天HDBR对腰部椎旁肌CSA的影响

图2所示，30dHDBR分别使左、右侧椎旁肌CSA下降15.11%（左侧）和15.18%（右侧），t检验结果表明，卧床前后存在明显统计学差异（左侧:t＝8.08，P＝0.000；右侧:t＝8.01，P＝0.000）。

图1 本研究腰部椎旁肌横断面积检测图Figure 1.Measurement of Lumbar Parspinal Muscles CSA

图2 本研究30dHDBR对腰部椎旁肌CSA的影响Figure 2.Effects of 30days HDBR on the CSA of Lumbar Parspinal Muscles

3.2 30天HDBR对LMF和LE最大随意收缩AEMG的影响

图3所示，30dHDBR分别使LMF和LE的AEMGmvc下降36%和47%，t检验结果表明，卧床前后存在明显统计学差异（LMF:t＝2.62，P＝0.012；LE:t＝4.089，P＝0.000）。进一步分析LMF和LE最大随意收缩AEMG变化与椎旁肌CSA变化的相关性，发现二者无明显相关。

3.3 30天HDBR对LMF和LE MPF下降率的影响

图4所示，30天头低位卧床分别使疲劳试验过程中LMF和LE的MPF下降率提高64%和56%，但因个体差异较大，t检验结果表明，卧床前后无明显统计学差异（LM:t＝0.050，P＝0.961；LE:t＝0.304，P＝0.761）。 进一步分析LMF和LE的MPF下降率变化与椎旁肌CSA变化的相关性，发现其间无明显相关。

3.4 30天HDBR对LMF和LE快速反应时间的影响

30天头低位卧床对腰部多裂肌和竖脊肌快速反应时间的影响详见图5。双因素方差分析结果表明，卧床因素对LMF和LE快速反应时间均有显著影响（LM:F＝13.431，P＝0.000；LE:F＝12.113，P＝0.001），分别使LMF和LE的快速反应时间延长了21%和25%。睁闭眼因素对LM和LE快速反应时间无显著影响（LM:F＝0.109，P＝0.742；LE:F＝0.070，P＝0.792）。

图3 本研究30d头低位卧床对腰部多裂肌和竖脊肌最大随意收缩AEMG的影响图Figure 3.Effects of 30days HDBR on Maximum Contraction AEMG of LMF and LE

图4 本研究30dBDBR对LMF MPF下降率的影响图Figure 4.Effects of 30days Bed Rest on the Decline Rate of MPF in LMF

图5 本研究30dHDBR对LMF和LE快速反应时间的影响图Figure 5.Effects of 30days Bed Rest on the Rapid Reaction Time of LMF and LE

4 讨论

本研究的目的在于采用30天头低位卧床微重力模拟试验，探讨限制运动对腰椎稳定肌形态和收缩功能的影响。实验分别从腰部椎旁肌横断面积、最大随意收缩能力、抗疲劳收缩能力和中枢运动控制能力四个方面，考察限制运动对被检肌肉形态和收缩功能的影响。研究发现，30天限制运动能够造成腰部椎旁肌CSA明显减小，腰部局部和整体稳定肌对突发姿势干扰的快速反应时间延长，腰椎稳定肌中枢运动控制效率下降。此外，30天头低位卧床还能够明显降低腰椎稳定肌最大抗阻收缩能力，但对其抗疲劳收缩能力无显著影响。

腰椎稳定肌是用以维系腰椎稳定性的骨骼肌群，主要包括位于腰背表层且收缩力矩较大整体稳定肌群和位于腰背深层且主要用以维系腰椎阶段稳定性的局部稳定肌。正常生理条件下，由腰椎稳定肌群及其中枢运动控制系统形成的主动保护机制与由腰椎椎体、椎间关节、韧带和关节囊形成的被动保护机制一道，共同形成了腰椎稳定性的三大保护机制，用以维系身体在各种内外力干扰条件下的腰椎稳定性和保护腰椎生理功能。而因缺乏运动所造成的腰部稳定肌肌肉萎缩是造成腰椎失稳和诱发非特异性腰痛的重要原因［20］。以往采用MRI和超声成像技术研究发现，慢性非特异性腰痛患者疼痛侧腰部稳定肌横断面积明显减小，且肌肉萎缩程度与腰部功能障碍明显相关。此外，缺乏运动或者长期卧床通常也可以在短时间内造成腰椎稳定肌萎缩和收缩功能障碍。本研究观察到的30天头低位卧床造成腰部椎旁肌面积减小的事实与以往类似条件下的研究结果相一致，从而再次证明，腰部椎旁肌对于限制运动具有较快的适应。

AEMGmvc和疲劳试验条件下的MPF下降率是检测和评价神经肌肉系统最大抗阻收缩能力和抗疲劳收缩能力的经典sEMG评价指标。包括躯干背伸肌群在内的人体多数骨骼肌AEMG在20%～100%MVC范围内与肌肉收缩力大小成正比［23］，而 MPF的下降率则与局部肌肉抗疲劳的能力成反比［8］。腰部多裂肌和竖脊肌是人体重力对抗链（antigravity kinetic chain，AKC）的重要组成部分，腰部肌肉功能障碍导致的腰椎稳定性下降，可直接影响到人体腰椎的负重、减震、保护和运动支持功能，同时伴有不同程度的腰痛反应；不但影响航天飞行中航天员生活和工作，而且，危及航天飞行返回后航天员的身体健康。本研究之前的地面模拟试验研究发现，长时间头低位卧床能够明显增加腰椎间盘厚度、减小腰椎曲度和造成腰椎稳定肌废用性萎缩［2］。这些变化构成了航天员飞行后脊柱损伤的潜在风险。本研究在前人研究的基础上，采用非损伤性的定量sEMG信号分析技术，进一步研究发现30天头低位卧床分别可使LM和LE的AEMGmvc下降36%和47%，使MPF下降率提高64%和56%，从定量研究的角度发展了以往研究的认识。

神经肌肉运动控制效率是近年来腰椎稳定性和慢性腰痛运动康复研究的热点问题。高效的神经肌肉运动控制能够确保腰椎在受到各种外力作用下保持结构稳定和正常腰椎功能，而腰部肌肉的运动控制障碍则被认为是造成腰椎不稳和慢性非特异性腰痛发病的主要原因［7］。本研究首次将外部姿势干扰经典试验应用于研究模拟失重对腰椎肌肉中枢运动控制效率的研究，发现30天头低位卧床分别使LM和LE的快速反应时间延长了21%和25%，从而证明限制运动具有降低腰椎稳定肌中枢运动控制效率的明显作用。目前研究认为，神经肌肉运动控制效率的降低，作为中枢神经系统对去负荷刺激的适应性变化，在客观上构成了造成腰椎稳定性破坏的条件，因而可能是导致航天员腰椎不稳和腰痛发生的基本原因。

5 结论

本研究采用30天头低位卧床微重力模拟试验，研究限制运动对受试者腰部椎旁肌肌肉横断面积及其收缩功能的影响，发现30天头低位卧床限制运动能够明显减小腰部椎旁肌横断面积、降低腰部多裂肌和竖脊肌最大肌电激活水平和中枢运动控制效率，但对椎旁肌耐力的影响具有较大的不确定性，研究结果初步证明，腰部椎旁肌及其收缩功能对30天短期限制运动具有较快的形态结构和功能适应，提示腰部椎旁肌肌肉体积、最大肌肉激活能力和中枢运动控制能力应成为短期太空滞留期间航天员运动健康保障的重要内容。

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