持续性高+Gz加速度生理响应的动物实验研究进展

贾谊，郭宇，李志利，刘书娟*

(1. 中北大学体育学院，太原 030051； 2. 中国航天员科研训练中心，航天医学基础与应用国家重点实验室，北京 100094)

现代高性能战斗机具有高度的灵活性和机动性能，在飞行过程中重力作用经常会产生由头部指向足部的高正加速度(以下简称：高+Gz)，并对飞行员的机体产生机械牵拉作用。通常把持续时间超过1 s以上的正加速度称为“持续性正加速度”[1]。现代战机产生的这种高持续性加速度的特点是增长速度快(6 G/s)，作用时间长(15 ～ 45 s)，且G值高(+9 Gz),由此带来的生理应激反应，例如：血液动力学改变，防护措施和抗加速度动作的影响，尤其是飞行员经受的重复性多次高G载荷作用，都会对机体产生不良影响。

为了阐明高+Gz对机体产生的病理生理学变化以及预防由高+Gz带来的过度生理应激反应，科研工作者们进行了大量的动物实验研究，例如，在1920年到1945年之间进行了许多动物实验，以确定高+Gz引起意识丧失的原因，并促使了抗荷服等装备的出现[2]。此外，随着科技的进步，用于高+Gz暴露的实验设备推陈出新，比如通过单片机控制的动物离心机可以有效的模拟飞行过程中的过载曲线和控制载荷大小，下体负压技术能很好地模拟高+Gz产生的生物动力学效应，且简单易行。这些都为我们进一步了解高+Gz暴露的生理应激响应及其机制提供了条件。本文主要对高+Gz环境下暴露的动物实验研究进行综述，阐述高+Gz作用对动物继而推演到人类的影响及其机制，这对于保证飞行员的生命安全和减少身体伤害具有重要意义。

1 高+Gz对心血管功能的影响

1.1 高+Gz对血液动力学的影响

高+Gz可导致血液再分布，分布程度和由此导致的血液动力学变化由载荷的方向决定。一般情况下，+Gz方向影响最大，而+Gx方向影响最小。

由于主要血管沿身体纵轴的方向分布，当载荷从头到脚(+ Gz)起作用时，血液质量从身体的上部转移到腹腔和下肢的血管中。这种血液的重新分配会导致局部血压发生变化。具体表现为：在位于心脏水平以下的血管中，血压增加；在位于心脏水平以上的血管中，血压减小。Laughlin等[3]对狒狒的实验观察到，当载荷超过+5 Gz后，主动脉血流速度会明显降低，心脏水平动脉压降至基线值，脑血流减少；Burns等[4]发现，当载荷超过+7 Gz时，猪的眼动脉压会降至-17 mmHg。

在局部血液循环方面，大部分组织、器官内部的血管网络，在各个方向上是均匀分布的。因此，无论载荷方向如何，都会在器官内部产生血液质量的重新分布，并可能导致局部循环障碍。另外，不同组织对高+Gz加速度的耐受程度也有很大区别，对兔子的实验表明，在高+Gz作用下，软脑膜血液循环的适应性明显高于肠系膜，保持了相对恒定的良好灌注[5]，证明中枢神经系统在高+Gz影响下仍能保持意识清醒的机制。目前，对实验动物血管的三维可视化建模技术已逐渐成熟[6]，使深入研究高+Gz对动物血液动力学的影响提供了可能。

1.2 高+Gz导致的心率变化

在高+Gz作用下，血液重量向下半身转移，主动脉血压下降，压力感受器会反射性地引起心率增加。Burton等[7]发现，高+Gz暴露下，猪的心率可以达到200～240 次/min。

除心率增加外，高+Gz会导致明显的期外收缩现象[8]。这种期外收缩在房室收缩期最常见，导致来自心房的血液不会被泵入心室，而是回到静脉中，从而阻碍了静脉的排空，减小了每搏输出量和每分输出量。

1.3 高+Gz对心血管系统超微结构的影响

大量动物实验结果表明，高+Gz可导致心脏超微结构损伤。当载荷为+5Gz时，会导致大鼠的心肌损伤[9]；当载荷为+10 Gz时，大鼠心肌细胞基质出现水肿，肌原纤维离散[10]，线粒体呼吸链功能障碍，心肌收缩时的能量供应出现抑制作用[11]。当载荷加大至+14～18 Gz时，猪的心肌细胞线粒体出现聚集、易位和溶酶体破裂等现象[12]。但是，也有观点认为，动物实验结果并不能直接应用于人体[13]。主要原因是人和动物形态结构方面的差异，以及暴露实验条件有很大区别，例如：主动与被动参与，人可以随时终止超过耐受度的载荷等。另外，有部分人体实验结果并不支持+Gz暴露会对人体心脏功能结构产生影响[14-16]。

最新的研究表明，对大鼠施加由+1Gz增至+10Gz的载荷30 s，可导致高脂血症大鼠的血管内皮功能障碍[17]，而银杏叶提取物可以减轻重复+Gz暴露合并高脂饮食导致的主动脉炎症损伤[18]。

2 高+Gz对呼吸系统的影响

高+Gz对呼吸系统的影响主要表现为呼吸生物力学的变化。除引发呼吸困难、胸痛等症状外，还会导致咯血和气胸等损伤。

高+Gz的作用效果表现为肺尖部出现撕裂伤，而肺底部受到挤压导致气道关闭，甚至诱发肺不张。对大鼠施加+7Gz载荷后发现，肺下叶出现毛细血管扩张，肺上页肺泡扩张，并出现组织性贫血[19]。高+Gz作用还加重了正常直立肺中存在的通气和灌注不均匀现象。左丛林等[20]将家兔施加+5 Gz/6 min、+8 Gz/5.4 min和+10 Gz/4.1 min作用后发现，肺泡毛细血管破裂，肺泡腔内有渗出液及红细胞。随着+Gz的增长，肺上部可通气而不灌注的体积和肺底部有灌注而无通气的体积都将逐渐增大。

3 高+Gz对中枢神经系统的影响

许多动物实验一直在关注高+Gz对中枢神经系统(CNS)的影响。早期研究已经证实，高+Gz会增加运动的反应时间，并延长对声光信号的潜在响应期[21]。

高+Gz对动物脑电(EEG)活动的影响也是学者们关注的重点内容。+2～3.5Gz载荷会导致猫和狗EEG快波的频率和幅度显著增加，并对慢波产生抑制作用[22]。Lukatch等[23]通过对大鼠的实验观察到，当载荷≤+10Gz时，对EEG活动几乎没有影响；在+15～17.5 Gz时，记录到δ波和尖波的出现，并且EEG振幅降低；在+20～22.5Gz时，记录到棘波出现；当载荷到达+25Gz时，EEG信号被拉平，脑电活动被完全抑制。

高+Gz对CNS功能的负面影响机制目前尚未明确，大多数学者认为与大脑缺血缺氧导致的乳酸堆积有关[24]。进一步研究证实，与大脑皮层相比，海马区对缺血缺氧更为敏感[25]。但有学者认为，造成CNS功能下降与脑组织在高+Gz下的形变有关。Guillaume等[26]曾利用有限元方法测量了暴露过程中的脑变形后发现，高+Gz引起的牵引力、剪切力和压缩应力增加主要发生在小脑半球的基底部周围，并会对正常的神经细胞功能形成干扰。

4 高+Gz对内分泌功能的影响

4.1 高+Gz对肾上腺分泌功能的影响

有证据证明，高+Gz暴露往往会伴随着应激反应，典型的是交感肾上腺和垂体肾上腺系统的激活[27]。就持续时间而言，一次性急性高+Gz会导致大鼠血液中肾上腺皮质激素(ACTH)皮质醇的合成增加[28]。另外，对猪的研究发现，血浆中儿茶酚胺的分泌量随着+Gz加速度的增加而增加[29]。血浆儿茶酚胺水平增高，有助于机体对抗+Gz对血流动力学的影响，但有可能造成心肌耗氧增加及诱发心血管损伤。目前，尚未有尿液中肾上腺素含量的变化与高+Gz加速度之间相关性的动物实验报道。

对形态学和组织功能的研究结果表明，高+Gz会导致大鼠肾小球毛细血管内皮细胞饮泡增多，足细胞基质、线粒体和肾小管上皮肿胀[30]。长期和反复高+Gz对肾上腺形态学影响的动物实验研究未见报道，但有研究指出，在+9 Gx方向连续暴露10 d后，大鼠肾上腺相对重量增加2.3倍，肾上腺皮质的相对面积增加了8.14%，而髓质的相对面积减少了56.43%[31]。

有学者认为，关于高+Gz对肾上腺分泌功能的影响机制，在很大程度上与情绪和焦虑有关[32]。虽然上述结论可以证明，高+Gz会对肾上腺产生形态学方面的影响，但还缺乏对超微结构变化的研究证据。另外，肾上腺激素释放量的增加又会对皮质和髓质的形态产生影响，因此很难说清两者的先后关系。

4.2 高+Gz对垂体及其他腺体分泌功能的影响

垂体对高+Gz作用的反应较为复杂。Feller等[33]研究发现，动物在离心机旋转1～2 h后，血浆中的皮质类固醇含量增加4～7倍，认为可能是垂体分泌的促肾上腺皮质激素增加导致。虽然上述结果表明，垂体激素的分泌活动在机体对抗高+Gz过程中具有重要作用，但Polis将大鼠垂体切除后发现，在高+Gz环境中，大鼠的存活率提高了300%，而切除肾上腺的大鼠存活率下降了60%[34]。对上述现象的解释认为，对垂体和甲状腺的切除抑制了动物对生长发育等所需能量的长期需求，转而将机体能量集中用于对抗高+Gz加速度环境，但目前支持这种假设的证据并不充分。

5 高+Gz对其他组织器官功能的影响

最新的研究表明，高+Gz作用会导致大鼠胃液量减少，主要与肾上腺素调节有关，但对胃泌素的分泌没有影响[35]。高+Gz作用还会导致狒狒肝血流量明显减少[3]，对大鼠肝组织造成结构损伤[36]，增加肝组织内一氧化氮合酶(eNOS)活性，触发肝的自我保护机制启动[37]。另外，高+Gz暴露还会增加大鼠肠道黏膜通透性，破坏大鼠肠道屏障[38]。由高+Gz作用导致的口腔疾病也是目前学者们关注的重点，朱晓茹等[39]对兔进行+4～9Gz持续10 s的作用后发现，术后早期进入高+Gz环境对种植体术后骨结合有不利影响。陈新等[40]对大鼠进行+5Gz和+10Gz的作用后发现，高+Gz环境与颞颌关节疼痛的外周及中枢传导作用机制相关。最近，我国学者吴峰等[41]利用基因芯片技术研究了高+Gz加速度应激致大鼠脑组织损伤的机制，研究结果对高应激致脑损伤的分子机制的认识具有重要参考价值。

6 结语

综上所述，动物实验的研究结果表明，由高+Gz产生的血液动力学变化对整体和各器官局部血液循环都会产生显著影响，并且为造成心血管、肺组织、内分泌腺体及脑组织的超微结构损伤提供了直接的证据。但不可否认，某些动物，例如：鼠、兔等的身体结构和脏器位置决定了其在承受高+Gz环境的各向异性与人类有很大区别，不同研究对高+Gz载荷动物耐力终点的判断标准也有所不同，对实验结果的可信度会产生一定的影响。解决这些问题，将可以为高+Gz载荷疾病的治疗与提前预防提供重要的依据。