高强度运动锻炼在载人航天飞行失重防护中的应用与展望

王子牛 李小涛* 吕松泽 蒙鹏君 张剑锋 王惠娟

(1.西安电子科技大学特殊环境生理与体能训练融合创新研究中心 陕西西安 710126;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 735305)

长期太空飞行会导致人体运动能力下降，体育运动锻炼是目前失重防护的核心措施［1］。现阶段，用于太空失重防护的体育锻炼器材主要为跑台、功率自行车、抗阻力锻炼装备、弹力带、下体负压裤等，且每种器材都有着不同的训练计划，主要包括中低强度、高强度及组合式锻炼［2］。当前，在空间站及地面模拟失重运动锻炼防护实验中，较多采用中低强度锻炼，尤其是耐力性训练更以中等强度为主，而中等强度锻炼仍不能完全对抗失重所致的腿部肌肉萎缩，肌肉蛋白流失、肌肉力量减弱、肌力峰值功率降低、肌肉募集能力下降，且心肺功能下降、骨密度减少等情况仍有发生［3］。当前，国际空间站的防护锻炼计划耗时较长，且并不能完全有效地对抗所有生理系统的机能失调。而短期高强度锻炼即可提升无氧阈水平，而较长时间的高强度锻炼可以提升耐力与最大摄氧量［4］。国外相关研究机构已通过地面模拟失重实验对基于高强度运动锻炼的失重防护方案进行了初步探讨［5］。当前，我国载人航天飞行尚处于发展阶段，中国空间站刚刚组建，我国航天员最大飞行时长尚不足两个月，长期载人航天飞行面临的失重问题及其防护措施的有效性有待进一步验证和优化。因此，该文对当前基于运动锻炼的防护方案分类综述，旨在为中国航天员的失重防护锻炼提供新的思路和借鉴。

1 基于耐力性运动锻炼的失重防护

1.1 用于失重防护的耐力运动锻炼措施

在运动员训练中常用于耐力训练的方式有跑步、骑功率自行车、划船机等。基于失重环境下的耐力训练方式在一定程度上有别于普通训练方式，如地面模拟失重实验中太空跑台锻炼，将人体呈-6°头低位平躺，身体两侧采用两根牵引带，沿Z 轴足向牵拉，使志愿者下肢承受一定体重比例的力负荷。模拟失重环境的自行车、划船机锻炼同样采用-6°头低卧位进行［1］。当前，空间站上的耐力锻炼防护主要采用太空跑台、功率自行车等设备。其中跑台力负荷来自足向牵引带；自行车负荷来自电磁阻尼；抗阻锻炼装置的负荷来自飞轮惯性阻力［3］。

1.2 中低强度耐力锻炼的失重防护

当前，在国际空间站（ISS）工作的美国航天员采用55%最大摄氧量（VO2max）对应的中等强度有氧锻炼作为失重防护手段（防护锻炼方案见表1、表2），但结果发现，锻炼持续时间45min仍不能完全对抗失重所引发人体的相关不良生理效应，长期航天飞行后，航天员的最大摄氧量仍然降低6%以上，有的甚至降低达30%以上［3］。以往研究表明，基于中等强度的运动锻炼失重防护方案并不能完全有效地防护长期失重飞行后出现的下肢肌肉萎缩、立位耐力不良、心血管能力降低等不良反应［2-3］。

表1 国际空间站有氧运动锻炼执行方案

表2 国际空间站抗阻锻炼执行方案

1.3 高强度间歇耐力锻炼的失重防护

长期高强度耐力性锻炼可改善血脂的状况，增加高密度脂蛋白，降低低密度脂蛋白和总胆固醇［6］。高强度间歇训练被广泛地运用在精英运动员的体能训练中，研究表明，高强度间歇训练与传统的低强度长间歇训练相比有着更好的生理适应性［7］，Tabata等采用6周时间对比了70%VO2max强度每次60min 的有氧训练和每次7～8组170%VO2max强度持续20s，间隔休息10s的高强度间歇训练两种训练策略的训练效果，研究结果发现，中等强度持续运动锻炼仅提高了有氧运动能力，而高强度间歇锻炼可同时有效提高有氧和无氧运动能力［8］。Bouaziz 等的研究表明，高强度间歇训练相比于传统有氧耐力训练，最大摄氧量增益更大［9］。Kemmler等研究表明，在高强度间歇训练与高强度阻力（HITRT）的锻炼计划中，二者均显著影响了心脏指数（SVI）和心肌质量指数（MMI），高强度间歇锻炼组在心脏代谢，尤其是心脏功能上的提升效果显著［10］。

2 抗阻锻炼的失重防护

2.1 中低强度抗阻锻炼的失重防护

阻力锻炼能够有效提高肌肉力量，保持肌肉围度。用于失重防护的抗阻力锻炼通常使用飞轮抗阻力训练器、拉力带等设备进行［2］。Ashton 等［11］研究发现，短期、中期和长期抗阻力锻炼可有效改善健康成人的不良心脏代谢风险。Okamoto 等［12］采用中低负荷40%1RM 持续运动至力竭，分别在30min 和60min 检测颈动脉顺应性与动脉硬化指数后，发现运动后动脉顺应性增加，动脉硬化指数减少。相比同等负荷量的低强度训练，高强度抗阻锻炼可以显著提升肌肉质量和力量，大负荷抗阻锻炼会降低动脉顺应性，增加动脉硬度，以及脉搏波反射，尽管这一发现并不普遍，但短时间的大负荷抗阻锻炼会显著降低动脉顺应性并增加动脉硬度，并且这种效果会持续约60min［13-16］。

2.2 高强度抗阻锻炼的失重防护

当前，国际空间站上欧美航天员的抗阻锻炼主要采用飞轮抗阻力锻炼装置（iRED）［3］。Owerkowicz 等研究了每周2次，每次4组，重复7次的高负荷深蹲的飞轮抗阻锻炼能够有效提高最大摄氧量、最大力量、肌肉围度及关节力量［17］。Alkne等采用为期90天的头低位卧床模拟失重实验，对高强度抗阻锻炼的失重防护进行了验证，研究表明，每周2次，每次4组，最大重复7次的深蹲，和每次4组，重复14次的提踵的高强度抗阻力锻炼可有效对抗模拟失重所致的肌肉力量下降［18］。Belavý等的研究也表明，通过飞轮抗阻力锻炼能够有效防止下肢的肌肉萎缩，对抗神经肌肉功能的下降，同时在一定程度上预防爆发力的下降［19］。

3 耐力与抗阻锻炼相结合的失重防护

3.1 中低强度耐力锻炼联合抗阻锻炼

Lee 等在模拟失重实验中将高负荷飞轮抗阻力锻炼和中等强度递增负荷下体负压跑台锻炼相结合，结果发现体负压能够有效模拟直立运动的人体血流动力学特征，单纯的下体负压锻炼方案对志愿者心肺能力的防护作用并不显著，下体负压与高负荷飞轮抗阻力锻炼和高强度跑台相结合的锻炼可对志愿者的耐力、力量表现及肌维度进行有效防护，对立位血容量及体位改变引起的心血管功能失调起到一定的改善作用，但对志愿者立位耐力不良的防护效果并不理想，但基本能够有效维持有氧运动能力［20］。Guinet等对有氧耐力锻炼和抗阻锻炼相结合的失重防护效果进行了研究，结果表明，组合锻炼方案可减轻腰椎旁脊柱肌肉结构及功能的下降［21］。Miller 等研究发现单纯跑台锻炼可有效防护男性受试者的平衡能力，而对女性单腿平衡能力的防护效果有限，男性与女性的冲刺能力、最大摄氧量也能得到有效的保护［22］。耿捷等对头低位卧床模拟失重期间的志愿者，分别采用中低强度自行车锻炼和中等强度负荷下蹲、提踵的失重防护效果进行了实验研究，对比持续25 天，每周6 天的60%～90%VO2max递增负荷功率自行车耐力锻炼和每周6 天，每次5组，重复5次的60%～80%最大负荷深蹲结合每次5 组，每组重复10 次的60%～80%最大负荷提踵锻炼的防护方案，结果表明，抗阻锻炼在一定程度上可以改善心血管功能、维持体重、肌肉维度等，而功率自行车锻炼对心血管功能的防护效果更佳，同时立位耐力、最大运动时间得以有效维持［23］。

3.2 高强度耐力锻炼联合抗阻锻炼

国外相关研究团队对抗阻锻炼与高强度间歇有氧锻炼相结合的防护方案进行了验证（锻炼方案如图1所示），Miller 通过与在轨飞行的航天员对比，结后发现，航天员体能大幅度下降，在感知运动测试中，姿势和运动中的步态控制能力下降，心率也随之升高，地面对照组与锻炼组都经历了体能和平衡的降低，但锻炼组防止了神经肌肉与心血管能力的有害变化［22］。Giovanni等研究发现，该锻炼方案对眼功能的影响效果并不明显［5］，但该锻炼方案可有效对抗模拟失重所致的感知能力表现下降［24］。

图1 抗阻力联合高强度有氧训练综合方案

Blottner D等的研究发现，在为期60天的头低位卧床地面模拟失重实验中，锻炼组分别进行每周6次80%～90%的体重负荷（BW）单腿跳跃（训练量由2组12次到4组15次逐步增加）和垂直纵跳（训练量由10组3次到1 组12 次逐步增加），对照组不做任何运动锻炼，结果发现，对照组由于长期卧床而导致下肢骨骼肌的肌纤维类型发生了由I型到II型的转变，并引发毛细血管网稀疏，肌肉围度下降，而锻炼组显著减轻了模拟失重的影响［1］。Kramer 等研究发现，80%～90%的BW高强度下肢跳跃训练保持了下肢峰值力量的输出，防止了瘦体重、心脏泵血功能与呼吸能力的降低，且高强度锻炼组的静息心率与卧床前并无差异［25］。虽然Ogoh 等研究发现，高强度下肢跳跃锻炼并不能有效保护脑血流（CBF）的改变与腰椎旁肌肉的萎缩［26］。但Ritzmann等的研究发现，该高强度下肢跳跃锻炼可有效对抗模拟失重所致功能性活动度减小，同时可有效缩短模拟失重后志愿者相关生理机能的恢复时间［27］。高强度的抗阻锻炼可有效促进肌蛋白合成、骨密度提升、肌肉围度和肌肉力量增加［28，29］，而高强度的耐力锻炼可有效改善心血管功能［30］，若采取适宜的组合方案，或许能够相互补充，获取更为有效的防护效果［31］。

4 结语

基于中小强度运动锻炼的失重防护效果并不理想；高强度、高负荷训练具有肌肉与神经刺激程度大、心血管功能可被快速调动等优势，能够通过较短时间达到较好的锻炼和防护效果，从而有效节省航天员的防护锻炼时间。但大刺激意味着较高的运动风险，将中等强度、中等负荷与高强度、高负荷交替进行，抗阻锻炼与耐力锻炼相结合发挥各自优势，制订基于多维度的综合运动锻炼失重防护方案，或许能更为有效提升现有锻炼方案的失重防护效果并大幅度缩减失重防护锻炼的耗时。