微重力条件下人体体液调节模型的分析与改进思考
作者：汪德生 任维 向求鲁 孙磊
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：失重模拟；卧床实验；悬吊；浸水;航空航天医学
航天医学与医学工程000318摘要：航天和模拟微重力时研究表明：微重力与现有模拟微重力模型时人体生理学变化的主要差异表现在低压区循环和体液、电解质代谢。微重力生理研究的人体模型在进一步了解微重力对人体的生理影响和机理中不可缺少，有必要将现有人体模拟微重力模型加以改进。利用人体不同角度和不同压力制度的立位倾斜(HUT)加下体正压、头低位卧床(HDT)加上体负压，测量心血管参数、体液调节因子、肾排泄的有关指标，与航天中的相应指标对照，筛选出更接近于微重力状态的人体模拟微重力模型，使其具有一定的可行性。
中图分类号：R852.22 文献标识码：A
, 百拇医药
文章编号：1002-0837(2000)03-0226-05
Analysis and Improvement Consideration of the Current Human Experimental Models of Humoral Regulation in Microgravity
WANG De-sheng,REN Wei, XIANG Qiu-lu,SUN Lei
Abstract：The main differences between physiological effects of microgravity in spaceflight and simulated microgravity on humans appeared in the circulation of the low pressure side,in humoral and electrolyte metabolism. For a further understanding of the physiological effects of microgravity, some improvement of the current human experimental models are needed. It is possible to choose more adequate models closer to the situation in microgavity through measuring cardiovascular parameters, fluid regulation and renal excretion variables under head-up tilt(HUT) plus lower body positive pressure condition, or under head-down tilt(HDT) plus upper body negative pressure in various angles and pressure levels.
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Key words：weightlessness simulation;bed rest (tests);suspension;water immersion;aerospace medicine
微重力生理研究的模型一般包括人体模型[1]和动物模型[2]。动物模型主要用于有创性研究，在调节机理的研究中发挥重要作用。动物模型可进行心导管、脏器形态学、离体器官灌流等研究，但这些研究必须结合动物整体水平的变化综合分析。动物飞行所得结果，必须与人体的相关参数对照，不能取代直接的人体研究。因为微重力生理研究的主要目的是探索微重力对人体生理功能的影响机理，为航天员的选拔训练、飞行中的失重对抗措施及返回后治疗方案的优化提供理论依据；另外动物的一些调节机制与人体存在差异，例如动物心率主要受心肺感受器调控，而人体则主要受颈心反射调节[3]。本文首先对模拟微重力生理效应的人体模型作一简单回顾，分析利用现有模拟微重力生理效应的人体模型的观察结果与微重力时人体生理学变化之间的主要差异，讨论人体HUT加下体正压和HDT加上体负压等方案[4]筛选出更合理的模拟微重力生理效应模型的可行性。
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模拟微重力生理效应的人体模型
微重力时人体重量消失。飞机抛物线飞行可产生20～30 s的微重力和20～30 s大约为1.8 G超重相交替的变化。间歇性的高重力影响实验结果[6]，同落塔方法一样，抛物线飞行不能模拟微重力的长期效应。载人航天提供了在真实微重力下研究人体生理功能的条件,但由于条件所限，1 G时模拟微重力人体模型得到了广泛采用。
Nicogossian等[1]第一次提出人在1 G平卧位或浸水时所产生的生理效应与微重力效应相似。人类开始载人飞行前，就注意到采用模拟微重力方法进行微重力对人体生理功能影响的研究。采用模拟微重力模型进行研究，可以了解长期微重力对人体的影响和微重力时人体生理变化机理，制定有效的对抗措施。例如前苏联进行了370 d的HDT实验[5]，使长达12个月的飞行中为维持航天员的健康和活动的医药系统的建立和可能考虑到的时间及资源配比成为可能。
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当前，许多模拟微重力效应的模型已作了改进，并从理论和实验上证实了这些模型具有一定效果。一般来说，模型可按致病源来分类，主要模拟的是微重力产生的生理效应；或者按症状来分类，模拟类似于微重力中或后人体的症状。第一组模型包括长期的水平卧位或HDT、浸水、从超重到正常重力的转变等；第二组模型包括用不同方法诱导运动病、身体脱水(如利尿剂和降血压药物)模拟立位性低血压等[1]。
这些模型主要引起血液头向再分配及作用于肌肉、骨骼系统的重力负荷丧失。一般关于致病原因的概念都基于这两个主要效应，两个主要效应引发出复杂的变化，包括体液—电解质代谢紊乱、神经体液调节紊乱和肌肉萎缩等。这些效应的合并效应可以用不同模型再现。
卧床模型 最普遍的模型是严格卧床(平卧或HDT)。1971年，前苏联Genin等[6]利用9名被试者4° HDT 30 d，此后人体HDT作为模拟微重力的主要技术，并为长期HDT时人体生理学反应积累了大量信息。国内也进行了大量的HDT实验，例如：对模拟微重力时脑循环[7]、左心功能[8]、右心功能和肺循环[9]、物理措施对抗HDT效应[10]等进行了研究，取得了一些适合于国人的实验结果。
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卧床和真实微重力时人体的反应相似部分显而易见，如骨质脱钙和钙失衡、循环血量减少、肌肉萎缩、立位耐力降低。然而，终点相似不能证明导致这些终点的过程和始动机制相同，卧床模型存在诸多缺点，将在后文中详述。
浸水模型 从性质上讲，浸水期间血液动力学和体液—电解质代谢方面与卧床研究类似，长期浸水存在方法学问题，将在后文中详述。
水平悬吊模型 水平悬吊人体模拟微重力，与卧床相比，活动相对自由，可用于改进和检测太空飞行中的体能训练方案。有研究者使被试者处于水平悬吊位，研究月球着陆准备中重力降低时的生物学机制。
其它模型 卧床、浸水和悬吊模型的主要缺点是不能用于再现微重力时前庭和肺循环的反应特性。而这些效应最难模拟。一种可能方法是采用转床，使人体沿着水平轴旋转。
抗重力或抗重力服可对不同部位施加不同压力，模拟微重力时血液再分配。
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静水压因素对立位耐力降低的影响方面的研究，可通过浸水池分隔成几个单元(水平和垂直)来模拟。由于每个单元水量不同，压力各异，可用于短期调控人体血液分配，再现不同水平的重力作用。
另一种模型是使人体长时间处于高重力，然后向正常重力转变。如果人体可适应高重力，能获得从高重力到1G与1G到微重力时性质相当的转变，可能非常有用，但实现难度大，当前尚无证据表明其合理性。
模拟微重力时症状的模型 一种方法是长期处于旋转室中。当旋转速度为4～6次/min时，所产生的自主神经和运动不协调症状与航天员处于微重力早期的症状很类似，适应和再适应过程也相似。旋转室方法一般用于研究前庭自主神经传入冲动减少和人体对微重力早期适应过程的研究，也是一种促使人体适应微重力环境的方法。
微重力与现有模拟微重力模型时人体生理学变化的主要差异
航天可引起人体血容量减少10%～15%，人在HDT也有相似变化。血容量减少主要出现在微重力或模拟微重力早期。研究者们认为，在HDT、浸水和抛物线飞行时重力压力梯度减弱或丧失，血液和组织液从腿部转移到胸部引起中心静脉压(CVP)升高。CVP升高导致心房过度扩张，引起Henry—Gauer反射，脑接受了由过多的血容量所致的心房感受器牵张反射信息，抑制垂体后叶抗利尿激素释放，导致多尿，减少循环容量，逆转心房过度扩张。进入微重力，血容量减少的证据也存在：发射前，航天员通常处于平卧/腿部抬高位达4 h，产生多尿，一些航天员飞行前减少液体摄入，以便在发射架上避免这一情况发生；发射前不显性体液丢失可能较多，归因于服装透气功能差。这些复合因素导致进入太空前血容量已经减少。另外，航天员能量摄取低可能是水分丢失的原因之一，尤其在能量摄取不足的开始几天。糖元和蛋白质代谢使结合水的能力降低(1 g糖元结合3～4 g水，1 g蛋白质可结合8 g水)，大约70%体重丢失是水分，能量摄取减少的影响与一般估计相比，对于飞行中总体的容量减少的贡献可能要大一些[4]。尽管肾排泄减少，身体水含量仍出现减少，可能另外归因于应激活动期间出汗增多和微重力时贮存于皮下的水分增多的叠加效应。微重力早期测量了血浆容量，表明有明显减少(10%～20%)。返回后体重的重新获得发生相当缓慢，支持能量摄取的主要作用和仅仅很微小的直接水合的影响。
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Gerzer等[4]最近报道了航天中的体液平衡，特别是体液、钠的摄取和肾排泄。飞行最初几天没有观察到多尿和尿钠增加。相反，体液、钠排出和摄取与飞行前相比减少。主要表现在相当程度自愿控制体液、钠摄入，出现体液循环量减少。微重力时表现为血浆容量减少和上体水肿，主要由于体液头向转移导致溢出(血管内体液溢出到血管外空间)增多。1 G模拟微重力模型对微重力时体液转移有效。
最近，Norsk的文章指出：微重力和模拟微重力时肾和内分泌的适应存在，机制尚不清楚。微重力时体液出现明显的头向转移，可能是航天员不适的主要原因。俄罗斯空间飞行实践表明, 航天员飞行前应用利尿药物, 也造成体液丢失，血容量减少，不适减轻。与其它飞行相比，Gerzer等[4]的数据与Skylab计划的结果相似，至少表现在飞行前几天体液摄入和肾体液丢失减少或没有变化。肾排泄减少或不变和身体水分减少似乎存在矛盾，尚未形成明确的认识。
Norsk等在微重力急性适应后加盐负荷进行研究。数据表明体液排泄减少。与飞行前对比，盐负荷后体液排泄与平卧时相当，与坐位时更类似。如果微重力时下体没有提供体液缓冲空间，体液排泄会增加，比平卧时应该排出更多。因此，数据也支持微重力未引起多尿和尿钠增加。
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观察微重力引起的体液平衡变化时，必须意识到1 G时体液平衡的一些机制尚不清楚。1 G时研究目的通常着重几种特别细节，以适合空间研究计划。最近，采用系统方法，对比微重力和其它状况下体液变化，解决了其中部分问题。体液代谢综合分析表明：尿增多可以调控，可能归因于肾自主调节。ANF受到广泛关注，认为是尿钠的重要调节物，日常状态下对钠排出可能作用极小或无影响，最近发现尿增加时，ANF可能对钠排出有重要的调节作用[4]。因此，用系统方法对比1 G和微重力，可能会改变人体功能调节的认识。例如D-2任务准备期间，采用静脉灌注加盐负荷后仅几小时，体液排出；同时服用盐负荷2 d，主要效应比通常研究的3 h灌注后要长一些。因此，关于微重力最初几个小时体液排出的规律性和体液负荷后的调节机制很有趣，值得进一步研究。
微重力时CVP降低[11]。既然右心房充盈压降低会导致排尿减少，数据与Gerzer等[4]的观察一致。微重力时CVP下降机理可能归结为[11]：(1)微重力时重力在组织中不再产生任何压力，可能改变所有心血管系统的顺应性，以致在含有相同容量的血液时压力处于低水平；(2)受胸壁力学特性变化影响；(3)血容量减少。其进一步的机理有待深入研究。
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可见，微重力与现有模拟微重力模型时人体生理学变化的主要差异表现在低压区循环和体液、电解质代谢。采用现有模拟微重力模型(包括平卧或HDT、头在外的浸水、体液负荷如渗盐水等)研究时，与立位对照相比，CVP升高，肾钠和体液排出增加，微重力时没有出现这些变化，表明这些模型不能完全反映微重力时的低压区循环和体液、电解质代谢。有必要将现有的人体模拟微重力模型加以改进。
模型改进的可能方案及可行性分析
HDT模型改进的可能方案及可行性分析
卧床模型的缺点[1]：(1)不可能再现微重力时肺动脉压的变化。肺动脉压与血管腔的静水压相当，而肺的微动脉血压随着体位改变有明显变化。人体立位时，肺顶叶灌注是肺底叶的一半，平卧时，顶底梯度消失，腹背梯度升高，背向肺泡灌注是腹向肺泡的1.7倍。如果被试者侧卧，左右肺中存在类似差异。微重力时肺灌注趋于一致，而且至少飞行早期血液充盈增加。这些差别可能影响到几种反应。(2)不可能再现微重力时的主观感觉。卧床时，身体仍然受床支持，移动时必须排除重力；不同密度组织仍然对其它组织有压力(包括耳石对基底膜的压力)。从逻辑上讲，卧床和航天所诱导的传入刺激的差异会诱导自主神经反应的差异。一般卧床时不存在前庭功能紊乱。(3)不能完全反映微重力时血液再分配。人体平卧时血液和组织液的静水压大约为立位时的1/5～1/6，没有完全消失。同时，支持身体区域的静水压显著升高，由于静水压变化，可能促进总体的血管容量膨胀。因此，中心血容量可能没有升高到微重力时的那种程度。
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微重力时，胸廓形状和力学特性发生了变化，可能会影响到中心循环。Estenne等[12]抛物线飞行的研究表明：(1)微重力时，胸廓颅向移位，呼气末形态更趋于圆形；(2)微重力和高重力时，胸廓下部前后径变化与邻区腹压变化方向相同，可能归因于邻区腹压变化；(3)微重力时，胸廓前面潮气扩张减弱，上部区域比下部区域减弱程度大些；(4)0 Gz时呼气相斜角肌和肋间肌肌电活性减弱。相反，无论微重力还是高重力时，紧张活动时肌电活性均增强。虽然微重力对胸壁力学特性的影响很大程度上可由从立位向平卧位转变期间所发生的变化来预料, 但不适合于胸廓形状。事实上，从立位向平卧位转变过程中，胸廓更趋于椭圆；而与1 Gz时相比，微重力时更趋于圆形。微重力时，胸膜内压也受胸壁力学变化影响[12]。众所周知，肺循环具有低压、低阻力、高容量特性，胸壁力学特性变化可能对低压区循环，特别是肺循环影响较大，如果体液再分配经静脉发生，会很快通过右心，可能潴留于肺循环，再经过数小时后逐渐释放到体循环。可见，静脉容量增加，原因不是平滑肌松弛。围绕静脉组织压力可改变其容量。太空中固体组织压(固体结构对血管表面产生的压力作用)可能减小，效应可能相当于静脉平滑肌松弛。微重力时如果同时有胸部容量增加和CVP下降，可能表明胸内(膜间)压力下降。
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上体负压合并HDT是模拟微重力生理效应模型的一种可能方案。上体负压可诱导出CVP下降，同时HDT会增加上体体液负荷和外溢。另外，微重力时胸廓呈球状，胸壁力学特性发生了变化，胸部负压时一定程度上接近微重力时的状况。所以，一定压力的上体负压联合一定角度的HDT，测量中心心血管参数、体液调节因子、肾排泄有关指标，与航天中相应指标对照，筛选出更接近于微重力状态的人体模拟微重力模型有一定的可行性。改进过程中是否还需要加正压呼吸有待进一步探讨。
HUT模型改进的可能方案及可行性分析 关于体液代谢，一种人体模拟微重力模型可能是HUT，用平卧位作对照体位。就象盐负荷实验所观察到的，微重力时盐负荷后，体液和钠排出的动力学在坐位和平卧位之间，HUT时同时存在CVP降低，可能与微重力时更接近。这一模型不具备的条件是与平卧位时相比，当然不会发生外溢和头向转移，另加下体正压可能排除这一限制。采用一定角度的HUT和一定压力的下体正压，筛选出更接近于微重力状态的人体模拟微重力模型也有一定的可行性。
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浸水模型发展史及可行性分析 被试者所浸入的液体也有静水压，意味着肺循环中血液静水压尚未代偿，水对人体下身压力导致胸部血管扩张程度比微重力时更明显。除此之外，认为对于体液再分配和排除身体及其组成部分支持作用及重量负荷，浸水可能是一种更好的模型。60年代早期，浸水先由美国和前苏联用于研究模拟微重力的生理效应。这一模型后来成为研究体液和电解质调节、循环容量、感觉神经生理学和运动系统的方法之一。浸水也用于航天乘员的训练。然而，长期浸水也存在方法学问题，包括皮肤浸软、需要精确的热调节和浸水期间复杂的个人卫生学。
采用覆盖于水表面的防水薄膜，解决了一些问题。Shulzhenko等[1]的实验中，浸水时间曾延长到56 d。穿浸水服可能更好，包括人体沿着身体长轴旋转时活动不受限。穿浸水服可模拟乘员实际空间飞行期间的活动。从性质上讲，浸水期间血液动力学和体液—电解质代谢方面与卧床研究类似。然而，浸水期间脱水和循环血容量减少发生更快(开始6～8 h)。实验表明[1]：立位耐力和+Gz加速度耐力降低也相当大。众所周知，浸水可降低渴感。因此，急性浸水后，循环容量减少，同时可保持中心体液负荷增加和头向体液转移。俄罗斯研究者采用干性浸水可能更恰当。浸水模拟低压区循环变化难度较大，测量时也不太方便，方法学问题不易解决，不应作为首选方案。
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小 结
与广泛接受的理论相反，微重力时未表现出肾性体液和钠排泄增加；同时，从下体到上体的体液转移和体液溢出，出现CVP下降。微重力时体液调节也与现有模拟微重力模型存在矛盾。模拟微重力方法的发展史上，许多模型曾作了改进，现有人体模拟微重力模型也需要进一步改进。人体不同角度和不同压力制度下采用HUT加下体正压、HDT加上体负压，测量心血管参数、体液调节因子、肾排泄有关指标，与航天中相应指标对照，筛选出更接近于微重力环境的人体模拟微重力模型有一定的可行性。希望在不远的将来能得到实验的验证，在微重力对人体生理影响的机理探索中，特别在航天后立位耐力降低的机理探索中发挥作用。微重力期间，中心心血管参数、内分泌中介物和肾功能之间的关系应该是将来研究的焦点。
Address reprint requests to:WANG De-sheng. Institute of Space Medico-Engineering, Beijing 100094, China
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[参考文献]
[1] Nicogossian AE,Stanley R Mohler,Oleg G Gazenko et al.Microgravity mechanisms and models[M].Space Biology and Medicine,1996,AIAA，Book I,Chapter12: 267～277
[2] Tipton CM.Animal models and their importance to human physiological responses in microgravity[J].Med Sci Sports Exerc,1996， 28(10,Suppl):S94～S100
[3] Melchior,Francois M,R Srini Srinivasan et al.Mathematical modeling of human cardiovascular system for simulation of orthostaticc responses[J].Am J Physiol，1992，262(Heart Circ Physiol 31):H1920～H1933
, 百拇医药
[4] Gerzer R,M Heer,C Drummer.Body fluid metabolism at actual and simulated microgravity[J].Med Sci Exerc,1996， 28(10,Suppl):S32～S35
[5] Grigoriev AI,Moruko BV.A 370-day period of hypokinesia with head-down tilt: goals and experimental design [J].Komicheskaya Biologiya I Aviakomicheskaya Meditsina,1989， 23(5):47～50
[6] Genin AM,Kakurin LI.A 30-day experiment simulating the physiological effects weightlessness[J].Komicheskaya Biologiya I Aviakomicheskaya Meditsina,1972， 6(4):26～28
, 百拇医药
[7] WANG De-sheng,XIANG Qiu-lu,SHEN Xian-yun et al.Changes in cerebral circulation function during head down bed rest for 7 days[J].Space Medicine & Medical Engineering,1998，11(4)：273～276
汪德生，向求鲁，沈羡云等.头低位卧床7天中脑循环功能的变化[J].航天医学与医学工程，1998，11(4)：273～276
[8] SHEN Xian-yun,CHEN Jian-he,MENG Jing-rui et al.Observation of changes of cardiovascular function during 2.5 h HDT (-15°) with sphygmogram method[J].Space Medicine & Medical Engineering,1997，10(3)：201～205
, http://www.100md.com
沈羡云，陈建和，孟京瑞等.用脉图方法观察2.5h头低位-15°倾斜期间心血管系统的变化[J].航天医学与医学工程，1997， 10(3)：201～205
[9] WANG De-sheng,XIANG Qiu-lu,SHEN Xian-yun et al.Effect of 7 d head down bed rest on cardiopulmonary circulation in human[J].Space Medicine & Medical Engineering,1998，11(3)：177～180
汪德生，向求鲁，沈羡云等.7天头低位卧床对心肺循环功能的影响[J].航天医学与医学工程，1998，11(3)：177～180
[10] JIANG Shi-zhong,JIANG Chang-lin,LI Jian-jun et al.Effects of extremity cuffs against physiological changes induced by head-down bedrest[J].Space Medicine & Medical Engineering,1998，11(6)：211～214
, http://www.100md.com
姜世忠，蒋昌林，李建军等.加压套带对抗头低位卧床模拟失重生理影响的作用[J].航天医学与医学工程，1998，11(6)：211～214
[11] WANG De-sheng,SUN Lei,XIANG Qiu-lu et al.The progress in research on changes of central venous pressure under simulated weightlessness and microgravity[J].Space Medicine & Medical Engineering,1999，12(6)：459～463
汪德生，孙 磊，向求鲁等.模拟失重或微重力条件下中心静脉压的研究进展[J].航天医学与医学工程，1999， 12(6)：459～463
[12] Estenne M,M Gorini ,A Van Muylem et al.Rib cage shape and motion in microgravity[J].J Appl Physiol,1992， 73(3):946～954
收稿日期：1999-09-16, 百拇医药
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：失重模拟；卧床实验；悬吊；浸水;航空航天医学
航天医学与医学工程000318摘要：航天和模拟微重力时研究表明：微重力与现有模拟微重力模型时人体生理学变化的主要差异表现在低压区循环和体液、电解质代谢。微重力生理研究的人体模型在进一步了解微重力对人体的生理影响和机理中不可缺少，有必要将现有人体模拟微重力模型加以改进。利用人体不同角度和不同压力制度的立位倾斜(HUT)加下体正压、头低位卧床(HDT)加上体负压，测量心血管参数、体液调节因子、肾排泄的有关指标，与航天中的相应指标对照，筛选出更接近于微重力状态的人体模拟微重力模型，使其具有一定的可行性。
中图分类号：R852.22 文献标识码：A
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文章编号：1002-0837(2000)03-0226-05
Analysis and Improvement Consideration of the Current Human Experimental Models of Humoral Regulation in Microgravity
WANG De-sheng,REN Wei, XIANG Qiu-lu,SUN Lei
Abstract：The main differences between physiological effects of microgravity in spaceflight and simulated microgravity on humans appeared in the circulation of the low pressure side,in humoral and electrolyte metabolism. For a further understanding of the physiological effects of microgravity, some improvement of the current human experimental models are needed. It is possible to choose more adequate models closer to the situation in microgavity through measuring cardiovascular parameters, fluid regulation and renal excretion variables under head-up tilt(HUT) plus lower body positive pressure condition, or under head-down tilt(HDT) plus upper body negative pressure in various angles and pressure levels.
, 百拇医药
Key words：weightlessness simulation;bed rest (tests);suspension;water immersion;aerospace medicine
微重力生理研究的模型一般包括人体模型[1]和动物模型[2]。动物模型主要用于有创性研究，在调节机理的研究中发挥重要作用。动物模型可进行心导管、脏器形态学、离体器官灌流等研究，但这些研究必须结合动物整体水平的变化综合分析。动物飞行所得结果，必须与人体的相关参数对照，不能取代直接的人体研究。因为微重力生理研究的主要目的是探索微重力对人体生理功能的影响机理，为航天员的选拔训练、飞行中的失重对抗措施及返回后治疗方案的优化提供理论依据；另外动物的一些调节机制与人体存在差异，例如动物心率主要受心肺感受器调控，而人体则主要受颈心反射调节[3]。本文首先对模拟微重力生理效应的人体模型作一简单回顾，分析利用现有模拟微重力生理效应的人体模型的观察结果与微重力时人体生理学变化之间的主要差异，讨论人体HUT加下体正压和HDT加上体负压等方案[4]筛选出更合理的模拟微重力生理效应模型的可行性。
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模拟微重力生理效应的人体模型
微重力时人体重量消失。飞机抛物线飞行可产生20～30 s的微重力和20～30 s大约为1.8 G超重相交替的变化。间歇性的高重力影响实验结果[6]，同落塔方法一样，抛物线飞行不能模拟微重力的长期效应。载人航天提供了在真实微重力下研究人体生理功能的条件,但由于条件所限，1 G时模拟微重力人体模型得到了广泛采用。
Nicogossian等[1]第一次提出人在1 G平卧位或浸水时所产生的生理效应与微重力效应相似。人类开始载人飞行前，就注意到采用模拟微重力方法进行微重力对人体生理功能影响的研究。采用模拟微重力模型进行研究，可以了解长期微重力对人体的影响和微重力时人体生理变化机理，制定有效的对抗措施。例如前苏联进行了370 d的HDT实验[5]，使长达12个月的飞行中为维持航天员的健康和活动的医药系统的建立和可能考虑到的时间及资源配比成为可能。
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当前，许多模拟微重力效应的模型已作了改进，并从理论和实验上证实了这些模型具有一定效果。一般来说，模型可按致病源来分类，主要模拟的是微重力产生的生理效应；或者按症状来分类，模拟类似于微重力中或后人体的症状。第一组模型包括长期的水平卧位或HDT、浸水、从超重到正常重力的转变等；第二组模型包括用不同方法诱导运动病、身体脱水(如利尿剂和降血压药物)模拟立位性低血压等[1]。
这些模型主要引起血液头向再分配及作用于肌肉、骨骼系统的重力负荷丧失。一般关于致病原因的概念都基于这两个主要效应，两个主要效应引发出复杂的变化，包括体液—电解质代谢紊乱、神经体液调节紊乱和肌肉萎缩等。这些效应的合并效应可以用不同模型再现。
卧床模型 最普遍的模型是严格卧床(平卧或HDT)。1971年，前苏联Genin等[6]利用9名被试者4° HDT 30 d，此后人体HDT作为模拟微重力的主要技术，并为长期HDT时人体生理学反应积累了大量信息。国内也进行了大量的HDT实验，例如：对模拟微重力时脑循环[7]、左心功能[8]、右心功能和肺循环[9]、物理措施对抗HDT效应[10]等进行了研究，取得了一些适合于国人的实验结果。
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卧床和真实微重力时人体的反应相似部分显而易见，如骨质脱钙和钙失衡、循环血量减少、肌肉萎缩、立位耐力降低。然而，终点相似不能证明导致这些终点的过程和始动机制相同，卧床模型存在诸多缺点，将在后文中详述。
浸水模型 从性质上讲，浸水期间血液动力学和体液—电解质代谢方面与卧床研究类似，长期浸水存在方法学问题，将在后文中详述。
水平悬吊模型 水平悬吊人体模拟微重力，与卧床相比，活动相对自由，可用于改进和检测太空飞行中的体能训练方案。有研究者使被试者处于水平悬吊位，研究月球着陆准备中重力降低时的生物学机制。
其它模型 卧床、浸水和悬吊模型的主要缺点是不能用于再现微重力时前庭和肺循环的反应特性。而这些效应最难模拟。一种可能方法是采用转床，使人体沿着水平轴旋转。
抗重力或抗重力服可对不同部位施加不同压力，模拟微重力时血液再分配。
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静水压因素对立位耐力降低的影响方面的研究，可通过浸水池分隔成几个单元(水平和垂直)来模拟。由于每个单元水量不同，压力各异，可用于短期调控人体血液分配，再现不同水平的重力作用。
另一种模型是使人体长时间处于高重力，然后向正常重力转变。如果人体可适应高重力，能获得从高重力到1G与1G到微重力时性质相当的转变，可能非常有用，但实现难度大，当前尚无证据表明其合理性。
模拟微重力时症状的模型 一种方法是长期处于旋转室中。当旋转速度为4～6次/min时，所产生的自主神经和运动不协调症状与航天员处于微重力早期的症状很类似，适应和再适应过程也相似。旋转室方法一般用于研究前庭自主神经传入冲动减少和人体对微重力早期适应过程的研究，也是一种促使人体适应微重力环境的方法。
微重力与现有模拟微重力模型时人体生理学变化的主要差异
航天可引起人体血容量减少10%～15%，人在HDT也有相似变化。血容量减少主要出现在微重力或模拟微重力早期。研究者们认为，在HDT、浸水和抛物线飞行时重力压力梯度减弱或丧失，血液和组织液从腿部转移到胸部引起中心静脉压(CVP)升高。CVP升高导致心房过度扩张，引起Henry—Gauer反射，脑接受了由过多的血容量所致的心房感受器牵张反射信息，抑制垂体后叶抗利尿激素释放，导致多尿，减少循环容量，逆转心房过度扩张。进入微重力，血容量减少的证据也存在：发射前，航天员通常处于平卧/腿部抬高位达4 h，产生多尿，一些航天员飞行前减少液体摄入，以便在发射架上避免这一情况发生；发射前不显性体液丢失可能较多，归因于服装透气功能差。这些复合因素导致进入太空前血容量已经减少。另外，航天员能量摄取低可能是水分丢失的原因之一，尤其在能量摄取不足的开始几天。糖元和蛋白质代谢使结合水的能力降低(1 g糖元结合3～4 g水，1 g蛋白质可结合8 g水)，大约70%体重丢失是水分，能量摄取减少的影响与一般估计相比，对于飞行中总体的容量减少的贡献可能要大一些[4]。尽管肾排泄减少，身体水含量仍出现减少，可能另外归因于应激活动期间出汗增多和微重力时贮存于皮下的水分增多的叠加效应。微重力早期测量了血浆容量，表明有明显减少(10%～20%)。返回后体重的重新获得发生相当缓慢，支持能量摄取的主要作用和仅仅很微小的直接水合的影响。
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Gerzer等[4]最近报道了航天中的体液平衡，特别是体液、钠的摄取和肾排泄。飞行最初几天没有观察到多尿和尿钠增加。相反，体液、钠排出和摄取与飞行前相比减少。主要表现在相当程度自愿控制体液、钠摄入，出现体液循环量减少。微重力时表现为血浆容量减少和上体水肿，主要由于体液头向转移导致溢出(血管内体液溢出到血管外空间)增多。1 G模拟微重力模型对微重力时体液转移有效。
最近，Norsk的文章指出：微重力和模拟微重力时肾和内分泌的适应存在，机制尚不清楚。微重力时体液出现明显的头向转移，可能是航天员不适的主要原因。俄罗斯空间飞行实践表明, 航天员飞行前应用利尿药物, 也造成体液丢失，血容量减少，不适减轻。与其它飞行相比，Gerzer等[4]的数据与Skylab计划的结果相似，至少表现在飞行前几天体液摄入和肾体液丢失减少或没有变化。肾排泄减少或不变和身体水分减少似乎存在矛盾，尚未形成明确的认识。
Norsk等在微重力急性适应后加盐负荷进行研究。数据表明体液排泄减少。与飞行前对比，盐负荷后体液排泄与平卧时相当，与坐位时更类似。如果微重力时下体没有提供体液缓冲空间，体液排泄会增加，比平卧时应该排出更多。因此，数据也支持微重力未引起多尿和尿钠增加。
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观察微重力引起的体液平衡变化时，必须意识到1 G时体液平衡的一些机制尚不清楚。1 G时研究目的通常着重几种特别细节，以适合空间研究计划。最近，采用系统方法，对比微重力和其它状况下体液变化，解决了其中部分问题。体液代谢综合分析表明：尿增多可以调控，可能归因于肾自主调节。ANF受到广泛关注，认为是尿钠的重要调节物，日常状态下对钠排出可能作用极小或无影响，最近发现尿增加时，ANF可能对钠排出有重要的调节作用[4]。因此，用系统方法对比1 G和微重力，可能会改变人体功能调节的认识。例如D-2任务准备期间，采用静脉灌注加盐负荷后仅几小时，体液排出；同时服用盐负荷2 d，主要效应比通常研究的3 h灌注后要长一些。因此，关于微重力最初几个小时体液排出的规律性和体液负荷后的调节机制很有趣，值得进一步研究。
微重力时CVP降低[11]。既然右心房充盈压降低会导致排尿减少，数据与Gerzer等[4]的观察一致。微重力时CVP下降机理可能归结为[11]：(1)微重力时重力在组织中不再产生任何压力，可能改变所有心血管系统的顺应性，以致在含有相同容量的血液时压力处于低水平；(2)受胸壁力学特性变化影响；(3)血容量减少。其进一步的机理有待深入研究。
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可见，微重力与现有模拟微重力模型时人体生理学变化的主要差异表现在低压区循环和体液、电解质代谢。采用现有模拟微重力模型(包括平卧或HDT、头在外的浸水、体液负荷如渗盐水等)研究时，与立位对照相比，CVP升高，肾钠和体液排出增加，微重力时没有出现这些变化，表明这些模型不能完全反映微重力时的低压区循环和体液、电解质代谢。有必要将现有的人体模拟微重力模型加以改进。
模型改进的可能方案及可行性分析
HDT模型改进的可能方案及可行性分析
卧床模型的缺点[1]：(1)不可能再现微重力时肺动脉压的变化。肺动脉压与血管腔的静水压相当，而肺的微动脉血压随着体位改变有明显变化。人体立位时，肺顶叶灌注是肺底叶的一半，平卧时，顶底梯度消失，腹背梯度升高，背向肺泡灌注是腹向肺泡的1.7倍。如果被试者侧卧，左右肺中存在类似差异。微重力时肺灌注趋于一致，而且至少飞行早期血液充盈增加。这些差别可能影响到几种反应。(2)不可能再现微重力时的主观感觉。卧床时，身体仍然受床支持，移动时必须排除重力；不同密度组织仍然对其它组织有压力(包括耳石对基底膜的压力)。从逻辑上讲，卧床和航天所诱导的传入刺激的差异会诱导自主神经反应的差异。一般卧床时不存在前庭功能紊乱。(3)不能完全反映微重力时血液再分配。人体平卧时血液和组织液的静水压大约为立位时的1/5～1/6，没有完全消失。同时，支持身体区域的静水压显著升高，由于静水压变化，可能促进总体的血管容量膨胀。因此，中心血容量可能没有升高到微重力时的那种程度。
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微重力时，胸廓形状和力学特性发生了变化，可能会影响到中心循环。Estenne等[12]抛物线飞行的研究表明：(1)微重力时，胸廓颅向移位，呼气末形态更趋于圆形；(2)微重力和高重力时，胸廓下部前后径变化与邻区腹压变化方向相同，可能归因于邻区腹压变化；(3)微重力时，胸廓前面潮气扩张减弱，上部区域比下部区域减弱程度大些；(4)0 Gz时呼气相斜角肌和肋间肌肌电活性减弱。相反，无论微重力还是高重力时，紧张活动时肌电活性均增强。虽然微重力对胸壁力学特性的影响很大程度上可由从立位向平卧位转变期间所发生的变化来预料, 但不适合于胸廓形状。事实上，从立位向平卧位转变过程中，胸廓更趋于椭圆；而与1 Gz时相比，微重力时更趋于圆形。微重力时，胸膜内压也受胸壁力学变化影响[12]。众所周知，肺循环具有低压、低阻力、高容量特性，胸壁力学特性变化可能对低压区循环，特别是肺循环影响较大，如果体液再分配经静脉发生，会很快通过右心，可能潴留于肺循环，再经过数小时后逐渐释放到体循环。可见，静脉容量增加，原因不是平滑肌松弛。围绕静脉组织压力可改变其容量。太空中固体组织压(固体结构对血管表面产生的压力作用)可能减小，效应可能相当于静脉平滑肌松弛。微重力时如果同时有胸部容量增加和CVP下降，可能表明胸内(膜间)压力下降。
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上体负压合并HDT是模拟微重力生理效应模型的一种可能方案。上体负压可诱导出CVP下降，同时HDT会增加上体体液负荷和外溢。另外，微重力时胸廓呈球状，胸壁力学特性发生了变化，胸部负压时一定程度上接近微重力时的状况。所以，一定压力的上体负压联合一定角度的HDT，测量中心心血管参数、体液调节因子、肾排泄有关指标，与航天中相应指标对照，筛选出更接近于微重力状态的人体模拟微重力模型有一定的可行性。改进过程中是否还需要加正压呼吸有待进一步探讨。
HUT模型改进的可能方案及可行性分析 关于体液代谢，一种人体模拟微重力模型可能是HUT，用平卧位作对照体位。就象盐负荷实验所观察到的，微重力时盐负荷后，体液和钠排出的动力学在坐位和平卧位之间，HUT时同时存在CVP降低，可能与微重力时更接近。这一模型不具备的条件是与平卧位时相比，当然不会发生外溢和头向转移，另加下体正压可能排除这一限制。采用一定角度的HUT和一定压力的下体正压，筛选出更接近于微重力状态的人体模拟微重力模型也有一定的可行性。
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浸水模型发展史及可行性分析 被试者所浸入的液体也有静水压，意味着肺循环中血液静水压尚未代偿，水对人体下身压力导致胸部血管扩张程度比微重力时更明显。除此之外，认为对于体液再分配和排除身体及其组成部分支持作用及重量负荷，浸水可能是一种更好的模型。60年代早期，浸水先由美国和前苏联用于研究模拟微重力的生理效应。这一模型后来成为研究体液和电解质调节、循环容量、感觉神经生理学和运动系统的方法之一。浸水也用于航天乘员的训练。然而，长期浸水也存在方法学问题，包括皮肤浸软、需要精确的热调节和浸水期间复杂的个人卫生学。
采用覆盖于水表面的防水薄膜，解决了一些问题。Shulzhenko等[1]的实验中，浸水时间曾延长到56 d。穿浸水服可能更好，包括人体沿着身体长轴旋转时活动不受限。穿浸水服可模拟乘员实际空间飞行期间的活动。从性质上讲，浸水期间血液动力学和体液—电解质代谢方面与卧床研究类似。然而，浸水期间脱水和循环血容量减少发生更快(开始6～8 h)。实验表明[1]：立位耐力和+Gz加速度耐力降低也相当大。众所周知，浸水可降低渴感。因此，急性浸水后，循环容量减少，同时可保持中心体液负荷增加和头向体液转移。俄罗斯研究者采用干性浸水可能更恰当。浸水模拟低压区循环变化难度较大，测量时也不太方便，方法学问题不易解决，不应作为首选方案。
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小 结
与广泛接受的理论相反，微重力时未表现出肾性体液和钠排泄增加；同时，从下体到上体的体液转移和体液溢出，出现CVP下降。微重力时体液调节也与现有模拟微重力模型存在矛盾。模拟微重力方法的发展史上，许多模型曾作了改进，现有人体模拟微重力模型也需要进一步改进。人体不同角度和不同压力制度下采用HUT加下体正压、HDT加上体负压，测量心血管参数、体液调节因子、肾排泄有关指标，与航天中相应指标对照，筛选出更接近于微重力环境的人体模拟微重力模型有一定的可行性。希望在不远的将来能得到实验的验证，在微重力对人体生理影响的机理探索中，特别在航天后立位耐力降低的机理探索中发挥作用。微重力期间，中心心血管参数、内分泌中介物和肾功能之间的关系应该是将来研究的焦点。
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[参考文献]
[1] Nicogossian AE,Stanley R Mohler,Oleg G Gazenko et al.Microgravity mechanisms and models[M].Space Biology and Medicine,1996,AIAA，Book I,Chapter12: 267～277
[2] Tipton CM.Animal models and their importance to human physiological responses in microgravity[J].Med Sci Sports Exerc,1996， 28(10,Suppl):S94～S100
[3] Melchior,Francois M,R Srini Srinivasan et al.Mathematical modeling of human cardiovascular system for simulation of orthostaticc responses[J].Am J Physiol，1992，262(Heart Circ Physiol 31):H1920～H1933
, 百拇医药
[4] Gerzer R,M Heer,C Drummer.Body fluid metabolism at actual and simulated microgravity[J].Med Sci Exerc,1996， 28(10,Suppl):S32～S35
[5] Grigoriev AI,Moruko BV.A 370-day period of hypokinesia with head-down tilt: goals and experimental design [J].Komicheskaya Biologiya I Aviakomicheskaya Meditsina,1989， 23(5):47～50
[6] Genin AM,Kakurin LI.A 30-day experiment simulating the physiological effects weightlessness[J].Komicheskaya Biologiya I Aviakomicheskaya Meditsina,1972， 6(4):26～28
, 百拇医药
[7] WANG De-sheng,XIANG Qiu-lu,SHEN Xian-yun et al.Changes in cerebral circulation function during head down bed rest for 7 days[J].Space Medicine & Medical Engineering,1998，11(4)：273～276
汪德生，向求鲁，沈羡云等.头低位卧床7天中脑循环功能的变化[J].航天医学与医学工程，1998，11(4)：273～276
[8] SHEN Xian-yun,CHEN Jian-he,MENG Jing-rui et al.Observation of changes of cardiovascular function during 2.5 h HDT (-15°) with sphygmogram method[J].Space Medicine & Medical Engineering,1997，10(3)：201～205
, http://www.100md.com
沈羡云，陈建和，孟京瑞等.用脉图方法观察2.5h头低位-15°倾斜期间心血管系统的变化[J].航天医学与医学工程，1997， 10(3)：201～205
[9] WANG De-sheng,XIANG Qiu-lu,SHEN Xian-yun et al.Effect of 7 d head down bed rest on cardiopulmonary circulation in human[J].Space Medicine & Medical Engineering,1998，11(3)：177～180
汪德生，向求鲁，沈羡云等.7天头低位卧床对心肺循环功能的影响[J].航天医学与医学工程，1998，11(3)：177～180
[10] JIANG Shi-zhong,JIANG Chang-lin,LI Jian-jun et al.Effects of extremity cuffs against physiological changes induced by head-down bedrest[J].Space Medicine & Medical Engineering,1998，11(6)：211～214
, http://www.100md.com
姜世忠，蒋昌林，李建军等.加压套带对抗头低位卧床模拟失重生理影响的作用[J].航天医学与医学工程，1998，11(6)：211～214
[11] WANG De-sheng,SUN Lei,XIANG Qiu-lu et al.The progress in research on changes of central venous pressure under simulated weightlessness and microgravity[J].Space Medicine & Medical Engineering,1999，12(6)：459～463
汪德生，孙 磊，向求鲁等.模拟失重或微重力条件下中心静脉压的研究进展[J].航天医学与医学工程，1999， 12(6)：459～463
[12] Estenne M,M Gorini ,A Van Muylem et al.Rib cage shape and motion in microgravity[J].J Appl Physiol,1992， 73(3):946～954
收稿日期：1999-09-16, 百拇医药