宇航员在失重情况下漂浮的画面，是不是特别酷炫？但是，失重的太空环境并没有想象中美好，人类长期适应于地球的引力作用，一旦进入空间飞行的失重状态，生理系统就不可避免地发生一系列适应性变化，即失重生理效应。为了应对失重导致的不良生理效应，我们是如何在地面对失重状态进行模拟和研究，并加以防护措施的呢？

       近期，研究院科普知识专栏将陆续推出4篇系列文章，为大家详细介绍在地面对失重状态进行模拟和研究的“卧床实验”。

目前，空间微重力环境地面模拟主要通过以下手段实现：落塔法、抛物飞行法、水浮法、气浮法、悬吊法、以及在医学研究中应用的头低脚高位卧床法（人体）和尾部/后肢悬吊法（动物）。

图1   航天飞行导致的失重生理效应

头低脚高位卧床法（人体）即头低位卧床实验（Head-down Bed Rest Experiment），它可以模拟失重所引起的体液头向分布和运动减少对人体的影响，其所引起的心血管功能紊乱、肌肉萎缩、骨质疏松、内分泌失调、水盐代谢变化、免疫功能下降等变化与失重的影响也十分相似。因此，可以用头低位卧床实验进行失重对人体生理功能影响、机理和防护措施等研究，此方法简单、易行，是目前应用最广泛的人体模拟失重的方法，有关失重对人体生理影响的机理认识也大多来自头低位卧床实验。

50年代，前苏联、美国就开始进行头低位卧床实验（表1），我国自60年代起也进行了头低位卧床实验。1971年，前苏联Genin等利用9名志愿者进行了4°头低位卧床30天，此后头低位卧床就被作为人体模拟失重的主要方法，并为认识长期模拟失重生理效应积累了大量信息。最初，卧床实验主要用于模拟失重对心血管系统的影响，此阶段美国和前苏联/俄罗斯在每次发射任务前，都进行了与飞行任务相同（时间）的地面头低位卧床实验，以预测航天员在飞行中可能发生的生理改变；之后逐渐用于研究失重对多个生理系统的影响研究。

表1   前苏联/俄罗斯、美国、欧洲卧床实验完成情况回顾

头低位卧床实验发展史可分为三个不同的阶段：第一阶段（20世纪70～80年代）主要针对短期飞行急性适应期出现的医学问题，如体液急性丢失与转移、感觉系统相互作用的变化等，头低位卧床实验周期一般为7～15天；第二阶段（20世纪90年代）主要针对中期飞行出现的心血管功能失调、肌肉萎缩、立位耐力下降等，实验周期一般为30～60天；第三阶段（2002年～）主要关注长期飞行中和返回后骨质丢失持续恶化的最大程度及其诱发的其它医学问题等，兼顾长期飞行中由于高应激、免疫功能下降等问题，实验周期一般为90～150天甚至更长。

头低位卧床实验一般在特殊的卧床实验室中进行。例如，美国NASA的阿莫斯研究中心就是专门进行头低位卧床实验研究的场所。头低位卧床实验的组织实施包括志愿者的选拔和培训、实验管理等，实验的实施必须符合医学伦理学要求。由于人的个体差异很大，在招募志愿者时，一般会根据实验的目的确定招募志愿者的年龄、性别、高度、体重、脂肪含量、运动能力和健康状态等条件。

头低位卧床实验过程通常包括三个时期，即志愿者自由活动期、头低位卧床期和恢复期。自由活动期即志愿者到达卧床实验室后大约需要花费一至两周的时间以适应实验环境和饮食。卧床期即志愿者在头低位卧床期间身体只能仰卧、平躺、翻身、侧身，可以说吃喝拉撒睡玩和测试都在床上进行，整个实验过程饮食和营养也会受到严格监测和控制（图2）；恢复期即志愿者起床以后处于自由活动状态，有专门工作的人员协助进行后恢复，模拟航天员航天返回后的再适应地球环境的过程。

图2    6°头低位卧床实验

头低位卧床实验可以模拟失重所引起的身体一系列生理变化，包括运动能力的降低、体液的头向分布、激素和代谢改变、姿势感觉的部分丧失、骨骼肌肉系统去负荷、代谢需求减少以及立位耐力下降等。卧床的角度是0°~-12°（即头低位12°），甚至更低，目前大多采用-6°。大量研究证实，头低位卧床实验是一种很好的模拟失重生理效应的模型。通过头低位卧床实验，人们既能预测长期空间飞行可能发生的不利影响，阐明失重生理效应发生的机制，也能评价某些对抗措施的效果，为长期空间飞行后人类重返重力场提供必要帮助。

尽管完成头低位卧床实验需要特殊的场所和装置，且方法和程序较为复杂的，但科学价值巨大，美国、前苏联/俄罗斯、法国以及日本等发达国家均开展了广泛的头低位卧床实验研究，NASA及ESA已完成90天～120天的头低位卧床实验，俄罗斯甚至已完成400多天的实验，积累了大量数据。

下一期文章，我们将详细介绍我国卧床实验发展历程，敬请期待！

参考文献：

[1] 魏金河. 失重生理效应的层次特征[J]. 航天医学与医学工程, 1994(2):134-139.

[2] 徐冲, 吴大蔚. 国外头低位人体卧床实验回顾与启示[J]. 载人航天信息, 2014(6):19-23.

[3]于喜海, 陈金盾, 孙海龙,等. 失重模拟技术的发展及其比较研究[J]. 航天器环境工程, 1998(2):22-28.