王 健，王曉娟，馮金生，楊 鎬，張 芷，謝 琳，袁立偉

1 前言

長(zhǎng)期太空在軌飛行是導(dǎo)致腰部神經(jīng)肌肉系統(tǒng)功能退化和產(chǎn)生慢性腰痛的重要原因［11，1］，也是航天運(yùn)動(dòng)生理學(xué)研究密切關(guān)注的航天員基本健康保障問(wèn)題之一。微重力環(huán)境導(dǎo)致腰痛的發(fā)生機(jī)制比較復(fù)雜，確切的病理尚不清楚。一般認(rèn)為，微重力環(huán)境下航天員腰痛是一個(gè)與微重力神經(jīng)肌肉適應(yīng)密切相關(guān)的生理學(xué)現(xiàn)象，可能與腰椎穩(wěn)定肌的結(jié)構(gòu)與功能改變及其引起的腰椎穩(wěn)定性破壞有關(guān)［6］。地面模擬試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期的頭低位臥床限制運(yùn)動(dòng)能夠造成LMF萎縮和背伸肌力下降［22］。然而，模擬失重能否改變LMF抗疲勞能力以及中樞運(yùn)動(dòng)控制，目前研究尚不清楚。本研究擬采用頭低位臥床（Head down bed rest，HDBR）限制運(yùn)動(dòng)的方法，研究為期30天的HDBR對(duì)受試者腰部椎旁肌橫斷面積（Cross sectional area，CSA）及最大抗阻收縮能力、抗疲勞能力和快速反應(yīng)能力的影響，為進(jìn)一步研究和制定航天員腰椎運(yùn)動(dòng)保護(hù)方案提供科學(xué)理論依據(jù)。

2 方法

2.1 受試者

對(duì)自愿報(bào)名參加本實(shí)驗(yàn)的45名男性受試者進(jìn)行3輪篩選。首先，通過(guò)心理素質(zhì)測(cè)試，初步選拔30名受試者。其次，通過(guò)醫(yī)學(xué)檢查確定20名受試者；最后，再通過(guò)體能檢測(cè)確定14名受試者參與本次實(shí)驗(yàn)。最后確認(rèn)的受試者各項(xiàng)生理功能正常，無(wú)腰痛病史及其它慢性病史，平均年齡28.79±4.71歲，身高1.72±0.04m，體重68.07±7.73kg。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用前、后測(cè)對(duì)比試驗(yàn)的方法，考察30天頭低位臥床對(duì)受試者腰部椎旁肌橫斷面積以及收縮功能的影響。其中，1）通過(guò)最大隨意收縮試驗(yàn)，檢測(cè)LMF和LE最大平均肌電值（Average electromyography，AEMGmvc），以此考察肌肉最大隨意收縮能力的變化；2）通過(guò)背伸肌疲勞試驗(yàn)，檢測(cè)LMF和LE肌電活動(dòng)的平均功率頻率（Mean power frequency，MPF）下降率，以此考察被檢肌肉抗疲勞能力；3）通過(guò)經(jīng)典落球試驗(yàn)，檢測(cè)被檢肌肉對(duì)腰部肌肉突發(fā)性負(fù)荷的快速反應(yīng)時(shí)間（Rapid reaction time，RRT），以此考察被檢肌肉的中樞運(yùn)動(dòng)控制效率；4）通過(guò)磁共振成像，定量檢測(cè)腰部椎旁肌CSA。以上檢測(cè)指標(biāo)的前測(cè)試驗(yàn)安排在臥床試驗(yàn)前2天內(nèi)進(jìn)行，后測(cè)指標(biāo)安排在臥床試驗(yàn)結(jié)束的即刻進(jìn)行。

2.3 臥床試驗(yàn)與肌肉形態(tài)功能試驗(yàn)

2.3.1 頭低位臥床試驗(yàn)

受試者在了解本實(shí)驗(yàn)的目的、程序以及對(duì)身體可能產(chǎn)生的影響等情況后，簽署了知情同意書(shū)。所有受試者在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前7天入住臥床實(shí)驗(yàn)室，熟悉環(huán)境，接受相關(guān)知識(shí)和要求的培訓(xùn)。臥床室溫度20℃～26℃。30天臥床試驗(yàn)開(kāi)始后，受試者每天需保持頭部-6°的臥床姿勢(shì)，允許其在床上繞身體縱軸變換體位，但不得坐立、下床活動(dòng)，同時(shí)禁止使用枕頭等頸部支撐物。臥床期間所進(jìn)行的各種日常生活性活動(dòng)如飲食、洗澡、如廁等均在-6°頭低位床上實(shí)施。通過(guò)閉路電視24h連續(xù)監(jiān)控臥床行為，一旦發(fā)現(xiàn)違規(guī)者，立即糾正。本實(shí)驗(yàn)由中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心倫理委員會(huì)批準(zhǔn)執(zhí)行。

2.3.2 最大隨意收縮試驗(yàn)

采用最大背伸肌力檢測(cè)方法，要求受試者雙腿直立，調(diào)整手柄高度至膝關(guān)節(jié)部位。雙手正握手柄，直臂狀態(tài)下完成最大背伸運(yùn)動(dòng)。共計(jì)完成3次測(cè)試，選取背伸肌力最大一次的sEMG信號(hào)，計(jì)算最大平均肌電值（AEMGmvc）。

2.3.3 肌肉疲勞試驗(yàn)

推薦理由:本書(shū)討論了社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題和人們普遍關(guān)注的話(huà)題中的化學(xué)基本知識(shí)及化學(xué)所發(fā)揮的作用，并介紹了一些基礎(chǔ)化學(xué)知識(shí)，讓讀者更好地了解并對(duì)其潛在性和危險(xiǎn)性做出合理的評(píng)判。

采用動(dòng)態(tài)背伸肌疲勞試驗(yàn)［14］。受試者四肢固定于測(cè)試床上，軀干懸空。要求受試者雙手交叉抱頭，雙臂外展至地面平行位置，然后完成50次動(dòng)態(tài)軀干屈伸運(yùn)動(dòng)，要求每次運(yùn)動(dòng)伸到180°，屈到120°，運(yùn)動(dòng)周期1.8s／次，由節(jié)拍器引導(dǎo)動(dòng)作節(jié)奏。連續(xù)采集受試者被檢肌肉90s的sEMG信號(hào)。截取每次運(yùn)動(dòng)的sEMG信號(hào)，計(jì)算MPF及其下降率（%）。

2.3.4 落球試驗(yàn)

令受試者雙臂彎曲成直角，雙手握持長(zhǎng)方形托盤(pán)，托盤(pán)重量小于200g。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，主試手持重量2kg的重錘置于托盤(pán)上方15cm高處。托盤(pán)表面安置有感知重錘擊打的壓力傳感器，其感知信號(hào)與肌電信號(hào)并行輸入肌電圖機(jī)。分別在受試者處于睜眼和閉眼兩種不同實(shí)驗(yàn)條件下完成重錘釋放。睜眼情況下要求受試者注意觀察主試釋放重錘的全部過(guò)程。閉眼情況下，受試者無(wú)法預(yù)知主試釋放重錘的時(shí)間。設(shè)置睜眼和閉眼實(shí)驗(yàn)條件的目的在于進(jìn)一步考察視覺(jué)心理預(yù)期對(duì)突發(fā)性載荷引起的被檢肌肉本體感受性快速反應(yīng)時(shí)間的影響。睜眼和閉眼重錘試驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值作為檢測(cè)結(jié)果。

2.3.5 椎旁肌 MRI成像

使用德國(guó)西門(mén)子公司3.0TMR（3.0TSystem Megnetom，Verio，Germany）設(shè)備完成磁共振成像。受試者取水平仰臥位，于HDBR前2天和HDBR第30天完成成像檢測(cè)。掃描成像條件:快速自旋回波T2加權(quán)橫斷面成像（SET2WI）:Slice Thinkness 5mm，TR:3000ms，TE:135 ms，F(xiàn)OV:24×24cm。每列對(duì)象采用相同序列檢查相同的腰椎節(jié)段:L3、L3／4、L4、L4／5、L5、L5／S1，取 L4／5平面圖像資料，手工標(biāo)定腰部椎旁肌輪廓線，通過(guò)對(duì)輪廓包羅面的積分處理，測(cè)量腰部椎旁肌橫斷面積（圖1）。

2.4 sEMG信號(hào)采集與處理

采用 ME6000（Mega Electronics Ltd，F(xiàn)inland）表面肌電儀采集sEMG信號(hào)。按照SINIAM標(biāo)準(zhǔn)，分別選擇L5～S1部位的表層LMF和L2～L3部位的LE體表標(biāo)志，帖放氯化銀體表引導(dǎo)電極，探測(cè)電極連線與被檢肌肉長(zhǎng)軸走向一致，電極直徑0.5cm，電極間距2cm，參照電極置于探測(cè)電極外側(cè)3cm處。放置電極前用細(xì)砂紙和75%酒精棉球清理皮膚表面以減小阻抗。sEMG信號(hào)采樣頻率為1000 Hz，輸入阻抗小于10GΩ，通帶濾波10～500Hz，噪聲水平小于3.5μV。采用 Mega-Win軟件分別選取最大隨意收縮和疲勞試驗(yàn)的肌電信號(hào)計(jì)算平均肌電值A(chǔ)EMG和MPF下降率；采用自行編制的計(jì)算機(jī)判別程序自動(dòng)判別落球試驗(yàn)中被檢肌肉的快速反應(yīng)時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)定義的快速反應(yīng)時(shí)間特指自下落物體接觸塑料托盤(pán)至受試者被檢肌肉出現(xiàn)反射性肌電活動(dòng)之間的時(shí)間（ms）。初始反應(yīng)信號(hào)的判別條件是3倍的基線AEMG標(biāo)準(zhǔn)差。

2.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用雙因素方差分析考察臥床前后和睜眼閉眼因素對(duì)落球試驗(yàn)快速反應(yīng)時(shí)間的影響；采用自身對(duì)照t檢驗(yàn)考察臥床先后AEMGmvc、MPF下降率和椎旁肌CSA變化。顯著性差異水平為P＜0.05。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行。

3 結(jié)果

3.1 30天HDBR對(duì)腰部椎旁肌CSA的影響

圖2所示，30dHDBR分別使左、右側(cè)椎旁肌CSA下降15.11%（左側(cè)）和15.18%（右側(cè)），t檢驗(yàn)結(jié)果表明，臥床前后存在明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（左側(cè):t＝8.08，P＝0.000；右側(cè):t＝8.01，P＝0.000）。

圖1 本研究腰部椎旁肌橫斷面積檢測(cè)圖Figure 1.Measurement of Lumbar Parspinal Muscles CSA

圖2 本研究30dHDBR對(duì)腰部椎旁肌CSA的影響Figure 2.Effects of 30days HDBR on the CSA of Lumbar Parspinal Muscles

3.2 30天HDBR對(duì)LMF和LE最大隨意收縮AEMG的影響

圖3所示，30dHDBR分別使LMF和LE的AEMGmvc下降36%和47%，t檢驗(yàn)結(jié)果表明，臥床前后存在明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（LMF:t＝2.62，P＝0.012；LE:t＝4.089，P＝0.000）。進(jìn)一步分析LMF和LE最大隨意收縮AEMG變化與椎旁肌CSA變化的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)二者無(wú)明顯相關(guān)。

3.3 30天HDBR對(duì)LMF和LE MPF下降率的影響

圖4所示，30天頭低位臥床分別使疲勞試驗(yàn)過(guò)程中LMF和LE的MPF下降率提高64%和56%，但因個(gè)體差異較大，t檢驗(yàn)結(jié)果表明，臥床前后無(wú)明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（LM:t＝0.050，P＝0.961；LE:t＝0.304，P＝0.761）。 進(jìn)一步分析LMF和LE的MPF下降率變化與椎旁肌CSA變化的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)其間無(wú)明顯相關(guān)。

3.4 30天HDBR對(duì)LMF和LE快速反應(yīng)時(shí)間的影響

30天頭低位臥床對(duì)腰部多裂肌和豎脊肌快速反應(yīng)時(shí)間的影響詳見(jiàn)圖5。雙因素方差分析結(jié)果表明，臥床因素對(duì)LMF和LE快速反應(yīng)時(shí)間均有顯著影響（LM:F＝13.431，P＝0.000；LE:F＝12.113，P＝0.001），分別使LMF和LE的快速反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)了21%和25%。睜閉眼因素對(duì)LM和LE快速反應(yīng)時(shí)間無(wú)顯著影響（LM:F＝0.109，P＝0.742；LE:F＝0.070，P＝0.792）。

圖3 本研究30d頭低位臥床對(duì)腰部多裂肌和豎脊肌最大隨意收縮AEMG的影響圖Figure 3.Effects of 30days HDBR on Maximum Contraction AEMG of LMF and LE

圖4 本研究30dBDBR對(duì)LMF MPF下降率的影響圖Figure 4.Effects of 30days Bed Rest on the Decline Rate of MPF in LMF

圖5 本研究30dHDBR對(duì)LMF和LE快速反應(yīng)時(shí)間的影響圖Figure 5.Effects of 30days Bed Rest on the Rapid Reaction Time of LMF and LE

4 討論

本研究的目的在于采用30天頭低位臥床微重力模擬試驗(yàn)，探討限制運(yùn)動(dòng)對(duì)腰椎穩(wěn)定肌形態(tài)和收縮功能的影響。實(shí)驗(yàn)分別從腰部椎旁肌橫斷面積、最大隨意收縮能力、抗疲勞收縮能力和中樞運(yùn)動(dòng)控制能力四個(gè)方面，考察限制運(yùn)動(dòng)對(duì)被檢肌肉形態(tài)和收縮功能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，30天限制運(yùn)動(dòng)能夠造成腰部椎旁肌CSA明顯減小，腰部局部和整體穩(wěn)定肌對(duì)突發(fā)姿勢(shì)干擾的快速反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，腰椎穩(wěn)定肌中樞運(yùn)動(dòng)控制效率下降。此外，30天頭低位臥床還能夠明顯降低腰椎穩(wěn)定肌最大抗阻收縮能力，但對(duì)其抗疲勞收縮能力無(wú)顯著影響。

腰椎穩(wěn)定肌是用以維系腰椎穩(wěn)定性的骨骼肌群，主要包括位于腰背表層且收縮力矩較大整體穩(wěn)定肌群和位于腰背深層且主要用以維系腰椎階段穩(wěn)定性的局部穩(wěn)定肌。正常生理?xiàng)l件下，由腰椎穩(wěn)定肌群及其中樞運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)形成的主動(dòng)保護(hù)機(jī)制與由腰椎椎體、椎間關(guān)節(jié)、韌帶和關(guān)節(jié)囊形成的被動(dòng)保護(hù)機(jī)制一道，共同形成了腰椎穩(wěn)定性的三大保護(hù)機(jī)制，用以維系身體在各種內(nèi)外力干擾條件下的腰椎穩(wěn)定性和保護(hù)腰椎生理功能。而因缺乏運(yùn)動(dòng)所造成的腰部穩(wěn)定肌肌肉萎縮是造成腰椎失穩(wěn)和誘發(fā)非特異性腰痛的重要原因［20］。以往采用MRI和超聲成像技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，慢性非特異性腰痛患者疼痛側(cè)腰部穩(wěn)定肌橫斷面積明顯減小，且肌肉萎縮程度與腰部功能障礙明顯相關(guān)。此外，缺乏運(yùn)動(dòng)或者長(zhǎng)期臥床通常也可以在短時(shí)間內(nèi)造成腰椎穩(wěn)定肌萎縮和收縮功能障礙。本研究觀察到的30天頭低位臥床造成腰部椎旁肌面積減小的事實(shí)與以往類(lèi)似條件下的研究結(jié)果相一致，從而再次證明，腰部椎旁肌對(duì)于限制運(yùn)動(dòng)具有較快的適應(yīng)。

AEMGmvc和疲勞試驗(yàn)條件下的MPF下降率是檢測(cè)和評(píng)價(jià)神經(jīng)肌肉系統(tǒng)最大抗阻收縮能力和抗疲勞收縮能力的經(jīng)典sEMG評(píng)價(jià)指標(biāo)。包括軀干背伸肌群在內(nèi)的人體多數(shù)骨骼肌AEMG在20%～100%MVC范圍內(nèi)與肌肉收縮力大小成正比［23］，而 MPF的下降率則與局部肌肉抗疲勞的能力成反比［8］。腰部多裂肌和豎脊肌是人體重力對(duì)抗鏈（antigravity kinetic chain，AKC）的重要組成部分，腰部肌肉功能障礙導(dǎo)致的腰椎穩(wěn)定性下降，可直接影響到人體腰椎的負(fù)重、減震、保護(hù)和運(yùn)動(dòng)支持功能，同時(shí)伴有不同程度的腰痛反應(yīng)；不但影響航天飛行中航天員生活和工作，而且，危及航天飛行返回后航天員的身體健康。本研究之前的地面模擬試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)時(shí)間頭低位臥床能夠明顯增加腰椎間盤(pán)厚度、減小腰椎曲度和造成腰椎穩(wěn)定肌廢用性萎縮［2］。這些變化構(gòu)成了航天員飛行后脊柱損傷的潛在風(fēng)險(xiǎn)。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，采用非損傷性的定量sEMG信號(hào)分析技術(shù)，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)30天頭低位臥床分別可使LM和LE的AEMGmvc下降36%和47%，使MPF下降率提高64%和56%，從定量研究的角度發(fā)展了以往研究的認(rèn)識(shí)。

神經(jīng)肌肉運(yùn)動(dòng)控制效率是近年來(lái)腰椎穩(wěn)定性和慢性腰痛運(yùn)動(dòng)康復(fù)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。高效的神經(jīng)肌肉運(yùn)動(dòng)控制能夠確保腰椎在受到各種外力作用下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和正常腰椎功能，而腰部肌肉的運(yùn)動(dòng)控制障礙則被認(rèn)為是造成腰椎不穩(wěn)和慢性非特異性腰痛發(fā)病的主要原因［7］。本研究首次將外部姿勢(shì)干擾經(jīng)典試驗(yàn)應(yīng)用于研究模擬失重對(duì)腰椎肌肉中樞運(yùn)動(dòng)控制效率的研究，發(fā)現(xiàn)30天頭低位臥床分別使LM和LE的快速反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)了21%和25%，從而證明限制運(yùn)動(dòng)具有降低腰椎穩(wěn)定肌中樞運(yùn)動(dòng)控制效率的明顯作用。目前研究認(rèn)為，神經(jīng)肌肉運(yùn)動(dòng)控制效率的降低，作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)去負(fù)荷刺激的適應(yīng)性變化，在客觀上構(gòu)成了造成腰椎穩(wěn)定性破壞的條件，因而可能是導(dǎo)致航天員腰椎不穩(wěn)和腰痛發(fā)生的基本原因。

5 結(jié)論

本研究采用30天頭低位臥床微重力模擬試驗(yàn)，研究限制運(yùn)動(dòng)對(duì)受試者腰部椎旁肌肌肉橫斷面積及其收縮功能的影響，發(fā)現(xiàn)30天頭低位臥床限制運(yùn)動(dòng)能夠明顯減小腰部椎旁肌橫斷面積、降低腰部多裂肌和豎脊肌最大肌電激活水平和中樞運(yùn)動(dòng)控制效率，但對(duì)椎旁肌耐力的影響具有較大的不確定性，研究結(jié)果初步證明，腰部椎旁肌及其收縮功能對(duì)30天短期限制運(yùn)動(dòng)具有較快的形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能適應(yīng)，提示腰部椎旁肌肌肉體積、最大肌肉激活能力和中樞運(yùn)動(dòng)控制能力應(yīng)成為短期太空滯留期間航天員運(yùn)動(dòng)健康保障的重要內(nèi)容。

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