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抵消微重力下的骨骼和肌肉流失——空间站上的锻炼方案

泰然健康网
2024-12-14 19:49

美国宇航局宇航员弗兰克·卢比奥正在维护空间站的跑步机

在微重力下，没有地球重力的持续负荷，构成骨骼的组织会自我重塑。骨细胞会重新调整它们的行为——生成新骨的细胞会减慢速度，而分解旧的或受损的骨组织的细胞会保持正常的速度，这样分解的速度就会超过生长的速度，从而产生更脆弱的骨骼。

如果宇航员不采取预防措施来应对这种损失，那么在太空中每呆一个月，他们的骨骼密度就会减少大约1%。肌肉，通常通过简单地在地球上移动而激活，也因为不再需要努力工作而减弱。这种骨骼和肌肉的流失被称为萎缩。

萎缩对宇航员的健康有严重影响。在地球上，肌肉和骨质流失或萎缩也会发生在正常的衰老、久坐不动的生活方式和疾病中。这可能会导致严重的健康问题，由于跌倒，骨质疏松症，或许多其他医疗问题。

虽然研究人员了解了萎缩的广泛原因，但他们继续研究微重力诱导的肌肉和骨骼萎缩的基本机制和影响因素。许多研究集中在确定饮食、运动和药物的正确组合，以保持宇航员在执行任务期间以及他们返回地球或踏上月球或火星时的健康。

运动和力

空间站上的每名宇航员都使用类似地球的锻炼方案来锻炼肌肉、骨骼和其他组成肌肉骨骼系统的结缔组织。船员们平均每天锻炼两个小时。

宇航员在太空中骑固定自行车和在跑步机上跑步已经有几十年了。空间站上的首批任务之一是使用TVIS，这是一种带安全带的跑步机，可以将使用者绑在机器上，并增加一些类似重力的力量。目前一种名为ARED的设备可以让宇航员在微重力下模拟举重。

不幸的是，这些机器太大了，无法携带到航天器上进行长时间的太空飞行，因为空间非常宝贵。因此，科学家们很好奇：使用最少或不使用设备的锻炼是否可以在占用更少空间的情况下提供足够的身体活动?

有一项研究旨在找出答案。在Zero T2实验中，一些宇航员不使用跑步机，而是简单地进行有氧和阻力训练。研究人员计划将他们的肌肉表现和恢复情况与使用跑步机的机组人员进行比较。

无论是在地球上还是在空间站上，锻炼的动机都是一个主要障碍。每天两个小时或更长时间的锻炼是一大块时间。VR运动的重点是开发一个虚拟现实环境，宇航员可以在空间站的运动自行车上踩着它。这不仅仅是一种不同的视角，创造一种身临其境的体验可以帮助宇航员享受锻炼的时间。

除了测试运动方案本身，研究人员还想了解身体在微重力下是如何锻炼的。全身运动影响整个肌肉骨骼系统。ARED运动学分析了在微重力下运动时肌肉拉伤、骨骼应力和其他内部因素对身体的影响。

在太空锻炼中测量身体可以帮助科学家了解宇航员在长时间太空飞行任务中需要如何适应微重力运动，以保持和优化他们的健康。研究人员发现，飞行前的运动训练可以提高在空间站的表现，就像赛季前的训练可以帮助运动员在之后的比赛中表现一样。这项研究的目的是确定最佳的锻炼计划，以使宇航员在执行任务前做好准备，限制任务期间微重力的影响，并使飞行后安全快速恢复。

美国宇航局宇航员杰西卡·梅尔为啮齿动物研究19号实验安装骨密度仪

组织芯片是模仿特定组织和器官复杂功能的小型设备。研究人员可以用手持设备发送一个小样本，而不是将整个器官带到太空进行研究。一项名为“人体肌肉芯片”的组织芯片实验，使用由年轻人和老年人的肌肉细胞制成的肌肉纤维3D模型来研究微重力下肌肉功能的变化。电脉冲使组织收缩，就像我们使用身体的肌肉一样。

研究人员发现，暴露在太空中的肌肉细胞中，与肌肉生长和代谢相关的基因表达减少，这种差异取决于组织样本来自个体的年龄。这项研究现在发表在《npj微重力》杂志上。

了解如何预防和治疗肌肉萎缩和骨质流失是特别重要的，因为美国宇航局计划登月和火星任务。一旦到达目的地，宇航员可能需要在长时间接近失重的情况下在部分重力下进行剧烈活动。

CIPHER是一项综合实验，测量宇航员的心理和生理变化，包括骨骼和肌肉的损失，任务时间从几周到一年不等。随着美国国家航空航天局(NASA)为更深入太空的长期任务设定目标，科学家们想知道:长期任务对宇航员身体的影响是否比短期任务更大?某些系统的变化是否会在一定的时间后趋于稳定?是否有任何变化反馈影响不同的生物系统?NASA需要这样的数据来为宇航员实现机构的探索目标做最好的准备。

通过CIPHER, NASA可以对不同持续时间的任务进行相同的研究。这使得科学家可以推断出多年的任务，比如为期三年的火星往返。研究结果可能是制定保护策略和保护宇航员进行月球和火星探测任务的关键。

研究空间站上的骨骼和肌肉损失正在推动制定保障太空旅行者安全的战略，以及为地球上患有与疾病和年龄有关的骨骼和肌肉萎缩的人提供治疗。