短期头低位卧床期间静息态脑功能影像研究

摘要

载人航天飞行任务已有近五十多年的历史，数以百计的宇航员进入太空执行任务，寄托着几十亿人探索宇宙的热情与希望。在执行太空飞行任务起初，研究者就十分关注航天员进行太空后会面临哪些变化，从而寻找相应的对抗措施。就太空飞行而言，宇航员会面临重力变化、昼夜节律改变、辐射、噪音等多重负面因素的影响，对个体的生理和行为绩效造成不利影响，不利于航天飞行任务的顺利执行。特别是重力变化，作为地面环境和太空环境的一个显著差异因素，是医学和心理学等诸多领域研究者普遍关注的热点。了解个体在微重力状态下认知和行为变化及其内在机制，对于航天飞行保障具有积极意义。
　　通过长久以来的在轨飞行研究来看，从行为学监测发现个体在进入太空微重力状态下后在注意、执行控制、空间信息加工以及运动控制等诸多层面发生行为受损。随后研究者开始关注于解释这些行为受损背后的内在机制。研究者最初集中于从生理变化角度来探讨微重力对个体行为受损的贡献并得到了一些具有积极意义的成果。如前庭系统紊乱可能对空间信息加工受损有关，而肌肉骨骼系统的变化则对运动控制有贡献。体液变化特别是心血管系统变化则影响执行控制能力。这些研究结果对于理解微重力下的绩效受损具有十分积极的意义。然而需要指出的是，大脑作为人类行为控制的中枢，在微重力下脑功能如何变化却鲜有研究提及，这主要是受囿于太空在轨环境的局限造成先进的脑影像设备难以在轨展开。目前仅有少量研究记录了在轨微重力状态下的脑电变化，发现个体在微重力状态下脑电的Alpha和mu频率的脑电活动异常，可能反映了脑功能活动受到抑制。但是对于由于脑电记录技术存在空间分辨率低的局限，对于具体是哪些脑区的功能活动受损依然并不清楚，需要借用其他影像学技术进一步研究。
　　本研究结合太空飞行地面模拟模型之一的-6°头低位卧床模型和静息态功能性核磁共振技术来探讨短期头低位卧床状态下个体静息态脑功能的变换情况。在为期3天和7天的两次头低位卧床任务中，分别招募到16名（平均年龄26岁，年龄范围24到31岁）和20名青年男性被试（平均年龄24岁，年龄范围20到30岁之间）纳入研究，使用了低频振幅算法、局部一致算法和功能连接算法了解头低位卧床状态下脑功能的局部自发神经活动变化、局部功能活动一致性以及默认网络变化情况。通过以上量化的脑功能指标数据，本研究试图探讨头低位卧床状态下个体的静息态脑功能是否会发生变化、变化的时间特征以及变化代表意义这三个问题，以期为航天员短期飞行任务期间的行为绩效维持提供了一些参考依据。主要研究结果结论总结如下：
　　1.短期头低位卧床模拟会影响静息态脑功能的局部自发活动水平。经过为期3天的头低位卧床处理后，个体丘脑区域的局部自发活动水平下降（p＜0.05,Alpasim校正），具体反映为丘脑的背内侧神经核团和腹外侧神经核团区域观察到了低频振幅活动的减弱。研究中观察到的丘脑区域活动变化可能会对微重力状态下运动控制以及执行功能的受损提供部分合理的解释，更主要的是从局部脑功能活动指标上表明了头低位卧床状态下会发生静息态脑功能变化。
　　2.短期头低位卧床模拟会影响静息态默认网络内的功能连接。在7天的头低位卧床处理后，额上回、额中回、内侧前额叶皮层、顶下小叶、颞中回、海马、丘脑、中扣带回之间的功能连接在模拟微重力处理后产生异常（p＜0.05,Alpasim校正）。此外，模式识别计算表明模拟微重力状态和正常重力状态下的脑功能状况可以被有效区分开，脑连接组学可以作为区分和监测微重力状态下脑功能变化的有效生物标记物。这从功能连接这个更广的尺度层面再次证明了头低位卧床状态下会发生静息态脑功能变化。
　　3.短期头低位卧床期间静息态脑功能变化的时间特征表现为先骤然改变后逐渐趋于稳定的自适应变化。在7天的头低位卧床模拟期间，卧床期后扣带回、中央旁小叶、前扣带回以及小脑后叶区域的低频振幅显著低于卧床前的基线状态（p＜0.05,Alpasim校正），并且大多呈现在卧床期先骤然改变然后逐渐趋于稳定的自适应变化特征。
　　4.短期头低位卧床期间静息态脑功能变化可以解释部分认知行为绩效受损。本研究以心理转换这种认知过程为例，发现头低位卧床期间顶下小叶区域脑功能活动局部一致性的下降与心理转换速率有关（r=-0.59，p＜0.05），表明头低位卧床状态下观察到的脑功能变化与认知行为表现的变化之间具有关联，为理解头低位卧床期间的静息态脑功能变化的意义提供了部分证据。
　　综合而言，本研究发现短期模拟微重力状态下个体负责注意、执行功能、空间信息加工、运动控制的多个脑区会发生静息态功能活动异常，并且脑区功能活动变化呈现出先骤然改变然后逐渐趋于稳定的自适应时间变化特征。以心理转换功能为例肯定了短期模拟微重力状态变化下的脑功能变化与认知和行为绩效改变之间的联系，对于后续完善微重力状态下的脑功能监护措施及脑功能维持措施的开发都具有积极参考价值。

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缩略语表

中文摘要

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前言

文献回顾

实验设计

第一部分 短期头低位卧床状态下静息态脑功能自发活动水平的变化

1 材料和方法

2 结果

3 讨论

第二部分 短期头低位卧床状态对静息态脑功能默认网络的影响

1 材料和方法

2 结果

3 讨论

第三部分 短期头低位卧床状态下静息态脑功能变化的时间特征

1 材料和方法

2 结果

3 讨论

第四部分 短期头低位卧床状态下认知能力变化的脑影像学证据

1 材料和方法

2 结果

3 讨论

小结

参考文献

附录

个人简历和研究成果

致谢