检索历史 清除

摘要航天医学的许多基本问题——睡眠障碍、心血管紊乱——早在人类第一次太空飞行之前就己经通过地面模拟和潜水医学进行了研究。在微重力环境下，人体会产生心脏受损、血浆容量减少、血压变化等心血管问题，严重时会对宇航员的身体造成无法挽回的损害。同时微重力、闪光率高、曝光时间长、工作量大等因素也会导致宇航员产生睡眠障碍，从而会导致许多健康问题，如抑郁、自杀风险增加等，是太空任务期间宇航员机敏性和身体受损的重要因素。<br>　　近年来，我们对航空航天领域的睡眠和心血管功能机制的理解程度逐渐深入，这在很大程度上得益于模拟失重技术、生物实验技术和微机电系统制造工艺的改进，这些技术允许检测研究人员从更多专业领域研究微重力环境下人体睡眠和心血管功能的变化现象和内在机制。随着对穴位的研究的增加，更多的研究团队认识到穴位存在与生理功能变化相关的特异性变化，探索穴位电生理信号与心血管和睡眠功能的特异性联系也有助于检测和调控宇航员的心血管和睡眠功能。此外，穴位与大脑神经元之间的联系越来越被认可，脑科学的兴起使得我们认识到，脑区是影响睡眠的主要部位，对活体脑区神经元电生理信号的检测和分析可以极大程度帮助我们加深对生物睡眠机制的了解，从而有助于改善宇航员的睡眠质量。<br>　　由此，本研究为应对航空航天的需求，运用微机电系统制造技术、探针表面修饰技术、动物实验技术、人体模拟失重技术以及电生理信号记录与分析技术，从睡眠、心血管相关脑区和穴位展开研究。<br>　　本研究为探究穴位电生理信号是否能反映睡眠质量下降和心血管功能紊乱，总共使用了21名进行了总时长为90天的-6°头低位卧床实验的志愿者的穴位电生理信号数据，志愿者被分为5组进行不同的综合锻炼，在此实验中使用针状电生理探针对人体相关穴位及其假点进行电生理信号的检测，通过提取分析穴位的电生理信号的特征值，进一步研究穴位电生理信号与人体相关生理功能的特异性变化，并且以此验证抵抗失重环境对人体的影响的最佳的综合锻炼。同时为了解释模拟失重情况下睡眠紊乱的脑内机制，本研究研制了一款深部双脑区检测的微型植入式电生理探针，用于在体同时检测由腹腔注射对氯苯丙氨酸溶液致失眠的大鼠的中缝背核和海马的神经元的电生理信号，发现失眠的内在变化是大鼠神经元发放模式的改变。本研究的研究内容与成果如下所示:<br>　　首先，围绕穴位电生理信号是否存在针对人体心血管、睡眠问题的病理特异性的科学问题，提出模拟失重环境人体穴位电生理探针探测方法，成功应用于90天头低位模拟失重多人次实验，发现穴位电生理信号的功率、特征幅值随头低位卧床时间增加而降低，有氧运动与无氧运动结合锻炼可有效抵抗这种改变。本研究采集并分析了-6°头低位卧床实验中的21名受试者的百会穴、膻中穴、内关穴、三阴交穴以及对应的假点的电生理信号。研究表明头低位卧床90天后，信号的功率和特征幅值有显著的下降，并且穴位的差分信号的功率和特征幅值也有显著的下降;穴位的功率和特征幅值总是高于相应的假点的功率和特征幅值;并且穴位相对于假点，针对相关的生理功能具有更明显的特异性变化，由此通过对人体穴位电生理信号与锻炼方式的关系探究发现，有氧运动与无氧运动结合的综合锻炼可以有效抵抗失重环境给人体穴位电生理信号带来的负面影响，从而表明有氧运动与无氧运动结合的综合锻炼可以有效抵抗失重环境给人体睡眠和心血管功能造成的危害。<br>　　其次，围绕如何在体同时高选择性、高灵敏度的检测大鼠多个深部脑区的电生理信号的关键技术问题，聚焦大鼠的中缝背核和海马脑区，提出大鼠睡眠相关多脑区神经元电生理活动同步检测方法，设计并研制出大鼠中缝背核和海马双脑区神经探针，实现了对正常大鼠中缝背核和海马的电生理信号同步探测。提供了一种用于同时检测、分析大鼠多个睡眠相关脑区的神经元电生理活动的关键技术。运用微机电系统制造技术制备了共32个位点，前端有4根12mm长度的硅针的微型植入式电生理探针，利用结合无机材料与有机材料的纳米复合材料对微型植入式电生理探针的位点进行了表面修饰并成功使微型植入式电生理探针位点的阻抗显著降低，在保证设计的微型植入式电生理探针的高时空分辨率的基础上，显著提高了探针的信号接收能力。此微型植入式电生理探针具备尺寸小、创伤小、生物相容性好的优点，针对大鼠脑区分布特点有针对性的设计微型植入式电生理探针的位点分布位置和微型植入式电生理探针的植入角度与长度，为研究失眠大鼠的海马和中缝背核的神经元发放模式提供了可靠的技术支持。<br>　　最后，围绕因大鼠脑内的五羟色胺分泌耗竭而导致的失眠是否会影响大鼠中缝背核与海马的神经元活动的科学问题，建立了失眠大鼠双脑区电生理信号检测模型，使用本研究设计的微型植入式电生理探针采集失眠大鼠中缝背核与海马神经元动作电位等神经信息活动新数据，发现失眠会导致大鼠中缝背核与海马的神经元放电模式改变，从而影响大鼠的记忆认知功能。本研究通过预定角度将微型植入式电生理探针植入大鼠脑内，并成功采集到正常大鼠、失眠大鼠、恢复大鼠的中缝背核与海马的电生理信号。本研究发现失眠会导致大鼠中缝背核与海马的神经元发放率显著增加，动作电位幅值显著降低，动作电位再极化斜率显著下降，并且表明中缝背核神经元的发放率和海马神经元的振幅两个参数更能有效地反映失眠大鼠的睡眠情况;通过分析采集到的数据发现失眠会导致恢复大鼠海马神经元的发放模式未完全恢复，从而影响大鼠记忆认知功能。同时，研究发现中缝背核和海马神经元发放率的增加导致了两个脑区6波功率的增加，也验证了两段6波斜率与唤醒时间成正比的理论。<br>　　本研究结合多学科交叉的优势，充分利用微机电系统制造技术、信号处理技术、传统中医技术与神经生物学理论，探究了睡眠相关脑区和穴位的电生理信号的变化现象与机制，提出利用检测睡眠相关脑区和穴位电生理信号反映人体睡眠质量的方法，为锻炼调控人体睡眠功能提出科学的理论支持，为实现失眠检测与调控一体的闭环治疗奠定基础。