在重力变化条件下大脑皮层功能与神经认知表现之间的相干性

摘要

通过抛物线飞行期间的脑电图（EEG）和近红外光谱（NIRS）技术，追踪失重和超重对脑内血流动力学及电生理过程的影响。 本研究为一项可行性探索，旨在为计划在中长期太空飞行中开展的更复杂实验奠定基础。

摘要

以往关于短期、中期和长期失重状态下认知、心理和/或运动过程的研究仅限于描述性性质，且主要关注心理层面。迄今为止，尚未开展对失重状态下神经生理参数的客观观测——这无疑是因为相关技术和方法手段此前尚不可用——因此，对失重神经生理效应的研究仍处于起步阶段（Schneider et al. 2008）。

尽管正电子发射断层扫描（PET）和磁共振成像（MRI）等成像技术在太空环境中难以应用，但无创的近红外光谱技术（NIRS）却能够在实时绘制脑部血流动力学过程方面发挥作用，该方法相对经济，且即使在极端条件下也可使用。结合脑电图（EEG）技术，可实现对重力变化条件下脑皮层电活动的更精细时间分辨率监测，并实现更精确的源定位，例如通过电层析成像（LORETA）。

既往研究表明，在抛物线飞行期间，正常重力条件下β频段活动增强，而在失重条件下则减弱（Schneider et al. 2008a+b）。倾斜实验揭示了大脑功能的不同变化，提示抛物线飞行中的变化可能反映的是情绪过程，而非血流动力学改变。然而，目前尚不清楚这些变化究竟是重力改变所致，还是脑内血流动力学变化的结果。首次结合脑电图（EEG）/低分辨率脑电磁断层成像（LORETA）与近红外光谱技术（NIRS），将有望同时绘制出失重和减重对大脑血流动力学和电生理过程的影响。最初，这项工作将作为抛物线飞行中一项可行性研究的一部分进行。此后，还计划在中长期太空飞行期间应用这两种技术。

可以假设，血容量的长期重新分布以及随之而来的脑部供氧增加，将导致中枢神经系统发生改变，这些改变也与贫血过程有关，并可能反过来降低机体功能（De Santo et al. 2005），这意味着它们可能对任务的成功与安全性至关重要（Genik et al. 2005，Ellis 2000）。

根据这些结果，有必要制定并实施广泛的应对措施。MARS500 研究的初步结果表明，除了在心血管系统和运动系统方面的意义外，体育运动和身体活动还可能在改善神经认知参数方面发挥作用。然而，在此结论得以充分确立之前，似乎有必要进一步了解重力条件变化对神经生理过程及相关的神经认知功能障碍的影响。

方案

1. 实验步骤

1. 飞行前地面准备——受试者的准备工作在机场的单独房间内进行（飞行前1-2小时）
   1. 安装 EEG/NIRS 帽
      1. 使用 EEG 帽将电极和近红外传感器（NIR传感器）固定在头皮上。该方法可确保传感器位置准确。
      2. 帽的尺寸根据受试者头部大小确定。
      3. 操作人员需确认帽的位置正确：Cz电极位于头顶点（鼻根与枕外隆凸中点），PO9-PO10 和 Fp1-Fp2 电极保持水平，帽体对称。
      4. 心率电极放置于胸部。
   2. 降低阻抗
      1. 将 Brain Products actiCAP 电极连接至控制盒。
      2. 每个电极均带有LED灯，在开始阻抗测量时变为红色。
      3. 使用钝头针将电极尖端处的头发拨开。
      4. 在电极尖端与皮肤表面之间注入导电凝胶。
      5. 随着阻抗降低，LED灯颜色发生变化：初始红色变为黄色，当达到目标阻抗值时，黄色变为绿色。
      6. 目标阻抗值为 25 kOhm，因为有源电极在此值以下可提供良好的信噪比，因此帽的准备工作快速且便捷。
      7. 操作人员依次处理参考电极和接地电极，并对所有其他电极重复上述步骤。
2. 飞行前机上准备
   1. 预测量
      1. 将受试者安置于实验装置中，安全带松散固定。
      2. 连接电缆，电池充电。
      3. 操作人员启动 EEG 和 NIRS 模块，检查连接状态及 EEG/NIRS 信号质量。
      4. 记录静息态 EEG/NIRS 数据，受试者无需执行任何任务。
      5. 停止记录。
      6. 受试者在地面执行认知任务。该认知任务为注意力/计算任务（http://itunes.apple.com/us/app/chalkboard-challenge/id317961833?mt=8），要求受试者判断方程两侧中哪一侧数值更大，评估其反应速度与准确性。
   2. 设备存放
      1. 操作人员在起飞前将摄像机和 iPhone 存放妥当。
3. 飞行中测量
   1. 准备
      1. 操作人员将摄像机安装至扶手并开始录像。
      2. 将 iPhone 放置于受试者大腿上方。
      3. 操作人员启动 EEG 和 NIRS 模块，检查 EEG/NIRS 信号质量，并开始记录。
   2. 测量
      1. 受试者在第11-15次和第16-20次抛物线飞行期间的两个阶段中执行认知任务。任务在失重或正常重力条件下随机进行。前10次抛物线飞行期间仅记录静息态 EEG/NIRS 数据。若此前测量数据缺失，则使用最后几次抛物线飞行的数据（见图1）。
      2. 操作人员监控记录过程并向受试者发出指令，同时记录所有认知测试的结果和时间。
4. 飞行后地面测量
   1. 1. 进行静息态 EEG/NIRS 测量。

我们预期在失重状态下脑部激活程度会增加，这一点此前已有研究显示（Schneider 等，2008年及2009年）。我们进一步预期在失重状态下前额脑区的氧合组织会增加，而在超重状态下氧合组织会减少。与飞行前和飞行后相比，注意力任务在整个飞行过程中应会受损，且在失重状态下可能受损更严重，这可能是由于失重状态下中枢激活和觉醒水平更高所致。

2. 代表性结果

通过绘制从超重状态向失重状态转变的过程，我们观察到在失重开始后2000 - 2350毫秒，额叶皮层的脑皮层活动增强，而颞叶和枕叶皮层的活动减弱（图2a,b）。sLORETA分析将这一额叶活动增强定位于背外侧前额叶皮层的Brodmann 9区，该区域已知参与执行功能，在运动规划、组织与调控过程中整合感觉与记忆信息（图3a, b）。此外，受试者2还显示出Brodmann 6区（即前运动皮层）的活动增强，该区域在身体稳定过程中的感觉引导中起重要作用（见图3b）。

在前10个抛物线飞行阶段的平均结果中，近红外光谱分析显示，两名受试者在超重力条件下脱氧血红蛋白（HHb）浓度降低，而在失重状态下氧合血红蛋白（O2Hb）浓度升高。对于受试者1的HHb，在失重前的超重力阶段呈现上升趋势，在失重期间以及失重后的超重力阶段则出现下降。该受试者的O2Hb在抛物线飞行结束后10至15秒恢复至基线水平。相比之下，受试者2在失重前的超重力阶段表现出轻微上升，同时伴随O2Hb的下降，在失重期间O2Hb上升，在失重后的超重力阶段再次下降。该受试者的O2Hb在抛物线飞行结束后约30秒内仍维持在较低水平（图4a,b）

与飞行前阶段相比，在正常重力条件下执行认知任务导致两名参与者在飞行期间的表现评分下降。仅受试者2在失重状态下表现出评分降低（图5）。

图 1. 抛物线飞行序列。飞行期间任务和测量的顺序；灰色数字表示抛物线次数，带撇号的数字表示抛物线之间较长休息间隔的持续时间。

图 2 两名受试者从失重前500 ms（处于超重状态）至失重后2500 ms时间范围内的活动映射图。视图为从头顶上方观察；小圆圈表示电极位置，蓝色表示皮层电活动降低，黄色至红色表示皮层电活动增强，单位为微伏（µV）。

图3. 两名受试者在失重开始后2000毫秒至2350毫秒时间范围内的LORETA三维视图（上方：自上视图，左下方：自左侧视图，右下方：自后方视图）。红色表示大脑活动增强。

图4. 在一次抛物线飞行期间的近红外光谱（NIRS）信号变化（红色：含氧血红蛋白，蓝色：脱氧血红蛋白，黑色：重力水平），时间范围涵盖抛物线开始前40秒的正常重力阶段（1G：黄色区域），随后为第一段超重阶段（1.8G：蓝色区域）、失重阶段（0G：红色区域）以及第二段超重阶段（1.8G：蓝色区域），直至抛物线结束后40秒。重力水平以倒置方式显示（信号下降表示重力增加，信号值为0时对应正常重力水平1G）。所示数据为10次抛物线飞行的平均值。

图 5. 参与者1（蓝色曲线）和参与者2（红色曲线）在飞行前训练、失重（0G）期间及正常重力（1G）条件下的认知任务表现评分。

讨论

由于迄今为止在极端条件下缺乏脑成像方法，认知功能和精神状态受损背后的神经生理过程尚未得到评估。在本文中，我们能够展示在抛物线飞行过程中大脑皮层活动和氧合水平的变化，并利用脑电图（EEG）结合低分辨率脑电层析成像（LORETA）和近红外光谱（NIRS）技术对这些变化在大脑中的位置进行定位。正如预期，我们发现失重期间大脑皮层电活动增加，且该活动主要定位于前额叶脑区（Brodmann 9区和6区）。结果表明，在重力状态转变后约2000毫秒，大脑皮层活动主要在前额叶区域发生改变。可以推测，Brodmann 6区和9区活动的增强反映了大脑检测和处理重力变化的机制，以维持在重力改变条件下的身体稳定性和运动能力。

关于血流动力学变化，近红外光谱（NIRS）显示，额叶脑区的氧合血红蛋白（O2Hb）在第一阶段超重时显著下降，在失重时则上升，而脱氧血红蛋白（HHb）仅表现出中等程度的变化。因此，这种效应不能单纯归因于血容量的重新分布。更可能的情况是反映了某种脑部自身调节机制，尤其是O2Hb的增加发生在从1.8 G过渡到0 G之前的较长时间段（尤其见图4）。相比之下，在第二阶段超重期间，O2Hb和HHb均下降。

认知任务的结果表明，与飞行前阶段相比，在正常重力或飞行中失重状态下均未出现明显的认知功能损害。根据两名受试者的结果，尚无法明确判断抛物线飞行或失重状态，以及伴随的脑活动和血氧水平升高是否对认知表现产生影响。先前的研究提示，在此背景下压力可能也起一定作用（Schneider et al. 2007），但这两名受试者均未观察到皮质醇浓度的变化。需要进一步的数据来验证这些发现，并实现脑皮层活动变化、血流动力学变化以及认知表现之间的相关性分析。

本文旨在表明，通过结合使用脑电图（EEG）、近红外光谱技术（NIRS）和低分辨率脑电磁断层成像（LORETA），可以监测在不同重力变化阶段大脑皮层活动和氧合水平的局部变化。这些结果对空间研究具有重要意义，将有助于揭示在超重或失重条件下大脑皮层活动的复杂且局部的变化，并将心理或运动测试与大脑的客观变化相关联。下一步是将该方法应用于长期太空任务中。