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来源：百度文库 编辑：中财网 时间：2024/04/29 10:54:22
空间神经生物学 | [<<] [>>]
kongjian shenjing shengwuxue
空间神经生物学
space neurobiology
研究宇宙空间环境条件下，神经功能及其演化的学科，是的一个分支。
地球生物都生存和活动于地球表面环境，特别是在重力场的作用下，对重力作用产生积极反应是生物体的一个显著特征。生物为了生存和活动，每时每刻都需要克服地球重力，这就导致生物体能量代谢增强和特殊神经感觉控制功能的不断发展。在空间失重条件下，与对抗重力有关的机能系统，受到显著影响，出现失调现象。
重力环境和神经功能变化 空间环境，特别是失重环境，引起神经功能变化，主要表现为如下3方面：
感觉、运动和定向的变化 在失重环境中，生物同对抗地球重力作用有关的前庭感觉、视觉、本体感觉等功能及其相互作用均有显著改变。在正常情况下，人耳前庭器官中，半规管能正确传感头部角加速度，耳石能检验出线加速度和头部的位置。在失重条件下，它们能正确感受角加速度和线加速度，但不能确定头部的定向。因此，当头部或身体运动时，不能从耳石或本体感受器接收到相应的位置变化信息，造成与视觉的冲突。“宇宙”782号和“宇宙”936号卫星的试验表明，在长期失重条件下，前庭感受器基本功能无变化，但姿势和某些运动反应有本质改变。“天空实验室”利用转椅对航天员进行旋转试验，也得到相似结果。
人在失重状态时肌肉运动和协调功能也发生显著改变。由于地心引力的消失，抗地心引力肌群的活动大为减弱，肌肉间的协调活动发生变化。大量肌肉尤其是无数运动单位的协调工作需要有复合的神经结构来进行协调控制。在地球上，神经肌肉协调系统建立有牢固的控制协调程序，进入失重状态后，原有的协调控制程序不能正常运转，引起控制协调的紊乱。“礼炮”4号、5号测量人体重心，发现有大幅度波动，垂直姿势控制能力下降。当对失重环境适应后，建立起新的控制协调程序，才能恢复肌肉控制系统的正常活动。
感觉异常和运动功能的显著失调，造成空间定向能力下降。在失重环境中，人产生飘浮、跌落、转动和无支持状态等感觉。失重初期，可产生视幻觉、眼动减少、眼震颤不对称，运动的速度和精度下降，肌肉的精确工作能力下降；体力活动效率，包括身体运动、姿势协调和手控工作效率都受到影响。最终发展成空间病，出现较严重的植物性反应，如头晕、胃不适、恶心、呕吐等。尤其在可以自由运动的飞船中，入轨几分钟后至几小时内就会发生空间病症状，3～6天内逐渐缓和，但返回地面后又可有脑晕发生。
神经行为变化 在宇宙空间环境条件下，存在广泛的一般性神经行为变化，在不同程度上影响航天员工作效率。
人的操作记忆能力在宇宙空间环境条件下有所下降。航天员的操作记忆能力,经5天地面训练后可达到相对稳定水平，飞行开始阶段记忆效率显著下降，以后逐渐回升，但达不到飞行前的水平。
情绪应激是空间飞行条件下的一个重要因素。在飞行关键阶段，如起飞、返回、出舱活动、交会对接、从一艘飞船过渡到另一艘飞船，尤其出现紧急事故，如自控失灵、通信中断、系统故障等，都使情绪紧张增加，即使在正常飞行和科学试验任务中，由于工作繁重，时间紧迫，也都有一定的情绪负荷。
睡眠的周期，在航天条件下也比较特殊。近地轨道（200～800公里高度）的载人飞船每 90～140分钟绕地球一圈，向着太阳（白昼）和背着太阳（黑夜）的时间比地球上的白昼、黑夜时间大为缩短，加上光环境和重力环境同地面大不相同，有可能影响人的睡眠习惯。从“天空实验室”返回地面的航天员，有睡眠失调现象。而“阿波罗”15号的睡眠研究，表明有明显的适应过程存在。
神经化学变化 空间失重条件下，生物体有一系列生化改变。介质水平、离子分布、内分泌等变化广泛发生。在中枢神经系统中也有深刻反映。“宇宙” 782号生物卫星的测量表明，大白鼠小脑浦肯野氏细胞中的核糖核酸含量下降20％，同时在额叶皮层匀浆中硫氢基含量下降26％，非特异性胆碱脂酶含量下降30％，乙酰胆碱脂酶含量下降 33％。在“宇宙”605号试验中也观察到小脑普金野氏细胞中核酸浓度下降11％，运动神经元中蛋白质浓度下降13％。同时在下丘脑视上核中核酸浓度下降18％，神经元中蛋白质浓度下降15％。在下丘脑中，还观察到分泌细胞活动加强，视上核充血，细胞及其核容积增大，细胞浆中分泌颗粒呈弥散性分布。与此同时，视上核充血，轴突中和脑垂体后叶末梢中神经分泌物的含量减少。在再适应过程中，下丘脑视上核中核糖核酸浓度继续保持在低于正常水平，但蛋白质含量显著回升。
从这些资料分析，空间失重条件下神经化学变化主要涉及两个机能系统：
① 神经和肌肉控制系统 包括脊髓、小脑中的核糖核酸和蛋白质变化，额叶运动控制区等神经结构中的生化改变。它们可能是在失重条件下，抗地心引力肌群功能变化，运动协调功能改组，以适应失重环境的一种反映。
② 下丘脑和脑垂体系统 下丘脑神经分泌细胞活动增强，引起脑垂体活动改变，进而影响其他内分泌腺活动和各内脏器官功能。一般认为，它是失重条件下的一种非特异性应激反应，但也可能是重力场对神经细胞的直接效应。
空间神经适应 失重条件下的神经功能变化，反映了在地球重力场中长期演化起来的神经功能对空间新环境的一种重新适应过程。当这种适应过程发生困难时，就出现一系列不适应症状。所谓空间适应综合症（空间运动病）就是它的突出表现之一。空间适应综合症严重影响航天员的空间活动效率。以航天飞机为例，总飞行时间为7～8天，却有1/3以上的航天员出现为期3天以上的空间适应综合症。所以，深入研究空间神经适应机制，是有实际意义的。
20多年来，研究者们对空间神经适应这一重大课题认识不足。他们从空间运动病现象出发，把注意力放在前庭器官上，虽然做了大量试验，但解决的希望甚微。实际上，空间适应的机制要远为复杂和深刻得多。它反映了神经适应和演化的一个根本问题：旧的神经系统是如何适应新环境的？旧的神经活动模式如何由新的模式来代替？从地球表面重力环境进入空间失重环境必然引起脑内各个子系统功能的重新组合和质的变化。近年来，一些学者提出“感觉冲突”、“神经失匹配”和“内模型改组”等假说；在空间实验室也开始进行以调整整体功能为主的试验，例如用反馈训练方法(类似中国气功)克服空间病。这些都标志着空间神经适应机理的研究已进入新的阶段。
空间辐射对神经元的损伤 失重和宇宙辐射有复合效应从“阿波罗”11号开始的历次载人飞行,包括“天空实验室”试验中，航天员都感觉到一种奇特的视觉现象──空间“闪光”。这种“闪光”出现的频率为每分钟 3次左右。它较易出现在有利于眼睛暗适应的条件下，如闭眼、飞船舱内黑暗等。主观感受到“闪光”具有不同的轨迹或图形，有星状、云状、线条状等。
空间“闪光”现象被发现后，受到生命科学家的重视。认为“闪光”现象与宇宙辐射有一定关系，它是中的重粒子作用于神经元，首先是作用于视网膜神经组织所产生的结果。这种看法已为试验所证明。例如在“阿波罗-联盟”号联合飞行中,航天员经暗适应17分钟后，即出现每分钟3次的空间“闪光”,当飞船接近南大西洋异常辐射带时（质子流增加1000倍），“闪光”增加到每分钟9次。“天空实验室”4号试验也表明，暗适应后10分钟以上出现空间“闪光”，通过大西洋异常辐射带时，出现每分钟5～10次强闪光。
在地面模拟实验中，对辐射作用后的视网膜和脑组织切片进行了观察，发现在这些组织中有确定的细胞损伤出现。按损伤性质可分为3种损伤程度,如表[视网膜锥状和柱状细胞辐射损伤程度]所示。
视网膜是大脑神经组织的特殊延伸部分，通常将视网膜功能看作是脑功能的简单模型。在视网膜上出现的辐射损伤现象，可以提示脑组织在宇宙辐射环境中可能受到的损害。例如，高能氖粒子束 1000拉德和100拉德照射后的12小时和24小时，某些神经胶质细胞坏死，照射后几周内某些神经元坏死，并出现高色素的、涨大的、形态异常的神经胶质细胞。
目前正在估计长期航天中宇宙辐射造成神经元损伤的后果。根据重粒子生物作用的特点，一个重粒子就足以引起神经元损伤，部分神经元损伤尚不足以导致脑功能的严重破坏，但是，对一些神经元数目较少的，功能上高度分化的脑内小神经核来说，宇宙线重粒子的损伤作用是不能忽视的。这在长期航天中，应作为一个重要的研究课题。
关于地外文明的研究 空间神经生物学研究的重大理论课题之一。地外文明指地球以外天体上的高级智慧生物的文明。任何天体上如果有高级智慧生物存在，他们都必须具有高度发达的神经功能和大脑。空间神经生物学需要回答的问题是：大脑演化和空间环境有什么关系？什么样的星球环境可以导致出现高度发达的神经功能？是否有比地球人更高级的脑功能出现？
考察地球上大脑演化的规律，可以对地外天体上大脑演化的可能性作出某些理论上的推测。例如：
① 大脑高级功能的演化，必须有一个最佳重力场。过大的重力场超过了大脑主动适应能力的限度；过小的重力场不足以推动神经系统的积极发展。
② 只要存在这样的最佳重力场，配合其他环境因素，生物体就有可能在主动对抗星球引力的过程中，不断发展其神经大脑功能，最后导致额叶化和智慧的出现。
③ 大脑演化的速度，受星球条件的制约。地球上大脑演化经历头部化、皮层化、侧脑化、额叶化等一系列突变。它需要在别的星球上也出现一系列有利于这种突变的环境条件。不同天体上文明演化的速度取决于这些环境条件，而不能机械地用地球上大脑演化的时间来直接推算。
④ 在地外文明中，有可能出现新的脑功能，这将是空间神经生物学研究最为动人的课题。
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空间神经生物学
space neurobiology
研究宇宙空间环境条件下，神经功能及其演化的学科，是的一个分支。
地球生物都生存和活动于地球表面环境，特别是在重力场的作用下，对重力作用产生积极反应是生物体的一个显著特征。生物为了生存和活动，每时每刻都需要克服地球重力，这就导致生物体能量代谢增强和特殊神经感觉控制功能的不断发展。在空间失重条件下，与对抗重力有关的机能系统，受到显著影响，出现失调现象。
重力环境和神经功能变化 空间环境，特别是失重环境，引起神经功能变化，主要表现为如下3方面：
感觉、运动和定向的变化 在失重环境中，生物同对抗地球重力作用有关的前庭感觉、视觉、本体感觉等功能及其相互作用均有显著改变。在正常情况下，人耳前庭器官中，半规管能正确传感头部角加速度，耳石能检验出线加速度和头部的位置。在失重条件下，它们能正确感受角加速度和线加速度，但不能确定头部的定向。因此，当头部或身体运动时，不能从耳石或本体感受器接收到相应的位置变化信息，造成与视觉的冲突。“宇宙”782号和“宇宙”936号卫星的试验表明，在长期失重条件下，前庭感受器基本功能无变化，但姿势和某些运动反应有本质改变。“天空实验室”利用转椅对航天员进行旋转试验，也得到相似结果。
人在失重状态时肌肉运动和协调功能也发生显著改变。由于地心引力的消失，抗地心引力肌群的活动大为减弱，肌肉间的协调活动发生变化。大量肌肉尤其是无数运动单位的协调工作需要有复合的神经结构来进行协调控制。在地球上，神经肌肉协调系统建立有牢固的控制协调程序，进入失重状态后，原有的协调控制程序不能正常运转，引起控制协调的紊乱。“礼炮”4号、5号测量人体重心，发现有大幅度波动，垂直姿势控制能力下降。当对失重环境适应后，建立起新的控制协调程序，才能恢复肌肉控制系统的正常活动。
感觉异常和运动功能的显著失调，造成空间定向能力下降。在失重环境中，人产生飘浮、跌落、转动和无支持状态等感觉。失重初期，可产生视幻觉、眼动减少、眼震颤不对称，运动的速度和精度下降，肌肉的精确工作能力下降；体力活动效率，包括身体运动、姿势协调和手控工作效率都受到影响。最终发展成空间病，出现较严重的植物性反应，如头晕、胃不适、恶心、呕吐等。尤其在可以自由运动的飞船中，入轨几分钟后至几小时内就会发生空间病症状，3～6天内逐渐缓和，但返回地面后又可有脑晕发生。
神经行为变化 在宇宙空间环境条件下，存在广泛的一般性神经行为变化，在不同程度上影响航天员工作效率。
人的操作记忆能力在宇宙空间环境条件下有所下降。航天员的操作记忆能力,经5天地面训练后可达到相对稳定水平，飞行开始阶段记忆效率显著下降，以后逐渐回升，但达不到飞行前的水平。
情绪应激是空间飞行条件下的一个重要因素。在飞行关键阶段，如起飞、返回、出舱活动、交会对接、从一艘飞船过渡到另一艘飞船，尤其出现紧急事故，如自控失灵、通信中断、系统故障等，都使情绪紧张增加，即使在正常飞行和科学试验任务中，由于工作繁重，时间紧迫，也都有一定的情绪负荷。
睡眠的周期，在航天条件下也比较特殊。近地轨道（200～800公里高度）的载人飞船每 90～140分钟绕地球一圈，向着太阳（白昼）和背着太阳（黑夜）的时间比地球上的白昼、黑夜时间大为缩短，加上光环境和重力环境同地面大不相同，有可能影响人的睡眠习惯。从“天空实验室”返回地面的航天员，有睡眠失调现象。而“阿波罗”15号的睡眠研究，表明有明显的适应过程存在。
神经化学变化 空间失重条件下，生物体有一系列生化改变。介质水平、离子分布、内分泌等变化广泛发生。在中枢神经系统中也有深刻反映。“宇宙” 782号生物卫星的测量表明，大白鼠小脑浦肯野氏细胞中的核糖核酸含量下降20％，同时在额叶皮层匀浆中硫氢基含量下降26％，非特异性胆碱脂酶含量下降30％，乙酰胆碱脂酶含量下降 33％。在“宇宙”605号试验中也观察到小脑普金野氏细胞中核酸浓度下降11％，运动神经元中蛋白质浓度下降13％。同时在下丘脑视上核中核酸浓度下降18％，神经元中蛋白质浓度下降15％。在下丘脑中，还观察到分泌细胞活动加强，视上核充血，细胞及其核容积增大，细胞浆中分泌颗粒呈弥散性分布。与此同时，视上核充血，轴突中和脑垂体后叶末梢中神经分泌物的含量减少。在再适应过程中，下丘脑视上核中核糖核酸浓度继续保持在低于正常水平，但蛋白质含量显著回升。
从这些资料分析，空间失重条件下神经化学变化主要涉及两个机能系统：
① 神经和肌肉控制系统 包括脊髓、小脑中的核糖核酸和蛋白质变化，额叶运动控制区等神经结构中的生化改变。它们可能是在失重条件下，抗地心引力肌群功能变化，运动协调功能改组，以适应失重环境的一种反映。
② 下丘脑和脑垂体系统 下丘脑神经分泌细胞活动增强，引起脑垂体活动改变，进而影响其他内分泌腺活动和各内脏器官功能。一般认为，它是失重条件下的一种非特异性应激反应，但也可能是重力场对神经细胞的直接效应。
空间神经适应 失重条件下的神经功能变化，反映了在地球重力场中长期演化起来的神经功能对空间新环境的一种重新适应过程。当这种适应过程发生困难时，就出现一系列不适应症状。所谓空间适应综合症（空间运动病）就是它的突出表现之一。空间适应综合症严重影响航天员的空间活动效率。以航天飞机为例，总飞行时间为7～8天，却有1/3以上的航天员出现为期3天以上的空间适应综合症。所以，深入研究空间神经适应机制，是有实际意义的。
20多年来，研究者们对空间神经适应这一重大课题认识不足。他们从空间运动病现象出发，把注意力放在前庭器官上，虽然做了大量试验，但解决的希望甚微。实际上，空间适应的机制要远为复杂和深刻得多。它反映了神经适应和演化的一个根本问题：旧的神经系统是如何适应新环境的？旧的神经活动模式如何由新的模式来代替？从地球表面重力环境进入空间失重环境必然引起脑内各个子系统功能的重新组合和质的变化。近年来，一些学者提出“感觉冲突”、“神经失匹配”和“内模型改组”等假说；在空间实验室也开始进行以调整整体功能为主的试验，例如用反馈训练方法(类似中国气功)克服空间病。这些都标志着空间神经适应机理的研究已进入新的阶段。
空间辐射对神经元的损伤 失重和宇宙辐射有复合效应从“阿波罗”11号开始的历次载人飞行,包括“天空实验室”试验中，航天员都感觉到一种奇特的视觉现象──空间“闪光”。这种“闪光”出现的频率为每分钟 3次左右。它较易出现在有利于眼睛暗适应的条件下，如闭眼、飞船舱内黑暗等。主观感受到“闪光”具有不同的轨迹或图形，有星状、云状、线条状等。
空间“闪光”现象被发现后，受到生命科学家的重视。认为“闪光”现象与宇宙辐射有一定关系，它是中的重粒子作用于神经元，首先是作用于视网膜神经组织所产生的结果。这种看法已为试验所证明。例如在“阿波罗-联盟”号联合飞行中,航天员经暗适应17分钟后，即出现每分钟3次的空间“闪光”,当飞船接近南大西洋异常辐射带时（质子流增加1000倍），“闪光”增加到每分钟9次。“天空实验室”4号试验也表明，暗适应后10分钟以上出现空间“闪光”，通过大西洋异常辐射带时，出现每分钟5～10次强闪光。
在地面模拟实验中，对辐射作用后的视网膜和脑组织切片进行了观察，发现在这些组织中有确定的细胞损伤出现。按损伤性质可分为3种损伤程度,如表[视网膜锥状和柱状细胞辐射损伤程度]所示。
视网膜是大脑神经组织的特殊延伸部分，通常将视网膜功能看作是脑功能的简单模型。在视网膜上出现的辐射损伤现象，可以提示脑组织在宇宙辐射环境中可能受到的损害。例如，高能氖粒子束 1000拉德和100拉德照射后的12小时和24小时，某些神经胶质细胞坏死，照射后几周内某些神经元坏死，并出现高色素的、涨大的、形态异常的神经胶质细胞。
目前正在估计长期航天中宇宙辐射造成神经元损伤的后果。根据重粒子生物作用的特点，一个重粒子就足以引起神经元损伤，部分神经元损伤尚不足以导致脑功能的严重破坏，但是，对一些神经元数目较少的，功能上高度分化的脑内小神经核来说，宇宙线重粒子的损伤作用是不能忽视的。这在长期航天中，应作为一个重要的研究课题。
关于地外文明的研究 空间神经生物学研究的重大理论课题之一。地外文明指地球以外天体上的高级智慧生物的文明。任何天体上如果有高级智慧生物存在，他们都必须具有高度发达的神经功能和大脑。空间神经生物学需要回答的问题是：大脑演化和空间环境有什么关系？什么样的星球环境可以导致出现高度发达的神经功能？是否有比地球人更高级的脑功能出现？
考察地球上大脑演化的规律，可以对地外天体上大脑演化的可能性作出某些理论上的推测。例如：
① 大脑高级功能的演化，必须有一个最佳重力场。过大的重力场超过了大脑主动适应能力的限度；过小的重力场不足以推动神经系统的积极发展。
② 只要存在这样的最佳重力场，配合其他环境因素，生物体就有可能在主动对抗星球引力的过程中，不断发展其神经大脑功能，最后导致额叶化和智慧的出现。
③ 大脑演化的速度，受星球条件的制约。地球上大脑演化经历头部化、皮层化、侧脑化、额叶化等一系列突变。它需要在别的星球上也出现一系列有利于这种突变的环境条件。不同天体上文明演化的速度取决于这些环境条件，而不能机械地用地球上大脑演化的时间来直接推算。
④ 在地外文明中，有可能出现新的脑功能，这将是空间神经生物学研究最为动人的课题。
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