王 健，王曉娟，馮金生，楊 鎬，張 芷，謝 琳，袁立偉

1 前言

長期太空在軌飛行是導致腰部神經肌肉系統(tǒng)功能退化和產生慢性腰痛的重要原因［11，1］，也是航天運動生理學研究密切關注的航天員基本健康保障問題之一。微重力環(huán)境導致腰痛的發(fā)生機制比較復雜，確切的病理尚不清楚。一般認為，微重力環(huán)境下航天員腰痛是一個與微重力神經肌肉適應密切相關的生理學現(xiàn)象，可能與腰椎穩(wěn)定肌的結構與功能改變及其引起的腰椎穩(wěn)定性破壞有關［6］。地面模擬試驗研究發(fā)現(xiàn)，長期的頭低位臥床限制運動能夠造成LMF萎縮和背伸肌力下降［22］。然而，模擬失重能否改變LMF抗疲勞能力以及中樞運動控制，目前研究尚不清楚。本研究擬采用頭低位臥床（Head down bed rest，HDBR）限制運動的方法，研究為期30天的HDBR對受試者腰部椎旁肌橫斷面積（Cross sectional area，CSA）及最大抗阻收縮能力、抗疲勞能力和快速反應能力的影響，為進一步研究和制定航天員腰椎運動保護方案提供科學理論依據(jù)。

2 方法

2.1 受試者

對自愿報名參加本實驗的45名男性受試者進行3輪篩選。首先，通過心理素質測試，初步選拔30名受試者。其次，通過醫(yī)學檢查確定20名受試者；最后，再通過體能檢測確定14名受試者參與本次實驗。最后確認的受試者各項生理功能正常，無腰痛病史及其它慢性病史，平均年齡28.79±4.71歲，身高1.72±0.04m，體重68.07±7.73kg。

2.2 實驗設計

本研究采用前、后測對比試驗的方法，考察30天頭低位臥床對受試者腰部椎旁肌橫斷面積以及收縮功能的影響。其中，1）通過最大隨意收縮試驗，檢測LMF和LE最大平均肌電值（Average electromyography，AEMGmvc），以此考察肌肉最大隨意收縮能力的變化；2）通過背伸肌疲勞試驗，檢測LMF和LE肌電活動的平均功率頻率（Mean power frequency，MPF）下降率，以此考察被檢肌肉抗疲勞能力；3）通過經典落球試驗，檢測被檢肌肉對腰部肌肉突發(fā)性負荷的快速反應時間（Rapid reaction time，RRT），以此考察被檢肌肉的中樞運動控制效率；4）通過磁共振成像，定量檢測腰部椎旁肌CSA。以上檢測指標的前測試驗安排在臥床試驗前2天內進行，后測指標安排在臥床試驗結束的即刻進行。

2.3 臥床試驗與肌肉形態(tài)功能試驗

2.3.1 頭低位臥床試驗

受試者在了解本實驗的目的、程序以及對身體可能產生的影響等情況后，簽署了知情同意書。所有受試者在實驗開始前7天入住臥床實驗室，熟悉環(huán)境，接受相關知識和要求的培訓。臥床室溫度20℃～26℃。30天臥床試驗開始后，受試者每天需保持頭部-6°的臥床姿勢，允許其在床上繞身體縱軸變換體位，但不得坐立、下床活動，同時禁止使用枕頭等頸部支撐物。臥床期間所進行的各種日常生活性活動如飲食、洗澡、如廁等均在-6°頭低位床上實施。通過閉路電視24h連續(xù)監(jiān)控臥床行為，一旦發(fā)現(xiàn)違規(guī)者，立即糾正。本實驗由中國航天員科研訓練中心倫理委員會批準執(zhí)行。

2.3.2 最大隨意收縮試驗

采用最大背伸肌力檢測方法，要求受試者雙腿直立，調整手柄高度至膝關節(jié)部位。雙手正握手柄，直臂狀態(tài)下完成最大背伸運動。共計完成3次測試，選取背伸肌力最大一次的sEMG信號，計算最大平均肌電值（AEMGmvc）。

2.3.3 肌肉疲勞試驗

推薦理由:本書討論了社會熱點問題和人們普遍關注的話題中的化學基本知識及化學所發(fā)揮的作用，并介紹了一些基礎化學知識，讓讀者更好地了解并對其潛在性和危險性做出合理的評判。

采用動態(tài)背伸肌疲勞試驗［14］。受試者四肢固定于測試床上，軀干懸空。要求受試者雙手交叉抱頭，雙臂外展至地面平行位置，然后完成50次動態(tài)軀干屈伸運動，要求每次運動伸到180°，屈到120°，運動周期1.8s／次，由節(jié)拍器引導動作節(jié)奏。連續(xù)采集受試者被檢肌肉90s的sEMG信號。截取每次運動的sEMG信號，計算MPF及其下降率（%）。

2.3.4 落球試驗

令受試者雙臂彎曲成直角，雙手握持長方形托盤，托盤重量小于200g。試驗開始時，主試手持重量2kg的重錘置于托盤上方15cm高處。托盤表面安置有感知重錘擊打的壓力傳感器，其感知信號與肌電信號并行輸入肌電圖機。分別在受試者處于睜眼和閉眼兩種不同實驗條件下完成重錘釋放。睜眼情況下要求受試者注意觀察主試釋放重錘的全部過程。閉眼情況下，受試者無法預知主試釋放重錘的時間。設置睜眼和閉眼實驗條件的目的在于進一步考察視覺心理預期對突發(fā)性載荷引起的被檢肌肉本體感受性快速反應時間的影響。睜眼和閉眼重錘試驗重復3次，取其平均值作為檢測結果。

2.3.5 椎旁肌 MRI成像

使用德國西門子公司3.0TMR（3.0TSystem Megnetom，Verio，Germany）設備完成磁共振成像。受試者取水平仰臥位，于HDBR前2天和HDBR第30天完成成像檢測。掃描成像條件:快速自旋回波T2加權橫斷面成像（SET2WI）:Slice Thinkness 5mm，TR:3000ms，TE:135 ms，F(xiàn)OV:24×24cm。每列對象采用相同序列檢查相同的腰椎節(jié)段:L3、L3／4、L4、L4／5、L5、L5／S1，取 L4／5平面圖像資料，手工標定腰部椎旁肌輪廓線，通過對輪廓包羅面的積分處理，測量腰部椎旁肌橫斷面積（圖1）。

2.4 sEMG信號采集與處理

采用 ME6000（Mega Electronics Ltd，F(xiàn)inland）表面肌電儀采集sEMG信號。按照SINIAM標準，分別選擇L5～S1部位的表層LMF和L2～L3部位的LE體表標志，帖放氯化銀體表引導電極，探測電極連線與被檢肌肉長軸走向一致，電極直徑0.5cm，電極間距2cm，參照電極置于探測電極外側3cm處。放置電極前用細砂紙和75%酒精棉球清理皮膚表面以減小阻抗。sEMG信號采樣頻率為1000 Hz，輸入阻抗小于10GΩ，通帶濾波10～500Hz，噪聲水平小于3.5μV。采用 Mega-Win軟件分別選取最大隨意收縮和疲勞試驗的肌電信號計算平均肌電值AEMG和MPF下降率；采用自行編制的計算機判別程序自動判別落球試驗中被檢肌肉的快速反應時間。本實驗定義的快速反應時間特指自下落物體接觸塑料托盤至受試者被檢肌肉出現(xiàn)反射性肌電活動之間的時間（ms）。初始反應信號的判別條件是3倍的基線AEMG標準差。

2.5 統(tǒng)計分析

采用雙因素方差分析考察臥床前后和睜眼閉眼因素對落球試驗快速反應時間的影響；采用自身對照t檢驗考察臥床先后AEMGmvc、MPF下降率和椎旁肌CSA變化。顯著性差異水平為P＜0.05。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS 16.0軟件進行。

3 結果

3.1 30天HDBR對腰部椎旁肌CSA的影響

圖2所示，30dHDBR分別使左、右側椎旁肌CSA下降15.11%（左側）和15.18%（右側），t檢驗結果表明，臥床前后存在明顯統(tǒng)計學差異（左側:t＝8.08，P＝0.000；右側:t＝8.01，P＝0.000）。

圖1 本研究腰部椎旁肌橫斷面積檢測圖Figure 1.Measurement of Lumbar Parspinal Muscles CSA

圖2 本研究30dHDBR對腰部椎旁肌CSA的影響Figure 2.Effects of 30days HDBR on the CSA of Lumbar Parspinal Muscles

3.2 30天HDBR對LMF和LE最大隨意收縮AEMG的影響

圖3所示，30dHDBR分別使LMF和LE的AEMGmvc下降36%和47%，t檢驗結果表明，臥床前后存在明顯統(tǒng)計學差異（LMF:t＝2.62，P＝0.012；LE:t＝4.089，P＝0.000）。進一步分析LMF和LE最大隨意收縮AEMG變化與椎旁肌CSA變化的相關性，發(fā)現(xiàn)二者無明顯相關。

3.3 30天HDBR對LMF和LE MPF下降率的影響

圖4所示，30天頭低位臥床分別使疲勞試驗過程中LMF和LE的MPF下降率提高64%和56%，但因個體差異較大，t檢驗結果表明，臥床前后無明顯統(tǒng)計學差異（LM:t＝0.050，P＝0.961；LE:t＝0.304，P＝0.761）。 進一步分析LMF和LE的MPF下降率變化與椎旁肌CSA變化的相關性，發(fā)現(xiàn)其間無明顯相關。

3.4 30天HDBR對LMF和LE快速反應時間的影響

30天頭低位臥床對腰部多裂肌和豎脊肌快速反應時間的影響詳見圖5。雙因素方差分析結果表明，臥床因素對LMF和LE快速反應時間均有顯著影響（LM:F＝13.431，P＝0.000；LE:F＝12.113，P＝0.001），分別使LMF和LE的快速反應時間延長了21%和25%。睜閉眼因素對LM和LE快速反應時間無顯著影響（LM:F＝0.109，P＝0.742；LE:F＝0.070，P＝0.792）。

圖3 本研究30d頭低位臥床對腰部多裂肌和豎脊肌最大隨意收縮AEMG的影響圖Figure 3.Effects of 30days HDBR on Maximum Contraction AEMG of LMF and LE

圖4 本研究30dBDBR對LMF MPF下降率的影響圖Figure 4.Effects of 30days Bed Rest on the Decline Rate of MPF in LMF

圖5 本研究30dHDBR對LMF和LE快速反應時間的影響圖Figure 5.Effects of 30days Bed Rest on the Rapid Reaction Time of LMF and LE

4 討論

本研究的目的在于采用30天頭低位臥床微重力模擬試驗，探討限制運動對腰椎穩(wěn)定肌形態(tài)和收縮功能的影響。實驗分別從腰部椎旁肌橫斷面積、最大隨意收縮能力、抗疲勞收縮能力和中樞運動控制能力四個方面，考察限制運動對被檢肌肉形態(tài)和收縮功能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，30天限制運動能夠造成腰部椎旁肌CSA明顯減小，腰部局部和整體穩(wěn)定肌對突發(fā)姿勢干擾的快速反應時間延長，腰椎穩(wěn)定肌中樞運動控制效率下降。此外，30天頭低位臥床還能夠明顯降低腰椎穩(wěn)定肌最大抗阻收縮能力，但對其抗疲勞收縮能力無顯著影響。

腰椎穩(wěn)定肌是用以維系腰椎穩(wěn)定性的骨骼肌群，主要包括位于腰背表層且收縮力矩較大整體穩(wěn)定肌群和位于腰背深層且主要用以維系腰椎階段穩(wěn)定性的局部穩(wěn)定肌。正常生理條件下，由腰椎穩(wěn)定肌群及其中樞運動控制系統(tǒng)形成的主動保護機制與由腰椎椎體、椎間關節(jié)、韌帶和關節(jié)囊形成的被動保護機制一道，共同形成了腰椎穩(wěn)定性的三大保護機制，用以維系身體在各種內外力干擾條件下的腰椎穩(wěn)定性和保護腰椎生理功能。而因缺乏運動所造成的腰部穩(wěn)定肌肌肉萎縮是造成腰椎失穩(wěn)和誘發(fā)非特異性腰痛的重要原因［20］。以往采用MRI和超聲成像技術研究發(fā)現(xiàn)，慢性非特異性腰痛患者疼痛側腰部穩(wěn)定肌橫斷面積明顯減小，且肌肉萎縮程度與腰部功能障礙明顯相關。此外，缺乏運動或者長期臥床通常也可以在短時間內造成腰椎穩(wěn)定肌萎縮和收縮功能障礙。本研究觀察到的30天頭低位臥床造成腰部椎旁肌面積減小的事實與以往類似條件下的研究結果相一致，從而再次證明，腰部椎旁肌對于限制運動具有較快的適應。

AEMGmvc和疲勞試驗條件下的MPF下降率是檢測和評價神經肌肉系統(tǒng)最大抗阻收縮能力和抗疲勞收縮能力的經典sEMG評價指標。包括軀干背伸肌群在內的人體多數(shù)骨骼肌AEMG在20%～100%MVC范圍內與肌肉收縮力大小成正比［23］，而 MPF的下降率則與局部肌肉抗疲勞的能力成反比［8］。腰部多裂肌和豎脊肌是人體重力對抗鏈（antigravity kinetic chain，AKC）的重要組成部分，腰部肌肉功能障礙導致的腰椎穩(wěn)定性下降，可直接影響到人體腰椎的負重、減震、保護和運動支持功能，同時伴有不同程度的腰痛反應；不但影響航天飛行中航天員生活和工作，而且，危及航天飛行返回后航天員的身體健康。本研究之前的地面模擬試驗研究發(fā)現(xiàn)，長時間頭低位臥床能夠明顯增加腰椎間盤厚度、減小腰椎曲度和造成腰椎穩(wěn)定肌廢用性萎縮［2］。這些變化構成了航天員飛行后脊柱損傷的潛在風險。本研究在前人研究的基礎上，采用非損傷性的定量sEMG信號分析技術，進一步研究發(fā)現(xiàn)30天頭低位臥床分別可使LM和LE的AEMGmvc下降36%和47%，使MPF下降率提高64%和56%，從定量研究的角度發(fā)展了以往研究的認識。

神經肌肉運動控制效率是近年來腰椎穩(wěn)定性和慢性腰痛運動康復研究的熱點問題。高效的神經肌肉運動控制能夠確保腰椎在受到各種外力作用下保持結構穩(wěn)定和正常腰椎功能，而腰部肌肉的運動控制障礙則被認為是造成腰椎不穩(wěn)和慢性非特異性腰痛發(fā)病的主要原因［7］。本研究首次將外部姿勢干擾經典試驗應用于研究模擬失重對腰椎肌肉中樞運動控制效率的研究，發(fā)現(xiàn)30天頭低位臥床分別使LM和LE的快速反應時間延長了21%和25%，從而證明限制運動具有降低腰椎穩(wěn)定肌中樞運動控制效率的明顯作用。目前研究認為，神經肌肉運動控制效率的降低，作為中樞神經系統(tǒng)對去負荷刺激的適應性變化，在客觀上構成了造成腰椎穩(wěn)定性破壞的條件，因而可能是導致航天員腰椎不穩(wěn)和腰痛發(fā)生的基本原因。

5 結論

本研究采用30天頭低位臥床微重力模擬試驗，研究限制運動對受試者腰部椎旁肌肌肉橫斷面積及其收縮功能的影響，發(fā)現(xiàn)30天頭低位臥床限制運動能夠明顯減小腰部椎旁肌橫斷面積、降低腰部多裂肌和豎脊肌最大肌電激活水平和中樞運動控制效率，但對椎旁肌耐力的影響具有較大的不確定性，研究結果初步證明，腰部椎旁肌及其收縮功能對30天短期限制運動具有較快的形態(tài)結構和功能適應，提示腰部椎旁肌肌肉體積、最大肌肉激活能力和中樞運動控制能力應成為短期太空滯留期間航天員運動健康保障的重要內容。

［1］COLLOCA C J，HINRICHS R N.The biomechanical and clinical significance of the lumbar erector spinae flexion-relaxation phenomenon:a review of literature［J］.J Manipulative Phys T-her，2005，28（8）:623-631.

［2］FENG JIANSHENG，LI YONGZHI，GUO LIGUO，et al.Effects of 30d-6°head-down bed rest on lumbar spine and lumbar paraspinal muscles［J］.Space Med Med Engineeri，2011，24（5）:313-317.

［3］HIDES J A，STOKES M J，SAIDE M.Evidence of lumbar multifidus muscle wasting ipsilateral to symptoms in patients with acute／subacute low back pain［J］.Spine，1994，19（2）:165-72.

［4］HUTCHINSON K J，WATENPAUGH D E，MURTHY G，et al.Back pain during 6degrees head-down tilt approximates that during actual microgravity［J］.Aviation，Space，Environ Med，1995，66（3）:256-259.

［5］JILL A H，MAURITS W，VAN TULDER.Meta-Analysis:Exercise therapy for nonspecific low back pain［J］.Ann Intern Med，2005，142（9）:765-775.

［6］LAYNE C S，MULAVARA A P，MCDONALD P V，et al.Effect of long duration spaceflight on postural control during self-generated perturbations［J］.J Appl Phys，2001，90（3）:997-1006.

［7］LEONE A，GUGLIELMI G，CASSAR-PULLICINO V N.et al.Lumbar intervertebral instability:a review ［J］.Radiol，2007，245（1）:62-77.

［8］MACIAS B R，CAO P，WATENPAUGH D E.LBNP treadmill exercise maintains spine function and muscle strength in identical twins during 28-days simulated microgravity［J］.J Appl Phys，2007，102（6）:2274-2278.

［9］MACDONLD D A，DAWSON A P，HODGES P W.Behavior of the lumbar multifidus during lower extremity movements in people with recurrent low back pain during symptom remission［J］.J Orthop Sports Phys Ther，2011，41（3）:155-164.

［10］MADDION J.Movement，posture and equilibrium:interaction and coordination［J］.Prog Neurobiol，1992，38:35-56.

［11］MOSELEY G L，HODGES P W.Deep and superficial fibers of the lumbar multifidus muscle are differentially active during voluntary arm movements［J］.Spine，2002，27（2）:29-36.

［12］MULLER R，STRASSLE K，WIRTH B.Isometric back muscle endurance:An EMG study on the criterion validity of the Ito test［J］.J Electromyography Kinesiol，2010，20（5）:845-850.

［13］PANJABI M.The stabilizing system of the spine.I.Function，dysfunction，adaptation and enhancement［J］.J Spinal Disord，1992，5（4）:383-389.

［14］PANJABI M M.Low back pain and spinal instability［A］.In:Weinstein JN，Gordon SL，eds.Low Back Pain:A Scientific and Clinical Overview［M］.Rosemont，Ill:Am Academy Orthopaedic Surgeons，1996.

［15］RACKWITZ.B.Segmental stabilizing exercises and low back pain.What is the evidence？A systematic review of randomized controlled trials［J］.Clin Rehabil，2006，20（7）:553-567.

［16］ROSATELLI A L，RAVICHANDIRAN K，AGUR A M.Three dimensional study of the musculotendinous architecture of lumbar multifidus and its functional implications［J］.Clin Anatomy，2008，21（6）:539-546.

［17］SAYSON J，HARGENS A.Low back pain in space and proposed countermeasures［J］.Sci Phys Therapy，2008，17（4）:1-6.

［18］SAYSON J，HARGENS A.Pathophysiology of low back pain during exposure to microgravity［J］.Aviation，Space ，Environ Med，2008，79（4）:365-373.

［19］WARD S，KIM C.Architectural analysis and intraoperative measurements demonstrate the unique design of the multifidus muscle for the lumbar spine stability［J］.J Bone Joint Surgery，2009，91（1）:176-185.

［20］SAYSON J V，HARGENS A R.Pathophysiology of low back pain during exposure to microgravity［J］.Aviation Space Environ Med，2008，79（4）:365-373.

［21］WILKE H J，WOLF S，CLAES L E.Stability increase of the lumbar spine with different muscle groups—a biomechanical invitro study［J］.Spine，1995，20（2）:192-198.

［22］WING P C，TSANG L K，et al.Back pain and spinal changes in microgravity［J］.Orthop Clin North Am，1991，22（2）:255-262.

［23］YOSHITAKE Y，MIYAZAKI H，MORITANI T.Assessment of lower-back muscle fatigue using electromyography，mechanomyography，and near-infrared spectroscopy ［J］.Eur J Appl Phys，2001，84（3）:174-179.