原创栾童舒王彤细胞世界
4月16日9时56分，神州十三号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。过去半年里，三位航天员除了辛勤工作，还给大家带来了天宫课堂、“太空吃播”、“太空理发”等名场面。在这些看似轻松的日常行为背后，航天员必须承受超重升空后在低重力下长期生存的生理负担，而我们人类复杂而又脆弱的神经系统，到底要如何面对超重与失重？
01逃离地球母亲的代价
作为地球居民，人的身体早已适应了只有1G的地球引力。航天器冲破地心引力时的猛烈加速，以及降落时的减速都会使航天员处于严重的超重状态。随着航空技术的进步，目前载人飞船的超重一般不超过5G，但为防止紧急情况发生，超重耐力适应性训练通常要求航天员能够承受8-9G，相当于把8-9倍的重力加于人体的每一个细胞上！
当航天器进入预定轨道飞行，航天员的身体会处于趋于完全失重的微重力状态，可以漂浮在空中。长期失重会改变人体内的体液分布和肌肉紧张度，造成多种疾病。密闭在颅腔之中的人体“总司令部”——柔软的脑也会暴露于重力异常的环境之中，中枢系统必须直面许多挑战。
图1.神舟十号首次太空授课时展示的失重现象。
（图片来源：《太空第一课》）
02超重（+G）或失重（-G）对神经系统的影响
1.超重的影响
施加于人脑的超重可以分为头盆向超重+Gz和胸背向超重+Gx两种。直立状态的人在纵向具有向上的加速度时，受到的超重是头盆向的。研究发现，人的控制、判断和反应能力均会随重力的增加而降低：5倍超重会导致黑视，8倍就会引起意识丧失。由于人体解剖结构的特点，人对于胸背向超重的耐受力要明显强于头盆向超重，因此航天员在飞船升空时都采取仰卧的姿势，座椅与舱底平面夹角约为10-20。
图2.航天员升空时采用更耐受超重的姿势。
(a)超重作用于人体不同方向的坐标轴示意图。(b)“蓝色起源”太空舱中乘坐者在座椅中呈仰卧半躺姿势。（图片来源：百度百科-超重生理效应，新浪科技）
人脑的代谢率极高，储存于其中的能量物质在2-3分钟内就会被消耗殆尽。主流的观点认为，超重引起的体液重新分布及心脏泵血能力改变将导致脑部缺氧缺血，引发脑损伤和功能障碍。在一些动物实验中，头盆向10倍超重持续3分钟会使大鼠学习记忆能力发生暂时性障碍，而5分钟则会造成严重的持续性障碍[1]；对于胸背向超重来说，大鼠在15倍重力下暴露3分钟会出现学习记忆功能降低，且三天后仍未见恢复[1]。
2.长期失重的影响
我们知道，前庭系统是调控人类重力感受的主要通路。当人体处于失重状态时，环境信号发生明显变化，大脑对运动的预判与身体实际情况不匹配，从而表现出空间感知的失调，人体会呈现出肢体蜷曲的状态[3]。人体适应失重需要大约七天的时间，随着内耳——脊髓反射的重新整合，大脑会慢慢适应重力的变化。
但失重对于神经系统的影响远不止于此。在一项对于太空飞行后脑损伤的研究中，宇航员的血液样本成分分析表明，一些脑损伤标志物（如与轴突分解相关的NfL、与星形胶质细胞激活相关的GFAP以及与神经退行性病变相关的β淀粉样蛋白）的水平均因太空飞行而有所上升，证实长期失重会造成航天员脑部的损伤[4]。
03.如何在太空中研究重力生理学
研究重力改变对生物体生命活动的影响，主要有两种思路：一是在地面建立超重或失重的模拟系统，一是将实验对象直接送上太空进行实地研究。
目前，超重模拟通常采用大直径的离心机来实现，而失重模拟则有较多的形式。有一些方法可以达到短暂但真实的失重状态：比如利用空投塔实现自由落体，或利用飞机进行抛物线飞行，甚至使用亚轨道飞行器，在一定时间内进入失重状态[5]。
图3.物体基于抗磁性在强磁场中悬浮以模拟失重。
(a)悬浮的水滴。(b)悬浮的栗子。(c)悬浮的青蛙。（图片来源：新浪网）
在太空实验中，除了将实验动物带上空间站或采集宇航员的生物数据以外，最常规的做法是将地面的细胞实验转移到太空中进行，在航天飞行器中完成对细胞的二维培养及观察。此次，皮肤干细胞、心肌细胞等不同类型的细胞就乘坐着神州十三号前往宇宙，它们被分为两组，分别处于人工1G的地球重力状态和完全失重状态，以进行对比实验。
图4.失重状态下的细胞活动。
(a)神州十三号内失重状态下心肌细胞的钙离子信号。(b)神州十三号内失重状态下心肌细胞的细胞形态。（图片来源：《天宫课堂》第一课）
由于二维培养的细胞无法模拟真正的生物体内的复杂环境和组织器官间的信息交流，科学家开发了许多更复杂和高级的细胞实验手段。例如，我国曾在年利用“实践十号”科学实验卫星开展了神经干细胞的三维培养与组织构建研究项目；美国国立卫生研究院则计划将Emulate公司研发的12颗器官芯片发射往国际空间站，以研究人类大脑在微重力下运行的规律。
图5.基于微流控技术的人脑芯片
（图片来源：sciencephoto
Shutterstock）
04重力改变对神经元的直接作用
超重会对神经元产生巨大的机械压力，而失重则会拉伸这些本已经纤长的结构，从而可能导致脆弱细胞结构的损伤。加诸于神经元上的机械力对其结构和功能所产生的影响主要集中在以下三个方面：
1.细胞膜与细胞骨架
细胞膜是将细胞与外界隔开的屏障，具有类似液体、易于流动的性质，而这种膜流动性在超重环境下将变弱，而微重力环境下则增强[6]。
细胞骨架是细胞的“内骨骼”，撑起了整个细胞。这些细小的蛋白纤维网架有一定的可塑性，使神经元可应对较小程度的机械力的冲击[7]，但机械力增大到一定程度则会造成细胞骨架的损伤，从而导致神经元的退行[8]；在微重力下，细胞中的骨架蛋白也会发生结构上的改变，微丝蛋白减少[5]。
图6.机械压力和失重改变神经元细胞骨架结构。
(a)正常大气压下神经元内微管蛋白βIII-tubulin染色。(b)0.5MPa压力下神经元内微管骨架。(c)1倍重力下人视网膜上皮细胞内微丝骨架。(d)微重力模拟系统下人视网膜上皮细胞内微丝骨架。（图片来源：文献[5,9]）
2.离子通道
细胞膜性质的改变影响了膜上控制物质交换的离子通道。科学家发现，孔蛋白通道在超重环境中更趋向于开放状态，即活跃度增强，而在微重力下则活跃度降低[10]。另一方面，膜上也有许多专门感受机械力刺激的离子通道。一般认为，钙离子的流入主要是通过一些机械力激活的通道（如TRPV4、PIEZO1等）的打开、或者是细胞膜上因机械力拉扯而产生的瞬时的孔隙进行的，细胞内钙离子浓度的瞬变会阻碍神经元轴突的修复再生[11]。
图7.机械力调控PIEZO离子通道。
（图片来源：TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine）
3.神经电生理
纤长的神经元是人体内电信号的传递导线，负责将外界信号传入到大脑形成不同的感觉，并将意识传递到四肢百骸。
细胞膜及离子通道的性质改变将引起膜电位的变化。神经元在超重下会容易兴奋，而微重力兴奋性会被抑制[10,12]。重力的改变还会改变神经网络之间的突触连接的强度。这些都将深刻地改变神经系统处理和传递信息的能力，从而对人类的认知和运动功能产生长期且重要的影响。
图8.重力改变会影响神经网络中电信号的传导。
（图片来源于网络）
结
语
随着技术的进步和研究的深入，科学家们对超重和失重下的人脑已经有了一定的认识。然而，人类脆弱的神经系统对重力改变承受的极限是否存在？这是否会影响我们对宇宙的探索？有什么方法能让神经系统更好地抵御重力的改变？这些未知的问题都等待着我们去一一解开。
参考文献
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1.孙喜庆,李莹辉,and姜世忠,重力生理学理论与实践.:重力生理学理论与实践.
2.Pan,X.,etal.,Theaxonalradialcontractility:Structuralbasisunderlyinganewformofneuralplasticity.Bioessays,.43(8):p.e.
3.Carriot,J.,I.Mackrous,andK.E.Cullen,ChallengestotheVestibularSysteminSpace:HowtheBrainRespondsandAdaptstoMicrogravity.FrontNeuralCircuits,.15:p..
4.ZuEulenburg,P.,etal.,ChangesinBloodBiomarkersofBrainInjuryandDegenerationFollowingLong-DurationSpaceflight.JAMANeurol,.78(12):p.-.
5.Mann,V.,A.Sundaresan,andM.Chaganti,Cellularchangesinthenervoussystemwhenexposedtogravitationalvariation.NeurolIndia,.67(3):p.-.
6.Sieber,M.,W.Hanke,andF.P.M.Kohn,ModificationofMembraneFluiditybyGravity.OpenJournalofBiophysics,.04(04):p.-.
7.Wang,T.,etal.,Radialcontractilityofactomyosinringsfacilitatesaxonaltraffickingandstructuralstability.JCellBiol,.(5).
8.Wang,Y.,etal.,Anovelperspectiveonneuronstudy:damagingandpromotingeffectsindifferentneuronsinducedbymechanicalstress.BiomechModelMechanobiol,.15(5):p.-27.
9.Ye,Z.,etal.,Effectsofmechanicalforceoncytoskeletonstructureandcalpain-inducedapoptosisinratdorsalrootganglionneuronsinvitro.PLoSOne,.7(12):p.e.
10.Kohn,F.P.M.,C.Koch,andR.Ritzmann,TheEffectofGravityontheNervousSystem,inIntoSpace-AJourneyofHowHumansAdaptandLiveinMicrogravity..
11.Song,Y.,etal.,TheMechanosensitiveIonChannelPiezoInhibitsAxonRegeneration.Neuron,.(2):p.-.e6.
12.Meissner,K.andW.Hanke,Actionpotentialpropertiesaregravitydependent.MicrogravityScienceandTechnology,.17(2):p.38-43.
作者简介
栾童舒上海科技大学生命科学与技术学院级本科生
王彤上海科技大学生命科学与技术学院助理教授
特别鸣谢：
中国细胞生物学学会神经细胞生物学分会进行科普审稿
原标题：《为了载人航天，脆弱的神经系统付出了什么？》