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编译：思越，编辑：Emma、江舜尧。 原创微文，欢迎转发转载。 近几十年载人航天技术得到了很大的发展，航天器的宜居性有了很大改善和提高，但是载人航天环境中仍充满应激源，包括密闭的居住空间、孤独隔离的人际环境、生活工作单调、昼夜周期的改变、工作负荷大、睡眠障碍等。本文通过生物再生生命保障系统（Bio-regenerative Life Support System，BLSS）“月宫一号”模拟缺乏自然光的隔离环境，对飞行乘组进行长期高闭合度集成实验，从心理和生理健康探讨隔离环境对飞行乘组的情绪、代谢和肠道健康的影响。 论文ID 实验设计 4名飞行乘组进入隔离环境仓，进行三个阶段的实验，每个阶段三周，分为自然光隔离阶段P0期；无自然光隔离阶段P1期；异常自然光隔离阶段P2期。采用症状自评量表（SCL-90）每周两次进行情绪状态测试，在每阶段末采集尿液标本收集尿标本通过质谱进行代谢组学，通过ELISA实验测量褪黑激素和皮质醇激素分泌水平，并每周收集粪便样品进行肠道微生物分析。 图1 实验设计 共三阶段，分为P0、P1、P2；于第20-21天、第41-42天和第62-63天采集尿液标本。每周两次填写SCL-90，分别于第7、14、21、28、35、42、49、56、63天采集粪便标本。 实验结果 1. 缺乏自然光的隔离环境中，焦虑和抑郁因子得分显著增加 实验期间，飞行乘组的饮食根据美国国家航空航天局（NASA）宇航员饮食标准制定。通过症状自评量表（SCL-90）对飞行乘组进行情绪评定，在隔离环境中四名飞行乘组的情绪波动在正常范围内（图2A-D）。P0期与P1期在抑郁、焦虑因子上有显著性差异（图2E）。不同阶段阳性项目数无显著性差异。这些结果表明，缺乏自然光的隔离环境可能增加抑郁和焦虑的发生率。 图2 四名飞行乘组的情绪状态 （a）三个阶段（P0，P1，P2），乘员的SCL-90量表因子评分（A-D）；SCL-90的9个子量表得分（E）；阳性项目数的差异（F）。 2. 缺乏自然光的隔离环境对代谢的影响 作者分析了飞行乘组的代谢组学和代谢产物的表达。QC分析表明，QC样品的相关系数几乎为1，表明代谢组学数据误差很小（图3A）；总代谢物在三种不同隔离光环境中的表达水平没有显著差异（图3B）；主成分分析代谢物的组成，在P0期和P1期之间有明显的分离，表明P0期和P1期的代谢物谱有显著差异（图3C）。P0期和P2期之间有部分重叠区域（见图3D）。与 P0期相比，P1期和 P2期的飞行乘组均存在明显上、下调的表达代谢产物（图3E-F）。飞行乘组进入 P1期后，差异代谢物在色氨酸代谢途径（tryptophan metabolism pathway）中富集（见图3G-H）。色氨酸可以穿越血脑屏障，在体内被羟化酶转化为5-羟色氨酸（5-HTP），然后在体内被脱羧酶转化为5-羟色胺（5-HT），研究发现5-羟色氨酸可调节人类情绪并增强记忆，且5-羟色氨酸还通过N-乙酰-5-羟色胺产生褪黑素，参与调节昼夜节律和睡眠的生理功能。以上结果表明，缺乏自然光的隔离环境引起的抑郁和焦虑等情绪波动可能与色氨酸代谢途径有关。 图3 四名飞行乘组代谢组学分析 （A）质量控制；（B）代谢物的定量值；（C-D）P0期和P1期、P0期和P2期的PCA分析；（E-F）差异表达基因分析；（G-H）富集分析 3. 缺乏自然光的隔离环境对激素分泌节律的影响 作者探究了隔离环境中褪黑激素和皮质醇分泌的动态变化。先前的研究发现，褪黑激素分泌水平在夜间积聚并达到最高水平，随着光照强度的增加，血浆中的褪黑激素水平下降，并与下午达到最低水平。然而，通过观察褪黑激素分泌的动态变化，作者发现相比于存在自然光的隔离环境，在隔离环境（P1期）中机组成员的褪黑激素的水平变化存在延迟现象（图4A）。 先前研究发现，强光照射可显著降低血浆中皮质醇的水平，且皮质醇水平一般呈现早晨最高，逐渐下降直至夜间最低的变化。在P0期中，遵循这样的节律分布；但在P1期中，发现皮质醇水平存在分泌节律的改变（图4B），并且这种改变不存在性别差异。此外，先前的研究报道，抑郁症患者具有较高的皮质醇水平。作者探究了皮质醇水平与飞行乘组情绪状态的关系，发现在P0期皮质醇水平与焦虑状态呈现明显的正相关（图4C）。总之，在隔离环境中，自然光的存在有利于的分泌节律的维持，并降低皮质醇的分泌，有助于维持飞行乘组的情绪稳定。 图4 皮质醇水平与心理状态的相关性 （a）4名飞行乘组在3个不同阶段褪黑激素分泌的总趋势。（b）四名飞行乘组在三个不同阶段的皮质醇分泌总趋势。（c）焦虑得分与 P0期皮质醇水平相关性分析 4. 缺乏自然光的隔离环境降低了普氏杆菌的相对丰度 作者采集了飞行乘组粪便进行肠道微生物菌群分析以探究不同光环境下微生物群落的组成变化。稀释曲线显示出较饱和的数据质量和测序深度（图5）。通过分类注释探究粪便微生物的物种分布，在门水平，无论隔离环境是否有自然光的存在，拟杆菌（Bacteroidetes）和厚壁菌（Firmicutes）的相对丰度影响很小（图6A）；在属水平上，缺乏自然光环境中，普氏菌属（Prevotella）的相对丰度显著降低（图6B）。普氏菌属是拟杆菌的重要分支，与高纤饮食提供机体温和的酸性肠道环境有关。先前的研究发现普氏菌属的丰度水平与色氨酸代谢水平负相关，而在飞行乘组的代谢组学分析中发现缺乏自然光会引起色氨酸代谢途径的变化，并引起飞行乘组的情绪变化；而普氏菌属的丰度被证明与积极的情绪可能存在正相关关系。 图5 稀疏曲线 图6 不同光环境下肠道微生物群落的组成变化 门水平（a）；属水平（b） 结论 本文通过模拟隔离环境，探讨缺乏自然光对飞行乘组情绪、代谢和肠道健康的影响。密闭环境中自然光的存在，有利于稳定乘组人员的积极情绪，减少焦虑和抑郁等情绪问题的，并有助于激素的节律性分泌。而在缺乏自然光的密闭环境中，可能会影响其新陈代谢，肠道微生物的组成，增加焦虑和抑郁的风险，最终引起生理和心理变化。 图7 图形概要 |
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