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【许纳新-运动机能形态学团队】 作为承担人体重力缓冲负荷冲击的重要结构，椎间盘在日常生活中无时无刻不在承担着压力。即使在平卧状态下，椎间盘的内压也达到几十公斤。导致椎间盘压力的最直接原因，就是地球的重力作用，由于人类的直立行走模式，椎间盘的功能便是对地球重力环境的一种适应。最常见的椎间盘损伤，如腰椎间盘突出问题，往往在充分缓解椎间盘内压力后会得到一定的治愈和恢复。 随着我国航天事业的迅速发展，对于航天员在飞行前后的身体健康变化情况有了进一步的掌握，我们发现在航天飞行结束后，航天员腰/颈椎间盘发生突出的概率增加，受伤风险增加，且这种情况往往在飞行结束数个月后还会持续存在。本文的目的便是对航天员飞行后发生椎间盘突出的可能机制进行探讨，并对未来航天防护训练提出建议。 一、椎间盘的水合作用 在太空飞行中，由于重力环境的缺乏或丢失，椎间盘往往会发生水合作用即吸收更多的水分，从而表现为椎间盘肿胀，体积增大，从宏观上可以观察到的现象为脊柱变长，身高增加。这在地球上时往往常见于卧床休息后，但在地球重力环境下，这种变化往往也会受到较大的限制，如地面卧床休息一昼夜后，身高的增加往往只在2cm以内。航天飞行后，航天员身高增加远远超过地面的2cm，有数据记录，在航天飞行后航天员的升高增加可达到7cm。这表明在航天飞行中，椎间盘的水合作用会更加的明显，椎间盘肿胀程度更大，吸收更多的水分。 水分过多的椎间盘很容易发生突出，特别是在航天飞行期间或飞行后屈曲状态下对腰椎的压力增加时。这一机制在尸体和动物脊柱的力学实验中得到了支持，实验表明，在弯曲和压缩联合作用下的严重负荷可导致明显正常的腰椎间盘发生突出，且当腰椎间盘处于充分水合状态时，突出更容易发生。如下图，我们观察到，当椎间盘充分水合后，其纤维环后壁会变薄，髓核体积变大，所以这种情况下往往会增加突出的风险。椎间盘的过度水合作用在回到重力环境后会逐渐恢复至飞行前水平，其在多大程度上与飞行后部分航天员出现的椎间盘突出产生关联我们尚不清楚，但其作为导致飞行后椎间盘突出概率增加因素是具有参考意义的。  二、肌肉情况的改变 在太空飞行中，由于失重环境的影响，人体骨骼肌会发生不同程度的萎缩，肌力也会出现不同程度的下降。虽然在飞行中的防护训练也在不断的做出改进，从最初的低强度/大容量练习到现在的高强度间歇练习，当前的训练模式已可以在很大程度上保证航天员具有足够的太空工作能力以及回到地面后紧急避险的能力。但是肌肉体积的萎缩和力量的下降仍然是不可避免的。 在航天飞行过程中，腰椎周围发生肌肉萎缩。地球上卧床休息的数据表明，腰椎肌肉大小恢复的时间进程和腰椎伸展力矩的恢复是在卧床休息后的几周内。然而，全部的肌肉功能，根据表浅肌电图记录，可能需要“几个月”才能恢复。这就导致航天员在返回地球后相当长一段时间内由于核心力量的缺失，脊柱处于一个非稳定状态，这会导致脊柱损伤风险加大，增加航天员发生椎间盘突出的概率。 三、返回地面时存在的一些技术问题 对航天员来说，有一些特定的人体工程学问题可能会增加椎间盘损伤风险。如在返回地面后的出舱活动时，早期时航天员往往在返回地面后过早的开始行走（如下图上面两图），这在现在看来是不妥的，因为重力环境在短时间内的急速变化，椎间盘需要时间去重新适应地球的重力环境，过早的进行地面行走会加大脊柱的负荷，增加损伤的可能性。所以当今的航天员在返回地面后通常都会坐进特定设定的“躺椅“之中（如下图下面两图）。   四、航天员的选材标准导致的隐患 有学者提出，航天员在航天飞行后可能产生的椎间盘问题也可能是由于长期累积的椎间盘微损失导致的。航天员的选材往往是从飞行员中进行挑选的，在飞行员的日常训练中，执行高重力、飞行员弹射和直升机振动是颈/腰部损伤的危险因素。脊柱由此产生的高压力可能导致终板骨折，进而导致邻近椎间盘发生变性。同时，对于飞行员的选拔测试中往往会选拔出一些更容易产生椎间盘损伤的人群，如在芬兰空军，战斗机飞行员的选择标准之一是在自行车ergometry测试中的峰值功率。经验表明，举重运动员或冰球运动员通常在这些测试中表现更好。而举重运动员通常表现出更多的退行性椎间盘变化。在选拔和地面训练过程中这些微小的损伤可能被忽略，但在经历了太空飞行后,重力环境的快速转换可能会放大这些微小的损伤从而加大椎间盘突出的风险。 如何做好防护训练？ 鉴于目前掌握的情况，为了更好的保证航天员的脊柱健康，建议可从下面几个方面对防护训练做出调整：
综上所述，在太空飞行后，航天员可能会面临更高的椎间盘突出的风险，对于这种情况机制的研究尚不完全清晰，进一步探明飞行后椎间盘损伤机制原因，更全面的做好防护训练，是将来研究需要聚焦之处。 参考文献： [1] Green DA, Scott JPR. Spinal Health during Unloading and Reloading Associated with Spaceflight. Front Physiol. 2018;8:1126. Published 2018 Jan 18. doi:10.3389/fphys. 2017.01126 [2] Belavy DL, et al. Disc herniations in astronauts: What causes them, and what does it tell us about herniation on earth?. Eur Spine J. 2016;25(1):144-154. doi:10.1007/s00586-015-3917-y [3] Videman T, Sarna S, Battié MC, et al. The long-term effects of physical loading and exercise lifestyles on back-related symptoms, disability, and spinal pathology among men. Spine (Phila Pa 1976). 1995;20(6):699-709. doi:10.1097/00007632-199503150-00011 [4] Adams MA, Hutton WC. Prolapsed intervertebral disc. A hyperflexion injury 1981 Volvo Award in Basic Science. Spine (Phila Pa 1976). 1982;7(3):184-191. [5] Wade KR, Robertson PA, Thambyah A, Broom ND. How healthy discs herniate: a biomechanical and microstructural study investigating the combined effects of compression rate and flexion. Spine (Phila Pa 1976). 2014;39(13):1018-1028. doi:10.1097/BRS.0000000000000262 [6] Pippig T, Kriebel J. Prevalence of cervical and lumbar disc disorders in pilots of the German armed forces. Eur J Med Res. 2000;5(1):5-8. |
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