微重力条件下认知功能变化的研究进展

微重力条件下认知功能变化的研究进展

载人航空航天是人类历史上的一项重要事件。在航天中,航天员要面对许多与地面不同的环境因素,如微重力、昼夜节律的变化、宇宙辐射、高低温交变、周围空气中CO2浓度的升高、禁闭的环境、超负荷的心理和工作压力等。这些环境因素对航天员的脑功能和认知功能都会有不同程度的影响,其中微重力的影响是最主要的,也是多方面的。认知功能是指感知觉、注意、记忆、语言、思维和推理等心理过程,它依赖于神经系统的完整性和协调性。研究表明,微重力条件会引起前庭系统、视觉系统和感觉-运动系统等方面的许多改变,从而导致相应的感觉运动信息的变化。这种变化会引起与之相关的认知功能的变化,如空间定向障碍、姿势错觉和共济失调等。而且,在失重条件下,由于体液的重新分布,脑循环也发生了相应的变化,如颅内压增高等,从而对认知功能会有潜在的短期或长期的影响。对微重力条件下认知功能改变的研究方法主要有2种:1)采用信息加工的观点,在失重或地面模拟失重条件下,研究特定认知过程的变化,如空间定向、物体识别、运动协调和学习记忆等;2)采用心理测量的方法,在飞行前、飞行中和飞行后等阶段对不同的认知功能进行多次评定,包括注意、学习记忆、推理和计算等,以探讨在航天过程中认知操作的总体变化,又称为操作监控。目前在载人航天领域中,许多研究还局限于诸如空间运动病、航天环境对心血管、骨骼和肌肉的影响等方面,而对于航天中人的因素――航天员的认知功能的变化、常见航天疾病的脑机理研究则涉足不深。本文将对近年来载人航天中微重力环境对认知功能的影响做一综述,并对今后的研究进行展望。空间定向人的空间定向是建立在4种感觉输入的基础上,即重力和线性加速度的信息、半规管提供的角加速度的信息、视觉信息和本体感受器的压力信息。这些信息相互作用,相互协调,维持在重力条件下正常的空间定向。但是在微重力条件下,生物适应地球重力作用的前庭感觉、视觉和本体感觉等的功能及其相互作用均有显著改变,其中前庭神经系统是在微重力条件下变化最大的系统,微重力条件下的眼动障碍、定向障碍、姿势控制和协调运动等都与前庭功能的紊乱有关。研究表明,猫在自由下落的1~2s内小脑和前庭核细胞均出现发放频率的增加,而前庭神经、内侧前庭神经核以及小脑的细胞电活动在飞行的前几天发生明显变化,数日后才恢复到飞行前的水平。研究证实,空间定向障碍是重力变化对已建立的高度自动化的感觉-运动模式的干扰。在地面上,重力是自我方位感的最好的参照,对倾斜的准确感觉,也就是对自我方位的变化的知觉,需要角速度和重力-惯性变化方向的一致性。在微重力条件下,当自我方位有所变化时,虽然重力这一参照不存在了,没有来自重力-惯性方面的信息,但是神经系统内仍存在对重力的内部判断,它会提供方位没有变化的信息。而此时,前庭系统觉察到了自我方位的变化,这样就产生了感觉冲突。这种对自我方位变化的冲突信息会导致空间失定向,以及对身体位置和运动的错觉,并加速了空间运动病。对眼动的研究也证实了微重力条件下的空间定向障碍。眼的位置和由于颈部肌肉引起的头部运动之间会相互作用。研究发现,微重力条件下眼动类型和活动与重力条件下相似,但颈部肌肉的活动异常,其抗重力肌的输入反馈减少,从而引起它和与重力无关的肌肉之间的协调运动受损,使得空间定向能力减弱。研究表明,感觉通道的信息可以补偿微重力条件下的空间定向障碍。至少在早期,视觉线索、对触觉和本体感觉的注意会克服重力缺失的影响。例如,在视觉指导下,航天员的空间定向能力可以保持正常,但是反应时较长,即为了保证准确性,牺牲了反应时间。触觉对空间定向障碍也有一定的补偿作用。TSAS(tactilesituationawarenesssystem)可以传送躯体感觉信息,使航天员在没有视觉帮助时,也可以保持正确的空间定向。物体识别由于陆地生物都受重力作用的影响,因而有学者认为,重力参照系(gravitationalreferenceframe)已内化为认知加工的机制,它在物体识别过程中起着重要作用,即使物体并不是按常规放置的,我们仍能很好地知觉它,但需要花费更多的时间。在一项研究中,被试在微重力条件下学习一些熟悉的二维旋转物体,在测验时,呈现熟悉物体和不熟悉的物体,要求被试判断哪些是在学习时见过的。结果表明,无论是熟悉还是不熟悉的物体,即使是身体倾斜90°,其识别的正确率都较高。当要求被试判断不同旋转角度的三维物体是否相同时,他们在飞行前、飞行中和飞行后的测试成绩相似,提示心理旋转过程并不受身体倾斜的影响。物体识别还包括对物体空间关系的识别,如自我与物体之间的关系,以及物体之间的空间关系。航天员在微重力条件下可以确定其周围物体的方向,在失重和重力条件下,他们确定物体之间的关系的能力也相当,如他们可以判断在航天飞机中红球相对于白球的位置。还有研究探讨了在微重力条件下的面孔识别,结果表明与重力条件下相同,在失重条件下也存在面孔的倒立效应,即在视网膜上的倒立像影响面孔识别。Cohen的研究还表明,身体的方位影响面孔表情的识别时间,但当观察者和面孔之间的角度不同时,反应时延长,这与识别旋转图形时的成绩相似。总之,物体识别在微重力条件下受影响的程度并不大。航天员在微重力条件下的物体识别与在重力条件下相似,但也有一些报道认为,航天员识别倾斜物体和面孔的能力增强。物体识别过程的适应性很强,它依赖于注意、刺激的维度和任务类型等。另一方面,知觉早期的特征检测过程受重力的影响较大。在早期知觉加工过程中,需要来自多个感觉系统的信息,如前庭和躯体感觉方面的线索等,并将它们结合在一起,因而会出现物体识别方面的障碍。有两种假说可以解释上述微重力条件下的物体识别。一是认为失重使得心理旋转过程加强,微重力条件下心理旋转过程及其速度都增快。但实验证据还较少,而且有人认为重力的作用是因为在微重力和重力条件下的刺激物的不同造成的。另一个假说是物体的熟悉性会促进从依赖于方位的心理表征到不依赖方位的表征的迁移过程。被试可能会抽取一些与空间关系无关的方位不变的特性。因而失重条件下,被试会在以下情况中对物体的识别较好:熟悉物体、从不同角度看过的物体、在注意参与下的物体识别。运动知觉静止的视觉稳定性与空间定向有关,而动态的视觉稳定性与运动知觉有关。在微重力条件下,航天员对运动物体的知觉模式有所改变,他们较常采用以自我为中心的参照系,因而造成了运动知觉方面的障碍。在重力条件下,视觉和认知线索共同参与运动知觉。被试依赖于躯体感觉、前庭系统等多种感觉信息来判断物体的运动,外部视觉线索也会影响对物体运动轨迹的判断,因而存在以自我为中心和以他我为中心的两种模式。在微重力条件下,神经系统会更依赖于自我为中心的原则,建立内部身体轴向的参照,称为内部向量(idiotropicvector),以使感觉运动任务正常完成。这样,运动就是相对于身体的运动。例如,航天员在回到地球上时,会感到地面接近了身体,而不是通常落地的感觉。协调运动姿势的控制前庭系统、躯体感觉和视觉输入等信息的相互作用对于姿势的控制是非常重要的。而感觉-运动系统的功能在航天后的数小时到数周间会有明显改变。由于缺乏重力的支持,在太空环境中,姿势的控制也有所不同。在许多运动任务中,头部是稳定的参照系,重力提供了判断身体运动的参照系。这种以自我为中心的参照系使信息加工变得简单化。头部的稳定是优化动态平衡的策略。如果原有的姿势策略并不能提供有效的输出时,神经系统就有可能通过缓慢的学习过程,以采用新的策略,如水上运动的方式。另外,在重力条件下,人在随意运动之前会对姿势进行预期调整,以减少不平衡状态的产生。目前尚不清楚在微重力条件下,是否会对上述姿势调整产生影响,运动图式是否保持,尤其是在指向目的的全身运动中,因为此时神经系统要同时解决空间轨迹形成和平衡两方面的问题。协调运动与重力的中心表征人在航天环境下的精确运动功能受到的影响不大,而粗大的运动活动似乎还得到了无重力的好处。但也有研究显示,在微重力条件下,由于地心引力的消失,抗地心引力肌群的活动大为减弱,使肌肉运动和协调功能减弱,运动功能异常,包括运动次数减少,峰速度减小,速度减慢,眼-手协调能力减弱等。不同的运动方式与重力的关系是不同的,重力决定了人的运动模式。在全身前倾运动中,躯干的角度位移可达到70°,但在躯干前屈运动中,这一角度不会超过30°。在举手臂的运动中,由于它对躯干的垂直方位的影响较小,重力的影响可以忽略不计,因此这类运动在微重力条件下也会与在地面上相似。研究提示,神经系统调节运动是与重力有关的,即重力的中心表征(centralrepresentationofgravitationalforce)。重力的中心表征意味着重力不仅仅是一种负荷状态,而且是身体所指向的方位的基础。重力可以作为手臂运动的始动和闸门,或是代表运动的指令。这有助于在姿势的控制中感觉运动信息的转换。因而在微重力条件下,被试会采取新的策略来完成运动任务,但具体机制尚不清楚。另外,重力方向的运动与逆向运动的时间并不相同,它们是否具有不同的机制也需进一步研究。操作监控高级认知功能对于航天员是非常重要的。在航天中,他们需要在复杂多变的环境中完成一系列任务,因而对他们的注意、学习记忆和思维等方面的要求很高。许多学者采用模拟失重的方法在这方面进行了深入研究。如魏金河等的研究表明,在头低位倾斜条件下,被试在视觉选择性反应任务中的正慢电位变化与头高位时有所不同,提示在模拟失重条件下,与注意相关的脑功能发生了某些变化,如主动抑制功能降低。吴大蔚等发现,将大鼠尾部悬吊后,与对照组相比,它们在水迷宫和跳台实验中的成绩下降,尤其是急性尾吊,这表明模拟失重条件对大鼠的学习记忆能力有不同程度的影响。在航天过程中,可以通过对航天员的认知功能进行评定,以研究他们的操作监控能力,这些包括知觉运动功能(如跟踪任务)、空间加工过程(如心理旋转、空间记忆)、注意功能(如注意转换、双任务操作)、工作记忆(如反应选择时间、记忆搜索)、逻辑推理和计算等。这方面的研究结果较为一致,即微重力条件对航天员的操作监控能力影响较小,但是跟踪任务及其它注意参与的认知任务在飞行过程中会受到影响。Benke等曾对一名俄国航天员在6d的飞行过程中,一些认知功能的改变进行了3次评定,即飞行前、飞行中和飞行后。实验任务包括简单反应时、选择反应时、类Stroop测验、空间记忆和空间知觉等。结果并未发现这些任务在3个测量点上的差别。Manzey等采用了相似的方法,对1名航天员在6d的飞行过程中,进行了多点测量,即飞行前6次、飞行中13次和飞行后6次。实验任务包括语法推理、记忆搜索、跟踪任务和双任务法(同时完成记忆搜索和跟踪任务)。结果表明,逻辑推理、短时记忆提取的速度和准确性在飞行中都不受影响。但是,跟踪实验和双任务作业的成绩都在飞行中有所下降,其中跟踪任务是在飞行的前两天,以及飞行的最后4d受影响最大,而双任务作业则在整个飞行过程中都受到影响。近期一项对航天员进行的438d的考察中,也得到了相似的结果。重力条件的改变,以及航天员的疲劳程度、睡眠障碍和工作负荷加大等都会影响操作监控任务的完成。在这方面存在两种假说的争论,一是认为重力的影响是主要的,即微重力假说,另一个是多重应激假说。微重力假说认为,在微重力条件下,高级认知活动也会受到前庭系统、视觉系统和感觉-运动系统等功能变化的影响,因而航天员会在跟踪等任务中的成绩下降,而疲劳、情绪等的影响与认知功能的变化之间没有必然的联系。但在一项研究中,6名被试完成手指跟踪目标的任务,结果并没有发现跟踪任务和反应时方面的障碍,这与Manzey的一系列结果不同。还有研究发现在13d的航天中,双任务作业与航天员的疲劳程度之间有明显的相关性,这些结果更倾向于支持多重应激假说。对今后研究的思考目前,相对于其它方面的研究,对于在失重条件下认知功能的变化的研究还较少。随着国际空间站的建立,人们在太空停留的时间和飞行时间将会越来越长,因而微重力对脑功能和认知功能影响的研究也变得越来越重要。尽早加强这方面的工作,将使我国的航天研究更加全面和成熟,从而极大地促进我国航天事业的发展,并对神经科学的发展做出贡献。从以上综述可以看出,在对特定认知功能和操作监控方面的研究尚存在一些不足之处。在对特定认知功能方面的研究中,今后的研究需要考虑以下几方面的工作:1)飞行开始的前3个星期,以及回到地面上的2个星期是适应微重力条件的关键期。航天员会渐渐适应空间环境,对抗重力信息的缺失。当回到地面上时,航天员又需要重新适应。需加强神经系统的可塑性、以及认知功能适应的机制方面的研究。2)为了更加明确认知功能改变的机制,需要将行为结果结合眼动、脑电活动等脑功能方面的研究。结合眼动方面的研究可以明确是否前庭系统和运动系统在微重力条件下的障碍与高级认知功能有关,而脑电活动则可以进行定位和定性的脑功能分析。医学成像技术,如MRI、PET等可用于研究大脑对微重力的适应机制,扩展我们对于微重力条件下脑功能变化的认识。3)微重力对脑功能和认知功能的长期影响。在操作监控方面,以往的研究均为个案研究,样本量较小,虽然采用的是被试内的重复测量,结果较为可信,但结论还是初步的,其一般性还需证实。另一个重要的问题是引起认知功能下降的原因。许多认知功能在航