模拟失重对视觉背侧通路认知功能影响的自适应特征及神经机制研究

The physiological effects of the distribution to the head of blood and body fluids during the flight under weightlessness condition affect the brain function, which will decrease the performance of astronauts and do harm to flight safety. The cognitive function of visual dorsal pathway has a very closed relationship with some required cognitions of space activities, such as attention, motion perception, spatial orientation and representation transformation. But less mechanism studies under weightlessness condition has been conducted. The results from fields researches and our lated studies indicated that the changes of cognitive function of visual dorsal pathway caused by weightless physiological effect has its own self-adaptivity, and the aging and the balanced characteristics reflect the internal neural mechanism of self-adaptive ability. This project intends to use head-down bed rest model and tail suspension combined restricted model to simulate physiological effects of weightlessness, and using behavior, cell morphology and electrophysiology techniques to compare the changes of visual dorsal cognitive functions(motion perception, selective attention, spatial representation transformation) before and after human short-term simulated weightlessness state and changes in morphology and function of M cells in visual dorsal pathway before and after short, medium term simulated weightlessness state in rats. The results are useful to indicate the effect of weightless on cognitive function of visual dorsal pathway and its mechanism and to explore self-adaptive mechanism of brain cognitive function under weightless environment. The conclusion can provide theoretical and practical basis for the formulation of the tasks of China's medium-and long-term manned space program and astronaut selection and training.

失重飞行期间血液和体液头向分布的失重生理效应影响大脑功能状态，造成航天员工作能力的下降，危害航天安全。视觉认知信息加工的背侧通路与航天活动所必需的注意、运动知觉、空间定向、表征转换等认知功能关系密切，但其在失重条件下的机制研究为数尚少。文献和我们以往研究结果提示，失重生理效应引起的视觉背侧通路认知功能的变化具有自适应性，其时效性特征和均衡性特征反映着自适应能力的内部神经机制。本项目拟采用人体卧床与鼠尾悬吊模型模拟失重生理效应，运用行为学、细胞组织形态学、电生理学及功能影像学等技术，比较人短期、大鼠短中长期模拟失重前、中、后视觉运动知觉、选择性注意及空间表征转换等认知功能以及视觉背侧通路M细胞形态与功能的变化，探讨失重生理效应对视觉背侧通路认知功能影响的时效性与可塑性特征、揭示失重条件下脑认知功能自适应的神经机制，为我国中长期载人航天计划任务的制定和航天员选拔与训练提供理论与实践依据。

研究背景：.人从地球重力环境进入太空微重力环境后，颅内压升高，引起大脑循环的改变，继而影响大脑各种功能的变化。前期研究结果发现3天头低位卧床后，神经系统有着自适应现象，即与视觉背侧通路相关诸如运动知觉、表征转换等认知功能在研究期间呈类“U”变化，第二天受累降低最为明显，第三天的回升。以往研究证明，功能性核磁共振成像(fMRI)发现大脑激活状态的客观改变；头低位后心理旋转的事件相关电位（ERP）波形随模拟时间的延长，旋转能力下降；失重生理效应影响大鼠神经分泌M细胞的功能，表现为c-fos基因表达的增加等，提示行为改变之前明确的生理功能变化。以上均提示大脑对失重的神经自适应过程。.研究内容：.人体实验部分：客体字母心理旋转测验，主体手心理旋转测验、运动知觉实验，执行控制任务的行为学试验及脑电生理数据采集与分析；静息态功能性核磁共振成像(Resting State fMRI)技术对脑功能进行分析。.动物实验部分：大鼠的视觉电生理：视觉诱发电位与视网膜电图检测；大脑视觉运动相关区域神经细胞形态学观察以及凋亡神经细胞计数；神经细胞凋亡的细胞分子内部机制探索，包括c-Fos蛋白及PI3K/Akt分子信号通路含量变化。.主要结果和结论：.行为学检测与脑电生理数据发现，背侧通路功能在失重前1-3天内发生多个模块的认知功能受损，而后逐渐恢复或发生适应性波动变化。fMRI数据也印证了自适应变化这一结果，并且提示某些大脑功能的减弱与特定的脑区活动性减弱有关。动物实验研究通过探讨PPC和LGN脑区的神经系统凋亡变化趋势及背后的分子机制，进一步验证了中枢神经系统，特别是背、腹侧视觉通路在微重力状态下存在自适应变化特征，与人体实验证据遥相印证。.科学意义：.本研究通过系列实验检验印证了：一，人类对失重引起的视觉背侧通路认知功能的改变具有自适应调节功能，调节的进程呈类“U”型特征；二，视觉背侧通路功能的降低可通过其他脑区功能代偿来调节；三，中长期处于模拟失重条件下，视觉背侧通路神经细胞的形态和功能为适应环境而改变；神经系统的自适应特征是人类得以适应特殊复杂环境的基础。这些研究结果可能为揭示人类中枢神经系统在失重情况下发生适应过程的具体生理机制提供了进一步的依据，为航天计划制订和航天员心理选拔与训练提供建议与贡献。