载人航天睡眠研究综述

载人航天睡眠研究综述

载人的航空航天始终伴随着重量、噪声和振动等物理能量的体验。狭窄、封闭、社会隔离的环境、单调、重复、高度警惕的工作等。可直接或间接地导致睡眠困难、睡眠质量差、睡眠不足等问题，并影响人员的心身健康和工作绩效，并影响航空航天的飞行安全。为此,笔者对近10余年载人航天睡眠问题的相关研究和资料进行了整理和综述,以使研究者对其不良影响、相关因素及干预措施等有全面的了解。1航空航天航空期间的睡眠特征研究表明,航天员在太空睡眠时间比地球上显著减少,睡眠质量变差。1.1飞行影响睡眠的因素7篇使用多导记录仪、活动记录仪的实验研究和航天员自我报告一致显示,航天员平均睡眠时间少于6.5h/d。比NASA-STD-3001标准建议的8h少1.5~2h。美国国家航空与航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration,NASA)在1988年完成的调查发现,9次航天飞机任务的58名乘组人员报告,与在地球上每天睡眠7.9h相比,在太空时每天平均睡眠6h。任务第一天和最后一天睡眠时间最少(平均分别为5.6h和5.7h)。许多人报告在某些夜晚睡眠少于5h,一些人则报告睡眠2h或更少。活动记录和自我报告是目前常用的在短期任务(航天飞机)和长期任务(空间站)期间测量航天飞行如何影响睡眠的方法。对9次航天飞机任务的23名航天员数据进行分析,发现飞行中和飞行的第一周,平均夜间睡眠时间(用活动记录仪监测)分别为(6.9±1.0)和5.9h。在活动记录仪记录的279个在轨夜晚中,有52个夜晚(18.6%)的睡眠少于6h。进一步分析表明,睡眠时间甚至可能会在进行关键任务操作之前减少。对5次任务中、进行了1~3次舱外活动的9名乘员的评估表明,舱外活动前一个夜间乘员的平均睡眠时间为(5.6±1.1)h。长期航天飞行,与在地面睡眠相比,在太空的睡眠时间短、干扰多、睡眠浅,个体差异很大,且主要发生在航天飞行的最初2~4周中。目前,得出这一结论的基本数据很少。另一个引人注目的问题是服用睡眠药物的程度。1999年,NASA回顾了79次航天飞机飞行任务的记录,在219条记录中(每个记录代表1人次飞行),94%人次在飞行过程中用药;在用药的人次中,45%人次表示,用药是为了解决睡眠障碍,并在9d的飞行中持续用药。最近未公开发表的数据也显示,经常使用药物辅助睡眠的趋势。11次任务期间第1次执行任务的32名乘员中,26名(81%)飞行期间服用了安眠药,其中有7%的夜晚服用了2次安眠药,由此说明睡眠紊乱的严重程度。1.2飞行情况对睡眠的影响1997年,Gundel等使用多导睡眠图来评估睡眠质量。研究发现,第1个快速眼动(rapideyemovement,REM)阶段潜伏短,慢波睡眠(slow-wavesleep,SWS)在第1到第2个睡眠周期内重新分配。2001年,Dijk等也使用多导睡眠监测发现在飞行中的后1/3阶段和飞行后(着陆后的第2、4、5天评估),SWS值出现了下降;同时,总睡眠时间和恢复性睡眠时间量出现增加。Gundel等和Monk等的研究显示SWS和脑电图(EEG)慢波活动(slow-waveactivity,SWA)的减少,这反映了睡眠的恢复成分减弱,证明太空中的睡眠变得比地面上的睡眠浅。另有研究发现太空飞行期间不仅是睡眠时间减少,而且睡眠恢复成分也可能被扰乱。这种扰乱可能会进一步增加神经行为绩效下降。在返回地面后的第1个星期快速眼动睡眠大大增加,快速眼动潜伏时间减少,他们认为这可能与从微重力返回正常的重力环境有关。即使这些结果在睡眠结构改变的特定模式方面缺乏一致性,并显示出个体差异相当大,但却说明航天飞行与睡眠时间减少、睡眠障碍加剧及睡眠调节过程的特殊变化有关。2影响原因分析2.1太空舱睡眠时间和操作研究表明,个别航天员在太空出现睡眠障碍和睡眠时间缩短往往是因不舒适的环境温度、生命保障系统造成的,如风扇高噪声、空间运动病、情感激发和兴奋等外界因素,或由不舒适的睡袋或缺少熟悉的本体感受暗示引起全身不适。此外,工作负荷和背离预定的作息周期也能造成太空睡眠时间减少。调查发现,在太空就寝时间常因操作需要或社会/娱乐活动而被推迟。相反,起床时间主要由飞行控制人员掌握,在整个飞行任务期间起床时间始终是相当固定的。因而,就寝时间的任何延迟都可直接导致原定睡眠时间的减少。Barger和Czeisler在2008年的研究结果表明,有多种原因造成空间飞行中的睡眠时间和质量比地面的睡眠降低。9次航天飞机任务中23名航天员完成了274篇睡眠日志。数据表明,日志中的163篇(59%),记录了前一天晚上睡眠受到干扰。在飞行中,因与太空舱对接或某项关键任务而突然改变作息时间,这是空间飞行环境生理节律不同步的一个危险因素,易出现睡眠不足和疲劳。JSC任务行动指挥部的最新数据显示,关键操作往往需要突然改变作息时间。在国际空间站操作的2043d中,13%发生突然作休时间的改变,且通常发生于关键操作之前或在此期间(如对接或脱离、航天器重新定位、舱外活动等)。3睡眠的影响和影响因素刘学勇等研究发现,72h睡眠剥夺可对被试者的情绪、认知和绩效产生负面影响,焦虑水平显著上升,而单纯隔离者的情绪变化不明显。72h睡眠剥夺期间手控交会对接绩效显著下降,差错率上升,燃料消耗增加。因此,提高自信、积极整合资源进行心理干预能对抗睡眠剥夺对情绪状态的负性影响,被试的操作绩效降低较少。研究表明,综合性心理对抗措施,可在一定程度上起到对抗狭小环境下睡眠剥夺的作用。在太空飞行中,由于受到坐姿、操作任务需要、噪声、快速昼夜节律变化、环境杂乱和情绪负荷等多方面的影响,睡眠问题一直是影响在轨航天员健康和绩效的一个重要问题。航天员在轨执行短期任务(10~16d)睡眠不足和生物节律紊乱问题已有相应报道,在中长期任务中更加突出。睡眠不足将引起疲劳,以至影响身体健康和心理状态,并可能导致无法胜任关键任务。睡眠不足还会影响基本认知功能,包括警觉性、认知速度和精度、工作记忆力、反应时间、注意力和敏捷度等,以至可能对乘组和飞行器安全产生影响,甚至会导致整个任务失败。在STS-90和STS-95的任务中,伴随睡眠不足出现了认知绩效的下降。有一次和平号空间站的最后12d的任务中,由于睡眠不足导致推理精确度下降;在和平号空间站438d的任务中,前3周和飞行后再适应阶段出现跟踪任务绩效下降。4主要干预措施4.1设计作息制度任务的安全和成败与航天员在轨作息安排休戚相关。每次飞行任务前,需根据发射和着陆时间、乘员人数、时间关键性事件、载荷需要、任务目的和值班方式等制定详细的作息制度。乘员工作手册规定了航天员在轨执行任务的时间表,通常建议航天员每天在轨休息8h,最低不少于6h。手册还规定,在值班轮休情况下,第2天休息时间较前一天最多提前1.5h,7d飞行任务中最多提前5h休息,才能保证航天员良好的身体和心理状态。而且,日程表应当安排出有趣的工作、足够的休息和娱乐时间,从而避免持续的疲劳。4.2期睡眠袋的布置国际航天领域一直在采取措施提高航天员在轨睡眠的舒适度。因为在微重力情况下航天员无论是垂直位置或水平位置休息效果是一样的,在初期睡袋被安置在飞行器舱壁的任何位置,目前在飞行器的睡眠区域安置了双向的硬质睡眠隔间,可供4名航天员同时休息。航天员可以通过个性化的设置来使自己更加舒适,如有的航天员喜欢在睡眠时垫上枕头,有的采用拉链将整个身体限制在睡袋内,有的喜欢将手臂漂浮在睡袋外,有的不用睡袋直接通过带子将自己固定在舱壁上。在太空休息时,通过拉上舷窗窗帘营造夜间感觉,借以消除昼夜节律的影响。4.3飞行任务期间典型药物有报道称,航天员在轨期间为了入睡或保持清醒而服用药物。由于工作-休息计划调整,导致睡眠紊乱的情况时有发生,这时航天员可以根据需要服用安眠药诱导入睡。如欧洲空间局(EuropeanSpaceAgency,ESA)航天员在天空实验室及和平号空间站任务中即服用药物缩短睡眠潜伏期和延长睡眠时间。在阿波罗7号任务的记载中,航天员的睡眠情况非常差,如出现在值班期间睡着的现象,以至航天员在值班期间不得不服用5mg安非他明(一种兴奋剂)以保持清醒。飞行任务期间79次服用药物分析发现,服用安眠药或催眠制剂者占219名航天员用药的45%。在太空中常用的其他药物包括氟西泮,规格为15mg和30mg;三唑仑,规格为0.25mg和0.5mg;苯海拉明,规格为25mg。4.4a等航天机构的睡眠舱研究计划总之,针对未来航天飞行任务,确保航天员在执行任务期间良好的睡眠和休息是保证载人航天任务顺利完成的重要因素。NASA等航天机构提出了睡眠舱的研究计划,在生物医学路线图中将睡眠列为一项重要研究项目。未来长期的载人飞行,不仅要从制定合理的作息制度、降低环境噪声、提高飞行器的适居性方面开展工作,还应开展睡眠基础生理以及航天环境对睡眠影响机制的研究,并提出提高睡眠效率的方法、利于睡眠的环境指标、有效改善睡眠的药物等科学有效的干预措施,来保障航天员良好的睡眠。2.2睡眠调节的“s过程”睡眠改变也可能是因太空环境对睡眠调节生理的有害作用的结果。根据公认的模型,参与这种调节的是两个相互作用的过程。第1个称为“S过程”,这是一个由整个觉醒期的睡眠倾向增加和睡眠期间这种倾向下降体现的内衡过程,这一过程的直接生理标记是脑电图发现慢波活动段,在失眠期慢波段逐渐增加(即醒后低,睡前高)。然而,已发现某些航天员睡眠调节的“S过程”可能直接受到微重力环境,或与航天飞行某些限制有关的一般应激的影响,这些主要反映在在轨时快速眼动反应时间缩短,并与返回地面后重新适应重力环境期间快速眼动睡眠增加,以及快速眼动反应时间缩短的结果一致。慢波睡眠量减少可视为在太空“S过程”改变的一个标志。2.3飞行期间睡眠障碍、睡眠及健康状况第2个影响睡眠调节的重要生理过程是昼夜节律。太空舱存在缺少或至少是变弱的、与光有关的时间暗示问题。已知一艘在轨运行的飞船的速度,一个完整的日出和日落循环周期需要约90min,而舱内照明亮度太低,不足以完全弥补这种自然界白昼时间暗示的缺少。而且,由于运行需要,常常有必要提前或推后预定作息时间,甚至在航天飞行期间将这一周期缩短至不足24h。结果人们猜想,航天飞行期间有可能出现生理节律被打乱,尤其是体温周期与睡-醒周期的内部分离,导致睡眠障碍。只有少数研究探讨过这一问题,但尚未发现任何迹象表明太空中体温节律是以24h为周期的一个完整的“自由运转”。显然,每日例行日程的严格安排,包括惯常的起床时间和就餐时间的安排,加上改变太空居住舱内的照明,这些足以将人在太空的昼夜节律系统带至一个稳定的差不多24h的节