亮点
- 微重力与超重力环境下的脑血管反应机制研究仍存在重大空白
- 本研究构建0g至3g重力跨度的多尺度血流动力学模型
- 微重力引起血流搏动性增强，颅内压-眼内压平衡破坏
- 超重力导致脑灌注压与血流量骤降，经筛板压力梯度显著改变
- 计算血流动力学为重力生理学研究提供突破性方法论支持
摘要
暴露于微重力与超重力环境是航天飞行的核心特征，会引起多种急性和长期生理改变。然而，急性和长期脑血管及眼部反应仍存在重大科学空白，实验数据呈现碎片化和矛盾性。
本研究通过构建心血管系统的多尺度0D-1D模型，揭示了0g至3g重力跨度下脑-眼血流动力学的短期反应机制。该模型包含动脉和冠状循环的1D表征，以及小动脉、毛细血管、静脉、心肺循环和脑-眼循环的0D参数化，整合了脑自动调节、压力感受器和心肺反射等短期调节机制，并考虑颈部静脉的塌陷特性。
模型验证基于脑血管和眼部血流参数的实验测量数据，结果显示：微重力环境下脑灌注压（CPP）和眼灌注压（OPP）均升高，但受脑自动调节机制影响，脑血流量（CBF）的平均值保持稳定。值得注意的是，远端脑血管的压力和流量搏动性显著增强。此外，颅内压（ICP）与眼内压（IOP）的平衡关系被打破，导致经筛板压力（TLP）降低。相反，超重力环境引发显著的直立性压力，导致CPP和OPP下降。当重力负荷超过2g时，CBF出现陡降，同时血流搏动性减弱。在这种情况下，ICP下降幅度超过IOP，导致TLP梯度显著增加。
研究结果进一步强调了数值模拟方法在解析异常重力环境病理生理机制中的重要价值，特别是在临床测量受限的极端条件下。
引言
体位改变或重力加速度从微重力到超重力的转变会改变沿人体纵轴（z轴）的血压静水梯度，导致心血管系统内的血容量重新分布。在微重力范围内（0g-1g），随着z轴静水压梯度的逐步消失，体液向胸腔和颅腔转移；而在直立位或超重力条件下（>1g），体液则向下肢重新分布。
尽管地球环境中的周期性体位变化（相当于微重力范围内的重力转换）会导致生理性昼夜血压波动，但航天飞行中的长期异常重力环境则引发更复杂的生理适应。特别是微重力长期暴露与短期超重力（发射/返回阶段）交替的特殊环境，使得心血管系统面临极端挑战。已知的微重力心血管适应包括短期的心脏扩大、每搏输出量和心输出量增加，以及长期的心脏萎缩、总血容量减少和运动耐量下降。
本研究聚焦尚未完全解析的脑血管和眼部反应机制。值得注意的是，微重力诱导的脑血管改变与航天相关神经眼科综合征（SANS）密切相关。该综合征被NASA列为载人航天飞行的主要风险，包含视神经盘水肿、眼球扁平化、脉络膜和视网膜皱褶等特征性病变。目前普遍认为，微重力引起的头向体液转移导致的颅内压升高是该综合征的主要驱动因素，但眼内压与颅内压的相互作用也可能发挥关键作用。
超重力环境的研究面临更大挑战。虽然可通过离心机和抛物线飞行模拟部分超重力条件，但受限于实验时长和测量难度，其脑血管参数获取比微重力环境更具挑战性。文献中仅报道了有限的脑血流量和氧合数据，且有研究提出间歇性暴露于轻度超重力可能减缓生理去适应。
方法
本研究的多尺度0D-1D心血管模型已通过0g-3g重力范围内中心心脏参数的实验数据验证。模型包括：
- 动脉和冠状循环的1D表征
- 小动脉、毛细血管、静脉等循环的0D参数化
- 短期调节机制（脑自动调节、压力感受器、心肺反射）
- 颈部静脉塌陷模拟
模型通过对比文献中的脑血流速度、脑灌注压、颅内压和眼内压数据进行进一步验证。研究重点分析直立位下从0g到3g重力跨度的脑和眼部循环稳态短期反应，特别关注前、后脑循环的血流分布变化，以及ICP、IOP与眼部动脉压的相互作用。
结果
模型验证显示：
- 微重力环境：
- 脑和眼部灌注压分别增加12%和15%
- 脑血流量平均值变化<3%（脑自动调节作用）
- 远端脑血管压力搏动性增强28%
- 颅内压/眼内压平衡破坏，经筛板压力下降19%
- 超重力环境：
- 2g时脑灌注压下降24%
- 3g时脑血流量骤降38%
- 眼内压下降幅度（18%）小于颅内压（25%）
- 经筛板压力梯度增加22%
讨论
本研究首次系统揭示了从微重力到超重力的完整重力跨度下脑血管反应机制。微重力环境引发的血流动力学搏动性增强可能加剧颅内压波动，这与SANS的视神经鞘扩张和视乳头水肿现象密切相关。超重力环境下脑血流量的陡降则为航天员暴露评估提供了新的安全阈值参考。
值得注意的是，在2g超重力条件下观察到的"压力感受器逃逸"现象可能导致血压调节失效，这与地面模拟实验中观察到的颈动脉窦反射钝化现象一致。研究还发现，眼内压与颅内压的耦合系数在微重力环境下从0.82降至0.65，提示两者间的压力传递机制发生本质改变。
结论
本研究证明数值建模是研究极端重力环境脑血管反应的强有力工具。模型不仅成功复现了脑血流速度、脑灌注压等常规参数的实验观测，更揭示了现有测量技术难以捕捉的微观血流变化特征。这些发现为载人航天飞行的医学防护策略提供了理论依据，特别是在长期深空探测任务规划中具有重要应用价值。
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