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心理所合作研究模拟太空微重力系统条件对风险决策及脑功能的影响
作者: 行为科学重点实验室李纾研究组 王赟 ║ 日期: 2014/07/17 

  从“嫦娥奔月”的古老神话到“星际迷航”,人类一直梦想着在太空生活,甚至移民到新的星球。但实现这一梦想,不仅需要掌握更先进的航天与空间技术,还要能够掌控太空微重力条件下的各种风险与不确定。人类已经开始研究关于星际航天的问题,这种长时的太空作业任务会引起一些意想不到的挑战和风险,因此有效的风险管理将为航天任务的顺利完成提供保证。无可否认,人的因素在太空飞行任务中起着决定性的作用,所以有效地进行风险决策的能力对航天员来说至关重要。以航天员进行“交互对接”的决策为例,这一决策的风险非常高:失误的后果可能是轻则撞毁交互对接装置,重则可能“船毁人亡”。然而,目前学术界极少有人对微重力系统条件下航天员的风险行为进行探究。 

  已有研究多集中于对真实或者模拟的太空微重力系统条件对个体生理功能或基础认知功能的影响,而较少对人类高级心理功能(比如风险决策)的影响开展研究。当个体处于微重力或模拟微重力这种不确定和孤立的环境中时,风险决策作为一种高级认知功能,对个体的行为活动异常重要,进而也影响着载人航天任务能否顺利完成。更深层次来说,为了理解这些生理及心理变化背后的神经机制,研究微重力系统条件对人类大脑功能及结构的影响至关重要。一方面,研究与风险决策任务相关的脑功能活动的改变可发现微重力对风险决策影响的神经基础;另一方面,已有研究发现静息态自发的脑功能活动可以有效地反映人类大脑对外界刺激响应时的大脑活动,因此研究微重力对静息态自发脑功能活动的影响可为微重力系统条件下人们生理及心理变化的神经机制提供有价值的信息。 

  为了研究模拟微重力系统条件对风险决策及脑功能活动的影响,中科院百人计划学者、心理所学位委员会主任、行为科学重点实验室学术委员会副主任李纾研究员的科研团队与航天员科研训练中心合作,基于仿真气球风险决策任务,在45-6o头低位卧床模拟微重力系统条件下,收集了被试的风险决策行为数据及基于风险任务的影像学数据和静息态的影像学数据。该实验挑选了16个没有家族精神病史和慢性疾病、没有神经疾病和肌肉骨骼系统疾病、没有传染病以及没有睡眠障碍的健康男性作为被试,并要求被试在45-6o头低位卧床期间,所有日常活动都躺在床上进行(如图1)。卧床实验分三个阶段进行,包括卧床前10天,卧床中45天和卧床后10-15天恢复期。对于风险决策行为实验,被试在卧床前第7天,卧床中第71421283541天和卧床后第7天共接受8次相同的测试。对于风险决策和静息态的fMRI实验,被试在卧床前第8天和卧床后第3天共接受2次相同的测试。 

  风险决策的研究发现,模拟微重力系统条件对被试的风险决策行为表现没有显著的影响。然而,影像数据显示,腹内侧前额叶皮层(VMPFC)的负激活程度在卧床后显著降低(图2)。此外,卧床前,获益结果所引发的VMPFC激活程度显著地高于损失结果所引发的激活程度;但卧床后获益和损失之间VMPFC的激活没有显著差异。由于在风险决策中VMPFC的活动性表征价值计算能力,这些结果表明,微重力系统条件会对被试的高级认知功能产生影响,卧床后被试的价值计算能力有所下降。静息态脑功能活动的研究发现,卧床后左侧前脑岛(aINS)和中扣带(MCC)的前部两个脑区的中心度(degree centrality)有显著下降(图3)。进一步,将上述两个脑区作为种子点的脑功能连接分析显示,与aINSMCC有关的脑功能网络受到了模拟微重力的影响。具体来说,卧床后左侧aINS和中扣带、辅助运动区及其邻近的前额叶皮层的正连接强度有显著下降;卧床后MCC和左右脑岛、邻近额下回、右侧额上回及中央前回的正连接强度有显著下降;卧床后MCC和内侧额上回的负连接强度有显著下降。这些结果为模拟微重力系统条件可改变静息态脑功能活动提供了证据,并进一步提示模拟微重力系统条件尤其影响到与凸显事件的信息处理及自主神经功能相关的aINS-MCC脑功能网络。 


1:被试正在进行实验


2:卧床后VMPFC的负激活程度下降 


3:卧床前后中心度有显著变化的区域(左侧aINSMCC 

  本研究除了可增进对微重力系统条件对个体高级认知功能的影响的理解外,也对进一步优化航天员的选拔和培训提供了科学依据,并为理解受药物及行为限制的身体活动引起的认知损伤、久坐不动的生活方式对个体的影响、与失重相关的人类疾病(比如直立耐受不能)的神经机制提供了新的认识。因此,本研究结果为研究航天员长期太空飞行中产生的各种生理和心理功能的改变提供了神经基础,为理解微重力、认知功能、自主神经功能和中枢神经活动之间的关系提供了新的视角。 

  本研究部分受国家重点基础研究发展规划(973项目,2011CB711000),中国科学院基础前沿专项研究(KSCX2-EW-J-8)、国家自然科学基金(31170976911323013130084331070984)、中国科学院心理研究所科研基金(Y2CQ043005)和国家人因工程重点实验室基金(HF2011Z-Z-A01)支持。研究结果已发表在Frontiers in Behavioral Neuroscience上。 

  Rao L-L, Zhou Y, Liang Z-Y, Rao H, Zheng R, Sun Y, Tan C, Xiao Y, Tian Z-Q, Chen X-P, Wang C-H, Bai Y-Q, Chen S-G and Li S (2014) Decreasing ventromedial prefrontal cortex deactivation in risky decision making after simulated microgravity: effects of −6° head-down tilt bed restFront. Behav. Neurosci8:187. doi: 10.3389/fnbeh.2014.00187 

    Zhou Y, Wang Y, Rao L-L, Liang Z-Y, Chen X-P, Zheng D, Tan C, Tian Z-Q, Wang C-H, Bai Y-Q, Chen S-G and Li S (2014) Disrupted resting-state functional architecture of the brain after 45-day simulated microgravityFront. Behav. Neurosci8:200. doi: 10.3389/fnbeh.2014.00200

 

 

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