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为解决太空微重力对人体影响的研究难题，中国医学科学院医学实验动物研究所的研究人员以小鼠为对象开展 3D 回转器模拟微重力研究。结果表明该模拟对小鼠多方面有影响，此研究为太空健康研究提供新视角，值得科研人员一读。
在人类探索宇宙的漫漫征途中，太空飞行充满了无限魅力，却也隐藏着诸多挑战。长期处于太空的微重力环境，就像给宇航员们打开了一个 “潘多拉魔盒”，各种健康问题接踵而至。你瞧，重力的大幅减弱让宇航员们的身体仿佛陷入了混乱。骨骼因为缺少重力的刺激，开始 “偷偷” 流失钙质，变得脆弱不堪；肌肉也变得慵懒起来，逐渐萎缩，力量大不如前；心血管系统也跟着捣乱，血压、心率变得不稳定 。
而在这些健康问题中，微重力对大脑功能的影响，更是一个亟待解开的谜题。想象一下，宇航员们在太空里，不仅要应对复杂的任务，还要克服身体的各种不适，大脑还可能出现各种状况，这该有多难！有研究发现，他们在太空中会出现共济失调（简单来说，就是身体协调性变差，走路摇摇晃晃，动作也不那么精准了）、姿势紊乱（难以保持正常的站立、行走姿势）、知觉错觉（看东西、感觉周围环境都不太对劲儿）、疲劳，甚至认知功能也会受到损害（记忆力、思考能力下降） 。这些问题不仅威胁着宇航员的身体健康，还可能影响太空任务的顺利进行。
但研究太空微重力对人体的影响可不容易。太空飞行成本高昂，技术要求极高，这些都限制了直接在太空开展大量研究。所以，科学家们把目光投向了地面模拟模型，希望能找到一种有效的方法，在地球上模拟出太空微重力环境，从而深入研究其对人体的影响。在众多模型中，尾吊后肢卸载模型曾经是经典之选，它在研究微重力对肌肉骨骼系统的影响方面发挥了重要作用。不过，这个模型就像一把有缺口的宝剑，存在明显的局限性。它只能局部模拟微重力，没办法让整个实验动物都处于模拟环境中。而且，和真正的太空飞行相比，在体感输入、空间定向和前庭干扰等方面都存在差异，不能完全还原太空的真实情况。
为了更深入地探究微重力对人体的影响，尤其是对中枢神经系统和认知功能的作用，中国医学科学院医学实验动物研究所的研究人员们踏上了探索之旅。他们的研究成果发表在了《Scientific Reports》期刊上，论文题目是 “Behavioral and multiomics analysis of 3D clinostat simulated microgravity effect in mice focusing on the central nervous system” 。这项研究就像一把钥匙，为我们打开了理解微重力影响的新大门，它发现 3D 回转器模拟的微重力对小鼠的行为、代谢、肠道微生物群和大脑转录组都有着深远的影响，而且 3D 回转器模型比后肢卸载模型更接近太空飞行动物的大脑转录组表达谱，为在地球上模拟微重力效应提供了一种全新且极具价值的研究工具。
研究人员为了开展这项研究，使用了多种关键技术方法。在动物实验方面，他们精心挑选了 10 周大的雄性 C57BL/6J 小鼠，将其分成三组，分别放在普通笼子、生存箱和接受 3D 回转器处理的生存箱中。之后，运用了一系列行为学测试，如握力实验、旷场实验、新物体识别实验等，来观察小鼠的行为变化。在分子层面，研究人员利用了大脑转录组学、血清代谢组学和粪便微生物组学技术。大脑转录组学可以分析大脑基因的表达变化，血清代谢组学能够研究血清中代谢物的改变，粪便微生物组学则聚焦于肠道微生物群落的变化 。此外，还通过微 CT 对小鼠股骨进行扫描，分析骨骼参数的变化。
下面来看看具体的研究结果：
3D 回转器对小鼠体重和一般状态的影响
研究人员就像一群细心的 “鼠鼠观察员”，每天密切关注着小鼠体重的变化。他们发现，放在生存箱里的小鼠（SB 组）和普通笼子里的小鼠（MC 组）体重变化差不多，这说明小鼠们对生存箱适应得还挺好。而接受 3D 回转器处理的小鼠（CS 组）可就不一样了，刚开始的 4 天，它们的体重像坐过山车一样直线下降。不过别担心，这些小鼠慢慢适应了 3D 回转器的环境，体重逐渐稳定下来，最后还恢复到了和其他两组差不多的水平。这就像小鼠们找到了和 3D 回转器和谐共处的方法，整个实验过程中，小鼠们看起来都很健康，说明它们成功适应了这个特别的仪器。
3D 回转器对认知和运动相关行为的影响
为了搞清楚 3D 回转器对小鼠认知和运动的影响，研究人员给小鼠们安排了一场又一场 “趣味挑战”—— 行为学实验。旷场实验中，CS 组小鼠就像失去了探索新环境的热情，运动距离和运动时间都大幅减少，在 Y 迷宫、高架十字迷宫和新物体识别实验中也是如此，这表明 3D 回转器让小鼠的活动和探索欲望明显降低。在学习和记忆能力测试中，CS 组和 SB 组在新物体识别实验的识别指数、Y 迷宫的自发交替指数以及莫里斯水迷宫的平台潜伏期等方面都没有显著差异，看来 3D 回转器对小鼠的学习和记忆能力影响不大。
在运动能力测试里，握力实验显示三组小鼠没什么区别，但在转棒实验中，SB 组小鼠因为生存箱空间限制，掉落潜伏期明显比 MC 组短，而 CS 组小鼠经过 3D 回转器的 “锻炼”，平衡能力似乎有所提升，掉落潜伏期比 SB 组长。步态分析也发现，CS 组小鼠的一些步态参数和 SB 组相比有显著变化，这说明 3D 回转器对小鼠的前庭平衡系统产生了影响。在焦虑和抑郁相关实验中，强迫游泳实验、悬尾实验和高架十字迷宫实验结果表明，三组小鼠在这些方面没有明显差异，不过在恐惧条件反射实验中，CS 组小鼠对恐惧刺激更敏感，恐惧记忆也增强了，尤其是在恐惧消退阶段，CS 组小鼠的冻结率显著增加，这意味着它们的恐惧记忆更难消退。
3D 回转器对股骨参数的影响
骨骼健康也是研究的重点。研究人员利用微 CT 扫描小鼠的股骨，就像给股骨做了一次 “深度体检”。结果发现，SB 组和 CS 组小鼠都出现了明显的骨丢失，和 MC 组相比，它们的骨体积和骨小梁数量减少，骨小梁模式因子和骨小梁分离度增加。而且，CS 组的骨丢失情况看起来比 SB 组更严重，虽然没有达到统计学差异，但也能看出 3D 回转器对骨骼的影响不容小觑。
3D 回转器对大脑转录组的影响
大脑是人体的 “司令部”，研究人员对大脑转录组进行测序，看看 3D 回转器有没有让这个 “司令部” 发生变化。结果发现，三组之间有不少差异基因。进一步分析这些差异基因，发现 3D 回转器主要影响了免疫和内分泌相关的信号通路，涉及到疟疾、非洲锥虫病、自身免疫性甲状腺疾病等疾病相关的通路，还有 GnRH 分泌和信号通路、卵巢类固醇生成等，这表明 3D 回转器模拟的微重力环境引发了大脑一系列复杂的生物学反应。
3D 回转器对血清代谢组学的影响
血清代谢组学的研究就像一场 “寻宝游戏”，研究人员在血清中寻找各种代谢物的变化。通过非靶向代谢组学分析，他们发现了许多代谢物的改变。和 SB 组相比，CS 组的一些血清代谢物如 Lys - Leu、2 - 酮 - D - 葡萄糖酸等显著上调，而 Poricoic acid a、L - 赖氨酸等则显著下调。这些代谢物的变化涉及到 ABC 转运蛋白、鞘脂信号通路和代谢等多个途径，说明 3D 回转器扰乱了小鼠的脂质代谢、能量产生和细胞信号传导过程。
3D 回转器对微生物组的影响
肠道微生物群就像住在小鼠肠道里的 “小居民”，研究人员通过 16S rRNA 测序来了解这些 “小居民” 的变化。结果发现，MC 组小鼠的粪便微生物群丰富度比 SB 组和 CS 组高。在属水平上，CS 组的拟杆菌属和 Turicibacter 明显减少。功能分析还发现，CS 组和 SB 组在铁死亡、PPAR 信号通路等 KEGG 信号通路上存在显著差异，这表明 3D 回转器改变了肠道微生物群的组成和功能，可能对宿主健康产生影响。
3D 回转器模拟微重力效应模型与经典后肢卸载模型和太空飞行小鼠的比较
为了评估 3D 回转器模拟微重力效应模型的有效性，研究人员把它和经典的后肢卸载模型以及太空飞行小鼠进行了对比。结果发现，这三种模型之间差异很大，重叠的差异表达基因很少。不过相比后肢卸载模型，3D 回转器模型在基因表达模式上和太空飞行小鼠更相似，它们共享一些 KEGG 信号通路和差异基因，这进一步证明了 3D 回转器模型在研究微重力对中枢神经系统影响方面更具优势。
从这项研究的结论和讨论部分可以看出，3D 回转器模拟的微重力效应在小鼠身上引发了一系列有趣的变化。行为学实验表明，它对小鼠的身体活动和探索行为影响很大，但对学习和记忆的影响却比较复杂，可能存在一些补偿机制维持着小鼠的认知能力。运动协调和平衡测试则发现，小鼠的前庭系统发生了微妙变化，这和宇航员在太空经历的前庭功能障碍很相似。而且，3D 回转器处理的小鼠对恐惧刺激更敏感，恐惧记忆增强，这对理解宇航员在太空中的心理和情绪挑战有着重要意义。
在基因表达方面，3D 回转器模型和太空飞行小鼠模型在一些关键信号通路和基因上表现出相似性，这让 3D 回转器模型成为研究微重力对中枢神经系统影响的有力工具。同时，血清代谢组学和微生物组学的研究也揭示了 3D 回转器对小鼠全身代谢和肠道健康的影响，为我们理解微重力环境下的健康问题提供了更多线索。
不过，研究也存在一些局限性。样本量相对较小，可能会遗漏一些细微的行为变化；实验只使用了雄性小鼠，没有考虑性别差异；生存箱的环境也可能对实验结果产生干扰。但尽管如此，这项研究依然为我们打开了一扇了解微重力影响的新窗口。未来，研究人员可以针对这些局限性进一步探索，比如扩大样本量、研究雌性小鼠的反应，深入研究特定脑区和分子通路，寻找缓解微重力对宇航员健康不利影响的方法，让人类在探索宇宙的道路上走得更稳、更远。
