综述：微重力对人脑的神经生物学效应：太空飞行与类比研究的系统综述

《Life Sciences in Space Research》：Neurobiological Effects of Microgravity on the Human Brain: A Systematic Review of Spaceflight and Analog Studies

　　

•长期太空飞行会扩大脑室并在脑内重新分布脑脊液。
•微重力使大脑向上移位并改变颅内流体动力学。
•灰质和白质的变化具有区域特异性，特别是在感觉运动区域。
•平衡和感觉运动表现的下降比认知功能更一致。
•太空飞行或模拟微重力后，NfL、GFAP、Aβ和 tau 显示出变化。

引言

在过去二十年中，人类太空飞行已从低地球轨道的短期任务扩展为在国际空间站（ISS）上的持续居住。与此同时，诸如 NASA 的阿尔忒弥斯（Artemis）计划等项目旨在建立月球上的长期人类存在，并实现未来的载人火星任务（Taveau, 2026, Villar Bola?os, 2025, Glaze et al., 2025）。随着任务持续时间的增加，了解地外环境对生理和神经的长期后果已成为航天医学的主要优先事项。在可能受微重力影响的器官系统中，中枢神经系统（CNS）因其对在太空飞行期间的认知、感觉运动整合、自主神经调节和行为表现起到的关键作用，已成为一个特别令人关注的领域（Dinatolo and Cohen, 2022, Seidler et al., 2024）。

早期对太空飞行相关神经生理学的研究主要强调前庭障碍和运动病。然而，神经成像、神经认知评估和系统神经科学的发展表明，太空飞行与大脑结构（McGregor et al., 2023）、功能和连接性（Jillings et al., 2023）的可测量变化有关，其中一些变化可能持续到飞行后近期之外。长期任务现在与脑室扩大（Van Ombergen et al., 2019）、脑脊液（CSF）重新分布（Warthen et al., 2025）、灰质和白质重塑（Lee et al., 2019, Li et al., 2015）以及大规模功能网络的改变（Al-Ahmadi et al., 2026, van Es et al., 2025, Pechenkova et al., 2019）有关。值得注意的是，这些神经生物学变化日益与行为结果联系在一起，包括感觉运动表现、认知功能和飞行后恢复轨迹。另一个关键问题是航天飞行相关神经眼部综合征（SANS），其特征为眼球扁平化、视神经鞘扩张和视觉变化，可能由微重力引起的颅内流体动力学、静脉流出和横层压力梯度的改变驱动，而不是持续的颅内高压（Lee et al., 2020, Nguyen et al., 2025）。

重要的是，这些发现表明大脑不仅仅是环境压力的被动接受者，而是可能在微重力和相关应激源的作用下发生动态适应。此类变化是代表有益的塑性、暂时的补偿还是早期的脆弱性，可能取决于暴露持续时间、个体易感性、对抗措施以及飞行后评估的时间。

太空环境施加了与陆地条件不同的一系列独特的生理应激源。作为其定义特征，微重力诱导头向体液转移，改变静水压梯度，并破坏对空间定向和运动控制至关重要的前庭输入。这些变化影响脑血管动力学、CSF 循环和颅内压调节。此外，其他环境因素——包括暴露于太空辐射、昼夜节律破坏、隔离和作战需求——被认为是太空任务期间观察到的神经改变和认知变化的潜在贡献因素（Kourtidou-Papadeli, 2020, Krittanawong et al., 2022, Hupfeld et al., 2021）。总之，这些因素创造了一个复杂的生理环境，可能通过相互作用且 potentially 协同的机制影响 CNS 结构和功能。

尽管取得了实质性进展，航天神经科学面临的一个核心挑战是将观察到的神经生物学变化具体归因于微重力，而不是其他共发的环境应激源。地面模拟模型，包括头低位卧床休息（HDBR）和抛物线飞行，提供了控制平台以隔离关键机制，如体液重新分布和感觉输入的改变（Saveko et al., 2023, Hao et al., 2025, Harris et al., 2022, Pandiarajan and Hargens, 2020）。然而，这些模型不能完全复制长期太空飞行的综合效应，包括辐射暴露和任务相关应激源。因此，宇航员中观察到的神经改变最好被理解为多因素相互作用的结果，涉及对脑血管调节、神经塑性和脑功能的复杂且 potentially 非线性的影响。因此，在本综述中，在可能的情况下，分别解释来自真实太空飞行、HDBR、抛物线飞行和专注于颅内压（ICP）的研究结果，并注意暴露持续时间、评估时间、对抗措施、参与者特征和共发的环境应激源。

鉴于该领域快速扩展和跨学科的性质，有必要对当前证据进行全面综合。本综述采用多尺度框架，整合结构神经成像、功能性脑组织、生理适应和循环生物标志物，以阐明微重力相关条件如何影响人脑。一个核心目标是将真实太空飞行的结果与源自受控人类模拟研究（包括 HDBR 和抛物线飞行）的证据结合起来，后者在实验控制条件下提供机制洞察。

如上所述，尽管兴趣日益增长，但文献仍然分散在多个方法论领域，包括结构 MRI、扩散成像、功能连接、行为生理学和生物标志物研究。研究设计、暴露持续时间、参与者特征和结果指标的变异性限制了对 CNS 适应微重力的统一理解能力。此外，现有研究通常关注大脑结构或功能的孤立方面，突显了跨实验范式进行综合综合的必要性。

因此，本系统综述旨在综合现有的人类证据，关于真实和模拟微重力对 CNS 的影响。具体而言，本综述评估了微重力对大脑结构、白质和灰质微观结构、CSF 动力学、颅内生理学、功能性脑活动、认知和感觉运动表现，以及与轴突应激或周转或神经变性相容的生物标志物变化的影响。确实，通过整合来自不同方法的发现，本综述旨在识别神经生物学适应的共同模式，并强调理解长期太空飞行期间神经风险的关键差距。

章节片段

方法和材料

本系统综述按照 PRISMA 指南进行（Matthew et al., 2021）（附录 1）。由于研究在暴露类型（太空飞行、HDBR、抛物线飞行）、结果（MRI、生理学、生物标志物）和设计方面存在显著的异质性，因此未进行正式的荟萃分析。此外，许多研究缺乏用于汇总的标准化定量数据（例如均值和标准差），且小样本量进一步限制了可比性。

结果

最初识别并评估了 90 项研究。其中，19 项动物研究和 7 项体外研究因非人类实验设计而被排除，31 篇综述文章被排除，以仅保留原创研究。经过此筛选过程，确定了 33 项研究（Jillings et al., 2023, Warthen et al., 2025, Li et al., 2015, Pechenkova et al., 2019, Roberts et al., 2019, Riascos et al., 2019, Kramer et al., 2020, Kramer et al., 2012, Koppelmans et al., 2016, Lee et al., 2019,

讨论

本系统综述旨在全面综合现有的人类证据，关于真实和模拟微重力对 CNS 的影响。总共确定了 33 项研究（Jillings et al., 2023, Warthen et al., 2025, Li et al., 2015, Pechenkova et al., 2019, Roberts et al., 2019, Riascos et al., 2019, Kramer et al., 2020, Kramer et al., 2012, Koppelmans et al., 2016, Lee et al., 2019, Van Ombergen et al., 2019, Barisano et al., 2022, Jillings et al., Wang et al., 2026, Salazar et al., 2023,

结论

本系统综述综合了与真实和模拟微重力相关的 CNS 变化的人类证据。在现有文献中，最一致且相对支持充分的发现涉及长期太空飞行后的脑室扩大、大脑向上位移、CSF 重新分布和改变的颅内流体动力学。这些发现已在几项基于 MRI 的研究中重现，并支持头向体液转移在重塑

缩写

ISS: 国际空间站；CNS: 中枢神经系统；CSF: 脑脊液；SANS: 航天飞行相关神经眼部综合征；HDBR: 头低位卧床休息；ICP: 颅内压；NfL: 神经丝轻链；GFAP: 胶质纤维酸性蛋白；Aβ: β-淀粉样蛋白；PVS: 血管周围间隙。

伦理批准和参与同意

本研究无需此操作，因为这是一篇综述，没有参与者参与其中。

出版同意

不适用。

作者贡献

A.A. 构思并设计了研究，并担任通讯作者。A.A. 和 F.A. 独立进行了文献搜索，筛选了研究，并进行了数据提取和验证。A.A. 起草并修订了手稿，F.A. 贡献了关键修订。A.A. 监督和指导了研究的所有阶段。两位作者审查并批准了手稿的最终版本。

数据和材料的可用性

生成和分析的所有数据集，包括搜索策略、纳入和排除研究列表、提取的数据和质量评估，均在文章中提供，并可从通讯作者处获取。

资金

本研究未从公共、私营或非营利部门的资助机构获得特定资助。

CRediT 作者贡献声明

Ali Azargoonjahromi: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，可视化，验证，监督，方法论，调查，概念化。Fatemeh Abutalebian: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，验证，方法论，调查，概念化。

利益冲突声明

无利益冲突需声明。

致谢

不适用。

Ali Azargoonjahromi|Fatemeh Abutalebian