微重力环境对神经内分泌功能的影响
当人与动物乘坐航天器进入宇宙空间时，就失去了地球对他们的引力而进入微重力（microgravity）或失重（weightlessness）状态，这是一种极特殊的环境。由于地球重力作用的普遍性和长期持续性，人及动物都已很好地适应了重力环境，机体生理功能以及调控生理功能的神经和体液调节系统也都适应了这种环境。在微重力或失重状态下，由于失重也是持续作用于机体而无法排除的环境因素，人和动物在失重状态下生理功能也会发生一系列的调整，以适应失重环境，这种调整作用必然发生在从整体到器官、组织和细胞、分子的各个层次。
失重或微重力生理学研究一般通过在地面的人工模拟微重力、失重状态实验和太空飞行舱、航天飞机的现场观测而实现的。自20世纪70年代以来，科学家对失重状态下的生理适应能力、心血管反应、运动与肌肉功能以及机体免疫系统的应答能力等进行了较为深入的研究，促进了航天医学和生理学的发展。近年来，科学家们更着重探讨航天失重条件下生理反应的作用机制，探讨失重状态下的神经内分泌功能的改变及其对心血管功能、肌肉运动功能的影响和调节机制。下丘脑-垂体系统是神经内分泌及体液调控的中枢，在整合、调节机体生命功能和维持机体内环境稳定方面起着十分重要的作用。
（一）失重对下丘脑-垂体及靶器官激素的作用
人及生活在地球上的动物，在地球重力引力场作用下，骨骼和肌肉组织参与机体的重力承受和姿势的维持。在航天飞行期间，进入失重状态，骨骼与肌肉所承担的重力突然间消失，若持续数日，则出现肌肉萎缩和骨质丢失。这种由失重引起的生理功能状态的改变与垂体GH的分泌功能有密切关系。
美国的一项研究报道了在太空实验室（SL-3）航行7天后，大鼠腺垂体GH细胞中GH含量的测定结果。无论采用生物活性GH检测法还是免疫活性GH检测法，测得太空飞行后，腺垂体GH细胞内的GH含量为未太空飞行大鼠的2倍。然而，当腺垂体细胞体外培养时，从飞行组细胞释放到培养基中的GH却比未飞行的对照组要少。若将GH细胞移植到垂体切除的大鼠侧脑室中，飞行组细胞释放的GH为未飞行对照组的一半。用高压液相色谱分析法，分析培养液中垂体GH分泌的生物活性高的大分子成分，比太空飞行后的GH细胞中要少，但电镜检查腺垂体GH细胞的超微结构无明显改变。
美国、俄罗斯科学家还比较了1987年“宇宙1887”和“宇宙2044”分别绕地球飞行12.5天和14天后，返回到地面时大鼠腺垂体的GH细胞系统。用生物活性GH检测法测得太空飞行后，腺垂体分泌GH能力明显降低，而GH细胞质特异性染色强度增加，细胞质被GH激素所占据。用尾悬吊法测得大鼠GH分泌的改变与飞行组相似。两个飞行组腺垂体细胞中免疫活性的GH含量无明显差异。但在微重力状态下，生物活性GH和免疫活性GH间的比值（B/I）常小于1。太空飞行后垂体分泌GH的能力降低，有助于理解为什么太空飞行会导致骨质丢失、肌肉萎缩、免疫系统抑制以及神经内分泌的作用机制。基于上述的研究，Hymer等提出微重力和失重对腺垂体GH细胞功能产生3个方面的作用：首先是脑促生长激素释放因子（GRF）通过促生长激素细胞表面的受体激活，刺激GH分泌，而经太空飞行后的腺垂体移植到垂体切除大鼠脑室中，却对GRF无反应性，揭示GH细胞亚群中发生了受体或受体后缺陷。此观点亦得到尾悬吊大鼠模拟失重状态的实验证实。其次，细胞质中的GH分泌颗粒与复杂的微管系统相关，太空飞行后细胞质中GH分泌颗粒增多，反映出其微管系统处于“非活动”状态。最后，高相对分子质量的GH聚合体免疫反应性较弱，太空飞行后GH细胞荧光染色强度增加可能反映GH细胞中GH分子间的二硫键减少，从而导致GH生物活性的降低。飞行后GH分泌功能低下，可能是由于腺垂体GH细胞对下丘脑GRF和生长抑素的反应不敏感，也可能是微重力直接作用于GH细胞的结果。
垂体CH细胞受下丘脑高级整合中枢GRF和生长抑素的调控。下丘脑基底部存在着“促垂体区”，主要由正中隆起、弓状核、视交叉上核、腹内侧核和室旁核等核团组成，产生和分泌多种神经肽，经垂体门静脉系统调控腺垂体的功能。
用免疫组织化学方法研究“宇宙1887”和“宇宙2044”生物飞船上大鼠下丘脑GRF和生长抑素免疫阳性物质的表达，并与对照组和尾悬吊组结果进行对比分析。认为下丘脑室旁核是调控腺垂体神经通路的神经元区，“宇宙1887”航行组大鼠正中隆起生长抑素和GRF免疫阳性反应减少，“宇宙2044”航行后正中隆起GRF免疫阳性反应比生长抑素免疫阳性反应减少的更多。应用原位杂交技术检测了生长抑素和GRF前体分子即前生长抑素原和前GRF原的mRNA，证明“宇宙1887”和“宇宙2044”飞行后，弓状核前GRF原mRNA的表达数量较同步对照组减少46％，同时阳性细胞中银粒密度显著降低。弓状核的这一特点具有特征性，因为下丘脑的腹内侧区的原位杂交阳性细胞数未见明显影响，细胞中银粒密度减少程度也不及弓状核区。前生长抑素原mRNA的表达在室旁核前部最强，飞行组和尾悬吊组室旁核前部的表达与对照组比较无明显差异。因此，提出微重力和失重会导致下丘脑GRF神经肽和GRF mRNA的表达降低，并进而损害腺垂体GH细胞的分泌功能，这或许就是太空飞行降低腺垂体细胞分泌GH的调控机制。
太空飞行时，人的体液和电解质平衡会发生变化，表现出血浆容积减少和钠钾排泄增加。当太空飞行后返回地面时，机体通过再水化作用和增加肾素-血管紧张素-醛固酮的活性，使不平衡现象很快得以纠正。当大鼠暴露于微重力条件时也可观察到类似于太空飞行后的体液、电解质和激素的反应。对太空飞行后的下丘脑和腺垂体做显微检查，显示激素的合成和分泌增加。
由于在太空飞行过程中检测体液、电解质的合成和分泌，在小哺乳动物体上极其困难，何况抓取动物引起的应激刺激足可以影响血浆内催产素和加压素的水平。因此，Keil等美国、俄罗斯科学家（1992）不用测定血浆激素水平的方法，而是测定太空飞行后垂体激素的含量水平，认为这更能反映太空飞行期间所发生的激素分泌改变，并以垂体中催产素和升压素含量来指示飞行期间体液和电解质平衡改变的激素调节机制。他们对1989年“宇宙2044”上飞行过的大鼠催产素和升压素进行了研究。当在“宇宙2044”上飞行14天后，垂体内的催产素和加压素平均水平比对照组下降27％，而且用尾悬吊大鼠作对照，所得结果也相近。如若用每毫克垂体蛋白中所含催产素和加压素的微克表示，太空飞行后催产素和加压素在垂体中的含量相当于对照动物的20％～33％，差异非常明显。这些科学家认为，他们观察到的飞行后垂体中催产素和升压素含量下降的现象，与1987年“宇宙1887”上飞行了125天的大鼠所得结果相似，从而提出太空飞行后垂体中催产素和升压素含量下降的现象可能在大鼠暴露于微重力期间就已经发生的观点。盐水排泄形式以及肾脏内各部位电解质的分布在太空飞行后的前4天会发生迅速变化。肾脏对升压素的反应性在人体暴露于微重力场或者刺激性微重力场中也会发生改变。对升压素敏感性降低可能是多种因素造成的，它们影响了肾细胞内过程，肾对加压素敏感度的下降可能会导致加压素分泌的增多，从而降低垂体中升压素的含量。
太空飞行的大鼠会出现垂体催产素水平的降低，众所周知，脱水可以引发垂体催产素和升压素水平的降低。应激时大鼠催产素的分泌会增加，催产素可促进CRH的分泌并进而刺激腺垂体中ACTH的分泌。太空飞行后垂体中催产素水平的减少部分机制是慢性应激反应的结果，是动物对微重力环境适应的结果。
Hymer等美国和俄罗斯科学家小组发表了他们对“宇宙1887”和“宇宙2044”飞行后的大鼠垂体细胞分泌PRL的研究结果。“宇宙1887”和“宇宙2044”分别于太空飞行后返回地面48小时和11小时处死大鼠，取垂体进行细胞培养。大鼠尾悬吊14天后，1小时取垂体细胞培养。发现太空飞行后的垂体细胞分泌PRL能力，无论是生物法检测的生物活性PRL，还是免疫法检测的免疫活性PRL，均有不同程度的降低，两者比值小于1。在太空飞行后，垂体细胞分泌生物活性PRL的能力与GH的分泌反应相似，其抑制作用于尾悬吊组结果是一致的。由于未发现太空飞行或尾悬吊后垂体细胞内有实质性变化，所以太空飞行或尾悬吊对生物活性PRL与免疫活性PRL的比值影响的分子机制，目前尚不清楚。
Merrill等报道了他们对“宇宙2044”号太空飞行后的大鼠血浆激素水平以及与代谢相关血浆组成变化的测试结果。当太空飞行14天后，大鼠肾上腺重量无明显变化，睾丸重量明显高于尾悬吊组，但低于同步对照组，而且实验各组动物的睾丸都有不同程度的萎缩，尾悬吊组最严重。除设在发射基地的对照组大鼠外，所有各组的血浆皮质酮水平均升高，太空飞行组和同步对照组血浆皮质酮水平明显增高，表明肾上腺受到了刺激。尾悬吊组大鼠肾上腺肥大，但血浆皮质酮水平低于太空飞行组，而与各对照组无明显差异。血浆皮质酮水平与肾上腺重量之间的相关系数并无明显差异。太空飞行和尾悬吊均导致血浆睾酮水平的下降。尾悬吊使睾丸重量明显减轻，但其血浆睾酮水平与睾丸重量之间无相关性差异。血浆甲状腺素水平明显低于同步对照组及其他对照组，表明太空飞行抑制甲状腺素的分泌。用放射免疫法测定血浆GH水平，太空飞行和尾悬吊组均高于同步对照组和基地对照组。血浆PRL水平各组间变化较大，太空飞行组PRL明显高于同步对照组。
Merrill等的上述研究报道中，太空飞行时血浆皮质酮水平的升高与以往的观察不同，在“宇宙1887”和太空实验室飞行后，未见到血浆皮质酮的升高。这种升高的原因可能是太空飞船地面回收处到实验室又经过乘坐直升机所引起的。再就是太空飞行后，显示血浆皮质酮增高的大鼠ACTH水平并不增高，而且用ACTH去刺激体外培养的太空飞行过的肾上腺皮质细胞，也不会导致皮质酮的高分泌。同步对照组和尾悬吊组肾上腺肥大被认为是慢性应激的结果，但是血浆皮质酮升高与肾上腺肥大之间也无平行关系。总之，飞行后增高血浆皮质酮水平的机制尚不清楚。太空飞行后及尾悬吊后血浆睾酮降低与“SL-3”和“宇宙1887”的结果是一致的，血浆睾酮浓度与睾丸内含量是平行的。尾悬吊后以及“宇宙782”飞行后血浆LH水平与对照组相近。甲状腺素血浆水平的降低是由于失重，抑制甲状腺的结果，但是“SL-3”飞行后T3或T4未见明显变化。“宇宙936”飞行后6小时，ACTH明显降低，而T3或T4与对照组比无差异。这些差别的机制仍是不清楚的。血浆GH水平的下降与“SL-3”和“宇宙1887”飞行后GH不变也是一个问题。总之，微重力对神经内分泌的作用仍需进一步研究。
（二）失重对交感-肾上腺髓质系统的作用
人在太空航行时，由于微重力场或失重的作用，宇航员面临体液向头转移，从而导致一系列不同于地球引力场的生理功能改变。其中心血管功能的失调是最大的问题，它会导致宇航员返回地面时的超重力耐受和立位耐受力下降。交感神经直接参与心血管功能的调节，其中儿茶酚胺又是考察和评定交感神经功能的主要指标。因此，了解微重力或失重对交感神经的作用很有意义。
交感神经系统兴奋时，末梢分泌去甲肾上腺素，肾上腺髓质分泌肾上腺素。各种应激刺激均会导致交感-肾上腺髓质的应答，有利于机体对外界刺激做出代偿调节。微重力或失重是一种特殊的外界因素，同样影响儿茶酚胺功能。
宇航员太空飞行期间儿茶酚胺水平发生变化。Leach报道的3名宇航员中，1名儿茶酚胺下降，另外2名儿茶酚胺不变，但飞行后儿茶酚胺水平升高。1981年又报道2个月持续的太空飞行，尿中肾上腺素减少。美国的“STS1-4”体液检查表明飞行中去甲肾上腺素增加，而肾上腺素下降。看来短期飞行中儿茶酚胺变化尚不一致，但飞行后儿茶酚胺水平增加。动物太空飞行导致组织中儿茶酚胺含量的改变，如“宇宙936”生物卫星，飞行后大鼠心肌去甲肾上腺素含量增加，“宇宙1129”飞行后心室儿茶酚胺浓度增加，而心房儿茶酚胺减少等。由于飞行过程中综合因素的作用，结果常不一致。
头低位卧床（head-down bedrest，HDBR）实验是模拟微重力场和失重环境的简易方法。这种检测可以排除真实太空飞行时重力加速度、辐射以及噪声等因素的干扰。
London等发现，HDBR 10°倾斜30分钟，血浆儿茶酚胺降低；对照组以仰卧位，血浆儿茶酚胺水平较坐位高2～3倍，这反映出应激的作用。Coldsmith等则未见到HDBR 30°倾斜时血浆儿茶酚胺改变，Cotter等也未观察到HDBR 4天血浆儿茶酚胺的改变。Gharib（1988）等证明，HDBR 10°倾斜导致去甲肾上腺素和肾上腺素水平下降，持续5小时之久。受试者从坐位变成仰卧位，血浆去甲肾上腺素也迅速下降，但血浆肾上腺素水平无明显改变。
Chobanian令受试者水平仰卧28天，产生血浆去甲肾上腺素水平降低，而HDBR则引起血浆去甲肾上腺素水平升高。Lottet-Emard等证明HDBR（6°，28天）受试者血浆儿茶酚胺水平降低，但未达到显著水平；血浆肾上腺素水平升高直到15天，且受试者间变异很大。Karemaker等的实验证明，HDBR（6°，10天）期间，受试者尿中去甲肾上腺素排出减少。该结果与太空飞行获得的资料结果一致。实际上Leach等报道在太空飞行期间，尿中去甲肾上腺素水平降低，持续达2个月之久。Maass等对36名受试者进行HDBR试验，测定肾上腺受体（血小板α2受体和淋巴细胞β2受体）密度对异丙肾上腺素刺激的反应以及尿中儿茶酚胺水平，发现HDBR期间尿中去甲肾上腺素下降，HDBR结束时去甲肾上腺素显著升高，未见HDBR对肾上腺受体的作用。Samel（1993）等则观察HDBR（6°，7天）过程中儿茶酚胺的昼夜节律变化。HDBR期间尿肾上腺素下降24％，尿去甲肾上腺素下降21％，心率明显下降，儿茶酚胺相位不变，故HDBR导致的儿茶酚胺节律改变不影响睡眠—醒觉周期。Engelke（1996）等对HDBR（5°，16天）受试者施以仰卧位自行车运动锻炼，发现心律峰值升高，且血浆儿茶酚胺增加，提示微重力可干扰交感神经对心律的调控。张光明和闰晓霞等分别对HDBR（6°，7～8天）期间进行尿液儿茶酚胺的昼夜节律变化和生理、生物化学昼夜特征研究。发现HDBR期间尿液去甲肾上腺素和肾上腺素持续下降，肾上腺素和去甲肾上腺素水平分别于第7天和第5天达最低水平，HDBR结束后第1天即恢复且超过对照水平，HDBR期间心排血量和去甲肾上腺素日均水平显著下降，外周阻力增加。去甲肾上腺素的昼夜节律与心排血量改变呈中度相关。
微重力或失重时，交感活动下降，其原因与液体静压消失和运动负荷减小相关。在模拟失重或太空飞行失重时，颈动脉窦和心肺压力感受区压力升高，引起反射性迷走抑制传入冲动增加，导致交感活动下降。HDBR期间或太空飞行时，机体活动减少，能量消耗减少亦会诱发儿茶酚胺分泌减少。
我国著名科学家钱学森认为人类飞行活动可以分为三个阶段，即航空、航天和航宇。他认为航空是在大气层中活动，航天是飞出地球大气层在太阳系内活动，而航宇则是飞出太阳系到广袤无垠的宇宙中去航行。无论是航空还是航天，作为其主要的操作环节，人的因素一直占有极其重要的地位，航空航天环境对人的影响可以直接关系到飞行安全、工作绩效等方面。