毛宇奇,潘磊磊,蘇陽(yáng),肖水鳳,祁瑞瑞,王俊骎,葉小飛,張婷,蔡懿靈*
1海軍軍醫(yī)大學(xué)海軍醫(yī)學(xué)系航海特殊損傷防護(hù)教研室,上海 200433;2海軍軍醫(yī)大學(xué)衛(wèi)生勤務(wù)學(xué)系統(tǒng)計(jì)學(xué)教研室,上海 200433;3海軍軍醫(yī)大學(xué)海軍醫(yī)學(xué)系海軍航空醫(yī)學(xué)教研室,上海 200433
暈動(dòng)癥(motionsickness)是由各種原因引起的搖擺、顛簸、旋轉(zhuǎn)、加速運(yùn)動(dòng)等所致疾病的統(tǒng)稱,根據(jù)加速度特點(diǎn),可將其分為航空暈動(dòng)癥(暈機(jī))、航天暈動(dòng)癥(空間暈動(dòng)癥)、跳傘暈動(dòng)癥、暈車、暈船及模擬器暈動(dòng)癥等[1-3]。暈船(seasickness)是人體感知由風(fēng)、浪、涌引起水面艦船產(chǎn)生的不同方向的變加速度異常運(yùn)動(dòng)后,引發(fā)的一系列以自主神經(jīng)反應(yīng)為主的癥狀和體征[4]。暈船引起的嗜睡、頭暈、惡心及嘔吐等反應(yīng)嚴(yán)重影響海員的海上作業(yè)能力,其防治方法主要包括適應(yīng)性訓(xùn)練、藥物防治及非藥物措施(包括中醫(yī)治療、心理行為對(duì)策、營(yíng)養(yǎng)飲食措施等),其中,提前開(kāi)展科學(xué)的適應(yīng)性訓(xùn)練是預(yù)防暈船最有效的方法,且與抗暈藥物(如抗膽堿能和抗組胺藥物)相比,無(wú)不良反應(yīng)[5]。目前,陸上適應(yīng)性訓(xùn)練器材如浪木、轉(zhuǎn)椅、四柱秋千、彈力繩訓(xùn)練器等模擬仿真度低,訓(xùn)練效果不理想。研究發(fā)現(xiàn),風(fēng)、浪、涌引起的艦船復(fù)雜運(yùn)動(dòng)可分解為左右橫搖、前后縱搖、左右橫蕩、前后縱蕩、繞垂直軸旋轉(zhuǎn)、上下垂蕩運(yùn)動(dòng),其中上下垂蕩變加速度運(yùn)動(dòng)是引起暈船的主要因素[6]。本研究觀察了上下垂蕩運(yùn)動(dòng)刺激下大鼠及人體模擬暈船的反應(yīng)規(guī)律,通過(guò)模擬不同模式的海浪縱向線性垂蕩運(yùn)動(dòng),探討暈船嚴(yán)重程度與垂蕩運(yùn)動(dòng)模式(頻率、加速度)的關(guān)系,以期為制定抗暈船模擬仿真訓(xùn)練方法奠定基礎(chǔ)。
1.1 實(shí)驗(yàn)儀器 動(dòng)物活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(中國(guó)上海吉量軟件科技有限公司),包括DigBehav動(dòng)物行為分析系統(tǒng)及曠場(chǎng)探索實(shí)驗(yàn)黑箱;動(dòng)物垂蕩運(yùn)動(dòng)暈船模擬器(型號(hào):NMU-ASV-01,本實(shí)驗(yàn)室自行研發(fā)制作,頻率與加速度可調(diào),按正弦波規(guī)律運(yùn)動(dòng))。人體垂蕩運(yùn)動(dòng)暈船模擬器(型號(hào):NMU-HSV-01,本實(shí)驗(yàn)室自行研發(fā)制作,頻率與加速度可調(diào),按正弦波規(guī)律運(yùn)動(dòng))。
1.2 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及分組 成年雄性SD大鼠64只,體重230~250 g,購(gòu)自上海西普爾-必凱實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限公司,合籠飼養(yǎng)。隨機(jī)分為4組(n=16):垂蕩運(yùn)動(dòng)A組(頻率0.20 Hz,最大加速度0.05g)、垂蕩運(yùn)動(dòng)B組(頻率0.40 Hz,最大加速度0.13g)、垂蕩運(yùn)動(dòng)C組(頻率0.80 Hz,最大加速度0.48g)和靜置對(duì)照組。
1.3 動(dòng)物實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)分兩批進(jìn)行。隨機(jī)選取垂蕩運(yùn)動(dòng)A、B、C組及靜置對(duì)照組各8只大鼠,觀察大鼠條件性張口行為以及排便反射和曠場(chǎng)探索行為。結(jié)束后進(jìn)行第2批實(shí)驗(yàn)。所有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)過(guò)程均符合國(guó)家及單位關(guān)于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理的規(guī)定。
1.3.1 大鼠條件性張口觀察 建立條件反射:將大鼠置于底部透明的黑色遮光有機(jī)玻璃盒內(nèi)(22.5 cm×26.0 cm×20.0 cm),有機(jī)玻璃盒四周插有4支10 ml塑料試管,試管內(nèi)填塞浸有香草提取物的棉條,以持續(xù)釋放香草氣味。垂蕩運(yùn)動(dòng)組大鼠同時(shí)給予垂蕩運(yùn)動(dòng)刺激和氣味刺激2 h,靜置對(duì)照組大鼠給予靜置和氣味刺激2 h。重復(fù)3次,每次間隔24 h。張口觀察:將大鼠置于有機(jī)玻璃盒內(nèi),給予氣味刺激,靜置錄像(SONY,HDR-PJ670,日本)2 h,記錄大鼠張口次數(shù)。大鼠條件性張口的判斷標(biāo)準(zhǔn)為快速、大幅度打開(kāi)下頜骨,可見(jiàn)門齒[7],記為1次。
1.3.2 大鼠排便反射及曠場(chǎng)探索行為觀察 垂蕩運(yùn)動(dòng)組大鼠給予相應(yīng)垂蕩運(yùn)動(dòng)刺激2 h,靜置對(duì)照組大鼠靜置2 h,記錄刺激期間大鼠的排便顆粒數(shù)。隨后將大鼠置于曠場(chǎng)探索實(shí)驗(yàn)黑箱,監(jiān)測(cè)并記錄大鼠在曠場(chǎng)中3 min的運(yùn)動(dòng)軌跡,采用Ethovision XT 8.5軟件(Noldus,荷蘭)分析大鼠的運(yùn)動(dòng)參數(shù),包括平均運(yùn)動(dòng)速度、移動(dòng)總距離和停滯時(shí)間等。
1.4 受試對(duì)象及分組 選取36名男性健康志愿者,年齡22~27歲,身高167~183 cm,體重60~78 kg,無(wú)前庭系統(tǒng)疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病及心血管系統(tǒng)疾病病史,試驗(yàn)前3 d內(nèi)未服用過(guò)解熱鎮(zhèn)痛藥、催眠藥及中樞興奮藥物。受試人員均自愿同意參加試驗(yàn)并簽署知情同意書。本試驗(yàn)經(jīng)海軍軍醫(yī)大學(xué)醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。根據(jù)倫理委員會(huì)要求,如受試對(duì)象出現(xiàn)嘔吐等嚴(yán)重不適反應(yīng),或受試者無(wú)法耐受實(shí)驗(yàn),立即停止刺激。
試驗(yàn)前填寫暈動(dòng)癥易感性問(wèn)卷(motion sickness susceptibility questionnaire,MSSQ),采用本項(xiàng)目組設(shè)計(jì)的修改版公式,計(jì)算MSSQ易感指數(shù)(MSSQAdt)[8],并將受試者分為輕度、中度、重度易感。MSSQ-Adt=(2×TSSN+TSSV)×7/NST。其中Adt表示僅統(tǒng)計(jì)成年期易感指數(shù),TSSN為惡心癥狀總積分,TSSV為嘔吐癥狀總積分,NST為乘坐交通工具或游樂(lè)設(shè)施的種類數(shù)。根據(jù)易感程度將受試者隨機(jī)分為4組(n=9):垂蕩運(yùn)動(dòng)甲組(頻率0.42 Hz,最大加速度0.22g)、垂蕩運(yùn)動(dòng)乙組(頻率0.42 Hz,最大加速度0.44g)、垂蕩運(yùn)動(dòng)丙組(頻率0.30 Hz,最大加速度0.33g)和垂蕩運(yùn)動(dòng)丁組(頻率0.25 Hz,最大加速度0.44g)。
1.5 人群試驗(yàn) 受試者坐于人體垂蕩運(yùn)動(dòng)暈船模擬器中,雙眼平視前方,依據(jù)分組設(shè)置垂蕩運(yùn)動(dòng)模式參數(shù),連續(xù)運(yùn)動(dòng)刺激30 min,通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)觀察受試者體征(面色蒼白、出冷汗、打哈欠等),通過(guò)步話機(jī)每隔5 min詢問(wèn)受試者癥狀(頭暈、惡心、流涎等)發(fā)生情況。采用Graybiel暈動(dòng)癥等級(jí)評(píng)分表評(píng)價(jià)暈動(dòng)癥嚴(yán)重程度。
1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。正態(tài)分布數(shù)據(jù)多組間比較采用單因素方差分析(One-way ANOVA),進(jìn)一步兩兩比較采用LSD-t檢驗(yàn),多個(gè)率間的比較采用χ2檢驗(yàn)。非正態(tài)分布數(shù)據(jù)多組間比較采用Kruskal-Wallis檢驗(yàn),進(jìn)一步兩兩比較采用Kruskal-Wallis單因素方差分析。采用MATLAB軟件進(jìn)行人群試驗(yàn)數(shù)學(xué)建模。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
2.1 不同垂蕩運(yùn)動(dòng)刺激模式對(duì)大鼠條件性張口和排便反射的影響 條件性張口觀察結(jié)果顯示,各組大鼠條件性張口次數(shù)(F=5.48,P<0.01,圖1A)和排便顆粒數(shù)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=20.23,P<0.0001,圖1B)。與靜置對(duì)照組相比,垂蕩運(yùn)動(dòng)A組大鼠條件性張口次數(shù)和排便顆粒數(shù)差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),垂蕩運(yùn)動(dòng)C組大鼠條件性張口次數(shù)明顯增加(P<0.01),垂蕩運(yùn)動(dòng)B、C組大鼠排便顆粒數(shù)均明顯增加(P<0.01,P<0.001)。隨著運(yùn)動(dòng)頻率增加,大鼠條件性張口次數(shù)和排便顆粒數(shù)均增加,其中垂蕩運(yùn)動(dòng)C組大鼠條件性張口次數(shù)多于垂蕩運(yùn)動(dòng)A組(P<0.01),排便顆粒數(shù)均多于垂蕩運(yùn)動(dòng)A、B組(P<0.001,P<0.05);垂蕩運(yùn)動(dòng)B組大鼠排便顆粒數(shù)多于垂蕩運(yùn)動(dòng)A組(P<0.01),條件性張口次數(shù)與垂蕩運(yùn)動(dòng)A組差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。
圖1 不同垂蕩運(yùn)動(dòng)刺激模式對(duì)大鼠條件性張口和排便反射的影響Fig.1 Effects of different patterns of vertical motion on conditioned open mouth and defecation reflex in rats
2.2 不同垂蕩運(yùn)動(dòng)刺激模式對(duì)大鼠自發(fā)活動(dòng)的影響 曠場(chǎng)探索行為觀察結(jié)果顯示,各組大鼠平均運(yùn)動(dòng)速度(F=16.60,P<0.001,圖2A)、移動(dòng)總距離(F=16.60,P<0.001,圖2B)及停滯時(shí)間(F=11.06,P<0.001,圖2C)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。與靜置對(duì)照組相比,垂蕩運(yùn)動(dòng)A組大鼠平均運(yùn)動(dòng)速度、移動(dòng)總距離及停滯時(shí)間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),垂蕩運(yùn)動(dòng)B、C組大鼠平均運(yùn)動(dòng)速度、移動(dòng)總距離均明顯減少(P<0.01或0.001),停滯時(shí)間明顯延長(zhǎng)(P<0.05或0.001)。隨著垂蕩運(yùn)動(dòng)頻率的增加,大鼠自發(fā)活動(dòng)明顯減少。與垂蕩運(yùn)動(dòng)A組相比,垂蕩運(yùn)動(dòng)B、C組大鼠平均運(yùn)動(dòng)速度均明顯減慢(P<0.01,P<0.001)、移動(dòng)總距離均明顯減少(P<0.01,P<0.001)、停滯時(shí)間均明顯延長(zhǎng)(P<0.05或0.001)。與垂蕩運(yùn)動(dòng)B組相比,垂蕩運(yùn)動(dòng)C組大鼠平均運(yùn)動(dòng)速度、移動(dòng)總距離明顯減少,停滯時(shí)間明顯延長(zhǎng),差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。
圖2 不同垂蕩運(yùn)動(dòng)刺激模式對(duì)大鼠自發(fā)活動(dòng)的影響Fig.2 Effects of different patterns of vertical motion on spontaneous activity in rats
2.3 不同垂蕩運(yùn)動(dòng)刺激模式對(duì)人群暈動(dòng)癥反應(yīng)的影響 MSSQ問(wèn)卷結(jié)果顯示,各組受試者年齡、身高、體重差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,暈動(dòng)癥易感性人數(shù)構(gòu)成差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05,表1)。Graybiel暈動(dòng)癥等級(jí)評(píng)分結(jié)果顯示,接受相應(yīng)垂蕩運(yùn)動(dòng)刺激后,垂蕩運(yùn)動(dòng)甲、乙、丙、丁組受試者Graybiel暈動(dòng)癥等級(jí)評(píng)分分別為7.67±6.36、4.22±4.97、1.44±1.51、0.22±0.44,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=11.47,P<0.01,圖3A)。垂蕩運(yùn)動(dòng)甲組受試者Graybiel暈動(dòng)癥等級(jí)評(píng)分明顯高于垂蕩運(yùn)動(dòng)丙、丁組(P<0.05,P<0.01);垂蕩運(yùn)動(dòng)乙組明顯高于垂蕩運(yùn)動(dòng)丁組(P<0.05)。各組受試者惡心發(fā)生率差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=16.61,P<0.001,圖3B),垂蕩運(yùn)動(dòng)甲組惡心發(fā)生率明顯高于垂蕩運(yùn)動(dòng)丙、丁組(P<0.01)。各組受試者流涎發(fā)生率差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=6.25,P>0.05,圖3C)。人群試驗(yàn)數(shù)學(xué)模型顯示,在垂蕩運(yùn)動(dòng)模式甲(頻率0.42 Hz,最大加速度0.22g)刺激下,受試者暈動(dòng)癥等級(jí)評(píng)分最高;在垂蕩運(yùn)動(dòng)模式丁(頻率0.25 Hz,最大加速度0.44g)刺激下,暈動(dòng)癥等級(jí)評(píng)分最低。隨著刺激頻率的增加,暈動(dòng)癥等級(jí)評(píng)分增高;當(dāng)頻率固定時(shí),隨著加速度的增加,暈動(dòng)癥等級(jí)評(píng)分呈先升后降的趨勢(shì)(圖3D)。
表1 各垂蕩運(yùn)動(dòng)組人體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及修改版MSSQ指數(shù)分級(jí)(n=9)Tab.1 Basic demographics and modified MSSQ index grading of each vertical exercise group (n=9)
暈動(dòng)癥會(huì)導(dǎo)致部分哺乳動(dòng)物如狗、貓、猴子、鼩鼱等發(fā)生嘔吐反應(yīng),可采用嘔吐潛伏期或嘔吐次數(shù)評(píng)價(jià)上述動(dòng)物的暈動(dòng)癥易感性和癥狀嚴(yán)重程度[9-12];由于嚙齒類動(dòng)物(大鼠、小鼠等)無(wú)嘔吐反射,一般采用異食癖、條件性張口、排便和排尿反射、體溫下降及自發(fā)活動(dòng)等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)[13-15]。異食癖作為評(píng)價(jià)嚙齒類動(dòng)物暈動(dòng)癥后胃部不適的指標(biāo),因個(gè)體反應(yīng)差異較大且具有滯后性,不作為暈動(dòng)癥敏感性的評(píng)價(jià)方法[16]。Rock等[7]觀察發(fā)現(xiàn)致吐劑氯化鋰及氟西汀注射可誘發(fā)大鼠出現(xiàn)條件性張口行為,并將此行為作為評(píng)價(jià)大鼠類惡心樣反應(yīng)的指標(biāo),用于評(píng)價(jià)暈動(dòng)癥大鼠惡心反應(yīng)。Parker等[17]將條件性張口作為抗嘔吐藥物的臨床前評(píng)價(jià)指標(biāo)。本課題組的前期研究建立條件性張口大鼠模型,探討了大鼠性別、年齡與暈動(dòng)癥易感性的關(guān)系[18],并開(kāi)展了抗暈藥物的藥效學(xué)評(píng)價(jià)研究[19]。由此可見(jiàn),條件性張口是評(píng)價(jià)大鼠類惡心樣反應(yīng)的可靠指標(biāo)。Xu等[15]采用旋轉(zhuǎn)刺激建立大鼠暈動(dòng)癥模型,將排便反射等應(yīng)激樣反應(yīng)作為評(píng)價(jià)大鼠暈動(dòng)癥嚴(yán)重程度的指標(biāo),結(jié)果發(fā)現(xiàn),接受旋轉(zhuǎn)刺激后,大鼠的高級(jí)神經(jīng)中樞被抑制,自發(fā)活動(dòng)減弱。本研究分別以條件性張口、排便反射及自發(fā)活動(dòng)3個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)暈動(dòng)癥大鼠的胃腸道不適、應(yīng)激反應(yīng)及高級(jí)神經(jīng)中樞變化,結(jié)果顯示:在0.20 Hz的垂蕩運(yùn)動(dòng)刺激下,大鼠無(wú)明顯暈動(dòng)癥癥狀;當(dāng)運(yùn)動(dòng)頻率增至0.40 Hz甚至0.80 Hz時(shí),大鼠表現(xiàn)出明顯的張口行為、排便增多及自發(fā)活動(dòng)減弱。本課題組的前期研究采用Crampton旋轉(zhuǎn)模型[20]觀察大鼠暈動(dòng)癥反應(yīng),該模型的運(yùn)動(dòng)形式為上下垂蕩運(yùn)動(dòng)(0.40 Hz)合并前后縱蕩運(yùn)動(dòng),大鼠的暈動(dòng)癥癥狀較本研究中單純0.40 Hz垂蕩刺激[18]時(shí)重,表明在一定頻率范圍內(nèi),大鼠暈動(dòng)癥的嚴(yán)重程度隨著垂蕩頻率的增加而加重,提示垂蕩運(yùn)動(dòng)是引起暈船的主要因素,但混合縱蕩刺激可加重暈船癥狀。
圖3 不同垂蕩運(yùn)動(dòng)刺激模式對(duì)人群暈動(dòng)癥反應(yīng)的影響Fig.3 Effects of different patterns of vertical motion stimulate on population motion sickness
國(guó)外研究報(bào)道的針對(duì)飛行員和航天員的抗暈訓(xùn)練方法,如美國(guó)軍方為飛行員制定的持續(xù)數(shù)周的暈動(dòng)癥脫敏計(jì)劃,成功率>85%[21]。微重力環(huán)境下,70%的航天員在72 h內(nèi)出現(xiàn)暈動(dòng)癥,虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、飛行模擬器及旋轉(zhuǎn)椅(Barany's chair)的組合訓(xùn)練可有效降低航天員暈動(dòng)癥的發(fā)病率[22]。人體在反復(fù)接受垂蕩刺激后會(huì)產(chǎn)生耐受,當(dāng)再次接受垂蕩刺激時(shí),頭暈、惡心等暈動(dòng)癥癥狀減輕,因此本研究不宜采用同一批受試者進(jìn)行不同條件下暈動(dòng)癥反應(yīng)的研究,應(yīng)采用隊(duì)列研究。
大規(guī)??箷灤?xùn)練常用的方法主要分為主動(dòng)訓(xùn)練和被動(dòng)訓(xùn)練。主動(dòng)訓(xùn)練包括旋梯、浪木、滾輪、原地旋轉(zhuǎn)等;被動(dòng)訓(xùn)練包括轉(zhuǎn)椅、四柱秋千、彈力繩訓(xùn)練器等[4]。楊月珍等[23]設(shè)計(jì)制作了彈力繩訓(xùn)練器模擬艦船垂蕩運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)頻率僅可固定為0.30 Hz,未考慮加速度對(duì)暈動(dòng)癥的影響。本實(shí)驗(yàn)室依據(jù)東海海域海浪的涌動(dòng)規(guī)律,設(shè)計(jì)制作了人用可調(diào)垂蕩式暈船模擬器,官兵可用其在陸地上進(jìn)行暈動(dòng)癥適應(yīng)性訓(xùn)練。國(guó)外研究發(fā)現(xiàn),在0.10~0.70 Hz的垂蕩運(yùn)動(dòng)中,暈動(dòng)癥癥狀隨頻率增加先加重后減輕,0.20 Hz時(shí)達(dá)到峰值,且暈動(dòng)癥癥狀隨加速度增大而加重[24]。暈動(dòng)癥敏感性與性別、年齡、種族等因素相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn),黃種人的暈動(dòng)癥敏感性明顯高于白種人[18],在不同頻率和加速度的垂蕩運(yùn)動(dòng)刺激下,兩種人產(chǎn)生不同的反應(yīng)。因此,探索并制定符合中國(guó)軍人暈動(dòng)癥特點(diǎn)的訓(xùn)練參數(shù)尤為重要。本研究建立的人群試驗(yàn)數(shù)學(xué)模型顯示,暈動(dòng)癥癥狀隨加速度增大先加重后減輕,0.22g時(shí)達(dá)到峰值。接受0.25 Hz垂蕩運(yùn)動(dòng)刺激后,受試者未表現(xiàn)出明顯的暈動(dòng)癥癥狀;當(dāng)頻率增加至0.42 Hz時(shí),多數(shù)受試者出現(xiàn)惡心、冒冷汗、流涎等癥狀。本研究結(jié)果表明,在一定的垂蕩范圍內(nèi),大鼠及人體模擬暈船的嚴(yán)重程度隨頻率增加而加重。在頻率不變、加速度為0.22g時(shí),受試者模擬暈船的發(fā)病率最高,這為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)模擬仿真抗暈船訓(xùn)練裝置提供了試驗(yàn)依據(jù),也為重力加速度變化引起的航天暈動(dòng)癥[3]、運(yùn)輸機(jī)上下顛簸及直升機(jī)垂直起降時(shí)隨行人員的暈機(jī)反應(yīng)[25]、空降兵的跳傘暈動(dòng)癥[26]的抗暈訓(xùn)練提供了參考。