[发明专利]在失重环境下训练肌肉和运动神经的装置

说明书

一种属于运动训练器械的能够在失重环境下训练肌肉和训练运动神经的装置，能够在失重环境下模拟产生使用者相对平台的重力，并模拟站立时受力不平衡的状态，可供使用者进行站立训练，从而对下肢肌肉和运动神经中枢进行针对性的训练。其意义是在失重环境下训练使用者的肌肉和运动神经，有利于保持运动功能，使用者在回到地面时能够更快恢复稳定站立的能力。

技术领域 本发明涉及一种在失重环境下训练肌肉的装置和同时训练运动神经的装置。

背景技术 众所周知，宇航员在失重环境下生活一段时间后，回到地面会出现运动功能异常，无法正常行走甚至站立不稳的情况，需要被扶着甚至抬着走。目前一般认为这是由于在失重情况下，机体运动系统缺乏外部力量刺激而导致骨质疏松和肌肉萎缩。为了解决该问题，在空间站设置有针对性的训练器材，包括训练下肢的特制跑步机和自行车训练器，训练上肢的拉力器和弹力器等等，以刺激肌肉和骨骼，避免肌肉萎缩和骨流失。但这种方法似乎效果不是很好，经过训练的宇航员回到地面后，大多仍然行走困难或站立不稳。

申请人并未从事太空运动训练器材方面的研究，也不是这领域的技术人员，但之前在分析大脑运动神经中枢对机体运动的控制机制，(可参考2015101775882和2018107602170等中国专利申请的说明书所附的资料)，分析到运动神经中枢包括基底神经环路和小脑对人体行走和静止状态下如何对肌肉进行细节控制，这些控制信息形成后可以被整合和记忆，而已经形成的记忆也可以被新的控制信息所覆盖或取代，所以偶然意识到宇航员回到地面时行走困难和站立不稳的现象，除了骨质疏松和肌肉萎缩之外，还有一个重要的原因，就是运动神经中枢尤其是小脑神经环路中，原有在地面上行走和站立时用于协调机体平衡的运动控制信息的记忆被丢失或被其他新的控制信息所覆盖。

人在地面上静止站立时，由于重力和人体只有两下肢的原因，实际上肌肉并非处在静止不动的稳定状态，由于躯体和四肢都存在各种细微的动作变化，身体的重心总是不稳定的，不时存在向某个方向的摇摆倾斜。这时运动神经中枢会在不知不觉中不断调动两下肢的肌肉和部分躯体核心肌群，在动态控制中协调维持平衡以实现静止站立。这种不是由机械结构固定，而是由活动的肌肉不停进行收缩和伸展动作来动态实现身体平衡的控制过程实际上是很复杂的，只是由于我们是从婴幼儿学站立学走路而慢慢形成，其复杂的控制信息已经记忆在我们的运动神经中枢，(平衡控制涉及来自视觉、前庭、肌梭等多种感觉传入和肌肉控制输出，平衡控制信息主要记忆在小脑)，所以平时我们都是无需注意和主动控制，在不知觉中完美实现这些控制。

而当宇航员在失重的环境下生活，由于不需要在重力下行走和站立，这些之前形成的运动控制和平衡控制完全不需要，所以记录在小脑等运动神经中枢上的控制肌肉协调动作的运动记忆长时间没有得到使用，会弱化甚至出现丢失。但这还不是主要的，更主要的是，宇航员在太空也不断进行机体运动，进行各种工作和活动，即使只是踢踢腿和伸伸腰，其双下肢和躯体核心肌群也在不停被调用，但这时来自视觉、前庭、肌梭的感觉传入和对各条肌肉的控制输出之间建立的整合和反射关系，跟原有在地面环境下是完全不同的，可以说是混乱的，而运动神经中枢大多是在无意识状态下工作的，它不会认识到这时的运动控制是混乱的不合理的，(其实在失重环境下它是合理的)，所以它照样通过神经可塑性(突触可塑性和突触重构)将当前的各种肌肉运动的控制信息储存起来，甚至跟原有地面的运动信息记忆有矛盾时，它会将新的运动控制信息覆盖取代原有的运动控制信息。于是一定时间后，运动神经中枢所记忆的便成为适合于失重环境下而不适合地面环境的运动控制信息，当宇航员回到地面时，其运动神经中枢中所记忆的运动控制信息便不适合地面重力环境，无法协调控制肌肉来完成行走和站立，出现行走困难和站立不稳的情况。

一个可参考的例子：我们在某些健身器械比如在室外健身常见的漫步机上进行摇摆运动，十几分钟后下到地面，已经会产生站立不稳和行走不平衡的感觉，这是因为在器材上持续摇摆时，从感觉到运动输出的控制信息已经在运动神经中枢产生适应性改变，也即产生新记忆，下到地面时反而会不适应。当然这种记忆属于短时记忆，形成时间短，失去也快，所以我们能够在很短时间内恢复正常。而宇航员在失重环境下生活时间较长，这种新的运动记忆会成为更牢固的长时记忆，回到地面便需要更长时间训练来重新恢复。