空间小鼠实验有效载荷研究进展

0254-6124/2021/41(3)-445-12Chin. J. Space Sci.空间科学学报
LI J i e, LIU Fangwu, Z H A N G Tao. Research progress of space mice flight payload (in Chinese). Chin. J. Space Sci., 2021, 41(3): 445-456. DOI: 10.11728/cjss2021.03.445
空间小鼠实验有效载荷研究进展
李洁刘方武张涛
(中国科学院上海技术物理研究所上海200083)
主商要啮齿动物是空间研究中常见的模型对象，已开展的空间生物实验中，小鼠表现出对飞行条件的有效适应.
通过空间培养.研究者可对失重环境下小鼠的生理行为、骨骼和神经系统变化做进一步研究分析.本文对空间小鼠 实验有效载荷的研究进展及其空间飞行实验进行了概述，为中国空间站上的小鼠培养箱设计提供参考.概述了地 面小鼠培养技术和装置，为空间小鼠实验有效载荷设计提供地面对照；从实验研究内容和硬件系统设计两方面介绍 了国际上已开展的空间小鼠实验，为中国空间生命科学研究和工程研制提供参考；对于中国发展空间小鼠实验有效 载荷提出了建议.
关键i司空间生物实验，空间小鼠，有效载荷
中图分类号V524
R e se a rc h P ro g re ss of S pace M ice F lig h t P a y lo a d
LI Jie LIU Fangwu ZHANG Tao
[Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences，Shanghai200083)
A b s t r a c t Rodents represent one of the most important animal models in space biology experi­
ments. Compared to other animals, the mice could better adapt to weightless conditions in space.
Consequently, more and more researchers focus on the study of space mice flight payload. In the capsule, the mice would undergo a series of magical changes in the physiological behavior, the bone, and the nervous system. The experiments have shown that the research about these changes might contribute to the diagnostic of astronauts health, such as muscle atrophy. It is reported that many space mice experiments have been carried out abroad. However, China has not yet had sufficient research in this field. In order to address the problem, a large number of relevant literature were surveyed in this work. The development of various mice flight payloads and the content of the exper­iment were summarized in this paper. The specific contents are as follows. Firstly, the technology of mice culture on the ground was introduced, which gives a reference for the design of the flight payload. Then, five kinds of existing flight payloads abroad were discussed. Finally, the proposal for the development of domestic mice flight payload was proposed.
K e y w o r d s Space biology experiment, Space mice. Flight payload *
*中国科学院空间科学战略性先导科技专项资助（XDA15013000)
2019-11-18收到原稿，2020-05-25收到修定稿
E-mail:*******************
446Chin. J. Space Sci.空间科学学报 2021, 41(3)
〇引言
空间生命科学是研究空间特殊环境因素（真空、高温、低温、失重和空间辐射等）作用下的生命现象 及其规律的学科[11.从20世纪80年代开始，中国已 开展了以微生物、植物种子、植株、动物细胞、动物 个体为研究对象的一系列空间生命科学实验[2].小鼠因个体小、容易培养、繁殖周期短、实验室使用成 熟等优点，成为空间动物实验的优选对象.空间小鼠 培养不仅是研究哺乳动物空间微重力环境下生理和 行为特性的重要途径，还可以为细胞生物学提供重要 的实验原材料.
在20世纪50年代和60年代早期的空间探索 活动中，有研究利用小鼠进行了一系列实验，主要测 试生物暴露在空间的微重力环境中能否存活下来
而后的大量小鼠实验主要集中在肌肉、骨骼、肌腱、软骨、神经和心血管系统以及天然和获得性免疫反 应等一系列生命医学研究方面W.为了更好地进行 空间小鼠实验，意大利、美国、日本等国家陆续开发 了适合小鼠长时间在空间生活的有效载荷（即小鼠 在空间生活的培养箱)，这些培养箱内置相机、传感 器等器件，可通过可见光或者红外视频观察小鼠在空 间的生长及发育情况.
本文对国外空间小鼠实验有效载荷的研究进展 进行了调研与分析.概述了地面小鼠培养技术，为 空间小鼠培养提供地面对照;介绍了国外已有公开记 录的空间小鼠培养实验和培养箱系统的技术;进行了 总结分析，以期为中国空间站开展空间小鼠实验提供 参考.1地面小鼠培养技术概述
1900年美国研究人员将小鼠引入科学研究中. 实验小鼠是指遗传背景明确或者来源清楚，其携带的 微生物及寄生虫可控，可应用于科学研究的动物
实验小鼠体型一般较小，繁殖力强，喜黑暗安静环境.
1.1地面小鼠培养的特点
随着生命科学和生物医学的不断发展，动物实验 效果受实验动物的品质以及实验动物有无病原菌感 染的影响越来越大心在地面生物实验课题中用到的小鼠一般属于S P F级动物.S P F级动物是指体内 无特定微生物和寄生虫存在的动物，实际上一般通指 无传染病的健康动物m.达到S P F级别的实验动物 需要饲养在屏障或者隔离系统中炚此类伺养室的空气经过初效、中效、高效三级过滤后再进入屏障 环境，可减少传染病和寄生虫对实验的干扰.
小鼠是没有汗腺的，不耐热，而且唾液分泌有限 不能靠增加喘息散热，所以饲养环境的温度要控制 在18〜29°C,相对湿度控制在40%〜70%,日温差不 超过3°C.表1列出不同环境温度对小鼠能量代谢的 影响[9丨.
1.2地面小鼠培养的主要技术
在地面实验室小鼠培养技术中，词养培养箱、垫 料和营养供应的标准化是关键因素.饲养啮齿类动物 使用合格垫料底制成的培养箱，能更好地保证动物健 康和实验数据的准确性M1，目前使用的新型啮齿类 实验动物培养箱包括排气通风培养箱(E x h a u s t V e n­t i l a t i o n C a g e,E V C) 和 独立换气净化培养箱 （I n d i-v i d u a l V e n t i l a t i o n C a g e,I V C).E V C 系统包含旋转
表1不同环境温度代谢率差异显著表
T a b le 1 M e ta b o lic r a te o f d iffe re n t a m b ie n t te m p e r a tu r e s
温度/°c
差异显著性p (i SD0.05—0.83, Z/s d o.oi=1.11)
Xi (7.73)Xi (5.11)Xi (5.07) 2360.6 1.67**0.95*0.99*
26 5.07 2.66**0.04
32 5.11 2.62**—-
387.73---
注*表示差异显著，**表示差异极显著；B M R为基础代谢率（Basic Metabolic Rate); L S D表 示最小显著性差异法（Least Significant Difference),其中0.05表示差异性不显著，0.01表示差异 性极显著；F表示线性回归分析用F检验的F值;X i表示样品测定值.
李洁等：空间小鼠实验有致载荷研究进展447
盘和中心排风腔，箱架通过软管和净化系统的排气口 相连，利用负压使室内空气通过箱盒过滤器、箱架排 气腔和通气软管排出，空气不从箱盒循环进入房间，保证了房间完全隔绝气味、过敏源和污染物d I V C 的工作原理是空气隔离净化技术，把每一个词养的单 元缩小到最小的程度，用排风管道连接成为一个组合 件，使每一个单元间相互隔离，可避免实验小鼠相互 交叉感染，有效提高了空气利用率1121.
垫料是培养箱下的铺垫物，小鼠培养箱中一般使 用加工粉碎并除尘后的玉米芯垫料1131.其干燥性好，有较强的吸收氨的能力，使用玉米芯作为垫料可减少 换料次数且对培养箱的污染程度小.
在日常饮食方面.清洁级动物的饮食主要来自饲 料1141.饮水器一般使用塑料瓶，瓶塞上装有金属或 玻璃饮水管.考虑到小鼠天生爱磨牙，培养箱内的食 物一般为有硬度的粗纤维食品.不同种类的小鼠需 要制定不同的营养标准，例如纯系小鼠和种鼠的饲料 所含蛋白质成分高于一般小鼠，免疫缺陷小鼠词料蛋 白成分一般也高于普通小鼠.由于种鼠群和生产鼠 群交配繁殖频繁.消耗能量大.因此除供给足够的块 料外，还要定时饲喂少量瓜子、麦芽和拌有鸡蛋的软 料等食物.
1.3小鼠培养的实用价值
生物医学研究的进展依赖于实验动物模型，例如 新的疾病治疗方法，只能先行利用实验动物进行安 全性及有效性的评估，才能再逐渐进入临床阶段1151 实验动物的应用范围很广.如新药的试验、疾病的诊 断、医疗器械的安全性评估等，通过动物实验可以取 得真实可靠的生物医学研究数据1161.不同技术、环 境下培养出的小鼠具有不同的实用价值.培养转基因小鼠可以帮助人类进行遗传学研究I17】.而一些特 种小鼠的培养可以促进肿瘤学基础研究及抗肿瘤药 物筛选[18，191.表2列出了 7种具有代表性的小鼠培 养的实用价值l2t)_281.
2空间小鼠培养
2.1空间小鼠培养的历史及现状
从1950年美国首次利用火箭携带老鼠发射升 空，到2019年美国国家航天航空局（N a t i o n a l A e r o­n a u t i c s a n d S p a c e A d m i n i s t r a t i o n,N A S A) 对在空间 生活了 17〜33天的小鼠进行行为分析，即使是以失 败告终的飞行也鼓励了研究者不断探索的脚步.
1950—1959年空间技术还不成熟，空间小鼠任务 大多以失败告终，直到20世纪60年代空间生物实 验才逐渐步入正轨.由于各国的研究发展起点不一 样，失败的原因也不完全相同.从探空火箭开始，失 败的任务中有在返回地面过程中降落伞未打开，飞船 直接坠落导致小鼠死亡的.也有运载火箭或者制冷系 统发生故障的情况[291，还有培养箱内进食系统出现 故障导致小鼠意外死亡的，总而言之空间小鼠实验任 务进展缓慢.此外，由于当时对空间范围的认定比较 模糊，因此美国在1952年发射进入空间的动物并未 进入真正的空间，只是进入距离地面58k m的高层大 气[32i.目前已正式确定地球表面以上l〇〇k m是空 间的下界[32]，所以即使少数小鼠成功返回地球，也 因高度不够.都算不上真正意义上的空间小鼠实验.
1961年起，法国、苏联航天局先后将小鼠送上 空间并成功返回，开启了成功实现空间小鼠实验的先 河.1990年中国发射了返回式生物卫星F S W-1-3,其
表2 小鼠培养的实用价值
T a b le 2 P ra c tic a l v alu e o f m o u se c u ltu r e 实用价值理由
微生物寄生虫病学研究 放射学研究
肿瘤白血病研究
计划生育研究
遗传性疾病研究
免疫学研究
老年学研究小鼠对多种病原体有敏感性，尤其是在病毒学研究中应用更大
小鼠对放射线的反应与人的反应有可比性，可用来研究照射剂量、辐射效应等 小鼠肿瘤发病率高，近交系组织相容性好，肿瘤移植较易生长
小鼠有规律的发情周期、排卵，妊陈有明显指标，易于检测，价格便宜
小鼠有多种品系，有些有自发性遗传病
各种免疫缺陷小鼠都是研究免疫机理和免疫缺陷病的良好实验动物
小鼠寿命短，传代时间短，使他们在老年学研究中极为有用
448Chin. J. Space Sci.空间科学学报 2021, 41(3)
搭载了豚鼠，并于8天后成功将卫星收回；1998年 美国发射哥伦比亚号航天飞机，并在其上搭载了在 地球尚未学会行走的幼鼠，研究发现这些幼鼠在失重 状态下学会了走路[331; 2006年中国发射实践八号卫 星，成功获得空间中的小鼠胚胎图片;2016年中国发 射实践十号卫星,首次展示并验证了空间环境下哺乳 动物早期胚胎能够从2-细胞发育到褒胚阶段的全过 程2018年美国空间探险技术公司（S p a c e X)利 用猎鹰-9火箭搭载了 20只实验用小鼠，其中10只 在国际空间站停留了 90天，创造了新的停留时长记 录丨33丨.
2008年有研究指出，N A S A在航天飞机的中甲 板上为怀孕中期的成年雌性大鼠拍摄的一组短视频，一定程度上揭示了物种的典型行为，包括饮食、行 走、自我打扮和友好的社交互动[35];2009年意大 利航天局（A g e n z i a S p a z i a l e I t a l i a n a,A S I)在国际空 间站（I n t e r n a t i o n a l S p a c e S t a t i o n，I S S)上进行了为 期 91 天的 M D S(M i c e D r a w e r S y s t e m,M D S)实验，让小鼠进行休息、吃喝、在格子栏杆上行走等其他生 理行为丨441; 2013年，在俄罗斯无人驾驶的B i o n-M l
飞船中.45只雄性老鼠在俄罗斯开发的B O S(B l o c k O b e s p e c h e n i y a S o d e r z h a n i y a)饲养环境中生活了 30 天，视频片段显示出小鼠在空间的聚集情况比相同 位置的地面装置好W;2016年在日本宇航局（T h e
J a p a n A e r o s p a c e E x p l o r a t i o n A g e n c y,J A X A)研发 的 H C U(H a b i t a t C a g e U n i t s,H C U)中，对单独饲 养的小鼠进行了为期35天的定性行为观察，结果显 示小鼠在整个培养箱内能够正常呼吸、生存,尾巴在 休息时会保持固定的姿势p81; 2019年N A S A对执 行R R1任务的老鼠进行了系统而详细的物种分析，包括典型的行为、身体活动和生理周期
这些报告表明，尽管空间生物实验的研究历史 悠久，但是对于动物长时间适应空间环境行为的了解 却很少，而且缺乏对视频等图像数据的严格分析，图 像视频只是在监测上得到重视，很少有对其内容的分 析、处理.随着计算机视觉、机器学习等图像数据处 理技术的发展，如果能将空间小鼠实验视频数据加以 分析，未来期望可以得到有意义的发现.
空间中的生命个体处于失重环境，这会影响细胞 生命活动，例如细胞增殖、分化、迁移、细胞骨架以 及基因表达等[4Q1,多数用小鼠做的实验是在航天飞 机上进行的，例如俄罗斯的无人卫星B i o n和国际空间站I S S，因此N A S A、俄罗斯联邦国家生物医学问 题研究中心（I n s t i t u t e f o r b i o m e d i c a l p r o b l e m s o f t h e R u s s i a n f e d e r a t i o n,I B M P)和 A S I 为每次执行空间 任务的小鼠开发了有效载荷1371,研究显示这些空间 小鼠培养箱内部环境对啮齿动物的生理和行为产生 了重要影响[39,411在失重的空间环境中，动物与其 生活的培养箱的相互作用与地球上的1S重力条件相 比发生了显著变化，而由培养箱复杂性决定的生理活 动影响了一系列广泛的生理参数（心率、呼吸、氧合 和血液循环等),这些参数反过来可能影响形态、生物 化学、基因表达或其他来自身体组织的生理指标I42].
因此，根据课题研究设计、开发适合小鼠在空间 长时间生活的有效载荷，通过空间培养、视频记录，观察小鼠在培养箱内的行为变化并对这些数据进行 分析处理，将对科学研究产生深远影响.
2.2空间小鼠培养技术
在空间环境中进行实验，必须考虑有限的乘员时 间和微重力环境以及实验的不频繁性，最大限度发挥 设备的作用，因此在空间环境中进行生物实验需要特 殊的设施和程序.在空间飞行中，用来安置啮齿动物 的培养箱在尺寸、空气流通方式、水和食物的获取方 面与标准的地面培养箱有很大区别1421.
国外最先投入使用的空间小鼠培养箱是A E M (A n i m a l E n c l o s u r e M o d u l e)f d R A H F(R e s e a r c h A n-i m a l H o l d i n g F a c i l i t),A E M和 R A H F完成了自 1981 年以来的多数空间小鼠培养实验.
由N A S A开发的A E M如图1所示丨38丨，其任 务重点是研究鼠类的神经可塑性和哺乳动物在空间 的发育情况％1.A E M是一个集通风、照明和废物 管理为一体的独立箱体，可为小鼠在空间的培养提 供生活空间、食物和水.A E M可供12只成年雌 性C57B L/6小鼠在空间生存长达35天，在外部补 充饮食和水的情况下，A E M也可以支持5只成年雄 性大鼠在空间生存长达35天.A E M是根据具体实 验动物物种构建的，在小鼠研究中，每个A E M在水 箱容器中装载两个水袋，每个水袋中约装有2 L热消 毒蒸馏水.研究根据实验前后水袋质量的差异计算 用水量.A E M可分为两组，通过箱子分隔器为老鼠 提供两个独立而平等的隔间.在A E M的每一半中 设置了两个食品盘子，其中一个附在水箱侧，另一个 附在箱侧.每个A E M均配备了湿度和温度传感器，以及用于氨和二氧化碳定期采样的气体端口，温度和
李洁等：空间小鼠实验有效载荷研究进展
449
湿度数据都使用运行在笔记本计算机上的Lab View 软件记录.A E M 使用了德怀尔压力计测量通过排气 过滤器的压降.在测试期间，A E M 被放置在垂直支 架上，除了每天的健康检查和内部A EM 照明装置提 供的照明外，所有时间都需覆盖护罩@1.
由于A
E M
是密封的箱体，航天员等不能对培养 在内的动物进行外部干涉.另外，也没有主动热控制 技术.相比A
E M
, R
A H F
具备A
E
M
所有维持生命
的特性，但是R
A H F
的不足在于小鼠是漂浮于培养
箱中的，因此随着1998年空间实验室的退役，R A H F
也逐渐退出应用.
20 世纪 90 年代，N A
S A
开发了 A
A H
(A d v a n c e d
A n i m a l H a b i t a t ) ftl A M A S S (A n i m a l M o d u l e f o r A u -
t o n o m o u s S p a c e S u p p o r t )•与 A E M
和 R
A H F
相比，
A A H
增加了许多新功能,例如动物遥测、在轨视频记
录和培养箱内的环境记录.其中A
A H -C
(A d v a n c e d
A n i m a l
H a b i t a t C e n t r i f u g e )由 N
A S A
与 S T A R
企
业联合开发，可在轨道上运行长达90天，解决了仅 利用近地轨道和短时间飞行的问题,A A H -C
设计如
图2所
示
A A H -C
弥补了 A
E M
完全封闭的不
足，允许对箱内动物进行接触类操作，其内部设计采 用模块化设计思路，可以由研究人员手动重新配置， 以适应大鼠和小鼠在不同生命周期各个阶段的实验. 此外，A
A H -C
内部增加了 重力环境，以便开展微
重力环境和地面环境对动物影响的对比研究I 43].
A A H -C
的设计能够支持各个生命周期阶段（包
括怀孕、分娩、哺乳、断奶后和成年阶段）的啮齿动 物研究，支持通过递增方式进行的多代研究，并且可 以满足大鼠和小鼠的各种品系，这为空间啮齿动物群 居创造了有利条件[431.
随着2〇〇8年2月
S T S
-122机组的航天员在I S S
上成功安装全新的E S A
哥伦布模块，A
S I
与意大利
航空航天工业公司泰利斯.阿莱尼亚航天合作，共同
设计一款用于在I S S
上进行啮齿类动物研究的航天
有效载荷，即 M D S
(M i c e D r a w e r S y s t e m ),图 3 所
示为M
D S
样品[45L M
D S
空间任务的主要目标是探
讨微重力对转基因的影响，此次实验将纯系小鼠作为 工具来研究遗传机制对骨量病理的影响，M D S
可以
由空间工作者通过便携式手套箱与航天飞机中置物
柜、国际空间站快线架连接1451.
在标准配置中，M
D
S
可以让6只小鼠单独生
活100天，在国际空间站上可延长到180天.
M D S
主要由以下子系统组成：小鼠室、液体处理系统、食 品配送系统、空调系统、照明系统、观测系统以及有 效载荷控制单元.其中小鼠室分为两个子培养室，每 个子培养室可供3只小鼠生存.整体培养箱的四面 墙上都有网格，不同子培养箱的小鼠之间只能通过嗅 觉接触.液体处理系统通过商用阀杆激活的饮水阀 将饮用水分别输送到每个子培养箱，并连接到一个容
图2美国研发的A A H -C
Fig. 2 A A H -C developed in A m e r i c a
Main power
(Animal observation)
C 02 QD
H2OQD
Nomex handle strap (Not for ground use)
Water box
C 〇2 cover
Video cameras
and
compartment
Waste filter compartment
MDS front panel
图1美国N A S A 研发的A E M Fig. 1 A E M developed in N A S A 图3意大利研发的M D S
Fig. 3 M D S
developed in Italy
450Chin . J . Space Sci .空间科学学报 2021, 41(3)
L B L
nlet filter cameras (2)®hilet filt
Temperature, current data
Video Power
Blowers(4)
Temperature sensors M2VDC
Outlet filter
Lixit RH/T cameras(2)
Cage~~~~1
Sensors (2)
T 3
量约0.5 L 的主水箱.为了保证任务的正常执行，内部 水箱必须在轨道上每10天补水一次.食物传送系统 为每个箱子提供2条食物条，总食物量约为90 g .每 个子培养箱的食物量和递送时间可以根据计算机程 序进行单独编程.每15〜20天位于M D S
前面板的6 个开口会完成新旧食物棒的替换.箱内空气温度保
持在25〜30°C (较低的值取决于I
S S
环境条件)，相
对湿度的控制通过集成在垃圾过滤器中的干燥剂实 现.近乎实时传输到地面的视频数据从摄像机获取， 拍摄的视频可以用来检查小鼠的健康状况和行为，以 及监测箱内环境条件和食物[441.
与有飞行历史的两种美国有效载荷 A E M
和
R A H F
相比，M
D S
的主要优势在于其提供了机组
人员可操作的接口以及延长了空间生物培养箱在国 际空间站上的使用时间，主要的缺点是可容纳的啮 齿动物数量有限.
2014年
N A S A 吸取多次航天飞机实验中获得的
经验开发了 R H
(R o d e n t . H a b i t a t )模块，利用图4所
示啮齿动物培养硬件系统进行实验#1.该系统由三 部分组成，动物首先由中间的运输装置送入轨道，登 上
I S S
后,再通过最右边的通道装置转移到最左边的
空间培养箱中.R
H
的设计如图5所示
R
H
可分为两组，单组培养单元内可容纳10只
小鼠或5〜6只大鼠.其可以保证温度和相对湿度的 监测，但无法进行主动热控制[421.培养单元顶部有 两个访问端口，可以连接摄像头拍摄视频1471.在每
Animal Access Unit
图4啮齿动物培养硬件系统（从左至右分别为R H 模块、运输模块、通道转移模块）
Fig. 4 Rodent H abitat Hardware System. (From left to the right are the Rodent H abitat, the Rodent
Transporter and the Animal Access Unit)
CM D/Data (Ethernet)
Video (NTSC)
+28VDC
Solid-State Power
Controller Module
(SSPCM)
Payload Ethernet Hub Bridge (PEHB)Rack Interface Controller (R1C)
u
a
M +
{S J O C /}I U OI ^1U 3J J 3I UI /
3J 323d E
3f-) P J c a o q C 5I ).E
U 0:5
P U
03 J 3M O
C U 图5 R H 设计（包括培养单元、温度/湿度传感器、摄像机和电源与国际空间站关键接口的连接）
Fig. 5 Functional diagram of Rodent H abitat life support systems, sensors, cameras, and power
supplies with connections to key ISS interfaces
李洁等：空间小鼠实验有效载荷研究进展451
个单元内.每一个R H分别使用左右两个相机观察两 个独立的鼠箱，一个摄像头安装在靠近废水过滤器的 位置，另一个摄像头安装在靠近饮水器的位置.
除欧美国家开发的空间生物培养箱之外，由日 本 J A X A 研发的 H C U(H a b i t a t C a g e U n i t)也提供 了空间环境对生命生存产生影响的数据.如图6所 示1#. H C U安装在国际空间站H本实验舱内的细 胞生物学实验设施 C B E F (C e n t r i f u g e-e q u i p p e d B i o­l o g i c a l E x p e r i m e n t F a c i l i t y) 中 丨50).C B E F通过离心 机在H C U中产生人造重力提供基于空间的控制，实 现微重力与l g人造重力对空间中小鼠的生物学对 照研究.图7给出了该系统的工作框架
H C U每只鼠箱可以容纳一只小鼠.箱内设置了 温度、湿度传感器，可以监测温度、湿度、二氧化碳和 氨浓度.鼠箱由树脂材料制成1491食品盒采用自动化设计，方便喂食，食物由一个弹簧装置提供，其将一 块模压好的食物推到喂食点，需要每周补充一次.饮 水系统基于医学气球输液袋—
—弹性气球对水进行加 压供应动物饮用，气球里的水位可由传感器探测到.此外，每个鼠箱配备了 2个供水喷嘴.小鼠也通过供 水喷嘴获得水分[491.培养箱内部的墙面安装了吸液 纸，可以快速消除箱子内的液体，如尿液：墙体为聚 碳酸酯材料.采用光催化热喷涂技术对板材进行除臭 和抗菌处理；为保证视频画面清晰度，设置了摄像头 雨刷.在微重力空间内没有自然对流，自然通风对 维持小鼠的生命至关重要，H C U通风风机采用静压 性能优良的薄型鼓风机，在保证通风的基础上尽量减 小培养箱整体尺寸@1.培养箱中心体为可其提供7 天的食物和水供应，理论上饲料和水需要每周补给一 次#1.此外.H C U在垃圾收集设备的下方安装了除臭过滤器，去除主要由氨气引起的恶臭气体1491.
运输单元（T r a n s p o r t a t i o n C a g e U n i t,T C U)如 图8所示1371，在发射和着陆阶段，T C U提供多达10 天的食物和水供应.在发射和返回阶段，其被放置 在一个动力柜中，大小与I S S的单次货物转运相同. T C U包含12个圆柱形箱子，每个箱子分别容纳1只 小鼠.T C U配备了 1个圆柱形的食物棒、1个气味 收集器、2个风扇以及液体处理系统（2个喷嘴和1个水球）以及垃圾回收系统.T C U采用1T H C U类似 的光催化热喷涂技术，对安装在垃圾收集区的纸张进 行除臭和抗菌处理.C B E F中的小鼠空间培养实验 流程如图9所示[371，图10显示了一帧空间小鼠培 养的视频画面.左边为人工重力环境.右边为微重力 环境
总体而言，目前国外正在使用的空间小鼠培养装 置主要由轨道运输装置、在轨培养装置与通道转移 装置三部分组成.其中轨道运输装置主要用于搭载小 鼠进入空间和返回地面，根据已有飞行记录，此阶段 需特别注意防撞和观察小鼠对高空环境逐渐适应的
Self-watering Sensors (Temperature,
—H um idity, C〇2,NH3)
Camera
Waste­collecting equipment Self-feeder
Cage with a window
图7 H C U系统工作框架
Fig. 7 Unit structure of the HCU
图6日本JA X A研发的HCU
Fig. 6 HCU developed in JAXA
图8运输H C U的TCU
Fig. 8 TCU for transporting
HCU
452Chin. J. Space Sci.空间科学学报 2021, 41(3)
Launch
(18 Jul. 2016, GMT：
Live return
(26 Aug. 2016, GMT)
H C U
:參
rcu IC l
(12 mice)
Habitation on ISS (35 days)
Multiple Artificial-gravity Research System (MARS) in Kibo ，r(12 mice)
Launch site (Kennedy space center)
Launch site
(West coast)图9多重重力环境
Fig. 9 M ultiple gravity environm ent
AG MG
图i〇空间中的小鼠
Fig. 10 Mouse in space
环境下的生存情况，通过视频、拍照等方式对具体实 验过程进行记录，模块化的设计可方便空间工作人员 通过制作好的手套等装置对箱内动物进行操控，空间 小鼠相关多数实验均在此装置内完成:通道转移装置 提供运输装置与在轨培养装置之间的转移，保证小鼠 一直在可控装置内，以免小鼠遗漏至空间实验室或飞 船内部而引起不必要的危险.表3给出了本文提到的 空间小鼠装置的比较.
综上所述，对比地面小鼠培养环境，图11给出 了空间中动物箱式培养环境需满足的基本条件.
3结论与展望
根据目前已公开的实验记录，保证空间培养箱内 多只小鼠的存活对于科学研究成果十分重要，但是如 何保证所有小鼠在长期空间驻留后仍能安全返回一 直是技术难度很大的挑战，也是至今尚未完成的任 务.国外已开展的长期空间小鼠实验在词养条件或 监测功能方面存在以下问题.
(1)小鼠的选择.由于培养单元设计将小鼠分组 词养，因此实验不能使用性情不稳定的雄性小鼠.否 则易发生打斗的情况.
^VenTilatTon
and
>-------*
Space mice
flight -
payload
CWast^disposaT)
^-Ternpefatore^
■>—*^3111131 operatjpii
^^V i d e(T^^)
图11空间小鼠实验有效载荷需满足的基本条件
Fig. 11 Basic condition of mice flight payload
(2) 水、代谢物等物体的循环利用.虽然已有装 置都能够保证小鼠正常的食物、水等生存必备供应，
但由于空间环境的特殊性，应考虑物品的循环利用和
便捷性，这是目前公开实验记录中未提到的.
(3) 相机镜头的污染.虽然已经设置废物处理装 置，但是随着实验时间的增加，难以避免摄像机镜头
污染对小鼠监控造成的不良影响.
(4) 对小鼠行为的数据分析.目前关于空间小鼠 的实验以传统的生物医学研究为主，包括由于空间
辐射造成的骨成分丢失I5'微重力环境对脑内基因
和蛋白质表达的影响I4'微重力环境下的皮肤生理
学1511等;对视频记录中小鼠行为的识别分析还未成
为研究重点，采集到的关于小鼠个体特色的大量数据
未得到进一步分析和应用.当前利用硬件进行视频、
图像等数据采集，建立具有个体特点的数据集库并对
其进行深度学习算法训练，实现医疗健康诊断、预测
未来趋势已成为可能.因此，将国内空间小鼠培养箱
的研制与机器学习算法结合，利用空间培养箱获取小
鼠实验数据，包括小鼠在空间活动的一系列视频图片
及声音记录等，通过深度学习算法进行数据分析，研
究微重力环境、空间辐射对生命体生存和基因改变。