2010年973项目书——面向长期空间飞行的航天员作业能力变化规律及机制研究

2010年973项目书——面向长期空间飞行的航天员作业能力变化规律及机制研究

项目名称：面向长期空间飞行的航天员作业能力变

化规律及机制研究

首席科学家：陈善广中国航天员科研训练中心起止年限：2010.9至2015.9

依托部门：中国人民解放军总装备部中国科学院

二、预期目标

本项目的学术思想和技术途径

针对国家载人航天发展战略需求，综合运用生物力学、时间生物学、心理学、数学等多学科理论和计算机建模与仿真技术，结合地面模拟和空间飞行实验，开展在航天环境下人的作业能力研究，探索其变化规律和调节机制，建立预测和评估体系，为突破维持和提高航天员长期空间作业能力的关键技术提供理论依据。

总体研究思路（见图1）。

按照总体研究思路，制定以下研究方案，多角度、多层面开展面向长期空间飞行的航天员作业能力变化规律及机制的研究：

1.航天环境下人的基本认知功能与情绪的变化特征及其相互影响

通过行为方法、多导生理测试、生物反馈、眼动追踪、ERP和fMRI 等技术手段，模拟狭小空间、幽闭、冲突等航天员面临的特殊条件，研究航天员空间知觉、运动知觉、运动协调控制、注意、记忆、情绪变化的规律及其神经机制；探索航天环境下基本认知功能和情绪变化对作业绩效的影响；建构情绪调控的测量、评估与训练方法和干预方案。

2.航天复杂任务与应急条件下人的决策特征及其机制

运用心理物理学等行为研究方法，确定影响航天员决策质量及空间飞行作业绩效的关键性因素，揭示个体在复杂航天任务与应急条件下的决策特征，为减少决策偏差或失误，提高决策质量提供指导；采用外周生理测量、眼动跟踪、EEG、ERP和fMRI等认知神经科学技术手段，阐释航天员决策的心理及神经机制。建立航天员情境意识、心理负荷、决策行为的主要评估指标，为航天员选拔和培训提供科学依据。

3.长期空间飞行环境下人的运动、操作能力的变化规律及其与空间

骨丢失、肌萎缩的交互作用

通过地基模拟和天基飞行实验，建立长期空间飞行航天员的运动、操作能力的评估体系；研究长期空间飞行航天员的运动、操作能

力变化规律并建立其变化规律的数据库；研究运动、操作能力的变化规律及其与空间骨丢失、肌萎缩的交互作用；结合离体细胞、组织和整体动物、人体实验，从基因、分子、细胞、组织、整体等多层面探讨空间骨丢失、肌萎缩的机制。

图1.总体研究思路

4.近地轨道飞行条件下人的生物节律的变化规律及其对作业能力的影响

通过地基模拟和天基飞行实验，揭示近地轨道飞行环境下生物节律的变化规律；结合模式生物和人体实验，探讨生物钟调节的分子机制并筛选生物钟调控的功能基因；研究生物节律及其变化对作业绩效的影响；制定近地轨道飞行环境下睡眠质量提高和生物节律紊乱的预警与调整方案。

5.长期空间飞行环境下航天员作业能力变化规律的建模与仿真

针对长期空间飞行中的典型作业任务，从认知、决策和运动、操作各层面提取完成任务的特征参数，建立评估体系；通过确定边界条件、目标参数和控制参量，建立具有骨骼肌肉系统生物力学模型和包括航天环境下航天员认知、决策能力改变的认知绩效模型；研究多模型之间的融合和交互方法，构建仿真平台；面向航天员空间典型作业任务，实现对航天员长期空间飞行作业能力变化规律的评估和预测。

本项目的特色

1.不同学科的交叉结合：

面向载人航天应用的航天医学工程学、生理学、心理学、数学、生物力学、时间生物学等多学科的交叉结合。

2.研究手段的相互融合：

特有的地面模拟、数字仿真与空间飞行验证研究手段的相互融合。

3.研究层次的系统综合：

基因、分子、细胞、组织和整体等研究层次的系统综合。

4.独有的研究对象和平台：

我国唯一以航天员为研究对象，具备开展大规模长期模拟失重人体实验平台和空间飞行实验条件，直接服务于载人航天事业的基础科学研究。

本项目创新点

1.创新的研究思路与理论成果：

通过整合交叉研究，系统阐明：长期空间飞行环境下情绪因素与基本认知的交互作用及机制；航天复杂任务与应急条件下人的决策特征及其神经机制；空间骨丢失、肌萎缩与运动、操作能力的交互作用及机制；空间环境生物节律的变化规律及机制。

2.多层次协同的模型体系：

建立航天员的骨骼肌肉系统生物力学、认知绩效和决策能力变化规律的多层次模型体系。

3.面向航天应用的评估预测平台：

构建针对长期空间飞行环境下航天员作业能力变化规律和发展趋势的评估预测平台。

本项目取得重大突破的可行性分析

●雄厚的理论基础：

本项目综合运用心理学、时间生物学、生物力学、生理学、分子生物学、数学等多学科理论和计算机建模与仿真技术，整合了我国相关基础研究领域的优势单位和团队。中国航天员科研训练中心一直从事中国载人航天工程，在失重生理学、航天工效学、计算机仿真及空间骨丢失和肌萎缩的分子机制等研究领域；北京大学医学部在骨丢失和肌萎缩的免疫学机制研究方面；中国科学院心理研究所在风险与不确定决策的心理与神经机制等方面；北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室在知觉学习与脑的可塑性、社会认知神经科学等方面；兰州大学在认知情感计算建模方面；四川大学时间生物学重点实验室以及中山大学生命科学院在生物节律的变化规律及分子机制、节律基因非生物钟功能方面；上海交通大学在人体运动学、骨肌系统生物力学模型建立与损伤风险评估，可视化仿真平台建设等方面已有成功的探索，丰富的理论成果积累为本项目研究奠定了坚实的基础。

●有利的条件保障：

本项目主持单位拥有国内独特的大型人体地面模拟实验平台、空间飞行验证实验资源；本项目参加单位包括国内优秀的认知心理学研

究团队、国内领先的虚拟人研究团队。参与本项目的课题负责人和学术骨干在航天医学、航天生理学、细胞分子生物学、时间生物学、航天工效学、认知心理学、计算机仿真与建模技术等研究领域都有创新性的学术研究成果。

优秀的人才队伍：

项目依托于国内优势科研单位，其中有4个国家重点实验室、1个国防科技重点实验室、2个卫生部重点实验室，通过多年来的合作，已凝聚起一支年富力强、勇于创新、团结协作的多学科交叉的研究队伍。本项目团队中有国家“百千万人才工程”首批入选成员2人，国家杰出青年基金获得者1人，教育部跨世纪优秀人才1人，中国科学院百人计划入选者4人，全军科技领军人才1人，平均年龄41岁。这支队伍在国家各种项目的前期支持下，已在相关领域取得了优异的研究成果。

本项目研究队伍整合了国内航天医学、航天生理学、航天工效学、认知心理学、时间生物学、以及计算机仿真与建模技术等相关基础研究的优势团队；有多项国家载人航天重点项目、自然科学基金重大项目和军队及地方省部级重点（攻关）项目的研究基础。

总体上看，由于资源优势、需求牵引、国家重视等有利因素，国内外本领域研究差距相对较小，通过本项目的开展，整合相关队伍，加强基础研究，可以使我国本领域研究进入国际领先水平。