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1、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
2、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
3、，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
4、空间骨丢失、肌萎缩的机制。天基飞行验证地基模拟验证天基飞行地基模拟人体实验动物模型长期空间飞行（失重、昼夜时长变化、极端幽闭环境）认知决策能力和运动操作能力的变化规律信息编码与中枢整合 功能区的交互作用分子信号通路功能基因筛选生物节律基因筛选运动操作特性典型运动提取、分析、计算，生理学参数数据库影像学监测认知与行为学实验决策特征生物节律基本认知与情绪生理指标空间动态监测认知决策能力和执行能力变化的机制长期空间飞行认知绩效和生物力学建模与仿真模型体系仿真平台认知绩效模型骨肌生物力学模型交互、融合可视化技术航天员长期空间飞行作业能力评估与预测图1.总体研究思路4. 近地轨道飞行条件下人的生物节律的
5、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
6、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
7、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l 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
8、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
9、的理论成果积累为本项目研究奠定了坚实的基础。l 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。 l 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
10、“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
11、研究进入国际领先水平。5课题设置根据本项目开展的主要研究内容，设置课题如图2。认知功能变化规律及机制课题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课题2航天复杂任务与应急条件下人的决策特征及其机制课题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、肌萎缩的交互作用课题4近地轨道飞行条件下航天员生物节律的变化规律及其对作业能力的影响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运动、操作能力认知、决策能力环境应激的内稳态变化课题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运动、操作能力变化规律及机制决策能力变化规律及机制情境意识心理负荷和决策行为的评
12、估指标体系决策的心理及神经机制失重状态下人体运动学参数数据库建立失重状态下骨丢失和肌萎缩的分子机制研究生物节律变化的分子机制生物节律变化规律及对作业能力的影响情绪变化对认知功能的影响情绪调控的策略及手段图2. 课题设置课题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预期目标：l 建立航天环境下空间知觉、运动控制协调能力、空间注意、记忆、思维等基本认知功能的评估和训练系统；l 增强航天环境下人的情绪稳定性和危机应对能力，预防、干预长期飞行中的不良情绪状态，促进返回地面后的心理恢复；l 阐明特殊条件下基本认知和情绪的相互作用，及其脑的可塑性改变的神经基础；l 建立知觉、运动、注意、记
13、忆等基本认知功能的变化规律数据库。研究内容：本课题将在模拟狭小空间、幽闭、冲突等特殊条件下开展以下研究：l 研究视知觉、特别是空间知觉的变化规律，揭示其与重力坐标参照系之间的关系；l 研究多任务状态下的注意分配特点、变化规律，建立航天员的注意力分配模型；l 研究运动控制的功能连接网络及其动态变化规律，例如前庭功能训练前后运动控制协调能力和策略的改变、眼-手协调能力改变、空间定位的改变，及其与脑的可塑性；l 研究记忆能力动态变化与作业绩效之间的关系，建立不同记忆能力常模曲线，并对航天员记忆能力的训练与干预开展研究；l 研究失重环境下面孔情绪的知觉、正负性情绪对空间工作记忆的选择性影响、个性特质与
14、情绪调节的关系、情绪调节的策略及手段研究。经费比例：12%承担单位：北京师范大学、兰州大学课题负责人：罗跃嘉学术骨干：胡斌、周仁来、王炜、黄宇霞课题2、航天复杂任务与应急条件下人的决策特征及其机制预期目标：l 建立在航天复杂任务及航天应急条件下包括情境意识、心理负荷、决策行为等在内的评估体系；l 揭示航天复杂任务及航天应急条件下人的决策特征及其影响因素，探索减少决策偏差或失误、提高决策质量的途径，以提高作业绩效；l 揭示航天复杂任务及航天应急条件下人的决策的心理和神经机制，为航天员选拔和训练提供行为水平和神经水平的科学依据。研究内容：l 开展针对航天复杂任务及应急条件下的情境意识和心理负荷评价
15、方法的研究，探讨情境意识和心理负荷对多水平决策的影响；l 建立航天复杂任务及航天应急条件下人的决策特征的主要评估指标；l 从知觉、认知及行为水平入手，研究决策特征和规律；l 分析决策策略、决策偏差和决策失误，考察这些策略、偏差与失误对作业绩效的影响及其机制。经费比例：12%承担单位：中国科学院心理研究所、中国航天员科研训练中心课题负责人：李纾学术骨干：周雯、蒋毅、禤宇明、孙向红、田志强课题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、肌萎缩的交互作用预期目标：l 建立包括空间骨丢失、肌萎缩变化因素在内的运动、操作能力的评估体系；l 阐明运动、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；l 揭示空间
