专访空军航空医学研究所航空医学工程研究中心主任俞梦孙院士

    从理论支撑到实际应用

    ——专访空军航空医学研究所航空医学工程研究中心主任俞梦孙院士

    问：钱学森系统论思想是怎么成为此次高原科研试验的基础理论的？

    答：2008年，在我进入72岁那年，经“973工程”专家组朋友的推荐，我系统地学习了钱学森先生的系统科学思想，并且深刻地认识到，要研究人这样一个开放的复杂巨系统，当前唯一能用的就是从定性到定量的综合集成方法。

    实际上，在我一生的科研工作中，特别是从1970年以来，就一直是自觉不自觉地在系统理论框架下工作。如1971年用模拟理论与电子模型解决了火箭弹射时脊柱系统的动态响应理论；1980年在学习了控制论思想后，提出了用伪随机输入法揭示心脏储备功能；1983年用控制理论分析了63型载人离心机的超调原因，并及时解决存在了20年的超调问题；1996年，又从人的整体系统状态概念出发，提出了在心动周期连续曲线中一定会包含与睡眠结构有关的信息，进而提出了准自然状态下的监测技术原则……。然而，真正从系统论角度认识到人作为一个开放的复杂巨系统，则是近三年的事情。所以，这几年总觉得在我心里突然地敞开了一扇新的大门，使我找到了对当前医学中所存在问题的新的解决途径，于是在我心里有一种真正的科研工作好像才刚刚开始的感觉。这次高原科研试验，实际上成就了我近期对人体思考到的某些问题的一个检验机会，让我得以在这次高原试验中充分实践钱学森先生系统科学思想。

    问：急进高原的“主动快速适应”模式方案是如何设计出来了的？

    答：急进高原方案是2011年10月间提出的，但这件事的起因应从“十一五”期间开始，我和我的团队运用“人是一个与环境协调共存系统”这一系统论观点，分析了当前在高原驻训官兵中仍然存在的不适应现象，认为发生这些现象的根本原因，在于环境变异速率超过了人体自组织适应的时间常数，因而首先表现为睡眠障碍，致使身心状态受损，甚至转化为慢性高原病状态。所以解决这一问题的根本办法是降低环境变化速率，形成循序渐进的条件，使之与人体自组织时间速率相匹配。逐渐增加海拔高度的间歇性低氧训练就是一种降低环境变化速率的途径。于是，我们在“十一五”期间，在总后卫生部的支持下，进行了预适应方案研究，并成功地创造出常压式低氧舱，研究出一种效果较为理想、并且不存在病理性重建的，可在7～10天内完成预适应训练的方案。在这种背景情况下，当接到罗所长要我制定“十二五”飞行员高原的航卫保障研究方案时，我就基本上按2011年“十一五”的成功方案，策划了飞行员的训练模式。但是，精通卫勤的罗所长和王生成部长似乎对我提出的方案不太满意，认为这种预适应训练方案虽然效果很好很安全，但部队实行起来会有行不通的可能，用了一个晚上说服我一定要有一个急进的方案。开始我还有点想不通，但当我想到他俩是卫勤方面的专家，而且说的话也是在理的，于是我答应重新考虑一个急进方案。急进方案的要求是，既要满足能快速适应，确信尽快进入作训状态，又要避免给飞行员带来产生病理性重建条件。这就是说，这个急进方案必须是有效，还要健康安全的。找一个真正快速有效的方案本来就已经是个世界性难题，还要是安全的，没有任何损伤的。现在我有把握的就是“十一五”的那个预适应方案。在这两难时刻，我想到了过去在学习系统论之后，曾经构建过的那个初步的适应性模型中的训练刺激量。在“十一五”期间，我们已经用睡眠监测证明过，逐渐从3000m到4500m，每天4小时的刺激量是安全有效的。那么在高原3800m环境下，如果也能找到这样一个类似的刺激量，这不就行了吗？于是我们又根据生理学上组织对刺激的响应是刺激强度和刺激时间之乘积成比例的原理，在急进训练中运用刺激强度是恒定的（3800m）、而暴露时间是从4小时逐渐延长的方案。这方案从原理上应与“十一五”期间的预适应刺激量是等效的。就这样，一个在系统论思想指导下，由适应性模型中的刺激量所派生出的急进高原的主动快速适应模式被设计出来了。后来，在高原的三个月的试验证明，这种急进训练方案，不仅在原理上与预适应训练是等效的，而且它是快速高效的，适应效果也是等效的。即系统论真正地引导我们创造了两种等效的主动快速适应训练模式。

    问：人的自组织系统的动力学模型您是怎么构建出来的？

    答：我随试验队到达海拔3800m的高原某机场后，每天都同吴锋、曹征涛两位博士共同观察12位模拟飞行员每天的大量数据，头脑中逐渐形成了这些数据随驻留天数延长所带来变化的大体轮廓。特别是到了第七天，当曹博士把对照组的数据整理成时间座标曲线时，我联想到近三年来在学习系统论后所思考的人适应环境变化的模型结构，使我头脑中突然产生一个念头，是否可构建一个可容纳这些大量数据并能说明人体在进入高原初期适应性反应的框架？这个框架应能容纳动脉血氧饱和度、心率、睡眠结构等主要生理参数的变化规律。后经反复整理、比较，进一步发现这些生理数据变化现象有以下三点共性规律：第一，这些生理数据与平原相比，到达3800m的第一天变化最大；第二，随驻留天数的延长，这些数据均呈现出回归现象，可理解为逐渐适应过程；第三，这些数据的回归过程，大体上类似指数变化规律的时间函数。以上三项共性规律，使我进一步想到，能否把人到高原初期对低氧环境反应看成是一种人的自组织系统的动力学模型，而所有这些数据正是对应的各个自组织系统模型的输出。于是回到北京后，我和几位在读的研究生一起共同完成了对这些数据的曲线拟合，构建了入高原初期人体适应低氧环境的动力学模型，并进一步用模型的参数要素，指导了我们在高原的后续三个月的试验、验证。后来我们又在上述动力学模型基础上，结合两年前我所理解的适应环境的自组织模型，经过无数次的验证、修改、调整，实现了当前我们对间歇性低氧训练过程的最优理解，并构建出内含4 大训练要素的数学模型，定量地表达间歇性低氧训练过程。这应该是世界上第一个用动力学模型描述间歇性低氧训练的范例。

    对待人体这样一个开放的复杂系统中某些问题的认识，当前唯一能有效处理的方法就是从定性到定量的综合集成方法。钱学森先生对这一方法有一个非常精辟的说法，就是“要在一大堆事实面前，设法寻找一个能装得下所有事实的框架，然后用数学去验证这个框架”。我们前面的这个工作，也就是在整个过程中不断地检验和修正这个能反映人体对低氧或间歇性低氧训练的框架，不断地用所获得数据去验证所提出的框架或模型是否能容纳入高原初期的所有数据。事实上，我们运用了这前后两个有联系的数学模型，指导了这次的高原试验研究，并成功地获得了高效训练方案，避免了病理性重建现象的发生。后来同行专家认为，这是一项对人体适应性训练的开创性工作，不仅在理论上有创新，而且在研究方法上是对钱学森先生从定性到定量综合集成方法的发展。然而，这一切都来自于对点滴现象的敏感和深入的挖掘，使我们找到了事物内部深层次的规律。

    问：听说在高原试验期间，夜间的一次意外停电，反而成了你们对“主动快速适应”训练模式有效性的一次检验，这是怎么回事？

    答：是的，有这么回事。在我们到达高原进行试验的第三天晚上，因故停电，致使宿舍中氧气供应中断。这对原计划的试验工作是一种意外干扰。然而我们并没有去埋怨不理想的客观条件，而是反过来去思考，在这意外的事故中是否隐含着别的有用的信息？于是我们换一个角度去审视当天在中断供氧条件下各试验组的试验数据，结果使我们意外地发现，这突如其来的停电、停氧事件，像是天意，正好构成了我们对急进高原组方案是否有效的检验。结果发现，急进组夜间在停氧条件下，与前一天供氧情景相比，虽然对睡眠结构和动脉血氧饱和度有轻微影响，如深睡时间从供氧时的65分下降到停氧时的49分，动脉血氧饱和度也由原来的94%变成停氧时的87%，但却仍然显著地优于当天对照组的数据，这让我们兴奋了好一阵子，说明我们先前的假说得到了实际数据的验证，说明在高原前二天夜间供氧条件所得到的好的睡眠质量，确实对人体自组织功能的形成有多么重要！这些结果解决了我们先前还存在脑子里的许多疑问，现在一轱脑地被解决了。后来我们乘胜追击，利用对照组数据，在后来构建的模型中辨识出系统对低氧适应过程中最重要的特征参数——适应低氧的时间常数，并用这一概念去考察这次停电事故条件下急进组和预适应组的数据，并运用数学方法分别计算出两个组各自相应的时间常数。从动脉血氧饱和度的结果表明，对照组适应过程的时间常数是3.2天，急进组仅为0.633天，而预适应组还不到0.633天。这些量化了的结果的显著差异，同样也在三个组的体育训练、自主神经功能等方面得到了印证。进一步说明，我们这次所设计的两种“主动快速适应”训练模式是高效成功的，可以保障飞行员入高原的当天即可投入作训安排。

    问：这次开展高原科研试验，在试验方式方法上给您带来哪些启发？

    答：这次高原试验的结果说明，从系统理论出发，特别是运用从实际的生理反应中构建出的并经过反复证明、修正的数学模型，能量化地描述间歇性低氧训练下人体耐低氧的自组织、自适应功能的形成过程，并能更好地指导低氧训练的实施和训练效率的提高。正像马克思所说的那样：“一门科学，只有当它成功地运用数学时才能达到真正完善的地步”。

    这次尝试使我们真切地体会到: 用“实事求是地综合集成法”具有认识人体这样一个多层次的复杂系统的强大威力。正像钱学森先生所说的那样：“当前唯一能解决复杂系统的方法，就是从定性到定量的综合集成法”。我们正是循着这条路径，找到了有效的“主动快速适应”训练法。在整个试验实施过程中，我们还深刻地感悟到：在解决人的问题上，必须遵重人体本身所具备的强大自组织能力，遵循人体在适应环境过程中所固有的规律，遵循呵护好了，事半功倍，否则将可能是灾难。当然，人是一个多层次的复杂系统，人对低氧环境的适应也一定是多层次的。我们这次获取到的高原中枢性呼吸暂停发展过程，也已经显示出人的适应机制在空间上和时间上的多层次性，因而有必要运用更复杂的数学模型来表达适应过程。这次的工作主要用于阐明“主动快速适应”训练模式，所构建的数学模型已经可以指导实际工作的进行。所以这次仅仅是个尝试。人的自组织能力实际上是很复杂的，我们今后还将根据不同的需求进行多方面的发掘。

    问：在开展高原科研试验过程中，您体会最深的是什么？

    答：我认为，这次高原科研的成功之处，在于团结协作、聚力攻关，在于所党委的统一领导，山上山下密切配合，充分体现了“一盘棋”团队合作精神，特别是政治、后勤工作服务保障科研中心工作作用发挥明显，有力保障了科研试验的顺利进行。搞科研，单打独斗不行，必须要依靠团队协作，必须要有党委的坚强领导和思想政治工作的渗透融合。

    在高原科研期间，试验队定期组织课题讨论会，大家都从各自研究领域里跳出来，相互提醒、相互启发，严谨细致地审视我们所做的每一项课题。一次，体能训练组在阐述高原体能训练问题时，说到飞行员做完运动器械后的心率问题，航空医学组的同志提出可以结合心率检测，一起检查心脏的变化。于是，在第二阶段的课题中，两个小组全力合作，共同完成了高原体能训练心电监护项目，证实了在高原上组织正确的体能训练，不会对心脏构成威胁。

    前方科研也时刻牵连着在后方科研人员的心。在这次高原试验中，为了沟通前后方之间的联系，事先设计了前后方之间的信息网络系统，使前后方之间能同时互动。3个月期间，高原和北京之间，每天都有几十兆的数据在传输、在互动分析。这次高原试验中，一项有关高原型中枢性呼吸暂停事件发生、发展规律的新发现，就是因为远在北京的数据分析专家发现了这一现象的苗头，于是组织科研人员连续几天加班，用新的视角重新分析后续数据，北京的同志还紧急研制了分析中枢性呼吸暂停的专家系统软件，及时传至高原。充分体现了北京与高原，队内与队外为了共同目标的大团结、大协作。

    此次试验，青海省高原医学研究院研究员、中国工程院吴天一院士，三医大高原军事医学系主任高钰琪教授、四医大航空航天医学系主任常耀明教授、军事医学科学院范明研究员、军区副司令员李素芝将军，以及自治区党委常委公保扎西医学博士等高原医学领域的权威专家，从最初的课题立项、科研试验过程和试验结果论证等方面，都给予了高度关注和鼎力支持，为我们顺利开展科研试验提出了许多有针对性的指导意见。

    通过90天的艰辛鏖战，我们圆满完成了所有任务，达到甚至超过了预期目的，取得了“五个首次研究验证”、“四个方面理论突破”和“三种科研保障模式探索”的阶段性成果，为积极保障航空兵部队高原常年驻训和圆满完成飞行作战训练任务打下了良好的基础。

    应该说，我要感谢这次高原科研试验，因为它不但解决了中国空军形成新质战斗力必须首先重点关注的一个问题，而且也使我对人体的自组织、自适应能力有了更深刻的认识，为我们今后更深入的研究打开了一扇新的大门。

 空军政治部宣传部供稿