Поддержание вертикальной позы: анатомо-физиологические аспекты, методы регистрации, клинико-диагностическое значение нарушений

Механизмы поддержания вертикальной позы имеют строгую систему организации, которая формируется в онтогенезе, под воздействием специфических условий окружающей среды. Поддержания вертикальной позы в покое и движении имеют различия, как в нейрофизиологическом способе обеспечения, в стратегии контроля и реализации постуральной устойчивости, так и в биомеханическом (конструктивном) плане. Правильная нейрофизиологическая трактовка тактики поддержания вертикальной позы в различных условиях, позволяет оптимально использовать полученную информацию в функциональной диагностике и медицинской реабилитации.

В условиях центра оценка функционального состояния поддержания вертикальной позы проводится с использованием двух, различных по техническому решению, стабилоплатформ, неподвижной и подвижной. Объединив в один блок, доступную к трактовке информацию о состоянии вертикальной позы в покое и способности удерживать равновесие, мы получили развернутую картину постурального профиля человека. Это позволит улучшить качество диагностических мероприятий и обеспечить субклиническую оценку возможных изменений постуральной активности пациента.

Известно, что поддержание вертикальной позы (ПВП) — сложный двигательный акт. Вообще двигательный акт имеет несколько фаз. Первая — начальная — фаза инициирования движения, которая заключается в формировании побуждения движения, определение цели и плана биохимической реализации. Данную функциональную систему составляет префронтальная кора, неспецифические ядра таламуса, лимбическая система и ретикулярная формация ствола головного мозга, ассоциативные зоны теменной коры. Вторая фаза — фаза программирования движения. В ходе ее реализации происходит выбор двигательной программы, очередности работы необходимых мышечных групп с образованием физиологических синкинезий. Анатомической основой этой функции является премоторные зоны коры мозга, базальные ганглии, мозжечок. Третья заключительная фаза — выполнение движения. Данная функция обеспечивается первичной моторной корой, мозжечком, стволовыми и спинальными двигательным центрами [33,48,49].

Регуляция поддержания вертикальной позы имеет несколько форм реализации:

• а) Поддержание тела в основной вертикальной позе осуществляется функциональным образованием (группой), в которую входят моторная кора, мозжечок, стволовые и спинальные двигательные центры. Группа обеспечивает регуляцию тонуса антигравитационных мышц.
• б) Динамический позный контроль.
• в) Перенастройка позы.
• г) Произвольный постуральный контроль.

Первичной является регуляция позы при спокойном стоянии, которая осуществляется, прежде всего, антигравитационной мускулатурой (мышцами-разгибателями позвоночного столба, нижних конечностей), а также рефлексами на растяжение мышц передней и задней поверхности голени. В качестве триггерной афферентной системы в данном случае выступают соматосенсорные сигналы (это проприорецептивная опорная афферентация, то есть информация о контакте стопы с опорой). Немаловажной является также зрительная информация. Гораздо меньшее участие принимает вестибулярная система, поскольку колебания головы при стоянии относительно небольшие. При этом регуляция реализуется на уровне центров ствола головного мозга, а именно вестибулярных ядер и ретикулярной формации, испытывающих непосредственные нисходящие влияния медиальных отделов (червя) мозжечка, которые, в свою очередь, получают афферентную информацию от соматосенсорной системы. На этом уровне происходит регуляция тонуса позных мышц, а также обеспечивается координация мышечных синергии, обеспечивающих сохранение равновесия [17].

Следующая форма реализации ВП — динамический и позный контроль, который представляет собой автоматическое изменение позы в ответ на потерю равновесия. Это происходит при внезапной смене направления движения, при неожиданном столкновении с препятствием, при смещении опоры, как, например, во время резкой остановки движущегося транспорта. В этот момент центр давления (ЦД) тела активно стремится покинуть границы площади опоры, что вызывает реальную угрозу падения тела. Поэтому суть реактивного постурального контроля заключается в восстановлении безопасного положения ЦД. Это происходит за счет изменения позы, посредством активации нервно-мышечных синергии, под контролем вестибулярной и проприоцептивной афферентации. Вестибулярная афферентации передает информацию о линейных и угловых перемещениях головы. Другие афферентации выполняют в данном случае важную, но вспомогательную роль. Динамический и позный контроль имеет более сложную организацию, чем предыдущая форма, поскольку успешность сохранения равновесия в данном случае зависит, прежде всего, от адекватности выбора позной стратегии. Считают, что структурой, ответственной за селекцию адекватных двигательных и позных синергий, являются базальные ганглии. В свою очередь специфической функцией базальных ганглиев считается программирование последовательности включения мышечных синергии при внезапной потере равновесия [10−12,13,15,16,20,21,34,43,44].

Следующая форма регуляции поддержания вертикальной позы — перенастройка. При ходьбе, например, человек активно перемещает свой центр тяжести за площадь опоры и как бы «подхватывает» его выставленной вперед ногой. Таким образом, для поддержания равновесия он выбирает оптимальный режим движения. Это характерно и для всех других видов деятельности человека, связанных с необходимостью принимать рабочую позу и сохранять устойчивость.

Сохранение равновесия даже в тех случаях, когда человек стоит на месте не двигаясь, обеспечивается непрерывной работой мышц. Чем меньше площадь опоры, тем большую работу приходится им совершать.

Мозговая регуляция мышц, участвующих в сохранении позы, обычно не осознается. До коры головного мозга соответствующие сигналы доходят в осознанном виде, тогда когда требуется срочная реакция организма при потере равновесия. При этом «команда» тем или иным группам мышц на выравнивание тела относительно площади опоры в ряде случаев дается раньше, чем человек осознает случившееся. Так, если кто-либо поскользнется в гололедицу одной ногой и начинает падать в сторону поскользнувшейся ноги, в тот же момент все тело рефлекторно отклоняется в противоположную сторону, центр тяжести его перемещается и равновесие восстанавливается. Этот рефлекторный акт осуществляется двигательным аппаратом, но сигналами для «пуска» последнего являются вестибулярные и мышечно-суставные ощущения. Таким образом, рефлексы сохранения позы в вертикальном положении, реализуемые при участии вестибулярной и мышечно-суставной чувствительности, а также других сенсорных систем, противостоят действию сил земного притяжения на массу тела. Соответственно, мы наблюдаем у человека самую совершенную функциональную систему антигравитации.

Удержание вертикальной позы, прямостояние и биподальная локомоция — это венец эволюции человека в его приспособительной деятельности к существованию в гравитационном поле земли.

Большое значение в физиологии придается т.н. сенсорным входам. Под пространственной ориентацией понимают способность человека и животных оценивать свое положение относительно направления силы тяжести и относительно различных окружающих объектов. Соответственно этим двум компонентам пространственной ориентировки можно в какой-то мере выделить и нейрофизиологические механизмы, осуществляющие каждый свою функцию [1,3−9,20,36−38,40,42,44−46].

Отражение пространственного положения тела относительно плоскости Земли (первый компонент пространственной ориентировки) в каждый момент обеспечивается при помощи зрительной (оптической), вестибулярной (статокинетической), проприорецептивной (мышечно-суставная чувствительность) и моторной функциями. Адекватными раздражителями для соответствующих рецепторов являются: зрительная активность — для оптического и механическая — для остальных.

Второй компонент пространственной ориентировки, т. е. ориентировка относительно окружающих человека объектов, всегда осуществляется на базе (фоне) первого компонента. Такая ориентировка происходит при помощи особой системы анализаторов, в которую включаются оптический, звуковой анализаторы. Их рецепторы являются дистантными. Обладая исключительно высокой возбудимостью к адекватным раздражителям, они способны дифференцировать источники действующих на них потоков энергии на большом расстоянии.

Ведущей сенсорной системой при ориентации в пространстве оказывается зрительная функция. В процессе эволюционного развития она приспособилась не к прямому воздействию солнечных лучей, а к восприятию света, отраженного от различных объектов. Психофизиологические исследования позволили обнаружить, что в общей динамике пространственного видения исключительную роль играют не только пространственные отношения окружающих человека вещей, но и положение тела относительно направления силы тяжести. Оправдалось предположение Ухтомского, согласно которому зрение определяется, как сложная ассоциативная цепь: зрение — кинестезия — вестибулярные ощущения. Именно последовательной цепью, зрительно—вестибулярно—кинестезических рефлексов, связаны координаты полей зрения человека, взаимодействие монокулярных систем (т. е. обоих глаз) и т. д.

Орган слуха также участвует в анализе пространственных отношений. Однако человеческие возможности в области непосредственного слухового восприятия пространства ограничены и сводятся в основном к локализации звука. В ее основе лежит бинауральный эффект, заключающийся в последовательном ощущении звука, действующего на одно и другое ухо. Еще меньшими возможностями обладает обонятельный анализатор в локализации источника запаха.

Определенная информация об изменении веса и положения тела в пространстве обеспечивается также чувствительностью кожи к механическим раздражителям. Например, когда человек стоит, соответствующие сигналы идут от кожи ступней, когда он лежит, — от кожи спины, и т. д. «Указателем» направления силы тяжести являются и рецепторы, находящиеся в стенках кровеносных сосудов и воспринимающие давление крови (барорецепторы). Если человек стоит, то кровь, стремясь в нижележащие части тела, вызывает большое напряжение стенок сосудов нижних конечностей и соответствующее изменение поступающей в мозг информации. Об изменении направления силы тяжести сигнализируют и другие интерорецепторы.

Итак, ориентация человека в пространстве осуществляется при помощи ряда анализаторов и тех структур коры головного мозга, которые интегрируют их деятельность в единый процесс отражения пространственных отношений. Каждая сенсорная система отражает какую-либо одну из сторон того сложного, комплексного раздражителя, который в целом воспринимается нами как пространственные характеристики окружающего мира. Сочетанная же деятельность нескольких сенсорных систем, представляя собой, так называемую функциональную системность, приобретает новое, более высокое качество, так как позволяет перейти от отражения отдельных сторон или свойств пространственных отношений к отражению их совокупности [40]. Она также позволяет человеку отвечать на данный комплексный раздражитель не суммой отдельных реакций, а целостной реакцией, что является более совершенной а, следовательно, и более эффективной формой поведения организма в его взаимодействии с внешней средой. Таким образом, существует сложнейшая функциональная система, обеспечивающая поддержание вертикальной позы. Поломка ее звеньев на любом этапе, безусловно, приведет к нарушению вертикальной позы.

Условия поддержания вертикальной позы человека отличаются особой сложностью — малой площадью опорной поверхности, большим числом шарнирных соединений и высоким расположением центром тяжести. Величина опорного контура определяется размером стоп и углом между их продольными осями. Центр тяжести обычно находится на расстоянии от пола, составляющем 55% от роста человека. Для поддержания равновесия существенно положение проекции общего центра тяжести относительно основных суставов ноги. Опущенная из центра тяжести вертикаль проходит кзади от оси вращения в тазобедренном суставе, несколько кпереди от оси вращения в коленных суставах и на 4−5см кпереди от оси голеностопных суставов. Из этих данных следует, что вес тела имеет тенденцию опрокидывать человека вперед; при этом наибольшая нагрузка приходится на мышцы задней поверхности голени, удерживающие тело от падения вперед за счет фиксации углов в голеностопных суставах. Исходный наклон тела вперед связан с тем, что падение вперед может быть предотвращено при помощи рук и не так опасно как падение назад [10−12].

Учитывая только биомеханику тела человека, создается впечатление, что тело человека представляет собой очень неустойчивую конструкцию. По образному выражению Т. Робертса оно напоминает поставленный на торец карандаш. Однако, в отличие от карандаша, у человека сохранение вертикальной позы не является задачей статики в чистом виде. Уже давно заметили, что при стоянии тело человека совершает непрерывные колебания малой амплитуды в переднезаднем и боковом направлении. В этом легко убедиться при внимательном наблюдении за положением головы спокойно стоящего человека относительно какого-либо неподвижного ориентира. Оказывается, что голова постоянно находится в движении. Эти движения можно записать, присоединив к голове какой-либо регистрирующий прибор. Старейший пример такой записи — это кефалограмма — след, оставляемый закрепленным на темени острием на закопченной бумаге. Недостатком этого метода регистрации и его последующих модификаций являлось то, что голова обладает собственной подвижностью, и ее движения могут не отражать движений всего тела. Поэтому в наше время перешли к записи колебаний общего центра тяжести тела, осуществляемой с помощью специальных приборов — стабилографов или статокинезиграфов. Такой прибор представляет собой опорную площадку, опирающуюся на датчики, чувствительные к изменениям давления. При перемещении центра тяжести стоящего на площадке человека вперед возрастает давление на передние датчики и уменьшается на задние; при отклонении человека вправо возрастает давление на правые датчики и уменьшается на левые. С помощью соответствующей коммутации датчиков и последующего усиления полученных сигналов удается зарегистрировать колебания центра тяжести в переднезаднем (сагиттальном) и боковом (фронтальном) направлениях. При спокойном стоянии центр тяжести совершает непрерывные колебания со средними частотами порядка 0,1−4 Гц, так что стояние, в сущности, представляет собой непрерывные движения тела относительно неподвижных стоп. Амплитуда этих колебаний невелика: проекция ОЦТ обычно не выходит за пределы области, расположенной в середине опорного контура и имеющей размер 1,5 2,0 см. Площадь этой области составляет всего около 1−2% всей площади опорного контура. Такой большой запас устойчивости говорит о высоком качестве работы системы управления.

Основные принципы стабилографических методов исследования ВП человека в СССР были сформулированы еще в 1952 году группой ученых Института проблем передачи информации, возглавляемой В. С. Гурфинкелем [10].

Интерес к стабилографам был проявлен Минздравом СССР только в конце 80-х годов, когда ведущие зарубежные фирмы уже вышли в этой области на мировой рынок, а также потребовалась разработка технологий оценки вертикальной позы для авио-космической медицины.

В 2001 г. был сертифицирован первый Российский компьютерный стабилограф — стабилоанализатор компьютерный с биологической обратной связью «Стабилан-01». Этот комплекс был разработан и серийно выпускается в ЗАО «ОКБ «РИТМ» (г. Таганрог). По своим техническим показателям и функциональным возможностям стабилоанализатор вышел на уровень лучших мировых достижений в своем классе, а по ряду показателей стал лидером.

Наиболее удачный диапазон оценки координат общего центра масс (ОЦМ), реализован в стабилоанализаторе «Стабилан-01», платформа которого доведена до круга радиусом 200 мм. Достигнуто это за счет использования четырехопорного варианта стабилоплатформы. В сравнении с трехопорным вариантом, четырехопорный при равных габаритах, имеет радиус поля регистрации ОЦМ больше в 2 раза. Для правильной установки платформы потребовалась реализовать дополнительную регулировку по высоте одной из опор в пределах 3 мм. Дискретизация сигнала датчиков составляет 50 Гц. Погрешность оценки координат ОЦМ не более 1% в настоящее время считается уровнем лучших разработок. Можно отметить, что по результатам технических испытаний у стабилоанализаторов «Стабилан-01» этот показатель лежит в пределах 0,3−0,5%. Диапазон веса испытуемого от 10 до 150 кг.

Не смотря на достаточно длительный срок существования статических стабилометрических платформ, их использование в научных и практических целях началось сравнительно недавно. Первые работы касательно средних величин датированы 1985 годом (Франция), в которых отражен возрастной и половой аспект нормальных величин стабилографии. Описаны средние величины координатных, временных и спектральных групп параметров. Технические характеристики стабилоплатформ, а именно дискретизация датчиков, используемые французскими специалистами составляла 5Гц. Что при дальнейшем изучении данного вопроса существенно повлияло на использование материала в трактовке средних величин нормы.

Научные исследования в СССР, а в последующем в странах СНГ, с использованием метода стабилографии проводятся на первых экспериментальных образцах постурографа «Стабилотест», разработанного ВНИИМП-ВИТА (г. Москва, 1991 — 1993 годы). Первое оборудование для авиокосмических исследований появилось гораздо раньше и представляло собой стабилометрическую платформу весом в 300 кг, которая устанавливалась на отдельной платформе. Обязательным условием работы стабилоплатформы являлось удаление ее от источников вибрации не менее чем на 5 км. Что существенно влияло на серийное производство и использование стабилоплатформ в клинических условиях. Первое российское сертифицированное оборудование появилось в 2001 году.

Развитие технического обеспечения стабилометрических платформ и программного обеспечения с участием ведущих специалистов в области биомеханики, медицины и других специальностей создало благоприятные условия для продвижения методики в системе здравоохранения. Разработчики программных пакетов и технических устройств, преследовали основную цель — доказать высокую чувствительность метода и его надежность. Базовый программный пакет стабилоанализатора «Стабилан-01» содержал более 30 тестов. Часть тестов запрограммирована как экспертные — статические исследования, а вторая часть как динамические тесты (на неподвижной платформе), которые имею двойное назначение — диагностическое и тренировочное [2,16,17,48].

Разработка методов экспертной оценки состояния вертикальной позы нашла свое практическое применение в предрейсовом контроле водителей, машинистов локомотивных бригад, пилотов гражданской авиации, а также предсменном контроле операторов ТЭЦ и АС. Совершенствование метода экспертной оценки показало, что при изменении психоэмоционального фона, физической усталости и наличия других, патологических и преморбитных состояний происходит значимое изменение параметров стабилограммы.