Фронтальная устойчивость вертикальной позы человека

Актуальность проблемы.

Изучение структурно-функциональных особенностей системы поддержания вертикальной позы представляет собой актуальную биоинформа-тическую задачу современной физиологии движений [7], имеющую как общетеоретическое значение в плане углубления общих принципов организации системы управления движениями человека, так и практическое значение в плане разработки различных диагностических постуральных тестов как для клиники, так и для тестирования профессиональной пригодности специалистов. Кроме того, эти исследования чрезвычайно важны также потому, что они дают возможность проводить исследование движений неинвазивно на здоровых испытуемых, так как простое перенесение на интактный организм тех закономерностей, которые обнаружены в опытах на животных с перерезками ЦНС, наркозом, обездвиживанием не всегда правомерно [28]. Данная диссертация посвящена одному из важных аспектов управления равновесием тела — изучению механизма поддержания вертикальной стойки человека во фронтальной плоскости. Вертикальная поза является интересным и, вместе с тем, чрезвычайно сложным объектом физиологического исследования. Поза — это не только удержание определенного положения звеньев тела друг относительно друга и всего тела в пространстве, но и адаптация к изменению условий стояния во время совершения произвольных двигательных актов, сложные преднастройки, предшествующие активным движениям, обеспечение устойчивости во время локомоции [21], [7], [53], [52]. Поддержание позы связано с наличием определенной системы отсчета, которая является общей для оценки взаимоположения звеньев тела и его ориентации относительно экстраперсонального пространства [11], [13]. Поэтому нельзя разделить механизмы регуляции позы и пространственную ориентацию. Постуральные механизмы интересны еще и потому, что они занимают как бы промежуточное положение между двигательными автоматизмами типа локомоции и произвольными движениями. Поэтому знание принципов регуляции позы можно рассматривать и в качестве предпосылки к пониманию принципа организации управления произвольными движениями. При изучении поддержания равновесия тела при стоянии для удобства описания обычно рассматривают управление во фронтальной и в сагиттальной плоскости. Позным стратегиям, кинематике движения и исследованию устойчивости тела в сагиттальной плоскости в литературе уделяется большое внимание [33], [74]. С эгой целью используются как экспериментальные подходы, так и методы математического моделирования. Существз’ет множество моделей движения тела человека в сагиттальной плоскости [31], [67]. Простейшая из них — модель однозвенного перевернутого маятника. Тело человека во фронтальной плоскости имеет более сложную конфигурацию, чем в сагиттальной. (С биомеханической точки зрения оно представляет собой в сагиттальной плоскости при нормальном стоянии разомкнутую кинематическую цепь, а во фронтальной плоскости — комбинацию разомкнутой (верхняя часть тела) и замкнутой (нижняя часть тела) цепей). Фронтальные моменты, возникающие в тазобедренном суставе, не поддаются прямым экспериментальным измерениям. Большинство мышц, управляющих движением тела во фронтальной плоскости, труднодоступно для регистрации элек-тромиограммы (ЭМГ) при помощи поверхностных электродов. Стратегии поддержания равновесия тела человека в сагиттальной плоскости при стоянии подробно описаны [33], [61], [67], [73], [53]. При этом, однако, нет единого мнения о том, какие стратегии используются, и как преимущественно осуществляется управление вертикальной позой во фронтальной плоскости: возможно ли управление с использованием тех же принципов регуляции, как и для сагиттальной плоскости — на уровне тазобедренного и на уровне голеностопного сустава.

Известно, что с увеличением площади опорного контура и базы опоры (ширины стояния) стабильность тела во фронтальной плоскости увеличивается [82],[41]. Однако, данные о том, как зависит устойчивость от конфигурации опорного контура, отсутствуют. Считается, что основное управление вертикальной стойкой осуществляется в передне-заднем направлении. В этом направлении биокинематическая цепь разомкнута, и колебания тела наибольшие [82], [54]. Однако, любые изменения конфигурации и площади, (как в сторону увеличения, так и уменьшения), опорного контура предъявляют повышенные требования к системе управления основной стойкой и во фронтальной плоскости. Поэтому управление позой в этой плоскости имеет не меньшее значение, чем в сагиттальной, и представляет существенный интерес для исследователей. Кроме того, как упоминалось выше, поддержание равновесия тела во фронтальной плоскости изучено меньше, чем в сагиттальной. В диссертационной работе впервые было проведено исследование зависимости устойчивости и метода, используемого системой управления положением тела во фронтальной плоскости, от структуры биокинематической цепи тела. Для определения относительной роли тазобедренного и голеностопного суставов в поддержание равновесия был предложен оригинальный метод «выключения» фронтальных моментов в голеностопных суставах человека при стоянии. Проблема регуляции позы во фронтальной плоскости изучалась с различных точек зрения:

1 были написаны математические модели движения тела во фронтальной и сагиттальной плоскости при стоянии;

2 тело человека рассматривалось как биокинематическая цепь, изучалась структура этой цепи при различных условиях стояния;

3 была проведена экспериментальная и теоретическая оценка устойчивости тела;

4 выявлялись позные стратегии, используемые человеком для поддержания позы во фронтальной плоскости при стоянии;

5 проведено сравнение кинематики и устойчивости движения в сагиттальной и фронтальной плоскости.

Цель работы.

Цель предлагаемой работы — создание математической модели движения тела человека при поддержании вертикального положения на основе детального анализа устойчивости тела во фронтальной плоскости при стоянии с различными положениями стоп, определяющими конфигурации опорного контура.

Особое внимание было уделено:

1 сравнительному анализу устойчивости тела в позах с замкнутой во фронтальной плоскости кинематической цепью (ЗКЦ) и позах с разомкнутой во фронтальной плоскости кинематической цепью (РКЦ).

2 сравнительному анализу устойчивости тела в позах ЗКЦ с одинаковой площадью опорной поверхности и шириной стояния, но с разной конфигурацией цепи,.

3 сравнительному анализу устойчивости тела в позах РКЦ с одинаковой площадью опорной поверхности и шириной стояния, но с разной конфигурацией цепи.

Сравнивалась относительная роль мышц тазобедренного и голеностопного суставов в управлении вертикальной позой человека во фронтальной плоскости при стоянии. С этой целью были проведены эксперименты:

1 в условиях, когда голеностопный сустав «выключен» из работы и.

2 при обычном стоянии.

Также для решения поставленной задачи была разработана методика оценки фронтальных моментов, возникающих в тазобедренном суставе человека при стоянии.

Задачи исследования.

В первой части работы:

1 разработать математические модели движения тела при поддержании равновесия во фронтальной плоскости при стоянии;

2 провести количественную оценку фронтальной устойчивости тела человека при стоянии в исследуемых позах, основываясь на анализе экспериментальных данных, полученных при помощи метода стабилографии;

3 дать количественную оценку фронтальной устойчивости тела человека при стоянии в различных позах, основываясь на математической модели движения тела во фронтальной плоскости;

4 сравнить устойчивость поз с замкнутой биокинематической цепью и поз с разомкнутой биокинематической цепью;

5 сравнить электромиографическую активность камбаловидной и длинной малоберцовой мышц при стоянии в позах с замкнутой и разомкнутой биокинематическими цепями.

Во второй части работы ставились задачи:

1 разработать математическую модель для определения фронтальных моментов в тазобедренном и голеностопном суставах человека при стоянии;

2 разработать методику «выключения» фронтальных моментов в голеностопных суставах человека при стоянии;

3 сравнить фронтальные стабилограммы при нормальном стоянии и при стоянии с «выключением» фронтального момента в голеностопном суставе;

4 сравнить электромиографические активности камбаловидной и длинной малоберцовой мышц при нормальном стоянии и при стоянии с «выключением» фронтального момента в голеностопном суставе;

5 исследовать кинематику движения тела человека во фронтальной плоскости при стоянии в обычных условиях и при стоянии с «выключением» фронтальных моментов в голеностопных суставах;

6 разработать экспериментальную методику определения фронтальных моментов в тазобедренных человека суставах при стоянии.

Положения, выносимые на защиту диссертации.

1 Разработанпы модели движения тела человека во фронтальной и сагиттальной плоскости, которые хорошо согласуются с экспериментом и могут, следовательно, использоваться как в лабораторных исследованиях, так и в ходе разработки стабилографических тестов для клинической практики.

2 Устойчивость позы человека зависит не только от площади опоры и расстояния между стопами, но также, в значительной мере, от структуры кинематической цепи тела.

3 При больших отклонениях тела от положения равновесия во фронтальной плоскости наблюдается значительная активность длинной малоберцовой и камбаловидной мышц (m. peroneus longus и т. soleus). При малых отклонениях (т. е. в условиях нормального стояния) эти мышцы активируются незначительно. Вероятно, основную роль в обеспечении фронтальной устойчивости при этих условиях играют мышцы тазобедренного с}гстава.

4 Разработанная оригинальная методика исключения фронтальных моментов в голеностопных суставах позволяет производить оценку фронтальных моментов, возникающих в тазобедренном суставе человека, для различных поз стояния.

5 При «выключении» из работы голеностопного сустава происходит изменение кинематики тела. Если при обычном стоянии тело ведет себя как двухзвенный перевернутый маятник, го при «выключенных» фронтальных моментах его поведение приближается к поведению однозвенного перевернутого маятника. Тех! не менее, этот переход довольно слабо сказывается на устойчивости позы, которая уменьшается всего в 1.3 раза. В рамках поставленной задачи разработанные модели движения тела человека во фронтальной и сагиттальной плоскости хорошо согласуются с экспериментом и могут, следовательно, использоваться как в лабораторных исследованиях, так и в ходе разработки стабилографических тестов для клинической практики.

Научная новизна.

В диссертационной работе впервые было проведено исследование зависимости устойчивости и метода, используемого системой управления положением тела во фронтальной плоскости, от структуры биокинематической цепи тела. Применение оригинального метода «выключения» фронтального момента в голеностопном суставе при стоянии (сконструированы специальные «коньки») позволяет сравнивать характеристики стояния при обычных условиях (на поддержание равновесия работают голеностопный и тазобедренный суставы) и при стоянии на «коньках» (на поддержание равновесия работает только тазобедренный сустав). Применен новый подход к исследованию механизмов поддержания равновесия тела, сочетающий различные конфигурации опорного контура тела человека при стоянии, использование неустойчивой опоры и математическое моделирование.

Теоретическая значимость работы.

Полученные результаты представляют интерес с точки зрения основ нейрофизиологии двигательной активности человека, так как вносят вклад в понимание тонких механизмов регуляции вертикальной позы человека. Разработанные математические модели успешно дополняют физиологические эксперименты и позволяют теоретически рассчитывать моменты, возникающие в голеностопном и тазобедренном суставе человека при стоянии.

Практическая значимость работы.

Предложенные методы оценки устойчивости тела могут использоваться при разработке компьютерных стабилоанализаторных комплексов как диагностические постуральные тесты. Полученные результаты могут оказаться полезными: для анализа изменения возрастной устойчивости, диагностики ряда заболеваний, при которых устойчивость человека нарушается, и при оценке эффективности лечения этих заболеваний (например, в неврологии для контроля и реабилитации состояния больного при параличах, гиперкинезах, инсультах и их последствиях, миодистрофии, различных заболеваниях моторных отделов центральной нервной системы), для тестирования профессиональной пригодности в тех сферах деятельности, где устойчивость позы или нормальное состояние нервной системы человеку необходимы для выполнения служебной задачи, в травматологии для оценки функционального состояния поврежденных нижних конечностей и позвоночника, в психиатрии для оценки психоэмоционального состояния по двигательным реакциям.

Большинство исследований было выполнено в соответствии с планом РАН по темам:

Роль системы внутреннего представления во взаимодействии вестибулярных, зрительных и проприоцептивных сигналов, участвующих в регуляции позы и движения", гос. регистрация № 01.960.6 872- «Взаимодействие уровней центральной нервной системы в формировании представления собственного тела и внешнего пространства и в управлении позой и движениями*, гос. регистрация № 01. 200.113 804. Работы поддержаны грантами РФФИ №№ 98−04−48 935, 00−448 156, а также грантом «Молодые ученые России».

Основные результаты диссертации обсуждались на:

1 5-ой Всероссийской конференции по биомеханике «Биомеханика -2000», Нижний Новгород, 2000;

2 17 съезде физиологов России, Ростов-на-Дону, 1998;

3 съезде физиологов России в г. Перми, организованном Российским журналом «Биомеханика», 1999;

4 4-ой Всероссийской конференции по биомеханике «Биомеханика -1998», Нижний Новгород, 1998;

5 «Научной конференции молодых ученых», Москва, Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, 10−11 октября 2001 г;

6 6-ой Всероссийской конференции по биомеханике «Биомеханика -2002», Нижний Новгород, 2002;

7 ¡-Международной конференции «Nenroscience», Orlando, November 2−7,.

8 XV Международной конференции по пейрокибернетике (ICNC-09), г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация, 23−25 сентября, 2009 г.

По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Обзор литературы.

1 Особенности вертикальной позы человека. Современные представления о системе контроля позы.

Тело человека с точки зрения биомеханики представляет собой многозвенную шарнирную систему. Осуществление двух важнейших задач: обеспечение устойчивости и ориентация в окружающем пространстве такой системы является результатом сложного взаимодействия огромного числа нейронных сетей организма со скелетно-мышечным аппаратом организма [52]. Координация позы, скорее всего, осуществляется автоматически по быстропроводящим путям, но она в значительной мере подвержена произвольному управлению: на нее могут влиять предварительный опыт, практика, инструктирование, обучение. Система ориентации тела включает в себя нейронные механизмы для активного отслеживания положения частей тела относительно друг друга и для позиционирования в пространстве головы и туловища по отношению к внешней системе координат. Положения корпуса и головы отслеживаются нервной системой наиболее тщательно [17]. По-видимому, именно к туловищу происходит привязка внутренней системы координат всего тела. Кроме того, положения корпуса и шеи задают ориентацию головы, которая очень важна для позиционирования всего тела в пространстве Возможно, поэтому во время движения при выполнении сложных позных задач животные стараются стабилизировать голову в пространстве [35]. В зависимости от двигательной задачи тело может быть ориентировано относительно различных тел отсчета, которые в свою очередь могут восприниматься: 1) зрительно — через окружающие предметы, 2) соматосенсорно — по информации о контакте с внешними объектами, 3) вестибулярным аппаратом — по направлению сил гравитации, 4) внутренними системами отсчета.

Второй важный аспект управления позой — контроль динамического равновесия тела [50], [48]. Он включает в себя автоматические ответы на неожиданные внешние воздействия, а также упреждающие позные реакции, сопровождающие целенаправленные движения. Туловище составляет большую часть массы тела человека, поэтому, как и для задачи ориентации позы, контролю позиции и скорости движения туловища уделяется особое внимание [65], [34]. На тело постоянно действуют как внешние, так и внутренние дестабилизирующие возмущения. Эти силы смещают центр масс (ЦМ) тела. Задача нервной системы — создать суставные моменты для противодействия вышеупомянутым возмущениям и удержания проекции ЦМ в пределах опорного контура. Процесс перехода от формирования нервного импульса к сокращению мышцы и далее к созданию силы и смещению ЦМ достаточно сложен из-за того, что скелетно-мышечная система имеет много степеней свободы. Координация достигается благодаря оптимальному режиму работы всех внутренних и внешних сил, действующих на тело. Предлагаемая диссертационная работа, конечно же, не может охватить все аспекты проблемы управления при поддержании равновесия позы. Это только попытка приблизиться к пониманию механизмов регуляции вертикальной позы человека во фронтальной плоскости путем исследования 1) устойчивости тела человека при стоянии 2) стратегий, используемых для поддержания равновесия во фронтальной плоскости.

Выводы.

1 Разработанные модели движения тела человека во фронтальной и сагиттальной плоскостях позволяют идентифицировать суставные управляющие моменты, хорошо согласуются с полученными экспериментальными данными и могут использоваться как в дальнейших научных исследованиях, так и в клинических приложениях.

2 Проведенные экспериментальные и теоретические исследования позволили установить, как устойчивость тела человека во фронтальной плоскости при стоянии зависит от структуры кинематической цепи.

3 При больших отклонениях от положения равновесия тела во фронтальной плоскости наблюдается значительная активность длинной малоберцовой и камбаловидной мышц (m. peroneus longus и т. soleus). При малых отклонениях (т. е. в условиях нормального стояния) эти мышцы активируются незначительно, вероятно, основную роль в обеспечении фронтальной устойчивости при этих условиях играют мышцы тазобедренного сустава.

4 Разработанная оригинальная методика «выключения» фронтальных моментов в голеностопных суставах человека позволяет оценить фронтальные моменты, возникающие в тазобедренном суставе для различных поз стояния, а также сравнить тазобедренные моменты во фронтальной плоскости при различных конфигурациях опорного контура.

5 При «выключении» из работы голеностопного сустава происходит изменение кинематики тела. Если при обычном сгояшш тело ведет себя как двухзвенный перевернутый маятник, то при «выключенных» фронтальных моментах его поведение приближается к поведению однозвенного перевернутого маятника. Тем не менее, этот переход довольно слабо сказывается на устойчивости позы, которая уменьшается всего в 1,3 раза.