II. Вертикальная поза человека, стабилометрия
Теоретические модели управления вертикальной позой
Сегодня вопросы управления и регуляции применительно к живым системам имеют не только чисто физиологический, но в значительной мере междисциплинарный характер. Н. А. Бернштейн отмечал, что «неожиданное сближение физиологии с техникой на почве вновь возникшей проблематики управления и регуляции оказалось плодотворным и для физиологии, так как технические аналогии помогли ей по-новому осветить ряд процессов внутренней регуляции» [36]. Традиционно «модель управления» относится к математической теории управления, теории автоматического регулирования, включающей устоявшиеся представления, например, о линейных и нелинейных системах управления, об использовании математического аппарата как о «последовательности полезных правил», возможности «…судить об устойчивости и показателях качества системы в данных конкретных условиях», учитывать «границы применимости» и другое [37]. Теория автоматического регулирования идеологически близка теории функциональных систем П. К. Анохина. При этом фактическое применение положений из теории управления на физиологическом материале, вероятно, не всегда следует строгим «канонам», принятым для описания технических систем.
При изучении организации вертикальной позы человека частыми являются трактовки результатов экспериментов, клинических обследований, в контексте преимущественно «механических» моделей – например, отечественный специалист Д. В. Скворцов полагает, что «в настоящее время для спокойной основной стойки считается общепринятой модель перевернутого маятника, в котором стабилизация баланса достигается посредством работы камбаловидной мышцы» [26]. Канадский исследователь Д. Винтер (David Winter), считающийся автором модели, в 1998 году опубликовал с коллегами концепцию [38], где мышцы представлены как жёсткие пружины, которые при спокойном стоянии возвращают тело в стабильное состояние, контролируя расхождения центра давления на опору и центра масс тела. Простое схематизированное описание, названное авторами «моделью перевёрнутого маятника» («inverted pendulum model»), в том числе, объясняет экономию ресурсов центральной нервной системы на управление позой с помощью «простой» регуляции тонуса мышц в определенных звеньях системы, обеспечивая противодействие гравитации. Однако известный французский постуролог П.-М. Гаже (Pierre-Marie Gagey) отмечал, что «дорогая для клиницистов модель перевёрнутого маятника» (цитата по тексту русского перевода книги [39]) не является удовлетворительной – например, не объясняет скручивание вокруг вертикальной оси тела. В свою очередь, сам он рассматривает регуляцию и управление вертикальной позой как нелинейную динамическую систему [40]. Близкими к точке зрения П.-М. Гаже можно считать взгляды отечественного специалиста В. И. Усачёва, учитывающего различные концепции систем – автор с коллегами формулируют [41] своё представление о проблеме как о «функциональной системе динамической стабилизации вертикального положения тела» и предлагают практические решения для стабилометрии. Итальянцы П. Морассо (Pietro Morasso) и М. Счиепати (Marco Schieppati) после публикации модели Д. Винтера внесли критические замечания [42], касающиеся, по их мнению, во-первых, погрешностей представленной схемы взаимоотношений центра давления и центра масс человека; во-вторых, недостаточной жёсткости голеностопных мышц для корректной работы системы по типу «перевернутый маятник». Д. Винтер с коллегами, развивая модель «перевёрнутого маятника» и отвечая на критику, позже привёл пояснения и новые аргументы в пользу своей концепции [43—45]. В целом, идеи, условно говоря, «пружинной» регуляции позы находят применение и в смежных темах, например, исследованиях человеческой походки [46,47] или техническом моделировании ходьбы [48].
С усовершенствованием оборудования и с эффективным маркетингом приборного, методического обеспечения исследований вертикальной позы, получил большое распространение вариант, близкий к однозвенной модели управления [49,50]. В значительной степени это связано с деятельностью американского инженера, исследователя и предпринимателя Л. Нашнера (Lewis Nashner), который основал успешно действовавшую специализированную компанию [51], откуда были распространены методы и стандарты стабилометрического исследования, впервые по-настоящему широко принятые пользователями [52—54]. Можно полагать, что, таким образом, факт наличия, привлекательность и доступность подходящего инструмента («инструментализм» [55]) здесь демонстрируют влияние техники [56] на развитие направления, формирование и распространение представлений об актуальном формате исследований вертикальной позы.
Для дифференциации типа колебаний тела человека в спокойном вертикальном стоянии [57], Ф. Хорак (Fay Horak), Л. Нашнер и другие авторы сформулировали понятия разных «стратегий» управления позой – обычно выделяют «голеностопную» (или, иногда переводимую как «лодыжечная») и «тазобедренную», которые различаются по вовлеченным в управление позой структурам [58]. К данному подходу также есть аргументированная критика, например, выраженная в совместных работах ранее упоминаемого П. Морассо с японскими исследователями, что тазобедренный сустав вовлекается в функцию управления вертикальной позой и при «голеностопной стратегии», а лучшее объяснение позной регуляции, по мнению авторов, связано с предлагаемой ими теорией «двойного перевернутого маятника с прерывистым управлением» [59,60]. С моделью двухзвенного перевернутого маятника при спокойном стоянии можно соотнести трактовку результатов исследований Н. В. Денискиной (в обзоре диссертаций, ниже). Следует отметить, что приближение к модели простого однозвенного перевернутого маятника достигалось здесь в условиях исключения момента в голеностопном суставе с помощью специального приспособления.
Остроумный эксперимент с математическим моделированием, демонстрирующий ограничения однозвенной модели, проводился А. В. Тереховым [61—63], который можно рассматривать как работу в развитие идей школы В. С. Гурфинкеля, а также исследований И. В. Новожилова в области шагающих роботов [64] и математического моделирования вертикальной позы человека [65]. Подвижность в тазобедренном и коленном суставах, а также движения рук испытуемых искусственно ограничивалась с помощью деревянных реек и перевязей. Таким образом, при сравнении с обычным состоянием, без ограничений подвижности, были получены данные в пользу трёхзвенной модели («звенья которой соединены последовательно с основанием и друг с другом посредством точечных шарниров»), учитывающей вклад афферентации от рецепторов стоп в формировании вертикали. Такая модель, по мнению авторов, сочетает простоту концепции «перевёрнутого маятника» с приближением к реальной структуре тела, что позволяет получать более точные трактовки. Близкие к описанному эксперименту данные и интерпретация также были немного позже опубликованы де Фрейтас (de Freitas) от коллектива, включавшего В. М. Зациорского и М. Л. Латаша [66].
Вышеописанные концепции и подобные, можно отнести к преимущественно «механическим» моделям. Ряд из них подробно разобран в статье П. А. Кручинина [67]. Автор отмечает, что изменения сагиттальной и фронтальной координат центра давления тесно связаны с изменением моментов в голеностопном и тазобедренном суставах, и, при этом, актуализирует представления, что минимизация суммарных моментов в суставах не является главной целью системы управления вертикальной позой.
Из анализа ранее процитированных и других тематических публикаций можно полагать, что определённое упрощение, использование механических моделей, часто возникают по нескольким причинам, в том числе, в ответ на необходимость создания технически реализуемых алгоритмов для автоматического анализа или расчёта каких-либо параметров при исследовании позы человека [68], разработки шагающих устройств и экзоскелетов [69], а также для подачи вариантов схематизированной информации, например, пользователям стабилометрических систем [70].
Концепцией, выгодно отличающейся от «механических» моделей с точки зрения большей системности, следует считать разрабатываемые в нашей стране представления о «внутренней схеме тела» [71—74]. Ю. С. Левик отмечает [75], что наличие внутренней схемы тела обеспечивает более эффективную регуляцию позы и управление движениями, разграничение внутреннего и внешнего, использование мозгом «расчётных» параметров (например, информации о положении центра масс, для которого нет специфического рецептора). В отличие от модели простого «перевёрнутого маятника», здесь, например, можно объяснить скручивание вокруг вертикальной оси изменениями внутреннего представления о положении корпуса, «упреждающей ориентацией», а не прямыми сигналами от механорецепторов. Концепция внутренней схемы тела также позволяет объяснять «узкие» вопросы, например, связанные с задержками передачи нервного сигнала, сенсорной интеграцией [76]. Это соотносится с развитием принципов иерархического управления движениями по Н. А. Бернштейну, и в целом с традициями российской физиологической школы, приложениями теорий систем. Например, можно косвенно соотнести концепции «схемы тела», с развивавшимися в СССР представлениями о «структурно-информационных многоуровневых организациях» А. В. Напалкова [77] и другими.
С различными вариантами представлений, в той или иной степени учитывающими системность управления позой, «предвосхищение», схему тела, можно связать ряд современных работ зарубежных авторов [78,79]. Свежий обзор [80] англоязычных работ по мультисенсорной интеграции в регуляции вертикальной позы, фокусируясь на последовательном изложении «быстрой» (изменения позы) и «медленной» (осанка, профиль сенсорной интеграции) динамики, завершается выводом японских авторов о недостаточной пока исследованности «медленной», и, что, при этом, такие исследования следует базировать на представлениях о «репрезентации тела» («body representation») в мозге. В чём-то отсылающие к теории функциональных систем [4,5], некоторые сегодняшние зарубежные публикации касаются, например, роли целенаправленного поведения, движения, в динамике «репрезентации тела» [81].
Модели мультисенсорной интеграции, ментальной репрезентации тела, гармонично развивают как «механические» концепции, так и «рефлекторные», начиная от трудов Рудольфа Магнуса (Rudolf Magnus) [82]. Свои варианты обобщений по проблематике регуляции вертикальной позы, включая критические аспекты и ретроспекции из Р. Магнуса, Е. К. Сеппа, а также В. С. Гурфинкеля, Г. Ц. Агаяна [83] и других, рассматривали Е. Н. Винарская и Г. И. Фирсов [84], а также иные российские авторы [85]. Интерес к теме регуляции вертикальной позы проявляют в практической медицине – например, публикации коллектива российских авторов с Г. Е. Ивановой [86], коллектива белорусских авторов с С. А. Лихачёвым [87].
Отдельно в теме мультисенсорной интеграции, следует отметить исследования влияния стимуляции или угнетения рецепторов, различных нарушений или изменений чувствительных анализаторов на регуляцию позы. Например, описано влияние нарушений зрения, слепоты, на осанку, вертикальную позу у взрослых [88] и у детей [89] (по стабилометрическим параметрам). Опыты с угнетением чувствительности подошвенных рецепторов указывают на способность здоровых людей адаптивно регулировать управление балансом тела (практически без потери качества баланса), вероятно, за счёт многоканальности такой регуляции [90—92]. Есть мнение, что стимуляция рецепторов может быть полезна в определенных случаях, например, у пожилых [93], что, вероятно, можно соотнести с более ранними находками И. Б. Козловской. Исследуются влияния дополнительной афферентации, легких прикосновений, касаний на регуляцию вертикальной позы [94—96]. Обсуждаются различные взгляды на наличие или отсутствие влияния прикуса – сигналов от мощных жевательных мышц – на стабилометрические параметры в контексте регуляции позы [97—99]. Углубление в вопросы участия периферической афферентации в регуляции позы, приводит к появлению различных интересных данных, например, об отличающемся «сенсорном весе» опорных конечностей – левой и правой ноги [100].
Исходя из проведенного анализа литературы, можно сделать вывод о развитии теоретической базы, о том, что вопросы мультисенсорной интеграции, системных подходов в изучении регуляции позы, сегодня всё более актуализируются.
Методики стабилометрии, стандартизация
В СССР пионерские методы стабилометрии (стабилографии) разрабатывались ещё на рубеже 50-х и 60-х годов XX века, с участием ранее процитированных авторов – В. С. Гурфинкель, Е. Б. Бабский, другие
Вторая из списка самых ранних опубликованных работ, которые предлагались на момент подготовки рукописи сервисом PubMed (US National Library of Medicine National Institutes of Health) по буквальному запросу «методы стабилометрии» («methods of stabilometry») – это работа 1976 года Ю. Терехова [101] – уехавшего в США сотрудника Института нормальной и патологической физиологии АМН СССР [102]. Самая же ранняя публикация в сервисе по указанному запросу – статья 1973 года на голландском языке коллектива авторов [103] с участием Т. Каптейна (Kapteyn), опубликовавшего и ранее [104], и впоследствии, много работ [105], связанных со стабилометрией, и широко цитируемого в тематических публикациях. Здесь история вопроса тесно связана с развитием методик стабилометрического исследования, разработкой и адаптацией оборудования и методик под исследовательские и клинические задачи. В 1983 году, опираясь на работы предыдущих лет, Т. Каптейн с соавторами предложили меры международной стандартизации стабилометрического исследования вертикальной позы человека, включавшие определение так называемой «европейской» установки стоп на стабилоплатформу, фактор различного роста испытуемых, условия окружающей обстановки и другое, а также потребное время для регистрации сигнала с учётом возможностей приборов того времени [106]. Согласно указанным рекомендациям, целью исследований на стабилоплатформе, с определенным обобщением, можно считать изучение влияния различных факторов и условий на стабильность стандартной вертикальной позы, оцениваемую по расчетным характеристикам, как, например, площадь статокинезиограммы и другим [107].
На практике также часто применяется в качестве одной из стандартных методик «тест сенсорной организации» [108—110], разработанный в компании Л. Нашнера, предполагающий последовательное выделение или модуляцию различных афферентных потоков.
Важной методической задачей являлось определение нормы – значений показателей, соответствующих нормальной физиологии человека при спокойном стоянии. Известная попытка (1985) определения норм [111] связана с деятельностью П.-М. Гаже. Однако широкая вариабельность «нормативных» показателей в традиционном стабилометрическом исследовании, а также специфические свойства аппаратуры 80-х, требовавшей относительно длительной регистрации сигнала для накопления достаточных для корректной математической обработки данных, не могли в полной мере соответствовать потребностям пользователей. Актуальной проблемой также является приведение различных по антропометрическим характеристикам людей к единому «знаменателю» и разработка способов нормализации стабилометрических показателей – например, были попытки принимать для этих целей подходы из смежных тем [112], предлагаются и новые решения [113]. Существуют подходы, связанные с разработкой «эталонных моделей» [114].
Было показано, что даже различающиеся инструкции перед стабилометрическим исследованием могут влиять на результат [115], что актуализирует принципиально новые подходы к разработке и реализации методик. Различные варианты стандартизации, включающие описания процедур исследования, формул расчёта показателей, технические требования к оборудованию, предлагались и предлагаются в настоящее время [116—118].
Методики с использованием стабилоплатформ, обычно применяемые при выполнении диссертационных исследований за последнее десятилетие, кратко рассмотрены ниже.
Из обзора литературы можно заключить, что развитие методической базы, мер стандартизации, которые бы обеспечивали решение всего спектра актуальных задач и были широко принятыми специалистами, является важной задачей для всего направления.
Биологическая обратная связь по опорной реакции
Искусственная обратная связь, организованная с помощью стабилоплатформы, применяется для решения различных задач. Преимущественно – в медицинской реабилитации [119—121]. Также – в качестве тренажерного средства в спорте, образовании и других сферах [122].
В литературе встречаются различные наименования для данного действия, включая иногда и «визуальная обратная связь» («visual feedback», «visual-feedback exercises» [124]), и «биоуправление по стабилограмме» [125], и другие [126]. Вероятно, наиболее корректным является термин «биологическая обратная связь (или биоуправление) по опорной реакции». Во-первых, из-за того, что «визуальная обратная связь» (в контексте биоуправления) может быть организована с помощью физически различных устройств, например, миографа, акселерометра или чисто оптических средств, а во-вторых, фраза «биоуправление по стабилограмме» не всегда корректна, так как для фактической реализации (формы искусственной обратной связи) может использоваться не обязательно текущее положение центра давления во фронтали или сагиттали (стабилограммы), но и другие показатели опорных реакций. Кроме того, для организации биоуправления здесь не обязательно должен использоваться только визуальный канал [127]. Также иногда может применяться принципиально отличающаяся от статичной стабилометрической, нестабильная платформа, работа которой базируется на измерении угла наклона опоры [128]. Иногда в публикациях под словом «стабилометрия» не дифференцируются понятия, обозначающие исследование (измерение опорных реакций) и тренинг с биоуправлением по опорной реакции [129]. В Приказе МЗ РФ №1705 от 29.12.2012 «Порядок организации медицинской реабилитации» употребляется более общий термин «стабилоплатформа с биологической обратной связью», что, на наш взгляд, связано с возможностью не всегда однозначной трактовки типа, формы биоуправления – например, в случае комбинаций в одной установке измерений на стабилоплатформе с организацией биологической обратной связи с помощью иных измерителей [130].
Добавление биоуправления в структуру стабилометрической процедуры анализа состояния человека значительно расширяет возможности также диагностического применения стабилополатформ, предоставляя новые инструменты изучения как традиционных параметров позы, так и сенсорного обеспечения [131—133].
Нерешенные задачи и возможные противоречия в трактовке результатов применения биоуправления по опорной реакции для тестов или тренингов, связаны, вероятно, с недостаточным на сегодня развитием методологии, различными задачами и условиями реализации тренингов, параметрами обратной связи и другими. Можно полагать, что для лучшего развития направления необходимы дальнейшее изучение физиологических механизмов и результатов воздействия такого биоуправления, а также качественная классификация, позволяющая достигать общих, ясных подходов в оценках всего возможного многообразия данных процедур.
Физиологический смысл и анализ показателей стабилометрии
Исходно показатели стабилометрии, как следует из цитированных выше работ 60—80-х годов ХХ века (В. С. Гурфинкель, Т. Каптейн, П.-М. Гаже и другие), были предназначены для характеристики стабильности позы, анализа отклонений (связанного с динамикой позы) центра давления на опору, по стабилограмам. Возможные уточнения, что стабилограммы связаны, например, с изменениями моментов в голеностопном и тазобедренном суставах [67], или иные подходы, могут быть полезны в определенных моделях. Сегодня показатели исследуют как по отдельности для саггитальной и фронтальной плоскостей, так и совместно. В зависимости от применяемых методик, физиологический смысл получаемых в стабилометрическом исследовании показателей может связываться с сенсорным обеспечением позы и состоянием отдельных анализаторов, конституциональными особенностями, функциональным состоянием человека. С точки зрения рассмотренных выше представлений о «внутренней схеме тела», «ментальных репрезентаций тела», в показателях стабилометрии может отражаться активность мозга, центральный контроль.
К анализу данных стабилометрии применяются различные, известные из математики способы. М. Дуарте (Marcos Duarte) и В. М. Зациорский, обобщая данные литературы об обычно применяющихся в стабилометрии показателях, выделили 13 подходов к обработке данных [134]:
1) расчет простых статистических параметров;
2) определение диапазонов и областей миграции центра давления;
3) расчёт скорости миграции центра давления;
4) определение длины пути центра давления;
5) использование передаточной функции;
6) расчёт спектральных характеристик;
7) автокорреляционный и авторегрессионный анализы;
8) измерение «времени достижения контакта» (подразумевается время достижения оцениваемого события, границы стабильности – «time to contact»);
9) эволюционный (частотно-временной) спектральный анализ;
10) фрактальный анализ;
11) анализ методом фазовой плоскости;
12) анализ с использованием характеристик хаотических процессов;
13) анализ в модели случайного блуждания.
Кроме перечисленных подходов, рассматривающих изменения координат центра давления в рамках стохастических процессов, есть подходы, предполагающие наличие каких-либо закономерностей (например, у М. Дуарте и М. В. Зациорского), в том числе, связывая это с длительностью проведения исследования. Недавно опубликованные сведения итальянских авторов, что показатели стабилометрии (на примере здоровых молодых спортсменов) не зависят от времени суток [135], могут быть расценены, в том числе, в пользу взглядов на возможное выделение в стабилометрических параметрах индивидуального «паттерна».
Конец ознакомительного фрагмента.