РОССИЙСКАЯ
г©судАэст.згннАЯ
библиотека
Официальные оппоненты:
Член-корреспондент РАН, доктор медицинских наук, профессор Доктор биологических наук Доктор физико-математических наук
Ведущая организация:
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН
Козловская Инеса Бенедиктовна Пигарев Иван Николаевич Смолянинов Владимир Владимирович
Л Л
Защита состоится и ' 2002 года в ^ часов на
заседании диссертационного совета ДМ-002.059.03 по присуждению ученой степени доктора биологических наук в Институте машиноведения им. А.А. Благонравова РАН - по адресу: 101830, г. Москва, Малый Харитоньевский переулок, д. 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института машиноведения им. А. А Благонравова РАН
ГЧ «о
Диссертация в виде научного доклада разослана _ <33 _ 2002 года
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук
печатных
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Изучение центральных механизмов регуляции позы и движений представляет собой задачу исключительной сложности из-за комплексного характера системы, в которой совместное функционирование, взаимодействие подсистем на разных уровнях управления подчинено единой цели - формированию исполнительных команд к мышцам, обеспечивающим выполнение движения. На принципиальные трудности управления двигательным аппаратом как системой с большим числом степеней свободы обратил внимание Бернштейн [1947], который заложил основы современной физиологии движений на основе синтеза биомеханики и нейрофизиологии. В области сенсомоторики можно выделить две основные части: первую - достаточно хорошо изученную и связанную с рецепторами, рефлекторными дугами, нисходящими влияниями от разных супраспиналъных структур [Liddell and Sherington, 1924; Магнус, 1962], и вторую, которая представляет собой систему внутреннего представления тела и окружающего пространства [Гурфинкель и Левик, 1979, Hildreth and Hollerbach, 1987; Soechting and Flanders, 1991]. В нашем понимании это некая неизвестная пока внутренняя система;г-в которой центральная нервная система (ЦНС) кодирует информацию о положении и перемещении как внешних объектов, так и тела самого человека и отдельных егч> этенье0. Её формирование и функционирование не связано с информацией, поступающей от какого-то одного или нескольких видов рецепторов, а основано на целом ряде специфических свойств ЦНС, перцептивных и мнестических механизмах.
На уровне отдельных рецепторов и эффекторов используемые системы координат достаточно хорошо изучены и описаны. Так, например, глаз измеряет изменения в интенсивности света и цвета, которые затем пространственно кодируются в
**'1. Мышечные рецепторы
I
формация кодируется в гавления интересна не с »рее, с точки зрения эрмацию, поступающую гльной активности? Что
1нутренних рецепторов, гравитационную силу и, 1ыми путями. Отолиты эрдинат, центр которой 1
»4ГПІ илАГтшолvtfv t/лллтттіо^аіг nrr\ лп'гі /уггллл^г
КНИГА ИМЕЕТ
В нерепл един соеднн. X*Ss вып.
ЛИ
расположен в голове, сила тяжести, действующая на вытянутую конечность, позволяет воспринимать вертикальное направление в системе координат с центром на рухе, а зрительные ориентиры окружающей среды (стены, падающие объекты и т.д.) могут использоваться для определения вертикали в ретинооптических координатах. В принципе, постоянное направление силы тяжести может быть использовано для увязки этих различных систем отсчета (Howard, 1982).
Вопрос формирования системы внутреннего представления является одним из ключевых вопросов понимания сенсомоторного обеспечения движений, поэтому нам представлялось очень важным, наряду с изучением различных рефлекторных реакций и их изменений в космическом полете, изучать также и состояние системы внутреннего представления человека, обеспечивающей его взаимодействие с внешним пространством Таким образом, исследуя функционирование системы управления движениями в невесомости, мы ожидали получить новые данные о фундаментальных механизмах, лежащих в основе сенсомоторного обеспечения позы и движений.
С другой стороны развитие космических исследований и создание долговременных орбитальных станций выявило определенную тенденцию в изменении деятельности членов экипажа. В их работе значительную часть времени будет составлять управление оборудованием, расположенным на поверхности космической станции, на мобильных космических объектах, дистанционное управление оборудованием и инструментами, предназначенными для различных технологических операций. Для создания таких систем управления необходимо точное понимание того, каким образом невесомость влияет на работу ЦНС как с точки зрения восприятия сенсорных сигналов, их внутренней обработки и .интеграции, /гак и в связи с реализацией двигательных действий человека, то есть понимание, так называемого, сенсомоторного управления при операторской деятельности.
Изучение того, как построена система регуляции позы и движений и система внутреннего представления человека, интересно и важно как с точки зрения понимания фундаментальных свойств ЦНС, так и для создания новых технических систем управления движениями, так как ЦНС обладает целым рядом качеств, недостижимых в современных технических системах. Это сложность выполняемых функций, большие адаптационные возможности и многие другие. В медицине понимание этих фундаментальных свойств поможет в диагностировании различных заболеваний нервной системы человека, которые часто наиболее выразительно проявляют себя в различных нарушениях устойчивости и двигательной активности, и в оценке эффективности различных терапевтических средств.
кгл'м:. . ,:v
2
Работа выполнена по тематическим планам института 1972-2001 годов, фантам РФФИ и «Наука-НАСА», а также совместным российско-французским программам и программам «НАСА-МИР» и «Евромир».
Пель работы. Изучение формирования и функционирования системы внутреннего представления и сенсомоториого взаимодействия при поддержании равновесия человека, выполнении произвольных движений и операторской деятельности, а также изучение адаптационных свойств этих систем.
Основные задачи работы.
- Проверка гипотезы наличия центральных программ регуляции позы и произвольной двигательной активности.
- Изучение адаптационных свойств центральной нервной системы.
- Исследование механизмов регуляции взора в условиях невесомости и проверка гипотезы о повышенной роли зрения в сенсомоторном взаимодействии в невесомости.
- Исследование эффективности работы мышечной проприоцегтгивной системы в условиях невесомости.
- Исследование возможностей проприоцеггтивной и зрительных систем при операторской деятельности в условиях невесомости.
- Исследование влияние невесомости на выполнение ритмических движений.
- Исследование влияния невесомости на выполнение таких когнитивных задач как восприятие симметрии, мысленное вращение и мысленное прослеживание
- Проверка роли гравитации в феномене вертикально-горизонтальной асимметрии в зрительном восприятии длины линии.
- Выяснение роли гравитации в формировании системы внутреннего представления.
Положения, выносимые на защиту диссертации.
- Исследования в невесомости - эффективный способ изучения организации ЦНС сенсомоториого взаимодействия в регуляции позы, произвольных движений и при операторской деятельности.
Регуляция позы и произвольной двигательной активности осуществляется с помощью центральных программ.
Процесс адаптации к невесомости состоит из двух фаз - быстрой оперативной перестройки, происходящей в течение первых двух суток, и медленной адаптации,
3
требующей нескольких недель. В процессе этой адаптации вырабатываются новые программы.
Перестройка базисных механизмов регуляции позы и движений определяется не интенсивностью воздействия, а его продолжительностью.
В условиях невесомости, при измененных вестибулярных и проприоцептивных источниках информации, возрастает роль зрения.
- При операторской деятельности наибольшее влияние невесомость оказывает на обратные связи по силе. Эти изменения успешно компенсируются введением зрительной обратной связи.
В условиях земной гравитации при формировании системы внутреннего представления ЦНС использует мультимодальную систему отсчета, объединяющую проприоцептивную и гравитационную информацию. При отсутствии гравитации для формирования адекватной системы внутреннего представления оказывается достаточно лроприоцептивной системы отсчета.
Научная новизна. Впервые в условиях невесомости проведены комплексные исследования, направленные на изучение вклада различных сенсорных систем организма в поддержание равновесия человека и обеспечение произвольных движений, в формирование системы внутреннего представления, а также изучение адаптационных свойств этих систем. Получены принципиально новые научные данные об организации регуляции позы и движений и системы внутреннего представления человека и роли гравитации в построении и использовании этой системы.
Так, получены весомые аргументы в пользу наличия центральных программ регуляции вертикальной позы и произвольной двигательной активности. Экспериментально подтверждена применимость гипотезы двумерной «архитектуры» регуляции физиологических функций к процессам адаптации в условиях невесомости Это следует из наличия двух фаз адаптации - быстрой, т.е. оперативной перестройки и более медленной адаптации к условиям невесомости, осуществляемой путем подавления программ, требующих слишком больших затрат энергии и ставших бесполезными (и в какой-то степени даже вредными) в этой новой ситуации. Имеет место «перепрограммирование» сенсомоторных систем, выработка нового навыка функционирования в изменившихся условиях.
Исследования выполнения различных задач операторской деятельности показало, что наибольшее влияние невесомость оказывает на обратные связи по силе. Эти изменения успешно компенсируются введением зрительной обратной связи. В привычных 4
- Київ+380960830922