Адаптация к гипогравитации или симуляторы космоса в клинике

На сегодняшний день в нашем распоряжении находится множество знаний о механизмах адаптации к действию гравитационного поля Земли – от физиологических до биомеханических. А вот об адаптационных изменениях к гипогравитации нам известно гораздо меньше. Не так давно мы писали про то, как мозг ведёт себя в космосе. А вот о том, как в целом заполнить пропасть, разделяющую нас от прогулок по Луне и о том, какую пользу из этого может извлечь, в том числе, и современная неврология – в нашем сегодняшнем материале. Обзор, посвящённый движению в условиях гипогравитации и входящий в исследовательский топик Gravitational Physiology, Aging and Medicine, опубликован в журнале Frontiers in Physiology.

 

Сredit: public domain


Активное освоение космоса приводит к необходимости оценивать риски возможных угроз здоровью космонавтов, которую несёт множество факторов – от космического излучения до отсутствия гравитации. И пусть нам уже известно о последствиях её отсутствия, но влияние её недостатка (0-1 g) изучено гораздо слабее.

Вызов учёным бросает и тот факт, что нарастание перегрузки от 1 g и выше исследовано достаточно глубоко, а от 0 до 1 и обратно – сильно меньше. А ведь перегрузка и невесомость – не единственные факторы, которые влияют на астронавтов. При высадке на Марс (0,38g) или Луну (0,16g) они сталкиваются с переходом от невесомости к гипогравитации. Описанные обстоятельства могут привести к серьёзным последствиям в условиях ограниченных возможностей медицинской помощи или её полного отсутствия.

Космонавты часто страдают от ряда проблем, связанных с локомоторной системой: от остеопороза до мышечной атрофии, изменения эластичности сухожилий и нервного контроля осанки и движений. Эти проблемы усугубляются после длительных миссий, в результате чего простое падение из-за слабости мышц или нарушения контроля за позами и движением может привести к растяжениям связок, переломам костей, травмам головы или другим тяжелым повреждениям, которые трудно поддаются терапии вне нашей планеты. Повреждения скафандра или переносной системы жизнеобеспечения, вызванной падением, также могут стать опасными для жизни.

Эти и другие тематические вопросы довели до сведения космического биомедицинского сообщества NASA. Отмечено, что никакая из существующих контрмер не является достаточной для того, чтобы снизить эти риски до приемлемого уровня. Основная из текущих контрмер для предотвращения нарушений локомоторного аппарата в космосе заключается в ​​ежедневных интенсивных упражнениях, особенно ходьбе и беге на беговой дорожке. К сожалению, эти упражнения предотвращают проблемы с двигательным аппаратом лишь в ограниченной степени.

Таким образом, при возвращении на Землю большинство астронавтов демонстрируют значительную потерю костной и мышечной ткани, а также значительное снижение подвижности. Возможно, исследование влияния гипогравитации на организм сможет помочь человечеству в разработке новых мер по предотвращению таких изменений у космонавтов – по крайне мере, на это надеются авторы исследования.

Микрогравитация в космосе

Из-за нетипичных сил притяжения по поверхности Марса и Луны космонавты вынуждены передвигаться совсем не так, как по Земле. Для передвижения они используют три техники: припрыжку (лупинг), «пропуск» (скиппинг) и прыжки (хоппинг), или их комбинации.

Подробнее о каждом: лупинг – вид плавного передвижения с высокой, длинной и продолжительной фазой нахождения над поверхностью, по которой осуществляется движение. Скиппинг – нечто среднее между прогулочным шагом и бегом, когда каждая нога дважды отталкивается от поверхности, то есть каждый второй раз контрлатеральная нога пропускает шаг. Пиковая активность мотонейронов в спинном мозге при таком способе движения показывает как «беговые» (упругое подпрыгивание), так и «ходьбовые» (маятниковые) характеристики, однако, этот способ более экономен в плане затрачиваемой энергии.

Такой способ перемещения есть и на Земле, правда, им пользуются лишь в детстве – лет до 5. По-видимому, после этого возраста меняется соотношение мышечной силы ног и веса тела, и такой вид перемещения в пространстве становится неэффективен. Прыжки же характеризуются одновременным толчком обеими ногами и одновременным же их приземлением.

Изменения походки связаны с более высоким риском падений, чем на Земле: движения космонавтов ограничивает скафандр, который весит около 80 кг, своеобразный, отличный от земного, рельеф, и особенности взаимосвязи инерции и гравитации: на поверхности Луны вес астронавта уменьшен на 1/6, а инерция остается такой же.

Конечно, для исследований этих феноменов невозможно «отменить» гравитацию на нашей планете, но существует несколько видов симуляторов, которые позволяют проводить недорогие длительные испытания условий сниженной гравитации. Один из наиболее распространенных среди них – система поддержки веса тела для ходьбы по беговой дорожке. В вертикальном положении испытуемый удерживается на канате, который с помощью крепления тянет объект вверх с силой, равной его весу. Этот и другие симуляторы показаны на рисунке:

Различные классы симуляторов пониженной силы тяжести для передвижения. (A) вертикальная система поддержки веса тела: предметная прогулка по беговой дорожке при ее поддержке в креплении, направленном вверх заданной силой разгрузки. (B) роботизированная система поддержки, которая позволяет выполнять двумерную надземную локомоцию, для произвольных движений и вращения. (C) наклонная система разгрузки: испытуемый лежит на боку на наклонной поверхности пока его ноги подвешены в экзоскелете с низким коэффициентом трения, и ступеньками на беговой дорожке, наклоненной под тем же углом. (D) пассивный симулятор, состоящий из сбалансированного двухпараллельного механизма с пружиной для компенсации веса тела и ног. (E) Экзоскелет Mindwalker для оказания помощи при ходьбе у пострадавших спинного мозга. Credit: Myrka Zago et al


При тренировке в таких симуляторах у испытуемых регистрируют различные показатели мышечной активности. Паттерны электромиографии (ЭМГ) оказались довольно интересными: их анализ выявил нелинейную связь с силой гравитации. Компоненты активности мышц в ходе тренировки на вертикальном симуляторе сопоставимы с таковыми для ускорения от 1 до 0,05 g, однако сила их сокращения всё равно пропорциональна весу испытуемого.

Более того, амплитуда активности большинства мышц не пропорциональна проценту снятой или добавленной «разгрузки» массы тела. Адаптация мышц зачастую рассинхронизируется (то есть разные мышцы ведут себя так, будто адаптируются к различным величинам силы притяжения).

Например, средняя амплитуда активности в разибателях голеностопного сустава систематически уменьшается со снижением симулированной силы тяжести, что соответствует их функции. Напротив, активность мышц прямой линии бедра адаптируется к возрастающей гравитации. Все это время мышцы подколенного сухожилия демонстрируют новые всплески активности всё больших амплитуд с увеличением разгрузки массы.

Когда экзоскелетом для ходьбы использовались здоровые люди, то амплитуда ЭМГ повышалась, что отражает бОльшую активность мышечных волокон тогда как ожидалось, что они должны снижать этот показатель.

Польза от микрогравитации в клинике

Все эти накопленные данные свидетельствуют о гораздо более глубоких, чем предполагалось ранее, механизмах соматосенсорной обратной связи. Согласно этому выводу, учёные провели параллельные испытания для того, чтобы выяснить, возможно ли использовать тренировочные симуляторы у людей, имеющих нейромоторные расстройства. Такие нарушения наблюдаются при травмах спинного мозга, болезни Паркинсона, рассеянном склерозе и инсульте.

Например, обучение с помощью роботизированных экзоскелетов улучшает результаты, связанные с мобильностью, в большей степени, чем обычное наземное обучение пациентов с травмой спинного мозга, особенно в острой стадии. Недавно разработан адаптивный алгоритм, который поможет персонализировать подобное обучение. Это – роботизированный экзоскелет, который способен подстраиваться под конкретные моторные дефекты пациента.

Существуют аппараты (использующиеся пока что только в исследовательских целях), которые имитируют физиологические моменты активации мышц с помощью электрического тока. Однако, из-за нелинейности связи мышечной разгрузки и активации различных групп мышц эти методы не рекомендуется применять хотя бы для этих «парадоксальных» мышц.

С соматосенсорным контролем связаны и другие сложности, которые необходимо будет учесть разработчикам терапии на основе методов моделирования микрогравитации: локомоция имеет крайне сложные механизмы контроля, и во многом они зависят от индивидуальных компенсаторных особенностей конкретного индивидуума и его нейропластичности.

К примеру, тренировка одного набора движений не всегда позволяет вернуть полный контроль над ходьбой. В эксперименте людям, которые прошли полуторамесячный курс восстановления способности к ходьбе на беговой дорожке с вертикальной поддержкой и восстановили нормальную походку было предложено пройтись задом наперед, пока дорожка двигалась в обратном направлении. В отличие от здоровых людей, которым не составляет труда изменить манеру ходьбы, испытуемые не могли сразу переключить локомоторную программу. Для выполнения задания им потребовалось дополнительное обучение.

Таким образом, выяснение механизмов адаптации к гипогравитации помогло не только в космосе, но и на Земле. Полученные знания открывают новые ниши для дальнейших исследований адаптационных механизмов за пределами нашей планеты и дают пищу для ума врачам-реабилитологам. Теперь им предстоит не просто взять на вооружение неожиданное оборудование, но и выяснить, где от него будет толк.


Текст: Дарья Тюльганова

Human Locomotion in Hypogravity: From Basic Research to Clinical Applications by Francesco Lacquaniti, Yury P. Ivanenko, Francesca Sylos-Labini, Valentina La Scaleia, Barbara La Scaleia, Patrick A. Willems and Myrka Zago in Front. Physiol., November 2017

https://doi.org/10.3389/fphys.2017.00893

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *