Баланс тела в крутом повороте

Материал из BrainstormWiki
Перейти к: навигация, поиск
Carousel2.jpg

При совершении крутого поворота для нас “вертикаль” не совпадает с “абсолютной” вертикалью, направленной к центру земли. Вот люди на карусели, каждый, представляют из себя отвес, который указывает направление кажущейся вертикали. Их отолитовые аппараты "указывают" туда же, куда направлены цепи сидений (волосы девочки дополнительно ветром отклонены). Там находится субъективная вертикаль. Однако если наблюдать за людьми на карусели, голову они выставляют не по этой вертикали - а примерно так, чтобы линия глаз была параллельна горизонту.


Что же касается баланса, то сначала оговоримся, что в учебниках физики говорят, что на поворачивающего в инерциальной системе отсчета действует центростремительная сила, но так как нам надо говорить об ощущениях вестибулярного аппарата, мы будем говорить в терминах неинерциальной системы отсчета, привязанной к человеку, поэтому приходится считать, что кроме силы тяжести, на него действует так же и центробежная сила инерции (centrifugal force)

Bike vectors.jpg

В этом случае задача о балансе требует уточнения - вектор суммы сил тяжести и центробежной должен проходить через опору (пятно контакта шины мотоцикла на картинке)

Однако с поправкой на это - что "вертикаль" здесь ощущаемая, наклоненная относительно абсолютной - механическая задача баланса совершенно такая же, как и в статичной позе. В динамике здесь будут происходить такие же колебания, но не относительно вертикали, а относительно направления вектора сил. Наклон может "смутить" лишь зрение (и смущает) - а, например, для вестибулярного аппарата, по идее, субъективная вертикаль должна быть наклонена точно так же - она совпадает с вектором сил.

Однако большинство поворачивающих людей, млекопитающих и птиц дополнительно поворачивают голову.


Разные сегменты решают разные задачи

На этой картинке (которую использует Олег Кагарлицкий в Brainstorm для иллюстрации идеи, которая противоречит изложенному на этой странице, но она настолько удачна, что я ее использую и здесь, дополнив ее линиями вертикали и сил) гепард явно закладывает крутой поворот.

Для быстро поворачивающего гепарда баланс тела точно такой же - красная линия соответствует точно такому же вектору сил, который проходит через эффективное пятно опоры лап в повороте. А голова?

Cheetah.jpg

Интересно здесь то, что голова гепарда ориентирована в “абсолютную вертикаль” (немного лукаво, так как фотограф завалил горизонт для драматического эффекта). Однако вестибулярный аппарат гепарда “показывает” туда же, куда и красная линия. И несмотря на то, что ощущаемая вестибулярная вертикаль требует установки головы ровно относительно тела, голова сильно повернута. Наблюдается точно такой же эффект, как и у детей на карусели.

Уже из этого соображения можно сделать вывод, что гепард и дети на карусели на фото на этой странице устанавливают голову не на основании вестибулярного чувства вертикали.

Положение головы здесь очевидно обслуживает зрение. Люди, например на велосипедах, делают то же самое. Важнейший навык, требующий смотреть туда, куда поворачиваешь, задействующий целую серию ориентировочных реакций. (В таких крутых поворотах велосипедисты обычно немного переламывают тело относительно велосипеда наружу, а мотогонщики - внутрь, так что практически касаются асфальта. Это уже связано не со зрением, а с необходимостью поддерживать опору на мотоцикл на их сумасшедших скоростях.)

Turning cyclist.jpgMotobiketurn.png

Вывод из этой истории: баланс - процесс многосегментный. Разные сегменты могут решать свои приоритетные задачи, и в то время как тело и ноги могут заниматься равновесием, голова может обслуживать зрение. При этом тело может свободно использовать вестибулярное чувство независимо от того, как повернута голова — учет положения шеи пересчитает чувство в координаты туловища.

Зрение в такой задаче может строить навигационную информацию на основе optic flow, что вероятно требует ориентировки глаз в истинную, а не в ощущаемую горизонталь, чтобы работали On-Off DSGC, которые ориентированы по сетчатке. (точных данных по таким оптокинетическим эффектам на движение, в литературе найти не удается, это гипотеза)

О подавлении вестибулярного чувства при быстром движении

В дополнение к примеру о гепарде, хорошо установлен факт, что при быстрой локомоции вестибулярный вклад в контроль позы подавляется. Причина до конца неизвестна, но факт установлен достаточно надежно, причем именно на кошках, и подавление это тем сильнее, чем выше скорость.

Dakin et al: Muscle-specific modulation of vestibular reflexes with increased locomotor velocity and cadence 2013

Вестибулярная система и положение головы при локомоции

Vestibularheadlocomotion.png

Все вышесказанное не отменяет важности вестибулярной системы для контроля положения головы при локомоции вообще и поворотах в частности. На иллюстрации справа показан график движения головы в вертикальной плоскости (горизонтальная ось) и угла поворота в саггитальной плоскости (вертикальная ось). У нормальных людей видна довольно четкая цикличность, в то время как у пациентов с поражением вестибулярной системы вследствие антибиотиков (гентамицин) - голова явно "плывет".

Контроль головы здесь не связан с силой тяжести  — здесь важны компенсации циклических ускорений при ходьбе.

Pozzo et al: Head Stabilization during Locomotion Perturbations Induced by Vestibular Disorders 1991