Postural Sway

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

Как бы ровно мы не стояли, центр масс не стоит на месте. Наша поза неустойчива. Центр масс колеблется, отражая тем самым и внутренне присущую неустойчивость позы, и несовершенство наших сенсорных систем и нервномышечной организации парирования отклонений. Такие колебания называются позными - postural sway.


Траекторию postural sway можно записать (как правило регистрируют траекторию центра давления, а не центра масс, и это дает несколько увеличенные колебания, так как центр давления “обгоняет” проекцию центра масс - см. Кинематика позы)

Записывая траекторию можно оценить совершенство решения балансной задачи помимо грубого “падает-не падает”. Такой график называется стабилограммой или постурограммой.

Чем лучше баланс, тем меньше postural sway. И в норме баланс очень хороший - центр давления удерживается с огромным запасом очень точно в самом рациональном месте. Люди с поражениями, например, вестибулярного аппарата — могут удерживать центр давления в точке, опасно близкой к границе опоры (но при этом вполне себе успешно стоят).

Однако позные колебания есть всегда, даже в самых устойчивых позах. И что интересно, они не особо зависят ни от высоты - дети и взрослые имеют близкий диапазон колебаний, ни от четверо-или дву-ногости и высоты их центра масс. Позные колебания во всех случаях имеют диапазон около 1см. Ivanenko&Gurfinkel 2018.

Равновесия в неустойчивой позе не бывает без позных колебаний.

Позные колебания как "проба" позы

Есть несколько теорий о том, почему позные колебания есть всегда.

Возможно, их необходимость в том, что нет ни одного органа чувств, ни одного рецептора, который бы говорил нам, в равновесии мы или нет напрямую. Вестибулярный аппарат дает информацию о движении головы, но нужно понимание движения центра тяжести относительно опоры. Идентичные положения и ощущения от отолитов и полукружных каналов дают разный (и успешный) ответ в разных позных ситуациях. Позный контроль требует интеграции разных модальностей — и эта, относительно сложная задача, приводит к неизбежным задержкам, так что позные реакции всегда неидеальны  — отсюда и колебания от "идеальной" точки центра масс, к поддержанию которой стремится нервная система.

Другая гипотеза состоит в том, что позные колебания на опредленном, артикулированном уровне нужны также и для того, чтобы “попробовать” баланс и оценить, какая из сенсорных систем и в какой комбинации вызовет точный мышечный ответ.

Подтверждением этой гипотезы служит работа Carpenter et al 2010, в которой они ухитрились искусственно "останавливать" колебания центра масс незаметно для испытуемого. В этой ситуации, когда "идеальная" точка достигнута и стабильна, колебания центра давления даже увеличиваются!

Такая "пробующая" функция позных колебаний, хоть и не очень распространена в литературе (см. обзор в работе Carpenter), лично мне очень симпатична.

Как это работает? Позный контроль допускает колебания, примерно до уровня, который соответствует порогу чувствительности ведущей сенсорной системы или их комбинации. Отклонения (в которых учитывается видимо и сам факт отклонения и скорость его нарастания) парируются, что приводит к колебаниям вокруг "нулевой" точки.

Для этой самооптимизирующейся системы нет необходимости непосредственно ощущать ни центр масс, ни строить проекцию на опору, ни учитывать кинематические ограничения тела. Реакция на позные колебания - и есть самое прямое ощущение баланса, которое у нас есть. Изложение этой теории можно найти у Stoffregen, Riccio 1988 См. также Riley et al 1997

Разница между саггитальными и боковыми колебаниями

Абсолютное большинство работ по теме позного контроля вообще и позных колебаний в частности используют цельную платформу - force plate для обеих ног, и сосредотачиваются на саггитальных (вперед-назад, anterio-posterior колебаниях). Нэшнер считал боковые (medio-lateral) колебания "тривиальными" и предлагал их игнорировать - считая нормальную позу гораздо более устойчивой в этом направлении. Впрочем, он коммерчески заинтересован в таком мнении.

В результате у всех стабилограммы получаются в виде характерного "клубка ниток". И несмотря на то, что эти самые стабилограммы явно показывают заметность колебаний в M/L направлении, установка на измерение только A-P колебаний остается...

Мне известен только один автор, систематически применяющий две раздельные force plate под каждую ногу и изучающий одновременно и A-P и M-L колебания - Winter.

Winter sway.png

На суммарном графике в середине виден традиционный "клубок ниток". А на раздельных — явно более упорядоченная картина, заставляющая думать, что на самом деле речь идет о двух одновременно работающих механизмах: "обратный маятник" для A-P колебаний и перенос веса с ноги на ногу для M-L колебаний.

По этой причине знаменитые Нэшнеровские голеностопная и тазобедренная стратегии существуют только в A-P направлении, где он их, собственно, и получил. В M-L направлении голеностопной стратегии быть просто не может.

Размер Sway как индикатор позной успешности

светлые колонки - нормальные испытуемые, черные+светлые - потеря вестибулярного чувства. Horak&MacPherson

Статистику амплитуды (или скорости) позных колебаний можно использовать как меру эффективности позной функции. Например, нарушение любой из сенсорной модальностей приводит к увеличению колебаний - см. иллюстрацию справа.

Добавление - например более контрастная зрительная опора или легкое прикосновение (haptic feedback) Riley et al 1997 ведет к заметному уменьшению позных колебаний.

C возрастом позные колебания усиливаются.

Что интересно, данные по младенцам довольно противоречивы. Пока наиболее аккуратное исследование Chen, Metcalfe et al 2008 показывает, что позные колебания младенцев довольно мало меняются в течении первого года после освоения ходьбы, хотя конечно они очень велики в сравнении со взрослым (причем в M-L плоскости). Postural development.jpg Графики показывают огромный разброс, что говорит о сильно индивидуальной траектории развития (и что действительно аккуратное исследование должно иметь когорту человек в 100)

На графиках также показано влияние позной стратегии с опорой на руку, которая, конечно же, активно используется младенцами. Интересно, что влияние ее фиксировано, а не относительно (хотя с такими "шумными" исходными данными такой вывод сделать трудно)

"Позные колебания" во время локомоции

Термина "позные колебания" применительно к локомоции, насколько мне известно, не существует. Но во время ходьбы или бега мы точно также поддерживаем баланс, возникают отклонения, которые нужно компенсировать. Особенно это интересно во время бега - там существует фаза полета, во время которой компенсационные реакции невозможны - и все компенсации надо сделать одной ногой во время ее контакта с опорой.

Литературы по исследованию таких "позных колебаний" во время локомоции на порядок меньше, чем для статической позы. В интересной свежей статье Seethapathi, Srinivasan 2019 анализировали механику балансных коррекций на бегу. Использовался бег по беговой дорожке, и исследовались микроотклонения, который естественным образом возникают во время любого движения (в смысле, что не внешние возмущения). Фактически, это полный аналог "позных колебаний" во время бега. Визуализировать их сложнее, чем нарисовать постурограмму, как выше, но вот некоторые выводы авторов:

  • Практически любые возникающие боковые отклонения (от усредненной "идеальной траектории") компенсируются почти на 100% уже на следующем шаге - следующем контакте ноги с опорой
  • В отличие от боковых, продольные отклонения компенсируются на следующем шаге лишь на 72% в среднем
  • Именно траектория центра масс является наилучшим предсказанием коррекционных реакций в целом - и хотя работа чисто биомеханическая, не измеряющая никаких нервных реакций, из их статистических выкладок видно, что коррекционное изменение положения будущей опорной ноги (отклонение в направлении возмущения) начинает формироваться в конце фазы полета, с отставанием не менее в 100мс от регистрации отклонения центра масс.
  • Отклонения в вертикальном направлении (которые вообще отсутствуют как задача в статической позе) довольно интересно компенсируются изменением фазы толчка (временем его началах

Являются ли локомоторные "позные колебания" такой же "пробой позы" как и в статической позе сказать сейчас сложно. Данных о работе сенсорных каналов и их влиянии на размер таких "позных колебаний" пока очень мало. Есть однако ряд наблюдений группы Томаса Брандта при гальванической стимуляции на бегу и ранее при острой вестибулопатии: влияние вестибулярной информации на бегу существенно снижено: чем выше скорость, тем меньше вес вестибулярного чувства в контроле позы. Соответственно, на бегу вестибулярное чувство менее всего задействовано, при ходьбе же - тем больше, чем меньше скорость.

Также интересны наблюдения Bent 2004, где изучались влияния на вестибулярные пертурбации (GVS) в зависимости от фазы шага.

  • Вестибулярные реакции дифференцированы: влияние на положение головы и тела относительно таза не зависит от фазы шага, а влияние на локомоцию - зависит, оно модулируется в такт шагу
  • Максимально влияние во время опоры на две ноги - если возмущения лабиринтов производить в этот момент, их влияние максимально. Во время опоры лишь на одну ногу - вестибулярные влияния подавляются.

Литература