Механизмы адаптации содружественных движений глаз и головы в условиях микрогравитации

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

03.00.13. - Физиология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Механизмы адаптации содружественных движений глаз и головы в условиях микрогравитации

Томиловская Елена Сергеевна

Москва 2007 г.

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации - Институте медико-биологических проблем РАН.

Научные руководители:член-корреспондент РАН

доктор медицинских наук, профессор

Козловская Инеса Бенедиктовна

кандидат биологических наук

Киренская Анна Валерьевна

Официальные оппоненты:доктор биологических наук, профессор

Шульговский Валерий Викторович

кандидат биологических наук

Васильева Оксана Николаевна

Ведущая организация: Институт физиологии им. И.П. Павлова

Российской академии наук

Защита диссертации состоится «______» _________ 2007 года в ______ часов на заседании диссертационного совета К002.111.01 в Государственном научном центре РФ - Институте медико-биологических проблем Российской академии наук по адресу: 123007, г. Москва, Хорошевское шоссе, д. 76а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ - ИМБП РАН.

Автореферат разослан «01» октября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат биологических наук И.П. Пономарева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Нарушения сенсомоторных функций и систем двигательного управления являются постоянным и закономерным спутником космических полетов различной длительности [Газенко О.Г. с соавт., 1965; Гурфинкель В.С. с соавт., 1969; Какурин Л.И. с соавт., 1971; Корнилова Л.Н. с соавт., 1979; Липшиц М.И., 1984; Козловская И.Б. с соавт., 1981; Kozlovskaya I.B. et al., 1985; Grigoriev A.I. et al., 1992; Решке М.Ф. с соавт., 1997]. Нарушая деятельность ведущих сенсорных систем, таких как вестибулярная, опорная и мышечная, невесомость создает условия для преобразований в системах моторного контроля, выражающиеся в реориентации систем управления движениями на другие, более стабильные афферентные входы [Козловская И.Б. с соавт., 1986; Berger M. et al., 1992]. В работах российских и зарубежных исследователей показано, что система управления произвольными движениями в невесомости базируется в основном на сигналах гравитационно независимой зрительной афферентации [Young L.R. et al., 1981; Козловская И.Б. с соавт., 1986; Kozlovskaya I.B. et al., 1990; Paloski W.H. et al., 1992; Grigoriev A.I. et al., 1992; Berger M. et al., 1992; Clement G. et al., 1999]. В этих условиях точность зрительного слежения становится особенно важной в обеспечении надежности космических полетов. Вместе с тем закономерности глазодвигательной деятельности в невесомости до настоящего времени остаются малоизученными.

Одной из базисных реакций зрительного слежения является реакция быстрой установки взора (РУВ) на объектах, внезапно появляющихся в периферическом поле зрения. Согласно данным Бицци и сотрудников [Bizzi et al., 1972; 1974; Dichgans et al., 1973, 1974], организация этой реакции базируется у приматов в основном на сигналах вестибулярного входа. Очевидно, что в условиях невесомости, глубоко нарушающей деятельность вестибулярного аппарата, характеристики и организация этой реакции изменяются. В исследованиях, выполненных в полетах на биоспутниках серии «Бион» [Kozlovskaya I.B. et al. 1989; Sirota M.G. et al., 1991; Yakushin S.B. et al., 1992; Dai M. et al., 1994, 1998; Cohen B. et al., 2005], были выявлены и описаны глубокие изменения вестибуло-глазодвигательного взаимодействия и характеристик реакции установки взора у обезьян макака-резус. Однако характеристики этой реакции в невесомости у человека до настоящего времени не изучались.

Важно отметить также, что в приматологических экспериментах на биоспутниках исследованию подлежала лишь реакция горизонтальной установки взора. Вместе с тем, известно, что наибольшие изменения в невесомости наблюдаются в характеристиках слежения вертикального, в организации которых существенное участие принимает отолитовая система [Kornilova L.N. et al., 1983; Dai M. et al., 1994; Cohen B. et al., 2005].

В связи со сказанным, важным являлось изучить особенности адаптационных процессов в системе горизонтальной и вертикальной реакций установки взора у человека в ходе и после длительных космических полетов. Представлялось интересным также исследовать участвующие в этих процессах центральные механизмы, у человека ранее не изучавшиеся.

Цель исследования

Исследование организации и механизмов адаптации системы управления взором в условиях микрогравитации

Задачи исследования:

Исследовать влияние невесомости на временные, кинематические и амплитудные характеристики содружественных движений глаз и головы при выполнении горизонтальной и вертикальной реакции установки взора.

Исследовать временные, кинематические и амплитудные характеристики горизонтальной и вертикальной реакции установки взора до и после длительных космических полетов.

Исследовать изменения пресаккадической активности коры головного мозга при выполнении саккадических реакций различной сложности в условиях моделирования физиологических эффектов микрогравитации.

Научная новизна

В работе впервые количественно описаны изменения характеристик одной из важнейших реакций зрительного слежения - реакции установки взора - в ходе длительных космических полетов и после их завершения. При этом впервые изучению подлежали процессы адаптации, обусловливаемые невесомостью в реакциях как горизонтальной, так и вертикальной установки взора. Подтвердив данные исследований механизмов преобразований в невесомости в системе управления горизонтальной реакции установки взора, выполненных на обезьянах в полетах биоспутников серии «Бион», результаты настоящих исследований впервые представили полную картину нарушений в системах управления как горизонтальной, так и вертикальной установкой взора в невесомости у человека и закономерности адаптивных процессов, обеспечивающих выполнение этой реакции в условиях микрогравитации.

Принципиально новым фактом является обнаруженная в исследовании идентичность в направленности изменений и закономерности процессов адаптации в системах горизонтальной и вертикальной реакции установки взора. Важным результатом исследования является также выявление в ходе длительного пребывания в невесомости двух фаз адаптации, различающихся направленностью изменений параметров реакции. Первая - фаза острой адаптации - характеризуется выраженным увеличением возбудимости в системе вестибуло-окулярного рефлекса (ВОР) и торможением движений головы. Во вторую фазу усиление в системе ВОР постепенно снижается, коэффициент ВОР (Квор) уменьшается у ряда космонавтов вплоть до величин ниже единицы, что позволяет предполагать активную тормозную природу процесса. Время реакции установки взора при этом оставалось существенно увеличенным.

Впервые показано, что снижение скорости движений головы в первую фазу адаптации, являющееся, по-видимому, рефлекторным ответом на переход к невесомости, сменяется во вторую фазу изменениями кинематических характеристик реакции, определяемыми в значительной мере исходной стратегией реакции установки взора. У представителей летной профессии, у которых в фоне движения головы при выполнении РУВ, как правило, заторможены, амплитуда и скорость движений головы увеличивалась, а у представителей нелетных профессий - оставалась низкой. Впервые было показано также, что возвращение после длительных космических полетов к условиям Земли сопровождается растормаживанием вестибуло-окулярного рефлеса, что выражается в показателях коэффициента ВОР.

Впервые в условиях наземного моделирования влияний микрогравитации в длительной «сухой иммерсии» выявлены выраженные изменения в кортикальных механизмах управления глазодвигательными реакциями при опорной разгрузке. Полученные данные позволяют предположить, что в невесомости, где наряду с опорной разгрузкой глубоко нарушается также функция вестибулярного аппарата, изменения в деятельности центральных механизмов управления движениями глаз еще более глубоки.

Научно-практическая значимость работы

Количественное описание параметров горизонтальной и вертикальной реакции установки взора в различные стадии космического полета позволяет определить временные и точностные возможности выполнения задач срочной установки взора на мишенях, внезапно появляющиеся в периферическом поле зрения. Результаты работы существенно упрощают планирование временных режимов выполнения операторских задач, связанных с быстрой установкой взора на мишенях.

Выявление природы и направленности компенсаторных процессов в системах горизонтальной и вертикальной РУВ в острый и хронический периоды адаптации расширяет возможности разработки средств коррекции нарушений зрительного слежения на разных стадиях космического полета.

Основные положения, выносимые на защиту

Невесомость снижает точностные возможности систем управления реакцией установки взора, изменяя ее временные и амплитудные характеристики, нарушая координацию содружественных движений глаз и головы и значительно увеличивая время выполнения двигательной задачи.

Изменения характеристик и организации РУВ в различные фазы адаптации к невесомости имеют единую направленность в реакциях горизонтальной и вертикальной установки, будучи существенно более выражены в вертикальной РУВ.

В полете и после его завершения характеристики содружественных движений глаз и головы отличаются высокой вариативностью, что обусловливается влияниями одновременно протекающих процессов ранней (острой) и хронической адаптации, имеющих, как правило, различную направленность.

Опорная разгрузка обусловливает развитие изменений кортикальной организации механизмов управления глазодвигательными реакциями, что проявляется в сущеественных изменениях амплитуды и топографии медленных пресаккадических электроэнцефалографических (ЭЭГ) потенциалов.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на конференциях молодых ученых и студентов, посвященных дню космонавтики (Москва, 2002г., 2003 г., 2004 г., 2007 г.); XII конференции по космической биологии и авиакосмической медицине (Москва, 2002 г.); конференции «Организм и окружающая среда: адаптация к экстремальным условиям» (Москва, 2003 г.); 25-м международном гравитационном симпозиуме (25th Annual International Gravitational Physiology Meeting) (Москва, 2004); XIX Съезде физиологического общества им. И.П. Павлова (Екатеринбург, 2004); 15-м Международном симпозиуме «Человек в космосе» (15th Human in Space Symposium - Benefits of Human Presence in Space, historical, scientific, medical, cultural and political aspects) (Австрия, Грац, 2005); 26-м международном гравитационном симпозиуме (26th Annual International Gravitational Physiology Meeting) (Германия, Кельн, 2005); 7-м симпозиуме «Роль вестибулярных органов в изучении космоса» (7th Symposium on the Role of the Vestibular Organs in Space Exploration) (Нидерланды, Нордвийк, 2006); XIII Конференции по космической биологии и авиакосмической медицине (Москва, 2006); 29-й Европейской конференции по зрительному восприятию (29 European Conference on Visual Perception) (Санкт-Петербург, 2006); 28-м международном гравитационном симпозиуме (28th Annual International Gravitational Physiology Meeting) (США, Сан-Антонио, 2007); XX Съезде физиологического общества им. И.П. Павлова (Москва, 2007).

Диссертация апробирована на заседании секции "Космическая физиология и биология" Ученого совета ГНЦ РФ - ИМБП РАН, 17 сентября 2007 г. (Протокол № 10).

По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 149 страницах машинописного текста и состоит из введения, литературного обзора, описания методов исследования, 3-х глав собственных исследований, обсуждения результатов, выводов и списка цитируемой литературы. Список литературы включает 174 работ, из них 71 отечественных и 103 - зарубежных авторов. Материал диссертации иллюстрирован 29 рисунками и 6 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Материалы и методы исследования

Выполнено 3 серии экспериментов. В первых двух сериях изучали параметры реакции горизонтальной и вертикальной установки взора (РУВ) до, в ходе и после длительных космических полетов (КП), в третьей - исследовали характеристики электроэнцефалограммы, регистрируемой при осуществлении быстрых движений глаз - саккад и антисаккад - у здоровых испытуемых в естественных условиях и условиях моделированных физиологических эффектов микрогравитации. Всего в исследованиях участвовали 40 человек.

В соответствии с Хельсинкской декларацией и нормами международного права все обследуемые были заблаговременно проинформированы о характере и возможных неблагоприятных последствиях экспериментальных воздействий и дали письменное согласие на участие в исследованиях. Программы экспериментов были одобрены Комиссией по биомедицинской этике ГНЦ РФ - ИМБП РАН.

Изучение параметров РУВ в длительных космических полетах (ДКП) (эксперимент «Монимир»)

Данная серия выполнена с участием 7 космонавтов - членов экипажей КП на станции «Мир», длительность которых составляла от 127 до 437 суток. Тестирование РУВ проводилось четырежды до полета, четырежды в разные сроки полета и на 2-е и 5-е сутки после посадки. Исследования до и после КП проводили в темном помещении при положении испытуемого сидя в кресле. При выполнении исследований на борту станции «Мир» испытуемый был фиксирован на «полу» в позиции на спине так, что голова его находилась над «ступенькой», позволявшей ей свободно двигаться.

Выполнявшаяся космонавтами двигательная задача состояла в максимально быстрой и точной установке взора на периферических мишенях, предъявляемых в случайном порядке на табло, расположенном на расстоянии 1,6 м от глаз обследуемых. Включение периферических мишеней осуществлялось после установки взора на центральной мишени. Зрительными мишенями служили красные светодиоды размером в 0,1 углового градуса (о). Периферические мишени предъявлялись на расстоянии 16о вправо, влево, кверху и книзу от центра по 12 предъявлений каждого из стимулов. Движения глаз регистрировали методом электроокулографии. Для регистрации движений головы использовали датчик поворота головы, представлявший собой шлем со встроенными светодиодами, положение которых регистрировалось с помощью двух сфокусированных инфракрасных видеокамер.

Изучение параметров реакции установки головы и глаз на зрительные мишени до и после длительных космических полетов (эксперимент «GAZE»)

Эксперименты данной серии выполнены с участием 7 космонавтов - членов экипажей основных экспедиций на станции «Мир», длительность которых составляла 186-198 суток. Тесты выполняли до полета и 3-4 раза в течение недели после его завершения. Исследования проводились в хорошо освещенном помещении при положении обследуемого сидя в кресле. Выполнявшаяся космонавтами двигательная задача состояла в быстрой установке головы и глаз на мишенях, предъявляемых на табло, расположенном на расстоянии 1,2 м от глаз испытуемого. Мишенями служили красные светодиоды, предъявляемые в случайном порядке на расстоянии 20, 40 и 60о вправо и влево от центра и 15, 30 и 50о - кверху и книзу от центра. Для управления экспериментом и регистрации данных использовалась аппаратура проекта «Мир- НАСА» - «Gaze».

Движения глаз регистрировали методом электроокулографии. Для регистрации движений головы использовали датчик поворота головы, представлявший собой шлем со встроенным датчиком угловой скорости.

В реакции установки взора определяли временные, амплитудные и скоростные параметры движений головы и глаз. Помимо этого на этапе противовращения глаз вычисляли коэффициент вестибуло-окулярного рефлекса (Квор), отражающий усиление в дуге вестибуло-окулярного рефлекса. Квор вычисляли в течение первых 100 мс участка противовращения глаз с шагом в 10 мс как отношение скорости движения глаз к скорости поворота головы с учетом временной задержки движения глаз в 10 мс [H. Collewijn and J.B.J. Smeets, 2000]. Траекторию перемещения взора строили, суммируя позиции глаз и головы. При проведении статистических расчетов использовали программу «Biostat» (версия 4.03). Оценку различий полученных результатов производили с помощью критериев Манна-Уитни и Вилкоксона. Критический уровень достоверности принимали за 0,05.

Исследование влияния моделируемой микрогравитации на центральные механизмы глазодвигательных реакций

В качестве модели микрогравитации в этой серии использовалась так называемая «сухая иммерсия» (СИ). Согласно результатам ранее проведенных исследований [Шульженко, Виль-Вильямс, 1976], СИ является наиболее близкой к микрогравитации по влияниям, оказываемым на двигательную систему, воспроизводя достаточно полно свойственные невесомости гипокинезию и механическую и опорную разгрузку. При проведении СИ испытатели погружаются в воду, будучи отделены от нее свободно плавающей, изовесной воде тканью. Температура воды в ванной поддерживалась автоматически на уровне 33,5+1,0оС.

Электроэфнцефалографические регистрации при выполнении сакадических движений глаз выполнялись до и на 6-е сутки СИ. Серия проведена с участием 24 мужчин с ведущим правым глазом в возрасте 23-29 лет. Иммерсионному воздействию подвергались 7 испытуемых.

Исследования проводили в темной изолированной камере при положении испытуемого сидя в кресле с подголовником. Зрительными стимулами служили три красных светодиода. Двигательную задачу составляло быстрое перемещение взора с центрального фиксационного стимула (ЦФС) к периферическим (ПС), расположенным справа и слева от ЦФС на расстоянии в 10. В исследовании использовались 2 схемы зрительной стимуляции: (1) тест с простыми саккадами, в котором испытуемые совершали быстрое движение глаз к ПС; и (2) тест с антисаккадами, в котором задачу составлял быстрый перевод глаз в точку, расположенную симметрично ПС в противоположном зрительном поле. В ходе эксперимента испытуемому предъявляли 6-8 блоков зрительных стимулов по 48 реализаций. ЭЭГ регистрировали монополярно, с постоянной времени 0,3 с в 19 стандартных отведениях.

Движения глаз регистрировали методом электроокулографии. Характеристики медленных пресаккадических ЭЭГ-потенциалов определяли только для правильных регулярных саккад, количество которых во всех случаях было достаточным (25 - 70) для проведения усреднения. Для выделения медленных пресаккадических потенциалов запись ЭЭГ трансформировали с постоянной времени 5 с.

Для каждого испытуемого проводили обратное усреднение ЭЭГ, триггером которого служил момент включения периферического целевого стимула (рис.1).

АБ

Рис 1. Примеры усредненных потенциалов до (тонкие линии) и после (жирные линии) иммерсионного воздействия в двух тестах - тесте 1 «простые саккады» (А) и тесте 2 «антисаккады» (Б). Обозначения: Fz, Cz, Pz - отведения ЭЭГ (срединное лобное, вертекс и срединное теменное соответственно); «0» - включение периферической мишени. По оси абсцисс - время, мс; по оси ординат - амплитуда, мкВ.

Количественную оценку амплитуды пресаккадического негативного потенциала (ПСНП) проводили на интервале 600 мс до момента предъявления целевого периферического стимула (рис.1). По результатам обработки данных строились топографические карты. Статистическую обработку проводили с использованием программ BioStat и SPSS 8.0. Критический уровень достоверности принимали за 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Исследование характеристик горизонтальной реакции установки взора в длительных космических полетах (эксперимент «Монимир»)

До полета в ходе выполнения реакции установки взора выделялись три фазы (рис.2). Первой, с латентным периодом 205 - 230 мс, возникала саккада в сторону мишени. Через 30 - 75 мс начинался поворот головы в ту же сторону. В ходе этой второй фазы, характеризовавшейся содружественными движениями глаз и головы в сторону мишени, взор достигал цели. В третьей фазе голова продолжала движение в направлении цели, а глаза противовращались со скоростью, равной скорости движений головы, что обеспечивало стабилизацию взора на мишени.

Рис. 2. Реакция установки взора в контрольных исследованиях. Лгл - латентный период движений глаз; Лг - латентный период движений головы; Дгл - длительность саккады глаз; Дг - длительность движения головы; Лвз - время установки взора; Асак - амплитуда саккады глаз

Пребывание в невесомости существенно изменяло временные параметры горизонтальной РУВ (рис. 3). Время установки взора на мишени резко возрастало. Латентные периоды движений глаз при этом достоверно не изменялись, а латентные периоды головы увеличивались в среднем на 100 мс.

Рис. 3. Временные характеристики РУВ у космонавтов до, в ходе и после длительных космических полетов (n=7). А - латентные периоды движений глаз; Б - латентные периоды движений головы; В - время установки взора на мишени. По оси абсцисс - дни тестирования

Анализ кинематических характеристик движений глаз и головы выявил наличие 2-х групп, четко различавшихся по направленности изменений скоростей движений (рис.4). В 1-й группе, состоящей в основном из профессиональных инженеров, в полете амплитуды и скорости саккад существенно увеличивались, скорость движений головы снижалась.

Рис. 4. Кинематические параметры горизонтальной РУВ у космонавтов до, в ходе и после длительных космических полетов (n=7). А - скорости движений головы (пунктирные линии) и противовращения глаз (сплошные линии); Б - коэффициент вестибуло-окулярного рефлекса. По оси абсцисс - дни тестирования

Во 2-й группе, представленной космонавтами-летчиками, максимальная скорость саккад, напротив, отчетливо снижалась, а скорости движений головы, закономерно снижавшиеся у всех космонавтов в начале полета, затем резко возрастали. Еще более существенно возрастала в этой группе скорость противовращения глаз. Изменения соотношения скоростей движения глаз и головы отражали резкое увеличение усиления в дуге вестибуло-окулярного рефлекса (рис. 4Б). Значения этого показателя в поздние сроки полета закономерно снижались, вновь резко возрастая после завершения полета.

Изменения в системе вертикальной реакции установки взора в полете имели ту же направленность, однако были существенно более выраженными. Латентные периоды саккад в полете не изменялись, вместе с тем латентные периоды движений головы увеличивались в среднем на 100-120 мс (рис.5). В два и более раз в первые же месяцы полета увеличилось время установки взора на мишенях. После полета большинство описанных характеристик возвращались к исходным значениям, однако время установки взора на 2-е и 5-е послеполетные сутки оставалось высоким.

Рис. 5. Временные характеристики вертикальной РУВ у космонатов до, в ходе и после длительных космических полетов (n=3). А - время установки взора на мишенях; Б - временная задержка между началом движения глаз и головы. По оси абсцисс - дни тестирования

Существенные изменения, как и в горизонтальной РУВ, претерпевали в полете кинематические параметры вертикальной реакции (рис.6). При переходе к невесомости скорость движения головы несколько снижалась, а скорость противовращения глаз увеличивалась более чем вдвое, отражая существенное увеличение усиления в дуге вестибуло-окулярного рефлекса. В дальнейшем скорость противовращения глаз постепенно снижалась и к 5-му месяцу полета достигала величин, меньших скорости движений головы. После полета скорость противовращения глаз вновь резко увеличивалась, а скорости движений головы возвращались к предполетным значениям.

Рис. 6. Кинематические параметры вертикальной реакции установки взора у космонавтов до, в ходе и после длительных космических полетов (n=3). А - скорости движений головы (сплошная линия) и противовращения глаз (пунктирная линия); Б - коэффициент вестибуло-окулярного рефлекса. По оси абсцисс - дни тестирования.

Соответственно изменениям скоростей, коэффициент ВОР в первый месяц полета увеличивался в 3 и более раз, снижаясь во вторую фазу адаптации и вновь возрастая после завершения полета.

В ходе полета изменялась и структура реакций (рис.7): существенно возрастало число реакций, в которых движение головы начиналось только после завершения основной саккады - т.н. «распаренных» реакций. Содружественная реакция установки взора таким образом преобразовывалась в два последовательно выполняемых движения - глаз и головы. После посадки этот показатель быстро нормализовался.

Результатом всех описанных изменений в структуре и организации реакций установки взора являлось резкое снижение успешности их выполнения (рис.8): число реакций, завершавшихся установкой взора на мишенях в течение 1200 мс, составлявшее в фоне 95-100%, в ходе полета прогрессивно снижалось. Особенно значимым было это снижение в вертикальной РУВ, где на третий месяц полета этот показатель составлял лишь 34% от общего числа реакций.

Рис. 7. Число «распаренных» реакций до, в ходе и после длительных космических полетов. По оси асбцисс - дни тестирования

Рис. 8. Количество реакций, завершившихся установкой взора на мишени в течение 1200 мс, до, в ходе и после длительных космических полетов. По оси абсцисс - дни тестирования, по оси ординат - число успешных реакций в процентах от общего количества выполненных задач

Результаты исследований горизонтальной и вертикальной реакции установки взора (РУВ) после КП, входивших в состав российско-американского эксперимента «Gaze», в целом подтвердили данные полетных экспериментов, выявив увеличение времени реакции и существенное возрастание вариативности ее параметров. Изменения кинематических характеристик реакции также выявляли наличие различий в группах летных и нелетных профессий.

Возрастание вариативности, отмеченное как в полете, так и после него, отражающее снижение стереотипности реакции, отмечалось ранее и другими исследователями, изучавшими двигательные и различные автономные ответы в невесомости и модельных условиях. Можно предположить, что изменения в активности сенсорных гравитационно-зависимых систем в невесомости существенно снижают возможности программного управления РУВ, обеспечивающего в норме высокую ее точность.

Таким образом, в наших исследованиях впервые были описаны количественные характеристики горизонтальной и вертикальной РУВ в ходе и после завершения длительных космических полетов. Результаты исследований показали, что пребывание в невесомости закономерно обусловливает развитие глубоких изменений в организации и структуре реакции, однонаправленные, но более выраженные в реакциях вертикальных. При этом были отчетливо выявлены две фазы адаптационных изменений: фаза ранней (острой) адаптации, характеризующаяся гиперметрией саккад, увеличением усиления вестибуло-окулярного рефлекса и торможением движений головы, и фаза адаптации хронической, в ходе которой эти проявления сглаживаются, хотя точностные возможности реакции при этом остаются сниженными, а время ее - увеличенным.

Исследование влияния моделируемой микрогравитации на центральные механизмы глазодвигательных реакций

Исследования показали, что латентные периоды саккадических движений достоверно не различались во всех экспериментальных парадигмах до и после иммерсионного воздействия при осуществлении реакций на стимул справа и слева. Количество ошибочных движений при выполнении этих задач до и после воздействия также достоверно не различалось.

Вместе с тем, топография и амплитудные характеристики пресаккадических медленных потенциалов существенно изменялись после иммерсионного воздействия. Динамическое картирование амплитуды негативных потенциалов в контрольной группе выявило наличие двух фаз, идентичных описанным ранее в работах многих авторов [Shibasaki H. et al., 1980; Everling S. et al., 2001; Славуцкая М.В., Шульговский В.В., 2002, 2004; Киренская А.В. с соавт., 2003] (рис.9). Ранняя фаза пресаккадической негативности (600-400 мс до периферического стимула) локализовалась билатерально симметрично в лобно-центрально-теменной области с максимумом в зоне вертекса при выполнении теста с простыми саккадами и во фронтальной зоне срединной линии при выполнении антисаккадической задачи. По мнению ряда авторов, ранняя волна пресаккадической негативности отражает начальный этап двигательной подготовки, включающий процессы внимания, мотивации и извлечения из памяти предварительной программы движения. Поздний компонент пресаккадической негативности (200 мс до ПС) в контрольных исследованиях доминировал в отведениях средней линии и левого полушария и характеризовался максимумом в теменной области при выполнении простых саккад и двумя фокусами негативности - в лобной и теменной области - при выполнении антисаккад. Согласно представлениям, развиваемым Славуцкой и Шульговским [Славуцкая М.В., Шульговский В.В., 2002, 2004], поздняя волна пресаккадической активности отражает предварительную активацию премоторных цепей различного уровня, непосредственно участвующих в осуществлении моторного ответа. Взаимодействие теменной и лобной коры необходимо для выполнения задач, требующих торможения рефлекторных ответов.

Рис. 9. Топографические карты амплитуд потенциалов в интервале от 600 мс до включения периферического стимула до и после 6-суточного иммерсионного воздействия. А - тест 1 (простые саккады); Б - тест 2 (антисаккады)

микрогравитация глазодвигательный взор амплитудный

Исследования, проведенные на 6-е сутки иммерсионного воздействия, выявили существенные изменения амплитуды и топографии негативных потенциалов в обоих тестах (рис.9). На раннем этапе пресаккадической подготовки выявлялось отчетливое снижение амплитуд негативных потенциалов (рис.10). При этом амплитуда негативности в лобных отведениях резко снижалась. Можно предположить, что снижение уровня активности лобной коры в условиях иммерсии связано с нарушениями процессов межсенсорной интеграции, а также со снижением в условиях микрогравитации тонического афферентного притока.

В исследованиях, проведенных после иммерсионного воздействия, в обоих тестах в теменных отведениях средней линии и левого полушария регистрировались отчетливые позитивные потенциалы. В контрольных исследованиях в тех же отведениях регистрировались максимальные значения негативности. Согласно современным представлениям, именно в теменной коре осуществляется интеграция сенсорных входов различной модальности. Можно предположить, что в условиях микрогравитации имеет место нарушение этих процессов.

На поздних этапах пресаккадической подготовки зона негативности распространялась на затылочную область (рис.10). Из литературы известно, что затылочная кора находится под тормозным контролем лобной коры и регулирует непроизвольные движения глаз [Подвигин Н.Ф. с соавт., 1986; Goldberg M.E. et al., 1989; Gaymard B. et al., 1998). Не исключено, что снижение уровня фронтальной кортикальной активности в иммерсии обусловливало повышение уровня активации затылочных отделов коры.

Рис. 10. Изменение амплитуды медленных пресаккадических потенциалов в отведениях средней линии до (заштрихованные столбцы) и после (сплошные столбцы) 6-суточного иммерсионного воздействия.

В иммерсионных исследованиях зона негативности смещалась в правое полушарие. Можно предположить, что пребывание в иммерсии обусловливало резкое снижение уровня активации левого полушария вследствие ослабления афферентного притока, который играет важную роль в процессах двигательной преднастройки. Активация правого полушария, менее задействованного и, видимо, активно подавляемого в нормальных условиях, носит, возможно, компенсаторный характер.

ВЫВОДЫ

Невесомость изменяет амплитудные и временные характеристики реакции установки взора. Амплитуда и скорость саккад увеличивается, скорость движения головы существенно снижается, возрастают латентные периоды движений головы. В результате единый комплекс распадается на две последовательно выполняемые реакции. Время установки взора увеличивается в два и более раз. Изменения характеристик горизонтальной и вертикальной реакции установки взора однонаправлены, отличаясь большей выраженностью в системе вертикальной реакции установки взора.

Переход к невесомости закономерно сопровождается существенным усилением в дуге вестибуло-окулярного рефлекса (ВОР), что проявляется в значительном возрастании коэффициента ВОР, определяемого соотношением скорости движений головы и противовращения глаз. Во вторую фазу адаптации коэффициент ВОР закономерно снижается, достигая в отдельных случаях величин, меньших единицы.

В первые дни после завершения полета реакции установки взора вновь становятся гиперметричными, существенно возрастает при этом и коэффициент усиления вестибуло-окулярного рефлекса. Изменения других параметров реакции характеризуются резко увеличенной вариативностью. Характеристики реакции установки взора остаются измененными и на пятые сутки после завершения полета.

Стратегии адаптации систем управления взором в космическом полете и после его завершения различаются у людей летной и нелетных профессий. У первых переход к невесомости сопровождается растормаживанием профессионально заторможенных движений головы и увеличением удельного вклада этих движений в амплитуду взора. У вторых установка взора в невесомости характеризуется снижением скорости движения головы, гиперметрией саккад и увеличением вклада движений глаз в установку взора.

Пребывание в условиях моделируемой микрогравитации изменяет центральную организацию саккадических движений глаз, что проявляется в изменении топографии и амплитудных параметров пресаккадической активности коры головного мозга. Наиболее существенными особенностями после 6-суточной опорной разгрузки являются снижение активности фронтальной коры, сопровождающееся снижением амплитуды пресаккадических негативных потенциалов в теменной области, увеличение активности затылочной коры, а также смещением зон негативности из левого полушария в правое.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Характеристики реакции вертикальной установки взора у человека в длительных космических полетах // Тезисы конференции молодых ученых и студентов, посвященной дню космонавтики, ГНЦ РФ - ИМБП РАН, Москва, 12 апреля 2002 г. - С.19.

Характеристики реакции вертикальной установки взора у человека в длительных космических полетах // Тезисы XII Конференции по космической биологии и авиакосмической медицине, Москва, 10-14 июня 2002 г. - С.326 [соавт. Бергер М., Козловская И.Б.).

Характеристики горизонтальной реакции установки взора у человека в длительных космических полетах // Тезисы конференции молодых ученых и студентов, посвященной дню космонавтики, Москва, 2003 г..- С. 24.

Влияние длительных космических полетов на организацию вертикальной и горизонтальной реакции установки взора // В сб.: Материалы конференции «Организм и окружающая среда: адаптация к экстремальным условиям», Москва, 2003 г. - С. 354. (соавт. Бергер М., Герстенбранд Ф., Козловская И.Б.).

EEG spectral power dynamic changes related to saccadic eye movements before and after dry immersion // In: 25th Annual International Gravitational Physiology Meeting, 2004, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia. - P.75. (coauthors A.V. Kirenskaya, V.Yu. Novototsky-Vlasov, I.B. Kozlovskaya).

Влияние моделируемой микрогравитации на характеристики ЭЭГ, регистрируемые при выполнении произвольных саккадических движений глаз // Рос. Физиол. Журн. им. И.М. Сеченова. - Т.90. - № 8. - 2004. - С.419 (соавт. Галлямова Н.Р., Новотоцкий-Власов В.Ю., Киренская А.В.).

Event-related EEG changes preceding saccadic eye movements before and after dry immersion. // J.Gravit.Physiol. - 2004. - V.11. - N2. - P.33. (coauthors A.V. Kirenskaya, V.Yu. Novototski-Vlasov, I.B. Kozlovskaya).

Effects of microgravity on characteristics of the vertical gaze fixation reaction (vGFR) // Book of Abstracts of 15th Human in Space Symposium - Benefits of Human Presence in Space, historical, scientific, medical, cultural and political aspects, Graz, Austria, 22-26 May 2005. - Р.32 (coauthors Berger M., Gerstenbrand F., Kozlovskaya I.B.).

Study of dry immersion effects on cortical slow potentials preceeding voluntary saccades // Book of Abstracts of 9th European Symposium on Life Sciences Research in Space and 26th Annual International Gravitational Physiology Meeting, Cologne, Germany, 26 June-1 July 2005. - Р.184. (coauthors Novototski-Vlasov V., Kirenskaya A., Kozlovskaya I.).

Effects of long duration flight on organization of horizontal and vertical gaze fixation reaction // 7th Symposium on the Role of the Vestibular Organs in Space Exploration, the Netherlands, Noordwijk, 7 June 2006. - Р.112 (coauthors M.Berger, F.Gerstenbrand, I.B. Kozlovskaya).

Характеристики горизонтальной и вертикальной реакции установки взора у человека в длительных космических полетах // Тезисы XIII Конференции по космической биологии и авиакосмической медицине, Москва, июнь 2006 г. - С.221 (соавт. М. Бергер, Ф. Герстенбранд, И.Б. Козловская).

Effect of 6-days dry immersion on cortical slow potentials preceding voluntary saccades // 29 European Conference on Visual Perception, St-Petersburg, Russia, 20-25 August 2006. - Р.58. (coauthors AV Kirenskaya, VY Novototski-Vlasov, IB Kozlovskaya).

Влияние моделируемой микрогравитации на характеристики медленных пресаккадических потенциалов // Физиология человека. - Т.32. - №2. - 2006. - С.10-19 (соавт. Киренская А.В., Новотоцкий-Власов В.Ю., Козловская И.Б.).

Cortical potentials preceeding antisaccades in healthy subjects, schizophrenic patients and after simulated weightlessness // Int. J. Psychophysiol. - 2006. - V.61. - N3. - P. 346 (coauthors A.Kirenskaya, V. Myamlin, V. Novototsky-Vlasov, I.Ushakova, I.B.Kozlovskaya).

Alterations of Characteristics of horizontal gaze fixation reaction (hGFR) in long-term space flights (SFs) // In: 28th Annual International Gravitational Physiology Meeting, San Antonio, TX, 2007. - Р. 160 (et M.Berger, F.Gerstenbrand, I.B. Kozlovskaya).

Влияние длительных космических полетов на организацию реакции установки взора // Тезисы конференции молодых ученых и студентов, посвященной дню космонавтики. Москва, 2007 г. - С.28.

Размещено на Allbest.ru