ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА, 2009, том 35, № 2, с. 54-59
УДК 612.8
ПОДДЕРЖАНИЕ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПОЗЫ ЧЕЛОВЕКА В УСЛОВИЯХ ВИРТУАЛЬНОГО ЗРИТЕЛЬНОГО ОКРУЖЕНИЯ
© 2009 г. Б. Н. Сметанин, Г. В. Кожина, Ä. К. Попов
Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН, Москва Поступила в редакцию 19.05.2008 г.
У 14 здоровых испытуемых регистрировали сагиттальную и фронтальную составляющие стабило-граммы при стоянии на жесткой и податливой опорах в трех условиях зрительного контроля: "открытые глаза" (ОГ), "закрытые глаза" (ЗГ), и "виртуальное зрительное окружение" (ВЗО). В условиях ВЗО испытуемые наблюдали трехмерное изображение элементов комнаты, которое генерировалось компьютером и было привязано к колебаниям центра тяжести тела таким образом, что воспроизводилась свойственная для нормальных зрительных условий связь между колебаниями тела и смещениями видимого зрительного окружения. Путем частотной фильтрации колебаний центра давления стоп (ЦДС) выделяли перемещения вертикальной проекции центра тяжести (ЦТ) и разность двух указанных переменных. Изменения переменных (ЦТ и ЦДС-ЦТ) оценивали с применением спектрального анализа и последующего вычисления среднеквадратичного значения (RMS) амплитуд их спектральных колебаний. При стоянии на жесткой опоре RMS спектров обеих переменных имели наибольшие значения в условиях ВЗО и ЗГ, и наименьшие - при ОГ. В условиях стояния на податливой опоре колебания тела значительно усиливались, при этом был выявлен другой паттерн зрительных влияний. RMS имели наибольшую величину при ЗГ и были в 2-2.5 раза меньше при ОГ и ВЗО. Таким образом, было показано, что при ВЗО афферентация от глаз игнорируется управляющими позой структурами мозга, если стояние происходит на жесткой опоре и колебания ЦТ относительно невелики, но эффективно используется при поддержании позы на податливой опоре, когда колебания тела существенно увеличены.
В регуляции вертикальной позы одновременно задействованы различные сенсорные системы: зрительная, вестибулярная и проприоцептивная. Этот непреложный факт подтвержден результатами многочисленных исследований, показавших, что стимуляция зрительного [1-5], проприо-цептивного [6-9], или вестибулярного входов [1014] вызывает стимуло-зависимые колебания тела. Тем не менее, зрительной системе принадлежит особая роль. Это связано с тем, что в большинстве ситуаций каждодневной жизни видимое зрительное окружение не перемещается, оно стационарно, и в силу этого служит надежным пространственным референсом (системой отсчета), относительно которого ЦНС строит управление движениями и позой. Вполне возможно, что формирование мышечных команд, корректирующих вертикальную позу, отлажено под зрительный референс даже лучше, чем под системы отсчета, использующие афферентные сигналы других модальностей (от проприоцепторов и вестибулярных органов). С этим предположением хорошо согласуются такие известные феномены позной регуляции, как заметное ухудшение параметров стояния на неподвижной опоре и очень значительное (2-4-кратное) усиление колебаний тела при поддержании позы на податливой или подвижной опорах, которые наблюдаются после пе-
рехода от стояния с открытыми глазами к стоянию с закрытыми глазами [15-17].
Афферентные сигналы от органов зрения содержат информацию не только о стационарности внешнего окружения, но и о положении тела относительно внешнего окружения. Последняя составляющая зрительных сигналов во взаимодействии с сигналами от опорного входа и вестибулярной системы позволяет управляющим позой нейрональным механизмам непрерывно формировать двигательные команды, стабилизирующие вертикальную позу. В связи с этим, аспектом зрительного контроля важно понять, насколько эффективным может быть вклад зрительных сигналов в регуляцию позы в условиях, когда построение двигательных команд не может базироваться на зрительной системе отсчета, а формируется в системе отсчета, связанной с афферента-цией от опорного входа, мышц и вестибулярных органов. Чтобы выяснить это, мы сравнивали поддержание вертикальной позы в обычных нормальных условиях зрительного контроля и в условиях погружения испытуемых в виртуальную зрительную среду. В последнем условии воспроизводили свойственную нормальным зрительным условиям трансформацию видимого зрительного окружения вследствие колебаний тела стоящего человека. При этом предъявлявшаяся виртуаль-
ная картина зрительного окружения не была стационарной и поэтому не могла служить в качестве пространственного референса.
МЕТОДИКА
В исследовании в качестве испытуемых приняли участие 14 здоровых людей: восемь мужчин (36.6 ± 5.6 лет) и шесть женщин (34 ± 4.2 года). Они были предварительно проинформированы о содержании и процедуре экспериментов и дали согласие на участие в них.
В процессе проведения проб испытуемые стояли на прямоугольной (45 х 45 см) стабилографи-ческой платформе и должны были поддерживать удобную вертикальную позу, минимизирующую, по возможности, отклонение тела от гравитационной вертикали. Стопы испытуемых были удобно разведены, при этом пятки расставлены на расстояние 8-12 см, а носки - на 18-23 см.
Поддержание вертикальной позы исследовали при стоянии испытуемых на жесткой, горизонтально ориентированной опорной поверхности и на податливой опорной поверхности. Податливость опоры создавали с помощью квадратной пластины поролона толщиной 10 см, которую помещали на платформу стабилографа и сверху накрывали жесткой пластиной фанеры толщиной 1 см. Размеры обеих пластин были идентичны размеру платформы стабилографа. Величина податливости поролона составляла около 4 см при давлении 1.0 Н/см2. Во время стояния на податливой опоре колебания тела испытуемых существенно возрастали, но вместе с тем у них не возникало больших трудностей, чтобы поддерживать равновесие тела.
Поставленная в работе задача решалась при исследовании поддержания позы в трех условиях зрительного контроля: виртуальное зрительное окружение (ВЗО), открытые глаза (ОГ), закрытые глаза (ЗГ). Первые два зрительных условия представляли сравниваемые между собой условия, а последнее условие выступало в качестве контрольного условия.
При ВЗО был реализован так называемый активный способ формирования трехмерного стереоизображения (см. [18, 19]). Он базируется на использовании поочередной проекции предъявляемого изображения для левого и правого глаза на экран. Такой способ проекции создают с помощью жидкокристаллических стереоочков затворного типа (shutter glasses) с поочередно затемняющимися стеклами. Подаваемое изображение для глаз на экран синхронизируют с поочередным затемнением стекол очков таким образом, что каждый глаз получает предназначенное для него изображение. В нашем эксперименте схема которого представлена на рис. 1, испытуемые смотре-
проектор экран
Рис. 1. Схематическое изображение положения испытуемого и элементов методики в ходе эксперимента. Подробное описание см. в тексте.
ли через стереоочки (3DS-GS (Панорама), "Stel -Computer Systems Ltd.", Москва; частота чередований 120 Гц) на расположенный перед ними на расстоянии 110 см экран (180 х 150 см). На экран с компьютера через проектор (Sharp XR-10X) подавалось графическое изображение элементов интерьера комнаты. Интерьер состоял из стены с окном и предметов мебели. Видимое изображение ВЗО было трехмерным, при этом поле зрения испытуемых составляло примерно 50° по вертикали и 60° по горизонтали. Поле зрения не выходило за пределы ВЗО, в силу чего испытуемые могли ориентироваться только в пределах видимой зрительной картины. Для поддержания ощущения более полного погружения в виртуальную реальность изображение фрагмента комнаты было привязано к колебаниям центра тяжести тела. Привязка осуществлялась специальной компьютерной программой таким образом, что воспроизводилась близкая к естественной трансформация смещений видимого зрительного окружения в зависимости от движений тела испытуемого. Задержка движений ВЗО составляла около 10 мс. В результате испытуемые находились в виртуальной зрительной среде, которая была не только трехмерной, но и нестационарной.
При условии ОГ испытуемые стояли в тех же самых очках, но при этом режим поочередного затемнения стекол был выключен. Очки ограничивали поле зрения в тех же пределах, что в условиях ВЗО, и испытуемые видели перед собой тот же экран с изображением того же интерьера комнаты. Однако в этом условии изображение было неподвижным и плоским. Таким образом, в этом
см 0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
см 0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
ЦТ (сс)
ЦТ (фс)
ЦДС-ЦТ (сс) ЦДС-ЦТ (фс)
Рис. 2. Жесткая неподвижная опора. Диаграммы значений RMS колебаний амплитудных спектров переменных ЦТ и ЦДС-ЦТ, построенные по усредненным для всех испытуемых результатам вычислений. Черные столбики - закрытые глаза, белые - открытые глаза, столбики со штриховкой - виртуальное зрительное окружение; (се) и (фс) - сагиттальная и фронтальные составляющие стабилограммы. Вертикальные черточки - стандартное отклонение.
0
случае испытуемые стояли в условиях, идентичных нормальным зрительным условиям, но с ограниченным полем зрения.
В условии ЗГ испытуемые поддерживали вертикальную позу с закрытыми глазами.
При проведении проб регистрировали стаби-лографически х, у координаты (сагиттальную и фронтальною составляющие) вертикальной проекции центра давления стоп (ЦДС) на плоскость. Сигналы от стабилографа оцифровывались с частотой 100 Гц и вводились в компьютер для последующего анализа. Длительность отдельных проб составляла 60 с. В процессе эксперимента испытуемые выполняли 18 проб (по три пробы при каждом зрительном условии на жесткой и податливой опорах). При проведении эксперимента зрительные условия и состояние платформы чередовали в случайном порядке.
Влияние зрительных условий на параметры поддержания вертикальной позы оценивали по результатам анализа элементарных переменных, выделявшихся из колебаний ЦДС. С этой целью использовали подход, предложенный в работах Руже с соавт. [20, 21]. Указанный подход базируется на методе частотной фильтрации колебаний центра давления стоп (ЦДС), в результате чего
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.