Исследование позных реакций в условиях виртуального зрительного окружения у здоровых людей и у больных с утратой функций вестибулярного аппарата

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЗНЫХ РЕАКЦИЙ В УСЛОВИЯХ ВИРТУАЛЬНОГО ЗРИТЕЛЬНОГО ОКРУЖЕНИЯ У ЗДОРОВЫХ ЛЮДЕЙ И У БОЛЬНЫХ С УТРАТОЙ ФУНКЦИЙ ВЕСТИБУЛЯРНОГО АППАРАТА

Б.Н. Сметанин и К.Е. Попов Институт проблем передачи информации им. А.А.Харакевича РАН, Москва E-mail: smetanin@cnt.ru

Сехтинг и Бертоз [1] были первыми, кому удалось показать, что постуральные реакции, вызывавшиеся неожиданным движением зрительного окружения, увеличивались, если одновременно со зрительным стимулом нарушалось равновесие вертикальной позы. В их экспериментах позные зрительно-связанные реакции вызывали, предъявляя испытуемым в ограниченном поле зрения движущуюся двумерную структурированную полосу. В других работах [2, 3], для исследования влияний движений зрительного окружения на поддержание вертикальной позы использовали подход, при котором испытуемых помещали в небольшую комнату без пола, которую можно было неожиданно и дозировано смещать или наклонять. В последнее время в связи с развитием компьютерной графики появилась возможность создавать виртуальную трехмерную зрительную среду (ВЗС), имитирующие реальное зрительное окружение [4, 5]. Этой средой легко управлять с помощью компьютера, моделировать желательное движение и, таким образом, проводить более детальные исследования вклада различных аспектов зрительной информации в позный контроль.

В нашем исследовании мы тоже использовали этот новый подход, чтобы сопоставить постуральные реакции, возникающие при нарушении стационарности виртуальной зрительной среды, у здоровых людей и у больных с практически полной утратой вестибулярной функции. В частности, в качестве зрительного стимула применяли наклоны ВЗС, имевшей вид небольшой жилой комнаты и совмещали их с аналогичными по длительности и профилю наклонами опорной поверхности.

В исследовании в качестве испытуемых приняли участие 8 здоровых добровольцев (мужчины, возраст - 39.7±9.2 лет) и 4 хронических больных (мужчины возраст - 44±7.8 года) с практически полной утратой вестибулярной функции. Уровень нарушения вестибулярной функции оценивался по данным клинических исследований и на основании применяемых в таких случаях физиологических испытаний и проб.

Испытуемые стояли в удобной позе на стабилографе (40 x 60 см), встроенном в подвижную стальную платформу круглой формы (диаметр 62 см). Через стереоскопические очки затворного типа (частота переключений - 120 Гц) они смотрели на расположенный перед ними на расстоянии 90 см экран (100 см х 150 см), на который с компьютера через проектор подавалось графическое изображение комнаты. В результате видимое изображение приобретало свойство трехмерности с глубиной 3 м. Поле зрения испытуемых было ограничено размером экрана, поэтому зрительно они могли ориентироваться только в пределах видимой ВЗС. Платформа располагалась над полом на высоте около 70 см и опиралась на механическую систему из шести цилиндрических «ног», каждая из которых имела собственный электрический привод, позволявший изменять ее длину. Все приводы управлялись компьютерной программой, которая позволяли задавать разнообразные движения, в том числе повороты платформы.

Поддержание вертикальной позы исследовали при неподвижной, горизонтально ориентированной платформе и при подвижной платформе. В последнем случае использовали наклоны платформы на 4° вокруг ее поперечной оси, которые формировались ее поворотами вперед или назад длительностью 5 с. Полное

движение платформы состояло из начального поворота на 4°, статического периода такой же длительности и поворота в обратном направлении (рис.1).

Позные реакции на наклоны опорной платформы исследовали при трех зрительных условиях: (1) «неподвижный зрительный стимул», НЗ; при этом виртуальная среда оставалась стационарной; (2) «однонаправленный зрительный стимул», ОС; в этом условии ВЗС наклонялась вместе с поворотом платформы; (3) «противодействующий зрительный стимул», ПС, при котором ВЗС наклонялась в противоположном наклону платформы направлении. Движение ВЗС происходило всегда синхронно с движением платформы.

Позные ответы на наклоны платформы и на зрительные стимулы исследовали, регистрируя стабилографически X, у координаты центра давления стоп и, с помощью оптоэлектронного анализатора движений (ОрШйж;к), X, у координаты таза и верхней части туловища (уровень лопаток). Сигналы от приборов оцифровывались с частотой 100 Гц и вводились в компьютер для последующего анализа. В процессе анализа проб для всех условий зрительного контроля и условий, характеризующих состояние опорной платформы, вычисляли средние величины отклонений Х-компоненты центра давления стоп и Х-координаты таза и верхней части туловища от их исходного уровня. При всех зрительных условиях каждый испытуемый выполнял 10 проб. Полученные данные усреднялись по каждому испытуемому отдельно и суммировались по зрительным условиям для каждой из групп обследуемых людей. Использовалась общепринятая статистическая обработка данных.

Движение платформы приводило к отклонению тела стоящего испытуемого от исходного вертикального положения: наклон платформы вперед вызывал отклонение тела вперед и наоборот. На рис. 1 приведен пример изменений переменных, характеризующих положение тела здорового испытуемого, при наклоне платформы вперед в разных условиях зрительного контроля. При неподвижной платформе движение ВЗС вызывало небольшие колебания тела, видимые только в динамическую фазу зрительного стимула (Рис. 1, А). Наклон платформы вперед на 4°, не сопровождаемый движением ВЗС, приводил к наклону всего тела вперед и смещению положения ЦДС, туловища и таза примерно на 2 см (рис. 1,Б). Смещение исследуемых переменных кпереди становилось существенно меньшим в условиях одновременно развивавшегося противофазного движения зрительного стимула (рис. 1, В) и существенно больше при одновременном синфазном движении зрительного стимула и платформы (рис. 1, Г). При поворотах платформы назад паттерн позных реакций, связанный с влиянием наклонов ВЗС было принципиально тем же самым.

Рис. 1. Позные реакции на наклон платформы вперед, сочетаемый со зрительным стимулом разной направленности. Испытуемый Т.М. ЦДС - центр давления стоп.

На рис. 2 приведены суммарные данные, полученные при анализе опорных реакций, колебаний верхней части туловища и колебаний таза в переднезаднем направлении при разных зрительных условиях. В целом характер зрительно-зависимых изменений этих переменных был идентичен у здоровых испытуемых и у больных с утратой функций вестибулярного аппарата. Смещения центра давления стоп, туловища и таза при поворотах платформы независимо от их направления повторяли описанный выше (Рис. 1) паттерн изменений этих переменных при разных зрительных условиях.

Рис. 2 Величина позных ответов на наклоны опорной платформы вперед и назад при трех зрительных условиях. Каждый столбик на графиках представляет данные, усредненные по всей группе испытуемых. НЗ - неподвижный зрительный стимул, ОС - однонаправленное с поворотом платформы движение зрительного сигнала (ВЗС), ПС - противоположное движение зрительного стимула. ЦДС - центр давления стоп.

Из рис. 2 видно, что позные реакции у вестибулярных больных были существенно (на 60-80%) больше, чем у здоровых испытуемых. Базируясь на величине этих реакций, были проведены теоретические расчеты, которые показали, что отклонения тела у больных в отсутствие движений ВЗС соответствуют тем, которые должны быть, если бы больные во время поворотов платформы наклонялись вместе с ней на одинаковый угол. Это означает, что вестибулярные больные, в отличие от здоровых испытуемых, при поворотах опорной платформы фиксировали исходный угол наклона продольной оси тела относительно платформы и не корректировали положение тела относительно гравитационной вертикали. Полученные результаты позволяют заключить, что такие больные неспособны в условиях подвижной опоры и виртуального зрительного окружения эффективно использовать афферентацию от опорного входы и зрительную афферентацию для построения адекватных позных коррекционных реакций.

Таким образом, виртуальная зрительная среда может представлять собой эффективный инструмент при исследовании механизмов сенсомоторного взаимодействия, используемых человеком при поддержании вертикальной позы.

Исследование выполнено на базе клиники (лаб. проф. Т. Мергнера) Фрайбургского университета (ФРГ), а также при финансовой поддержке РФФИ (грант № 08-04-00523-а) и программы ОБН РАН "Интегративные механизмы регуляции функций в организме".

1. Soechting-JF; Berthoz-A Dynamic role of vision in the control of posture in man. Exp-Brain Res. 1979, 36(3): 551-561.

2. Bles-W; Vianney-de-Jong-JM; de-Wit-G Compensation for labyrinthine defects examined by use of a tilting room. Acta-Otolaryngol-Stockh. 1983, 95(5-6): 576579.

3. Bronstein-AM; Hood-JD; Gresty-MA; Panagi-C Visual control of balance in cerebellar and parkinsonian syndromes. Brain, 1990, 113 ( Pt 3): 767-779.

4. Mergner T., Schweigart G., Maurer C., Blumle A. Human postural responses to motion of real and virtual visual environments under different support base conditions. Exp Brain Res. 2005, 167(3): 535-556/

5. Б.Н. Сметанин Поддержание вертикальной позы человека при нормальном и виртуальном зрительном окружении. Нейрофизиология / Neurophysiology, 2007, 39 (6): 476-485.

POSTURAL REACTIONS IN THE CONDITIONS OF A VIRTUAL VISUAL ENVIRONMENT IN HEALTHY SUBJECTS AND IN PATIENTS WITH BILATERAL LOSS OF VESTIBULAR FUNCTION

B.N.Smetanin and K.E. Popov Institute for information transmission problems (Kharkevich Institute) RAS

Postural responses to a platform tilt by 4 degrees around the transversal (pitch) axis were measured by means of a force platform and an opto-electronic motion analyzer in eight healthy volunteers and four vestibular absent patients. In addition the subjects were exposed to a moving, computer-generated 3D scene projected onto a screen. Both the visual motion and platform tilt followed a raised cosine velocity profile of 5 sec duration. The visual stimulus, when applied in isolation, induced a transient body movement in the direction of the moving visual scene. The body movement produced by the platform tilt increased when the visual motion was in-phase with the platform movement (visual stimulus quasi locked to platform motion) and decreased during counter-phase motion of the visual scene, as compared to platform tilt with a stationary visual scene. The postural responses to the platform disturbance irrespective of conditions of the visual control were in vestibular patients at 1.5-1.7 times larger then in healthy subjects. The findings demonstrate the validity of the virtual reality approach to studying multisensory interactions in human postural control.