Пространственная модель глазодвигательного аппарата и его связь с полукружными каналами

Пространственная модель глазодвигательного аппарата и его связь с полукружными каналами

Миняйло Я.Ю.

Аннотация

В данной работе предложена математическая модель глазодвигательного аппарата, которая позволяет определить направляющий вектор момента силы для каждой из шести глазодвигательных мышц, как функцию, зависящую от угла поворота глаза. Данная модель даёт представление о том, какую траекторию зрачка может обеспечить каждая отдельно взятая мышца в данном положении глаза. Проведено три эксперимента с регистрацией вестубулоокулярного рефлекса в ответ на кивки головой в трех вертикальных плоскостыях. В результате было показано, что существует разложение момента, найденного экспериментально, в виде линейной комбинации моментов сил активированных мышц. Качественно проверена связь между стимуляцией полукружных каналов и реакцией глазодвигательных мышц с помощью математической модели. Результаты этой работы могут лечь в основу разработки аппаратуры для аэрокосмических систем, изучения проблемы двигательных заболеваний в космосе и клинического выявления нарушений в вестибулярной системе. 

Ключевые слова: глазодвигательные мышцы, вестибулоокулярный рефлекс, полукружные каналы, управление.

Введение

Изучение механизма взаимодействия вестибулярной системы и глазодвигательного аппарата представляет всё больший интерес в связи с развитием авиационной и космической техники. Человек по-прежнему входит в контур управления летательным аппаратом и от его операторских действий, правильности восприятия информации и принятых решений зависят успешность полёта и жизни членов экипажа. Однако полёты на реактивных самолётах и космических кораблях, пребывание в невесомости и большие перегрузки становятся трудным испытаем, как для организма в целом, так и для вестибулоокулярной системы в частности. Последняя в свою очередь играет главенствующие роли в управлении и ориентации человека в пространстве, а значит и в управлении летательным аппаратом.

Вестибулоокулярный рефлекс (ВОР) - механизм стабилизации изображения на сетчатке при движениях головы за счет вращения глазного яблока в противоположную от вращения головы сторону. В обычной жизни для человека этот рефлекс совершенно незаметен, но жизненно необходим. Именно он позволяет нам сохранять четкую картинку во время ходьбы, бега, поворотах головы или относительном движении. Этот механизм реализуется за счет связи между глазодвигательными мышцами и вестибулярным аппаратом — получая информацию о движениях головы, глазодвигательные мышцы могут скомпенсировать это движение и оставить изображение на сетчатке неподвижным [1, 2].

Однако в условиях полёта ВОР может сработать ровно наоборот. Вестибулярная система пилота оказывается чувствительна к угловым движениям летательного аппарата, и срабатывающий при этом рефлекс мешает пилоту сфокусироваться на приборной панели, которая остаётся неподвижна относительно него [3]. Опасность такой реакции совершенно очевидна - потеря управления.

Кроме важности изучения данного вопроса с точки зрения обеспечения безопасности полёта, он представляет интерес с позиции разработки тренажеров для пилотов и космонавтов, которые максимально точно имитируют условия реального полёта. Исходя из этого, для имитации реакций организма, которые не проявляют себя в наземных условиях, но возникают в процессе полёта, необходимо изучить механизмы их возникновения и воспроизвести на моделях.

 Несмотря на особую актуальность данной темы в контексте пилотирования, её изучение началось раньше, чем человек поднял в воздух первый самолёт. Самая ранняя работа, полностью охватившая вестибулоокулярную систему и систематизировавшая результаты исследования на качественном современном уровне, принадлежит Эвальду (Ewald J.R) [4] и относятся к концу 19 века. Он описал эксперименты на голубях, в результате которых выявил зависимость вестибулярных реакций от раздражения того или иного полукружного канала и от направления смещения в нем эндолимфы. Эвальд установил и сформулировал основные принципы в виде трех законов, которые по сей день позволяют врачам по направлению нистагма качественно определять, работа какого полукружного канала нарушена [5]. В середине 20 века дополненные аналогичные результаты получил Янош Сентаготаи в экспериментах на млекопитающих [6,7]. Он показал, что существует типичная реакция напряжения одной строго определённой мышцы каждого глаза в ответ на ток активирующего направления эндолимфы в полукружном канале.