ХАРЬКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ

КАФЕДРА БИОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ФИЗИЧЕСКОГО ВОСПИТАНИЯ И СПОРТА

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА НА ТЕМУ "СЛУХОВАЯ И ВЕСТИБУЛЯРНАЯ СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ"

Выполнила

студентка з/о 42 гр

Красникова Ю.О.

ХАРЬКОВ 2010

Цель : изучить функции слуховой и вестибулярной системы и их значение для спортивной деятельности.

Контрольные вопросы

1. Биологическое значение и функции сенсорных систем

2. Слуховая сенсорная система. Рецепторы, механизм восприятия и передачи звуковой информации

3. Слуховые пороги, частотный диапазон восприятия звуков

4. Вестибулярная сенсорная система. Вестибулярные рецепторы и механизм восприятия

5. Вестибулярные рефлексы, вестибулярная устойчивость

6. Значение слуховой и вестибулярной сенсорных систем для спортивной деятельности

Использованная литература

сенсорный звуковой вестибулярный спортивный

1. Биологическое значение и функции сенсорных систем

Сенсорные (чувствительные), или афферентные (приносящие) системы воспринимают и анализируют раздражения, поступающие в мозг из внешней среды и от различных органов к и тканей организма. Наряду с анализом раздражений сенсорные системы производят и их синтез, что обеспечивает возникновение соответствующих реакций.

Первичный анализ раздражителей происходит в рецепторах и промежуточных нервных центрах. Высший анализ осуществляется в коре больших полушарий.

Рецепторы выполняют функцию трансформаторов энергии . Они превращают действующие на них разные виды энергии в нервные импульсы, распространяющиеся по чувствительным нервам к центрам и вызывающие в них возбуждение.

Все рецепторы приспособлены к восприятию строго определенных раздражителей. Возбуждение рецептора характеризуется теми же процессами, что и возбуждение всех других тканей. Возникший в рецепторе электрический потенциал передается по нервному волокну к нервным клеткам, находящимся возле рецептора или в разных отделах мозга.

Сигналы, поступающие от рецепторов в мозг, играют важную роль в регуляции всех функций организма. Информация от рецепторов создает так называемую обратную связь мозга с различными органами. Мозг при этом оповещается о реакциях, возникающих в организме под влиянием эфферентных нервных импульсов. Нарушение обратных связей ведет к нарушению управления деятельности отдельных систем и организма в целом.

2. Слуховая сенсорная система. Рецепторы, механизм восприятия и передачи звуковой информации

Слуховая сенсорная система воспринимает звуковые колебания воздушной среды. Ее рецепторы относятся к механорецепторам (рецепторы, возбуждающиеся при действии механической энергии). Они находятся в улитке внутреннего уха и имеют очень сложное строение. Для восприятия и трансформации звуков служат специальные образования - наружное, среднее и внутреннее ухо.

Схема строения уха

1-наружный слуховой проход; 2-барабанная перепонка; 3-полость среднего уха; 4,5,6-косточки среднего уха (молоточек, наковальня, стремечко); 7-полукружные каналы; 8-преддверие; 9-евстахиева труба

Звуковые волны, поступая в наружный слуховой проход, вызывают колебания барабанной перепонки, отделяющей наружное ухо от среднего. Эти колебания передаются через систему косточек (молоточек, наковальня и стремечко), находящуюся в полости среднего уха. Стремечко примыкает к закрытому мембраной овальному окну. Мембрана воспринимает колебания косточек и передает на эдолимфу - жидкость, заполняющую внутренние ходы улитки. Слуховой рецептор, называемый кортиевым органом, по имени ученого, впервые его описавшего, расположен на основной мембране улиткового потока. Он состоит из эпителиальных клеток, снабженных волосками. Эти волоски при колебаниях эндолимфы ударяются о покровную мембрану. В результате механическая энергия трансформируется в нервный импульс, который передается в нервные клетки спирального узла и дальше, через ряд нейронов, в височную область коры больших полушарий, где происходит высший анализ воспринимаемых звуков.

Схема отолитового прибора

Отолиты; 2-чувствительные клетки; 3-опорные клетки; 4-вестибулярный нерв; 5- студенистая масса; 6-волоски опорных клеток; 7-перепончатая стенка; 8-отолитовая мембрана

3. Слуховые пороги, частотный диапазон восприятия звуков

Колебания барабанной перепонки, вызываемые звуками разной высоты, длительности и громкости, воспринимаются по-разному. Без затухания передаются колебания в пределах до 1000 Гц. При частоте более 1000 Гц инерционность звукопроводящего аппарата среднего уха становится заметной.

Слуховые косточки усиливают звуковые колебания, передаваемые на внутреннее ухо, примерно в 60 раз. Они смягчают силу высоких звуковых давлений. Как только давление звуковой волны выходит за пределы 110-120 дб, изменяется давление стремени на круглое окно внутреннего уха.

Пороговый раздражитель для мышц слуховых косточек - звук силой 40 дб.

Ухо человека воспринимает звуковые колебания с частотой от 16 до 20000 Гц. Наибольшей возбудимостью оно обладает в диапазоне 1000-4000 Гц и ниже 16 Гц относятся к ультра- и инфразвуковым. Причина того, что человек не слышит звуки с частотой более 20000Гц - в морфологических особенностях органа слуха, а также в возможностях генерации нервных импульсов воспринимающими клетками кортиева органа.

4. Вестибулярная сенсорная система. Вестибулярные рецепторы и механизм восприятия

Полукружные каналы расположены в каждом ухе в трех плоскостях, что обеспечивает возможность воспринимать разные движения. Полукружные каналы имеют костные и перепончатые стенки. Внутри перепончатых каналов находится жидкость - эндолимфа. Один из концов каждого канала расширен, в нем расположены особые клетки, волоски которых образуют кисточки, свисающие в полость канала. При вращении тела эти кисточки перемещаются, что вызывает возбуждение этой части вестибулярного аппарата.

Возбуждение от чувствительных клеток вестибулярного аппарата передается к ядрам вестибулярного нерва, входящего в состав 8 пары черепно-мозговых нервов.

5. Вестибулярные рефлексы, вестибулярная устойчивость

При раздражении вестибулярной сенсорной системы возникают разнообразные двигательные и вегетативные рефлексы . Двигательные рефлексы проявляются в изменениях мышечного тонуса, что обеспечивает поддержание нормальной позы тела. Вращение тела вызывает изменение тонуса наружных мышц глаза, что сопровождается их особыми движениями - нистгамом. Раздражение вестибулярных рецепторов вызывает целый ряд вегетативных и соматический реакций. Наблюдается учащение или замедление сердечной деятельности, изменение дыхания, усиливается кишечная перистальтика, появляется бледность. Возбуждение ядер вестибулярного нерва распространяется на центры рвоты, потоотделения, а также на ядра глазодвигательных нервов. Вследствие этого и появляются вегетативные расстройства: тошнота, рвота, усиленное потоотделение.

Уровень функциональной устойчивости вестибулярной сенсорной системы измеряется величиной двигательных и вегетативных реакций, возникающих при ее раздражении. Чем меньше выражены эти рефлексы, тем выше функциональная устойчивость. При низкой устойчивости даже несколько быстрых поворотов тела вокруг вертикальной оси (например, во время танца) вызывают неприятные ощущения, головокружение, потерю равновесия, побледнение.

Значительные раздражения вестибулярного аппарата возникают при укачивании на корабле или в самолете (морская и воздушная болезни).

6. Значение слуховой и вестибулярной сенсорных систем для спортивной деятельности

Слуховая сенсорная система имеет особое значение для усвоения музыкального ритма и темпа, в оценке временных интервалов. Выполнение движений под музыку позволяет усовершенствовать чувство ритма на основе взаимодействия проприоцептивных и слуховых сигналов, быстрее формировать и доводить до автоматизма двигательные навыки, повышает эмоциональность и зрелищность движений.

Вестибулярный контроль мышечной деятельности зависит от функционального состояния спортсмена. Например, при перетренировке ухудшается переносимость вращательных проб. Выраженные вегетативные реакции на вращательную пробу при высоком уровне тренированности наблюдается значительно реже, чем у малотренированных спортсменов.

Занятия физическими упражнениями, особенно при которых характерны безопорные движения тела и вращательные движения (в гимнастике, акробатике, фигурном катании и др.) повышают возбудимость и функциональную устойчивость вестибулярной сенсорной системы. Повышение ее возбудимости обеспечивает точное положение тела и его изменений в пространстве. Совершенствование функциональной устойчивости вестибулярной сенсорной системы проявляется в уменьшении реакций, возникающих при ее раздражении.

Использованная литература

1. Фомин Н.А. Физиология человека: Учеб. пособие для студентов фак. физ. воспитания пед. ин-тов. - М.:Просвещение, 1982. - 320 с., ил.

Физиология человека: Учебник для техн. физ. культ. Ф50/Под ред. В.В.Васильевой. - М.:Физкультура и спорт, 1984.-319 с., ил.

Анатомия вестибулярного нервного пути чрезвычайно сложна ( рис. 9.1). Афферентные волокна из гребней полукружных каналов и макул саккулюса и утрикулюса направляются в ганглий Скарпы (вестибулярный) вблизи от наружного слухового прохода, где располагаются тела нейронов, а затем, после соединения с кохлеарными волокнами образуют вестибуло-кохлеарный нерв , идущий в ипсилатеральный вестибулярный комплекс , расположенный в вентральной части продолговатого мозга под четвертым мозговым желудочком. Комплекс состоит из четырех важных ядер: латерального (ядра Дейтерса) , медиального ядра , верхнего ядра и нисходящего ядра . Здесь же располагается и множество меньших ядер, объединенных сложной системой афферентов и эфферентов. Рис. 9.1 показывает, что помимо мощных связей с мозжечком и глазодвигательными ядрами , вестибулярный комплекс посылает волокна в кору головного мозга . Полагают, что они оканчиваются в постцентральной извилине вблизи от нижнего конца sulcus intraparietalis. Эпилептическим припадкам , фокус которых располагается в этой области, обычно предшествует аура, характеризующаяся ощущениями головокружения и дезориентации . Вестибулярный аппарат (как мы видели в гл. РАВНОВЕСИЕ И СЛУХ) отслеживает и стационарную ориентацию головы в пространстве ( отолиты) и ускорение ее движения ( гребни полукружных каналов). Все это дополняется многочисленными соместезическими рецепторами по всему организму ( гл. МЕХАНОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ). Чтобы устранить поток информации от этих сенсоров, нужно поместить тело в воду или забросить на орбитальную станцию. В этих условиях вся работа падает на глаза и вестибулярный аппарат; если теперь объект еще и ослепить, останется только информация от мембранного преддверия.

Роль информации от полукружных каналов может быть ярко продемонстрирована, если подопытного усадить на быстро вращающийся крутящийся стул. Глаза в этом случае смещаются в сторону, противоположную вращению, в попытке зафиксировать взглядом неподвижный объект и затем (при потере его из поля зрения) - быстро рывком перемещаются в сторону вращения, чтобы найти другую точку фиксации взгляда. Сходным образом, когда вращение внезапно прекращается, глаза продолжают движение в сторону предшествовавшего вращения, а затем отпрыгивают в противоположном направлении. Это внезапное изменение происходит в результате того, что гребни полукружных каналов испытывают воздействие потока эндолимфы, меняющей направление потока на противоположное. Такие характерные движения глаз называются нистагмом . Они обусловлены тремя нейрональными путями от полукружных каналов к вестибулярным ядрам, далее к глазодвигательным ядрам (n.abducens) и, наконец, к наружным мышцам глаз ( рис. 9.2). Значение вестибуло-глазодвигательного рефлекса может быть ярко продемонстрировано, если сравнить зрение вращающейся глазной системы с зрением, когда голова неподвижна, а окружение - вращается. Детали вращающегося окружения очень быстро утрачиваются: при двух оборотах в секунду точка фиксации взгляда превращается в пятно. Напротив, подопытный, сидящий во вращающемся кресле, несколько утрачивает остроту зрения только при скорости вращения около 10 оборотов в секунду.

Наконец, стоит сказать несколько слов о болезни движения . Это неприятное ощущение возникает в основном из-за несовпадения сенсорных вводов. В некоторых случаях это несовпадение возникает в самом вестибулярном аппарате. Если голова теряет нормальную ориентацию и вращается, сигналы от гребней полукружных каналов больше не коррелируют с сигналами от отолитов. Другой источник болезней движения - это несовпадение сигналов от глаз и от вестибулярного аппарата. Если в бурном море в каюте глаза сообщают об отсутствии относительного движения между головой и стенами каюты, тогда как вестибулярный аппарат, напротив, испытывает нагрузку, наблюдаются симптомы "морской болезни". Стоит также упомянуть, что избыточное потребление алкоголя также ведет к опасной потери ориентации . Это происходит вследствие того, что этанол меняет специфическую плотность эндолимфы , так что купула может теперь ощущать силу тяжести и, следовательно, посылать необычные сигналы в центральную вестибулярную систему.

Статические и статокинетические рефлексы. Равновесие поддерживается рефлекторно, без принципиального участия в этом сознания. Выделяют статические и статокинетические рефлексы . Вестибулярные рецепторы и соматосенсорные афференты, особенно от проприоцепторов шейной области, связаны и с теми и с другими. Статические рефлексы обеспечивают адекватное взаиморасположение конечностей, а также устойчивую ориентацию тела в пространстве, т.е. позные рефлексы. Вестибулярная афферентация поступает в данном случае от отолитовых органов. Статический рефлекс, легко

наблюдаемый у кошки благодаря вертикальной форме ее зрачка, - компенсаторное вращение глазного яблока при повороте головы вокруг длинной оси тела (например, левым ухом вниз). Зрачки при этом все время сохраняют положение, очень близкое к вертикальному. Такой рефлекс наблюдается и у человека. Статокинетические рефлексы - это реакции на двигательные стимулы, сами выражающиеся в движениях. Они вызываются возбуждением рецепторов полукружных каналов и отолитовых органов (более детальное описание на с. 104); их примеры - вращение тела кошки в падении, обеспечивающее ее приземление на все четыре лапы, или движения человека, восстанавливающего равновесие после того, как он споткнулся.

Один из статокинетических рефлексов - вестибулярный нистагм - мы рассмотрим подробнее в связи с его клиническим значением. Как говорилось выше, вестибулярная система вызывает различные движения глаз; нистагм как их особая форма наблюдается в начале более интенсивного, чем обычные короткие повороты головы, вращения. При этом глаза поворачиваются против направления вращения, чтобы удержать исходное изображение на сетчатке, однако, не достигая своего крайнего возможного положения, резко «перескакивают» внаправлении вращения, и в поле зрения оказывается другой участок пространства. Затем следует их медленное возвратное движение.

Медленная фаза нистагма запускается вестибулярной системой, а быстрый «перескок» взглядапредмостовой частью ретикулярной формации (см. с. 238).

При вращении тела вокруг вертикальной оси раздражаются практически только горизонтальные полукружные каналы, т. е. отклонение их купул вызывает горизонтальный нистагм. Направление обоих его компонентов (быстрого и медленного) зависит от направления вращения и, таким образом, от направления деформации купул. Если тело вращается вокруг горизонтальной оси (например, проходящей через уши или сагиттально через лоб), стимулируются вертикальные полукружные каналы и возникает вертикальный, или вращательный, нистагм. Направление нистагма принято определять по его быстрой фазе, т.е. при «правом нистагме» взгляд «перескакивает» вправо.

При пассивном вращении тела к возникновению нистагма ведут два фактора: стимуляция вестибулярного аппарата и перемещение поля зрения относительно человека. Оптокинетический (вызванный зрительной афферентацией) и вестибулярный нистагмы действуют синергически. Нейронные связи, участвующие в этом, рассмотрены на с. 238.

Диагностическое значение нистагма. Нистагм (обычно - так называемый «поствращательный»)

282 ЧАСТЬ III. ОБЩАЯ И СПЕЦИАЛЬНАЯ СЕНСОРНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ

используется в клинике для тестирования вестибулярной функции. Испытуемый сидит в специальном кресле, которое длительное время вращается с постоянной скоростью, а затем резко останавливается. На рис. 12.4 показано поведение при этом купулы. Остановка вызывает ее отклонение в направлении, противоположном тому, в котором она отклонялась в начале движения; результат - нистагм. Его направление можно определить, регистрируя деформацию купулы; оно должно быть противоположным направлению предшествующего, движения. Запись движений глаз напоминает получаемую в случае оптокинетического нистагма (см. рис. 11.2). Она называется нистагмограммой.

Проведя тест на поствращательный нистагм, важно устранить возможность фиксации взгляда в одной точке, поскольку при глазодвигательных реакциях зрительная афферентация доминирует над вестибулярной и в некоторых условиях способна подавить нистагм. Поэтому испытуемому надевают очки Френцеля с сильновыпуклыми линзами и встроенным источником света. Они делают его «близоруким» и неспособным фиксировать взор, одновременно позволяя врачу без труда наблюдать движения глаз. Такие очки необходимы и в тесте на наличие спонтанного нистагма - первой, простейшей и наиболее важной процедуре при клиническом исследовании вестибулярной функции.

Еще один клинический способ запуска вестибулярного нистагма - термостимуляция горизонтальных полукружных каналов. Его преимущество - в возможности тестировать каждую сторону тела отдельно. Голову сидящего испытуемого отклоняют назад приблизительно на 60 о (у лежащего на спине человека ее приподнимают на 30°), чтобы горизонтальный полукружный канал занимал строго вертикальное направление. Затем наружный слуховой проход промывают холодной или теплой водой. Наружный край полукружного канала расположен к нему очень близко, поэтому сразу же охлаждается или нагревается. В соответствии с теорией Барани плотность эндолимфы при нагревании понижается; следовательно, ее нагретая часть поднимается, создавая разность давлений по обе стороны купулы; возникающая деформация вызывает нистагм (рис. 12.3; изоображенная ситуация соответствует нагреванию левого слухового прохода). Исходя из его природы, этот вид нистагма называют калорическим. При нагревании он направлен к месту термического воздействия, при охлаждении в обратную сторону. У людей, страдающих вестибулярными расстройствами, нистагм отличается от нормального качественно и количественно. Детали его тестирования приведены в работе . Следует отметить, что калорический нистагм может возникать в космических кораблях в условиях невесомости , когда различия плотности эндолимфы

несущественны. Следовательно, в его запуске участвует по крайней мере еще один, пока не известный механизм, например прямое термическое воздействие на вестибулярный орган.

Функцию отолитового аппарата можно тестировать, наблюдая глазодвигательные реакции при наклонах головы или при возвратно-поступательных движениях пациента, находящегося на специальной платформе.

Нарушения вестибулярной системы. Сильные раздражения вестибулярного аппарата часто вызывают неприятные ощущения: головокружение, рвоту, усиленное потоотделение, тахикардию и т. д. В таких случаях говорят о кинетозе (укачивании, «морской болезни») . Скорее всего это результат воздействия комплекса необычных для организма стимулов (например, на море): кориолисова ускорения или расхождения между зрительными и вестибулярными сигналами. У новорожденных и больных с удаленными лабиринтами кинетозов не наблюдается.

Для понимания причин их возникновения необходимо учитывать, что вестибулярная система эволюционировала в условиях локомоции на ногах, а не в расчете на ускорения, возникающие в современных самолетах. Вследствие этого возникают сенсорные иллюзии, часто приводящие к авариям, например, когда пилот перестает замечать вращение или его остановки, неправильно воспринимает его направление и соответственно неадекватно реагирует.

Острое одностороннее нарушение функции лабиринта вызывает тошноту, рвоту, потливость и т. п., а также головокружение и иногда нистагм, направленные в здоровую сторону. У больных наблюдается тенденция к падению в сторону с нарушенной функцией. Очень часто, однако, клиническая картина осложнена неопределенностью направления головокружения, нистагма и падения. При некоторых заболеваниях, например синдроме Меньера. возникает избыточное давление эндолимфы в одном из лабиринтов; при этом первым результатом раздражения рецепторов оказываются симптомы, противоположные по характеру описанным выше. В противоположность ярким проявлениям острых вестибулярных нарушений хроническое выпадение функции одного из лабиринтов компенсируется сравнительно хорошо. Деятельность центрального отдела вестибулярной системы может перестраиваться так, что реакция на аномальное возбуждение ослабится , особенно когда другие сенсорные каналы, например зрительные или тактильные, обеспечивают корректирующую афферентацию. Поэтому патологические проявления хронических вестибулярных расстройств более выражены в темноте.

Слуховые пороги, частотный диапазон восприятия звуков

Колебания барабанной перепонки, вызываемые звуками разной высоты, длительности и громкости, воспринимаются по-разному. Без затухания передаются колебания в пределах до 1000 Гц. При частоте более 1000 Гц инерционность звукопроводящего аппарата среднего уха становится заметной.

Слуховые косточки усиливают звуковые колебания, передаваемые на внутреннее ухо, примерно в 60 раз. Они смягчают силу высоких звуковых давлений. Как только давление звуковой волны выходит за пределы 110-120 дб, изменяется давление стремени на круглое окно внутреннего уха.

Пороговый раздражитель для мышц слуховых косточек - звук силой 40 дб.

Ухо человека воспринимает звуковые колебания с частотой от 16 до 20000 Гц. Наибольшей возбудимостью оно обладает в диапазоне 1000-4000 Гц и ниже 16 Гц относятся к ультра- и инфразвуковым. Причина того, что человек не слышит звуки с частотой более 20000Гц - в морфологических особенностях органа слуха, а также в возможностях генерации нервных импульсов воспринимающими клетками кортиева органа.

Вестибулярная сенсорная система. Вестибулярные рецепторы и механизм восприятия

Рецепторы вестибулярной системы относятся к механорецепторам. Те из них, которые находятся в полукружных каналах, возбуждаются главным образом при вращении тела. Находящиеся же в мешочках преддверия воспринимают преимущественно ускорения при прямолинейных движениях.

Полукружные каналы расположены в каждом ухе в трех плоскостях, что обеспечивает возможность воспринимать разные движения. Полукружные каналы имеют костные и перепончатые стенки. Внутри перепончатых каналов находится жидкость - эндолимфа. Один из концов каждого канала расширен, в нем расположены особые клетки, волоски которых образуют кисточки, свисающие в полость канала. При вращении тела эти кисточки перемещаются, что вызывает возбуждение этой части вестибулярного аппарата.

Возбуждение от чувствительных клеток вестибулярного аппарата передается к ядрам вестибулярного нерва, входящего в состав 8 пары черепно-мозговых нервов.

Вестибулярные рефлексы, вестибулярная устойчивость

При раздражении вестибулярной сенсорной системы возникают разнообразные двигательные и вегетативные рефлексы . Двигательные рефлексы проявляются в изменениях мышечного тонуса, что обеспечивает поддержание нормальной позы тела. Вращение тела вызывает изменение тонуса наружных мышц глаза, что сопровождается их особыми движениями - нистгамом. Раздражение вестибулярных рецепторов вызывает целый ряд вегетативных и соматический реакций. Наблюдается учащение или замедление сердечной деятельности, изменение дыхания, усиливается кишечная перистальтика, появляется бледность. Возбуждение ядер вестибулярного нерва распространяется на центры рвоты, потоотделения, а также на ядра глазодвигательных нервов. Вследствие этого и появляются вегетативные расстройства: тошнота, рвота, усиленное потоотделение.

Уровень функциональной устойчивости вестибулярной сенсорной системы измеряется величиной двигательных и вегетативных реакций, возникающих при ее раздражении. Чем меньше выражены эти рефлексы, тем выше функциональная устойчивость. При низкой устойчивости даже несколько быстрых поворотов тела вокруг вертикальной оси (например, во время танца) вызывают неприятные ощущения, головокружение, потерю равновесия, побледнение.

Значительные раздражения вестибулярного аппарата возникают при укачивании на корабле или в самолете (морская и воздушная болезни).

Вестибулярные (лабиринтные) и шейные позотонические рефлексы описал Магнус (Haltungsreflexe). Описал - мягко сказано, работа для 20х годов совершенно грандиозная.

Проблемы есть не столько с его описанием, сколько с последующими интерпретациями. Во-первых, принято считать, что Магнус описал шейный рефлекс ассиметричным, а лабиринтный - симметричным относительно конечностей. Ниже можно увидеть, что они оба одинаково ассиметричны, но противоположны.

Во-вторых, в учебниках часто можно увидеть примерно такую мысль, c пиететом приписываемую Магнусу(*)

Необходимо подчеркнуть, что импульсы со стороны отолитового аппарата поддерживают определенное распределение тонуса в мускулатуре тела. Раздражение отолитового прибора и полукружных каналов вызывает соответствующее рефлекторное перераспределение тонуса между отдельными мышечными группами...

Это утверждение довольно странно, если не сказать безграмотно. Такая "прямая" работа вестибулярного рефлекса могла бы быть полезна мифическому животному - колобку, но у человека и котов вестибулярный аппарат расположен в голове, а она на гибкой шее. Однако именно такая концепция, вслед за Магнусом, устоялась весь XX век - что лабиринтные и шейные позотонические рефлексы "распределяют" тонус между мышечными группами.

Шейное взаимодействие

Координатная трансформация

Вместо концепции "распределения тонуса" на основе лабиринтных ощущений, и отдельного "распределения" на основе шейных, на эту проблему можно посмотреть иначе.

Вестбулярный поток ощущений был бы очень полезен для позного контроля, но он отражает движения головы, а не центра масс тела. Для использования в позных задачах в этом потоке надо учесть движение шеи, как минимум. Фактически (шея более подвижна, чем тело), необходимо вычесть из движения головы (вестибуляр) движения шеи (проприоцепция шеи) .

Это вычитание является по сути преобразованием координат - из системы, связанной с головой, в систему туловища.

Можно, конечно, сказать, что рефлекс не обязан быть таким умным, что он подавляется и направляется высшими структурами и задача с таким сложным названием должна решаться где-то там. Но оказывается, такое преобразование координат прекрасно выполняют именно рефлексы, описанные Магнусом, взаимодействуя друг с другом на уровне ствола (возможно мозжечок участвует). Речь идет о лабиринтном рефлексе положения и АШТР.

Это успешно, и, похоже, независимо, продемонстрировали шотландец Tristan DM Roberts, воспроизведя на уровне технологий 1970х годов работы Магнуса, и немец Kornhuber. Оба указывают, что Магнус некорректно описал лабиринтные рефлексы положения. Они ровно настолько же ассиметричны, как и АШТР, но противоположны по знаку. Фактически можно говорить об ассиметричном лабиринтно тоническом рефлекса - АЛТР . А сам принцип преобразования координат на основе взаимодействия шейных и лабиринтных рефлексов впервые описали von Holst и Mittelstaedt в своем Das Reafferenzprinzip в 1950 (как ни странно, ни тот ни другой на них не ссылаются).

Более того, есть почти что прямые наблюдения именно такой работы нейронов вестибулярных ядер, и спинного мозга. И есть практические наблюдения (неопубликованные) что АЛТР наблюдаем у тяжелых детей в явном виде.

Ниже я привожу перевод выдержек из статьи TDM Roberts в Nature.

Ассиметричный (!) Лабиринтный рефлекс и Ассиметричный Шейный Тонический Рефлекс

a, Шейные рефлексы отдельно. Тело наклонено, голова прямо, лапы со стороны подбородка разгибаются. b. Лабиринтные рефлексы отдельно. Голова и тело отклонены, шея прямая - нижние лапы разгибаются. c. Отклонение головы отдельно. Лапы симметричны - не разгибаются и не сгибаются, не реагируют на поворот вообще (ВМ) . d. Неровная опора. тело отклонено, лапы в компенсирующей позе, голова свободна. e. Постоянное боковое ускорение. Лапы ассиметрично соответствуют отклонению тела относительно вектора опоры. f. Постоянное боковое ускорение. Лапы симметричны на адекватно наклоненной опоре рисунок из статьи TDM Roberts, подробнее см. статью

Успех поддержания вертикальной позы обычно приписывают рефлексам, инициируемым рецепторами лабиринтов внутреннего уха. Традиционные описания работ этих рефлексов, однако, не объясняют наблюдаемую стабильность. Согласно Магнусу, изменение положения головы изменяет тонус разгибателей всех четырех конечностей животного симметричным образом. В противовес этому, тонические шейные рефлексы описаны как ассиметричные в своей реакции на конечности, и лапы, на стороне куда поворачивают челюсть выпрямляются, а с другой стороны - сгибаются.

Соответственно, Робертс занялся повторным исследованием рефлексов, вызываемых отклонением головы, используя котов, децеребрированных несколько выше межколликулярного уровня во избежания чрезмерной ригидности, используя аппарат, в котором независимо можно поддерживать и поворачивать тело, шею и голову кота (описание см. Lindsay, TDM Roberts & Rosenberg 1976), включая устрашающую возможность поворачивать шейные позвонки относительно неподвижных туловища и головы.

Лабиринтные рефлексы в ответ на отклонение головы обнаружены неизменно ассиметричными и пригодными для функции стабилизации, в отличии от симметричной схемы Магнуса.

Их можно описать принципом "нижние лапы разгибаются, верхние лапы сгибаются"

Когда поворачивается шея, "лапы со стороны подбородка разгибаются", в полном соответствии со схемой Магнуса и Клейна.

Однако ответ на шейные рефлексы противоположен ответам на лабиринтные рефлексы при аналогичном повороте шеи. Действуя одновременно, эти рефлексы суммируются, и взаимодействие этих двух наборов рефлексов приводит к стабилизации туловища, независимой от поворота головы .

Что из этого взаимодействия получается

Далее Робертс начинает расписывать алгебраические уравнения, но принцип суммирования этих рефлексов (точнее вычитания - они же противоположны, антагонистичны по действию) можно описать проще (я для этого воспользуюсь картинкой из работы Kornhuber, они, как видно, близнецы-братья):

1. При стабильном положении тела поворот головы вызывает лабиринтную реакцию (АЛТР), которая полностью компенсируется АШТР - суммарный эффект на конечности нулевой.
2. Однако если наклоняется все тело, вместе с головой - лабиринтная реакция (АЛТР) будет больше, чем АШТР, и суммарный рефлекторный ответ будет компенсировать отклонение.
3. Если же тело "выскальзывает" из под стабильной головы, то АШТР будет больше, чем лабиринтная реакция (АЛТР), и суммарный рефлекторный ответ снова будет компенсировать отклонение

Суммарный эффект - получается такой, что

• голову можно вращать как угодно (и потребно для задач зрения , например)
• суммарная реакция на конечности получается такой, как если бы вестибулярный "сенсор" находился в туловище .

Задача преобразования координат успешно решена!

Кто ее решает? Есть основания полагать, что процесс "вычитания" осуществляется определенной подгруппой нейронов в вестибулярных ядрах . Однако аналогичные "вычитающие" нейроны найдены и в interpositus nucleus мозжечка (теми же авторами, см. Luan&Gdowski), и в черве мозжечка (см. Manzoni, Pompeano, Andre). В силу наличия прямых связей между всеми этими зонами, сложно сказать, кто из них первичен, несмотря на то, что Kornhuber утверждает, что "вычитание" от мозжечка не зависит. Более аккуратные эксперименты итальянцев в 1998г показывают, что зависит.

Эффект и "голого рефлекса" и "рефлекса с трансформацией координат", похоже, можно наблюдать как Short latency и Medium latency VSR у человека. См. там же о роли мозжечка в этих трансформациях.

Отмечу так же, (см. Manzoni, Pompeano, Andre), что для прямостоящего человека важно не только положение шеи, но и взаимная ориентация каждого из сегментов оси. Общая картина гораздо сложнее чем "АЛТР минус АШТР", но принцип работы, видимо, именно такой. См. также ниже про поясничные рефлексы.

Corollary discharge/ принцип реафферентации

Первое упоминание описанного вычитания не случайно появляется именно в Das Reafferenzprinzip. При движении головы (неважно, активном или пассивном) вестибулярный ответ является известным, предсказуемым сенсорным последствием , или Reafference которое следует вычесть из общего сенсорного потока- тогда останется только Exafference , которое будет описывать движение тела вместе с головой и шеей.

То есть неважно, как это называть - преобразованием координат или эффектом corollary discharge, это описывает одно и то же явление в данном случае.

Почему АШТР может проявляться у младенцев?

Описанные выше эксперименты выполняются на децеребрированных котах (и других животных), что делает рефлексы видимыми. Проявление АШТР же вообще считается признаком патологии, и во всяком случае ожидается, что он должны исчезнуть с возрастом. Однако даже у взрослой нормы рефлекторные цепи вполне присутствуют и активны, хотя для их выявления требуется более тонкие измерения (измерять ЭМГ или Проприоцептивные рефлексы), или же они вылезают наружу в виде движения/позы в ситуациях большой нагрузки, например в спорте.

Отсутствие видимых рефлексов в норме в данном случае почти наверняка означает, что лабиринтные и шейные рефлексы настолько хорошо синхронизированы между собой, что внешне не проявляются, компенсируя друг друга. Координатная трансформация, которую они осуществляют, однако, представляется слишком полезной))

Можно предположить, что проявление АШТР является следствием незрелости или отклонения в развитии нервной системы, когда уже созревшая нервная цепь рефлекса не получает еще необходимой регулировки от мозжечка, или же это просто этап в этой самой регулировке, когда несогласованное действие АШТР и лабиринтных рефлексов создает ненужный "моторный шум". Этот шум, вероятно, должен быть обнаружен в Inferior Olive и привести к мозжечковой регулировке силы рефлексов до их полного согласования. Или же, отсутствие шума и проблем с ним должно вести к успеху решения первых моторных задач и появлению сигнала подкрепления со стороны базальных ядер. Так или иначе, можно предположить, что наблюдение АШТР у младенцев или пациентов с ДЦП является проявлением задержки этого этапа.

В норме АШТР и лабиринтные рефлексы являются частью единой системы. Их нет смысла разделять, когда мы говорим о нормальной функции. А если ребенок проявляет ассиметричный шейно-тонический "рефлекс" - это означает, что эта система дает сбой (слабость лабиринтного рефлекса, или слабость регулирующих механизмов).

У совсем тяжелых детей ЛМ Зельдин иногда наблюдает и реакцию, противоположную по построению АШТР - иными словами Ассиметричный Лабиринтный Тонический Рефлекс - АЛТР.

Известно также, что симптомы анестезии или повреждения задних корешков шейных отделов С1-С3, нарушающих проприоцепцию шеи, приводит к нистагму, атаксии и ощущениям падения или наклона - что чрезвычайно напоминает симптомы лабирентэктомии Wilson&Peterson

Шейное Головокружение

Существует - весьма спорный - диагноз, "шейное головокружение" - cervical vertigo, спорный потому, что это диагноз исключения, и список исключений там длинный. Подробный хороший обзор на русском языке можно найти в посте laesus-de-liro , где приводится удачное определение этого состояния - «неспецифическое ощущение нарушения ориентации в пространстве и равновесия, обусловленное патологической афферентной импульсацией из области шеи».

Фактически, это нарушение того самого взаимодействия, которое обсуждается в настоящей статье.

Ссылки

• TDM Roberts: Biological Sciences: Reflex Balance 1973 эту работу я частично перевожу и разбираю в этой статье
• Lindsay, TDM Roberts & Rosenberg: Assymetric Tonic Labyrinth Reflexes and Their Interaction with Neck Reflexes in the Decerebrate Cat 1976
• Fredrickson, Schwarz & Kornhuber Convergence and Interaction of Vestibular and Deep Somatic Afferents Upon Neurons in the Vestibular Nuclei of the Cat 1966 - идентичные по результатам и видимо независимые эксперименты группы Корнхубера. Также пришли к выводу о неправоте Магнуса, но проводили также дополнительно еще и разрушение мозжечка, показав, что это взаимодействие от мозжечка не зависит.
• Manzoni, Pompeiano, Andre: Neck Influences on the Spatial Properties of Vestibulospinal Reflexes in Decerebrate Cats: Role of the Cerebellar Anterior Vermis 1998 Статья мэтров вестибуло- и мозжечко-ведения, прямо проверяющая и развивающая результаты TDM Roberts. У них вышло, что Roberts прав, а вот Kornhuber - нет: мозжечок в процессе участвует.
• Luan, Gdowski et al: Convergence of Vestibular and Neck Proprioceptive Sensory Signals in the Cerebellar Interpositus 2013

Аппарат Робертса для котов с вращением в трех осях

Дополнение: Тонические поясничные рефлексы

Забытые работы японцев

精神神経学会雑誌 .

Довольно подробное описание можно найти в Tokizane et al: Electromyographic studies on tonic neck, lumbar and labyrintine reflexes in normal persons написанной, слава богу, по английски.

Кроме любопытного и редкого описания, наличие поясничного рефлекса ставит вопрос, существует ли аналогичная координатная трансформация и при движениях относительно поясницы. Это особенно любопытно потому, что (хотя японцы и нашли подобие здесь между людьми и кроликами но не между людьми и собаками или кошками), эта трансформация для бипедальных людей существенно важнее.

Лично мне это пока представляется несколько спорным, но внятных подтверждений я найти не могу. Статья японцев, надо сказать, довольно хлипкая по технике: всего четыре испытуемых, всего один "глухонемой" который подается как человек с билатеральной потерей вестибулярного чувства, но никаких данных подтверждающих это не дано.

Базис для "hip strategy"?

Почему этот рефлекс важен? Движения в пояснице в A-P направлении, если допустить, что они воспринимаются и взаимодействуют с вестибулярным потоком аналогичным АШТР образом, создают практически идеальный субстрат для построения тазобедренной стратегии . Cм рисунок справа.

Вычитающее взаимодействие Tonic Lumbar Reflex и Вестибулярного потока позволяет игнорировать реафферентацию от исполнения самой стратегии, компенсировать движения головы в противофазе центру масс, и получить "чистый" вестибулярный сигнал для удержания позы. Это требует не тонического вестибулярного потока, а динамического, но принцип близкий.

Очень жаль, что таких экспериментов найти не удается.

Дополнение 2: Проприоцептивный возврат от конечностей

Ниже я описываю чисто свою спекуляцию. Даже самые свежие обзоры. как например The Vestibular System. A sixth sense. p. 220 , описывая многочисленные свидетельства обратного влияния соматосенсорного чувства на вестибулярные ядра, не рискуют предположить функцию этого механизма. Описание работ по этому возврату см. Соматосенсорно-вестибулярная интеграция .

Однако, если предположить, что описанная выше функция интеграции вестибулярного и шейного рефлексов верна, и действительно помогает вычесть движения шеи из движения головы, то совершенно очевидно, что потребность в таком же механизме есть и для локомоции.

Любая локомоция приводит ко вполне предсказуемым, регулярным колебаниям головы. Эти колебания можно назвать "локомоторной инерционной реафферентацией". Этот локомоторный сигнал тоже было бы неплохо уметь вычитать из движения головы. Это позволит использовать вестибулярные сигналы во время локомоции. Возможно (особенно на это намекает разница между децеребированным и сознательным котом) именно такой механизм и наблюдается в вестибулярных ядрах.

Вторая идея, тоже имеющая право на жизнь - хорошо описанный эффект отсутствия вестибулярных рефлексов в мышцах, не играющих позной роли, также логически требует соматосенсорного возврата в вестибулярные ядра (или же такая интеграция может осуществляться в спинальных сетях).

Что из этого верно - сказать сейчас решительно невозможно.