Структура функциональной синергии, обеспечивающей сохранение ортоградной позы человека

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В данной работе рассматривается процесс взаимодействия отдельных мышц и мышечных групп, обслуживающих различные суставы тела, с целью стабилизации нарушений вертикальной устойчивости, вызываемых дыхательными движениями грудной клетки. Рассматриваются наиболее существенные переменные контроля в процессе регуляции межмышечного взаимодействия с целью поддержания устойчивости вертикального положения тела. Анализ выполнен с применением факторизации данных мышечной электроактивности, величин суставных углов и перемещений сегментов тела. Установлено, что стратегия поддержания вертикальной стойки связана с контролем тазобедренного и шейного сегментов, а при увеличении возмущающего воздействия в синергию оказываются вовлечены и другие сегменты тела. Увеличение глубины дыхания сопровождается включением ранее незадействованных мышечных модулей и изменением вовлечения каждой мышцы в процесс регуляции вертикальной позы. Такое включение отражается на временном паттерне активации синергий на мышечном уровне, что проявляется в формировании дополнительных пиков активации в отдельных фазах дыхательного цикла. В процессе поддержания вертикальной позы мышечная активность оказывается в средней степени связана с регуляцией положения общего центра масс, а в большей степени направлена на формирование кинематических синергий, включающих изменение величин ряда суставных углов и одновременное перемещение большинства сегментов тела. Последние в свою очередь стабилизируют важные для сохранения равновесия переменные, причем синергетический контроль на кинематическом уровне по мере увеличения глубины дыхания возрастает.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. А. Моисеев

ФГБОУ ВО Великолукская государственная академия физической культуры и спорта

Автор, ответственный за переписку.
Email: sergey_moiseev@vlgafc.ru
Россия, Великие Луки

С. М. Иванов

ФГБОУ ВО Великолукская государственная академия физической культуры и спорта

Email: sergey_moiseev@vlgafc.ru
Россия, Великие Луки

Е. А. Михайлова

ФГБОУ ВО Великолукская государственная академия физической культуры и спорта

Email: sergey_moiseev@vlgafc.ru
Россия, Великие Луки

Р. М. Городничев

ФГБОУ ВО Великолукская государственная академия физической культуры и спорта

Email: sergey_moiseev@vlgafc.ru
Россия, Великие Луки

Список литературы

  1. Бернштейн Н.А. Очерки по физиологии движений и физиологии активности. М.: Медицина, 1966. 349 c.
  2. Гельфанд И.М., Гурфинкель В.С., Фомин С.В., Цетлин М.Л. Модели структурно-функциональной организации некоторых биологических систем. М.: Наука, 1966. 322 с.
  3. d’Avella A. Modularity for motor control and motor learning // Adv. Exp. Med. Biol. 2016. V. 957. Р. 3.
  4. Scholz J., Schöner G. The uncontrolled manifold concept: identifying control variables for a functional task // Exp. Brain Res. 1999. V. 126. № 3. P. 289.
  5. Latash M. Motor synergies and the equilibrium-point hypothesis // Motor Control. 2010. V. 14. № 3. P. 294.
  6. Munoz-Martel V., Santuz A., Bohm S., Arampatzis A. Proactive modulation in the spatiotemporal structure of muscle synergies minimizes reactive responses in perturbed landings // Front. Bioeng. Biotechnol. 2021. V. 9. P. 761766.
  7. Silva P.B., Oliveira A.S., Mrachacz-Kersting N., Kersting U.G. Effects of wobble board training on single-leg landing neuromechanics // Scand. J. Med. Sci. Sports. 2018. V. 28. № 3. Р. 972.
  8. Rabbi M.F., Pizzolato C., Lloyd D.G. et al. Non-negative matrix factorization is the most appropriate method for extraction of muscle synergies in walking and running // Sci. Rep. 2020. V. 10. № 1. P. 8266.
  9. Nardon M., Pascucci F., Cesari P. et al. Synergies stabilizing vertical posture in spaces of control variables // Neuroscience. 2022. V. 500. P. 79.
  10. Alexandrov A.V., Frolov A.A., Massion J. Biomechanical analysis of movement strategies in human forward trunk bending. I. Modeling // Biol. Cybern. 2001. V. 84. № 6. P. 425.
  11. Kuznetsov N.A., Riley M.A. Effects of breathing on multijoint control of center of mass position during upright stance // J. Mot. Behav. 2012. V. 44. № 4. Р. 241.
  12. Freitas S.M., Duarte M., Latash M.L. Two kinematic synergies in voluntary whole-body movements during standing // J. Neurophysiol. 2006. V. 95. № 2. Р. 636.
  13. Clavel L., Attali V., Rivals I. et al. Decreased respiratory-related postural perturbations at the cervical level under cognitive load // Eur. J. Appl. Physiol. 2020. V. 120. № 5. Р. 1063.
  14. Altenburger K., Bumke O., Foerster O. Allgemeine neurologie. Berlin: Handbuch der Neurologie, 1937. 747 р.
  15. Моисеев С.А., Пухов А.М., Михайлова Е.А., Городничев Р.М. Методологические и вычислительные аспекты извлечения обширных мышечных синергий при локомоциях умеренной интенсивности // Рос. физиол. ж. им. И.М. Сеченова. 2021. Т. 108. № 1. С. 24.
  16. Радченко С. Методология регрессионного анализа: монография. Киев: Корнійчук, 2011. 375 с.
  17. Nashner L.M., McCollum G. The organization of human postural movements: a formal basis and experimental synthesis // Behav. Brain Sci. 1985. V. 8. № 1. Р. 135.
  18. Kweon M., Son S.M., Kwon Y.H. The effect of aging on respiratory synergy // J. Phys. Ther. Sci. 2015. V. 27. № 4. Р. 997.
  19. Schmid M., Conforto S., Bibbo D., D’Alessio T. Respiration and postural sway: detection of phase synchronizations and interactions // Hum. Mov. Sci. 2004. V. 23. № 2. Р. 105.
  20. Hamaoui A., Gonneau E., Le Bozec S. Respiratory disturbance to posture varies according to the respiratory mode // Neurosci. Lett. 2010. V. 21. № 475(3). Р. 141.
  21. Моисеев С.А., Городничев Р.М. Вариативность пространственно-временнóй структуры двигательных синергий при локомоциях различной интенсивности // Физиология человека. 2022. Т. 48. № 4. С. 22.
  22. Escalona M.J., Bourbonnais D., Goyette M. et al. Effects of varying overground walking speeds on lower-extremity muscle synergies in healthy individuals // Motor Control. 2021. V. 25. № 2. P. 234.
  23. Santuz A., Brüll L., Ekizos A. et al. Neuromotor dynamics of human locomotion in challenging settings // iScience. 2020. V. 23. № 1. P. 100796.
  24. Hodges P.W., Gurfinkel V.S., Brumagne S. et al. Coexistence of stability and mobility in postural control: evidence from postural compensation for respiration // Exp. Brain Res. 2002. V. 144. № 3. Р. 293.
  25. Krishnamoorthy V., Goodman S., Zatsiorsky V., Latash M.L. Muscle synergies during shifts of the center of pressure by standing persons: identification of muscle modes // Biol. Cybern. 2003. V. 89. № 2. Р. 152.
  26. Tresch M.C., Cheung V.C., d’Avella A. Matrix factorization algorithms for the identification of muscle synergies: evaluation on simulated and experimental data sets // J. Neurophysiol. 2006. V. 95. № 4. Р. 2199.
  27. Bizzi E., Cheung V.C. The neural origin of muscle synergies // Front. Comput. Neurosci. 2013. V. 7. Р. 51.
  28. Torres-Oviedo G., Ting L. Subject-specific muscle synergies in human balance control are consistent across different biomechanical contexts // J. Neurophysiol. 2010. V. 103. № 6. Р. 3084.
  29. Munoz-Martel V., Santuz A., Ekizos A., Arampatzis A. Neuromuscular organisation and robustness of postural control in the presence of perturbations // Sci. Rep. 2019. V. 9. № 1. Р. 12273.
  30. Hagio S., Ishihara A., Terada M. et al. Muscle synergies of multidirectional postural control in astronauts on Earth after a long-term stay in space // J. Neurophysiol. 2022. V. 127. № 5. Р. 1230.
  31. Гельфанд И., Цетлин М. О некоторых способах управления сложными системами // УМН. 1962. Т. 17. № 1(103). С. 3.
  32. Freitas S.M., Duarte M., Latash M.L. Two kinematic synergies in voluntary whole-body movements during standing // J. Neurophysiol. 2006. V. 95. № 2. Р. 636.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Типичная запись гониограммы, пневмограммы (А) в основной стойке при обычном и глубоком дыхании. Б — коэффициенты кросскорреляционных функций, рассчитанные между рядами пневмограмм и гониограмм, данные представлены в виде M ± SD ± SE. 1 – пневмограмма. Углы: 2 – шейный, 3 – плечевой, 4 – локтевой, 5 – тазобедренный, 6 – коленный, 7 – голеностопный.

Скачать (157KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Образцы электромиограмм (ЭМГ) скелетных мышц в основной стойке при обычном дыхании. А — усредненные ЭМГ, Б — сглаженные. В — соответствие ЭМГ сигналов склетных мышц и пневмограммы, данные представлены в виде M ± SD ± SE. По оси ординат — коэффициенты кросскорреляционных функций. Вертикальными пунктирными линиями показаны границы дыхательных циклов.

Скачать (279KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Структура извлекаемых компонент, включающих данные о перемещениях антропометрических точек сегментов тела при обычном дыхании. А — коэффициенты активации, по оси абсцисс — прогресс дыхательного цикла, по оси ординат — у.е., а — компонент 1, б — компонент 2. Заливкой показан разброс коэффициентов. Б — дендрограмма перемещений, по оси абсцисс — антропометрические точки, по оси ординат — евклидово расстояние (у.е.).

Скачать (453KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Весовые коэффициенты в структуре кинематических (А) и мышечных синергий (Б) при обычном и глубоком дыхании. а — компонент 1, б — компонент 2. Углы: 1 – шейный, 2 – плечевой, 3 – локтевой, 4 – тазобедренный, 5 – коленный, 6 – голеностопный. По оси ординат — коэффициенты. * – статистически значимые различия при p < 0.05. Сплошной и пунктирной линиями показаны векторы синергий.

Скачать (384KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Коэффициенты активации кинематических (A) и мышечных синергий (Б) при обычном и глубоком дыхании. а — компонент 1, б — компонент 2. По оси абсцисс — временной период, соответствующий полному дыхательному циклу (%), по оси ординат — у.е.

Скачать (238KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024