Научно-техническое обоснование КЭ «Вектор-МБИ-1»

Научно-техническое обоснование  КЭ «Вектор-МБИ-1»

1. Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и состояние вопроса.

Космический эксперимент “Вектор-МБИ-1” проводится с целью проверки одной из гипотез этиологии космической болезни движения. Суть данной гипотезы заключается в том, что действие невесомости на анализаторы пространственной ориентации осуществляются не только в виде непосредственного влияния  измененной афферентации с гравитозависимых структур, но и опосредованно через изменение характера передвижений в условиях невесомости. Предполагается, что опосредованное воздействие невесомости при двигательной активности в относительно безопорном пространстве выражается в воздействии на вестибулярный аппарат и анализаторы пространственной ориентации ускорений, спектр которых укладывается в зону спектра ускорений, вызывающих укачивание в наземных условиях (морская, воздушная болезнь и т. д.).

В процессе эксперимента будут проводиться сравнительные измерения линейных и угловых ускорений, действующих на вестибулярный аппарат человека, при основных естественных формах передвижения в условиях земной силы тяжести (ходьба, бег, прыжки) и в невесомости.

Не анализируя всех теорий этиологии космической болезни движения, следует лишь отметить, что доминирующее положение в данное время занимает теория сенсорного и межанализаторного конфликта, в основе которой лежит предположение, что обычные движения в условиях невесомости в силу измененной афферентации гравитозависимых структур приводят к необычной сенсорной интеграции, являющейся пусковым моментом развития космической болезни  движения (, , 1989; Thornton et al.,1987 [1]).

В то же время проведенный нами анализ двигательной активности космонавтов во время телесеансов связи с ЦУПом ( и др., 1993 [2]) показал, что передвижения в условиях невесомости отличаются  от “обычных” способов передвижения в земных условиях (ходьба, бег, прыжки и т. д.):

- перемещение в невесомости осуществляется путем отталкивания руками и ногами от опоры или перехватывания руками за выступающие элементы интерьера станции;

- перемещения имеют апериодический характер в отличие от циклических локомоций в наземных условиях;

- перемещения осуществляются в сагиттальной, фронтальной и горизонтальной плоскостях примерно в одинаковом объеме, в то время как в наземных условиях они выполняются преимущественно в сагиттальной плоскости тела;

- передвижение выполняется в течение более длительного времени, чем в наземных условиях, и состоит из трех фаз: ускорения, свободного полета с равномерной скоростью и замедления;

- при выполнении движений в условиях невесомости постоянно присутствует вращение тела вокруг центра масс или точки опоры за счет сохранения импульса движения.

Полученные факты позволили высказать предположение, что действие невесомости на анализаторы пространственной ориентации осуществляются не только в виде непосредственного влияния, выражающегося в изменении афферентации от гравитозависимых структур (сенсорный конфликт), но и опосредованно - через изменение характеристик ускорений [3, 4, 5, 6].

Предварительная оценка спектральных составляющих движения в невесомости и в наземных условиях позволяет сделать предположение о существенном изменении спектров ускорений при переходе от земных условий к условиям невесомости, выражающемся в уменьшении доминирующей частоты ускорений, действующих на вестибулярный аппарат.

В последнее время в NASA стали активно применять гальваническую стимуляцию вестибулярного аппарата [6] для имитации дезориентации космонавта в орбитальном полете с целью приблизить имитацию процесса управляемого спуска с орбиты к реальным условиям.

В научном коллективе под руководством акад. изучается другая возможность применения гальванической стимуляции вестибулярного аппарата – коррекция качества стабилизации взора космонавта в условиях микрогравитации, когда наличие вестибуло-сенсорного конфликта приводит к увеличению запаздывания при установке взора в два и более раз по сравнению с земными условиями [7]. Как показали теоретические исследования, использование информации с микроакселерометров и микроДУСов, входящих в МЭМС, расположенной на шлеме космонавта, позволяет корректировать выходные сигналы первичных афферентных нейронов вестибулярного аппарата с целью уменьшения запаздывания установки взора на орбите [8, 9].

Проведение космического эксперимента позволит подтвердить или опровергнуть эти теоретические результаты.

2. Необходимость проведения КЭ в условиях космического пространства в составе РС МКС

Проведение космического эксперимента в условиях невесомости при выполнении реальной двигательной деятельности в относительно безопорном пространстве позволит наиболее полно оценить гравитоинерционную среду, характерную для передвижений в условиях невесомости, а также оценить динамику двигательной адаптации к условиям невесомости. В модельных экспериментах, включая и полеты по параболе Кеплера, подобные оценки можно получить лишь с большой степенью допущения.

Второй результат 1-го этапа космического эксперимента дает возможность определить состав микросенсоров МЭМС, установленной на шлеме космонавта, необходимый для формирования алгоритма гальванической коррекции.

При продолжении космических исследований после завершения данного КЭ (2017 - 2019) на шлеме будет дополнительно размещен гальванический корректор.

Второй этап космических исследований заключается:

в исследовании вклада в вестибулярную стимуляцию движений головы и движений тела в условиях невесомости (2018 – 2020гг);

в изучении возможности гальванической коррекции качества стабилизации взора в условиях микрогравитации (2018 – 2020гг).

Планируется проведение экспериментального анализа возможности коррекции качества стабилизации взора в условиях орбитального полета с помощью гальванического корректора, состоящего из носимого регистратора ускорений и гальванического стимулятора выходных сигналов вестибулярного аппарата.

3. Описание КЭ

3.1 Порядок проведения КЭ

При проведении КЭ на голове (на лбу) космонавта закрепляется акселерометрометрический комплекс, соединенный с блоком управления. После включения аппаратуры космонавт продолжает заниматься запланированной профессиональной деятельностью в соответствии с программой полета.

Ниже приводится один из алгоритмов действия экипажа при проведении эксперимента.

Выполнить развертывание комплекта ВЕКТОР-МБИ-1; Разместить на себе аппаратуру комплекта; Включить режим проведения измерений с блока управления и начать эксперимент; По окончании эксперимента с блока управления выключить режим проведения измерений; Снять носимую часть комплекта; Занести в бортовую инструкцию информацию об особенностях проведения эксперимента; Свернуть комплект ВЕКТОР-МБИ-1.

В наземных условиях космонавт в процессе эксперимента совершает заданные упражнения (ходьба, бег, прыжки и т. д.), а также проходит плановые вестибулярные исследования (тренировки), предписываемые программой подготовки. В послеполетном периоде космонавт не подвергается дополнительным вестибулярным нагрузкам.

Обработка полученной информации производится в лабораторных условиях.

3.2. Принципиальные требования к условиям выполнения КЭ

Наиболее важным требованием проведения эксперимента в космическом полете является совмещение эксперимента с деятельностью, сопровождающейся двигательной активностью, например, связанной с переноской грузов или визуальным управлением движением космического объекта.

При проведении предполетных исследований необходимо включение в циклограмму эксперимента вестибулярных нагрузок по стандартным методикам, проводимым в экспертных целях.

3.3. Технические особенности научной аппаратуры

Для проведения эксперимента используется комплект аппаратуры
ВЕКТОР-МБИ-1, позволяющий длительно (до 2-х часов) регистрировать в автономном режиме (без использования бортовых источников питания) 3 линейных и 3 угловых составляющих движения головы.

4. Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями

Впервые предполагается провести длительное непрерывное (до 3 часов) автономное (без использования бортовых источников питания) измерение ускорений, действующих на вестибулярный аппарат человека и его тело во время выполнения реальной деятельности, сопровождающейся двигательной активностью, в условиях относительно безопорного пространства.

Примерно аналогичное оборудование использовалось в космическом эксперименте, проведенном Clarkе еt аl. (1993) с регистрацией 3 линейных и 3 угловых составляющих ускорения с помощью акселерометров и датчиков угловой скорости, а также движений глаз с помощью видеоокулографии. Данная аппаратура не позволяет исследовать ускорения и глазодвигательную активность при неограниченной свободе передвижений, так как требуется связь с бортовым питанием и устройством накопления информации. Использовавшаяся для регистрации движений головы и глаз австрийская аппаратура “Монимир” и французская аппаратура “Физали” также позволяли проводить исследования только в фиксированном положении космонавта.

Таким образом, по сравнению с экспериментами, проведенными при полетах орбитальных комплексов “Салют”, “МИР” и МТКК “Спейс Шаттл” (, и др., 1993; Сlarke A. H. et al.,1993; Andre-Deshays C. et al.,1993) в целях изучения вестибулоглазодвигательного взаимодействия, предлагаемый эксперимент позволит обеспечить полную свободу перемещений космонавта в течение длительного времени, и, таким образом, позволит исследовать спектр ускорений, наиболее полно характеризующий гравитоинерционную среду при перемещениях в условиях невесомости.

5. Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование

5.1. Основными результатами КЭ будут следующие:

5.1.1. Сведения о параметрах ускорений, действующих на вестибулярный аппарат человека при двигательной активности в условиях невесомости.

5.1.2. Сведения о вкладе движений головы и движений тела в вестибулярную стимуляцию в процессе двигательной адаптации к условиям невесомости.

5.2. Результаты предполагается использовать в следующих направлениях:

5.2.1 Анализ спектра ускорений, действующих на вестибулярный аппарат человека, в наземных условиях при естественных и искусственных способах перемещения в пространстве в сравнении с условиями невесомости даст возможность проверить рабочую гипотезу об опосредованном влиянии невесомости (через изменение характеристик передвижений) на анализаторы пространственной ориентации. Доказательство значимости спектра ускорений, действующих на вестибулярный аппарат в невесомости, в этиологии космической болезни движения позволит выделить причинные факторы, объединяющие земные и космическую формы болезни движения.

5.2.2 Сравнение спектров ускорений, действующих на вестибулярный аппарат человека при двигательной активности на различных этапах полета и в реадаптационном периоде, позволит определить некоторые закономерности двигательной адаптации к условиям новой гравитоинерционной среды в зависимости от временного фактора и состояния организма в данный период.

Эти данные, в частности, можно было бы использовать для разработки средств и методов объективной диагностики наличия у космонавта космической болезни движения, основываясь на данных динамики характера двигательной активности (известно, что при наличии укачивания космонавты резко ограничивают двигательную активность) и вестибулоглазодвигательного взаимодействия.

5.2.3 Результаты эксперимента (параметры ускорений, действующих на вестибулярный аппарат в невесомости) предполагается также использовать для разработки средств и методов предполетных вестибулярных тренировок в интересах прогнозирования и профилактики космической болезни движения, а также разработки автоматического корректора установки взора.

6. Обоснование технической возможности создания НА с заданными характеристиками

Принципиальных препятствий для создания НА при современных технологиях и имеющихся аналогах не существует. Прототипами могут служить уже имеющиеся разработки, выполненные для проведения КЭ в 1999 году («ВЕКТОР-МБИ»), а также аппаратура для измерения ускорений на космических спутниках «Татьяна-2» и «Ломоносов» ( и др., 2010).

7. Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных с КЭ

Риск и дискомфорт при проведении КЭ отсутствуют.

Список цитируемой литературы

1. , Космическая болезнь движения // Космическая биология и авиакосмическая медицина. - 1989. – Т. 23.- №3. - С. 4-15. 2. , , Принцип апериодического воздействия вестибулярных раздражителей как основа повышения эффективности вестибулярной подготовки // Профессиональная деятельность космонавтов и пути повышения ее эффективности. - 1993. - Звездный городок. - С.220-222. 3. , , оррекция вестибулярной функции при активном движении человека в экстремальных условиях/ В кн.: Инновационные решения для космической механики, физики астрофизики, биологии и медицины. – Под ред. , и . – Изд-во Московского университета, 2010. – С. 233-247. Andre-Deshays et al. Gaze control in microgravity: 1. Saccades, Pursuit, Eye-head coordination // Gournal of vestibular research. - 1993. - V3. - №3. - P.331-345. 4. Clarke A. H., Teiwes W., Scherer H. Evaluation of the torsional VOR in Weightlessness // J.  Vestibular Research. - 1993. –V.3. - №3. - P.207-209. 5. Kornilova L. N., Grigorova V., Bodo G. Vestibular function and sensory interaction in space flight // J.  Vestibular Research.. - 1993. –V.3. - №3. - P.219-231. 6. Thornton W. E., Moore T. P., Pool S. L., Vanderploeg J. Cliniсal characterization and etiology of space motion sicness // Aviat. Space Environ. Med. - 1987. - Vol. 58. - №9 – Р. 1-8. 7.  Moore S. T., Dilda V., MacDougall H. G. Galvanic vestibular stimulation as an analogue of spatial disorientation after spaceflight // Aviat. Space Environ. Med. - 2011. - Vol. 82. - №5 – Р. 535-542 8. , , , Об автоматической коррекции вестибуло-сенсорного конфликта в условиях невесомости, основанной на принципе гальванической стимуляции и на компьютерном моделировании // Науч.-практ. Межотрасл. журнал Интеграл -  2012 - № 2(64) – с.70 - 74 9.  , ,, , и др. Патент № 000 «Устройство автоматической коррекции установки взора человека при визуальном управлении движением в условиях микрогравитации»  -2013

10. L N. Kornilova. Vectibular function and sensory interaction in altered gravity.
  Advances in Space Biology and Medicine. V 6, pp 275-313. 1997.