В поисках точки опоры

Ученые из Института медико-биологических проблем РАН объявили об открытии у человека второй ведущей гравитационной системы — системы опорной чувствительности, которая чрезвычайно важна для нормальной работы нашего организма. Это открытие стало серьезным вкладом в мировую фундаментальную науку, а также в медицину, причем не только космическую. Результаты его уже используются в лечении и реабилитации двигательных нарушений, обусловливаемых такими тяжелыми заболеваниями, как детский церебральный паралич, церебральный инсульт и т.д. Создатель школы гравитационной физиологии движений, руководитель отдела сенсорно-моторной физиологии и профилактики ИМБП, член-корреспондент РАН, профессор Инеса Бенедиктовна Козловская рассказала в интервью журналу «В мире науки», какие исследования в космосе и на Земле сделали это возможным.

— Инеса Бенедиктовна, как много значит для нас гравитация? Сколь велико ее влияние на существование всего живого на Земле?
— До тех пор, пока у нас не появилась возможность исследовать состояние животных и человека в отсутствие гравитации, мы не могли в полной мере оценить ее значимость. Мало того, роль и место гравитации в развитии и функционировании двигательной системы оставались за пределами изучения. Для классической, «земной» физиологии движений фактор гравитации всегда был в наличии, как бы богом данным, соответственно, он просто не учитывался в наших исследованиях. Нет и не было у нас ситуаций, когда бы мы жили и работали без гравитации. Все на Земле имеет вес, и это настолько вошло в наше сознание, что и медицина, и даже нейрофизиология не представляли себе, как происходят управление и мониторинг функций организма, когда гравитации нет.
А ведь гравитация, существующая на Земле миллионы лет, стала важнейшим фактором эволюции живого, причем если говорить о двигательной системе млекопитающих, то она появилась именно как результат борьбы живых организмов с гравитационным полем. Развились скелет, сложнейшая система мышц, система управления движениями, а также информационные системы, способные обеспечить точность движений в условиях гравитации. Исследовать работу этих систем, понять их механизмы удалось только после начала космических полетов, и то не сразу. За этим открытием — труд нескольких десятилетий. Можно сказать, что каждые пять лет добавлялись новые данные, способствующие построению теории и формализации знаний. А ведь открытие — это, по сути, и есть формализация определенных знаний и доказательство их достоверности.

— А что представляла собой эта область науки до активного освоения космоса? Вы ведь тоже далеко не сразу занялись именно космической физиологией.
— Основу гравитационной «космической» двигательной системы составляет физиология движений — на мой взгляд, самая интересная и самая интеллектуальная область физиологии. Конечно, так, наверное, могут сказать и другие исследователи, занимающиеся работой сердечной, дыхательной и других систем организма, поскольку во всех системах создавшая их природа удивляет своей организацией, сложностью и в то же время простотой и элегантностью решений. Но все-таки системы управления движениями остаются наиболее сложными.
В организме человека большое число мышц, сочленений, суставов, обеспечивающих одновременно движения разной силы, сложности, направления. Как достигается эта слаженность деятельности? Как работают при этом сенсорные каналы, которые осуществляют взаимодействие с внешним миром и сообщают центральному аппарату управления, какая именно мышца должна быть задействована в данной конкретной ситуации и в каком состоянии она находится в данный момент? Эта информация поступает к системам управления от самых разных рецепторов, заложенных в коже, мышцах, от специальных органов чувств — зрения, слуха, вестибулярного аппарата, не говоря уже об отделах нервной системы. Чтобы такая сложнейшая машина (гораздо сложнее тех, что мы умеем создавать искусственно) обеспечивала успешную деятельность, системы двигательного управления должны обладать исключительными мобильностью, пластичностью и совершенством.
Физиология движений как наука родилась в России, и первым ее представителем по праву может быть назван великий русский физиолог И.М. Сеченов, который и заложил ее основы. Последователями И.М. Сеченова стали в России И.С. Беритов, И.П. Павлов и его школа, а затем П.К. Анохин и Н.А. Бернштейн. Вслед за И.П. Павловым П.К. Анохин изучал закономерности формирования движений, механизмы их запоминания и автоматизации на базе формирования в ЦНС временных условно-рефлекторных связей. Н.А. Бернштейн, работая в области физиологии труда и спорта, исследуя механизмы формирования трудовых и спортивных действий, выступил разработчиком современных теоретических основ физиологии движений.
Сама я, придя после окончания Первого московского медицинского института в аспирантуру, заинтересовалась вопросами афферентного (чувствительного) контроля организации движений и почти половину своей трудовой жизни изучала роль различных информационных каналов в формировании характеристик движений, обеспечивающих их соответствие двигательным задачам. Эти работы я продолжила в Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии.
Надо сказать, я всегда была человеком везучим: когда что-то становилось важно для моего научного развития, возможность этого словно падала на меня. Так произошло и в 1966 г., когда в рамках академического обмена институт отправил меня в США. Мне представилась удивительная для того времени возможность более пяти лет работать в двух замечательных учреждениях Нью-Йорка — легендарном Рокфеллеровском университете в лаборатории профессора Нила Миллера, основателя теории обучения внутренних органов и систем организма с использованием обратной связи, и в Нью-Йоркском медицинском колледже — под руководством известного американского нейрофизиолога Вернона Брукса.

— Рокфеллеровский университет часто приводят в пример как идеальную модель того, как должны быть организованы научные исследования. Вы это почувствовали?
— В те годы (как, впрочем, и сегодня) США лидировали по числу Нобелевских премий в области биологии, биохимии, наук о жизни, и более половины лауреатов этой премии происходили как раз из Рокфеллеровского университета. Его президентом тогда был известный биофизик, также нобелевский лауреат Детлев Бронк. Обстановка в университете была очень строгая, но очень демократичная. Меня представили Бронку на первом же общем вечере, которые, кстати, устраивались там довольно часто. И первый вопрос, который я ему задала, был таким: «Что именно в вашей работе позволяет добиваться того, что в течение многих лет университет остается впереди планеты всей по числу открытий и нобелевских лауреатов?»
Он улыбнулся: «Думаю, правильный отбор приглашенных исследователей. А дальше мы просто даем человеку помещение и возможность спокойно работать. Он заходит, закрывает за собой дверь, а через несколько лет дверь открывается — и из комнаты выходит новый нобелевский лауреат». Это точные слова, которые я запомнила на всю жизнь. Мне они были в то время совершенно непонятны. Я даже подумала тогда, что он шутит. Но сейчас много лет спустя понимаю, что он был совершенно серьезен, что именно так работал и работает до настоящего времени этот замечательный университет. В какой-то мере этот принцип я испытала на себе: приехала, рассказала руководителю принимающей лаборатории, чем занимаюсь и чем хотела бы заняться во время пребывания в университете. Хотя мои интересы существенно отличались от направления его исследований, профессор Миллер внимательно меня выслушал и сказал: «Думаю, что некоторые из тех методов, которые мы применяем, будут вам полезны, а мне интересно то, что делаете вы. Мой секретарь Мэриэн подскажет, как писать заявки, и начинайте».
Далее, как и говорил Бронк, мне предоставили для работы комнату, где было все необходимое для проведения экспериментов — стеллажи для содержания крыс, места для операций, проведения лабораторных тестов и пр. И едва я освоилась и продумала план исследований, как Миллер сказал: «Пора вам рассказать в лаборатории, что и как вы собираетесь делать. Давайте вместе подумаем, обсудим». На мои возражения, что я еще плохо говорю по-английски, он ответил: «А мы еще хуже говорим по-русски; поэтому кто не поймет, пусть учит русский язык». Кое-как, с трудом я доложила на конференции план, его обсудили, что-то предложили, что-то изменили. И дальше началась работа, продолжавшаяся пять лет. Если нужна была помощь, хотя бы для того чтобы понять, где склады, как заказать инструменты, аппаратуру, реактивы, откуда взять необходимые средства, подсказывали секретарь профессора и коллеги.
Из впечатлений первых лет запомнилось: в коридорах отдела пусто, все сотрудники в своих комнатах, разговаривать в коридорах не принято — не работаешь сам и мешаешь другим, а общаться следует во время ланча, этому способствовал даже интерьер прекрасной столовой, спроектированной в английском стиле: длинные деревянные столы и скамейки. Нил как-то подсел ко мне во время ланча: «Инеса, я наблюдаю за тобой: ты все время сидишь одна. Это неправильно, общение с исследователями из разных подразделений — важная часть твоего научного образования в университете».
Многое казалось непривычным. Например, в университете регулярно организовывались лекции приглашенных докладчиков, и каждый сотрудник выбирал те, которые были ему интересны. Однажды я оказалась на лекции по компьютерным технологиям, которые тогда как раз зарождались, читали ее бостонцы, «голубая кровь». Прихожу — аудитория почти пустая, всего несколько человек. Возмутилась: как же так, не обеспечена посещаемость, да и вообще, обидно за бостонцев. Миллер возразил: «Ты неправа. Зато здесь те, кому предмет наверняка интересен, а значит, и общение будет гораздо более полезным».

— Как вы потом адаптировались дома, интегрировались в окружающую научную инфраструктуру, среду?
— За пять с лишним лет, проведенных в США, приобретенные навыки вошли в привычку, а область исследований и правила их проведения стали естественной частью жизни. Когда я вернулась в Москву, мне очень хотелось продолжить исследования, начатые в Америке, особенно в Нью-Йоркском медицинском колледже, где я работала с приматами и изучала роль мозжечковых ядер в организации точностных движений. Поначалу организовать такие исследования в Москве мне не удавалось. Но в середине 1970-х гг. начали строить советский шаттл, и генеральный конструктор Г.Е. Лозино-Лозинский задумался, смогут ли космонавты приспособиться и полноценно работать во время полета, который длится всего десять дней, и как им помочь.
Прежде чем посылать человека, надо было хотя бы понять, какова у него будет способность выполнять операторскую деятельность. В то время уже было известно, что человек в космическом полете может жить, есть, пить, а вот как он будет работать — это был вопрос. И тогда О.Г. Газенко, легендарный человек, родоначальник нашей космической медицины, предложил проверить этот вопрос в эксперименте на биологическом спутнике «Бион», запустив на нем в космос обезьян, организация ЦНС у которых близка к человеческой. Правда, для этого нужен был специалист, имеющий опыт работы с обезьянами и их обучением. И Олег Георгиевич вспомнил, что в Штатах он бывал и у меня в лаборатории, где проводились такие исследования. Они, конечно, не имели отношения к космосу, но были посвящены двигательному обучению приматов. Олег Георгиевич нашел меня в Москве и предложил перейти на работу в Институт медико-биологических проблем, обещая, что я смогу там продолжить работу с обезьянами по своему проекту, выполняя помимо этого другие задачи, связанные с исследованием управляющих механизмов движения.
Известно, что при переходе к невесомости у человека возникают симптомы чувствительной бури, так называемая болезнь движения. Некоторые люди испытывают ее и на Земле — во время езды на автомобиле, качки на море — укачивание. У таких людей вестибулярный аппарат не может поддерживать нормальную деятельность управляющих систем организма в условиях меняющегося гравитационного окружения. В космосе все обстоит еще хуже. Ведь чтобы выполнять правильные движения, необходимы ряд условий: соответствующая поза, координация движений глаз и головы, эффективная деятельность систем пространственной ориентации и пр. Это, в свою очередь, обеспечивается нормальной активностью сигнальных систем, включая зрение, вестибулярный аппарат, мышечные рецепторы и рецепторы опоры.
В невесомости ни один из этих каналов не функционирует нормально! Не могут выполнять в отсутствие веса свои функции отолиты — ведущая часть нашего органа равновесия. Опоры в невесомости нет по определению, и, соответственно, существенно ослаблена чувствительность мышечных рецепторов. Иначе говоря, создаются все условия для сенсорного, «чувствительного» конфликта и нарушений деятельности систем управления движением. Тем не менее космонавты в космических полетах выполняют сложнейшие двигательные задачи, что говорит о том, что центральная нервная система (ЦНС), ее гравитационные механизмы обладают колоссальной пластичностью, приспособляемостью, и чтобы использовать эти механизмы, их необходимо изучать.
Так с появлением космических полетов появилась новая область физиологических наук — гравитационная физиология (термин принадлежит О.Г. Газенко), изучающая механизмы, которые обеспечивают ответы живых организмов на гравитацию. Как утверждал Н.А. Бернштейн, самая общая черта живых систем — активность, обеспечивающая их направленное взаимодействие с внешней средой. Встречаясь с различными факторами новой среды, организм либо борется с ней, преодолевая ее сопротивление, либо адаптируется, используя полезные ее составляющие в своих интересах.
Это и произошло 3,5 млрд лет назад, когда первые живые организмы переместились из океана на сушу. Чтобы действовать, им нужно было оторваться от земли, и для этого природа создала сложнейшую опорно-двигательную систему. Важная составляющая этой системы у млекопитающих — два вида мышечных волокон: фазные, обеспечивающие мощные движения перемещения тела и поднятие тяжестей, и «тонические», или позные, задача которых в каждую миллисекунду обеспечивать сохранность позы и позиции рабочих сегментов тела. У лягушек эти две системы представлены разными мышцами, а у человека они объединены и переплетены в одной мышце, несмотря на то что глубоко различаются по функции, структуре, организации обмена, а также организации систем управления.
Итак, система, работу которой нам предстояло изучить при наличии и в отсутствие гравитации, состояла из трех уровней: моторного — мышцы, интегрального — управление и информационного — каналы, обеспечивающие поступление чувствительной информации, необходимой для того, чтобы интегральный механизм мог принять правильное решение и управлять мышцами.

— Какими методами все это изучается? Одно дело — увидеть мышцу, другое — зафиксировать движения. Как вообще совершенствовались ваши методы?
— Основу наших знаний составляют результаты наблюдений и выполнения космонавтами заданных тестов. Однако условия для исследований в полете неблагоприятны: участников экспериментов мало, программы полетов весьма насыщены, к тому же космонавты порой весьма неважно себя чувствуют. Тем не менее ощущения самих космонавтов и наблюдения за ними дали бесценный материал. Например, в раннюю эпоху еще относительно коротких полетов и мы, и американцы обнаружили, что когда космонавт переходит от Земли к невесомости, у него незамедлительно изменяется вертикальная стойка, приобретающая в невесомости сгибательный характер.
Американцы назвали эту стойку позой усталой обезьяны, а российские ученые — полуэмбриональной позой. Обнаружено это было в первых же полетах космических станций, однако открытия из этого факта сделано не было. А ведь это было настоящим открытием, означавшим, что в невесомости у человека перестают работать разгибатели, обеспечивающие ему на Земле осанку прямой и вертикальной стойки.
Все, что космонавты видели и чувствовали, мы тщательнейшим образом записывали, систематизировали, затем анализировали, строили гипотезы и проводили направленные модельные эксперименты. Накопление знаний о факторах, обусловливающих адаптацию организма к невесомости, открыло возможности создания ее наземных моделей. Наиболее распространенная из них — антиортостатическая (постельная) гипокинезия: кровать, наклоненная по отношению к горизонту в изголовье под углом 6–8° и таким образом воспроизводящая свойственные невесомости гипокинезию, гиподинамию и распределение крови.
На Земле вес жидкости движет кровь к ногам, движение к голове и верхним частям тела обеспечивается работой специальных механизмов. В невесомости весовой градиент отсутствует и кровь к ногам не бежит. Вместе с тем механизмы, обеспечивающие движения крови к голове, продолжают работать. В результате создается избыток притока крови к голове, обеспечивающий включение новых защитных механизмов, препятствующих избыточному кровообращению мозга. Длительность гипокинетического воздействия в наших экспериментах аналогична таковой в длительных космических полетах: четыре, шесть, а в одном эксперименте даже 12 месяцев. В этом уникальном эксперименте, который уже вряд ли когда-то будет повторен, 12 добровольцев-испытуемых находились в антиортостатическом положении в течение года и был получен большой бесценный материал.
Но все-таки модель антиортостатической гипокинезии воспроизводит состояние невесомости недостаточно полно, поскольку при пребывании в постели, даже максимально мягкой, вес тела сохраняется и рецепторы давления, расположенные в глубоких слоях кожи, сообщают ЦНС, что испытатель находится в условиях гравитации. Как показали исследования, выполненные в Институте медико-биологических проблем, обеспечиваемая этими рецепторами опорная чувствительность представляет собой ведущую сигнальную систему гравитации. Если у нас нет опоры, мы находимся в свободном падении, то есть в невесомости.
В начале 1970-х гг. российские физиологи Е.Б. Шульженко и И.Ф. Вильямс разработали другую, как я думаю, более адекватную модель невесомости — так называемую сухую иммерсию, которая в полной мере воспроизводит как механическую, весовую, так и полную опорную разгрузку. Известно, что, будучи погруженным в иммерсионную среду, человек не ощущает опоры, поскольку жидкость равномерно распределяется по поверхности тела. Однако длительный контакт кожи с водой неблагоприятен, поэтому авторы метода предложили при погружении испытателя в иммерсию изолировать его от воды свободно плавающей водонепроницаемой тканью.
Это дало возможность проводить безопасные иммерсионные эксперименты длительностью до двух месяцев и более. Модель оказалась практически идеальной, и именно в иммерсионных экспериментах было получено наибольшее число новых данных о работе гравитационных механизмов в двигательной системе. И, наконец, в 60-е гг. прошлого столетия при подготовке к полетам на Луну российскими и американскими учеными одновременно была апробирована третья модель микрогравитации — вывешивание, позволившая исследовать особенности ходьбы человека в условиях весовой и опорной разгрузок. Суть модели заключается в создании противовесов каждой части тела. При этом центральная нервная система утрачивает возможность ощущать вес тела, а системы двигательного управления переходят на агравитационный режим.
Большой вклад в развитие гравитационной физиологии двигательной системы внесли исследования на животных, систематически выполнявшиеся на Земле и в космических полетах на биологических спутниках «Бион».
В этих полетах исследовались влияния невесомости на всевозможные живые объекты — от клеточных и растительных структур до млекопитающих. В научной среде «Бион» получил название «Ноев ковчег». Венцом стали эксперименты на обезьянах, во время которых мы получили возможность широких исследований состояния всех систем организма непосредственно в условиях невесомости. Животные были специально обучены выполнению тех же операторских задач, что и космонавты. Однако получаемая в этом случае информация была существенно большей, поскольку каждая из 12 летавших обезьян была снабжена более чем 50 датчиками, вживленными во все жизненно важные органы — мышцы, сердце, сосуды, ЦНС, включая вестибулярные ядра, мозжечок и кору головного мозга. В этих исследованиях мы видели не только то, что делает животное, но и что при этом происходит в различных системах его организма. И все 12 обезьян выполнили задания и вернулись после 14-дневного полета живыми и здоровыми!
Таким образом, основные наши знания мы получали в модельных экспериментах и экспериментах на животных, построенных на основании гипотез, рождавшихся в полетах. Результаты этих экспериментов впоследствии вновь возвращались на орбиту в виде разработанных на их основе средств и методов профилактики и поддержания нормального состояния здоровья и работоспособности космонавтов.
В целом за 30 лет наших исследований был накоплен колоссальный материал, который и лег в основу наших находок. Полученные данные позволили нам с уверенностью утверждать, что двигательная система организма — самая гравитационно зависимая, первая, отвечающая на воздействие невесомости, и что ведущим информационным каналом этой системы выступает опорная афферентация.

— Означает ли это, что ощущение точки опоры запускает в организме механизмы адаптации к невесомости?
— Если говорить упрощенно, да. Но если принять во внимание, что развитие тонической мышечной системы и опорной чувствительности стало следствием перехода животного мира к гравитации, правильнее было бы сказать, что опорная чувствительность, а следовательно и точки опоры, запускают в организме механизмы адаптации к «весомости», к весовым нагрузкам. В наших иммерсионных исследованиях было показано, что переход к невесомости сопровождается глубоким торможением активности тонической мышечной системы, результатом чего становятся упоминавшийся нами выше атония разгибателей мышц и возникновение у космонавтов сгибательной позы.
Более того, оказалось, что пребывание в условиях иммерсии, то есть без опоры, в течение длительного времени инициирует начало разрушительных процессов в тонических мышечных волокнах, способствуя их атрофии и трансформации в волокна фазные. Подводя итоги этим результатам, можно было заключить, что не опора, а уменьшение ее уровня способствует мышечной адаптации к невесомости, в условиях которой поза и позные механизмы не востребованы.
В дальнейшем в условиях тех же иммерсионных экспериментов были выявлены возможности влиять на эти процессы вплоть до полной их отмены. Суть открытия состояла в следующем. Как было показано в исследованиях российского морфолога А.А. Отелина, рецепторы опорной чувствительности — это глубокие инкапсулированные рецепторы давления, расположенные в глубинных соединительно-тканных структурах кожи и локализующиеся в стопах ног человека в области пятки, наружной дуги свода стопы, предплюсны и большого пальца. Согласно нашим и французским данным, сигнализируя о распределении опоры по стопе, опорная рецепция информирует центральную нервную систему о том, как человек стоит: прямо, с наклоном вперед, назад, в ту или иную сторону, на опоре жесткой или мягкой и т.д., обусловливая включение той или иной позной синергии (комплекс позных реакций).
Оказалось также, что применение адекватных опорных раздражений в условиях длительного иммерсионного воздействия предотвращает развитие неблагоприятных эффектов невесомости, способствуя сохранению нормальных мышечных качеств (силы и тонуса) и структуры тонических мышечных волокон. Результаты этих исследований легли в основу разработки нового средства профилактики двигательных нарушений, которое получило название «компенсатор опорной разгрузки» (КОР) и оказалось востребованным не только в космических полетах. Очевидно, что гипокинезия и связанные с ней состояния снижения опорных нагрузок свойственны не только невесомости, но наблюдаются и у больных, перенесших травмы, инсульты и другие заболевания, при которых нарушаются двигательные функции, а также у людей пожилых и ведущих малоподвижный образ жизни. На основе космического КОР для этих пациентов был создан прибор «Корвит», активно использующийся в настоящее время в реабилитационной неврологической практике.
Разрабатывая адекватные режимы опорной стимуляции, мы использовали также локомоторные режимы с чередующимися раздражениями пятки и плюсны одной и другой ноги, аналогичные тому, как это происходит при ходьбе. При этом оказалось, что в условиях безопорности, создаваемой вывешиванием, эти «локомоторные» воздействия сопровождаются возникновением локомоторных движений и активацией локомоторных мышц. Одновременно с использованием ядерно-магнитного резонанса было обнаружено, что в этих условиях при «локомоторных» раздражениях зон стоп в коре головного мозга регистрируется активационная активность, рисунок которой повторяет тот, что регистрируется при воображаемой ходьбе. Иначе говоря, в коре головного мозга испытуемых во время стимуляции опорных зон стоп в режиме локомоций мы наблюдали четко воспроизводимую картину локомоторной активации — «бабочку». Она возникала также и в случаях, когда испытуемого просили просто представить себе, что он ходит. Так одно открытие повлекло за собой другое — фундаментальное: ведь если возможно с периферии запускать через «центр» локомоции, значит в мозге у человека замыкается локомоторная «рефлекторная петля», которую никто раньше не описывал.
Сейчас мы продолжаем работать. Радует, что в трех лабораториях нашего отдела сегодня много молодежи, в исследованиях которой космическая, земная наука и медицина тесно переплетены, и что гравитация скрывает еще много загадок. Как писал великий русский физиолог А.А. Ухтомский: «Тяжесть — самое неизбежное и постоянное поле, от которого ни одно существо никогда на Земле не освобождается». Значит, его следует изучать.

Материал опубликован в декабрьском выпуске журнала «В мире науки» за 2016г.