Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова, 2021, T. 107, № 12, стр. 1597-1610

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В исследовании приняли участие 14 испытуемых с нормальным слухом, без диагностированных нарушений вестибулярной системы и опорно-двигательного аппарата в возрасте от 18 до 53 лет (в среднем 27 лет) – 7 женщин, 7 мужчин. Состояние слуха испытуемых оценивали с помощью тональной аудиометрии, которую проводили на клиническом аудиометре АА-02 (Биомедилен). В дополнение к тональной аудиометрии оценка временного разрешения слуха проводилась с применением теста обнаружения паузы [14]. Все испытуемые, участвовавшие в экспериментах, успешно прошли аудиометрические тесты и тесты на обнаружение паузы. Все процедуры, выполненные в исследованиях с участием людей, соответствуют этическим стандартам национального комитета по исследовательской этике и Хельсинкской декларации 1964 г. и ее последующим изменениям или сопоставимым нормам этики. От каждого из включенных в исследование участников было получено информированное добровольное согласие (Протокол заседания этического комитета Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН по биоэтике № 1-07 от 16 июля 2019 г.).

В качестве звуковых раздражителей применялись стереозаписи приближающихся шагов, выполненные в длинном коридоре с реверберацией. Акустические характеристики коридора оценивали путем определения уровня звукового давления в месте расположения записывающих микрофонов во время и после импульсов белого шума. Снижение уровня сигнала после резкого прерывания шумового импульса составило 35 дБ в течение 400 мс. Оценку задержек эхо-сигналов (звуковых сигналов отраженных от стен, пола и потолка) по сравнению с прямым сигналом выполняли посредством записи в коридоре короткого щелчка высокой амплитуды, который воспроизводили при помощи громкоговорителя, расположенного на расстоянии 1 м от микрофона. Первый, различимый на записи эхо-сигнал был зарегистрирован через 15 мс, а второй – через 38 мс после прямого сигнала. Для формирования ритмических шагов и оценки скорости человека запись производили под звуки метронома, передаваемые человеку через наушники. Ритм шагов составлял 133 в мин, скорость приближения – около 1.6 м/с (рис. 1a).

Стереозапись шагов производили с помощью калиброванной пары конденсаторных микрофонов Oktava MK 012, которые располагали на расстоянии 15 см от пола, параллельно друг другу, так что расстояние между микрофонами составляло 15.5 см. Микрофоны были ориентированы в направлении движущегося человека. Для записи звука использовали ноутбук с внешним USB-аудиоинтерфейсом AKAI EIE, который поддерживает одновременную запись четырех каналов с частотой дискретизации 44 100 отсчетов в секунду. Человек, чьи шаги были записаны, двигался по прямой линии, последний шаг при приближении записывали на расстоянии 0.75 м от микрофонов. Генерацию звука производили ПК через USB-аудиоинтерфейс Creative E-MU 0202.

Регистрацию постуральных показателей проводили при звуковой стимуляции, которую выполняли с двух громкоговорителей, расположенных на расстоянии 2.0 м от испытуемого, стоящего на платформе, на высоте 1.6 м (рис. 1b). Один из них размещали прямо перед испытуемым (0° по азимуту, 0° – по элевации), а второй – позади испытуемого (180° по азимуту, 0° – по элевации). Уровень сигнала на громкоговорителе регулировался с помощью усилителя мощности NevaAudio SA-3004. Измерения уровня сигнала в месте головы испытуемого производились с помощью микрофона 41-45, предусилителя 26-39 и усилителя 26-06 от Brüel and Kjœr. Максимальный уровень всех звуковых раздражителей в месте прослушивания составил 52 дБ уровня звукового давления.

Рис. 1.

(а) – осциллограмма записи приближающихся шагов, которая была использована в качестве конспецифического биологически значимого звукового сигнала. (b) – схема взаимного расположения громкоговорителей (1, 2) и испытуемого (3) во время проведения экспериментов.

В звукоизолированной камере объемом 62.2 м³, имеющей специальное покрытие потолка, стен и пола, обеспечивающее условия для свободного поля, выполняли регистрацию постуральных показателей при трех видах стимуляции: приближающиеся шаги спереди, сзади и контрольные сигналы, не содержащие информацию о движении. Последние создавали многократным повторением звуковой записи одного шага, подаваемой на громкоговоритель, расположенный позади испытуемого. Уровень ослабления внешнего шума в камере был не менее 40 дБ в диапазоне частот от 0.5 до 16 кГц. Испытуемые стояли на стабилометрической платформе “Стабилан 01” в позе “пятки вместе, носки врозь”, руки свободно опущены вдоль тела, глаза закрыты. Платформа располагалась на массивной опоре в центре камеры. Изменения положения ЦД регистрировались программой Stabmed 2.05. Частота дискретизации сигнала ЦД – составляла 50 Гц. Один цикл записи изменений положения ЦД общей длительностью 96 с состоял из трех последовательных периодов: 40 с тишины перед стимуляцией, 20.5 с звуковой стимуляции и 35.5 с тишины после стимуляции. Звуковая стимуляция включала три последовательных одинаковых фрагмента записи шагов по 6.5 с и интервалом 0.5 с между ними. Для каждого из испытуемых регистрацию стабилограммы проводили в течение одного дня, при одном типе стимуляции выполняли 10 циклов регистрации. После каждых 2-х регистраций испытуемому предоставляли 2–20-минутный период отдыха. Общая продолжительность регистрации составляла не более 2-х ч.

Для анализа полученные записи стабилограммы были разделены на 12 периодов по 8 с: 5 периодов до стимуляции, 3 периода во время стимуляции (включая 3.5 с после ее окончания, т.к. по нашим данным и данным Агаевой с соавт. [1, 2] постуральный ответ на звук завершается в течение примерно 3 с по окончанию стимуляции), 4 периода после стимуляции. Для каждого из 12-ти фрагментов определяли следующие показатели колебаний ЦД тела: смещение, длину траектории, скорость и разброс положения ЦД вдоль сагиттальной оси. Помимо характеристик колебания ЦД вдоль сагиттальной оси оценивали интегральные показатели вертикальной позы: площадь эллипса, характеризующую часть площади опоры, в которой перемещается во фронтальной и сагиттальной плоскости ЦД при стоянии и его сжатие, а также качество функции равновесия. Последний показатель рассчитывается в виде процентного отношения площади, ограниченной функцией распределения длин векторов скоростей, и некоторой константы, равной площади прямоугольника, ограниченного осями координат, горизонтальной асимптотой функции кривой распределения длин скоростей и вертикальной границей (StabMed2). Статистические расчеты проводили в пакете программ Statistica v.5.5A. Достоверность различий величин стабилографических показателей в группе испытуемых осуществляли для разных временных периодов с применением парного непараметрического метода Вилкоксона. Достоверность различий показателей при разных видах стимуляции осуществляли с применением непараметрического критерия Манна–Уитни для независимых выборок.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

При анализе динамики стабилометрических показателей вертикальной позы человека до, во время и после прослушивания конспецифических звуковых сигналов (шаги человека) были выявлены изменения показателей длина траектории ЦД, линейная скорость и разброс по сагиттальной оси (рис. 2).

Рис. 2.

Динамика стабилографических показателей, характеризующих положение и движение ЦД вдоль сагиттальной оси во временные интервалы до, во время и после звуковой стимуляции. (а) – длина траектории ЦД. (b) – скорость ЦД. (c) – разброс положений ЦД. (d) – смещение ЦД. По оси абсцисс указаны временные периоды продолжительностью по 8 с каждый: 1–5 – до стимуляции; 6–8 – во время стимуляции; 9–12 – после стимуляции. Вертикальной линией показана стандартная ошибка среднего. Разные маркеры соответствуют разным условиям звуковой стимуляции: приближающиеся шаги сзади, приближающиеся шаги спереди и повторение одного звука шага с постоянной амплитудой – контрольное условие (см. легенду), n = 140. Для приближающихся шагов сзади: * – p < 0.05, ** – p < 0.01; для приближающихся шагов спереди: # – p < 0.05, ##– - p < 0.01; для контрольного условия: ^ – p < 0.05, ^^ – p < 0.01, непараметрический парный тест Вилкоксона.

Длина траектории во время ожидания звуковых сигналов всех трех видов достоверно не изменялась (рис. 2a). Прослушивание приближающихся шагов приводило к увеличению данного показателя, в среднем до 10% при шагах сзади, и 8% – спереди. Достоверные отличия пятого периода наблюдали по сравнению с восьмым для сигнала, приближающегося сзади (p < 0.02), и по отношению к седьмому и восьмому периодам для сигнала спереди (p < 0.02 и p < 0.04 соответственно). В случае неподвижного сигнала (повторяющийся шаг, не содержащий признаков движения) увеличение составило в среднем 5% и происходило от пятого к восьмому периоду в виде тенденции (p < 0.07). Прекращение звуковой стимуляции не вызывало значимых изменений данного показателя при всех видах воздействия. Более выраженная динамика наблюдалась для показателя скорость перемещения ЦД (скорость ЦД).

Скорость ЦД снижалась во время ожидания звуковой стимуляции всех видов: для шагов спереди в среднем на 9%, достоверно от первого периода к третьему и пятому (p < 0.001 и p < 0.03 соответственно), для шагов сзади – на 10% к четвертому и пятому (p < 0.04 и p < 0.001 соответственно) (рис. 2b). В случае неподвижного сигнала также были отмечены небольшие изменения в среднем на 4% от первого периода к третьему в виде тенденции (p < 0.06). Во время прослушивания приближающихся шагов с обоих направлений скорость ЦД достоверно возрастала от последнего периода ожидания, предшествующего звуковой стимуляции, к концу воздействия в среднем на 10% для шагов сзади и 7.5% для шагов спереди (p < 0.03 и p < 0.01 соответственно). В случае неподвижного сигнала сзади испытуемого скорость ЦД возрастала от первого периода стимуляции к ее окончанию на 8% (p < 0.01). При сравнении периодов прослушивания с периодами после него не было выявлено значимых изменений данного показателя для всех видов сигналов.

Стабилометрический показатель разброс демонстрировал изменения, сходные с изменениями описанных выше показателей (рис. 2с). Выявлено достоверное снижение в среднем на 10% во время ожидания звуков приближающихся спереди шагов от первого периода к третьему и пятому (p < 0.02 и p < 0.05 соответственно), а при ожидании звуков шагов сзади – от первого к пятому на 15% в виде тенденции (p < 0.07). Сравнение последнего периода ожидания с периодами прослушивания выявило тенденцию к увеличению разброса при всех видах звуковой стимуляции. При этом значимый рост показателя на 17% во время стимуляции при сравнении пятого и восьмого периодов выявлен только в случае шагов, приближающихся спереди (p < 0.01). По окончании прослушивания приближающихся спереди или сзади шагов разброс снижался незначительно (p < 0.17). Динамика разброса в случае неподвижного сигнала не выявлена в течение всего времени регистрации.

При рассмотрении изменений показателя смещение, который характеризует среднее положение ЦД за интервал времени, его величина в последовательные 8-секундные периоды регистрации была нормирована относительно первого периода (значение смещения для него принимали за нулевое). В период ожидания звукового сигнала происходили однонаправленные изменения данного показателя по сагиттальной оси вне зависимости от вида звукового сигнала (рис. 2d). Они проявлялись в виде смещения ЦД назад в последовательные временные периоды. Бóльшие изменения наблюдали для движущихся шагов по сравнению с неподвижным сигналом: в среднем 1.9 и 2.2 мм для шагов спереди и сзади соответственно против 0.9 мм для неподвижного. В случае приближающихся спереди шагов выявлена достоверная разница между первым и вторым периодами со всеми последующими периодами ожидания, для приближающихся сзади шагов – с четвертым и пятым, а также между первым и пятым в контроле (p < 0.05).

В ответ на звуки приближающихся спереди и сзади шагов ЦД испытуемых смещался в противоположных направлениях. Испытуемые отклонялись от источника звука в противоположную от него сторону. При шагах спереди испытуемые увеличивали отклонение назад на 1 мм, а при шагах сзади – смещались в среднем на 2.2 мм вперед от положения, которое они занимали в конце периода ожидания. Достоверные изменения выявлены в первом случае между пятым периодом и восьмым (p < 0.04), во втором случае – пятого с седьмым и восьмым периодами (p < 0.05 и p < 0.03 соответственно). Сравнение показателя смещение при прослушивании шагов с противоположных направлений выявило достоверные различия только в восьмом периоде (p < 0.05, критерий Манна–Уитни для независимых выборок). При прослушивании неподвижного звукового сигнала достоверных изменений по показателю смещение не было выявлено.

По окончании звуковой стимуляции испытуемые смещались к положению, занимаемому перед воздействием. После шагов сзади смещение назад достигало 2.5 мм и было достоверно между восьмым периодом и всеми последующими (p < 0.01). После сигнала спереди смещение вперед на 1.7 мм к десятому периоду наблюдалось в виде тенденции (p < 0.08). После окончания неподвижного звукового сигнала достоверных изменений по показателю смещение не было выявлено так же, как и при прослушивании.

Наряду с изменениями стабилометрических показателей вдоль сагиттальной оси выявили динамику интегральных показателей вертикальной позы – площади эллипса, его сжатия и качества равновесия. Для показателя площадь эллипса наибольшие изменения были получены в случае звуков шагов, приближающихся сзади (рис. 3a). Уменьшение показателя в периоды ожидания достигало 32%, достоверные отличия показателя для первого периода с четвертым и пятым (p < 0.04 и p < 0.01 соответственно). Во время прослушивания сигнала наблюдали рост показателя максимально в среднем по группе на 87% в седьмом периоде (достоверные отличия показателя для пятого периода с шестым, седьмым и восьмым (p < 0.04, p < 0.05 и p < 0.01 соответственно). После прослушивания шагов, приближающихся сзади, происходило достоверное уменьшение на 30% площади эллипса к десятому периоду по сравнению с шестым (p < 0.02) и в виде тенденции по сравнению с седьмым (p < 0.06). При ожидании шагов спереди наблюдалась тенденция к уменьшению площади эллипса на 20% в четвертом периоде по сравнению к первым (p < 0.08). Во время прослушивания сигнала увеличение параметра составило 14% и было достоверно в седьмом и восьмом периодах по сравнению с четвертым периодом ожидания (p < 0.03 и p < 0.02 соответственно). Различий в площади эллипса при прослушивании приближающихся шагов спереди и сзади не было выявлено. По окончании прослушивания тенденция к увеличению площади эллипса сохранялась еще на протяжении 8 с, после чего происходило постепенное уменьшение данного показателя в среднем на 17% в последнем периоде по сравнению с девятым. Однако это изменение оказалось недостоверным. При ожидании, прослушивании и последействии неподвижного звукового сигнала изменения площади эллипса для разных периодов регистрации не превышали 13%, и достоверных различий выявлено не было.

Рис. 3.

Динамика стабилографических показателей, отражающих разброс положений ЦД по двум осям и устойчивость испытуемых во временные интервалы до, во время и после звуковой стимуляции. (а) – площадь эллипса, (b) – сжатие эллипса, (с) – качество функции равновесия. По оси абсцисс указаны временные периоды продолжительностью по 8 с каждый: 1–5 – до стимуляции; 6–8 – во время стимуляции; 9–12 – после стимуляции. Разные маркеры соответствуют разным условиям звуковой стимуляции: приближающиеся шаги сзади, приближающиеся шаги спереди и повторение одного звука шага с постоянной амплитудой – контрольное условие (см. легенду). n = 140. Для приближающихся шагов сзади: * – p < 0.05, ** – p < 0.01; для приближающихся шагов спереди: # – p < 0.05, ## – p < 0.01; непараметрический парный тест Вилкоксона.

Другая характеристика эллипса – его сжатие, изменялась незначительно при всех видах звуковой стимуляции (рис. 3b). Достоверных изменений не было выявлено кроме случая прослушивания шагов спереди, при котором обнаружено достоверное увеличение сжатия эллипса в среднем на 14 и 17% в седьмом и девятом периодах по сравнению с пятым предшествовавшем звуковой стимуляции (p < 0.05 и p < 0.01 соответственно).

Показатель “качество функции равновесия” демонстрировал изменения при ожидании стимуляции только в случае шагов сзади (увеличение в пятом периоде на 5% по сравнению с первым (p < 0.01) и в ответ на звуки шагов при приближении как сзади, так и спереди (рис. 3с). Прослушивание сигнала сзади вызывало достоверное снижение данного показателя в среднем на 4%, а сигнала спереди – на 3% в восьмом периоде по сравнению с пятым (p < 0.03 и p < 0.04 соответственно). При регистрации ответа на неподвижный стимул в течение всего времени наблюдения не было выявлено изменений показателя “качество функции равновесия”.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В соответствии с нашим предположением об изменениях постуральных показателей до, во время и после прослушивания конспецифических сигналов в эксперименте были получены различия в эти интервалы времени регистрации по целому ряду показателей. В период ожидания звука приближающихся шагов, независимо от их направления, и даже в случае неподвижного сигнала отмечали смещение ЦД назад. Причем величина смещения была вдвое выше при ожидании приближающегося звукового образа по сравнению с неподвижным. Направление смещения ЦД совпадало с направлением, характерным для преднастройки позы при подготовке к шаганию, и проявлялось в смещении тела назад [15]. Вместе с тем, интегральные показатели вертикальной позы в наших экспериментах свидетельствовали об уменьшении колебаний тела, что можно рассматривать как повышение устойчивости, тогда как преднастройка для последующего движения, напротив, характеризуется дестабилизацией позы, как показано в упомянутой выше работе. По временным характеристикам процесса мы также не обнаруживаем соответствия наблюдаемых нами постуральных изменений эффекту преднастройки, поскольку наиболее выраженные изменения выявлены в интервалах 8–16 с перед началом стимуляции, что несопоставимо с описанным ранее процессом позной преднастройки для последующего движения тела, который не превышает 1.5 с [15]. Это противоречие можно объяснить разными физиологическими задачами, которые стояли перед испытуемыми – ответным движением в работе [15] и пассивным прослушиванием с поддержанием позы в нашем иследовании. В соответствии с инструкцией испытуемому в наших экспериментах не предполагалась ответная двигательная реакция на звук. Таким образом, выявленная нами динамика постуральных показателей не соответствует описанной в цитируемой выше работе преднастройке позы для формирования движения по физиологическим проявлениям, т.к. перед звуками шагов мы получили повышение устойчивости вместо дестабилизации.

При ожидании звуков приближающихся шагов наблюдалось снижение скорости перемещения ЦД и разброса в сагиттальной плоскости до 10% от первого к пятому периоду. Данные изменения, выявленные непосредственно перед прослушиванием приближающихся шагов, были сходны как по направлению, так и по величине с наблюдаемыми нами ранее изменениями показателей разброса и длины траектории в случае приближающихся непрерывных звуковых образов [16]. Ожидание звука вызывало практически одинаковые сдвиги постуральных показателей вне зависимости от характера звукового сигнала. Сходство результатов было обусловлено тем, что в обоих экспериментах реализовывалась непроизвольная подготовка к возможному контакту с биологически значимым приближающимся сигналом.

Реакции вертикальной позы в ответ на пассивное прослушивание звуков приближающихся сзади и спереди шагов проявлялись в сходном – на 8–10% увеличении показателей, характеризующих положение ЦД в сагиттальной плоскости, таких как длина траектории, скорость и разброс. По направлению и величине изменения, наблюдаемые нами в ответ на звуки приближающихся шагов, были близки к полученным ранее результатам для смещения ЦД при прослушивании приближающихся звуковых образов [2, 16]. Заметим, что в отличие от звуковых образов, которые формируют непрерывное движение источника, особенностью звуков шагов как акустического сигнала является их прерывистый характер – ритм шагов составлял около 2 шагов в секунду. Такой ритм формирует прерывистое движение и создает трудности у испытуемого в интерпретации направления движения. Вторая особенность конспецифического сигнала состоит в нерегулярном изменении амплитуды звука шагов, причем идентичные звуки шагов не интерпретируются как шаг, а только как стук [17]. Обе особенности конспецифического сигнала создают неопределенность при оценке стимула в течение продолжительного времени его звучания, что неизбежно должно отражаться в динамике постуральных показателей. Во время звучания шагов изменения показателей, характеризующих положение ЦД, происходили на протяжении 2–3 периодов наблюдения, т.е. в течение 16–24 с. При исследовании реакций позы на непрерывный приближающийся звуковой образ ранее нами также были получены медленные линейные тренды положения ЦД в 20-секундные интервалы [2], что свидетельствовало о длительном периоде развития постуральной реакции в ответ на звуковую информацию о движении объекта. Таким образом, ожидаемых нами принципиальных особенностей временной динамики постуральных реакций в ответ на действие конспецифического сигнала не было выявлено.

Влияние звуковой стимуляции на позу демонстрирует участие слуховой системы в пространственной ориентации. В частности, у пациентов с нарушением слуха наблюдаются характерные изменения позы [18, 19]. Результаты исследований влияния звуковой стимуляции на позу показали, что звуковые стимулы могут улучшать или ухудшать постуральную устойчивость [9]. В работах этого направления применяли разные методические приемы, в том числе способы подачи звука и звук разного перцептивного качества, что нередко приводило к противоречивым результатам. Подробный анализ влияния на позу пространственной составляющей слуховой информации дан в работе [9]. Как оказалось, существенное влияние имеет наличие движения источника звука и его направление, что было продемонстрировано результатами наших исследований [2, 3]. Если в работах [20, 21] неподвижные и регулярно вращающиеся источники звука оказывают стабилизирующее воздействие, то при перемещении источника звука в передне-заднем направлении, как и в нашем исследовании, обнаруживается увеличение постуральных качаний [1, 2].

По данным литературы интерпретация звуков шагов влияет не только на постуральные показатели, как было показно в наших экспериментах, но и на показатели собственного движения по принципу обратной связи. В случае ходьбы с обратной акустической связью, при которой имитировали звуки шагов по разным поверхностям (по бетону, по снегу, по беговой дорожке), был выявлен разный угол сгибания коленей в зависимости от типа поверхности [22]. В исследовании пациентов с кохлеарными имплантами также была показано влияние обратной связи по слуху на параметры ходьбы [23]. Таким образом, три перечисленных аспекта – контроль позы в ожидании звуковой информации о движении, поддержание позы при прослушивании движущихся источников звука, показанные в наших работах, включая настоящую, и формирование обратной связи с участием звуковой информации о собственном движении свидетельствуют об интеграции слуховой афферентации в мультисенсорную модель постурального контроля [24, 25].