Инерциальные измерения в организме позвоночных

Позвоночные являются наиболее развитыми и ма­невренными животными. Они обладают инерциальными органами чувств, имеющими единый принцип построе­ния. Инерциальные измерители у позвоночных животных сосредоточены в особом анализаторе, который включает в себя два вестибулярных аппарата (левый и правый), нервные узлы и ядра, в которых осуществляется обработка инерци­альной информации.

Вестибулярные аппараты разнесены на некоторую базу и повернуты зеркально-симметрично относительно центра головы (рис. 15, а). Располагаются вестибулярные аппараты в одной плоскости со зрительными органами, а база между ними равна расстоянию между оптическими осями глаз. По своему устройству вестибулярный аппарат представляет собой тонкостенную замкнутую полость, заполненную жидкостью и подвешенную посредством соединительных перемычек в костном футляре. Между костным футляром и кожистой стенкой вестибулярного аппарата также содержится жидкость, защищающая внутренние чувствительные эле­менты от шумов и вибраций. Вестибулярная полость имеет форму лабиринта, в каждой полости которого располагается инерциальный биодатчик. Полости отделены друг от друга узкими каналами, в которых находятся клапаны, которые препят­ствует быстрому перетеканию жидкости.

а) б) в)

Рис. 15. Инерциальная система человека.

Вестибулярный аппарат включает несколько биодатчиков, воспринимающих активные силы, моменты, давление и вибрации. Конкретный состав органов определяется задачами управления и пространственной ориентировки, решаемыми данным видом живого су­щества.

У человека вестибу­лярный аппарат включает (рис. 15, б) три датчика угловых ускорений (полуокружья), один двухосный акселеро­метр (утрикулус) и один многофункциональный датчик (саккулус), выполняющий функции одноосного акселе­рометра и вибрационного скоростного гироскопа. Оси чувствительности полуокружий ориентируются в трех взаимно перпендикулярных направлениях и повернуты зеркально симметрично относительно плоскости симметрии головы человека. Вследствие этого они выдают информацию о трех составляющих вектора углового ускорения на оси связанных сис­тем координат. Утрикулус измеряет горизонтальную, саккулус – вертикальную составляющие вектора линейного ускорения от активных сил, действующих на голову. Разделение вертикального и горизонтального каналов измерения линейных ускорений в вестибулярном аппарате целесообразно, поскольку горизонтальная составляющая векто­ра ускорений вызывается движениями человека и, как правило, незначительна по вели­чине и кратковременна по длительности. Вертикальная составляющая обусловлена действием реакции опоры, противодействующей силе гравитационного притяжения. Эта составляющая значительна и действует непрерывно.

Разделение измерения линейных ускорений также упрощает алгоритм управления угловой стабилизацией головы тела человека. Левый и правый утрикулусы физически воспроизводят направление результи­рующей активных сил, которое является положением устойчивого равновесия для тела человека, и поэтому моделируют главную ось базовой системы пространственной ориентации чело­века – направление биологической вертикали. Саккулусы измеряют скорость “рыскания” и углы поворота головы в азимуте, то есть выполняют функцию курсового гироскопа (рис. 15, в). Таким образом, в каждом вестибулярном аппарате моделируется вторая ось базовой системы координат – заданное направление в азимуте.

Система стабилизации головы. Фронтальные угловые ускорения головы являются существенным возмущающим фактором для саккулусов как курсового гироскопа, поэтому в вестибулярном аппарате организована особая система стабилизации, обеспечивающая снижение влияния возмущаю­щих моментов на эти биодатчики. В качестве источников ин­формации эта система использует сигналы полуокружных каналов, а роль исполнительных элементов выполняют шейные мышцы головы.

Система стабилизации включается, когда человеку необходимо двигаться, строго выдержи­вая заданное направление в азимуте. Из нервных ядер вестибулярных аппаратов в центр управления движе­нием головы поступает сигнал о величине фронтального углового ускорения головы. Если такие угловые движения отсут­ствуют, то измерительные сигналы от саккулусов поступают в центры управления движением человека. При появлении возмущающего момента связь саккулусов с центром управления движением прерывается, процесс управления блокируется, че­ловек теряет равновесие и вынужден остановиться и зафиксировать положение головы.

В случаях, когда требования к точности движения по заданному курсу высоки (например, при хождении по канату, гимнастическому бревну и т.п.), система стабили­зации воздействует на мышцы шеи и тела с целью увеличения момента инерции во­круг фронтальной оси, что обеспечивает более высокую точность управления.

Таким образом, голова человека для вестибулярного анализатора выполняет функцию стабилизированной платформы. В процессе движений она выдерживается в опреде­ленном положении, обеспечивающем оптимальные условия работы вестибулярных органов чувств: оси чувствительности измерителей ориентируются параллельно изме­ряемому вектору, демпфируются большие колебания тела, минимизируются воздействия кориолисовых и других возмущающих моментов.

Система контроля вибраций жидкости. Связь вестибулярного и слухового аппаратов имеет весьма важное функциональное назначение для инерциальных измерений. Энергия звука, проникая сквозь систему клапанов, вызывает виб­рацию жидкости в вестибулярной полости, что повышает чувствительность инерциальных биодатчиков, уменьшает погрешности, вызванные силами трения застоя, а также снижает влияние гистерезиса упругих связей рецепторных клеток. Звукоизоляция ушных от­верстий или отсутствие акустических сигналов в окружающей среде значительно ухуд­шают характеристики всех вестибулярных измерителей, что проявляется в неуверенно­сти при движениях и в нарушении до некоторой степени координации движений.

С другой стороны, чрезмерно сильные звуки, воздействуя на отолитовые пластины, увеличивают погрешности инерциальных измерений, а инфразвуки, частоты которых близки к собственным частотам вестибулярных измерителей, вызывают резо­нансные явления и могут разрушить эти органы чувств. Для защиты биодатчиков от чрезмерных звуковых воздействий в вестибулярных аппаратах имеется система контроля уровня вибраций жидкости. Измерительная часть этой системы, включает несколько вибродатчиков, распределенных по отдельным полостям вестибулярного аппарата.

Каждый вибродатчик представляет собой бугорок, состоящий из желеобразной массы и пронизаный упругими волосками рецепторных клеток. Сигналы от вибродатчиков используются для регулировки пропускной способности клапанов, распределенных внутри вестибулярных полостей. Клапаны обеспечивают проникновение оп­ределенной порции звуковой энергии из слухового аппарата в вестибулярную полость. Тем самым инерциальным измерителям создаются оптимальные условия функциониро­вания.