В Институте медико-биологических проблем (ИМБП) РАН завершился эксперимент на обезьянах по исследованию механизмов управления движениями рук, находящихся в коре головного мозга. Животные передвигали курсор по экрану монитора с помощью джойстика до и после погружения в специальную ванну, нахождение в которой имитировало полет. Одновременно ученые фиксировали реакцию мозга каждой обезьяны на электрическое воздействие, что позволило выявить участки коры, чувствительные к влиянию невесомости. В будущем результаты экспериментов позволят создать препараты, позволяющие избежать ухудшения координации движений космонавтов во время полетов, что повысит качество ручного управления кораблями при стыковках и маневрировании. Также новые знания могут помочь в разработке лекарств для пациентов с нейродегенеративными заболеваниями и сниженной активностью.
Владение собой
Влияние невесомости может вызывать множество негативных последствий для космонавтов. Одно из наиболее существенных — нарушение координации движений, при котором пилоту становится сложнее производить маневрирование и стыковку в космосе. Вплотную за изучение этой проблемы ученые взялись еще в 80-е годы — параллельно с проектированием советского многоразового корабля «Буран», для полетов которого требовалось сложное ручное управление.
В первую очередь воздействие невесомости изучали на обезьянах. С 1983 по 1997 год были проведены шесть орбитальных полетов, в которых участвовали 12 животных. При этом исследовалась координация их движений во время выполнения различных операторских задач и фиксировалась электрическая активность клеток мозга (с помощью вживленных в него электродов).
В результате проведенных исследований ученые пришли к выводу о том, что сбой в организме происходит из-за так называемой опорной разгрузки, при которой в мозг перестают поступать сигналы от опорных рецепторов, находящихся в суставах ног и коже стоп. По этой причине вестибулярные зоны центральной нервной системы лишаются значительной части поступающей в них информации, и обезьяна начинает хуже справляться с операторскими задачами. То же самое характерно и для человека.
Штурвал для макаки
На нынешнем этапе исследований ученые хотят понять, в каких именно областях мозга происходят нарушения взаимодействия сигналов различной модальности (вестибулярных, зрительных и так далее). Для этого они проводят эксперименты с опорной разгрузкой в земных условиях.
— Обезьян вида Macaca mulatta для подготовки опыта нам предоставил питомник Института медицинской приматологии в городе Адлер — первоначально у нас было шесть животных, из числа которых впоследствии отобрали две наименее агрессивные особи, проявляющие интерес к сотрудничеству с человеком, — рассказала «Известиям» старший научный сотрудник лаборатории экспериментальной нейрофизиологии Института медико-биологических проблем РАН Наталья Миллер.
После этого животных постепенно обучили управлять движениями курсора на экране компьютерного дисплея с помощью джойстика. Их задача состояла в том, чтобы переводить курсор из центра экрана на мишень-кружок, которая в случайном порядке появлялась в одном из восьми фиксированных положений, рассредоточенных на равном расстоянии от первоначального положения стрелки. После успешного выполнения задачи обезьяны получали яблочный сок из специальной трубочки, что мотивировало их к выполнению следующей задачи.
Завершился подготовительный период тем, что в мозг животных были вживлены специальные вольфрамовые электроды, необходимые для микростимуляции нейронов участка коры головного мозга М1 (зона на коре. — «Известия»), участвующего в управлении рукой. Это было необходимо для изучения состояния данной области нервной системы, которое проводилось с помощью воздействия на нейроны разрядами электрического тока и оценки его последствий в виде движений руки обезьяны (как до имитации условий космического полета, так и после нее). При этом ученые приняли решение воспользоваться сравнением пороговых (или минимальных) значений тока, которые приводят к движениям руки, — в случае их значительной разницы до и после имитации это указало бы на кору М1 как на источник проблем с выполнением двигательных задач в невесомости.
— Для имитации условий невесомости каждую макаку погружали в специальную ванну с теплой водой, уровень которой достигал шеи, — пояснила Наталья Миллер. — Здесь обезьяна проводила три часа, после чего выполняла задание по управлению джойстиком. При этом все движения курсора по экрану записывались программой и впоследствии были сопоставлены с его траекториями, полученными при выполнении тех же действий перед имитацией невесомости.
«Бунт» в ванне
После двухнедельного перерыва эксперимент был проведен повторно — в нем участвовала только одна обезьяна, поскольку ее напарница отказалась от выполнения задания из-за поведенческих проблем.
— Даже во время проведения исследований с участием людей вы можете наткнуться на отказ от выполнения запланированных экспериментов со стороны подготовленного испытателя-профессионала, который за свой труд получает деньги, — объяснил заведующий лабораторией экспериментальной нейрофизиологии ИМБП Анатолий Бадаква. — Что уж говорить об обезьянах, каждая из которых, несмотря на высокую организованность (по сравнению с другими животными), обладает собственным характером.
Впрочем, этот небольшой бунт не помешал ученым завершить исследования. После двухнедельного перерыва эксперимент был проведен повторно — в нем участвовали обе обезьяны, полностью выполнившие научную программу.
— В итоге полученных данных оказалось достаточно, что позволяет считать проведенные исследования успешными, несмотря на все возникшие трудности, — подытожил ученый.
Несмотря на несговорчивость одной из макак, эксперты высоко оценили этический аспект работы нейрофизиологов.
— Обезьяны наиболее близки к человеку как по строению организма, так и в плане поведения, что делает выбор этих животных для проведения исследований целесообразным, — отметила заместитель директора Института физиологии имени Павлова по науке Татьяна Мошонкина. — Если же говорить об этическом аспекте экспериментов, то в данном случае коллеги из ИМБП РАН продемонстрировали крайне бережное отношение к животным.
Место синтеза
Согласно результатам работы в условиях имитации невесомости обезьяны владеют джойстиком с ощутимо меньшей эффективностью. Такой вывод был сделан при сравнении средних значений косинусов углов между идеальными прямыми, проходящими между центром экрана и мишенью, и усредненной траекторией движений курсора, которой животные управляли до и после погружения в воду.
— В результате первого трехчасового эксперимента первой обезьяны косинус уменьшился с 0,565 до 0,386 (на 31,7%) и частично восстановился через сутки после эксперимента до значения 0,539, — рассказала Наталья Миллер. — При этом полное восстановление показателя произошло только через двое суток. Аналогичная динамика была получена и после второго погружения, что свидетельствует о достоверном снижении эффективности управления джойстиком у обезьян под влиянием опорной разгрузки.
Кроме того, до и после погружения животных в воду проводилась длительная микростимуляция участков первичной моторной коры М1. При этом пороговые значения тока, вызывающего определенное движение руки, не изменялись у обеих обезьян как после первого, так и после второго погружения в воду. По словам ученых, равенство пороговых значений тока свидетельствует о том, что невесомость не влияет на нейроны изучаемого ими участка мозговой коры, — таким образом, снижение эффективности управления джойстиком у обезьян не было связано с изменением ее состояния. И более вероятно, что невесомость воздействует на структуры теменной коры, ухудшая планирование и контроль движений руки при выполнении двигательной задачи. В настоящее время ученые вплотную занялись проверкой этой гипотезы.
Научную значимость результатов исследования подтвердили в Институте физиологии имени Павлова, подчеркнув необходимость продолжения работы в этом направлении.
— Данные, полученные в результате работы с двумя обезьянами, безусловно, обладают научной ценностью, — считает Татьяна Мошонкина. — Однако в будущем для их верификации может потребоваться более масштабное исследование на большем количестве животных, а также дальнейшая проверка на людях с применением неинвазивных методов (например, с помощью энцефалограммы головного мозга).
Точность в таблетке
По словам специалистов, точное определение участка мозга, обеспечивающего успешную координацию движений, приведет к появлению новых возможностей для медикаментозной коррекции негативных эффектов, возникающих при полетах в космос.
— В разных участках мозга задействуются различные вещества-медиаторы, которые участвуют в электрохимических реакциях при передаче информации между нервными клетками, — отметил Анатолий Бадаква. — Таким образом, возможна медикаментозная компенсация нарушений деятельности участков мозга вследствие опорной разгрузки, вызванной невесомостью.
Кроме того, ожидается, что новые знания в области физиологии позволят оказывать более эффективную помощь пациентам с нейродегенеративными заболеваниями, а также улучшить состояние пожилых людей с иммобилизацией и сниженной активностью.