Informácie

Aký je vplyv zníženej gravitácie na výšku človeka?

Aký je vplyv zníženej gravitácie na výšku človeka?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Nedávno sa hovorilo o vybudovaní základne buď na Mesiaci, alebo na Marse. Zaujímalo by ma, či sa narodíte a dospejete na Mesiaci, kde je gravitácia desatinou Zeme, boli by ste vyšší, ako keby ste sa narodili a vyrástli na Zemi?


Pokiaľ viem, nikto sa vo vesmíre nikdy nenarodil, takže na vašu odpoveď nemožno priamo odpovedať. Je však známe, že absencia gravitácie vedie k an zvýšenie telesnej výšky o niekoľko centimetrov. Je to spôsobené natiahnutím chrbtice, ktorá už nie je stlačená k sebe gravitačným ťahom nadol1. Napríklad astronaut Richard Hieb, ktorý strávil 2 týždne vo vesmíre, zistil, že sa jeho výška zvýšila o 1 palec (~ 2,5 centimetra)2. Strata gravitácie tiež spôsobuje, že krv a iné tekutiny migrujú z nôh do hornej časti tela, čo má za následok opuch tváre a vystupujúce žily na krku.1. Predpokladám, že tieto účinky uvádzané pri nulovej gravitácii sa aspoň čiastočne vzťahujú na 10% gravitáciu.

Zdroje
- Airbus Defense & Space
- NASA


Ako gravitácia ovplyvňuje ľudské telo a proces starnutia

Gravitácia je príťažlivá sila, ktorá zahŕňa akékoľvek dve hmotnosti, akékoľvek dve telá a akékoľvek dve častice. Čím väčší je objekt, tým robustnejšia je jeho gravitačná príťažlivosť. Zemská gravitácia je to, čo vás drží na zemi a čo spúšťa pád predmetov. Gravitácia je presne to, čo drží planéty na ich obežnej dráhe okolo Slnka a čo udržuje Mesiac na obežnej dráhe okolo Zeme. Čím ste bližšie k predmetu, tým silnejší je jeho gravitačný ťah. Gravitácia je presne to, čo vám ponúka nadváhu. Je to tlak, ktorý ťahá všetku hmotu v ľudskom tele. Sir Isaac Newton (1642-1727) sformuloval teóriu gravitácie, keď mu jablko spadlo na hlavu. Táto sila má tiež obrovský vplyv na ľudské telo.

Pravdepodobne najzrejmejším vplyvom gravitácie na systém je kompresia s chrbticou. Naša chrbtica pozostáva zo stavcov a špongiovitých platničiek. Gravitačný pohon smerom dole spúšťa disky, aby odvádzali vlhkosť po celý deň, čo spôsobuje každodenný špičkový nedostatok 1/2 ″ – 3/4 ″! Vlhkosť sa vráti na disk cez noc, ale nie 100%. Počas života sa človek môže úplne zbaviť výšky 1/2″ – 2″!

Zásadná redukcia neovplyvňuje iba zdravie chrbta, ale pôsobí ako “domino efekt ” na zvyšok ľudského tela. Vaše orgány rastú, aby sa stlačili, a tiež sa vám zvýši obvod pásu (bez toho, aby ste získali skutočnú váhu). Tieto kompresné vrásky sú spôsobené tým, že sú čiastočne priamym dôsledkom stlačenia vašej chrbtice! Výsledkom je aj vaša schopnosť pohybovať sa a ohýbať, čo často môže vážne brániť vašej schopnosti vykonávať veľmi jednoduché každodenné funkcie.

Gravitácia spôsobuje zmätok aj vo vnútri ľudského tela. V priebehu času dochádza k prolapsu alebo skĺznutiu orgánov zo svojho správneho miesta v tele. Funkčnosť orgánov bude menej ekonomická. Skutočne nie je nezvyčajné, že ľudia dnes majú problémy s močovým mechúrom, obličkami a tráviacim ústrojenstvom v dôsledku prolapsu orgánov. Z tohto dôvodu praktizujúci jogy po stáročia popravovali opierky hlavy, aby zaistili správne umiestnenie orgánov.

Flexibilita

Špičkové straty a väčšie stredy nevyhnutne vedú k zníženiu funkčnosti. Pravdepodobne najdôležitejším aspektom zachovania aktívneho spôsobu života počas starnutia je udržanie flexibility pohybu. Gravitácia nás v skutočnosti môže pripraviť o golf, záhradu na záhrade a účasť na vnukoch v neskorších rokoch.

Obeh

Ak gravitácia môže zabrániť vode prúdiť do kopca, mohla by tiež zabrániť tomu, aby krv v našom tele voľne prúdila nahor. V priebehu času si gravitácia bežne vyberá daň o obehovom systéme, čo môže mať za následok kŕčové žily, zníženú cirkuláciu pokožky hlavy a opuch končatín. Zlý obeh v očiach, ušiach, póroch a koži, pokožke hlavy a mozgu je dôvodom, prečo sa naše najvhodnejšie orgány v priebehu života zhoršujú.

Stručne povedané, zdá sa, že gravitácia je významnou príčinou (ale nie úplnou) príčinou starnutia. Jeho ťah veľmi zaťažuje orgány a schopnosti tela, čo má za následok bez námahy opotrebovanie a rýchlejšie spúšťa proces starnutia.


Účinky nulovej gravitácie na telo

Predtým, ako sa flotačné nádrže stali obľúbenejšími v kúpeľoch, používali ich predovšetkým astronauti pri výcviku. NASA stále trénuje astronautov s plávacími komorami. Je to preto, že flotačné komory simulujú prostredie nulovej gravitácie. Voda v plaveckej komore obsahuje asi 1 200 libier síranu horečnatého, vďaka čomu sa telo ľahko vznáša na hladine vody. Najmä v kombinácii s temnotou a nedostatkom zvuku, ktorý je neoddeliteľnou súčasťou zážitku z nadnášania, nie je divu, že astronauti trénujú v komore.

Účinky beztiaže sú však veľmi odlišné medzi plávajúcou komorou a dlhodobým cestovaním do vesmíru. Dlhodobé plávanie vo vesmíre môže mať na telo niektoré vážne negatívne účinky. V prostredí s nulovou gravitáciou sa svaly zmenšujú. To môže viesť k zhoršeniu funkcie kĺbov a môže tiež viesť k bolesti v celom tele. Trpia aj kosti, ktorých hmotnosť sa výrazne znižuje úmerne s časom stráveným vo vesmíre. Najdôležitejší sval tela, srdce, nie je oslobodený od tohto zmenšujúceho účinku.

Srdce je navrhnuté tak, aby pracovalo s gravitáciou Zeme. Srdce pumpuje krv silne nahor, aby bojovalo s gravitačnou silou, aby sme mohli mať dostatočný prietok krvi do hlavy. Bez gravitácie by bola sila srdca smerom nahor príliš silná. To môže spôsobiť opuch očí a tváre.

Imunitný systém tiež trpí. Astronauti môžu zažiť recidívu detských chorôb, ako sú ovčie kiahne. Choroby, ktoré sa vyskytujú v nulovej gravitácii, sa tiež ťažko liečia, pretože lieky nemusia nevyhnutne fungovať tak, ako na Zemi.

Napriek všetkým škodlivým účinkom dlhodobej beztiaže sa ukázalo, že krátkodobá beztiažová situácia plavákovej komory má významné pozitívne účinky. Výsledná svalová relaxácia umožňuje rýchlejšie hojenie zranení, ak sa aplikuje s mierou. Pacienti vo flotačných komorách uvádzajú výrazné zlepšenie bolesti svalov a kĺbov, či už je bolesť dôsledkom zranenia, genetickej predispozície alebo je spôsobená stresom.

Duševnú relaxáciu dosiahnutú krátkodobým stavom beztiaže vo vznášacej komore nenachádzajú žiadne iné prostriedky na Zemi. Keď je mozog zbavený vonkajších podnetov, už nehľadá hrozby. To je niečo, čo každý ľudský mozog prirodzene robí počas bdelosti a dokonca aj počas spánku. Keď sa mozog oslobodí od hluku, zvukov a iných rušivých vplyvov, dostane sa do stavu podobného snívaniu, no deje sa to, keď ste bdelí a máte všetko pod kontrolou.

Pozitívne účinky na zdravie v krátkodobom prostredí s nulovou gravitáciou, ktoré vytvárajú komory zmyslovej deprivácie, sú dlhodobé. Depresia, nespavosť, bolesť, PMS, nesústredenosť a stres sú výrazne znížené. Ak chcete zažiť niečo tak blízke vesmírnym cestám, aké môžete mať na Zemi s terapeutickými účinkami, kontaktujte centrum Northwest Float Center.


Nízka gravitácia

Nemôžete to vidieť, dotknúť sa, ochutnať ani cítiť. Napriek tomu môžeme jeho účinky cítiť každý deň a kumulatívne poškodenie našich tiel zažívame počas celého života. Žiadna iná sila na nás nepôsobí tak dramaticky.

Akú silu máme na mysli? GRAVITÁCIA.

Keď mu jablko spadlo na hlavu a on sformuloval gravitačný zákon, Sir Isaac Newton začal chápať úlohu gravitácie pri riadení obežnej dráhy Mesiaca. Newton si však pravdepodobne neuvedomil hlboký účinok tejto sily na ľudské telo.

Všimli ste si niekedy, že na konci dňa sú vaše nohavice v páse trochu tesnejšie? Nastavili ste si niekedy spätné zrkadlo hore a potom dole v noci? Uvedomili ste si, že po dvadsiatich rokoch strácate každých dvadsať rokov v priemere 1/2 palca? Trápia vás kŕčové žily, opuchnuté nohy alebo bolesť chrbta? Ak ste na niektorú z týchto otázok odpovedali áno otázky, ste obeťou nevyhnutnej tlakovej sily gravitácie.

Následky neustáleho ťahu gravitácie smerom nadol na naše tváre, ramená, chrbát, krk, hrudník, orgány, nohy a chodidlá sú pre väčšinu z nás bolestivo zrejmé. Gravitácia sa nikdy nevzdáva, ani nediskriminuje. Mladí alebo starí, gaučové zemiaky alebo športovci - všetci zažijeme zmenu svojho tela v dôsledku života na tejto planéte!

Cvičenie vám pomôže udržať si kondíciu a zastrihnúť sa - ale cvičenie je pre vaše telo prospešné aj škodlivé. Ako to môže byť? Hovorí sa tomu únava z kompresie: čím viac beháme, čím väčšiu váhu dvíhame, tým viac naše telo platí daň z gravitácie.

Chrbtica
Asi najpozoruhodnejším účinkom gravitácie na telo je stlačenie chrbtice. Naša chrbtica sa skladá zo stavcov a špongiovitých platničiek. Gravitačná sila smerom nadol spôsobuje, že disky strácajú vlhkosť počas dňa, čo má za následok dennú stratu výšky až 1/2" - 3/4"! Vlhkosť sa na disk vracia cez noc, ale nie 100%. Počas života môže človek natrvalo stratiť 1/2" - 2" na výške!

Pás
Strata výšky ovplyvňuje nielen zdravie vášho chrbta, ale pôsobí ako „domino efekt“ na zvyšok vášho tela. Vaše orgány sa stlačia a váš pás sa zvýši (bez skutočného prírastku hmotnosti). Pravdepodobne im hovoríte úchytky lásky, ale my im hovoríme kompresné vrásky, pretože sú sčasti priamym dôsledkom stlačenia chrbtice! To tiež ovplyvňuje vašu schopnosť pohybovať sa a ohýbať, čo môže vážne brániť vašej schopnosti vykonávať jednoduché každodenné činnosti.

Orgány
Gravitácia spôsobuje zmätok aj vo vnútri vášho tela. V priebehu času sa orgány začnú prolapsovať alebo padať zo svojho správneho miesta vo vašom tele. Orgánová funkcia sa stáva menej účinnou. Nie je nezvyčajné, že ľudia majú problémy s močovým mechúrom, obličkami a trávením kvôli vyhĺbeným orgánom. V skutočnosti po stáročia praktizujúci jogy vykonávali stojky na hlave, aby zabezpečili správne umiestnenie orgánov.

Flexibilita
Strata výšky a väčšie stredy majú za následok stratu flexibility. Asi najdôležitejšou súčasťou udržiavania aktívneho životného štýlu vo vyššom veku je zachovanie schopnosti pohybu. Gravitácia nás môže v neskorších rokoch skutočne pripraviť o schopnosť golfu, záhradky a hry s vnúčatami.

Obeh
Ak gravitácia môže zabrániť prúdeniu vody do kopca, môže tiež zabrániť voľnému prúdeniu krvi v našich telách nahor. V priebehu času si gravitácia vyberie daň na obehový systém, čo môže spôsobiť kŕčové žily, zníženú cirkuláciu pokožky hlavy a opuchy končatín. Slabá cirkulácia očí, uší, pokožky, pokožky hlavy a mozgu je jedným z dôvodov, prečo sa naše najcennejšie orgány počas života zhoršujú.

Skúste tento jednoduchý experiment, aby ste boli svedkami silného účinku gravitácie na obehový systém: na dve minúty zdvihnite pravú ruku. Spustite ruku a porovnajte pravú a ľavú ruku. Čo je viac ružové? Teraz zvážte vplyv celodenného státia na dolné končatiny. Naše telá podvedome chápu, že musíme napomáhať cirkulácii z našich končatín do srdca - ako často sa ocitnete opreté nohami o stôl alebo pohovku?

Všetky tieto problémy môžeme nazvať nevyhnutnými účinkami starnutia. Pravdou je, že sú len výsledkom konštantnej gravitačnej sily - a nie sú nevyhnutné.

Ak stále nie ste presvedčení o sile gravitácie, zvážte toto: astronauti vo vesmíre rastú o dva palce! Počas týždňov na obežnej dráhe disky astronautov naďalej absorbujú vlhkosť z krvného obehu. Bez gravitačného ťahu, ktorý by vytlačil vlhkosť von, disky zostávajú bacuľaté, čím sú ich tŕne dlhšie a samy vyššie. V skutočnosti sú skafandre navrhnuté tak, aby vyhovovali predĺženiu chrbtice o dva palce. Bohužiaľ, väčšina z nás zostane po celý život pripútaná k zemi. Tu je niekoľko spôsobov, ktorými kompenzujeme:

  • Ako plody sa všetci vyvíjame v takmer beztiažovom prostredí lona našich matiek. Počas posledného trimestra sa skutočne otočíme hore nohami, aby sme pomohli rozvoju mozgu.
  • Ako dojčatá sme často spali zdola nahor! Keď sme mali hlavu nižšie ako srdce, podporovali sme riadny prísun krvi a kyslíka do nášho mozgu
  • Ako deti radi „unikáme z gravitácie“ jazdou na hojdačkách alebo zavesením hore nohami na opice.
  • Ako dospelí opierame nohy a chodidlá o lavice alebo stoličky, aby sme kompenzovali neustálu prítomnosť gravitácie.

Nemôžeme uniknúť gravitácii, ale môžeme ju oklamať, aby pracovala PRE nás. Ako? Obrátením polohy tela pod jeho silou. Použite gravitáciu na natiahnutie a predĺženie tela. Pamätáte si štúdiu Nachemson, ktorá ukázala, že sa nemôžete vyhnúť kompresii ani tým, že si ľahnete? Tá istá štúdia ukázala, že túto kompresiu je možné prekonať použitím trakcie 60% našej telesnej hmotnosti. Mechanická trakcia môže byť príliš nepríjemná a komplikovaná a je ťažké ju cvičiť doma.

Jediný praktický spôsob, ako dosiahnuť toto množstvo naťahovacej sily, je inverzia.

Konečne sme našli jednoduchý nástroj, ktorý nám pomôže zvrátiť negatívnu tlakovú silu gravitácie na naše telo! Ak sa chcete dozvedieť viac o tom, ako môže inverzia pomôcť predĺžiť chrbticu, udržať správnu polohu orgánov, zlepšiť obeh a zvýšiť flexibilitu,


Vyrástli by ľudia narodení na Marse vyšší ako pozemšťania?

Ak sa nám niekedy podarí prekonať plodnosť a sexuálne problémy vesmíru, pravdepodobne vyskočíme malé humanoidné deti na iné planéty. Ale naše malé tyky nemusia zostať malé dlho.

Na Zemi zažívame stálu gravitačnú silu pri sile 1 g počas celého života. Na iných planétach našej slnečnej sústavy to jednoducho nie je možné. Vedci pracujú na spôsoboch, ako umožniť umelú gravitáciu, aby sa uľahčilo dlhé lety ľudských tiel. Podľa NASA väčšina astronautov rastie vo vesmíre asi 2 palce, pretože znížená gravitácia spôsobuje expanziu tekutiny medzi stavcami. Výšku strácajú do 10 dní po návrate na drvivú gravitáciu Zeme. Vzhľadom na rast používa NASA vesmírne obleky, ktoré majú ďalší priestor na umiestnenie ďalšej výšky.

(Vyrastiete aj keď spíte: Keď ležíte v posteli, gravitácia vás tlačí dole a predlžuje vašu chrbticu natoľko, že keď sa zobudíte, ste zvyčajne asi o pol palca vyšší ako minulú noc.)

Chyťte týchto Marťanov pre svoj basketbalový tím Zástanca osídlenia Marsu Robert Zubrin vyslovil teóriu, že deti narodené na iných planétach s nižšou gravitáciou, ako je Mars, ktorý má iba jednu tretinu gravitačnej sily Zeme, by v skutočnosti vyrástli o niekoľko centimetrov vyššie, než by boli. mať na Zemi. Aj keď sa gény zdedené po rodičoch nezmenia, chrbtica sa môže predĺžiť viac ako na Zemi. Marťanské deti narodené v prostredí s nízkym g našťastie netrpia problémami so svalovou hmotou a kosťami, ako to robia astronauti s dlhými letmi.

Bohužiaľ, najväčší možný problém s vašimi galaktickými globetrottermi môže vyplávať na povrch, ak sa ľudia s nízkou gravitáciou pokúsia vrátiť na Zem. Zažijú trikrát väčšiu domácu gravitáciu a môžu trpieť vážnymi problémami s kosťami. Jeden vedec z NASA, Al Globus, napríklad uvádza príklad niekoho, kto váži 160 libier. Ak by som išiel na 3g planétu, čo je ekvivalent pohybu z Marsu na Zem, vážil by som takmer 500 libier a mal by veľké problémy vstať z postele, povedal Globus. Pre deti vychované na Mesiaci alebo Marse neprichádza do úvahy štúdium na vysokej škole na Zemi.


Marťanská špecializácia

Solomon vysvetlil, že nové druhy sa vyvíjajú najčastejšie vtedy, keď bariéra bráni páreniu populácie, ako napríklad na ostrovnom súostroví, takže druhy na oddelených ostrovoch Galapágy sa vyvíjajú oddelene. S moderným ľudstvom ide tento trend, samozrejme, opačným smerom, pretože ľudia sa po planéte pohybujú rýchlosťou, ktorá v histórii ľudstva nemá obdobu. "Takže na planéte Zem by to chcelo zásadnú zmenu, aby sme si predstavili, že budeme mať populácie izolované dostatočne dlho, aby sme mohli mať odlišné druhy," povedal.

Priepasť medzi Zemou a Marsom by mohla predstavovať takú bariéru, ak by bola marťanská kolónia sebestačná a vytrvalá. Prostredníctvom prirodzeného výberu sa ľudia a všetky organizmy, ktoré si so sebou prinesú, ako napríklad rastliny, môžu vyvíjať a prispôsobovať drsnému prostrediu Marsu a nízkej gravitácii, ktorá predstavuje iba tretinu zemskej gravitácie.

Ďalšie čítanie

Bez magnetosféry je Mars bombardovaný zvýšenou rýchlosťou žiarenia, čo tiež podporuje špekulácie. Ionizujúce žiarenie spôsobuje mutáciu génov, ktorá by poskytla zdroj nových genetických variácií. To by mohlo urýchliť proces adaptácie. Na druhej strane, Solomon povedal, že vyššia radiácia môže len zabiť ľudí. Alebo to môže spôsobiť, že sa kolonisti neustále budú hrnúť do malých biotopov a vesmírnych skafandrov, viesť k existencii podobnej Morlockovi a čeliť podobnému evolučnému osudu.

V konečnom dôsledku môže ešte dlho trvať, kým dôjde k speciácii. Jediným spoľahlivým dátovým bodom, ktorý máme na Zemi, je kolonizácia Ameriky, ktorú osídlili vlny ľudí pohybujúcich sa cez Beringovu úžinu na konci poslednej doby ľadovej. Tieto populácie boli potom izolované od zvyšku sveta asi 10 000 rokov. Keď prišli Európania, našli výraznú populáciu pôvodných Američanov, povedal Solomon, ale rozhodne nie iný druh. To by naznačovalo, že na planéte s podobnou atmosférou a gravitáciou ako je Zem, bude špekulovať ľudskú populáciu viac ako 10 000 rokov. Mars samozrejme nie je tou planétou.

Ďalším faktorom, ktorý treba brať do úvahy, keď ľudia zvažujú kolonizáciu iných svetov, povedal Solomon, je „zakladateľský efekt“, čo jednoducho znamená, že keď malý počet ľudí založí novú populáciu z väčšej populácie, gény zakladateľov budú mať obrovský vplyv na to, že táto populácia sa pohybuje dopredu. Stalo sa to s malými skupinami ľudí, ktorí sa šírili z Afriky.

"Rozmýšľam o tom, aký môže byť dlhodobý osud nášho druhu," povedal Solomon. "Pri výbere kolonistov neverím, že by sme sa mali snažiť vybrať, aké atribúty chceme u nového druhu ľudí."Je však zaujímavé si myslieť, že ak by ste vzali iba ľudí z určitých populácií alebo sa pokúsili zahrnúť rozmanitosť celého ľudstva, ako by sa tieto výsledky veľmi líšili v potenciáli toho, čo by sa mohlo stať novým druhom ľudí. “


Ľudská lokomócia za podmienok zníženej gravitácie: Biomechanické a neurofyziologické úvahy

Znížená gravitácia ponúka jedinečné príležitosti na štúdium motorického správania. Tento článok si kladie za cieľ poskytnúť prehľad o súčasných problémoch známych nástrojov a techník používaných na simuláciu hypogravitácie a ich účinkoch na pohyb človeka. Chôdza a beh sa spoliehajú na oscilačnú mechaniku končatín a jedným zo spôsobov, ako zmeniť jej dynamické vlastnosti, je upraviť úroveň gravitácie. Gravitácia má silný vplyv na optimálnu rýchlosť kmitania končatín, optimálnu rýchlosť chôdze a vzorce svalovej aktivity a prechody chôdze sa vyskytujú plynulo a pri nižších rýchlostiach pri nižších úrovniach gravitácie. Zmenené pohyby ťažiska a súhra medzi postojom a dynamikou švihových nôh môžu byť výzvou pre nové formy lokomócie v heterogravitačnom prostredí. Okrem toho pozorovania nedostatku gravitačných účinkov pomáhajú odhaliť vnútorné vlastnosti generátorov pohybových vzorov a evidentne uľahčujú mimovoľné krokovanie končatinami. Vzhľadom na to sa výskum vesmírnych neurovied podieľal na vývoji nových technológií, ktoré možno použiť ako účinný nástroj na rehabilitáciu chôdze.

1. Úvod

Život sa vyvinul v prítomnosti gravitácie, ktorá má dva hlavné vplyvy na motorické funkcie: špecifickú orientáciu tela v priestore a antigravitačný svalový tonus a špecifické pravidlá pohybu v gravitačnom poli. Gravitácia hrá zásadnú úlohu v pozemskom pohybe. Dominantnou hypotézou o šablónach pre bipedálnu chôdzu v gravitačnom poli je kyvadlový mechanizmus chôdze až po stredné rýchlosti a odrazový mechanizmus behu až po najvyššie dosiahnuteľné rýchlosti [1]. Invertovaný kyvadlový mechanizmus výmeny energie prebiehajúci počas chôdze by bol optimalizovaný pri nižších rýchlostiach so zníženou gravitáciou [2, 3]. Napriek nášmu intuitívnemu oceneniu vplyvu gravitácie úplne nerozumieme tomu, ako gravitácia interaguje s inými silami, ako je napríklad zotrvačnosť, aby ovplyvnili mnohé biologické a fyzikálne procesy a aký typ synchronizácie chôdze a/alebo končatín (klus, cval, laterálna sekvencia) chôdza, tempo, skákanie cez švihadlo atď.) by sa vyvíjali na iných úrovniach gravitácie.

Pochopenie pohybových charakteristík je rozhodujúce pre tých, ktorí pracujú v oblasti biomechaniky chôdze a neurofyziológie sietí generujúcich vzorce a cvičebných protiopatrení pre astronautov. Mnoho vedcov skúmalo účinky zníženia a eliminácie gravitácie na kinematiku a kinetiku lokomotívy [4–8]. Iní študovali lokomóciu v aktuálnom stave beztiaže alebo hypogravitácii [9, 10]. Tieto techniky zahŕňali zavesené a vzpriamené zavesenie káblov, lety parabolickými lietadlami, ponorenie do vody a odstredivé metódy [6]. Rozšírené znalosti o pohybovej kinematike, kinetike, vzorcoch svalovej aktivity a modulácii senzorickej spätnej väzby môžu pomôcť uľahčiť účinnejšie protiopatrenia pri cvičení, vyvinúť inovatívne technológie na rehabilitáciu chôdze a poskytnúť nový pohľad na naše chápanie fyziologických účinkov gravitácie. V tomto prehľade zvážime známe nástroje a techniky používané na simuláciu hypogravitácie a ich účinky na ľudský pohyb.

2. Metódy a zariadenia pre simuláciu zníženej gravitácie

Vesmírne lety sú priamejším spôsobom hodnotenia účinku gravitácie na pohyb, ale štúdium pohybu v skutočnej hypogravitácii je náročné a drahé [6]. Nevýhody experimentov s kozmickými letmi zahŕňajú ťažkosti pri používaní potrebného hardvéru na zber údajov a pri vykonávaní experimentu s primeranou veľkosťou vzorky. Parabolický let ponúka životaschopnú alternatívu, ale obdobia beztiaže sú obmedzené na

20 s, čo umožňuje iba vyšetrenia akútnej lokomócie [11].

Existuje niekoľko zariadení, ktoré sa v minulosti používali na simuláciu zníženej gravitačnej lokomócie. Jeden z viac používaných systémov je vertikálna podpora telesnej hmotnosti (BWS) (obrázky 1 (a) a 1 (b)). Tieto druhy simulátorov sa zvyčajne získavajú na podporu subjektov v postroji, ktorý aplikuje riadenú silu smerom nahor. Mechanizmus WARD [12] napríklad pozostáva z mechanického prevodu poháňaného pneumatickým valcom (obrázok 1 (b)). Drží sa vo vozíku, ktorý sa posúva dopredu a dozadu po dráhe. Posuv mechanizmu s nízkym trením zaisťuje, že na subjekt pôsobia iba zvislé sily. Vertikálne systémy BWS môžu tiež využiť malé zvýšenie tlaku vzduchu okolo spodnej časti tela používateľa na vytvorenie zdvíhacej sily približne v ťažisku osoby [13]. Iné vertikálne systémy [8, 14] používajú sériu vyhovujúcich gumových pružinových prvkov, ktoré sú natiahnuté, aby vytvorili silu smerujúcu nahor (na simuláciu gravitácie menšej ako 1 g) alebo nadol (na simuláciu gravitácie väčšej ako 1 g) (obrázok 1(a) ). Hlavným obmedzením týchto simulátorov zníženej gravitácie (okrem vysokého lokálneho tlaku na kožu cez postroj) je, že každá podporná končatina zažije simulované zníženie gravitácie úmerné použitej sile, zatiaľ čo kývavá končatina zažije 1 g.


a) Vertikálny systém na simuláciu zmenenej gravitácie
(b) Vertikálne BWS
(c) Naklonený BWS
d) Naklonené BWS
e) Systém zavesenia na chrbte
f) Pasívny gravitačný vyvažovací systém
a) Vertikálny systém na simuláciu zmenenej gravitácie
b) Vertikálne BWS
c) Naklonené BWS
d) Naklonené BWS
e) Závesný systém na chrbte
f) Pasívny gravitačný vyvažovací systém Simulátory zníženej gravitácie pre pohyb. a) Schéma vertikálneho systému používaného na simuláciu rôznych hodnôt gravitácie (prekreslené z [8]). R: gumičky, B: tyče z ľahkého kovu, M: elektrický motor na natiahnutie systému elastických pásov, PL: kladky na prevrátenie smeru ťahu na predmet (prerušované čiary). (b) Systém podpory vertikálnej telesnej hmotnosti (BWS): subjekt chodí na bežiacom páse s rôznymi úrovňami BWS, pričom je podopretý v postroji, ťahaný smerom nahor prednastavenou vykladacou silou

Naklonené systémy BWS (obrázky 1 (c) a 1 (d)) sú konštruované tak, aby simulovali realistickejšie efekty zmien gravitácie na postoji a kyvných nohách v sagitálnej rovine. Tieto simulátory, ktoré v minulosti používali Roscosmos (Ruská federálna vesmírna agentúra) aj NASA na výcvik astronautov pred letom do vesmíru [15–17], sú založené na myšlienke neutralizácie zložky gravitačnej sily, ktorá je normálna pre ležiacich povrch [mg

cos (α), kde α je uhol sklonu], pričom zložka gravitačnej sily pôsobiacej na telo a kývajúce sa končatiny v sagitálnej rovine je vzhľadom na uhol sklonu zmenšená [mg sin (α)]. Podobný koncept bol použitý v simulátore zníženej gravitácie (obrázok 1(d)), ktorý navrhli Ivanenko a kol. (Taliansky patent číslo Rm2007A000489): subjekt leží na boku na naklonenom gauči (až 40 ° od horizontálnej polohy) s obidvoma nohami zavesenými v exoskelete a stúpajúcimi na bežeckom páse, ktorý je naklonený do rovnakého uhla [7, 18, 19]. Tento simulátor obsahoval dodatočnú hmotnosť nakloneného podvozku (

15 kg) a exoskeleton (1,5 kg na každú nohu). Celé zhromaždenie teda malo hmotnosť

18 kg, čo zvýšilo gravitačné aj zotrvačné sily pri chôdzi.

Ďalšou triedou gravitačných manipulácií je „zariadenie zaťažujúce subjekt“ (SLD), ktoré aplikuje gravitačnú náhradnú silu v smere nadol na povrch. Tento typ SLD možno použiť vo vertikálnych systémoch na zvýšenie gravitácie [8] alebo v ležiacej polohe (obrázok 1(e)). Keď astronaut kráča alebo beží na bežiacom páse v stave beztiaže, používa sa záťažové zariadenie, ktoré ho vráti späť na pás bežiaceho pásu a zaťaží končatiny. Zaťaženie nahradzujúce gravitáciu sa prenáša cez postroj na panvu a/alebo ramená. Gravitačné simulátory môžu simulovať aktívny beh na bežeckom páse v stave beztiaže a poskytnúť metódu testovania navrhovaných zlepšení v dizajne SLD a cvičebných protokoloch [20, 21]. V závesných systémoch na chrbte (obrázok 1(e)) sú subjekty zavesené horizontálne pripevnené k latexovým gumovým šnúram. K horným a dolným ramenám a nohám je pripevnený látkový rukáv a gumová šnúra (celkovo osem) [20]. Obmedzením tohto systému je lokálny tlak na niektoré časti tela (napr. Ramená) a zmeny dynamiky švihovej fázy v dôsledku nekonštantných síl gumových šnúr a gravitácie pôsobiacej v predozadnom smere pohybov nôh (obrázok 1 (e) ).

Na základe technológie pasívneho gravitačného vyrovnávania, Ma et al. [22, 23] navrhli koncepciu pasívneho simulátora zníženej gravitácie na simuláciu chôdze ľudí alebo iných aktivít v prostredí so zníženou gravitáciou pre potenciálne aplikácie výcviku astronautov a vesmírnych cestovateľov (obrázok 1 (f)). Systém pozostáva z 3-DOF duálneho paralelogramového mechanizmu, 2-DOF zostavy podpory trupu a páru 3-DOF exoskeletov nôh. Hmotnosť tela a nôh je kompenzovaná pružinovým vyváženým dvojitým paralelogramovým mechanizmom a zostavou podpory trupu a hmotnosť každej nohy je kompenzovaná exoskeletom nohy. Systém je schopný simulovať ľudskú chôdzu a skákanie v hypogravitačnom prostredí [24]. V súčasnosti prebiehajú prototypy hardvéru a experimentálne štúdie nového systému.

V nasledujúcej časti diskutujeme o základných princípoch adaptácie pohybu na rôzne hodnoty gravitácie pomocou tu popísaných technológií.

3. Biomechanické aspekty pohybu pri zníženej gravitácii

Napriek niektorým rozdielom všetky prístupy simulácie redukovanej gravitácie ukazujú primeranú aproximáciu zníženia gravitačnej sily pôsobiacej na ťažisko tela (COM) a podobné výsledky týkajúce sa rýchlosti prechodov chôdze. Dôležitým dôsledkom kyvadlového správania sa končatín v gravitačnom poli je princíp dynamickej podobnosti [29], ktorý uvádza, že geometricky podobné telesá, ktoré sa spoliehajú na kyvadlovú mechaniku pohybu, majú podobnú dynamiku chôdze pri rovnakom Froudeovom čísle :

kde je rýchlosť pohybu, je gravitačné zrýchlenie a je charakteristická dĺžka nohy. To znamená, že všetky dĺžky, časy a sily sa menia podľa rovnakých faktorov. Aby sa optimalizovalo získavanie mechanickej energie, musia byť kinetická energia a krivky potenciálnej energie rovnaké v amplitúde a opačné vo fáze ako v kyvadle. Za predpokladu, že zmena kinetickej energie v každom kroku je rastúcou funkciou rýchlosti chôdze (zatiaľ čo zmena potenciálnej energie je úmerná gravitácii), bola navrhnutá hypotéza, že mechanizmus výmeny energie podobný obrátenému kyvadlu počas chôdze by bol optimalizované pri nižších rýchlostiach pri zníženej gravitácii [3, 10]. Optimálna výmena medzi potenciálnou a kinetickou energiou COM nastáva pri Fr

0,25 [2] (obrázok 2(a)). Aj keď špecifické proporcie segmentov končatín môžu hrať zásadnú úlohu v kinematike a energetike chôdze [30], anatómia zvierat a individualizované rozmery segmentov končatín sú optimalizované tak, že Froudeho číslo môže vysvetliť optimálnu rýchlosť chôdze.


(a)
b)
(c)
(a)
b)
(c) Biomechanické vlastnosti pohybu v podmienkach zníženej gravitácie. a) Optimálna (modrá) a prechodová rýchlosť (zelená) ako funkcia gravitácie. Dynamicky podobné rýchlosti predpovedané Fr = 0,25 a Fr = 0,5 sú označené modrými a zelenými prerušovanými krivkami [25]. Zelené kruhy a hviezdy označujú merania optimálnych prechodových rýchlostí medzi chodcami a behmi v simulovaných podmienkach nízkej gravitácie [5, 18]. Sivý trojuholník naznačuje skorší odhad optimálnej rýchlosti chôdze, ktorý pre gravitačné prostredie Mesiaca predpovedali Margaria a Cavagna [3]. Modré trojuholníky označujú optimálne rýchlosti (pri ktorých dochádza k väčšine mechanickej výmeny medzi potenciálnou a kinetickou energiou telesného ťažiska) získané v simulačnej štúdii Griffina a kol. [26]. Modré kruhy predstavujú merania optimálnej rýchlosti získané počas parabolického letu [10, 27]. (b) Časový priebeh čistej vertikálnej zložky reakčných síl v topánke vynesený ako funkcia priestorových súradníc chodidla pri rôznych úrovniach zníženej gravitácie. Všimnite si zmeny vertikálnej mierky v stave 0,05 g. Pravý dolný panel zobrazuje trajektórie stredu tlaku superponované na obrys nohy (upravené z [28]). c) Maximálna pozdĺžna rýchlosť chodidla a odchýlka chodidla

Na Zemi sa chôdza a beh bežne používajú pre rôzne rýchlosti pohybu, pričom k preferovanému prechodu dochádza pri

2 m/s pre dospelých ľudí a pri nízkych rýchlostiach pre deti (Fr

0,5), v súlade s teóriou dynamickej podobnosti [29]. Rôzne štúdie [4, 18] demonštrovali, že na nižších úrovniach gravitácie sa prechod chodcom uskutočňoval postupne nižšími absolútnymi rýchlosťami, ale približne na rovnakom Froudeovom čísle (obrázok 2 (a)).

Napriek podobnostiam pri aproximácii zníženej gravitácie existujú napriek tomu zásadné rozdiely medzi rôznymi prístupmi simulácie. Premenné, ktoré vykazovali najväčšie rozdiely medzi vertikálnymi a naklonenými systémami so zníženou gravitáciou (obrázok 1), boli maximálna pozdĺžna rýchlosť chodidla a pozdĺžna exkurzia chodidla (obrázok 2 (c)), v súlade s významnými gravitačnými vplyvmi na dynamiku švihu [7]. Aj keď maximálna pozdĺžna rýchlosť chodidla pre stav nakloneného BWS klesla len mierne v porovnaní s vertikálnym BWS, skutočný pokles bol oveľa zreteľnejší, ak vezmeme do úvahy, že bol výrazne kompenzovaný alebo maskovaný prírastkami dĺžky kroku [ 7]. Predchádzajúca modelovacia štúdia tiež predpovedala diferenciálne efekty gravitácie vo fázach postoja a švihu [31]. V skutočnosti boli zmeny pozdĺžnej odchýlky chodidla v zásade opačné pre vertikálne a naklonené systémy BWS (obrázok 2 (c)). Pre prvý systém sa amplitúda pozdĺžneho pohybu nohy znížila, zatiaľ čo pre druhý systém vzrástla v porovnaní s podmienkou 1 g. Vzhľadom na monotónny (pravdepodobne proporcionálny [32]) vzťah medzi dĺžkou kroku a maximálnou rýchlosťou chodidla pri danej úrovni gravitácie (1 g) by sa očakávalo, že špičková rýchlosť chodidla bude

1,5-krát vyššia pre vertikálu ako pre naklonený BWS stav, ak boli dĺžky krokov podobné (obrázok 2(c)). Predchádzajúce štúdie o parabolických letoch skúmajúce vplyv gravitácie na mechaniku chôdze preukázali prírastky v trvaní švihovej fázy (o 29% pri 0,25 g [33] pozri tiež [11]), v súlade so značným príspevkom gravitácie na švihovú nohu . Zistenia celkovo ukazujú, že gravitácia pôsobiaca na postojové a švihové nohy hrá dôležitú úlohu pri formovaní pohybových vzorov.

4. Nelineárna reorganizácia vzorov EMG

Je známe, že záťaž hrá kľúčovú úlohu pri formovaní vzorovaného výkonu motora počas kroku [34–36] a ľudia vytvárajú špecifický vzor valenia od päty k špičke počas postoja v podmienkach normálnej gravitácie. Kontaktné sily so zemou odrážajú čisté zvislé a šmykové sily pôsobiace na kontaktnú plochu a vyplývajú zo súčtu produktov hmotnostného zrýchlenia všetkých segmentov tela, keď je noha v kontakte so zemou [37]. Simulácia zníženej gravitácie medzi 0,05 a 1 g odhaľuje drastické zmeny kinetických parametrov, ale obmedzené zmeny kinematickej koordinácie [28]. Uvedená presná kontrola kinematiky končatín/chodidiel [28] môže závisieť od mechanizmov kompenzácie zaťaženia a posunu, ktoré efektívne fungujú v celom rade kontaktných síl so zemou, od hmotnosti celého tela až po <5% jeho hodnoty. Špičkové zvislé kontaktné sily sa znižujú úmerne gravitácii, ale pri 0,05 g pôsobia iba na prednú časť chodidla (obrázok 2 (b)). Počas zaťaženia dolných končatín sa môžu aktivovať rôzne receptory, ako sú Golgiho šľachové orgány, kožné receptory chodidla a vretienka z natiahnutých svalov [36]. Tieto senzorické signály interagujú s centrálnymi centrami generujúcimi rytmus a pomáhajú pri formovaní motorických vzorov, riadení fázových prechodov a posilňovaní prebiehajúcej aktivity [38, 39]. Napríklad zaťaženie končatiny zvyšuje aktivitu antigravitačných svalov počas postoja a odďaľuje nástup ďalšej flexie [40]. Je dôležité porozumieť mechanizmom senzomotorickej adaptácie na biomechaniku lokomócie a uloženia/zaťaženia chodidla v heterogravitácii, najmä dlhodobejším zmenám zaťaženia.

Kľúčovým znakom adaptácie na hypogravitáciu je pozoruhodné nelineárne škálovanie vzorcov svalovej aktivity v rozpore s monotónnymi zmenami v zaťažení chodidiel. Najjednoduchší druh zmeny so simulovanou zníženou gravitáciou [28] bol pozorovaný u extenzorov členka: priemerná amplitúda aktivity sa systematicky znižovala s klesajúcou simulovanou gravitáciou, čo je v súlade s ich antigravitačnou funkciou [35, 41]. Naopak, správanie iných svalov nebolo možné predpovedať jednoducho na základe statického zaťaženia počas postoja. Amplitúda a vzor svalovej aktivity vo všeobecnosti záviseli od rýchlosti a mohli sa meniť nemonotónne pri zaťažení tela. Došlo tiež ku komplexnej reorganizácii vzoru aktivity stehenných svalov s klesajúcou simulovanou gravitáciou, ako aj k pozoruhodným individuálnym rozdielom [28]. Obrázok 3(a) ilustruje príklad nelineárnej reorganizácie EMG vzorov u jedného subjektu kráčajúceho rýchlosťou 3 km/h. S uvoľnením telesnej hmotnosti, gluteus maximus a distálne extenzory nôh znížili svoju aktivitu, zatiaľ čo iné svaly vykazovali „paradoxný“ prírastok aktivácie (napr. kvadricepsy) alebo značné zmeny v aktivačných vlnách (svaly hamstringov). Všimnite si tiež absencie typického výbuchu RF na začiatku fázy švihu pri nízkych simulovaných úrovniach gravitácie (obrázok 3 (a)), čo je v súlade s inými štúdiami o účinku vykladania telesnej hmotnosti [42] a rýchlosti chôdze [43] . Je nepravdepodobné, že by tieto zmeny boli spôsobené poradím skúšok alebo dôsledkom učenia sa stavu hypogravitácie, pretože poradie prezentácií rýchlostí a BWS bolo randomizované medzi reláciami a experimentmi [28]. Tiež trvanie každého pokusu bolo

1 min, s aspoň 2 min prestávkou medzi pokusmi a krátkou (

30 s) tréningové obdobie chôdze pri rôznych rýchlostiach bolo povolené pre každú simulovanú úroveň zníženej gravitácie pred začatím skutočného zberu údajov (vzorce chôdze sa zvyčajne rýchlo prispôsobujú simulovanej zníženej gravitácii [4, 5]). Táto reorganizácia pravdepodobne súvisí s multifunkčným (biartikulárnym) pôsobením týchto svalov a s potrebou prerozdeliť príspevky kĺbového krútiaceho momentu medzi rôzne svaly ako funkciu zmien vyvolaných gravitáciou. Pri 1 g bol hlavný vrchol m. aktivita biceps femoris, ku ktorej dochádza pred kontaktom päty, slúži na spomalenie kývajúcej sa končatiny [37]. Keď sa však gravitácia zníži, jej hlavná aktivita sa vyskytuje v strednom a neskorom postoji, pravdepodobne v súvislosti s potrebou pomôcť klenbe nad obráteným kyvadlom končatiny postoja a začatiu švihu.


(a)
b)
(a)
b) Nelineárna reorganizácia vzorcov svalovej aktivity. (a) Príklad elektromyografickej (EMG) aktivity svalov dolných končatín oproti normalizovanému cyklu chôdze je znázornený pre subjekt kráčajúci rýchlosťou 3 km/h pri rôznych simulovaných úrovniach zníženej gravitácie [28]. b) Priemerná aktivita EMG vypočítaná z cyklu chôdze a spriemerovaná zo všetkých cyklov a subjektov (

Za nelineárnu reorganizáciu vzorcov svalovej aktivity s gravitáciou môžu byť rôzne faktory. Nelineárne škálovanie sa tiež vyskytuje pri chôdzi rôznymi rýchlosťami pri 1 g. Napríklad aktivita VL a RF je pri nízkych rýchlostiach pomerne malá (menej ako

3 km/h), ale stáva sa výrazným pri vyšších rýchlostiach (> 4 km/h) (obrázok 3 písm. B)), čo je rýchlosť, ktorá je v súlade s účinkom uvedeným v literatúre [28, 43, 45, 46]. Vzhľadom na to je potrebné zdôrazniť, že chôdza pri nižších úrovniach gravitácie rovnakou rýchlosťou (obrázok 3 písm. A)) zodpovedá chôdzi pri vyšších rýchlostiach, ak sa ako bezrozmerný parameter použije Froudeho číslo (napr. Prechod chôdzou a behom 0,25 g) sa vyskytuje pri

4 km/h, obrázok 2(a)), takže „paradoxné“ prírastky VL a RF EMG aktivity na obrázku 3(a) môžu odrážať vyššie biomechanické nároky na proximálne svaly nôh pri vyšších bezrozmerných rýchlostiach. Nelineárna reorganizácia EMG vzorov bola tiež pozorovaná pri použití exoskeletonových robotických zariadení, ktoré poskytujú podporu telesnej hmotnosti [42, 47]. Zmeny referenčnej konfigurácie tela počas postoja (mierne ohnuté držanie tela [48, 49]) môžu prispieť k väčšej aktivite aj proximálnych extenzorov. Nakoniec existuje diferenciálny účinok rýchlosti na aktivitu svalov kvadricepsu pri znížených úrovniach gravitácie: aktivita VL a RF sa zvyšuje pri nízkych rýchlostiach (<3 km/h), zatiaľ čo pri vysokej rýchlosti (5 km/h) klesá (obrázok 3 (b) )). Pri cvičebných obranných opatreniach pre astronautov by sa malo vziať do úvahy aj potenciálne nelineárne zmenšenie svalovej aktivity pri väčšine pohybov celého tela v mikrogravitácii.

5. Rôzne chody

Berúc do úvahy komplexné, vysokorozmerné, dynamicky spojené interakcie medzi organizmom a gravitačným prostredím, v zásade je jedným z náročných riešení prijatie rôznych koordinačných vzorov a nielen optimálnej rýchlosti lokomócie. Sú na iných planétach možné rôzne chody?

Jeden prístup k štúdiu lokomotorických adaptácií je pozrieť sa na vplyv gravitácie na prechody chôdze. Chôdza bola definovaná ako „pohybový vzor charakteristický pre obmedzený rozsah rýchlostí opísaný veličinami, z ktorých sa jedna alebo viac diskontinuálne mení pri prechode na iný chod“ [29]. Dôležitým aspektom prechodov chôdze je nespojité prepínanie, ku ktorému dochádza v určitom bode pri zmene rýchlosti progresie (hoci môžu existovať určité výnimky [50–52]). Ako už bolo uvedené (obrázok 2(a)), gravitácia má silný vplyv na rýchlosť, pri ktorej dochádza k prechodom chôdze (Fr

0,5). Prekvapivo sme však zistili [18, 19], že na nižších úrovniach simulovanej gravitácie bol prechod medzi chôdzou a behom vo všeobecnosti pozvoľný, bez akejkoľvek výraznej prudkej zmeny parametrov chôdze alebo výbuchov EMG (obrázok 4(a)). Súviselo to s výrazným predĺžením švihovej fázy, ktorej trvanie sa prakticky rovnalo postoju v blízkosti rýchlosti prechodu behom a s postupným prechodom z chôdze s obráteným kyvadlom (chôdza) na chôdzu v odrážaní (beh) ). Nedostatok nespojitých zmien vo vzorci lokomotorických charakteristík závislých od rýchlosti v prostredí s nízkou gravitáciou (obrázok 4 (b)) je v súlade s myšlienkou kontinuálneho posunu v stave danej sady centrálnych generátorov vzorov, a nie s aktiváciou samostatnej sady centrálnych generátorov vzorov pre každú odlišnú chôdzu [19].


(a)
b)
(a)
b) Hladkosť/prudkosť prechodov chôdze na rôznych úrovniach gravitácie. (a) Vzory EMG soleus (SOL) počas pomalých zmien rýchlosti pásu bežiaceho pásu (spodné panely) u jedného reprezentatívneho subjektu pri 0,16 g (vľavo) a 1 g (vpravo). Horné panely: príklady kriviek SOL EMG (vľavo, vykreslené proti času vpravo, vykreslené proti normalizovanému cyklu) počas 5 po sebe idúcich krokov oboch nôh okolo prechodu od chôdze (čierne čiary) k behu (sivé čiary). Bodkované krivky označujú (prechodný) krok nohy, v ktorom fáza švihu prvýkrát prekročila 50 % cyklu chôdze. Spodné vodorovné pruhy označujú fázu postoja (čierna) a švihu (biela). Spodné panely: farebné mapy predstavujú sekvenciu diskrétnych aktivačných kriviek (vertikálne rezy).

-os udáva počet cyklov chôdze (zodpovedajúci vhodnému načasovaniu pokusu),

-os indikuje normalizovaný cyklus chôdze (od dotyku k ďalšiemu dotyku) a farba označuje amplitúdu EMG. Biela čiara označuje, kedy došlo k odtrhnutiu. Zvislé prerušované čiary označujú prechody medzi chodcami (W-R) a run-to-walk (R-W). Všimnite si prudkých zmien v relatívnom trvaní postoja a vzorcoch aktivácie svalov pri prechodoch chôdzou na 1 g a pri prechode z chôdze na beh pri 0,16 g nie je zrejmé žiadne rozlíšenie týchto parametrov. b) Schematické znázornenie plynulosti prechodov chôdze ako funkcie gravitácie. Oranžová krivka symbolizuje bezrozmernú rýchlosť prechodu, ktorá je v súlade s teóriou dynamickej podobnosti (o

Je zaujímavé, že plynulosť prechodov chôdze je sprevádzaná postupným posunom od obráteného kyvadla k odrazovej chôdzi, čo vedie k „paradoxnému“ behu obráteného kyvadla v blízkosti prechodov beh-chôdza a chôdza-beh [18]. Fáza švihu môže mať na chôdzu väčší vplyv, ako sa pôvodne predpokladalo. Napríklad relatívne pomalší švih a dlhšie exkurzie (naklonený stav BWS, obrázok 2 (c)) môžu vyvolať otázky týkajúce sa optimality alebo pohodlia pri chôdzi a môžu predstavovať potenciálne odlišné preferované chody, ako napríklad skákanie na Mesiaci pozorované u astronautov Apolla ( hoci lunárny oblek obmedzuje rozsah pohybu v kĺboch ​​nôh a môže tiež prispieť k ochabnutej chôdzi na Mesiaci [9]). Výsledné zmeny v medzisegmentálnej a interlimbovej koordinácii môžu zasa ovplyvniť pohyb COM. Výsledky celkovo podporujú myšlienku hľadania nových foriem lokomócie (dvojnohej aj štvornožkovej) v heterogravitačnom prostredí [54] na základe súhry medzi dynamikou postoja a švihu, zmenenou väzbou medzi končatinami a zmeneným stredom pohybov hmoty.

Ďalšie významné vplyvy gravitácie na krátkodobé a dlhodobé adaptácie chôdze môžu súvisieť s jej účinkami na telesnú referenčnú konfiguráciu [48, 49] a anticipačné mechanizmy pohybov končatín a tela [55, 56]. Napríklad základom obvyklého držania tela je posturálny tonus kostrových svalov a mikrogravitácia spôsobuje podstatné zmeny svalového tonusu a držania tela [48, 49]. Na základe klinických pozorovaní sa nedávno tvrdilo, že každá úvaha o povahe a výbere preferovanej chôdze (napr. Bipedálna verzus štvornožková) by mala zahŕňať zváženie mechanizmov určujúcich voľbu obvyklého držania tela v bezvedomí [57]. Tiež, analogicky s výsledkami založenými na pohyboch horných končatín súvisiacich s časom kontaktu [55] alebo plánovaním pohybu [58], anticipačné posturálne a lokomočné úpravy pohybov dolných končatín (napr. Na kontrolu úderu päty alebo presné umiestnenie chodidla) by malo brať do úvahy gravitáciu. Zmenené gravitačné podmienky preto môžu ovplyvniť aj úlohy súvisiace s pohybom, ako napríklad prejazd stacionárnych a pohyblivých prekážok počas iniciácie/ukončenia chôdze alebo chôdze [56, 59, 60].

Nakoniec môže byť repertoár známych chodov rozšírený o rôzne zvieratá. Napríklad na Zemi môže na vode behať iba niekoľko druhov nôh, ako napríklad hmyz stridži a niektoré vodné vtáky a jašterice. U väčšiny ostatných druhov, vrátane ľudí, to vylučuje veľkosť tela a proporcie, nedostatok vhodných príveskov a obmedzená svalová sila. Ak je však gravitácia znížená na menej ako gravitácia Zeme, beh na vode by mal vyžadovať menšiu svalovú silu. Nedávno Minetti a kol. [53] použili tento hydrodynamický model Glasheena a McMahona [61] na predpovedanie úrovní gravitácie, pri ktorých by ľudia mali byť schopní behať po vode a testovali hypotézu v laboratóriu pomocou simulátora redukovanej gravitácie (obrázok 5). Výsledky ukázali, že hydrodynamický model jašteríc baziliška tečúcich po vode [61] je možné použiť aj na ľudí, napriek obrovskému rozdielu vo veľkosti tela a morfológii. Zvlášť 22% gravitácie Zeme je maximum, pri ktorom môžu ľudia behať po vode, ak im pomáha malá tuhá plutva (obrázok 5) [53]. Za zmienku tiež stojí napríklad obmedzenie nášho muskuloskeletálneho systému pri vytváraní sily/sily (vytrvalosti), frekvencia kroku u ľudí je obmedzená na približne 2 Hz, bez ohľadu na to, aká je planéta. Na Zemi je najväčším zvieraťom, ktoré môže bežať na vode, pravdepodobne západný Grebes, a dokonca aj tieto vtáky môžu bežať iba niekoľko sekúnd, pretože produkcia sily je v zásade anaeróbna (účastníci [53] mohli bežať pri simulovanej gravitácii „mesiaca“ iba pre

10 s). Naopak, pri zníženej gravitácii (Mesiac) mohli tieto vtáky bežať po vode očarujúcim spôsobom oveľa dlhšie.


(a)
b)
(a)
b) Beh po vode pri simulovanej zníženej gravitácii. Modrá krivka predstavuje čistý vertikálny impulz dostupný na beh po vode, ako predpovedá model použitý Minetti et al. [53]. Stĺpce predstavujú počet subjektov zo 6, ktoré sú schopné vyhnúť sa potopeniu pri rôznych simulovaných hodnotách gravitácie. Obe premenné ukazujú, že 22% gravitácie Zeme (

6. Klinické dôsledky

Znížená gravitácia tiež ponúka jedinečné príležitosti na prispôsobenie základných vzorov zmeneným lokomotorickým podmienkam pre rehabilitáciu chôdze. Systémy podpory telesnej hmotnosti v spojení s robotickými zariadeniami alebo farmakologickými ošetreniami sa v súčasnosti často používajú v rehabilitačnej praxi na pomoc fyzickej terapii jedincov s neurologickými poruchami. Nebudeme skúmať žiadnu podrobnú analýzu klinických výsledkov pre ambuláciu pri použití lokomotorického tréningu so systémami podpory telesnej hmotnosti a pozrieme sa na ďalšie prehľady [64]. Napriek tomu stojí za to zdôrazniť uľahčujúci účinok nedostatku gravitácie na rytmogenézu a jej potenciál na obnovu chôdze.

Vyvíjajú sa nové farmakologické stratégie [65] a techniky elektromagnetickej stimulácie [62, 66–68] zamerané na moduláciu spinálnej aktivity a obnovu pohybových funkcií. Obvody generátora spinálneho centrálneho vzoru (CPG) je možné ľahko aktivovať u zdravých ľudí v gravitačne neutrálnej polohe použitím tonických centrálnych a periférnych senzorických vstupov. Aby sa minimalizovalo zasahovanie do prebiehajúcej úlohy kontroly telesnej hmotnosti a rovnováhy, pri našľapovaní vzduchom sa pri absencii gravitačných vplyvov a vonkajšieho odporu vyvolávajú krokové pohyby. Obrázok 6 ilustruje príklady nedobrovoľných rytmických pohybov zavesených nôh vyvolaných elektrickou stimuláciou peroneálneho nervu [62] a pri chôdzi rukou [63]. Bolo navrhnuté, že funkčné multisenzorické stimulácie a funkčné nervové spojenie medzi pažou a nohami môžu kontrolovať prístup CPG senzorickými a centrálnymi aktiváciami a strhávať pohybové nervové siete a podporovať obnovu chôdze. Takéto výskumy môžu prispieť ku klinickému vývoju terapií modulujúcich centrálny generátor vzorov a neuroprotetických technológií [65, 69].


(a)
b)
(a)
b) Vyvolávanie nedobrovoľných krokových pohybov končatín v simulovaných podmienkach beztiaže (gravitačne neutrálne). (a) Príklad mimovoľných rytmických pohybov zavesených nôh vyvolaných elektrickou stimuláciou (ES) peroneálneho nervu zo štúdie Selionova et al. [62]. Všimnite si absencie rotácií členkového kĺbu počas evokovaného vzduchového kroku. (b) Príklad evokovaných rytmických pohybov nôh počas chôdze rukou u jedného subjektu zo štúdie Sylos-Labini et al. [63]. RF, rectus femoris, BF, biceps femoris, TA, tibialis anterior, LG, lateral gastrocnemius, FCU, flexor carpi ulnaris, BIC, biceps brachii, DELTa, anterior deltoid, ST, and semitendinosus. Ruka a noha označujú predo-zadné posuny ľavej ruky a chodidla.

7. Záverečné poznámky

Táto perspektíva načrtáva interdisciplinárny prístup na rozšírenie našich poznatkov o adaptácii ľudského pohybu na hypogravitačné prostredie, vrátane biomechanických, neurofyziologických a komparatívnych aspektov, účinných protiopatrení pri cvičení pre astronautov a dokonca aj exobiológie nových foriem pohybu na rôznych planétach. Nástroje a techniky používané na simuláciu hypogravitácie a ich účinky na pohyb človeka poskytujú nový pohľad na naše chápanie fyziologických účinkov gravitácie. Priaznivý vplyv beztiaže na rytmogenézu by ešte viac zvýšil užitočnosť tohto prístupu a vývoj inovatívnych technológií pri rehabilitácii chôdze.

Konflikt záujmov

Autori vyhlasujú, že v súvislosti s publikovaním tohto článku neexistuje konflikt záujmov.

Poďakovanie

Túto prácu podporilo talianske ministerstvo zdravotníctva, talianske ministerstvo pre univerzitu a výskum (projekt PRIN) a talianska vesmírna agentúra (granty DCMC, CRUSOE a COREA).

Referencie

  1. R. J. Full a D. E. Koditschek, „Šablóny a kotvy: neuromechanické hypotézy pohybov na nohách na zemi“, Časopis experimentálnej biológie, zv. 202, č. 23, s. 3325–3332, 1999. Zobraziť na: Google Scholar
  2. A. E. Minetti, „Nemenné aspekty ľudskej lokomócie v rôznych gravitačných prostrediach“ Acta Astronautica, zv. 49, č. 3 �, s. 191–198, 2001. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  3. R. Margaria a G. A. Cavagna, „Human lokomócia v subgravitácii“, Letecká medicína, zv. 35, s. 1140–1146, 1964. Zobraziť na: Google Scholar
  4. R. Kram, A. Domingo a D. P. Ferris, „Vplyv zníženej gravitácie na preferovanú rýchlosť prechodu chôdze a behu“, Časopis experimentálnej biológie, zv. 200, č. 4, s. 821–826, 1997. Zobraziť na: Google Scholar
  5. J. M. Donelan a R. Kram, „Účinok zníženej gravitácie na kinematiku ľudskej chôdze: test hypotézy dynamickej podobnosti pre lokomóciu,“ Časopis experimentálnej biológie, zv. 200, č. 24, s. 3193–3201, 1997. Zobraziť na: Google Scholar
  6. B. L. Davis a P. R. Cavanagh, „Simulácia zníženej gravitácie: prehľad biomechanických problémov týkajúcich sa pohybu ľudí“ Letecký vesmír a medicína životného prostredia, zv. 64, č. 6, s. 557–566, 1993. Zobraziť na: Google Scholar
  7. F. Sylos-Labini, Y. P. Ivanenko, G. Cappellini, A. Portone, M. J. Maclellan a F. Lacquaniti, „Zmeny kinematiky chôdze v rôznych simulátoroch zníženej gravitácie“ Journal of Motor Behavior, zv. 45, č. 6, s. 495–505, 2013. Zobraziť na: Google Scholar
  8. G. A. Cavagna, A. Zamboni, T. Faraggiana a R. Margaria, „Skákanie na mesiac: výkon pri rôznych hodnotách gravitácie“ Letecká medicína, zv. 43, č. 4, s. 408–414, 1972. Zobraziť na: Google Scholar
  9. C. E. Carr a J. McGee, „Apollo číslo: skafandry, sebapodpora a prechod na chôdzu a beh“ PLOS ONE, zv. 4, č. 8, ID článku e6614, 2009. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  10. G. A. Cavagna, P. A. Willems a N. C. Heglund, „Úloha gravitácie v ľudskej chôdzi: kyvadlová výmena energie, vonkajšia práca a optimálna rýchlosť“ Fyziologický časopis, zv. 528, časť 3, s. 657–668, 2000. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  11. J. K. De Witt, G. P. Perusek, B. E. Lewandowski a kol., „Pohyb v simulovanej a skutočnej mikrogravitácii: horizontálne zavesenie vs. parabolický let“ Letecký vesmír a medicína životného prostredia, zv. 81, č. 12, s. 1092–1099, 2010. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  12. F. Gazzani, A. Fadda, M. Torre a V. Macellari, „WARD: pneumatický systém na odľahčenie telesnej hmotnosti pri rehabilitácii chôdze,“ Transakcie IEEE o rehabilitačnom inžinierstve, zv. 8, č. 4, s. 506–513, 2000. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  13. A. M. Grabowski a R. Kram, „Účinky rýchlosti a hmotnosti na pozemné reakčné sily a metabolickú silu počas behu,“ Journal of Applied Biomechanics, zv. 24, č. 3, s. 288–297, 2008. Zobraziť na: Google Scholar
  14. J. P. He, R. Kram a T. A. McMahon, „Mechanika behu pri simulovanej nízkej gravitácii“, Journal of Applied Physiology, zv. 71, č. 3, s. 863–870, 1991. Zobraziť na: Google Scholar
  15. V. A. Bogdanov, V. S. Gurfinkel a V. E. Panfilov, „Pohyb človeka v podmienkach lunárnej gravitácie (Výkon človeka v rôznych lokomotívnych úlohách v podmienkach simulovanej lunárnej zníženej gravitácie, klasifikácia testovacích stojanov a zariadení),“ Biológia Kosmicheskaya a Meditsina, zv. 5, s. 3–13, 1971. Zobraziť na: Google Scholar
  16. J. R. Hansen, Revolúcia vesmírnych letov: Výskumné centrum NASA Langley od Sputnika po Apollo, Národný úrad pre letectvo a vesmír, Washington, DC, USA, 1995.
  17. D. E. Hewes, „Simulátory so zníženou gravitáciou pre štúdie mobility človeka vo vesmíre a na Mesiaci“, Ľudské faktory, zv. 11, č. 5, s. 419–431, 1969. Zobraziť na: Google Scholar
  18. Y. P. Ivanenko, F. Sylos-Labini, G. Cappellini, V. Macellari, J. McIntyre a F. Lacquaniti, „Prechody chôdze v simulovanej zníženej gravitácii“, Journal of Applied Physiology, zv. 110, č. 3, s. 781–788, 2011. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  19. F. Sylos-Labini, Y. P. Ivanenko, G. Cappellini, S. Gravano a F. Lacquaniti, „Hladké zmeny v vzoroch EMG počas prechodov chôdze pri vykladaní telesnej hmotnosti,“ Časopis neurofyziológie, zv. 106, č. 3, s. 1525–1536, 2011. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  20. K. O. Genc, ​​V. E. Mandes a P. R. Cavanagh, „Gravitačná náhrada počas behu v simulovanej mikrogravitácii“ Letecký vesmír a medicína životného prostredia, zv. 77, č. 11, s. 1117–1124, 2006. Zobraziť na: Google Scholar
  21. J. L. McCrory, H. A. Baron, S. Balkin a P. R. Cavanagh, „Pohyb v simulovanej mikrogravitácii: gravitačné náhradné zaťaženie“ Letecký vesmír a environmentálna medicína, zv. 73, č. 7, s. 625–631, 2002. Zobraziť na: Google Scholar
  22. Q. Lu, C. Ortega a O. Ma, „Mechanizmy pasívnej gravitačnej kompenzácie: technológie a aplikácie,“ Nedávne patenty na inžinierstvo, zv. 5, č. 1, s. 32–44, 2011. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  23. O. Ma a J. Wang, „Prístroje a metóda simulácie so zníženou gravitáciou“, 2012. Zobraziť na: Google Scholar
  24. Q. Lu, J. McAvoy a O. Ma, „Simulačná štúdia simulátora so zníženou gravitáciou na simuláciu skákania a chôdze ľudí v prostredí so zníženou gravitáciou“, v Zborník z konferencie ASME Dynamic Systems and Control, 2009. Zobraziť na: Google Scholar
  25. A. E. Minetti, „Chôdza po iných planétach“, Príroda, zv. 409, č. 6819, s. 467–469, 2001. Zobraziť na: Google Scholar
  26. T. M. Griffin, N. A. Tolani a R. Kram, „Chôdza v simulovanej zníženej gravitácii: kolísanie a výmena mechanickej energie“. Journal of Applied Physiology, zv. 86, č. 1, s. 383–390, 1999. Zobraziť na: Google Scholar
  27. G. A.Cavagna, P. A. Willams a N. C. Heglund, „Chôdza po Marse“ Príroda, zv. 393, č. 6686, článok 636, 1998. Zobraziť na: Google Scholar
  28. Y. P. Ivanenko, R. Grasso, V. Macellari a F. Lacquaniti, „Riadenie trajektórie chodidla v ľudskej lokomócii: úloha pozemných kontaktných síl v simulovanej zníženej gravitácii“. Časopis neurofyziológie, zv. 87, č. 6, s. 3070–3089, 2002. Zobraziť na: Google Scholar
  29. R. Alexander McN., „Optimalizácia a pochody pri pohybe stavovcov“ Psychologické recenzie, zv. 69, č. 4, s. 1199–1227, 1989. Zobraziť na: Google Scholar
  30. F. Leurs, Y. P. Ivanenko, A. Bengoetxea a kol., „Optimálna rýchlosť chôdze po zmenách v geometrii končatín,“ Časopis experimentálnej biológie, zv. 214, časť 13, s. 2276–2282, 2011. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  31. D. A. Raichlen, „Účinky gravitácie na ľudskú chôdzu: nový test hypotézy dynamickej podobnosti pomocou prediktívneho modelu,“ Časopis experimentálnej biológie, zv. 211, č. 17, s. 2767–2772, 2008. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  32. Y. Osaki, M. Kunin, B. Cohen a T. Raphan, „Trojrozmerná kinematika a dynamika chodidla počas chôdze: model centrálnych riadiacich mechanizmov“ Experimentálny výskum mozgu, zv. 176, č. 3, s. 476–496, 2007. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  33. J. F. Roberts, „Chôdza v podmienkach lunárnej a nízkej gravitácie“, AMRL-TR 6570th, Aerospace Medical Research Laboratory, 1963. Zobraziť na: Google Scholar
  34. S. H. Scott a D. A. Winter, „Biomechanický model ľudskej nohy: kinematika a kinetika vo fáze postoja pri chôdzi“ Časopis biomechaniky, zv. 26, č. 9, s. 1091–1104, 1993. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  35. S. J. Harkema, S. L. Hurley, U. K. Patel, P. S. Requejo, B. H. Dobkin a V. R. Edgerton, „Ľudská lumbosakrálna miecha interpretuje zaťaženie počas kroku“, Časopis neurofyziológie, zv. 77, č. 2, s. 797–811, 1997. Zobraziť na: Google Scholar
  36. J. Duysens, F. Clarac a H. Cruse, „Mechanizmy regulujúce záťaž pri chôdzi a držaní tela: komparatívne aspekty“ Psychologické recenzie, zv. 80, č. 1, s. 83–133, 2000. Zobraziť na: Google Scholar
  37. D. A. Winter, Biomechanika a motorická kontrola ľudskej chôdze: normálna, staršia a patologická, University of Waterloo Press, Waterloo, Kanada, 1991.
  38. K. G. Pearson, „Spoločné zásady riadenia motora u stavovcov a bezstavovcov“ Výročný prehľad neurovedy, zv. 16, s. 265–297, 1993. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  39. K. G. Pearson, „Proprioceptívna regulácia pohybu“, Súčasný názor v neurobiológii, zv. 5, č. 6, s. 786–791, 1995. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  40. J. Duysens, B. M. H. van Wezel, H. W. A. ​​A. van de Crommert, M. Faist a J. G. M. Kooloos, „Úloha aferentnej spätnej väzby pri kontrole aktivity hamstringov počas ľudskej chôdze,“ European Journal of Morphology, zv. 36, č. 4-5, s. 293–299, 1998. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  41. L. Finch, H. Barbeau a B. Arsenault, „Vplyv podpory telesnej hmotnosti na normálnu ľudskú chôdzu: vývoj stratégie rekvalifikácie chôdze“ Fyzická terapia, zv. 71, č. 11, s. 842–855, 1991. Zobraziť na: Google Scholar
  42. J. C. Moreno, F. Barroso, D. Farina a kol., "Účinky robotického vedenia na koordináciu lokomócie", Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, zv. 10, č. 1, článok 79, 2013. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  43. A. R. den Otter, A. C. H. Geurts, T. Mulder a J. Duysens, „Zmeny svalovej aktivity súvisiace s rýchlosťou z normálnej na veľmi pomalú rýchlosť chôdze,“ Chôdza a držanie tela, zv. 19, č. 3, s. 270–278, 2004. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  44. F. Saibene a A. E. Minetti, „Biomechanické a fyziologické aspekty pohybov nôh u ľudí“ European Journal of Applied Physiology, zv. 88, č. 4-5, s. 297–316, 2003. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  45. Y. P. Ivanenko, R. E. Poppele a F. Lacquaniti, „Mapy miechy priestorovo-časovej aktivácie alfa-motoneurónu u ľudí, ktorí idú rôznymi rýchlosťami“ Časopis neurofyziológie, zv. 95, č. 2, s. 602–618, 2006. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  46. A. Pépin, K. E. Norman a H. Barbeau, „Chôdza na bežeckom páse u subjektov s neúplným poranením miechy: 1. Prispôsobenie sa zmenám rýchlosti,“ Miecha, zv. 41, č. 5, s. 257–270, 2003. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  47. F. Sylos-Labini, V. La Scaleia, I. Pisotta a kol., „EMG vzory počas asistovanej chôdze v exoskelete“, Hranice ľudskej neurovedy, zv. 8, článok 423, 2014. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  48. J. Massion, K. Popov, J.-C. Fabre, P. Rage a V. Gurfinkel: „Je vzpriamený postoj v mikrogravitácii založený na riadení orientácie kmeňa alebo polohy ťažiska?” Experimentálny výskum mozgu, zv. 114, č. 2, s. 384–389, 1997. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  49. G. Andreoni, C. Rigotti, G. Baroni, G. Ferrigno, N. A. Colford a A. Pedotti, „Kvantitatívna analýza neutrálneho držania tela pri predĺženej mikrogravitácii“, Postoj a#x26 držanie tela, zv. 12, č. 3, s. 235–242, 2000. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  50. S. M. Gatesy a A. A. Biewener, „Bipedálna lokomócia: účinky rýchlosti, veľkosti a držania končatín u vtákov a ľudí“, Časopis zoológie, zv. 224, č. 1, s. 127–147, 1991. Zobraziť na: Google Scholar
  51. J. Rubenson, D. B. Heliams, D. G. Lloyd a P. A. Fournier, „Výber chôdze u pštrosa: mechanické a metabolické charakteristiky chôdze a behu s leteckou fázou a bez nej“ Zborník Kráľovskej spoločnosti B: Biologické vedy, zv. 271, č. 1543, s. 1091–1099, 2004. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  52. L. Ren a J. R. Hutchinson, „Trojrozmerná lokomotorická dynamika Afriky (Loxodonta africana) a ázijských (Elephas maximus) slony odhaľujú plynulý prechod chôdze strednou rýchlosťou, “ Journal of the Royal Society Interface, zv. 5, č. 19, s. 195–211, 2008. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  53. A. E. Minetti, Y. P. Ivanenko, G. Cappellini, N. Dominici a F. Lacquaniti, „Ľudia bežiaci na mieste po vode pri simulovanej zníženej gravitácii“. PLOS ONE, zv. 7, č. 7, ID článku e37300, 2012. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  54. M. Srinivasan a A. Ruina, „Počítačová optimalizácia modelu s minimálnym dvojnohým modelom objavuje chôdzu a beh,“ Príroda, zv. 439, č. 7072, s. 72–75, 2006. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  55. J. McIntyre, M. Zago, A. Berthoz a F. Lacquaniti, "Modeluje mozog Newtonove zákony?" Neuroveda o prírode, zv. 4, č. 7, s. 693–694, 2001. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  56. G. Clément, V. S. Gurfinkel, F. Lestienne, M. I. Lipshits a K. E. Popov, „Adaptácia posturálnej kontroly na stav beztiaže“, Experimentálny výskum mozgu, zv. 57, č. 1, s. 61–72, 1984. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  57. Y. P. Ivanenko, W. G. Wright, R. J. St George a V. S. Gurfinkel, „Orientácia kufra, stabilita a kvadrupedalizmus“ Hranice v neurológii, zv. 4, článok 20, 2013. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  58. C. Papaxanthis, T. Pozzo, K. E. Popov a J. McIntyre, „Rukové trajektórie zvislých pohybov ramien v prostrediach s jedným G a nulovým G. Dôkaz pre centrálnu reprezentáciu gravitačnej sily,“ Experimentálny výskum mozgu, zv. 120, č. 4, s. 496–502, 1998. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  59. P. Crenna, D. M. Cuong a Y. Br éni ère, „Motorické programy na ukončenie chôdze u ľudí: adaptácia závislá od organizácie a rýchlosti“ Fyziologický časopis, zv. 537, č. 3, s. 1059–1072, 2001. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  60. B. J. McFadyen a H. Carnahan, „Predvídavé lokomotorické úpravy na prispôsobenie sa a zabránenie zmenám úrovní u ľudí“. Experimentálny výskum mozgu, zv. 114, č. 3, s. 500–506, 1997. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  61. J. W. Glasheen a T. A. McMahon, „Závislosť od veľkosti schopnosti prúdenia vody u jašterov baziliškových (Basiliscus basiliscus),” Časopis experimentálnej biológie, zv. 199, č. 12, s. 2611 – 2618, 1996. Zobraziť na: Google Scholar
  62. V. A. Selionov, Y. P. Ivanenko, I. A. Solopova a V. S. Gurfinkel, „Tonické centrálne a senzorické podnety uľahčujú mimovoľné krokovanie vzduchom u ľudí“. Časopis neurofyziológie, zv. 101, č. 6, s. 2847–2858, 2009. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  63. F. Sylos-Labini, Y. P. Ivanenko, M. J. Maclellan, G. Cappellini, R. E. Poppele a F. Lacquaniti, „Pohyby nôh podobné pohybu vyvolané rytmickými pohybmi rúk u ľudí“. PloS ONE, zv. 9, č. 3, ID článku e90775, 2014. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  64. P. Sale, M. Franceschini, A. Waldner a S. Hesse, „Využitie terapie chôdze s pomocou robota pri rehabilitácii pacientov s mŕtvicou a poranením miechy,“ European Journal of Physical and Rehabilitation Medicine, zv. 48, č. 1, s. 111 – 121, 2012. Zobraziť na: Google Scholar
  65. P. A. Guertin, „Predklinické dôkazy podporujúce klinický vývoj terapií modulujúcich centrálny vzor generátora pre pacientov s chronickým poranením miechy,“ 2014. Zobraziť na: Google Scholar
  66. Y. Gerasimenko, P. Musienko, I. Bogacheva a kol., „Propriospinálny bypass serotonergického systému, ktorý môže uľahčiť krokovanie“ Journal of Neuroscience, zv. 29, č. 17, s. 5681–5689, 2009. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  67. V. A. Selionov, I. A. Solopova, D. S. Zhvansky a kol., "Nedostatok nedobrovoľných krokov pri Parkinsonovej chorobe," Neuroveda, zv. 235, s. 96–108, 2013. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  68. C. A. Angeli, V. R. Edgerton, Y. P. Gerasimenko a S. J. Harkema, „Zmena excitability miechy umožňuje dobrovoľné pohyby po chronickej úplnej paralýze u ľudí“. Mozog, 2014. Zobraziť na: Stránka vydavateľa | Študovňa Google
  69. D. Borton, M. Bonizzato, J. Beauparlant a kol., "Kortikospinálne neuroprotézy na obnovenie lokomócie po poranení miechy," Neurovedný výskum, zv. 78, s. 21–29, 2014. Zobraziť na: Google Scholar

Autorské práva

Copyright © 2014 Francesca Sylos-Labini a kol. Toto je článok s otvoreným prístupom distribuovaný pod licenciou Creative Commons Attribution License, ktorá umožňuje neobmedzené používanie, distribúciu a reprodukciu na akomkoľvek médiu za predpokladu, že pôvodné dielo je správne citované.


Experimenty s nulovou gravitáciou

Výskumníci z Louisiana Tech University sa budú tento mesiac vznášať vysoko nad Mexickým zálivom, aby vykonali testovanie experimentálneho nástroja na analýzu DNA vyvinutého v Tech v nulovej gravitácii, ktorý by mohol byť prínosom pre budúcich astronautov NASA.

Doktor Niel Crews, odborný asistent strojného inžinierstva a Collin Tranter, postgraduálny študent na Inštitúte pre mikromanželskú výrobu (IfM), tvrdia, že prístroj by bolo možné použiť na monitorovanie zdravia astronautov vystavených kozmickému žiareniu mimo ochrannú atmosféru Zeme.

„Našim cieľom je porozumieť tomu, ako sa systém správa za podmienok podobných skutočnému nasadeniu vo vesmírnych misiách,“ povedal Crews. Zariadenia vyvinuté spoločnosťou Louisiana Tech sú pre NASA prospešné, pretože sú malé, spotrebúvajú menej energie a vyžadujú malú až žiadnu ľudskú činnosť.

Vedci z Louisiana Tech sa vystavia extrémnym podmienkam, aby mohli citlivo testovať miniatúrne zariadenie. NASA použila rovnaké lety na výcvik svojich astronautov.

Prístroj pritiahol pozornosť vedcov z NASA na možné použitie na Medzinárodnej vesmírnej stanici, počas medziplanetárneho cestovania a dokonca aj na bezpilotné misie na hľadanie života v slnečnej sústave.

"Dúfame, že v spolupráci s NASA bude jedno z našich zariadení na analýzu DNA odoslané na obežnú dráhu, aby študovalo účinky vesmírneho prostredia na živé bytosti, najskôr študovalo DNA a potom bunky," povedal Tranter. "Najskôr musí prebehnúť niekoľko ďalších testov, ako napríklad uistenie sa, že zariadenie funguje správne v podmienkach nízkej gravitácie. Dúfajme, že sa to uskutoční na parabolickom lete do konca roka."

Testy sa uskutočnia na lietadle NASA, ktoré operuje mimo Ellington Field v Johnsonovom vesmírnom stredisku v Houstone. Letový vzor bude pozostávať zo štyridsiatich strmých ponorov a stúpaní ponad Mexický záliv. Riadený ponor takmer 10 000 stôp za menej ako jednu minútu bude mať za následok približne 20 sekúnd beztiaže pre výskumníkov a užitočné zaťaženie na palube. Prudké stúpanie späť do východiskovej nadmorskej výšky vytvorí gravitačnú silu, ktorá je dvojnásobkom normálneho množstva.

K činu sa dostal dokonca aj Hollywood, ktorý pomocou týchto letov zobrazil na striebornom plátne beztiažový stav. Všetky scény s nulovou gravitáciou vo filme Apollo 13 boli natočené počas týchto letov. Striedanie síl s nulovou gravitáciou a silami 2G môže byť také dezorientujúce, že astronauti z NASA nazývajú lietadlo „zvracajúcou kométou“.

NASA nedávno vybrala tento systém na týždňovú sériu letov v rámci svojho programu Facilitated Access to Space Space for Technology (FAST), ktorý sa zameriava na rozšírenie nových technológií, ktoré sa budú používať v aplikáciách na vesmírne lety.

Tranter pokračuje v doktorandskom štúdiu. v Nanosystems Engineering v Louisiana Tech a bude pokračovať v spolupráci s Crews na projekte. Hovorí, že dúfajú, že sa veľmi skoro naučia, či ich zariadenie dokáže obstáť vo vesmírnom prostredí.

„Nízka gravitácia môže spôsobiť všetky druhy nepredvídateľných problémov,“ povedal Tranter. "Nakoniec dúfam, že náš systém môže odhaliť viac o účinkoch vesmírneho žiarenia na DNA a bunky, čo povedie k možnostiam bezpečného cestovania vesmírom a prieskumu ľuďmi. Naše laboratórium študovalo niektoré účinky žiarenia na DNA, ako je vystavenie UV žiareniu, ale nič na Zem je porovnateľná s prostredím, ktoré by sme chceli študovať mimo zemskej atmosféry. “


Svalová atrofia a osteoporóza

Jedným z hlavných účinkov stavu beztiaže, ktorý je dlhodobejší, je strata svalovej a kostnej hmoty. Pri absencii gravitácie nedochádza k žiadnemu zaťaženiu svalov chrbta a nôh, takže začínajú slabnúť a zmenšovať sa. V niektorých svaloch je degenerácia rýchla a bez pravidelného cvičenia môžu astronauti stratiť až 20 percent svojej svalovej hmoty do 5 až 11 dní.

V dôsledku nedostatku mechanického tlaku na kosť sa kostná hmota stráca iba jeden a pol percenta za jeden mesiac v prostredí s nulovou gravitáciou, v porovnaní s približne tromi percentami za desať rokov u zdravého človeka v normálnom prostredí. Úbytok hmoty postihuje najmä dolné stavce chrbtice, bedrový kĺb a stehennú kosť. V dôsledku rýchlej zmeny hustoty môžu kosti krehnúť a vykazovať príznaky podobné príznakom osteoporózy.

Dokonca aj procesy deštrukcie a konštrukcie kostí sa v priestore menia. Na Zemi sa kosti pravidelne ničia a obnovujú pomocou dobre vyváženého systému buniek ničiacich kosti a buniek tvoriacich kosti. Kedykoľvek dôjde k zničeniu kostného tkaniva, nahradia ho nové vrstvy. Tieto dva procesy sú navzájom prepojené. Vo vesmíre je však kvôli nedostatku gravitácie pozorovaný nárast aktivity buniek ničiacich kosti a kosti sa rozkladajú na minerály, ktoré sú absorbované do tela.

Štúdie na myšiach ukázali, že po 16 dňoch v nulovej gravitácii dochádza k zvýšeniu počtu buniek ničiacich kosti a zníženiu počtu buniek tvoriacich kosti, ako aj k zníženiu koncentrácie rastových faktorov známych svojou schopnosťou pomôcť vytvoriť novú kosť. Zvýšenie hladiny vápnika v krvi z rozpadajúcej sa kosti spôsobuje nebezpečnú kalcifikáciu mäkkých tkanív a zvyšuje potenciál tvorby obličkových kameňov.

Astronauti vykazujú zvýšenú aktivitu buniek ničiteľa kostí, najmä v oblasti panvy, ktorá zvyčajne nesie väčšinu zaťaženia za normálnych podmienok gravitácie. Na rozdiel od pacientov s osteoporózou, astronautov, ktorí zostali vo vesmíre tri až štyri mesiace, však po dvoch až troch rokoch späť na Zemi opäť získajú normálnu hustotu kostí.


Biologické účinky vyvolané elektromagnetickým poľom u ľudí

Vystavenie umelým vysokofrekvenčným elektromagnetickým poliam (EMF) sa v posledných desaťročiach výrazne zvýšilo. Preto narastá vedecký a spoločenský záujem o jeho vplyv na zdravie, a to aj pri expozícii výrazne pod platnými normami. Intenzita elektromagnetického žiarenia v ľudskom prostredí sa zvyšuje a v súčasnosti dosahuje astronomické úrovne, aké na našej planéte nikdy predtým neboli. Najvýznamnejším vplyvom EMF na živé organizmy je jeho priama penetrácia do tkaniva. Aktuálne zavedené štandardy vystavenia EMP v Poľsku a vo zvyšku sveta sú založené na tepelnom efekte. Je dobre známe, že slabý EMF môže spôsobiť všetky druhy dramatických netermálnych účinkov v telesných bunkách, tkanivách a orgánoch. Pozorované symptómy je ťažké priradiť iným environmentálnym faktorom vyskytujúcim sa súčasne v ľudskom prostredí. Aj keď stále prebiehajú diskusie o netermálnych účinkoch vplyvu EMF, 31. mája 2011-Medzinárodná agentúra pre výskum rakoviny (IARC)-Agenda Svetovej zdravotníckej organizácie (WHO) zaradila rádio elektromagnetické polia do kategória 2B ako potenciálne karcinogénne. Elektromagnetické polia môžu byť nebezpečné nielen kvôli riziku rakoviny, ale aj ďalším zdravotným problémom, vrátane elektromagnetickej precitlivenosti (EHS).Elektromagnetická precitlivenosť (EHS) je jav charakterizovaný výskytom symptómov po vystavení ľudí elektromagnetickým poliam, generovaný EHS je charakterizovaný ako syndróm so širokým spektrom nešpecifických symptómov viacerých orgánov vrátane akútnych aj chronických zápalových procesov lokalizovaných hlavne v koži a nervovom systéme, ako aj v dýchacom, kardiovaskulárnom a pohybovom systéme. WHO nepovažuje EHS za chorobu- definovanú na základe lekárskej diagnózy a symptómov spojených s akýmkoľvek známym syndrómom. Symptómy môžu byť spojené s jedným zdrojom EMP alebo môžu byť odvodené z kombinácie mnohých zdrojov. Hlásené symptómy spojené s elektromagnetickými poľami sú charakterizované prekrývajúcim sa účinkom s inými jedincami, pričom tieto symptómy vykazovali široké spektrum klinických prejavov súvisiacich s expozíciou jednému alebo viacerým zdrojom EMP. Fenomén elektromagnetickej precitlivenosti vo forme dermatologického ochorenia je spojený s mastocytózou. Biopsie odobraté z kožných lézií pacientov s EHS indikovali infiltráciu kožných vrstiev epidermis mastocytmi a ich degranuláciu, ako aj mediátory uvoľňovania anafylaktických reakcií, ako sú histamín, chymáza a tryptáza. Počet ľudí trpiacich EHS vo svete narastá, pričom sa označujú ako vážne dysfunkčné, vykazujúce multiorgánové nešpecifické symptómy po vystavení nízkym dávkam elektromagnetického žiarenia, často spojené s precitlivenosťou na mnohé chemické látky (Multiple Chemical Sensitivity-MCS) a /alebo iné environmentálne neznášanlivosti (SRP).


Pozri si video: Mgr. Cyril Adamuščín, PhD. Plochá či guľatá? Plochá Zem (November 2022).