Тренировки баланса помогли преодолеть различия между ведущей и ведомой стороной тела

Ученые из БФУ имени И. Канта с коллегами из Университета Иннополис разработали математическую модель, позволяющую описать процесс стабилизации неустойчивого положения до состояния равновесия. На основе модели авторы определили, что короткие тренировки по поддержанию баланса помогают уменьшить различия между правой и левой конечностями. Результаты исследования опубликованы в журнале Chaos, Solitons and Fractals.

Для правильного планирования физических нагрузок очень важно знать, как тело человека адаптируется к ним во время краткосрочных тренировок. Кроме того, моделирование тренировочного процесса позволяет понять, как происходит обучение при выполнении упражнений. При этом нужно учитывать, что людям свойственна функциональная асимметрия, когда одна из конечностей выступает в роли «ведущей». Из-за этого слишком сильные нагрузки на «ведомые» руку и ногу могут привести к спортивным травмам, например растяжениям и переломам.

Ученые из Балтийского федерального университета имени И. Канта, Университета Иннополис (Иннополис) с коллегами из Мадридского политехнического университета (Испания) описали работу различных мышц человека при кратковременных тренировках на балансировочной платформе. В исследовании принимали участие шестнадцать добровольцев — здоровых мужчин-правшей среднего возраста из Университета Иннополис. Испытуемые три раза по десять минут упражнялись в равновесии, стоя на неустойчивой доске, центральная часть которой была соединена с вращающимся креплением. Такая платформа похожа на рычаг, перевернутый маятник и качели, доска которых, если на ее противоположных концах не сидят дети, под действием силы тяжести наклонена или вправо, или влево. Чтобы удержать равновесие, человеку требуется за счет работы мышц и переноса центра масс тела придать платформе положение, близкое к параллельному поверхности земли.

В ходе эксперимента авторы оценивали, как и с какой скоростью изменяется угол наклона доски при нахождении на ней человека, а также активность мышц, которые участвуют в поддержании баланса. Для этого ученые закрепили электроды на поверхности кожи испытуемых в местах расположения мышц-сгибателей и разгибателей голени и бедра.

Ключевое различие между проведенным экспериментом и большинством других исследований заключалось в том, что испытуемый должен был самостоятельно и активно искать наиболее эффективную стратегию управления платформой, не следуя никаким протоколам и указаниям.

Оказалось, что кратковременная тренировка по удержанию равновесия влияет на эффективность управления мультистабильностью платформы, то есть система с двумя стабильными состояниями — когда платформа наклонена вправо или влево — под воздействием человека трансформировалась в систему с тремя стабильными состояниями — к двум предыдущим добавилось положение платформы, параллельное поверхности земли. Для описания этого процесса авторы использовали математическую модель, основанную на уравнении Фоккера-Планка, которое объясняет поведение частицы в потенциальной яме. Потенциальная яма — это такая область пространства, находясь в которой, объект обладает наименьшей потенциальной энергией. Именно такое положение считается наиболее стабильным. Так, в эксперименте в результате тренировки состояние системы «человек на платформе» изменялось так, что потенциальная яма, соответствующая третьему, исходно неустойчивому состоянию, углублялась. Это говорит о том, что человек успешно решает задачу уменьшения потенциальной энергии платформы, то есть увеличивает стабильность, не имея возможности изменить характеристики системы напрямую.

Авторы показали, что траектория движения платформы во время эксперимента была асимметрична из-за доминирования у испытуемых правой половины тела над левой. Так, угловая скорость платформы со стороны левой ноги была выше, чем с правой, при этом работа соответствующих мышц возрастала. Соответственно, «ведущая» конечность испытывала большую нагрузку и обеспечивала лучший контроль баланса. Однако к третьей тренировке асимметрия практически полностью исчезла, что говорит о том, что упражнения помогли уменьшить разницу между вкладом в работу «ведущих» и «ведомых» мышц.

Александр Храмов, профессор, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Центра нейротехнологий и машинного обучения БФУ:

Кратковременные тренировки на балансировочной платформе позволяют довольно быстро улучшить координацию. Так, время, в течение которого испытуемым удавалось устоять на доске, всего за 30 минут эксперимента увеличилось более чем в полтора раза. Кроме того, участники преодолели асимметрию правых и левых ног. В дальнейшем мы планируем исследовать более длительные тренировки, чтобы оценить эффект от них.

«Исследование того, как человек осуществляет управление сложными объектами в пространстве, важно для понимания процессов обучения. В дальнейшем это может оказаться полезно и для совершенствования таких устройств, как двуногие роботы», — комментирует Владимир Хорев, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Лаборатории нейронауки и когнитивных технологий Университета Иннополис.