Closing an open-loop control system: vestibular substitution through the tongue

Закрытие системы с разомкнутым контуром, вестибулярная замена через язык

MITCHELL TYLER,∗,† YURI DANILOV∗,† and PAUL BACH-Y-RITA∗,†,‡ ∗Wicab, Inc, 3510 W. Beltline Hwy, Middleton, WI 53562, USA †Department of Biomedical Engineering, ‡Department of Orthopedics and Rehabilitation Medicine, University of Wisconsin, Madison, WI 53706, USA ∗metyler1@facstaff.wisc.edu

Received 16 April 2003 Accepted 27 July 2003

Механизм постуральной координации человека является примером сложной замкнутой системы управления, основанной на мультисенсорной интеграции. В моделях этого процесса сенсорные данные от вестибулярной, зрительной, тактильной и проприоцептивной систем интегрируются как линейно аддитивные входные сигналы, которые управляют несколькими сенсомоторными петлями для обеспечения эффективной координации движений тела, позы и выравнивания. При отсутствии нормальных вестибулярных (например, от токсической лекарственной реакции) и других входов возникает неустойчивая осанка. Эта нестабильность может быть результатом шума в функционально разомкнутой системе управления. Тем не менее, после сенсорной потери мозг может использовать тактильную информацию из сенсорной системы замещения для функциональной компенсации. Здесь мы продемонстрировали, что постуральная координация головы и тела может быть восстановлена с помощью вестибулярного замещения с помощью установленного на голове акселерометра и интерфейса мозг-машина, который использует уникальный паттерн электротактильной стимуляции на языке. Кроме того, постуральная стабильность сохраняется в течение некоторого периода времени после удаления вестибулярного замещения, после чего вновь появляется нестабильность разомкнутого контура.

Ключевые слова: вестибулярный аппарат; сенсорное замещение; электротактильная стимуляция; пластичность мозга.

 Вступление

    Люди, имеющие двустороннее вестибулярное повреждение, например, от неблагоприятной реакции на антибиотики, испытывают функциональные трудности, которые включают постуральное “шатание” (как сидя, так и стоя), неустойчивую походку и осциллопсию, которые делают невозможным, например, ходить в темноте без риска падения. Это условие дает уникальную возможность изучить модель управления человеком с разомкнутым контуром.

     Автор-корреспондент. Тайлер, Данилов и Бах-и-Рита – восстановить постуральный контроль головы посредством вестибулярного замещения с использованием установленного на голове акселерометра и электротактильного интерфейса мозг-машина (ИММ) через осязание на языке. Контроль нормальной вертикальной позы опосредуется сложной системой, которая опирается на интеграцию множества сенсорных входов (например, вестибулярных, зрительных, тактильных, проприоцептивных и слуховых. Остается неясным, как именно это сенсорное слияние действует в самоориентации. Тем не менее, модели, разработанные для прогнозирования влияния различных входных сигналов, показали, что эти системы предоставляют сходящуюся и избыточную информацию о положении сегментов тела относительно друг друга и об общей ориентации тела в пространстве. В частности, обнаружение линейного и углового ускорения головы может быть использовано для разрешения самодвижения из окружающей визуальной среды. При отсутствии функциональной вестибулярной системы положение головы может быть обнаружено искусственным сенсором и представлено мозгу через замещающий сенсорный канал: электротактильную стимуляцию на языке. Ранее мы уже демонстрировали достоинства языка как интерфейса мозг-машина (ИММ). Для того чтобы мозг правильно интерпретировал информацию, поступающую от сенсорного замещающего устройства, не обязательно, чтобы информация была представлена в той же форме, что и естественная сенсорная система.

       Например, мы не видим глазами; оптическое изображение не выходит за пределы сетчатки, где оно превращается в пространственно-временные паттерны потенциалов действия (AP) вдоль волокон зрительного нерва. Затем мозг воссоздает образы из анализа импульсных паттернов. Таким образом, для того, чтобы произошло сенсорное замещение, нужно только точно уловить потенциалы действия в альтернативном информационном канале, которые существенно не отличаются для отдельных органов чувств. Тренируясь, мозг учится правильно интерпретировать эту информацию и использовать ее для функционирования, как это было бы с данными из неповрежденного естественного чувства. Использование вестибулярного сенсорного замещения оказывает сильное стабилизирующее действие на координацию головы и тела у лиц с двусторонней вестибулярной дисфункцией (ДВД). В экспериментальных условиях (в которых мы удалили визуальные и тактильные входы: см. методы) мы выявили три характерные и уникальные особенности движения (дрейф среднего положения, раскачивание и периодические крупноамплитудные возмущения), которые последовательно проявляются в головном постуральном поведении испытуемых с ДВД (см. рис. 1). Однако при вестибулярном замещении (ВЗ) величина этих признаков значительно уменьшается или устраняется. Дальнейший анализ экспериментальных данных показал, что эти возмущения носят периодический характер (внутри индивида) и возникают не только в крайних точках движения, что позволяет предположить, что они запускаются проприоцептивными механизмами. В частности, мы обнаружили, что эти постуральные “спайки” не всегда корректны для больших совпадающих постуральных отклонений, но во многих случаях, по-видимому, действительно вызывают нестабильность. Мы постулируем, что при отсутствии интегрированных входов в нормально замкнутый мультисенсорный процесс управления внутренне нестабильная система становится уязвимой к помехам (как от внутренних, так и от внешних источников), как это характеризуется см Jeka J.

Рис 1. Вестибулярный заменитель стабилизирующего эффекта. а) график смещения головы как в переднем/заднем (А/Р), так и в медиально-латеральном (М/Л) направлениях для взрослого субъекта с закрытыми глазами и сидящего вертикально без опоры на спину. Сверху: типичный профиль для незатронутого человека. Средняя амплитуда: ±1,4 град. (М/Л); ±1,8 град. (A/P), центрируется вокруг нуля. Центр: субъект с двусторонней вестибулярной дисфункцией (БВД). Средние амплитуды: ±3,0 град. (М/Л); ±7,6 град. (A / P). Обратите внимание на медленный дрейф среднего положения и возникновение периодических (≈23 С.) возмущений. Внизу: тот же самый субъект при использовании тактильной вестибулярной замены (VS). Средние амплитуды угловых перемещений уменьшаются до: ±1,4 град. (М/Л); ±3,1 град. (A / P). b) графики “спагетти”с одинаковыми профилями смещения. Слева: 3-мерный график, показывающий положение головы в зависимости от времени (вертикальная ось). Вставка: 2-D проекция на горизонтальную плоскость. Справа: перформанс с тактильной вестибулярной заменой (VS). (c) боксовые графики, показывающие среднее (RMS) и стандартное отклонение (SD) углового смещения после линейной регрессии во времени для извлечения величины и направления дрейфа среднего положения. Левая пара: общие результаты по восьми предметам UA. Центральная пара: совокупные результаты восьми успешно завершенных испытаний для одного субъекта БВД. Правая пара: совокупные результаты восьми исследований для одного и того же клинического субъекта с использованием (БВД с ВС). Средняя производительность М/Л приближается к нормальному поведению головы в позе. Движение в направлении A / P немного больше и более изменчиво, но явно превосходит состояние без посторонней помощи.

Рис 2. Вестибулярное замещение последействие. Результаты второго эксперимента (ОКП = ЕС). Левая половина каждой строки – с VS, правая половина-период после VS. Последовательная пропорциональность относительной стабильности позы головы без ВС к периоду с ВС существует в течение трех периодов тестирования (а: 100, в: 200 и С: 300 сек для каждой фазы). Колебания последовательно начинаются с небольшого движения а/р в голове примерно на 30% в период без ВС, в то время как туловище остается первоначально стабильным. Движение головы постепенно увеличивается по амплитуде, и примерно на 70% периода после ВС (Эс) движение начинает вовлекать туловище, снова увеличиваясь по амплитуде с течением времени, пока субъект не становится неспособным поддерживать стабильность.

Результат обеспечения вестибулярного замещения поддерживает эту специфическую характеристику системы постурального контроля головы и показано, что вестибулярная информация играет решающую роль в общем контроле постурального процесса. Во время этих экспериментов испытуемые с БВД сообщали о том, что чувствуют себя “нормально”, “стабильно” или уменьшили перцептивный “шум” при использовании VS и в течение коротких периодов после снятия стимуляции. Этот “последействующий эффект” был специально исследован во втором эксперименте с участием одного субъекта БВД путем регистрации положения головы в течение предписанных периодов ВС, за которыми без перерыва следовали равные периоды без тактильной или другой обратной связи. Как видно из рис. 2, существует начальный период относительного покоя после удаления ВС. затем примерно на 30% в период без ВС начинают появляться небольшие амплитудные передне-задние (А/Р) колебания в голове, постепенно увеличивающиеся по амплитуде со временем. Примерно на 60% в этот период движение туловища а / р становится очевидным и увеличивается со временем, пока, наконец, вся верхняя часть тела не достигает неустойчивости и эксперимент не прекращается. Длительность пост-ВС нестабильности, по-видимому, линейно связана с длительностью периода ВС (в пределах тестируемых диапазонов). Эти результаты вновь свидетельствуют о том, что наличие значимого замещающего входа в мультисенсорный процесс постурального контроля является достаточным для того, чтобы восстанавливать стабильность, приближающуюся к стабильности незатронутых индивидов [рис 1 (с)]. И наоборот, при отсутствии достоверных данных из вестибулярных, зрительных и тактильных источников система оказывается изначально шумной и неустойчивой. Представленные здесь результаты подтверждают концепцию разработки практических тактильных сенсорных систем замещения и усиления, основанных на пластичности мозга [2]. Технология также может быть применима к вестибулярным стрессовым ситуациям, таким как для астронавтов и пилотов, подверженных пространственной дезориентации [10]. ИМТ языка может также применяться к другим сенсорным системам замещения, таким как слепота, глухота или диабетические нечувствительные ноги, а также к системам усиления, таким как городской поиск и спасение (с инфракрасной камерой) или для подводной ориентации и навигации [1-4, 12]. Наконец, ИМТ также предлагает инструмент для изучения реорганизации мозга, о некоторых из которых уже сообщалось.

 Методы

Миниатюрный 2-осевой акселерометр (аналоговые приборы ADXL202)был установлен на низкомассивной пластиковой каске. Данные о передне-заднем и медиально-латеральном угловом смещении (полученные путем двойного интегрирования данных об ускорении) подавались на ранее разработанный языковой дисплей (ТДУ), который генерировал узорчатый стимул на 144-точечной электротактильной матрице (матрица 12×12 из позолоченных электродов диаметром 1,8 мм по центрам 2,3 мм), прижатой к верхней, передней поверхности языка [1]. Испытуемые легко воспринимали как положение, так и движение небольшого “целевого” стимула на дисплее языка и интерпретировали эту информацию, чтобы произвести корректирующие постуральные корректировки, в результате чего целевой стимул становился центрированным. Четыре субъекта с двусторонней вестибулярной дисфункцией (БВД: 2 м, 2 Ф: средний возраст 49,8 года., SD = 9,7 года.) и восемь неповрежденных субъектов (5 м, средний возраст = 40,6 года., SD = 15,5 лет.; 4 F, средний возраст = 41 год., SD = 9,8 года.) были изучены с использованием повторных измерений в двух основных условиях. Испытуемые сидели в модифицированной позе Ромберга (локти слегка согнуты в противоположных руках): глаза закрыты (EC), а глаза закрыты с вестибулярной заменой (EC-VS) в течение испытаний продолжительностью 100 секунд. Во втором эксперименте один субъект с БВД тестировался в режиме EC-VS в течение 100, 200 или 300 секунд, после чего без перерыва выполнялось условие EC в течение равного периода (EC-VS → EC).

Подтверждения

Это исследование было поддержано грантом NIH SBIR (1 R43 DC04738) и программой промышленного и экономического развития Университета Висконсина-Мэдисона — Robert F. Draper Technology Innovation Program.

Рекомендации

Bach-y-Rita P., Brain Mechanisms in Sensory Substitution (Academic Press, New York, 1972).

Bach-y-Rita P., Nonsynaptic Diffusion Neurotransmission and Late Brain Reorganization (Demos-Vermande, New York, 1995).

Bach-y-Rita P., Collins C. C., Saunders F., White B. and Scadden L., Vision substitution by tactile image projection, Nature 221 (1969) pp. 963–964.

Bach-y-Rita P., Kaczmarek K., Tyler M. and Garcia-Lara J., Form perception with a 49-point electrotactile stimulus array on the tongue, J. Rehab. Res. Develop. 35 (1998) pp. 427–431.

Horak F. B. and Hlavaca F., Somatosensory loss increases vestibulospinal sensitivity, J. Neurophysiol. 86 (2001) pp. 575–585.

Horak F. B. and Macpherson J. M., Postural orientation and equilibrium. In Handbook of Physiology, ed. by Shepard J. and Rowell L. (Oxford University Press, NY, 1996) pp. 255–292.

Jeka J. and Lackner J. R., Fingertip contact influences human postural control, Exp. Brain Res. 100 (1994) pp. 495–502.

Jeka J., Oie K. S., Sch¨oner G., Dijkstra T. H. M. and Henson E. M., Position and velocity coupling of postural sway to somatosensory drive, J. Neurophysiol. 79 (1998) pp. 1661–1674.

Jeka J., Oie K. S. and Kiemel K., Multisensory information for human postural control: Integrating touch and vision, Exp. Brain Res. 134 (2000) pp. 107–125.

Lackner J. R., Multimodal and motor influences on orientation: Implications for adapting to weightless and virtual environments, J. Vestibular Res. 2 (1992) pp. 307–322

Lackner J. R., DiZio P., Horak F., Krebs D. and Rabin E., Precision contact of the fingertip reduces postural sway of individuals with bilateral vestibular loss, Exp. Brain Res. 126 (1999) pp. 459–466.

Sampaio E., Maris S. and Bach-y-Rita P., Brain plasticity: “Visual” acuity of blind persons via the tongue, Brain Res. 908 (2001) pp. 204.  Van der Hooij H., Jacobs R., Koopman B. and Grootenboer H., A multisensory integration model of human stance control, Biol. Cybern. 80 (1999) pp. 299–308.

Van der Hooij H., Jacobs R., Koopman B. and Van der Helm F. H., An adaptive model of sensory integration in a dynamic environment applied to human stance control, Biol. Cybern. 84 (2001) pp. 103–115.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

code