Все новости

Экспериментатор и испытатель. Как в Институте медико-биологических проблем РАН проходят эксперименты с участием человека

Наука без эксперимента существовать не может. Каждое свое предположение или идею ученый стремится проверить в реальных условиях. В научных институтах для таких проверок стоят специальные экспериментальные установки или стенды, где в рамках так называемой экспериментальной модели ученый и выясняет, насколько его теория близка или далека от реальности. И когда что-либо нужно проверить на человеке, появляется он — испытатель. И неважно, что проверять — прибор или модель поведения отдельных мышечных групп, все равно без него не обойтись.

В современном научном мире эксперименты с участием человека имеют свою специфику и статус. Ученый не может просто так взять человека и проверить на нем что-нибудь. Необходимо сначала провести свой эксперимент через специальную биоэтическую комиссию, которая определит степень опасности для испытателя, гуманности и вообще — нужности подобного исследования.

Кто идет в испытатели? Все зависит от условий эксперимента и от тех целей и задач, которые ставят перед собой ученые. Чаще всего — возрастные рамки или половая принадлежность. Для участия в научных экспериментах, проводимых ИМБП РАН, испытатель должен быть здоровым, да не просто, а очень! Для этого он должен пройти специальную врачебно-экспертную комиссию, которая уже дает допуск к его участию в эксперименте.

Что касается результатов такого рода исследований, то между собственно экспериментом и каким-либо научно-практическим выходом проходит от нескольких месяцев до нескольких лет кропотливой работы ученого с полученными данными. Но так уж устроена современная наука!

Фото: Олег Волошин / Chrdk.
Фото: Олег Волошин / Chrdk.

Эксперимент «Светильник». Это серия гермокамерных (проводимых в замкнутом пространстве без внешнего источника освещения) испытаний особых светодиодных светильников, предназначенных для эксплуатации на борту космических летательных аппаратов. Было проведено четыре эксперимента с разными моделями светильников и режимами их работы. Оценивались в том числе психофизиологические эффекты освещения, воспроизводящего естественную суточную динамику. Научная программа исследования включала в себя несколько моделей операторской деятельности, комплекс офтальмологических исследований, биохимические и иммунологические анализы, блок психологических тестов и операционно-технологические эксперименты.

Фото: Олег Волошин / Chrdk.
Фото: Олег Волошин / Chrdk.

Испытатель Алексей Ситев перед началом эксперимента по дыханию кислородно-аргоновой смесью с пониженным парциальным давлением кислорода. В рамках эксперимента проверялась гипотеза о том, что благодаря аргону улучшается переносимость гипоксии. Было высказано предположение, что аргон является неким катализатором, благодаря чему кислород во вдыхаемом газе лучше утилизируется и, таким образом, человек может находиться в условиях гипоксии без ущерба для здоровья (не переходя в гипоксемию). Т.е. ткани будут получать достаточно кислорода, чтобы обеспечивать окислительно-восстановительные процессы в организме даже при условии снижения парциального давления вплоть до 14% (в отличие от 22% в норме). В рамках эксперимента выяснилось, что при наличии аргона этого количества кислорода хватает даже на то, чтобы выполнять тяжелую работу.

Эти исследования позволят выяснить, как можно помочь организму легче переносить гипоксию тканей. Так, было установлено, что благодаря тренировочному эффекту при дыхании такой смесью ткани приучаются работать в более жестких условиях гипоксии. А это, в свою очередь, может помочь не только при болезнях (гипоксия имеет место практически при любых заболеваниях), но и спасателям, пожарным и т.п. при выполнении работы в более тяжелых и экстремальных условиях.

Фото: Олег Волошин / Chrdk.
Фото: Олег Волошин / Chrdk.

Татьяна Шигуева проводит исследование характеристик кривой вовлечения (отражает зависимость амплитуды рефлекторного ответа от силы раздражения) Н-рефлекса мышц-разгибателей голени (m.soleus и m. gastrocnemius) в условиях пятисуточной «сухой» иммерсии (одна из экспериментальных моделей, воспроизводящая физиологические эффекты невесомости и гипокинезии).

Н-рефлекс — это рефлекторное возбуждение мышцы, регистрируемое с помощью электромиограммы, в ответ на электрическое раздражение большеберцового нерва в подколенной ямке. Его используют в качестве интегративного теста, отражающего функциональное состояние спинальных структур. Исследование Н-рефлекса позволяет судить о состоянии проводимости всей рефлекторной дуги (т.е. пути, по которому проходят нервные импульсы во время рефлекса) и об уровне возбудимости мотонейронов (они обеспечивают моторную координацию и поддержание мышечного тонуса).

Фото: Олег Волошин / Chrdk.
Фото: Олег Волошин / Chrdk.

Исследователи облачают испытуемого в специальный костюм аксиального нагружения «Пингвин» во время эксперимента с пятисуточной «сухой» иммерсией, которая моделирует воздействие гипогравитации на организм испытателя. Такой костюм применяется космонавтами на борту МКС как профилактическое средство против воздействия неблагоприятных факторов космического полета. Внутри костюма расположены эластичные тяжи, которые создают дополнительную весовую нагрузку на скелет и мышцы человека. Также костюм применяется для реабилитации пациентов после травм и инсультов (используется специальная модифицированная версия костюма — «Регент»).

Фото: Олег Волошин / Chrdk.
Фото: Олег Волошин / Chrdk.

Инженеры ИМБП РАН Константин Зеленский и Олег Иванов проводят испытания мягкого экзоскелетона, разработанного на основе костюма «Регент». Эластичные тяжи костюма позволяют создать дополнительную стабилизацию различных сегментов тела. Также костюм позволяет стимулировать группы мышц, задействованные при вертикальной стойке и ходьбе, электрическими импульсами, что облегчает эти действия. Костюм будет применяться в клиниках для реабилитации пациентов после черепно-мозговых травм, инфарктов и инсультов. На фото запечатлен процесс подбора оптимальных характеристик электрической стимуляции. На лицо и тело испытателя наклеены светоотражающие датчики, которые захватывают и оцифровывают его движения.

Фото: Олег Волошин / Chrdk.
Фото: Олег Волошин / Chrdk.

Испытания для проверки физиолого-гигиенических характеристик самоспасателя ШС-30 и их соответствия требованиям, предъявляемым к изолирующим аппаратам. Планируется, что после успешного завершения испытаний аппарат будет рекомендован для оснащения им всех шахт на территории РФ.

Самоспасатель — это устройство защиты органов дыхания изолирующего типа, используется для самостоятельного спасения шахтеров в случае аварии на шахтах, когда в атмосферу попадают вредные газы (в частности, угарный газ СО). В таком самоспасателе поглощается выдыхаемый человеком углекислый газ и выделяется химически связанный кислород.

На фото — обследование испытателя после «выхода из шахты». Проводится комплексная оценка влияния дыхания чистым кислородом (при повышенном сопротивлении дыханию) на кардиореспираторную систему, позволяющая одновременно определить наличие и состав микропримесей в выдыхаемом газе.

Фото: Олег Волошин / Chrdk.
Фото: Олег Волошин / Chrdk.

Александр Суворов проводит исследование по изучению легочных объемов и оценки диффузионной способности легких. В условиях пониженной гравитации изменяется кровенаполнение легких, в результате перераспределения крови изменяются легочные объемы, меняется диффузионная способность легких. Для того чтобы определить, как они меняются, проводится измерение легочных объемов и резервов вентиляции с помощью тестов с форсированным дыханием во время пятисуточной «сухой» иммерсии, моделирующей физиологические эффекты воздействия невесомости.

В силу ряда ограничений (требуется использование определенных инертных газов, которые не допускаются на борт МКС) такая углубленная оценка возможна только в условиях наземных модельных экспериментов.

Фото: Олег Волошин / Chrdk.
Фото: Олег Волошин / Chrdk.

Научные сотрудники ИМБП РАН Юлия Попова и Елена Лучицкая выполняют наземную версию космического эксперимента «Дыхание-1», который выполнялся космонавтами на борту МКС. Это исследование позволяет понять, какой вклад оказывают различные группы мышц в акт дыхания. Это важно знать, т.к. в условиях микрогравитации перераспределяется нагрузка на дыхательные мышцы (акт дыхания облегчается) вследствие более равномерного распределения крови по легким. За счет этого снижается минутный объем дыхания, но одновременно может отмечаться повышение уровня диафрагмы (т.е. она как бы находится в положении вдоха). Это, в свою очередь, приводит к перераспределению нагрузки на дыхательные мышцы, и они детренируются.

Эксперимент «Дыхание-1» позволяет раздельно оценить вклад диафрагмы и межреберных мышц в акт дыхания, благодаря чему можно понять, насколько космонавтам нужна специальная тренировка межреберных мышц и насколько необходимо вносить коррекцию в положение диафрагмы.

Фото: Олег Волошин / Chrdk.
Фото: Олег Волошин / Chrdk.

Исследование позных коррекционных ответов. Первый исследователь наносит небольшие удары специальным устройством в пластину, закрепленную на груди испытуемого. При толчке испытуемый отклоняется назад, затем возвращаясь в исходное положение. При анализе данных учитывается то, как далеко испытуемый отклонился, время восстановления исходной позы и сила толчка, которая привела к потере равновесия. Второй исследователь страхует испытателя. Исследование помогает изучить особенности вертикальной позы испытуемого. Обычно проводится до и после гравитационной разгрузки.

Фото: Олег Волошин / Chrdk.
Фото: Олег Волошин / Chrdk.

Эксперимент направлен на определение уровня аэробных возможностей участников 17-суточного изоляционного эксперимента SIRIUS-17 (выполнялся до и после изоляции). Испытуемые выполняли тест со ступенчато возрастающей нагрузкой на специальном стенде с вертикальной бегущей дорожкой БД-2 (точно такая же используется российскими космонавтами для физических тренировок на борту МКС). Вертикальное положение самой дорожки и специальные ремни для вывешивания испытателя параллельно полу моделируют отсутствие гравитации (аналогично космическому полету). Во время данного теста регистрировались параметры газообмена (потребление кислорода, выделение углекислого газа, легочная вентиляция), частота сердечных сокращений и уровень лактата в капиллярной крови.

Фото: Олег Волошин / Chrdk.
Фото: Олег Волошин / Chrdk.

Методика «Слежение». Направлена на изучение влияния длительного воздействия сниженной опорно-тактильной и проприоцептивной (мышечной) афферентации на следящую функцию глаз, характеристики зрительно-мануального слежения и вестибулярную функцию во время моделирования неблагоприятных эффектов невесомости методом «сухой» иммерсии.

Все эти элементы являются основой для успешного осуществления операторской деятельности у космонавтов, а изучение их изменений поможет в прогнозе, профилактике и улучшении операторских навыков. Исследование осуществляется посредством регистрации движения глаз с помощью метода электроокулографии, а также регистрации движений руки в ответ на предъявляемый стимул с использованием биологической обратной связи. Для этого одна точка-стимул движется по заранее заданным траекториям, а второй управляет оператор; его задача — стараться удерживать оба стимула рядом. Оценивается точность и синхронность слежения рукой и глазами.

Фото: Олег Волошин / Chrdk.
Фото: Олег Волошин / Chrdk.

Изучение влияния гравитационной разгрузки на морфологию стоп и оценка рисков их деформации у космонавтов после приземления.

Метод исследования основан на измерении морфологических характеристик стоп, полученных путем сканирования опорной поверхности ноги. Для воспроизведения условий гравитационной разгрузки измерение проводилось в условиях пятисуточной «сухой» иммерсии. Для реализации данного эксперимента в ИМБП молодым инженером Смирновым Ю.И. и медиком Савеко А.А. была изобретена специальная конструкция сканера, позволяющая проводить сканирование стопы в положении лежа в иммерсионной ванне и исключающая влияние положения и массы тела на результат.

Фото: Олег Волошин / Chrdk.
Фото: Олег Волошин / Chrdk.

Испытатель, сотрудник ИМБП РАН Олег Волошин, и научный сотрудник Ярослав Боритко проводят исследование динамики качества профессиональной деятельности человека-оператора во время эксперимента с пятисуточной «сухой» иммерсией (она моделирует воздействие гипогравитации на организм испытателя). Для этого испытатель несколько раз (до, во время и после эксперимента) выполнял имитационные задачи по ручному управлению стыковкой двух космических аппаратов на специальном комплекте аппаратуры «Пилот-Т». Уровень задач повышался по мере усовершенствования навыка пилотирования. Качество деятельности оценивалось как по физиологическим параметрам (ЭКГ, частота дыхания и ряд других), так и по техническим — времени, объему топлива, потраченному на стыковку, скорости сближения и тому подобного.

Фото: Олег Волошин / Chrdk.
Фото: Олег Волошин / Chrdk.

Подготовка испытателя Марка Серова к бегу на специальном стенде — вертикальной бегущей дорожке БД-2. Точно такая же дорожка находится на борту МКС и используется космонавтами для ежедневных тренировок. Единственное отличие наземной дорожки от бортовой — необходимость нивелировать вектор гравитации, для чего используется специальный подвижный ложемент, который не позволяет испытателю жестко зафиксироваться на дорожке — любой толчок отодвинет его от опоры. А чтобы все-таки можно было бегать, на испытателя одевают специальную систему ремней-притягов, обеспечивающую необходимую силу «притяжения» к дорожке. Эта сила может меняться в зависимости от задач.

Фото: Олег Волошин / Chrdk.
Фото: Олег Волошин / Chrdk.

Исследование глазодвигательных ответов при электростимуляции вестибулярного аппарата. При воздействии невесомости происходит нарушение функций вестибулярного аппарата, что сопровождается укачиванием, вестибулярными иллюзиями и рассогласованными движениями глаз. На фото испытуемый находится в иммерсионной ванне, с помощью которой моделируют эффекты невесомости. На голове добровольца расположены электроды, стимулирующие вестибулярный аппарат, и специальная маска, которая регистрирует движения глаз. Исследователь на приборе задает величину и силу стимула, а камера на маске регистрирует движения зрачка.

 Олег Волошин