История биомеханики

К предыдущей странице

Век Просвещения – век электричества

В течение XVIII века – века Просвещения - были заложены математические основы современной механики, а основные открытия и положения последней приложены для объяснения процессов, протекающих в биологических организмах. Исследования по биомеханике получили твердую экспериментальную основу, были развиты строгие количественные методы измерений в биомедицинских экспериментах и наблюдениях. Всеобщие законы сохранения – массы, импульса, энергии – были осознаны как необходимая база для изучения биологических процессов. В то же время изучение биологических систем позволяло понять и переосмыслить фундаментальные понятия механики, такие как понятие силы. Мышечное сокращение и генерация силы как основа локомоций и видимых проявлений жизни, связь сокращения с проведением нервного импульса и деятельностью мозга исследовались не только в механическом и физиологическом, но и в общефилософском контекстах. Параллельно с успехами химии и биохимии формировалось представление о важности электрических и электрохимических процессов, которое привело к появлению современной биомеханики, учитывающей при моделировании механических явлений протекающие в организме физико-химические процессы. XVIII век часто называют веком электричества, и для биологии начало его связано с именем итальянского анатома и физиолога Луиджи Гальвани (Galvani 1737-1798). Само слово «электричество» было введено придворным врачом английской королевы Елизаветы Уильямом Джильбертом (William Hilbert 1544—1603), который в своем фундаментальном труде по магнетизму «The Magnet» собрал и обобщил известные сведения по электризации и магнетизму. История исследования электрических и магнитных явлений тесно переплетена и неразрывно связана со свойствами биологических систем. Еще французский физик Чарльз Дюфей (Charles Dufay 1698-1739), который ввел понятия «стеклянного» и «смоляного» электричества (позже замененных Бенджамином Франклином на положительный и отрицательный заряды) полагал, что электрические свойства являются основной характеристикой всех живых тканей. Гальвани обнаружил и исследовал электрические явления, сопровождающие мышечное сокращение («животное электричество») и стал основоположником современной экспериментальной электрофизиологии. Он обнаружил, что соединение мышцы препарата лягушки с нервом посредством проводника, состоящего из двух разных металлов, приводит к сокращению мышцы за счет, как считал Гальвани, передачи от нерва к мышце по проводнику «животного электричества». Влияние электричества Он показал, что ткани животных являются источником электричества такого рода. В своем труде «Трактат по влиянию электричества на мышечное движение» (1791), подводившем итог десяти годам экспериментов и размышлений, Гальвани указывает, что электрические силы могут быть использованы в лечебных целях. Он высказывает соображения о роли электрических процессов в мозге и нервах при развитии ряда заболеваний (паралич, эпилепсия) и обосновывает положение о том, что животное электричество идентично электричеству, образующемуся при трении и атмосферному электричеству. В 1797 г. немецкий естествоиспытатель Александр фон Гумбольдт (Alexander von Humboldt 1769-1859) повторил опыты Гальвани и подтвердил его открытие. Итальянский физик и физиолог Алессандро Вольта (Volta 1745-1827) продолжил исследования «животного электричества» и открыл контактную разность потенциалов. Он показал, что нервно-мышечный препарат является чувствительным электроскопом, а разность потенциалов создается за счет контакта двух металлов в проводнике. Вольта создал первый химический источник постоянного электрического тока («вольтов столб», 1800), что позволило развернуть масштабные исследования влияния электричества на организм. В ходе спора Гальвани и Вольта о физической природе животного электричества Гальвани поставил новые эксперименты без использования металлов и показал, что при сокращении мышцы возникает возбуждение, которое передается через контактирующий с ней нерв другого нервно-мышечного препарата и вызывает сокращение соответствующей мышцы. Вольта впервые обнаружил явление электрического фосфена – зрительное ощущение вспышки света при пропускании через глаз электрического тока и исследовал также возникновение вкусовых ощущений при прохождении тока. Французский анатом и физиолог Мари-Франсуа Бишо (Bichat Mari-Francois Xavier, 1771-1802) детально исследовал структуру и классифицировал 21 вид тканей в организме человека, введя в обиход медицины сам термин «ткань». Он заложил основы современной гистологии и патологической анатомии. Во время Французской революции Бишо получил разрешение проводить эксперименты с гильотинированными телами и, таким образом, смог на обширном материале исследовать влияние электростимуляции на деятельность различных органов, в том числе на сердечные сокращения при прямой стимуляции. Он сформулировал также важное и плодотворное для дальнейшего развития биологии утверждение о тесной связи между формой и функцией. В 1833г. был изобретен гальванометр (Нервандар), а в 1838 итальянский физиолог и физик Карло Маттеуччи (Сarlo Matteucci 1811-1868) с его помощью измерил разность потенциалов между нервом и мышцей на рассеченном препарате лягушки. В 1837 г. Маттеуччи показал, что разность потенциалов всегда существует между поврежденной и рассеченной частями мышцы, причем поврежденная часть заряжена отрицательно. В 1848г. существование «тока повреждения» между рассеченной и неповрежденной частями мышцы было подтверждено в работах видного немецкого физиолога Эмиля Дюбуа-Реймона (Du Bois-Reymond 1818-1896), положивших начало молекулярной теории биопотенциалов и современной электрофизиологии. Загадка мышечного движения получила свое физическое обоснование, а электрические поля и токи стали использоваться в медицине не только экспериментов, но и для лечения и диагностики. Французский невропатолог Дюшен (Guillaume Duchenne 1806-1875) разработал устройство для электростимуляции мышц с поверхностными электродами [Duchenne 1855, 1863], описал особенности мышечной дистрофии, осанки больных с параличами и парезами. Он же предложил использовать электростимуляцию для диагностики локализации и лечения патологии. Дюшен исследовал влияние электростимуляции на нервы и мышцы в норме и при патологиях, для чего разработал технику биопсии. Применяя электростимуляцию к различным поверхностным мышцам, он уточнил их расположение и степень участия в локомоциях, впервые выяснив, что двигательные акты обусловлены скоординированным сокращением определенных групп мышц. Дюшен первый начал использовать в своем аппарате катушку индуктивности, что позволило ему выяснить зависимость мышечной реакции (от незначительного подергивания до тетануса) от напряжения. Исследуя влияние электрического тока на парализованные мышцы, он выделил патологии, связанные с нарушениями нервной системы (нормальная мышечная реакция при электростимуляции) и с нарушениями мышц (отсутствие сокращения при стимуляции). В некоторых случаях ему удавалось постепенное восстановление деятельности парализованной мышцы после курса электростимуляции. В 1862 г. он завершил описание порядка ста лицевых мышц, подробно описав отдельные группы, участвующие в выражении отдельных эмоций и мимических реакций. Поскольку использовавшийся аппарат вызывал достаточно болезненные ощущения при стимуляции лицевых мышц, Дюшен использовал трупный материал или пациентов с параличом мышц лица. Это казалось более чем чудом – возможность «по заказу» вызвать маску гнева или радости на неподвижном лице. Дюшен даже описал подробно механизм неискренней улыбки, в формирование которой основной вклад вносит только круговая мышца рта, и других «типов» улыбок, включая самую искреннюю улыбку «сладких эмоций души» (улыбка Дюшена). На основе результатов своей работы, автор предложил метод электростимуляции лицевых мышц, методику тренировки для актеров, широко использовал фотографию. Немецкий физиолог и философ Дюбуа-Реймон стал основоположником современной электрофизиологии. Он исследовал влияние электрического тока на нервы и электрические явления в живых тканях. Результаты его экспериментальных исследований были опубликованы в труде «Очерки по исследованию так называемого лягушечьего тока и электродвигательных рыб» (1843г.). Он усовершенствовал гальванометр для измерения слабых электрических биотоков, зарегистрировал электрические процессы в мышцах и нервах при сокращении мышц и выполнении движений [Dubois-Reymond 1859,1867], создал молекулярную теорию биопотенциалов. Результаты его многолетних исследований изложены в фундаментальном труде «Researches on Animal Electricity» (1848-1884). В 1848г. он продемонстрировал результаты измерения потенциала действия нервов, а в 1849г. – потенциалы сокращающейся мышцы (электромиография). Классический эксперимент Дюбуа-Реймона связан с определением электрического сопротивления кожи. При этом руки испытуемого погружались в отдельные сосуды с раствором соли и после сокращения конечности гальванометр регистрировал появление разности потенциалов, которая резко увеличивалась при отделении кожного лоскута с участка сокращающейся мышцы. Он ввел понятия тока покоя, исследовал воздействие скорости изменения тока ( ) на возбуждение. Крупнейший труд Дюбуа-Реймона «Исследования по животному электричеству» печатался постепенно с 1848 по1860 год. Он первый предложил проводить диагностику состояния тканей, оценивая их реакцию на действие электрического тока. Он первый предложил использовать электрический ток в терапии для лечения нервно-мышечных и других функциональных расстройств. Его ученик немецкий физиолог Лудимар Герман (1838-1914) сформулировал биоэлектрическую теорию нервной проводимости, впервые измерил скорость распространения волны возбуждения по мышце, а также исследовал токи действия работающих мышц и желез (секреторные токи). Он же исследовал механизмы рече- и звукообразования, используя звукозаписи. Детальные исследования мышечного сокращения при выполнении отдельных сгибаний-разгибаний конечностей были проведены физиологом Ломбардом (Warren Plimpton Lombard 1855-1939). С помощью сконструированного им устройства он проводил одновременную регистрацию биопотенциалов пятнадцати сокращающихся мышц, исследуя спинальные рефлексы у лягушки. Анализируя локомоции человека, Ломбард обнаружил коактивацию пары мышц-антагонистов (передней и двуглавой мышц бедра) при переходе от положения сидя в положение стоя. Этот парадокс носит теперь его имя и объясняется путем анализа моментов сил, создаваемых парой антагонистов, однако отдельные аспекты мышечной коактивации и сейчас являются объектом биомеханического исследования [Gregor 1985]. Английский физиолог Шарль Шеррингтон Charles Scott Sherrington (1852-1952) обнаружил, что из всех нервных волокон, подходящих к мышце, около двух третьих составляют эфферентные волокна, а остальные представляют собой моторные нервы. Он обнаружил тоническое сокращение мышцы в ответ на ее растяжение и исследовал особенности иннервации и функционирования мышц-антагонистов. В 1889г. ? 1929 [Мачабели] физик Б.Ван-дер-Поль (18??-1???) предложил электрическую модель сердца, состоящую из четырех нелинейных осцилляторов [Fung история бм].