Равновесие тела — это состояние покоя тела относительно какой-либо системы отсчета, в частном случае — неподвижность тела относительно окружающей его среды. Равновесие тела бывает статическим и динамическим. При статическом равновесии тела проекция общего центра тяжести тела находится внутри площади опоры (рис. 1). При ходьбе, беге, катании на коньках и т. п. динамическое равновесие тела достигается путем балансирования, т. е. подведением площади опоры под сместившуюся проекцию центра тяжести тела (рис. 2).
Рис. 1. Плоскость опоры тела при вольном стоянии: S — точка, соответствующая проекции общего центра тяжести. Рис. 2. Восстановление равновесия тела путем компенсирующего изменения деятельности мышц ног при наклоне туловища вперед. Проекция центра тяжести (вертикальная линия) возвращена в прежнее положение на плоскость опоры.
В поддержании состояния равновесия тела принимает участие целый ряд сложных систем. Важная роль принадлежит вестибулярному аппарату. Его рецепторная часть расположена во внутреннем ухе и состоит из мешочков преддверия и трех полукружных каналов. При возбуждении вестибулярного аппарата происходит раздражение волосков чувствительного эпителия. Возникающие импульсы передаются по вестибулярному нерву в мозг. В процессе поддержания равновесия тела вестибулярная система осуществляет тесное взаимодействие со зрительным аппаратом. Оба эти аппарата (вестибулярный и зрительный) имеют обширные двусторонние связи с мозжечком. Мозжечок также является очень важным иннервационным звеном в сохранении равновесия тела. Большую роль играют многочисленные рецепторы мышц, сухожилий, суставов и кожи, и прежде всего механизмы мышечного тонуса, а также проприоцептивные рефлексы. Координация всех этих механизмов, обеспечивающих равновесие тела, происходит на разных уровнях нервной системы — в спинном мозге, стволе мозга и в коре больших полушарий.
Равновесие тела исследуется многочисленными методами. К их числу принадлежит метод стабилографии — регистрация перемещений проекции общего центра тяжести по площади опоры. Равновесие тела нарушается при самых различных заболеваниях: поражениях вестибулярного аппарата, мозжечка, поражениях спинного мозга и т. п.
Равновесие тела — неподвижность его относительно окружающей среды; в узком смысле — сохранение определенного (например, вертикального) положения.
Согласно положениям статики равновесие тела человека при вертикальной стойке относится к неустойчивому типу, так как общий центр тяжести тела лежит выше площади опоры. При стоянии площадь опоры заключена внутри поверхности, образованной наружными контурами обеих стоп и линиями, соединяющими их переднюю и заднюю крайние точки. Равновесие тела сохраняется до тех пор, пока вертикаль (проекция), опущенная из общего центра тяжести тела, не выходит за пределы площади опоры (статическое равновесие тела). Если проекция общего центра тяжести вышла за пределы площади опоры, то восстановление равновесия тела возможно только путем балансирования, т. е. подведения площади опоры под сместившуюся проекцию общего центра тяжести (динамическое равновесие тела). Такой вид равновесия тела имеет место при всех видах перемещений — ходьбе, беге, катании на коньках, велосипеде и т. д. При спокойном стоянии вертикаль через общий центр тяжести тела (рис. 1, нижняя стрелка) проходит впереди осп голеностопных суставов (на 4—5 см) и оси коленных суставов (на 0,5—1,5 см) и позади оси тазобедренных суставов (на 1—3 см), а вертикаль через центр тяжести верхней половины тела (рис. 1, верхняя стрелка), находящейся над осью тазобедренных суставов, проходит впереди позвоночного столба (на 1—2 см кпереди от IV поясничного позвонка). Таким образом, вес тела создает статические (опрокидывающие) моменты сил относительно ряда суставов: действие силы тяжести тела направлено на разгибание в тазобедренных и коленных суставах, на сгибание в голеностопных суставах и переднее сгибание туловища и т. д.
Сохранение статического равновесия тела возможно в том случае, если суммарному опрокидывающему моменту, создаваемому силой тяжести тела и другими внешними силами, противодействует равный по величине и противоположный по направлению уравновешивающий (фиксирующий) момент, создаваемый внутренними (мышечными) силами. Чем больше статический (опрокидывающий) момент действует на данный сустав, тем большее усилие должны развивать мышцы этого сустава для фиксации положения. Как показывает регистрация электрической активности мышц, распределение мышечных усилий при сохранении вертикальной позы соответствует биомеханическим особенностям этого положения тела, т. е. соответствует величинам и направлению моментов сил тяжести, действующих на суставы. Так, наибольшая активность обнаруживается у мышц — разгибателей голеностопных суставов, в которых статический момент силы тяжести имеет наибольшую величину. Вместе с уменьшением статических моментов в более высоко расположенных коленных и тазобедренных суставах убывает и степень электрической активности мышц (рис. 2).
Рис. 2. Уровень электрической активности мышц при удобном стоянии (в порядке убывания обозначен зачернением, штриховкой, точками и крестиками): 1— вид спереди; 2 — вид сзади.
Даже при нарочито неподвижной позе происходят постоянные взаимные смещения звеньев тела относительно друг друга (например, в связи с актом дыхания и другими причинами), изменяющие статические опрокидывающие моменты, что приводит к необходимости непрерывного динамического приспособления соответствующих уравновешивающих мышечных моментов. Этот динамический процесс находит свое отражение в колебаниях тела, которые можно зарегистрировать непосредственно (кефалография) или косвенно по перемещению проекции общего центра тяжести по опорной площадке (стабиллография). Сложный характер стабиллограммы (рис. 3) отражает деятельность многоуровневой системы регуляции вертикальной позы человека, включающей различные отделы нервной системы.
Рис. 3. Стабиллографическая регистрация колебаний общего центра тяжести тела человека в вертикальной позе.
Основным рабочим механизмом сохранения позы является спинальная система проприоцептивного рефлекса на растяжение, обусловливающая позный тонус. Рецепторами этого рефлекса служат расположенные в мышцах мышечные веретена, импульсация которых усиливается при растяжении мышцы. Импульсация от мышечных веретен оказывает рефлекторное возбуждающее действие на мотоневроны как собственной мышцы, так и мышц-синергистов. В рефлекторном позном тонусе можно выделить два компонента: статический, определяющий фоновую активность позных мышц, и динамический, обусловливающий непрерывную коррекцию малейших нарушений позы. В соответствии с этим система рефлекса на растяжение включает два типа рецепторов — первичные (динамические) и вторичные (статические) окончания мышечных веретен и два типа мотоневронов — быстрые (фазические) и медленные (тонические), связанные с быстрыми и медленными мышечными волокнами. Уровень активности системы рефлекса на растяжение и его чувствительность к изменениям позы настраивается и регулируется высшими отделами ЦНС в соответствии с информацией, которую эти отделы получают от двигательного, кожного, вестибулярного, зрительного анализаторов.
В системе двигательного анализатора (см. Движения) для сохранения равновесия тела, помимо афферентации от мышечных рецепторов, существенную роль играет также афферентация от рецепторов суставно-связочного аппарата, сигнализирующая о направлении и скорости изменения суставного угла. Особое значение имеет афферентация от рецепторов суставно-связочного аппарата шейного отдела позвоночника, влияющая на перераспределение рефлекторного тонуса мышц конечностей и туловища в соответствии с изменениями положения головы [шейно-тонические рефлексы (см. Магнуса—Клейна рефлексы)]. Аналогичную роль играет афферентация от рецепторов вестибулярного аппарата (см.), обеспечивающая анализ положения и перемещения головы в пространстве и осуществление в ответ на действие адекватных раздражителей (ускорение, изменение силы тяжести) тонических рефлексов, в том числе статических, включающих рефлексы позы с лабиринта на конечности, шею и туловище, и статокинетических, а также вегетативных реакций. Нарушения равновесия тела, которые наблюдаются в клинике при поражениях мозжечка (см.), по-видимому, связаны со значением последнего в координации проприоцептивных и вестибулярных позных рефлексов.
Участие зрительного анализатора в сохранении равновесия тела связано, с одной стороны, с обеспечением зрительной ориентировки положения тела по отношению к окружающим предметам, а с другой,— с общим действием света как одного из важнейших факторов, определяющих уровень активности ЦНС. В связи с этим закрывание глаз приводит к возрастанию амплитуды колебаний тела, увеличивающейся также при надевании светонепроницаемых очков или при исследовании в затемненном помещении (В. С. Гурфинкель). Когда испытуемый находится в позе Ромберга (см. Ромберга симптом) — со сдвинутыми стопами, площадь опоры уменьшается, а вытянутые вперед руки создают большой опрокидывающий момент, что предъявляет повышенные требования к системе регуляции позы. В этих условиях закрывание глаз, вызывая дополнительные колебания тела, может приводить к явному нарушению равновесия тела и даже падению.