Η φυσική στη Βιολογία: Στοχαστική ισορροπία

Από τη σελίδα του Nature, 21 Νοεμβρίου 2002

Η παρουσία θορύβου σε ένα περιβάλλον παρακωλύει συνήθως την ανίχνευση σημάτων. Αλλά σε ορισμένες καταστάσεις, ιδιαίτερα όταν η απόκριση του συστήματος είναι μη γραμμική και η μη ευαισθησία στα σήματα κάτω από ένα ορισμένο κατώφλι, ο θόρυβος μπορεί πραγματικά να βοηθήσει στην ανίχνευση των ασθενών σημάτων. Αυτό το φαινόμενο, που είναι γνωστό ως στοχαστικός συντονισμός, βοηθά πολλούς διαφορετικούς οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένων των ψαριών, αρουραίων και ακόμα και των ανθρώπων, να αυξήσουν την αισθητήρια ευαισθησία τους σε ασθενή φυσικά ερεθίσματα. Και γράφοντας στο Physical Review Letters, ο Attila Priplata και οι συνάδελφοι του εμφανίζουν ότι θα μπορούσε να βοηθήσει στον έλεγχο της ανθρώπινης ισορροπίας.

Αν και αυτό μπορεί να θεωρηθεί  αντίθετο προς την διαισθητική, όταν στέκεται ακίνητο ένα πρόσωπο αυτοί είναι στην πραγματικότητα σε σταθερή κίνηση, ταλαντευόμενοι πέρα δώθε για να κρατήσουν την ισορροπία τους. Κατά πόσο ένα πρόσωπο ταλαντεύεται, συνήθως δείχνει πόσο δύσκολο είναι για αυτούς να διατηρήσουν την ισορροπία τους -- όσο μεγαλύτερη η κίνηση, τόσο μεγαλύτερη η δυσκολία -- και μπορεί να επηρεαστεί από ποικίλους παράγοντες συμπεριλαμβανομένης του αλκοόλ, της κούρασης, της ηλικίας και της κατάστασης υγείας.

 Η αισθητήρια ανατροφοδότηση είναι ουσιαστική σε πολλά από τα συστήματα ελέγχου του σώματος, και ιδιαίτερα στον έλεγχο της ισορροπίας. Τέτοια ανατροφοδότηση περιλαμβάνει οπτικά ερεθίσματα, την ανίχνευση κίνησης από το προθαλαμιαίο σύστημα του εσωτερικού αυτιού, και τον έλεγχο των αλλαγών πίεσης στα πέλματα των ποδιών από το σωματοαισθητηριακό σύστημα. Ενθαρρυμένοι  από τις μελέτες που εμφανίζουν ότι ο στοχαστικός συντονισμός μπορεί να ενισχύσει την ανθρώπινη αίσθηση της αφής, οι Priplata κλπ πρότειναν ότι προσθέτοντας θόρυβο στην αισθητήρια είσοδο του σωματοαισθητηριακού συστήματος, παρόμοια φαινόμενα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να βοηθήσουν τον έλεγχο της ανθρώπινης ισορροπίας.

Για να εξετάσουν την ιδέα τους, οι συντάκτες του εγγράφου, έχτισαν μια πλατφόρμα που ήταν διατρυπημένη με μια σειρά οπών. Αρκετές εκατοντάδες οδοντωτά πλαστικά δόνησης (κάθε ένα ήταν διαμέτρου 3.2 χιλ.) σπρώχτηκαν μέσω αυτών των οπών για να διεγείρουν τα πέλματα των ποδιών του προσώπου που στέκεται στην πλατφόρμα. Πριν από κάθε δοκιμή, η δύναμη της δόνησης που εφαρμόστηκε στα πλαστικά ήταν μεταβλητή έως ότου το άτομο δεν μπόρεσε πλέον να ανιχνεύσει τη δόνηση. Μειώθηκε έπειτα ακόμη ένα 10% για να εξασφαλιστεί ότι ήταν κάτω από την ευαισθησία της αντίληψης αφής. Μια φωτογραφική μηχανή έλεγχε τη μετακίνηση κάθε ατόμου ενώ αυτοί στάθηκαν ακόμα για 30 δευτερόλεπτα.

Οι Priplata κλπ προσδιόρισαν δύο σταθερά επαναλαμβανόμενα γεγονότα της ταλαντευόμενης κίνησης και στα νέα και στα παλαιά άτομα, ανάλογα με το ποσό του χρόνου που αφέθηκαν ακινητοποιημένοι. Για τις σύντομες περιόδους (λιγότερο από 2 δευτερόλεπτα), ο βαθμός ταλάντευσης στα πρόσωπα δείχνει τον ανοικτού βρόχου έλεγχο χωρίς τη χρήση της ανατροφοδότησης. Για τις μακρύτερες περιόδους, οι ταλαντευόμενες κινήσεις, δείχνουν τη χρήση της αισθητήριας ανατροφοδότησης (κλειστός βρόγχος) για να διατηρήσει το άτομο την ισορροπία. Με την ανάλυση της κίνησης και των νέων (ηλικίας 21-26 ετών) και των παλαιών (ηλικίας 67-83 ετών) ατόμων σε αυτό το καθεστώς κλειστών βρόγχων, οι συντάκτες βρήκαν ότι το ποσό κίνησης και στις δύο ομάδες μειώθηκε, όταν εφαρμόστηκε ένα υποαισθητικό θορυβώδες ερέθισμα στα πέλματα των ποδιών τους, το οποίο δείχνει μια αύξηση του ελέγχου ισορροπίας τους από το στοχαστικό συντονισμό.

Οι συντάκτες προτείνουν ότι αυτά τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να οδηγήσουν στην ανάπτυξη θεραπευτικών συσκευών βασισμένων στο θόρυβο, τοποθετημένων στα παπούτσια, για να βοηθηθούν  οι άνθρωποι να υπερνικήσουν τις δυσκολίες που συνδέονται με την ηλικία - ή τη νόσο της απώλεια της αισθήσεως.

Αναφορά: Noise-Enhanced Human Balance Control Physical Review Letters 89, 238101 (13 November 2002)