Модель мышцы

 

у

Союз Советских

Социалистических

Республик

О П Ц" С А Н.ИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ оц765825

+

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 26р7.78 (21) 2675535/28-13 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 23П980, Ьк>ллетень 8935

Дата опубликования описания 23,0980 (51)М. Кл,з

G 06 5 7/60

5 09 3 23/28

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 615 47 (088.8) (72) Автор изобретения

С.П. Романов

Ордена Трудового Красного Знамени институт физиологии им. И.П. Павлова (71) Заявитель (54) МОДЕЛЬ ьЫЩЫ

Изобретение относится к моделированию биологических систем управления и может использоваться как объект при исследованиях нейрональных механизмов управления мышечным сокра:дением.

Известна модель мышцы, содержащая последовательно соединенные блоки, моделирующие сократительные и упруговязкие свойства интрафузальных мышечных волокон, свойства рецепторных образований веретена, и последовательно соединенные блоки, моделирующие сократительные и упруго-вязкие свойства экстрафузальных мышечных волокон и свойства рецепторного образования су- 15 хожильного органа Гольджи 13.

Недостатком известной модели является то, что на ней не воспроизводится присущая реальной мышце нелинейная 20 зависимость преобразования длины и напряжения, не учитываются свойства внешней среды, такие как ускорение силы тяжестки и масса воздействующих грузов, противодействие которых прес- 25 долевается сокращающейся мышцей. Все это сужает область применимости модели при сопоставлении результатов модельных экспериментов и экспериментов на реальной мышце. 30 цель изобретения — расширение функциональных свойств модели.

Поставленная цель достигается тем, что в модель дополнительно введены преобразователи длины мышцы в активное и пассивное напряжение, блок преобразования сокращения мышцы в активное напряжение, блок моделирующий механические свойства внешней среды, состоящий из последовательно соединенных блоков преобразования усилия, развив аемого мышцей, в ускорение, ускоренияв скорость, скорость в длину мышцы, причем один из входов блока преобразования сокращения мьхоцы в активное напряжение соединен с выходом блока, моделирующего сократительные свойства экстрафузальных мышечных волокон, а выход блока преобразования сокращения мышцы в активное напряжение соединен с одним из входов блока, моделирующего упруго-вязкие свойства экстрафузальных мышечных волокон, при этом входы блоков преобразования длины мышцы в активное и пассивное напряжение соединены с выходом блока преобразования скорости в длину мышцы, а выходы этих блоков соответствзнно соединены со вторыми входами блока преобразования сокращения мышцы в ак765825 тивное напряжение и блока, моделирующего упруго-вязкие свойства экстрафузальных мышечных волокон, выход которого соединен с одним из входов блока преобразования усилия, развиваемого мышцей, в ускорение, один из входов которого соединен с источником сигнала, соответствующего массе воздействующих на мышцу грузов, второй вход блока преобразования ускорения в скорость соединен с источником сигнала, соответствующего ускорения силы тяжести.

На фиг. 1 изображена структурная схема модели мышцы; на фиг. 2 - структурно-функциональная схема модели мышцы с передаточными харатеристика- 15 ми отдельных звеньев.

Модель мышцы функционально разде лена на три группы блоков, моделирующих соответственно свойства мышечного веретена, свойства экстрафу- 2О эальных мышечных волокон и механические свойства внешней среды. В первую группу входят последовательно соединенные блок 1, моделирующий сократительную функцию нитрофузальных мышечных волокон, блок 2, моделирующий .упруго-вязкие свойства этих волокон, и присоединенные к выходу блока 2 блоки 3 и 4, моделирующие свойства рецепторных образований веретена.

Во вторую группу блоков входят последовательно соединенные блок 5, моделирукщий сократителъные свойства экстрафузальных мышечных волокон, блох 6 преобразования сокращения мышцы в активное напряжение в виде блока умножения, блок 7, моделирующий упруго-вязкие свойства экстрафуэальных мышечных волокон, и блок 8, моделирующий свойства сухожильного органа Гольджи. Преобразователь 9 дли- 4О ны мышцы в активное напряжение со вторым входом блока 6, а преобразователь 10 длины мышцы в пассивное напряжение соединен со вторым входом блока 7.

Блок, моделирующий механические свойства внешней среды, состоит иэ последовательно соединеннных блока 11 преобразования усилия, развиваемого мышцей, в ускорение, блока 12 преобразования ускорения в скорость и блока 13 преобразования скорости в.длину мышцы. Причем блок 11 выполнен э виде блока деления, а блоки 12 и

13 - в виде интеграторов.

Связи между группами блоков обраиуют структурнее единство модели мыш ы подключением выхода 14 модели, карактеризующего изменение длины пышцы, к блоку 2, преобразователям

) и 10, а выхода блока 5 — к од- бО ому иэ входов блока 2. Выход блока 7

:оединен с одним иэ входов "делимое" лоха 11, на вход 15 "делитель" кото>ого подается напряжение, соответ:твующее массе воздействующих на мышцы грузов. Вход 16 блока 12 характеризует параметр ускорения внешней среды, а вход 17 преобразователя 10 характеризует параметр "нулевой" длины мышцы и позволяет смещать друг относительно друга характеристики активного и пассивного напряжений мышцы моделируемыми преобразователями 9 и 10. На входы блоков 1 и 5 подаются последовательности импульсов, соответствующие потокам от гаммаи альфа-мононейронов. На выходе блоков 3,4 и 8 формируются потенциалы .мышечных рецепторов растяжения.

Модель работает следующим образом.

В исходном состоянии на входы 15 и 16 подаются напряжения, соответствукщие определенным массам грузов и ускорению силы тяжести. Напряжение на входе 17 соответствует величине, необходимой для задания расположения характеристик нелинейных блоков преобразователей 9 и 10 друг относительно друга. Величина ускорения g поступает на вход 16 интегратора блока 12, на выходе которого сигнал пропорционален скорости, так как ч(ц) = f ((е) — а ц)д

Интегрирование параметра скорость дает на выходе 14 блока 13 изменение длины мышцы в соответствии с формулой

Изменение длины мышцы преобразуется в преобразователе 10 в величин пассивного напряжения, которое через блок 7 поступает на вход деления блока 11 в виде напряжения, соответствующего силе, развиваемой мышечной тканью. На выходе блока 11 в результате деления силы на величину массы груза получаем параметр ускорения направленного против ускорения силы тяжести.

Таким образом, в соответствии с входными параметрами и передаточными характеристиками блоков (фиг.2) модель находится в состоянии динамического равновесия и подготовлена для проведения экспериментального исследования. В зависимости от задач исследования изучаются характер изменения длины мышцы (выход 14 модели) и характеристики рецепторных потенциалов (выходы блоков 3,4 и 8) при возбуждении в различных комбинациях входов блоков 4 и 5 и изменении параметров модели. При подаче сигнала на вход блока 5 моделируется сокращение экстрафузальных мышечных sолокон, а сигнал с выхода этого блока поступает на блок умножения блока 6. Произведение сигналов с выходов блока 5 и преобразователя 9 соответствует уровню развиваемого мьвацей активного напряжения (сигнал с выхода блока умножения блока 6) при текущей длине мьв1765825 цы. Сигнал с выхода блока 6 проходит через блок 7, на котором преобразуется в соответствии с соотношением упруго-вязких свойств, моделируемых в этом блоке, и вызывает изменение длины мышцы (выход 14) — укорочение, если груз (выход 15) не очень велик.

Иэмм ившийся сигнал блока выхода 14 модели изменяет выходной сигнал преобразователя 9, и в системе экстрафузальное волокно-внешняя среда (замкнутой через блоки 6, 7, 11, 12, 13, tQ преобразователь 9, блок 6) устанавливается равновесие, связывающее между собой параметры массы (вход 15), ускорения (вход 16), длины мышцы (выход 14), величины сигнала, посту- 15 пающего на вход блока 5..На выходе блоков 3 и 4 во всех случаях отражаются динамические и статические характеристики подаваемых на модель мышцы воздействий., 20

Передаточные функции блоков отражают упруго-вязкие свойства отдельных образований мышцы, характер которых выявлен в биологическом эксперименте.. Обозначенные на фиг.2 штриховые стрелки к блокам упруго-вязких свойств от блоков, воспроизводящих функцию сокращения, показывают возможность изменения соотношения упруго-вязких свойств активной и пассивной мышцы.

Введение в модель характеристики нелинейных элементов, отражающих зависимость преобразования длины реальной мышцы и ее активного и пассивного напряжений, выявлены также в биологическом эксперименте и задаются в модели методом кусочнолинейной аппроксимации с помощью стандартных нелинейных блоков, содержащих резистивно-диодные элементы. 40

Модель используется для изучения нейрональных механизмов управления мышечным сокращением и в этом случае выходы блоков 3, 4 и 8 замкнуты через нейронную структуру с входами 45 блоков 1 и 5. Число первой и второй групп блоков может быть увеличено в различных задачах исследования. Коэффициенты передаточных функций выбираются таким образом, чтобы модель работала в реальном масштабе времени, что позволяет непосредственно сравнивать результаты модельных экспериментов и экспериментов на живом объекте. Модель мышцы с нелинейным характером преобразования длины и напряжения позволяет расширить диапазон применимости модели и переносить данные модельного эксперимента на биологический объект во всем диапазоне изменения параметров, поступающих ( на вход модели мыацы.

Преимущество данной модели заключается прежде всего в том, что соответствие длины мышцы пассивному и активному напряжениям, параметрам внешней среды - массе и ускорению, устанавливается каждый момент по двум замкнутым контурам, в которые включены нелинейные элементы. Таким образом в модели происходит текущее решение дифференциальных уравнений, порядок которых определяется произведением последовательно расположенных передаточных характеристик в каждом контуре. Решение дифференциальных уравнений происходит во времени, и модель мышцы становится динамической моделью с проявлением переходных процессов на изменение входных величин.

Введение блока "механические свойства внешней среды", в котором происходит преобразование усилия, развиваемого экстрафузальными волокнами, в параметр "ускорение", сообщаемому подвижному звену, к которому прикреплены мышцы, и последующее преобразование ускорения в "изменение длины мышцы", позволяет отказаться от использования параметра "сила P", введя параметры массы М и ускорения силы тяжести g . Это позволяет расширить рамки применимости модели, так как появляется возможность изучать механизмы мышечного сокращения в условиях переменной силы тяжести.

Выделение в модели групп блоков позволяет простым количественным их увеличением переходить к изучению взаимодействия как различных типов мышечных волокон в одной мышце, так и к изучению координационной работы мышц при перемещении подвижного звена конечности относительно какоголибо сустава. Модель позволяет изучать механизмы развития силы и выполнения движений при изменении внутренних параметров мьйацы и ее рецепторного аппарата и при различных внешних условиях воздействия на мьхацу. Модель мышцы может быть использована при конструировании бионических технических систем.

Формула изобретения

Модель мышцы, содержащая последовательно соединенные блоки., моделирующие сократительные и упруго-вязкие свойства интрафузальных мышечных волокон, свойства рецепторных образований веретена, и последовательно соединенные блоки, моделирующие сократительные и упруго-вязкие свойства экстрафузальных ь ышечных волокон и свойства рецепторного образования сухожильного органа Гольджи, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью расширения функциональных свойств модели, в нее дополнительно введены преобразователи мышцы в активное и пассивное напряжение, блок преобразования сокращения мьыцы в активное напряжение, блок, моделирующий механические свойства

765825

tO внешней среды, состоящий из последовательно соединенных блоков преобразования усилия, развиваемого мышцей, в ускорение, ускорения - в скорость, скорости — в длину мышцы, причем один из входов блока преобразования сокращения мпш ы в активное напряжение соединен с выходом блока, моделирующего сократительные свойства экстрафузальных ьышечных волокон, а выход блока преобразования сокращения мышцы в активное напряжение соединен с одним из входов блока, моделирующего упруго-вязкие свойства экстрафузальных мышечных волокон, при этом входы блоков преобразования длины мышцы в активное и пассивное напряжение соединены с выходом блока преобразования скорости в длину мышцы, а выходы этих блоков соответственно соединены со вторыми входами блока преобразования сокращения ьышцы в активное напряжение и блока, моделирующего упруго-вязкие свойства зкстрафузальных мышечных волокон, выход которого соединен с одним иэ входов блока преобразования усилия, развиваемого мышцей, в ускорение, один из входов которого соединен с источником сигнала, соответствующего массе воздействующих на мышцу грузов, второй вход блока преобразования ускорения в скорость соединен с источником сигнала, соответствующего ускорению

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

1. Романов С.П. Моделирование механизмов спинального уровня управлением мышечными сокращением. — Физиологический журнал, 1974, В 10, с.15081517 .

765825

Составитель Л.Соловьев

Текред М. Кузьма Корректор Н.Бабинец

Редактор A.Ìîòûëü

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 6922/18 Тираж 751 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5