Традиционно позвоночный столб человека рассматривался и продолжает рассматриваться как башня из твердых блоков (позвонков) и мягких прокладок (дисков) между ними, которые передают свою компрессионную нагрузку вниз по каждому сегменту к тазу. Уже само по себе название «позвоночный столб» весьма красноречиво и задает однозначную инженерно-строительную интерпретацию.

Такая инженерная интерпретация рассматривает вертикальный позвоночник как внутренне неустойчивую конфигурацию, которая порождает массу проблем, таких как избыточная концентрация нагрузок в поясничном отделе; тенденции к деформации дисков и т. д. Вертикальному расчетно проблемному позвоночнику человека обычно противопоставляется горизонтальный позвоночник четвероногих животных, которые согласно расчетам мало используют (или вообще не используют) компрессионный позвоночный столб, а значит, избегают вредных нагрузок. Пространственная организация четвероногих часто изображается как горизонтальная балочно-стропильная конструкция, объединенная с консольной опорной системой (рис. 7.2В). Говоря простыми словами, механика поддержки туловища конечностями у четвероногих рассматривается как более устойчивая, по сути, будучи аналогом горизонтального моста (состоящего из множества треугольников) или арочной конструкции поддержания перекрытий потолка и крыши.

Однако несмотря на то что стандартная биомеханика сразу акцентирует видимые различия в расчетной механике позвоночника у двуногих и четвероногих, тем не менее строится он из одних и тех же элементов — твердых костей-позвонков и мягких дисков. Для лучшего понимания элементной базы позвоночника давайте рассмотрим его простейший структурный элемент: два позвонка и один диск на модели.

На рис. 7.5 изображена модель, состоящая из двух человеческих позвонков, разделенных всего лишь одним кольцом натяжения. Казалось бы, те же самые элементы, что и в стандартной биомеханике? Но при более внимательном анализе мы видим, что механика этой модели принципиально отличается, поскольку следует принципу закольцованного самонатяжения!

По сути, эта модель представляет собой простую конфигурацию тенсегрити, которая аналогична исходной х-образной скульптуре Снельсона и с которой зародилось тенсегрити-моделирование (рис. 1.1), а также более поздней тенсегрити-модели позвоночника Флемонса (рис. 3.11).

Рис. 7.5. Два позвонка грудного отдела позвоночника человека, удерживаемые на расстоянии друг от друга по продольной оси непрерывным кольцом поперечного натяжения

Давайте разберемся подробнее, в чем физическая суть этой модели, поскольку несмотря на кажущуюся простоту в ней заложены тонкие пространственные нюансы.

В основе этой модели перекрестное спиральное кольцо как частный случай трубки. Из-за невозможности расширения в стороны эта трубка одновременно противостоит и продольному сжатию по оси. Таким образом, достигается баланс внутренних сил, как бы подвешивающий их в пространстве (Flemons, 2012).

Понимание этой простейшей модели, где даже перекрестная спиральная трубка представлена всего лишь частным случаем в форме кольца натяжения, позволяет нам сформулировать понятие натяжной опоры, основанной на запирании разнонаправленных сил в единый самонапряженный механический контур.

В данном примере критическим фактором является способность натяжного кольца противостоять распиранию и расширению в стороны, что, в свою очередь, препятствует сближению вдоль продольной оси. Таким образом, благодаря противоположно направленным внутренним силам позвонки как бы подвешиваются в воздухе!

В этом и состоит, пожалуй, главное парадоксальное свойство тенсегрити — противоположно направленные силы при их объединении в натяжное кольцо взаимоумножаются (!!!), не только сохраняя индивидуальное динамическое поведение, но и обогащая их новым эмерджентным коллективным! А не взаимонейтрализуются, как в нормальной механике, где противоположно направленные силы равной величины обращаются в ноль — в статику!

Еще один важный момент, иллюстрируемый данной моделью. Обратите внимание, что препятствие к сближению по продольной оси реализуется через сдерживание поперечного распирания, поэтому взаимоудаленность и взаимоподвешенность позвонков не зависят от того, является ли продольная ось вертикально ориентированной, как у двуногих, или горизонтально, как у четвероногих.

И если весь этот огромный комплекс спирально-усиленных мягких тканей, окружающих кости, действует аналогичным образом коллективно in vivo, то они позволяют позвоночнику функционировать одинаково хорошо в любом положении, независимо от направления силы тяжести или нагрузки (Robbie, 1977; Levin, 2002; Flemons, 2012).

То, каким образом осуществляется контроль таких конструкций, исследует NASA при разработке позвоночного робота (Mirletz et al., 2014). Еще один важный вывод, напрашивающийся из рассмотрения спирально-кольцевой трубчатой архитектуры натяжных опор, формируемых мягкими тканями. Эта гипотеза о том, что, скорее всего, сколиотический позвоночник в большей степени является результатом изменений в организации мягких тканей, а не во взаимоориентации костных элементов (собственно позвонков) (Whyte Ferguson, 2017).

Как мы видим, из этого примера выбор в пользу той или иной теории интерпретации биомеханики — стандартной инженерно-строительной или новой тенсегрити-интерпретации — имеет огромные последствия для клинической практики. Это не просто кабинетная дискуссия, а руководство к действию и к тому, как понимать и прогнозировать причинно-следственные связи — кифоз, сколиоз, суставные деформации, мышечные напряжения и т. д.

Развивая понимание позвоночника как суперпозиции вложенных натяжных опор, теперь межпозвоночные диски (укрепленные перекрестными спиралями) рассматриваются совершенно по-новому! Поскольку рассеивание (диссипация) вертикальных компрессионных сил между позвонками происходит преимущественно через распределенную систему натяжных опор без концентрации локальных вертикальных нагрузок на межпозвоночные диски, то теперь мы можем рассматривать их не просто как примитивные прокладки между костями позвонков, а уже в качестве встроенных структурных координаторов движения.

В ситуации с межпозвоночным диском коллагеновые волокна его внешнего кольца организованы в концентрические пластины с противоположными ориентациями волокон в чередующихся спиральных слоях. Эти чередующиеся спиральные слои расположены под углом 65°. Такое значение (65°) угла взаимоориентации коллагеновых волокон в чередующихся слоях принципиально важно, поскольку существенно превышает типовой угол в большинстве спиральных трубок (55°), обеспечивая растягивающее и боковое компрессионное усиление при изгибе и скручивании позвоночника в целом, стабилизируя диск, чтобы предотвратить его выпирание (Hukins & Meakin, 2000) (рис. 6.8).

Этот пример показывает продуктивность биотенсегрити-подхода и его способность генерировать новые объяснительные и прикладные гипотезы для, казалось бы, хорошо известных фактов, поэтому я уверен в том, что дальнейшее биотенсегрити-исследования дадут нам еще более точное, глубокое и клинически значимое понимание механики позвоночника и осевого скелета.