Биомеханика конспект лекций донской. Лекция. Биомеханика двигательных действий как систем целенаправленных движений
 Скачать 0.93 Mb.
|
ЛЕКЦИЯ № 3 ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЬНЫМИ ДЕЙСТВИЯМИ ЧЕЛОВЕКА.План лекции
Литература
В мире, окружающем нас существуют две мощные тенденции. Одна связана с разрушением, другая - с созиданием. Рушатся мосты, мир сотрясают различные катастрофы, гибнут растения и живые существа. В современной науке эта сторона явлений связана со вторым законом термодинамики, который может быть назван законом хаоса. Он был сформулирован французом - Сади Карно в 1829 году; и гласит о следующем: Каждая замкнутая система, т.е. полностью изолированная и не связанная с другими системами, стремится к своему наиболее вероятному состоянию. Таким состоянием является полный хаос. В соответствии с эти законом все замкнутые системы со временем разрушаются, дезорганизуются, умирают. В технике это - амортизация, в биологии - старение, в химии - деструкция, в социологии - разложение, в истории - распад. В качестве меры хаоса (неупорядоченности) системы вводится понятие энтропии, которое показывает степень хаотичности системы, степень ее распада. Однако если осмотреться, то окружающий нас мир вовсе не является хаосом и как видно к нему не стремится, как приписывает второй закон термодинамики. Так, например, живые существа являются высокоорганизованными системами с крайне низким уровнем энтропии. А современный прогресс жизни направлен на её организацию против хаоса. Противоречия здесь нет, и абсолютный характер второго начала пока еше никем серьёзно не оспаривается. Понятие «абсолютно замкнутая система», для которого высказан этот закон, является сильной абстракцией. В нашем реальном мире замкнутых систем попросту нет; все реальные системы взаимосвязаны и взаимообусловлены. Эти связи могут быть слабее или сильнее, но они всегда есть. Последнее обстоятельство придает второму началу несколько академический характер. В соответствии со вторым законом термодинамики повышение энтропии замкнутой системы приводят к выравниванию температур во всех точках этой системы. Жизнь в подобной "теплой" вселенной невозможна. Ведь всякая машина (в широком смысле) может функционировать лишь при наличии перепада температур. Живые существа не являются исключением. Они сложнейшие машины, для работы которых необходим перепад температур с окружающей средой. При отсутствии такого перепада жизнь прекращается. Это и есть "тепловая смерть". Однако второе начало не исключает даже в замкнутой системе местного понижения энтропии, т.е. возможна местная организация, но за счёт более интенсивного разрушения остального. Местное упорядочение некоторой части замкнутой системы возможно только при условии дезорганизации оставшейся части. Учитывая всё вышеизложенное, мы с вами можем сказать, что управление это целенаправленное воздействие, которое переводит объект из более вероятного состояния (хаоса) в требуемое менее вероятное состояние. Задача синтеза управления анализа его работы есть информационная задача, и составляет основу современной науки об управлении - кибернетики. Основоположником её считается Норберт Винер. Н.Винер родился в 1894 году в США, в штате Колумбия. Отец его доктор философских наук. Мальчиком Винер был обыкновенным "вундеркиндом" В 4 года читал, до школы знал уже 4 языка. В 1909 году окончил колледж. В 18 лет защитил диссертацию по философии (философия в математике). Учился в Англии, в Германии, служил в армии, затем преподавал в Массачусетском университете. В 1929 году стал доцентам, в 1932 г. профессором этого университета. В военные годы, будучи призванный в армию, Н.Винер систематизировал разработки об управлении огнем зенитной артиллерии. Эта работа положила начало его работам по кибернетике. Что же изучает кибернетика? И первую очередь " процессы управления и контроля в машинах и живых организмах". Необходимо заметить, что еще задолго до Н. Винера многие ученые отмечали общность управления в технических и биологических системах. Так, И.М.Сеченов в первой лекции прочитанной в Московском университете в 1889 году обращал внимание на принципиальное сходство некоторых рефлекторных актов с действием регулятора Уатта. В 1938 г. Ухтомский указывал на значение обратной связи в мышечной деятельности. А ранее Н.А.Бернштейн (1927) и Анохиным (1935) были сформулированы принципы функционирования и саморегуляции сложных систем. Каковы же основные положения кибернетики?
Эти процессы суть прежде всего передачи, хранения и переработки информации, т.е. различных сигналов, сообщений, сведений.
Отсюда кибернетика рассматривается как теория организации, как теория борьбы с миром хаоса, с роковым возрастанием энтропии. Действующий объект поглощает информацию из внешней среды и использует её для выбора правильного поведения. Информация никогда не создаётся, она только передаётся и принимается, но при этом может утрачиваться и исчезать. Она искажается помехами, "шумом" на пути к объекту и внутри него и теряется для него. Борьба с энтропией - борьба с шумом искажающим информацию.
Однако знать цель ещё недостаточно, нужно уметь достигать её. А это часто бывает сделать труднее, чем поставить цель. Здесь мы подходим к одному из фундаментальных понятий кибернетики - к понятию алгоритма управления. Алгоритм управления есть правило (способ) достижения поставленной цели. На представленной схеме стрелками А и Б показано взаимодействие управляющего устройства с объектом управления. По каналу А управляющее устройство воздействует на объект, по каналу Б получает сведения от объекта о его состоянии (обратная связь). Однако для управления необходимо знать, как управлять объектами и к чему стремиться. Для этого управляющему устройству сообщаются цель управления (В) и алгоритм управления (Г). Прогресс и улучшение объектов связано, прежде всего, с определенными алгоритмами управления. Алгоритмы управления передаются не только путем наследственной передачи, но и путём самоорганизации, самовозникновения. Информация и информативность. Информация в системе движений - это сообщения о состоянии и изменениях среды и организма, а также команды к объекту управления. Информация вносит определенность и упорядоченность, она воспринимается системой и используется для управления. Информацию следует рассматривать как свойство материи. Она всегда имеет материального носителя, изменение которого и представляет сигнал, который несет информацию. Носители сообщений об изменении состояния организма, в частности человека, и окружающей среды очень разнообразны. В каналах связи носитель информации меняется многократно (звуковое колебание, нервный импульс, физико-химические изменения в мышце и т.д.). У каждого носителя свои специфические сигналы, а превращение од-ного рода сигнала в другой обычно происходит при смене его носителя и называется кодированием сигнала *. Говоря об управлении, прежде всего как об информационном процессе рассмотрим движение информации, в самоуправляемой системе используя схему (рис. 1) Информация поступает на вход системы, осуществляется её приём. Эта означает, что в результате поиска, сбора и отбора нужных сигналов получена необходимая информация. В дальнейшем происходит переработка полученных сигналов (кодирование, перекодирование, декодирование) в результате сложных процессов синтеза, обобщения потоков сведений и преобразования их в сигналы команды, попадающие на объект управления (его вход) и выдачей на выходе всей системы действий спортсмена, направленных на внешнее окружение и изменение самого спортсмена. Одновременно информация направляется на хранение в запоминающее устройство (память системы). Без хранения информации невозможно обучение, невозможно совершенствование системы. Извлечение из памяти необходимо при любом акте управления движением, оно помогает учитывать опыт и найти лучшее решение задачи.
Вся деятельность механизмов управления подчинена, в сущности, одному -физической (биомеханической) стороне движений, т.е. взаимодействию человека с внешним силовым полем. Из этого положения приходится исходить исследователям, решающим проблемы управления движениями человека в различных проявлениях, в том числе и в спортивной деятельности. В этой связи физиология двигательной активности теснейшим образом связана с биомеханикой движений. Разным аспектам, связанным с исследованием двигательной активности, нервно- мышечной организации и разделов мозга, участвующих в управлении моторикой, посвящено много сотен работ. Мы же несколько подробнее рассмотрим работы, посвященные изучению биомеханических основ управления движениями. Первые труды в этой области относятся еще ко времени Э. Марея (1894,1901), В.Брауне и О.Фишера (1895- 1901). Эти исследования были связаны с разделением целостного движения на отдельные фазы (сгибание- разгибание, взаимодействие с опорой - касание, отталкивание и т.д.) и с изучением закономерностей взаимосвязи между этими отдельными фазами и движением в целом. Изучение биомеханических основ управления движениями было продолжено и развито в трудах ряда исследователей: П.Ф.Лесгафтом и его школой, Н.П.Тихоновым (1923,), А А.Яловым (1924) и особенно, Н.А.Бернштейном и его школой (1926,1935.1947,1966). Эти исследования явились важным этапом в изучении двигательной активности, так как позволили детально описать поведение объектов управление - человеческого тела и отдельных его суставов. Еще в начале своей работы Н.А.Бернштейн задумывался над тем, что наиболее интересные факты, связанные с изучением вопроса об управлении движениями человека, можно получить лишь тогда, когда эти движения выполняются в условиях максимальных нервно-мышечных напряжений, а таковые чаще бывают в спорте. Нужно отметить, что Н.А.Бернштейн в своем анализе движений не ограничивается простым построением суммарных векторов усилий и моментов мышечных напряжений, как это сделали В.Брауне и О.Фи-шер. Это он считает недостаточным и буквально изобретает так называемый анализ "по параметрическим графикам". Когда ведётся подсчёт координат отдельных положений центров тяжести звеньев тела то естественно определяются предельные и вертикальные координаты для каждого положения в отдельности. Затем берётся разность в значении координат и, отнеся ее ко времени, отдельно вычисляют предельные и вертикальные составляющие скорости перемещения этих точек, а разница в значении скоростей даёт соответственно предельную и вертикальную составляющую ускорения центра тяжести звена. Умноженные на массу звена, они определяют уже слагающие усилий, приложенных к этому центру тяжести. Н.А.Бернштейн начал анализ с того, что стал вычерчивать эти слагающие в отдельности за весь цикл ходьбы человека, для всех центров тяжести звена конечности, и выяснил, что полученные при этом кривые никогда не бывают гладкими или примитивными, а насыщены многими, очень закономерными изломами, которыми пренебрегли В.Брауне и О.Фишер. Строго логично он обосновал, что все эти изломы (как он их назвал - "волны") бывают трёх типов: спонтанно-нннервационные, т.е. отражающие непосредственные инициативные Импульсы ЦНС, реактивные - являющиеся отражением механических сил, развивающихся на периферии и,реактивно-иннервационные, которые суть проявление центральных ответов на всё, что происходит на периферии. Но ведь таким центральным ответом должна быть сенсорная коррекция, идею о которой высказал еще в прошлом столетии И.М.Сеченов, и вот почему. Вся деятельность центральных аппаратов, управляющих движениями, должно сводиться к тому, чтобы создавать на периферии то или иное протекание физических усилий, которые прокладываются к центрам тяжести отдельных звеньев конечностей. Если «волны» усилий, отнесённые Н.А.Бернштейном к первой группе,возникли при таком положении звеньев, когда только и могли иметь инициативные силовые импульсы (например, в фазах отталкивания ноги от опоры), а вторые лишь разыгрываться на периферии (что было очень тонко и остроумно им доказано), то третьи, наиболее интересные, возникали в такие моменты, когда движение более всего нуждалось в коррекции (например, в фазах начала переноса ноги и т.д.). Впоследствии это было подтверждено В.С.Гурфинкелем (1965) с помощью непосредственного анализа деятельности мышечных групп, приводящих в движение звенья конечности. Таким образом, уже в начале ЗО-х годов Н.А.Бернштейн вплотную подходит к фундаменту теории цикличности управления движениями. Следующим важным вопросом, который решил Н А.Бернштейн (1935), была связь между мышечными напряжениями и результирующим движением. О том, что между мышечным напряжением и результирующим движением нет прямой связи, а существует какая-то иная, мог догадаться еще О.Фишер. Но Н.А.Бернштейн пошел дальше. Он сделал попытку разработать дифференциальное уравнение хотя бы примитивного движения. Выяснилась, что не только нельзя говорить о прямой зависимости, но бо-лее того, мышечное напряжение и результирующие движение оказались взаимосвязанными, т.е. воздействующими друг на друга. Это было математическое доказательство цикличности управлении движениями. Помимо чисто научного интереса, работы Н.А.Бернштейна имели большие прикладные значения, поскольку они позволяли ставить и решать практические задачи о наиболее рациональных (энергетически экономных) формах движения, что немедленно нашло применение в физиологии труда и спорта (Л.В.Чхаидзе, 1958, 1059, 1960). Непосредственно к работам по биомеханике произвольных движений примыкают исследования по биодинамике непроизвольных движений, в частности, суставного тремора или движений, связанных с поддержанием вертикальной позы (В.С.Гурфинкель, Я.М.Коц, М.Л.Шик1955). Результаты этих исследований нашли практическое применение в клинике при диагностике некоторых расстройств ЦНС. Одним из направлений биомеханических исследований является познание управления суставным углом. Как известно, всякое движение тела есть совокупность движений многих суставов. Поэтому процесс управления суставным углом представляет интерес сам по себе и изучение этого вопроса с разных точек зрения посвящено множество работ. Важную роль в попытках понять процесс управления суставным углом сыграли представления о так называемом стреч-рефлексе, одним из хорошо изученных рефлексов спинного мозга. Стреч-рефлекс (рефлекс на растяжение) состоит в усилении активности мышцы в ответ на попытку из - вне растянуть её, т.е. в "сопротивлении" мышцы растяжению (П.Меттьюс, 1970). Рассматривая стреч-рефлекс, как результат действия механизма обратной связи, многие исследователи объясняли и объясняют процесс поддержания постоянного суставного угла работой сервосистемы, в основе которой лежит эта обратная связь. При этом нормальный физиологический тремор трактуется как результат автоколебательной сервосистемы, обусловленный задержкой в замкнутом контуре регулирования (П.Меттьюс, 1970). Первые концепции об общих принципах построения движения были основаны на указанных нами выше представлениях о безусловных рефлексах, в частности, о рефректорной дуге как основном элементе сколь угодно сложного физиологического процесса. При этом любое движение мыслилось как последовательность более простых двигательных рефлексов: вестибулярных, статокинетических и т.д. (И.П.Беритев,1916; И.М.Сеченов, 1891; Я.0пире,1876). Важным разделом явились работы посвященные безусловно рефлекторным взаимодействиям между мышцами, прежде всего, между мышцами-антагонистами. Одно из ведущих представлений этого раздела, представление о реципрокном характере взаимодействий между мышцами-антагонистами -восходит ещё к работам Ч.Шеррикгтена и его школы (Ч.Шеррингтон, 1948; Д.Денни-Браун, И.Икклс, ЕЛиддел, Ч.Шеррингтон. 1935). Долгое время после открытия реципрокного взаимодействия считалось, что оно является доминирующим и достаточно однозначным и обусловлено специфическими взаимодействиями специального уровня. Уже на ранних этапах исследований, однако, были выявлены динамичность этих взаимосвязей и зависимость их от влияния супраспинальных структур (И. Е. Введенский, А.Д.Ухтомския,1852). Безусловно рефлекторная теория, однако, не могла объяснить целенаправленных двигательных актов и открытие условных рефлексов немедленно нашло свое отражение во взглядах на общие принципы построения движений, в частности двигательных навыков. Так, ещё И.М.Сеченов (1952) считал, что в основе всякого произвольного движения лежит условный рефлекс. Согласно взглядам приверженцев условно-рефлекторной теории, основная роль в управлении движениями принадлежит условным рефлексам, формируемым на корковом уровне, а активность коры управляет непосредственно потоком эфферентных сигналов, направляемых к мышцам. Так, например представления одной из групп современных сторонников этих взглядов (М.А.Алексеев и др., 1970; М.А.Алексеев, Н.В.Крылова, М.Н. Лившиц, А.В.Найдель,1965; М.А. Алексеев, А.А.Аскназий,1970) базируется на учении И.П.Павлова (1951) об условном рефлексе на время. Согласно этим представлениям, ЦНС присуще так называемое "чувство времени", и благодаря этому в высших отделах ЦНС человека в процессе обучения произвольному движению вырабатывается внутренний ритм, который служит "эталоном" для выполняемого движения. В случае отклонения реального движения от эталона осуществляется его коррекция. Однако с открытием роли эфферентных сигналов в функционировании целостного организма (П.К.Анохин. 1935) рефлекторные представления о принципах организации движений оказывались всё более и более недостаточными. На смену этим представлениям, в основе которых, по существу лежит концепция незамкнутой рефлекторной дуги (условной или безусловной), приходят представления об управлении по замкнутому циклу с эфферентной обратной связью. Хотя некоторые авторы давно обращали внимание на возможную роль эфферентных сигналов в формировании движений, достаточно полно и обоснованно эти взгляды были развиты лишь в работах Н.А.Бернштейна (1947,1966). Н.А.Бернштейн впервые обратил внимание на то обстоятельство, что вследствие сложности объекта управления, обладающего большим числом степеней свободы, наличия большого количества противодействующих неучитываемых сил и т.д. точный результат эфферентного воздействия непредсказуем. Поэтому в формировании движения афферентные проприоцептивные сигналы имеют не менее важное, значение, чем эфферентные сигнал. Это принципиальное для теории управления движениями понимание важной роли обратной связи было систематически изложено Н.А. Бернштейном в теории "сенсорных коррекций" (Н.А. Бернштейн, 1947,1966). "Коррекция" означает внесение поправок, уточнение. Под сенсорными коррекциями в учении об управлении движениями понимается деятельность всех чувствительных систем организма при выполнении движений, состоящих в уточнении эффекторных импульсов, внесении в них поправок, приспосабливании их к условиям внешней среды, т.е. обеспечивающая координационную управляемость движений. В живом организме результат того или иного включения эффекторных импульсов предопределяется тем, какова исходная поза, скорость, нагрузка звена и т.д. а также тем, каковы позы и скорость смежных звеньев, т.е. каковы те реактивные силы, которые неминуемо должны возникнуть от включения данной мышцы при данном общем положении. Поэтому слепые или предусмотренные наперёд эффекторные импульсы немыслимы. Каждому координированному импульсу предшествует исчерпываемая сен-сорная сигнализация с периферии тела о том, с чем там столкнётся этот импульс, на какие внешние силы, скорости и реактивные силы он там набежит (Н.А.Берншейн, 1947,1966). В невропатологии известно заболевание, названное сухоткой спинного мозга, при котором перерождаются и теряют проводимость спинномозговые проводящие пути проприоцептивной чувствительности. При этом заболевании выключается сенсорная сигнализация. Если такому больному при закрытых глазах поднять или отвести в сторону руку, он не сможет сказать, какую позу мы придали его руке, а если дать ему взглянуть на свою поднятую руку и велеть удерживать далее эту позу с закрытыми глазами, то через минуту - две рука его непроизвольно опустится, тогда как он будет уверен, что она попрежнему поднята. Вот у таких больных, несмотря на то, что их эффекторика сама по себе свободна от органических поражений, наблюдается резкие расстройства координации (так называемая атаксия). Она обусловлена у них именно тем, что начиная движение и посылая эффекторный импульс в мышцу, они не могут приноровить этот импульс к исходному состоянию звена, так как лишены сенсорной сигнализации с него. У них резко расстраивается походка, разрушается почерк, руки перестают их слушаться. Больные компенсируют кое как свою потерю, контролируя свои движения, вместо утраченной проприоцепторики, с помощью зрения, но зато при закрытых глазах их движения совершенно распадаются. Движение нуждается в сенсорной коррекции не только в начальный момент. Не говоря уже о непредвиденных внешних силах толчках, неровностях почвы, застреваниях и т.д. даже те силы -упругие, реактивные, инерционные и т.д., которые в теории можно было бы рассчитать наперёд для каждого данного случая, - и они настолько сложны и разнообразны, что организму не хватит всей его жизни, что бы приобрести опыт по всему их не исчерпаемому множеству. Поэтому движение нуждается в непрерывной коррекции со стороны сенсорных систем. В частности, проприоцепторика непрерывно сигнализирует в ЦНС о всех изменениях в напряжении мышц, позах и суставных углах звеньев и вызывает рефлекторным путем соответственные поправки и добавки к эффекторному процессу. Правильные коррекции для произвольных движений не врождённы; они приобретаются на опыте при жизни. У человека в первые недели жизни трудно отметить какие-либо попытки координированной деятельности (за исключением элементарных рефлексов: сосания, глотания и т.п.). Затем постепенно начинают возникать координации поворачивания на живот и на спину (2/2 мес), хватания видимых предметов (4,6 мес), стояния и ходьбы (10-15 мес.) и т.д. Движение звена, а тем более сложную цепочку звеньев с ее реактивными силами невозможно направить сразу и накрепко по правильному пути. Накопление неизбежных, хотя и микроскопических, ошибок в дозировке силы импульсов, мелкие непредвиденные внешние силы и т.д. неизбежно приведет к тому, что через пару сантиметров движение перестанет точно отвечать своей задаче. Так как каждый орган чувств имеет СВОИ пороги чувствительности, то ни один из них не может уловить отклонений от того что требуется по смыслу двигательной задачи, прежде чем эти отклонения не станут надпороговыми. А так как отклонения накапливаются постепенно, то необходимо, чтобы после очередной коррекции прошло некоторое время, пока отклонение накопится до ощутимой величины. Очевидно, что чем грубее чувствительность, тем выше ее пороги, тем дольше будут копиться отклонения, и тем большей величины они достигнут, прежде чем рефлекторно включатся координационные импульсы. При развитии навыка происходит постепенное обострение восприимчивости рецепторов, занятых выполнением сенсорных коррекций, и ускорением их действия. Н.А.Бернштейн (1966) делает также вывод о том, что чем меньше число степеней свободы работающего органа, тем с боль-шей лёгкостью система управляема. "Если иметь в - виду, что в обшем случае число степеней свободы тела человека превышает две сотни, то можно увидеть всю сложность жизненных задач управления движениями" (С.А. Косилов 1969). Поэтому вполне понятно, что сталкиваясь впервые с незнакомой двигательной задачей, организм инстинктивно стремится уменьшить число степеней свободы в работающем органе, чтобы парализовать этим реактивные силы. Для этого он прочно фиксирует суставы органа, одновременно напрягая все мышцы этих суставов, т.е. запирая все присущие им степени свободы подвижности. На этом спастическом фо-не ему уже нетрудно освобождать по одной одновременно те степени свободы, которые нужны в данный момент для движения; и в этом жёстком панцире движение действительно повинуется кое-как, как у новичка. Но не трудно понять как не экономна подобная борьба с избыточными степенями свободы и реактивными силами. Наблюдая движения новичка, мы легко замечаем в них большую скованность, развитое напряжение во всей мускулатуре работающего органа (стиснутые зубы, напряжённая мимика), Начинающий не предвидит, в какой момент и в какую сторону (по линии которой степени свободы) толкнёт его очередная реактивная сила, и он заранее и с запасом страхуется против всех возможностей сразу. По мере того, как организм ознакомится с новыми движением, он постепенно находит способы высвободить одну за другой закрепленные до этого степени свободы и устранить возникающие реактивные осложнения не заблаговременной фиксацией, а своевременными короткими активными (физическими) импульсами, направленными против действия сбивающих реактивностей и гасящими это действие. Происходит высвобождение одной за другой закреплённых до этого степеней свободы. Движение становится свободнее, точнее и потребляет значительно меньше мышечной энергии. В развитии ходьбы и бега у ребёнка такая фаза точно изучена Т.С.Поповой; она имеет место в возрасте 5-7 лет. Описанное развязывание происходи потому, что во-первых, организм находит формы движения, при которых реактивные силы приобретают известную упорядоченность и ритм и перестают быть совершенно непредвиденными, во- вторых, по-тому, что в организме вырабатывается способность включать в координационный процесс высокочувствительные и быстро работающие сенсорные коррекции, которые успевают вовремя отражать удары реактивных сил. Так или иначе, организм сменяет оборону от реактивных помех посредством фиксационной «брони» на оборону посредством "фехтования". Третья фаза выработки движения, которая во всеобщих по распространённости актах, вроде ходьбы, наступает у всех взрослых, а в специальных навыках профессиональных и спортивных движений является уделом мастеров, представляет собой еще один шаг в сторону освобождения и экономичности движений. Когда найдена форма движения, удовлетворяющая требованиям динамической устойчивости, то вообще очень большая часть реактивных сил из помех, требующих гашения, превращается в полезные двигатели, помогающие движению и сохраняющие его от отклонений. Число активных импульсов, направляющихся на преодоление сил, все уменьшается, движущие активные импульсы становятся слабее и проще по своей структуре, так как посредством умелого использования реактивных и внешних сил тот же результат достигается с гораздо меньшими активными затратами. Движение делается плавным, округлённым, легким как по виду так и по субъективным ощущениям исполнителя. Разгружаются и сенсорные коррекции, так как динамически устойчивое движение (динамически устойчивым мы называем движение, построенное так, что всякое небольшое отклонение органа от траектории этого движения сейчас же вызывает силы, которые стремятся вернуть его обратно на эту траекторию) на довольно длинных отрезках автоматически течет сам без надобности вмешательства. Спортсменам известна эта фаза, как очень высоко ценимое ими «расслабление». Разумеется, здесь нет и речи о какой-либо слабости, астении и т.д., а подразумевается именно это освобождение, которое мастера ощущают субъективно, хотя и не умеют верно проанализировать его. Помимо утверждений важной роли афферентных сигналов в формировании двигательных актов Н.А.Бернштейн (1947,1966) развил стройную систему взглядов на нервно-мышечную систему как многоуровневую систему, каждый уровень которой ответственен за целый класс движений, причём сложность организуемых движений возрастает с повышением уровня. По Н.А.Бернштейну можно различать, по крайней мере, пять, помещающихся друг над другом "уровней", на которые при регулировании движения выпадает та или иная двигательная задача. При этом в зависимости от степени освоения навыка высшие уровни выполняют роль ведущих, низшие -фоновых. Каждый из них имеет свою функцию, локализацию и афферентацию. Филогенетически они также взаимно связаны, причём низшие, естественно, более древнего происхождения, а высшие появляются при дальнейшей эволюции животного мира. Деятельность уровней строится с учетом выполнения сложного движения (например, письма, содержащего символические координации, связанные с перемещением звеньев тела в пространстве). Высший кортикальный уровень (Е), управляющий высшими символическими координациями (речь, письмо и пр.), относится к отделу высшего мышления. Это видно из того, что его афферентация не связана с внутренним кольцом обратной связи и целиком зависит от внешнего, который; естественно всегда играет роль ведущего уровня. По мнению Л.В.Чхаидзе (1970) этот уровень свойственен только человеку. Ближайший к нему уровень Д-теменнопремоторный - решает смысловую задачу данного движения, составляет связанные цепочки движений. Афферентация этого уровня состоит из обобщенного синтеза "качественного" характера, слагающегося из внешних и внутренних данных, т.е. идет по обоим кольцам. Роль как фонового - очень незначительная, а как ведущего - довольно обширная, захватывающая почти все автоматизированные смысловые движения. Третий уровень С - пирамидно-стриальный. На этот уровень падает задача произвести некоторую дифференциацию движения и раз-делить его на элементы, причем выявление их связано с определёнными, наиболее часто встречающимися в жизни движениями, играющими в некоторых случаях самостоятельную роль. К таким движениям можно отнести, например, простейшие локомоции и т.д. Этот уровень также может играть и ведущую роль и фоновую. Это может произойти в том случае, если, например, сама выполняемая локомоция (ходьба, бег), которой он управляет, имеет подчинённое значение. Поэтому данный уровень имеет сложную переработанную афферентацию, связанную как внешним, так и внутренним кольцом. В некоторых движениях можно проследить, что этот уровень распадается на два подуровня С1 и С2 На уровень В (таламо-паллидарный) выпадает задача управления синергиями. Поскольку это больше связано непосредственно с мышечным аппаратом, то и афферентация этого уровня зависит от проприоцепции. Наиболее низким уровнем в регулировании движений Н.А. Бернштейн считает уровень А, управляющий такими характеристиками движений, как мышечный тонус и хронаксия. Этот уровень, как и предыдущий, может быть только фоновый и в соответствии в этом иметь только внутреннее аффарентацию. Следует однако оговорить что в зависимости от сложности движения роль описываемых уровней как фоновых или ведущих может меняться. Это связано с задачей движения и степенью его освоения исполнителем, а также с филогенетическим развитием центральной нервной системы. У низших животных ведущим уровнем может оказаться С или даже В. Это относится и к онтогенезу. Взаимоотношение между уровнями в случае регулирования отработанного движения протекает в условиях субординации, т.е. высший руководит деятельностью низшего. Такая субординация имеет целью правильно распределять роли между уровнями с тем, чтобы каждый из них выполнил задачу, наиболее отвечающую его афферентным возможностям. Как показал Л.В.Чхаидзе (1970), высшие уровни не имеют полноценной обратной связи с мышечной периферии и, следовательно не могут осуществить соответствующий контроль за конкретными деталями движения. Низшие уровни, не решающие смысловой части движения, не могут включаться в него самостоятельно - для этого требуется деятельность высших уровней. Поэтому, если выполняется незнакомое движение, то вследствие неподготовленности низших уровней управление им приходится почти целиком полагаться на высшие уровни (большей частью самые высокие), которые, естественно, вынуждены осуществлять контроль за конкретными деталями движения только в весьма примитивной форме. "Отработка" движения в этом случае сводится к установлению субординации, и, следовательно, освоение нового двигательного навыка требует создания соответствующих связей между отделами ЦНС. Когда движение будет достаточно освоено на низкие уровни переложатся все свойственные им задачи, а высшие освободятся от несвойственных, и движение будет протекать более правильно. Необходимо отметить, что изложенное описание управления движением основывается на ряде доказательств, сущность которых вводится к анализу тех или иных выпадений двигательных функций при различных поражениях ЦНС (Н.А.Бернштейн, 1947). По мнению Н.А.Бернштейна (1947), "наращивание моторных функций по мере усложнения животного организма и обогащение ЦНС происходит одновременно: более высокие уровни появляются в "животной лестнице" в прямой связи с возрастающим осложнением двигательных задач. Вместе с тем отделы головного мозга не заменяются новыми, а только обрастают ими. Ход эволюции регуляции двигательных актов не трудно проследить по остаткам управления в функциях нижележащих отделов мозга, по мере перехода от низших животных к высшим. Действительно, общеизвестно, что у хордах животных, до амфибий включительно, нет тех образований нервной системы, которое у млекопитающих называются корой головного мозга, но их движения не лишены от этого ни динамической устойчивости, ни лабильности, указывающей на возможность образования новых центральных связей (Л.В.Чхаидзе, 1970). Более того известно, что у низших животных, например, у рыб, наблюдаются случаи, когда можно предполагать, что в основе ритма локомоции (плавание) лежит способность спинного мозга автоматически образовывать нужные для этого импульсы (Л.П. Дзенит, 1936). Следовательно, никак нельзя отрицать наличия у низших животных способности подкорковых центров, самостоятельно управлять движениями, а в нужных случаях и обладать викарными свойствами. Процесс обрастания головного мозга, более высшими образованиями в ходе эволюции животных происходит следующим образом: По мере совершенствования организма старые образования мозга не исчезают, а только обрастают новым. Но одновременно увеличивается и моторный запас животного: чем оно выше на эволюционной лестнице, тем большее количество "новых" отделов появляется в ЦНС. Спинальный уровень соответствует самым низким животным, имеющим только сенсоневрон и мотоневрон. Двигательное разнообразие этих животных минимально. Таламо-полидарный уровень характерен для первичных хордовых (рыбы), у них уже появляется зрительный бугор, паллидум и кора мозжечка. Моторный запас несравненно выше, чем в первом случае. Наконец, у млекопитающих; резко возрастают и моторные ресурсы, развития у человеческого организма эти уровни вступают в строй тоже постепенно: уровень В с 2-3 месячного возраста, (способ-ность к синергиям), уровень С - к первому году (решение задач, связанных с перемещением в пространстве); уровень Д - На 2 году (способность к связыванию движений в последовательные цепочки) и, наконец, уровень Е - к концу 2 года, началу 3 года (способность к решению смысловых задач, свойственных человеку, и,главное - речь). Этот вопрос очень подробно изучен Т.Е.Поповой (1940), показавшей, через какие фазы проходит моторика движения ребёнка при освоении им такой двигательной функции, как простейшие локомоции. Т.С.Попова установила, что в ходе освоения навыков ходьбы обогащаются динамические составляющие движения, начинается более глубокое использование реактивных сил, усложняется само движение. Это развитие моторики идёт в прогрессии, которая свидетельствует о вступлении в строй всё более высоких уровней. Взгляды Н.А.Бернштейна нашли дальнейшее развитие в работах многих его последователей (В.С.Гурфинкель; Н.М.Коц; М.Л. Шик,1965; В.С.Гурфинкель с со авт.,1966; Я.К.Коц с со авт..1966; И.М.Гельфанд с со авт..1966; В.К.Бальсевич, 1970 и др.)
В лекции мы рассмотрели о вами простейшую схему управления, существующую как при управлении механизмами, так и при управлении процессами в живых организмах. Близкую по структуре простейшую схему управления предлагает Д.Д. Донской Предлагается простейшая схема, включающая аппарат управления, объект управления и среду. Эти компоненты связаны прямой связью. Но такая модель управления малоэффективна, так как в ней отсутствует обратная связь - сигнализация об эффективности управляющего воздействия и состоянии объекта управления и окружающей его среды или поля действия. На рис. 3 Б эти элементы представлены. Схема, в принципе, соответствует системе управления в живых объектах. Оригинальную блок-схему управления движениями, основанную на взглядах Н.А.Бернштейна и общих положениях кибернетики предлагает А.В.Чхаидзе (1970). С этих позиций рассматриваются вопросы становления структуры сложных двигательных навыков, связанных со спортивной тренировкой Л.В.Чхаидзе пытается представить ход центральной регуляции произвольных движений с учётом не только узкофизиологических, но и физических (биомеханических) факторов. Он подчеркивает, что все сказанное выше по этому поводу, относится только к общей функциональной стороне вопроса, так как морфологических и физиологических доказательств еще недостаточно. Первой, наиболее фундаментальной закономерностью в координации движений является наличие "кольца управления" - зависимость не только управляемого звена от управляющего (прямая связь), но и наоборот (обратная связь). Следует считать, что осуществление координации движений не-возможно без того, чтобы центральная нервная система не имела необходимой информации о том, что происходит на периферии. Современные физиологи называют подобный процесс проприоцептивной афферентацией, или по П.К.Анохину (1957), обратной афферентацией. Известно также, что при одновременных нарушениях экстеро и проприоцептивной сигнализации невозможно рациональное выполнение достаточно сложного произвольного движения. Остаётся предположить, что управление такими движениями осуществляется по замкнутому циклу: мозг - центробежные нервы - мышца - проприоцепторы - центростремительные нервы - мозг. В этом цикле участком прямой связи будет мозг - мышцы, а обратной связи - мышцы - мозг. При более детальном рассмотрении возникает первое разделение этого кольца на внешнее и внутреннее. Внешнее кольцо включает прямую связь и внешнюю дугу обратной связи по зрительным, слуховым, обонятельным и тактильным рецепторам, имеющим смысловую афферентацию (Н.А.Бернштейн, 1947) и непосредственно связанным с восприятием внешнего мира. Внутреннее кольцо включает прямую связь и внутреннюю дугу обратной связи по проприорецепторам, непосредственно не связанным с нашим сознанием. Таким образом, общей частью является прямая связь (мозг-мышцы). Это разделение колец весьма принципиально и вместе с тем относительно: они играют различную роль в управлении произвольными движениями. Следует полагать, что внешнее кольцо осуществляет контроль за смысловой стороной движения, а внутреннее - за синергетическими автоматизмами. Однако их функции могут в известной мере и определённых случаях изменяться, частично взаимно переключаться.
Прогрессивные концепции физиологов Р.Вагнера, Н.А. Бернштейна, П.К.Анохина и др. явились качественным скачком в анализе механизма управления произвольными двигательными актами и послужила теоретической предпосылкой к решению практических задач и в области спорта. Так В.С.Фарфель (1955) исходя из постоянно повышающихся требований практики подготовки спортсменов, утверждал не только чрезвычайно важное значение кинестезии для качества управления движениями, но одновременно указывал на необходимость использовать эти основные способности более целенаправленно в процессе обучения двигательными навыками тренируя "двигательное чувство более систематически и более интенсивно. Эти указания были вызваны стремлением обеспечить влияние сознания в системе внутреннего кольца управления, проводящего сигналы о поведении системы на периферии. Для человека однако свойственно, что он кроме субъективной афферентации имеет способность воспринимать и объективную информацию о параметрах пространства, времени и о динамическом компоненте его двигательного аппарата путём внешней обратной связи действующей на основе второй сигнальной системы. Таким образом, человек имеет способность дополнить своё знание о положении в окружающем его мире. Сущность этих явлений заключается в активной адаптации по обработке распределений доступных сигналов. Эта обработка представляет собой статистическое соединение субъективной (внутренней) и объективной (внешней) части информации в кратковременной (оперативной) памяти занимающихся. Экспериментально эти положения были подтверждены работами в области исследования спорта (В.С.Фарфель,1960, 1962),Пьянов 1960; Ревзон, 1961; Подарь.1968, Чебураев, 1968 и др. Было показано, что в процессе тренировки мышечного чувства возможно сознательное и успешное влияние на построение внешней обратной связи. Это позволило В.С.Ферфелю в 1962 г. сформулировать принцип срочной и синхронной информации или принцип "объективной дополнительной информации; если учесть, что информация от органов чувств человека является основной. Принципом объективной дополнительной срочной информации является такой процесс внешней объективной обратной связи, который происходит после окончания движения, т.е. через такое время, когда возможно сличение объективной ИНФОРМАЦИИ с субъективными двигательными ощущениями. Это требование соответствует физиологическим явлениям феномена "свежих следов' (Н.А.Бернштейн,1957, Геллерштейн,1958). Эта информация всегда адресуется тренеру и спортсмену и является второсигнальной, адресованной сознанию обучающихсяся. Срочная информация, получаемая тренером, делает его указания объективными. Но эта информация только опосредовано управляет "срочным эффектом" (Зациорский, 1965) поведения спортсмена, так как поток обратной информации не достигает самой управляющей системы. Этот недостаток ликвидируется, если тренер и спортсмен одновременно получают объективную информацию о параметрах движения. Чтобы определить значение объективной информации для интересующих нас двигательных фаз, необходимо знание биомеханических структур движения в его важнейших частях. Приемниками объективной дополнительной информации является преимущественно ухо и глаз. Глаз - шрифт, число, черта, кривая и т.п. световые сигналы. Слух - слово, речь и звуковые сигналы. Речевые сигналы - под этой системой нужно понимать тренера. Последовательная передача кодированных управляющих (эфферентных) импульсов к органам действия и объективная регистрация интересующих параметров замыкает круг действия в процессе управления и регуляции произвольными движениями человека. На необходимость обеспечения дополнительной и объективной информации получаемой спортсменом и тренером в процессе измерения каких-либо двигательных данных при исследовании в области спорта обращают внимание В.Гутеворт,1968; И.П.Ратов,1968. Многочисленными исследованиями доказано значение этого принципа для совершенствования различных двигательных задач в области спорта (В.С.Фарфель, 1962а, 19626,1965, 1968; И.П.Ратов,1968; Гутеворт,1968). Волков (1962) Г.В.Индлер (1963) сообщил временные параметры в цифровом коде при обучении гимнастике оценивая пространственные движения на кольцах в коне. B.C. Чебураев (1965) использовал МСИ в процессе управления движениями в пространстве. А Л.Пасиров (1966) использовал звуковую информацию при совершенствовании маховых упражнений на брусьях, достиг уменьшения сроков обучения. М. Л. Укран, Ю.А. Ряузов (1965), используя методы срочной информации в процессе полготовки гимнасток. В лёгкой атлетике Лебедев В.М., Смусь В.С.(1961), Кучин (1962). В.К.Бальсевич (1963), В.П.Кузнецов (1966), В.И.Бутенко В.В.Белоковский ( 1967), Мохендр Санду (1968) показали значение МСИ для интенсификации тренировочного процесса. В конькобежном спорте Г. К. Подарь (1966), А.Н.Орлова (1967) указали новые пути при подготовке спортсменов применяя звуковые и световые сигналы. Л.В. Чхаидзе (1964) использовал сверхсрочную информацию в велосипедном спорте, что позволило контролировать ход выработки навыка правильного педалирования. И.П.Ратов и М.Л.Мирский (1961) предложили метод регистрации динамического компонента различных спортивных упражнений вектординамографию, позволяющую получать срочную информацию. B.C. Фарфель и Р.Л. Боуш (1968) исследовали значение различ-ных каналов информации для управления напряжением мышц и показали, что дополнительная информация в качестве речевых количественных характеристик даёт эффект в обучении управления напряжением мышц. Применение методов объективной дополнительной информации в процессе подготовки спортсменов значительно дополняет и обогащает тренировочный процесс и приводит к росту спортивной работоспособности. |