ВВЕДЕНИЕ
Прежде чем приступить к рассмотрению проблемы, нужно дать определения некоторых понятий, а также краткий очерк изучения управления движениями человека.
При изложении материала мы будем придерживаться следующих определений основных понятий:
1. Всякий двигательный акт рассматривается нами с двух сторон — смысловой и мышечных синергий. Под первой понимается решение определенной двигательной задачи, а под второй — синергетическая согласованная деятельность множества групп мышц, приводящих в движение звенья тела и управляющих ими.
2. Под произвольными движениями в данном случае понимаются такие, в смысловую (а иногда и в двигательную) сторону которых в той или иной форме или в тех или иных условиях возможно вмешательство сознания человека.
3. Автоматизированными движениями называем такие, при выполнении которых управление конкретными мышечными синергиями дифференцированно осуществляется приспособленными для этого относительно более низовыми отделами центральной нервной системы, а смысловыми синергиями — высшими отделами с участием в той или иной мере сознания человека. В этом случае движения выполняются биомеханически целесообразно, без излишних нервно-мышечных затрат и при многократном повторении позволяют воспроизводить его достаточно одинаково.
В зависимости от условий, при которых выполняется движение, и степени освоения его мера автоматизированности и возможности, а также необходимости вмешательства сознания может быть различной. Однако чем более автоматизирован навык, тем меньшее участие в контроле за его деталями могут принимать высшие отделы центральной нервной системы.
Хотя в дальнейшем мы будем неоднократно возвращаться к этим определениям, считаем тем не менее нужным дать некоторые пояснения.
Рассмотрение двигательного акта с двух сторон до нас выдвигал еще А. Р. Лурия, который различал его смысловую структуру и двигательный состав. Наше определение отличается тем, что мы вторую часть называем деятельностью конкретных мышечных синергии и рассматриваем ее с позиций непосредственного управления биомеханической структурой движений.
Под биомеханической структурой в теории структурности движений понимаются закономерности взаимодействия элементов двигательного действия (множества частных движений, входящих в двигательный состав), образующих единое целое (систему движений); эти закономерности — кинематические и динамические — определяют появление новых системных свойств, поведение и развитие системы движений (Д. Д. Донской, 1968). Управление этими закономерностями приводит к достижению поставленной цели, к решению двигательной задачи. Смысловая сторона как раз и характеризует содержание задачи, ее смысл. А мышечные синергии осуществляют способ решения задачи, создавая соответствующую кинематическую и динамическую структуры.
Движения человека настолько разнообразны и выполняются в столь различных условиях, что в некоторых случаях провести точную границу между произвольными движениями и непроизвольными, неавтоматизированным и автоматизированным, сознательным и бессознательным чрезвычайно затруднительно. Это приводит к многочисленным недоразумениям. Не случайно выражение И. П. Павлова «так называемые произвольные движения». Для удобства изложения материала мы несколько схематизировали эти понятия, нисколько не скрывая известной условности приведенных определений.
В частности, для рассмотрения некоторых положений удобно считать произвольными такие движения, в смысловую сторону которых возможно вмешательство сознания. Однако подчеркиваем, это может быть в той или иной мере, в тех или иных условиях. Действительно, отдергивание руки при простом болевом раздражении оставляет впечатление явно непроизвольного движения. Но человек может, в случае надобности, вмешательством сознания подавить это автоматическое движение; так бывает, если подобные резкие движения представляют, например, непосредственную опасность для трудового или иного процесса и от них следует воздержаться.
Тоже самое можно сказать и о сознательности или бессознательности выполнения навыков. Нередко бывает, что человек осуществляет те или иные действия «не задумываясь» или «бессознательно» (например, если они высокоавтоматизированы и их уже приходилось неоднократно осуществлять в аналогичных ситуациях). Следует ли считать их непроизвольными? По нашему определению — нет, поскольку в случае надобности можно изменить не только их смысловую сторону, но и детали управления синергиями.
Поэтому при рассмотрении того или иного понятия следует исключать подобные идиоматические случаи и применять определения в общем значении, учитывая, повторяем, что они введены нами только для удобства изложения материала.
Первоначальное изучение управления движениями человека происходило как анализ отдельных особенностей движений. Исследования в этой области были начаты братьями Вебер (1836), осуществившими первый, самый примитивный анализ ходьбы. Следует отметить, что ряд высказываний по биомеханике движений животных можно найти еще у Леонардо да Винчи, а первые наблюдения о местонахождении общего центра тяжести человека — у Д. А. Борелли (1679). Позднее локомоции человека изучались В. Мейером (1853), Э. Ж. Мареем (1871) и Е. Майбриджем (1891). Однако все эти исследования не выходили из рамок изучения внешней стороны движений и не касались их координационных особенностей, хотя два последних исследователя уже применяли кинематографическую методику, позволившую установить кинематическую структуру движений.
Первый шаг в сторону подробного изучения биодинамики движений был сделан лишь в конце XIX столетия немецкими учеными В. Брауне и О. Фишером (1895 — 1904), которые, разработав более совершенную методику регистрации движений, детально изучили динамическую сторону перемещений конечностей и общего центра тяжести человека при обычной ходьбе. Недостатком исследований В. Брауне и О. Фишера явилось то, что они, проделав громадную вычислительную работу, в дальнейшем почти не использовали ее и, сгладив «от руки» важнейшие динамические колебания прилагаемых к конечностям усилий, исключили из своих наблюдений самое ценное — отражение на мышечной периферии деятельности центральных аппаратов, управляющих актом ходьбы, и само взаимодействие звеньев кинематических цепей тела человека.
После первой мировой войны биомеханику движений изучали «тейлористы» (Ф. Тейлор, Ж. Амар, Ф. Гильбрет и др.). Но их исследования производились с позиций самого узкого практицизма — изыскать пути повышения производительности труда без каких-либо попыток вникнуть в координационную сущность движений человека. Более примитивная методика этих исследований является шагом назад по сравнению с методами В. Брауне и О. Фишера.
Глубокое изучение координации движений человека начало проводиться в Советском Союзе. Задачами этих исследований является детальное изучение всей биомеханической структуры произвольных движений человека с целью установления общих закономерностей, определяющих как центральную регуляцию, так и активность мышечной периферии в этом важнейшем жизненном процессе. Это необходимо для изыскания научных путей, облегчающих трудовую деятельность и высшие (например, спортивные) достижения человека, а также могущих служить медицинской практике.
Пионером советских исследований в этой области следует считать К. X. Кекчеева (1923), применившего с некоторыми улучшениями методику Брауне и Фишера для изучения патологических походок.
Решающий, качественный скачок в обширном анализе координационной структуры движений человека был осуществлен Н. А. Бернштейном, который в период с 1923 по 1949 г. изучал многие формы двигательных актов как в средних условиях, так и при максимальных нервно-мышечных напряжениях в спорте.
Вместе с Н. А. Бернштейном в те же годы большая группа исследователей изучала движения, имеющие важное значение в проявлении жизненных функций человека в труде и спорте (Т. С. Попова, П. И. Шпильберг, О. А. Зальцгебер, Л. В. Чхаидзе, Л. С. Осипов, Н. Г. Садчиков, А. С. Шевес, М. Л. Укран, Е. А. Котикова, В. Ф. Сорокин, Е. Г. Котельникова, Д. А. Семенов, С. В. Янанис, Н. А. Бутович, Д. Д. Донской, И. И. Алиханов, К. П. Субботина и др.). В конце сороковых годов была проделана большая работа по изучению биомеханики движений протезированных конечностей человека (В. С. Гурфинкель, Я. Л. Славуцкий и др.).
Все эти исследования производились в основном циклографической методикой, разработанной Н. А. Бернштейном, позволявшей за несколько дней вычислять такое количество данных, на которое у Брауне и Фишера уходили месяцы. А. А. Ухтомский (1927) дал высокую оценку этой методике: «Ни один метод регистрации двигательных реакций организма не дает такой полноты и объективности, как метод циклограммометрический. И ни один прежний метод изучения двигательных реакций не обладает такой наглядностью и точностью, как метод циклограммометрии».
В результате всех этих исследований к концу сороковых годов в руках исследователей накопился большой экспериментальный материал, свидетельствующий о том, что любой двигательный акт человека является чрезвычайно сложным процессом, простейшие объяснения которого, без учета всей его структуры, несостоятельны.
Действительно, если проследить только возрастной генезис структуры бытовой ходьбы (Т. С. Попова, 1940) и изменения структуры бега под влиянием тренировки (Н. А. Бернштейн, 1940) или утомления (Л. В. Чхаидзе, 1948), то не трудно убедиться в том, что основные динамические составляющие этих движений сложно эволюционируют и в своем развитии или распаде подчиняются определенным закономерностям.
Одновременно было показано (Н. А. Бернштейн, 1935), что биомеханическая структура любого движения есть результат механического взаимодействия между организмом и общим силовым полем движения. Это привело в конечном итоге к представлению о том, что правильное взаимоотношение между мышечным напряжением и результирующим движением (необходимое для выполнения координированного двигательного акта) требует непрерывного внесения корригирующих сигналов в деятельность мышечной периферии, а сами сигналы являются результатом сличения запланированного и фактически протекающего движения. Так была утверждена провозглашенная еще в конце прошлого столетия идея И. М. Сеченова о корригировании движений человека.
На этом следует остановиться несколько подробнее. Как указывает X. С. Коштоянц (1952), по всем сочинениям И. М. Сеченова красной нитью проходит идея «регулирование движений чувствованием», идея связи между ощущениями и движением в процессе образования двигательного навыка. Это очень важно. И. М. Сеченов был первым, кто обратил внимание на роль проприорецептивных ощущений в ходе управления навыком. В сравнительно малоизвестной работе «Участие нервной системы в рабочих движениях человека» он пишет: «Чем... руководствуется музыкант, когда разыгрывает знакомую ему пьесу в полной темноте? Ведь каждому отдельному звуку или аккорду предшествует отдельное расположение пальцев руки в пространстве с последующим движением их; значит, верное исполнение гарантируется не слухом, а привычными ощущениями, идущими из играющей руки. Другими словами, при игре в темноте в предшествие (разрядка моя. — Л. Ч.) быстрому ряду движений и параллельно с ними бежит ряд чувственных знаков, определяющих последовательные перемены в положении рук. Здесь мышечное чувство играет ту же роль, что и зрительное чтение нот при игре по нотам, идущее в предшествие движений» (И. М. Сеченов. Избр. произв., изд. АН СССР, М., 1952, том 1, стр. 512–513).
Из сказанного со всей ясностью вытекает, что И. М. Сеченов еще в конце прошлого столетия предугадал роль проприорецепторики в управлении движениями человека и высших животных. Как будет показано ниже, эту роль трудно переоценить. Не меньшее значение имеют работы И. М. Сеченова и по вопросам взаимоотношения между сенсорными и моторными компонентами на различных стадиях формирования двигательных навыков.
В дальнейшем, когда учение о высшей нервной деятельности И. П. Павлова и успехи современной нейрофизиологии дали возможность подойти вплотную к более или менее ясному представлению о деятельности если не всех, то во всяком случае важнейших отделов центральной нервной системы, это сыграло свою роль. Создалась возможность объединить физиологические данные с материалами биомеханических исследований.
Объединение, начатое еще в тридцатых годах (Н. А. Бернштейн, 1935), привело к разработке теории координации движений, основные идеи которой намного опередили высказывания кибернетиков о принципах регулирования движений в живом организме. К сожалению, прогрессивность этих взглядов была оценена не сразу. Основная работа Н. А. Бернштейна «О построении движений» (1947), получившая Государственную премию, вскоре была подвергнута критике, которую сейчас вряд ли можно признать справедливой. Лишь потом, когда выяснилась жизненность и обоснованность его высказываний, они постепенно стали завоевывать себе право гражданства.
Это совпало с дальнейшим развитием методов исследований. Появилось тензометрирование, позволяющее за несколько минут получать данные, на вычисление которых ранее уходили недели (например, для получения кривых, приведенных на рис. 29, нужны были месяцы). Такая методика дала возможность осуществить накопление массового материала, чем устранила важнейший недостаток многих ранних биомеханических исследований. И, что особенно существенно, получила бурное развитие кибернетика, во многом предвосхищенная в развитии биомеханики.
Таким образом, в развитии биомеханики как науки наступил новый этап. Последние работы Н. А. Бернштейна (1961, 1962), И. М. Гельфанда, В. С. Гурфинкеля и М. Л. Цетлина (1962), Л. В. Чхаидзе (1962) и Д. Д. Донского (1968) подвели итоги ряду теоретических соображений, а разрешение некоторых практических вопросов, связанных, например, с протезированием (В. С. Гурфинкель, 1955, Я. Л. Славуцкий, 1956) или спортивной тренировкой (Л. В. Чхаидзе, 1948–1962; И. П. Ратов, Ю. В. Верхошанский, А. И. Джорджадзе, А. В. Седов, В. А. Самсонадзе, К. Фиделус, Г. Хохмут, Г. Мархольд, А. Новак и др.) резко расширили сферу ее применения как самостоятельной биологической дисциплины.
Одновременно начали развиваться исследования по биомеханике движений человека и во многих странах народной демократии. В ГДР (Г. Хохмут, Г. Мархольд, Г. Гутеворт и др.), в Польше (К. Фиделус), в Чехословакии (А. Новак, В. Карась и др.) в сравнительно короткий срок (менее чем за десятилетие) возникли целые школы, получившие соответствующее признание.
В результате в учебные планы специальных высших учебных заведений по физической культуре с 1958 г. вводится курс биомеханики. Для его прохождения изданы высококачественные учебные пособия (Д. Д. Донской, 1958, 1960, Е. К. Жуков, Е. Г. Котельникова, Д. А. Семенов, 1963). Пособие Д. Д. Донского переведено на несколько иностранных языков.
Наличие четких теоретических соображений и разнообразие методов исследований привели к тому, что биомеханические исследования применяют в решении важных задач современной науки, например в изучении вопросов, связанных с жизнедеятельностью человека в условиях перегрузок и невесомости. Проведенные в этой области исследования (Л. В. Чхаидзе, 1962–1967), М. А. Черепахин (1963–1966), И. Ф. Чекирда (1967), В. С. Гурфинкель и др. (1960–1967) позволили решить ряд проблем, связанных с космическими полетами человека.
Проведенный в августе 1967 г. в Цюрихе первый международный семинар по биомеханике (ЮНЕСКО) показал, что советская школа изучения движений по постановке проблемы намного опередила многие исследования, ведущиеся в зарубежных странах. Именно у нас она приняла форму науки, изучающей в конечном итоге весь комплекс вопросов, связанных с координацией движений человека, от физической картины, разыгрывающейся на костно-мышечной периферии, до деятельности центральных аппаратов, управляющих этими движениями включительно. Биомеханика стала одним из разделов биофизики; к этому ее привел путь развития учения о координации движений.