Об управлении движениями человека

Координационная структура движений и ее составляющие

Наш обзор был начат с рассмотрения силового поля движения, поскольку оно обусловливает его кинематику, но связь между ними, как правило, редко бывает однозначной. Хотя внешняя, кинематическая, картина движения является наиболее заметной как для исполнителя, так и тем более для лица, наблюдающего за движением, ее глубоко скрытая динамика (так сказать, «энергетическое обеспечение») большей частью не только остается скрытой, но и нередко при ближайшем рассмотрении оказывается в удивительном противоречии с теми представлениями, которые могут иметь место при поверхностной оценке только внешней картины движения. Выше мы приводили примеры из локомоторных и баллистических движений человека.

Но, как бы то ни было, вся центральная регуляция движения должна строиться таким образом, чтобы соответствующими мышечными напряжениями при использовании реактивных сил обеспечить необходимое перемещение звеньев тела в пространстве и при наиболее оптимальных силовых и временных диапазонах параметров. Этим так или иначе будет обеспечена смысловая сторона движения.

Однако последнего мало; требуется еще максимальная экономия энергетических ресурсов исполнителя, его способность менять скоростные параметры хода движения при выполнении навыка, умение в случае надобности осуществить быструю перестройку смысловой части и многое другое, что составляет особенность высококоординированного движения. Перемещение звеньев тела в пространстве связано с выбором необходимых степеней свободы звеньев (т. е. подвижностью суставов); продолжительность движения зависит как от быстроты его выполнения в целом, так и распределения во времени перемещения каждого звена в отдельности и всех вместе. Последнее оказывается наиболее сложным. Дело в том, что почти всегда перемещения звеньев тела выполняются с ускорениями, имеющими как положительный, так и отрицательный знак при одном и том же направлении движения. Нередки случаи, когда одно звено ускоряется, а другое тормозится, хотя оба движутся в одинаковую сторону (см., например, рис. 1, 2). Все это и должно быть обеспечено на самом высоком уровне координации.

Таким образом, кинематика движения оказывается в сложной взаимосвязи с динамикой. Но поскольку, как мы сказали, кинематика более заметна для стороннего наблюдателя, с нее обычно начинается анализ движения (так было и в историческом аспекте). Из приведенного нами материала вытекает, что ограничиваться изучением только скоростей в движениях (обычная ошибка многих исследователей) ни в коем случае нельзя. Деятельность центральной нервной системы (а это наиболее важно!) с достаточной достоверностью может быть освещена только по ускорениям управляемых ею звеньев. Изменение перемещения звена тела в пространстве характеризуется ускорениями, а их-то и определяют мышечные напряжения, сложным образом зависящие от деятельности центральной нервной системы.

Все сказанное позволяет сформулировать специальное понятие — координационная структура движения, рассматриваемая как закономерности согласованного сочетания движений в соответствии с двигательной задачей и действительными условиями ее решения. Координационная структура, формируясь, включает в себя биомеханические структуры — кинематику и динамику (Д. Д. Донской, 1968). Различают также частные особенности координационной структуры — ритмическую, фазовую структуру и др. Формируется вся общая сложнейшая структура в целом благодаря мышечным синергиям при ведущей роли смысловой стороны.

Поскольку мышечные синергии выражают управляющую функцию нервной системы, координационная структура есть обобщенный показатель всех сторон движения (физическая, биологическая, психологическая). Координационную структуру исследуют по многочисленным характеристикам движений. Так, на графиках усилий (и ускорений) отражаются особенности структуры в виде волн и западений различной величины, направления и длительности. Эти динамические составляющие координационной структуры по Н. А. Бернштейну (1935) могут иметь или спонтанно-иннервационное происхождение, или разыгрываться только на периферии за счет реактивных сил, или, наконец, быть смешанными и отражать ответ центральной нервной системы на внешние динамические воздействия. Их роль в ходе выполнения движения оказывается, однако, далеко не равнозначной. Это позволило нам после ряда наблюдений выделить в координационной структуре три вида составляющих (Чхаидзе, 1958) — основные, или ведущие, на которых строится вся структура движения, вспомогательные — обеспечивающие ее устойчивость, и сопутствующие, которые возникают как неизбежная реакция на движение взаимососедних звеньев, но могут быть в нужном случае так или иначе использованы в ходе выполнения навыка.

Рис. 7. Кривые слагающих усилий в центре тяжести ноги Fx и Fy при беге квалифицированного спортсмена на 400 м.
I — после завершения стартового разгона, II — перед финишем (Ориг., 1948)

В качестве характерного примера рассмотрим динамические составляющие структуры движений квалифицированного спортсмена при беге на 400 м (рис. 7). Они выражены в форме так называемых параметрических графиков составляющих усилий, приложенных к центру тяжести ноги[*]. Естественно, что таких графиков всегда будет два — один для продольных (x), другой — для вертикальных (y). На рис. 7 они представлены сразу после завершения стартового разгона (I), когда спортсмен был неутомлен, и перед финишем (II), когда на структуре должно было сказаться утомление.

Как можно видеть, эти графики отнюдь не представляют собой каких-либо четких математических кривых, напротив, они имеют много изломов (так называемых «волн») — подъемов и опусканий. Однако эти изломы вполне закономерны, их-то и принято считать составляющими структуры движений. Выше мы охарактеризовали эти составляющие по происхождению и значению.

На нашем примере бесспорное спонтанно-иннервационное происхождение (по Н. А. Бернштейну) будут иметь волна γ по продольным составляющим и волна D по вертикальным. Они развиваются и опадают в момент, когда спортсмен выполняет отталкивание ноги от опоры (вертикаль h!). А от величины этого толчка (он называется «задним толчком»), наиболее подконтрольного вниманию человека, зависит регулируемая спортсменом длина шага. Кроме того, это усилие наиболее чувствительно к утомлению — перед финишем величина по обеим составляющим спадает в пределах до 30%, — явление знакомое и ощущаемое всеми, кто бегал на 400 м. Поэтому оба эти толчка отнесены по нашей классификации к ведущим динамическим составляющим усилий — на них строится вся структура выполнения навыка бега. К составляющим, разыгрывающимся только на периферии, в данном примере можно отнести две реактивные волны α и β. Они сопутствуют данному движению. Кроме того, к этой категории мы относим усилия «переднего толчка» (вертикаль v!) — реакции ноги на соприкосновение с опорой. Она выражается волной C по вертикальным слагающими и является следствием удара стопы об опорную поверхность, на величину которой утомление вследствие чисто механического происхождения волны, как показывает рис. 7, почти не влияет.

Если продолжить рассмотрение графиков, то обращает на себя внимание еще целая группа волн, обозначенных E и F по вертикальным слагающим и ε и φ по продольным. Эти волны наблюдаются в тот момент, когда нога находится в переносном интервале, т. е. когда ее кинематическая цепь открыта и, следовательно, наиболее трудно управляема (из-за возможности использовать наибольшее число степеней свободы), а их число заметно возрастает при утомлении спортсмена. Вся группа этих волн отнесена Н. А. Бернштейном к реактивно-иннервационным — ответам центральной нервной системы на деятельность костно-мышечной периферии, и их наличие имеет очень большое и принципиальное значение для всей теории управления движениями. По нашей классификации они названы вспомогательными. В дальнейшем к роли и значению этих составляющих мы вернемся еще не раз, а пока отметим следующее.

Идея о том, что при выполнении любого движения центральная нервная система ведет непрерывную коррекцию («сенсорную»), была гениально провозглашена Сеченовым еще в конце прошлого столетия. Действительно, невозможно представить, чтобы управление такой сложной системой, как наши конечности, и в тех затрудненных условиях, в каких протекает движение, осуществлялось без всякого контроля со стороны центральной нервной системы. Напротив, более правильным было бы полагать, что последняя так или иначе учитывает все происходящее на периферии и в случае надобности вносит в ход движения соответствующие поправки (коррекции). Однако в течение длительного времени не было прямых физических (биомеханических) доказательств наличия этих коррекций в структуре движений. Изучая в тридцатых годах структуру ходьбы человека, Н. А. Бернштейн обнаружил, как мы уже отметили, что все изломы кривых, отражающих эту структуру, вполне закономерны, и если одну группу их можно легко отнести к спонтанно-иннервационным (т. е. отражающим непосредственно влияние сознания на составляющие и параметры акта ходьбы), а другую — к реактивным, разыгрывающимся только на периферии, то третья никак не укладывалась в эти рамки. Н. А. Бернштейн назвал их реактивно-иннервационными и нашел ряд доказательств, что они как раз и являются теми отражениями коррекционных сигналов, которые были необходимы для практического подтверждения идей Сеченова. Отметим сразу же, что этим открытия Н. А. Бернштейна, конечно, не ограничились, но именно данный важный факт сыграл большую роль в создании теории координации движений человека, о которой мы подробно будем говорить ниже.

Доказательства того, что приведенные в нашем примере волны играют коррекционную роль, легко усматриваются из следующих особенностей их образования и распада. Нога, становясь открытой кинематической цепью, наиболее нуждается в точнейшем управлении. Действительно, рассматриваемые волны как раз и появляются в положении ноги вскоре после развития «заднего толчка», т. е. тогда, когда она начала движение и когда его в случае надобности следует «подправить». Далее, эти волны очень неустойчивы по своим очертаниям и местоположению (спонтанные и реактивные, напротив, от шага к шагу мало меняют свой рисунок). Но поправки никогда не будут одинаковыми. В зависимости от различных условий и «помех» их следует вносить по-разному, особенно при утомлении спортсмена. Кривые, приведенные на рис. 7, II, своим разнообразием достаточно ярко иллюстрируют это.

Таким образом, из сказанного можно сделать следующие заключения: координационная структура движений человека очень сложна (табл. 1) и рассматривать ее как нечто однозначное внешней картине недопустимо. Она является результатом сложного учета центральной нервной системой всего того, что происходит на костномышечной периферии. В первую очередь речь идет о связи между мышечным напряжением и результирующим движением.

Таблица 1
Значение динамических составляющих в координационной структуре движений
  Ходьба Бег    
Динамические составляющие по ровному месту на подъеме на спуске в быстром темпе в медленном темпе Преодоление барьера Баллистические движения
Опорный интервал              
Передний толчок Сопутствующее Почти отсутствует Основное Сопутствующее Сопутствующее Сопутствующее Сопутствующее
Задний толчок Основное Основное Почти отсутствует Основное Основное Основное Основное
Дополнительные усилия «Подтягивание» на опорной ноге «Приседание» на опорной ноге
Переносный интервал              
Сгибательные усилия Основное Вспомогательное Вспомогательное Основное Основное Вспомогательное Вспомогательное
Использование реактивных усилий Вспомогательное Вспомогательное Вспомогательное
Разгибательные усилия Вспомогательное Почти отсутствует Важное вспомогательное (возможно основное) Вспомогательное Важное вспомогательное (возможно основное) Основное Основное
Торможение маха Основное Вспомогательное Основное Вспомогательное
Реактивные усилия Сопутствующее Сопутствующее Сопутствующее Сопутствующее Вспомогательное Сопутствующее
Торможение ноги перед опорой Вспомогательное Вспомогательное Вспомогательное Вспомогательное Вспомогательное Вспомогательное
Дополнительные усилия Дополнительный толчок переноса ноги кверху Широкое использование реактивных сил Дополнительный толчок на сгибание и разгибание ноги

Вопрос о том, как связано мышечное напряжение с результирующим движением, изучался с конца прошлого столетия. При этом первые же исследования Брауне и Фишера (1895) показали, что считать количество результирующего движения пропорциональным мышечному напряжению совершенно неправильно.

Однако и выдвинутое этими же исследователями положение о том, что мышечному напряжению пропорционально ускорение центра тяжести звена или системы, также продержалось недолго и было заменено другим: мышечному напряжению пропорциональны результирующие моменты сил в сочленениях. Это было довольно подробно обосновано сначала Брауне и Фишером (1904), а затем в первых работах Н. А. Бернштейна (1929), который пришел к выводу, что и эта формулировка не исчерпывает всего разнообразия во взаимосвязи мышечного напряжения и результирующего движения. Особенно ярко это проявилось при изучении спортивных движений.

Был обнаружен ряд случаев, когда при сгибании наблюдались значительные по величине мышечные моменты, направленные в противоположную сторону (рис. 8); то же наблюдалось при разгибании ноги (например, в звеньях ног после заднего толчка при беге, при ударах по мячу и т. д.). Математический анализ этих явлений привел к новой форме описания взаимодействия мышечного напряжения (и выражающих его количественную сторону силовых моментов) и результирующего движения. Это взаимодействие описывается дифференциальным уравнением не ниже второго порядка (Н. А. Бернштейн, 1935, 1947). Во второй главе при рассмотрении деятельности некоторых отделов центральной нервной системы мы коснемся этого вопроса подробнее.

Рис. 8. Изменения величин моментов мышечных напряжений звеньев ноги относительно тазобедренного сочленения при ударе квалифицированного спортсмена по мячу, находящемуся на уровне колена (Ориг., 1946).
Вертикаль I — соответствует максимуму замаха бьющей ноги; II — ее соприкосновению с мячом; III — послеударному торможению

Таким образом, налицо сложная и неоднозначная связь между мышечным напряжением и результирующим движением. Сам режим работы мышц может быть при этом весьма разнообразным.

Различают три основных вида таких режимов: изометрический, когда напряжение мышцы происходит в условиях сохранения ее длины; изотонический, когда напряжение неизменно при уменьшении ее длины, и (почти всегда наблюдаемый) ауксотонический с изменением и длины и напряжения. В последнем режиме сокращение мышцы происходит обычно в условиях некоторого предварительного растяжения. Особенностью работы в ауксотоническом режиме является то, что в силу законов раздражимости возбуждение мышцы в тех или иных условиях предварительного растяжения может вызвать совершенно различное напряжение ее, и мышца может работать по-разному.

Рис. 9. Диаграмма длин-напряжений мышц при работе в ауксотоническом режиме (по Н. А. Бернштейну, 1940)

На рис. 9 изображена диаграмма зависимости напряжения мышцы от ее длины; линия a — идеальный случай одновременного сокращения мышцы и увеличения ее напряжения; кривая b отражает влияние внутреннего трения мышцы; кривая c представляет сокращение мышцы при подъеме среднего груза с большой скоростью; кривая c1 характеризует изменение в этом случае инертного сопротивления груза; кривая I — механическое растяжение невозбужденной мышцы, а кривая II — возбужденной.

Напряжение мышцы, необходимое для данного движения, есть функция минимум двух переменных — ее физиологического состояния (определяемого возбуждением) и ее фактической длины в данный момент (определяемой растяжением). То что в живом организме мышцы при выполнении произвольного движения почти всегда начинают свою деятельность в той или иной степени растяжения, также составляет одну из трудностей в регулировании любого движения. Начиная его, центральные регулирующие аппараты должны учесть степень предварительного растяжения мышц и произвести их необходимое возбуждение. Для этого нужно иметь подробную информацию о состоянии мышцы и «принимать» соответствующие решения.


* Усилия в центрах тяжести, рассчитанные по Н. А. Бернштейну, характеризуют силовое поле несколько упрощенно, поскольку не учтены особенности вращательного движения (моменты инерции).