Н.А.БЕРНШТЕЙН И ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ БИОМЕХАНИКА

Abstract

STUDIE OF THE MOST ESSENTIAL N.A. BERNSHTEIN'S ELABORATION WITH A HELP OF CONTEMPORARY METHODS

L.V. Chkhaidze, professor, Honorary Member of

Russian K.E. Tsyolkovsky Aeronautics Academy, Moscow

Key words: reanalysis movemens, evidence.

N.A. Bernshtein, scientific elaborations, by up-today methods, control of circular scheme, new experimental

The aim of this study was to reanalyze the main and the most essential biomechanical elaborations of N.A. Bernshtein by up-today methods in order to find the new technologies developing the fundamental ideas of the movements' building theory.

The study was realized in the laboratory of biomechanical investigations of the Scientific-production "Energia" with a help of modern biomechanical research system "Elite" (Italy).

The results of this research had demonstrated the complete correspondence the movements' structural components of human walking reflected in parametric graphs. The waves forming when walking have the same characteristics as these ones found out by N.A. Bernshtein.

The above data confirms the circular principle of movements' direction by N.A. Bernshtein.

ИССЛЕДОВАНИЕ НАИБОЛЕЕ СУЩЕСТВЕННОЙ НАУЧНОЙ РАЗРАБОТКИ Н.А. БЕРНШТЕЙНА С ПОМОЩЬЮ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДИК

Почетный член Академии космонавтики им. К.Э. Циолковского,
профессор Л.В. Чхаидзе

Ключевые слова: Н.А. Бернштейн, научная разработка, повторение современными методами, управление движениями, кольцевая схема, новые экспериментальные доказательства.

Среди многочисленных экспериментальных научных исследований Н.А. Бернштейна, в дальнейшем положенных им в основу общей теории управления движениями, имеется одно, повторение которого современными методами представилось нам весьма интересным. Наличие коррек-ционных сигналов в продольных составляющих нормальной ходьбы человека (определивших наличие кольцевого принципа в управлении движениями).

Современная методика исследования заключалась в том, что вместо малых электролампочек, устанавливаемых на суставах конечностей и снимаемых, по методике Н.А. Бернштейна, через прорези обтюратора (что позволяло получить на негативе ряд последовательных точек, измерений расстояний между которыми, в свою очередь, давало возможность рассчитать параметры движений , но требовало продолжительного времени) ставились отражатели (на тех же суставах или ударяемом предмете) инфракрасного луча, излучае мого специальной камерой с частотой 100 имп/с Отраженный луч возвращался обратно в объектив излучателя и поступал в компьютер. Поскольку частота испускаемых импульсов была постоянной легко видеть, что при медленном перемещении звена величина интервалов между отдельными отражениями оказывалась меньшей, чем при быстром. Измеряя интервалы между отражениями (что и проделывалось на компьютере), можно было определить скорость перемещения данного сустава, а разница в значении скоростей давала ускорение. Естественно, что эти параметры сразу отражались на экране осциллографа, а затем записывались на специальном устройстве. Эта методика, разработанная фирмой ."Elite" (Италия) позволяла получать результаты в течение нескольких минут.

Исследования проводились в лаборатори биомеханических исследований НПО "Энергия при участии И.Б. Лисица (зав. лабораторией) научных сотрудников В.А. Богданова и М.А Катукова, которым автор приносит искреннюю благодарность.

Еще в 1935 г., завершая свою первую публи кацию по биодинамике ходьбы человека, Н.А. Бер нштейн [1], установил, что динамическая структура ходьбы человека, определенная по параметри ческим графикам вертикальных и продольных составляющих, имеет четко выраженную законо мерность; и можно не только систематизировать все изломы ("волны"), выражающие протекание этих составляющих в период одного шага, но определить их происхождение. При этом H.А. Бернштейн обратил особое внимание на продо льные составляющие (вертикальные, по его мнению, отражали лишь воздействие силы тяжести поскольку именно они оказались, по его мнению, связанными с деятельностью ЦНС и отражали результаты силовых импульсов, обуславливающих перемещение ног при нормальной ходьбе.

Рис. 1. Кривые ускорений в колене человека при нормальной ходьбе. Верхние - продольные составляющие, нижние вертикальные. Буквенные обозначения волн - по Н.Д. Бернштейну. Опыты О.Д. Зальцгебер

Н.А. Бернштейн разделил эти составляющие ("волны") на три группы. Первая, обозначенная им как волна , по его мнению, отражала непосредственное влияние главного усилия отталкивания ("заднего толчка") и оказалась связанной с длиной шага и темпом ходьбы, что неоднократно подтверждалось всеми опытами с этими параметрами ходьбы (рис. 1). Эта группа была названа им "спонтанно-иннервационной". Вторая группа, названная им "механореактивной", обозначается волнами и и отражает чисто реактивные силы, возникающие в конечностях как результат механического воздействия на звенья ног при их разгибании в коленных суставах, и с деятельностью ЦНС не связаны. Это было не только остроумно доказано Н.А. Бернштейном, но и подтверждено О.А. Зальцгебер [2], когда она при изучении биомеханики перемещения одностороннего протеза ноги, замыкая коленный шарнир, не наблюдала этих волн, а размыкая получала их всегда, и притом рельефными (рис. 2).

Однако наибольший интерес с точки зрения управлений движениями представила небольшая группа мелких волн, обозначенных им как группа . Эти волны возникают в момент, когда стопа отрывается от опоры, и всегда наличествуют в кривых продольных составляющих, будучи одновременно всегда различными по количеству, величине и продолжительности. Н.А. Бернштейн назвал их "реактивно-иннервационными" (см. рис. 1). Именно им было суждено сыграть решающую роль в дальнейших теоретических соображениях относительно управления движениями человека.

Как уже было сказано, эти волны возникают в тот момент, когда стопа, оторвавшись от опоры и, следовательно, превратившись из закрытой в открытую кинематическую цепь, как минимум восемью степенями свободы, в результате воздействия внешнего силового поля нуждается в дополнительном четком управлении. Отсюда и форма этих волн: они всегда наличествуют, но никогда не бывают одинаковыми как по числу, так и по величине. Это означает только одно: ЦНС, получив сигналы от проприорецепторики о состоянии внешнего силового поля, которое никогда не бывает одинаковым в каждом шаге, вмешивается в динамику движений и небольшими силовыми импульсами корригирует движение этой открытой кинематической цепи, но поэтому и коррекцион-ные сигналы никогда не бывают одинаковыми. Каким образом ЦНС перерабатывает проприоре-цепторные сигналы в центральные импульсы, Н.А. Бернштейн показал в дальнейшем [З], но как раз наличие этих сигналов позволило сформулировать понятие о той кольцевой схеме, которая в дальнейшем легла в основу всех теоретических соображений об управлении движениями, положенных Н.А. Бернштеином в его дальнейшие схемы [2]. Использованы эти соображения и в наших разработках [4].

Рис. 2. Доказательства механического происхождения волны . При закрытом коленном шарнире одностороннего протеза ее нет, а при открытом она появляется, и притом очень рельефно, так, как сопутствующая ей . Опыты О.Д. Зальцгебер

Рис. 3. Суммарные векторы опорной реакции одного шага по одной ноге. Нижняя кривая на рис. 4 - вертикальная составляющая опорной реакции опыта 1 (оригинал)

Рис. 4. Четыре наших опыта по современной методике: приведены кривые продольных (Wg(x)) составляющих ускорений о.ц.т. ноги одного испытуемого. Обозначение волн - по Н.Д. Бернштейну. Следует обратить внимание на кривые, полностью совпадающие с кривыми на рис. 2. Ясно видно также, что коррекционные волны фигурируют в каждой кривой, но всегда различны (оригинал)

Рис. 5. Вверху кривые вертикальных составляющих ускорений, определенных по современной методике. Соответствуют опыту 1 (верхняя кривая) на рис. 3. Обозначения - по Н.Д. Бернштейну (оригинал)

Исследования по биодинамике ходьбы человека были проведены Н.А. Бернштеином в период с 1925 по 1935 г. Все скорости, ускорения и усилия рассчитывались как разность значений координат точек в траекториях перемещения малых электролампочек, которые получались при снимках ходьбы через вращающийся с определенной угловой скоростью обтюратор. Лампочки устанавливались на суставах конечностей, а разности (сначала скоростей, а затем ускорений) определялись, таким образом, вручную ("на глаз"). Это занимало около двух дней расчетного времени [3]. На каждой траектории здесь, как легко видеть, можно допустить любую ошибку в определении координат каждой точки.

Поскольку эти волны (группа ) сыграли столь большую, если не решающую, роль во всех дальнейших теоретических соображениях Н.А.Бернштейна о кольцевом принципе управления движениями, в том числе и наших [4], возни-кла необходимость полной проверки наличия и особенностей этих волн современными методиками. При этом основной задачей ставилось проверить, получаются ли те закономерности, которые установил Н.А. Бернштейн, в виде кривых по их форме, числу и наличию, или это методическая ошибка, допущенная им и его учениками.

С этой целью в июне 1993 г. в лаборатории биомеханических исследований экспериментального центра протезирования и подготовки кадров НПО "Энергия" по методике Н.А. Бернштейна были проведены специальные исследования нормальной ходьбы взрослого мужчины.

В исследованиях приняли участие двое испытуемых - взрослые здоровые мужчины, выполнившие по два контрольных шага. Всего с каждым испытуемым проведено по четыре опыта. Фиксировалась динамика правой стороны испытуемого. Одновременно в качестве контроля фиксировались опорные реакции каждой стопы по суммарным векторам усилий опоры (рис. 3).

Результаты всех этих исследований приведены на рис. 3, 4, 5. Нетрудно видеть, что полученные нами параметрические графики практически ничем не отличаются от тех, которые получал Н.А. Бернштейн в 20-х годах нынешнего столетия, проводя подобные исследования вручную: те же кривые, волны, изломы и пр. Разница лишь в том, что он и его сотрудники затрачивали на полную обработку одной траектории около двух дней, а сейчас это осуществляется за считанные минуты.

Обратимся, однако, к характеристикам отдельных волн продольных составляющих, которые нас больше всего интересуют (см. рис. 4). Волна - отражение заднего толчка - занимает главенствующее положение, иначе и быть не может: это "спонтанно -иннервационный импульс, от которого зависят длина шага и темп ходьбы. "Механореак-тивные волны и находятся на своих местах - после разгибания ноги в коленном суставе ЦНС, как сказано, в их происхождении участия не принимает. Передний толчок - вхождение ноги в опору - находится после завершения волны и обозначается как h. Это тоже закономерно. Но что происходит с группой волн ? Легко прослеживается, что они наличествуют во всех наших опытах, всегда следуют после заднего толчка (волна ), но, как и ожидалось, никогда (т.е. ни на одной из приведенных кривых) не бывают одинаковыми. На самом верхнем рисунке эта волна только намечается, на следующем имеет слитую форму, на предпоследнем этих волн две, и они весьма рельефны, и, наконец, на самом нижнем их уже четыре или даже пять, и они очень четко выражены. Это может говорить только об одном. Превращение ноги в открытую кинематическую цепь привело к тому, что в каждом шаге она встретилась с разным силовым полем (возможно, из-за параметров заднего толчка), а это, в свою очередь, потребовало различной сигнализации от ее мышечной проприорецепторики и, следовательно, разной переработки этих сигналов в ЦНС и как следствие - различных коррекцион-ных сигналов.

Следовательно, все соображения о природе этих сигналов в структуре ходьбы человека, высказанные Н.А. Бернштейном, справедливы, и этим кольцевая схема управления движениями полностью доказана.

Выводы:

1. Составляющие структуры ходьбы человека (изломы, волны), образующиеся в параметрических графиках кривых, изученных с помощью современных методик, полностью согласовались по форме и параметрам, установленным Н.А. Бернштейном.

2. Образующиеся при этом волны, и особенно волны группы , имеют характеристики, аналогичные установленным Н.А. Бернштейном.

3. При этом группа волн всегда наличествует в продольных составляющих ускорений о.ц.т. ноги (Wg+), будучи разнообразной по величине и продолжительности в каждом шаге, что позволяет считать эти волны центральным ответом на изменение внешнего силового поля.

4. Сказанное, в свою очередь, окончательно утверждает принципы кольцевого управления движениями, положенного в основу учения Н.А. Берншейна.

Литература

1. Бернштейн Н.А. Исследования по биодинамике локомоций. Ходьба взрослого нормального мужчины. - М.: Издательство ВИЭМ, 1935.

2. Бернштейн Н.А. О построении движений. - М.: Медгиз, 1947.

3. Зальцгебер О.А. Биодинамика локомоций ампутированных. Труды Московского научно-исследовательского института протезирования. Сборник 1. М., 1948.

4. Чхаидзе Л.В. Об управлении движениями. - М.: ФиС, 1970.

Поступила в редакцию 10.08.96

  На главную    В библиотеку    Обсудить в форуме 

При любом использовании данного материала ссылка на журнал обязательна!
 

Реклама: