Доктор педагогических наук, профессор Г.И. Попов
Российский государственный университет физической культуры, спорта и туризма, Москва

Ключевые слова: волна, уровни управления, многозвенная биомеханическая система, исполнение, мышцы, движение.

Изменения условий внешней среды в процессе движений человека, его представления о рациональности собственных двигательных действий ставят его перед необходимостью адекватно модифицировать управление своим моторным выходом. Последовательностью необходимых двигательных действий управляют двигательные (или моторные) программы [22] через систему управления движениями [2, 3, 5], где управленческие функций распределены между различными уровнями центральной нервной системы.

Считается, что при управлении движениями существует так называемая латентная стадия, за которой функционально закреплены процессы планирования, программирования и формирования двигательного действия.

Исследуя структурную неоднородность латентной стадии действия, А. Уэлфорд выделил три фазы (стадии) в подготовке и реализации действия. В первой фазе анализируются, хранятся и интегрируются данные, получаемые из разных точек пространства, из ситуации извлекается информация, релевантная цели действия. Во второй фазе сложившийся мгновенный образ ситуации трансформируется в моторные программы, которые реализуются в двигательные действия в третьей фазе.

В данной работе рассматриваются возможные управленческие механизмы, которые более касаются организации двигательного действия в третьей из указанных фаз.

В настоящее время в биомеханике принята (и в нее хорошо укладывается подход Уэлфорда) трехуровневая система управления движениями, связывающая процессы управления (центральная нервная система) и исполнения (мышцы) в многозвенных биомеханических системах. Первый уровень задает положение цели и запускает движение. Второй уровень (межсуставного взаимодействия) определяет задания для отдельных суставов. Третий уровень осуществляет движение, определяя усилия мышц конкретного сустава.

В работе [2] установлено, что управляющие сигналы формируются индивидуально для каждого сустава при движении многозвенной конечности, но без учета командных сигналов, поступивших в это время к другим суставам.

Нами установлено [16], что при изменении параметров кинематики целостного движения многозвенной системы тела человека при разных по скорости режимах выполнения упражнения не происходит тождественного изменения параметров движения звеньев во всех суставах, что также указывает на наличие отдельных систем управления в каждом суставе. Найденные отличия характеризуются коэффициентами, названными "временными трансформантами". Показано, что величины этих коэффициентов определяются движением звеньев тела в виде поперечной волны, которая распространяется вдоль тела по мере вовлечения звеньев в работу по выполнению упражнения. Согласно [17] при этом наблюдается тем больший волновой перенос энергии в многозвенных биомеханических системах, чем больше во временной области сжато движение. Доказано [18], что активные действия мышц, определяемые развитием движения вдоль тела человека и определяющие взаимное движение звеньев в суставных сочленениях, связаны прежде всего с поддержанием волнового движения тела как целого и включаются в движение в соответствии с прохождением фронта волны вдоль тела человека.

Относительно организации третьего уровня высказана гипотеза [8] о том, что координированное управление мышцами отдельного сустава осуществляется на основе волнового распространения возбуждения по линейно упорядоченному нейронному ансамблю. Финальное положение волнового фронта тонического возбуждения нейронов ансамбля определяет конечное положение соответствующего звена конечности, в то время как волновая скорость обусловливает скорость механического движения звена. Выходной нейрон (или их группа) при активации осуществляет дискретное изменение команды. Эффекты активации последовательных нейронов суммируются.

Момент инициации волны, ее скорость, конечное положение фронта волны задаются другими, более высокими, уровнями управления (прежде всего вторым). В рамках предложенной волновой модели определены две команды - реципрокности, волновая скорость U(t) изменения которой определяет скорость механического движения звена, и коактивации, волновая скорость V(t) которой увеличивает жесткость мышечной системы во время движения. Прекращение тонической активности выходных нейронов осуществляется лишь в процессе центрально инициируемого обратного движения фронта волны.

Напрашивается необходимость объединения изложенных взглядов и фактов в единую гипотетическую модель.

На уровне функционирования отдельного сустава (третий уровень) управление можно описать в рамках указанной выше модели волнового возбуждения нейронного ансамбля, где изменение режима работы мышц может происходить только в результате прохождения фронта волны. Между двумя фронтами параметры управления постоянны (стационарное возбуждение нейронов ансамбля). Это приводит к возможности существования таких эффектов в работе мышц, как автоколебательность [13] и изоэнергетическое управление движением [14]. Это процессы, которые не требуют координации с другими работающими мышечными группами, поскольку автоколебательное движение поддерживается за счет внутреннего биохимического источника энергии мышцы. Именно поэтому затраты энергии при движении звеньев тела в изоэнергетическом режиме не зависят от траекторий.

Факт экспериментально установленного дискретного изменения длины групп саркомеров в процессе мышечного сокращения [11] можно объяснить дискретным рекрутированием выходных нейронов при прохождении фронта волны и соответствующей дискретной иннервацией мышечных волокон. Отсюда за счет прохождения волнового фронта очень малым квантованным скачком меняются положение и сила конечности, а между фронтами - автоколебательный режим работы мышцы. Направленность движения среднего положения колебаний саркомеров вдоль мышцы [11] определяется направлением движения фронта волны по нейронному ансамблю третьего уровня управляющей системы. По-видимому, отвечающее этому распространению сокращение вдоль мышцы - это автоволновой процесс. Тем самым с учетом перечисленных экспериментальных фактов подтверждается возможность представления системы управления третьего уровня в том виде, как это сделано выше.

Второй уровень организует в целостное движение работу отдельных систем управления третьего уровня. Задача управления многосуставными движениями традиционно формулируется [3] как задача преодоления избыточных степеней свободы. Существует немало задач, при решении которых нервная система корректирует механические степени свободы, уменьшая их число. Н.А. Бернштейн видел в качестве основного пути решения этой задачи использование сигналов обратной связи. В работе [2] развивается эта идея. Предполагается, что на втором уровне управления проводится параллельный для всех суставов расчет угловых скоростей, суммируются все сигналы от суставов, необходимые для определения положения осей суставов и положения рабочей точки.

В отличие от этого в нашей модели предполагается, что на втором уровне управления организуется выявленное нами волновое движение звеньев тела в виде поперечной волны, идущей, например, от опорных звеньев к вышележащим. При выполнении двигательных действий это определяет необходимость формирования соотносительного движения звеньев, что осуществляется на втором уровне управления через организацию функциональной синергии по поддержанию волнового движения звеньев тела в целостной структуре движения [16]. Следовательно, должны обеспечиваться: а) фазовые соотношения между отдельными исполнительными элементами, б) обмен энергией между двигательными подсистемами; в) селектирование вкладов различных подсистем в общее движение.

Отсюда второй уровень обеспечивает следующие функции: 1) D U_i (t) и D V_i (t), т.е. изменение волновых скоростей команд реципрокности и коактивации в i-суставе; 2) Sign D U_i (t) и Sign D V_i (t), т.е. протекание процессов возбуждения и протекание тонической активности выходных нейронов; 3) U_i (t) - U_i-1 (t) и V_i(t) - V_i-1 (t), т.е. соотношение развития скорости и момента силы в соседних двигательных подсистемах; 4) Sign [U_i (t) - U _i-1 (t) ] и Sign [V_i (t) - V_{i -1} (t)], т.е. соотношение процессов возбуждения и торможения в соседних двигательных подсистемах; 5) t_u^h и t ^h_v - моменты начала распространения волновых фронтов в третьей системе управления; 6) t^k_u и t ^k_v - моменты окончания этого распространения.

В нейронном ансамбле системы второго уровня имеют представительство не нейроны, управляющие мышцами, а нейроны, контролирующие положение отдельных суставов. Изменения скоростей распространения D U_i (t) и D V_i (t) определяются предысторией построения движения, пока оно формируется, скажем, от нижних звеньев к верхним. Если целевая функция движения не достигается или имеются затруднения в ее реализации, то это для исполнительных механизмов - мышц корректируется на втором уровне управления за счет изменения величин скоростей U_i (t)и V_i(t). В этом смысл обнаруженного ранее явления "компенсаторной приспособляемости" [14].

Относительные скорости функций 3 и 4 определяют скорость распространения волнового движения по звеньям тела. Опыт показывает [6], что эти относительные скорости не остаются постоянными: по мере перехода от звена к звену они растут от опорных звеньев к вышележащим. Через варьирование относительных скоростей режимов 3 и 4 реализуется принцип технико-физического сопряжения. Действительно, если неизменными остаются условия режима 3, то тем самым сохраняется технический рисунок двигательного действия. Если при этом меняется соотношение скоростей коактивации в режиме 4, то меняются мышечные усилия, развиваемые в межсуставном взаимодействии в рамках неизменного технического способа исполнения упражнения. Одним из способов изменения соотносительных скоростей является предварительное напряжение мышц перед выполнением упражнения. Такое наблюдалось P. Komi, P. Luchtanen [24] в модельных экспериментах и в реальных беговых движениях. Направленно вызвать предварительные напряжения можно размещением на звеньях тела локальных отягощений. Тогда можно сопряженно решать задачу повышения силовых и скоростно-силовых качеств спортсменов в различных видах спорта [12, 21]. Для решения задачи изменения техники движений спортсменов изменением скоростей реципрокности разработана теория искусственной управляющей и предметной сред, а также множество тренажеров и тренировочных приспособлений, реализующих принципы указанной теории [5-7, 9, 10, 23].

В соответствии с работой [25] в спектре электромиограмм представительство быстрых мышц проявляется при большой нагрузке и в высокочастотном спектральном диапазоне, в то время как низкий частотный диапазон соответствует тоническим мышцам. Поэтому управление медленными двигательными единицами (тоническими), которые отвечают за формирование основного кинематического рисунка движения, определяется скоростями U_i (t)и V_i(t), в то время как режимы 1-4 второй системы управления соответствуют быстрым управляющим корректирующим движениям, осуществляемым быстрыми мышцами. Тем самым именно вследствие реализации режимов 1-4 наблюдается явление самоорганизации [15], т.е. проявление управляющих и организующих функций обратных связей, которые как бы "сшивают" движения в отдельных звеньях тела человека. В механическом движении тела это выражается в возникновении волновых процессов, отвечающих за "сшивание" самого движения . Если разности в режимах 3 и 4 равны нулю, то происходит перемещение отдельной биокинематической цепи как единого целого, на фоне которого вследствие режимов 1 и 2 могут происходить отдельные независимые движения в сочленениях конечности или тела.

При режимах 1-6, которыми наделена система второго уровня, объясняется экспериментально обнаруженный факт [20], что мышца в системе мышц работает не по своему максимуму, а в режиме, навязанном двигательной задачей всей биокинематической цепи.

Наличием функций управления 1 и 2, 5 и 6 объясняется факт [28], что при ритмических движениях огибающие ЭЭГ и ЭМГ по амплитуде и частоте имеют четкую взаимосвязь с началом и концом движения.

Существенно, что передача информации по системам обратных связей нервной системы происходит на втором уровне управления только по фазовым соотношениям, т.е. во временной области, и по соотношению величин волновых скоростей. Следовательно, в отличие от приведенных выше исследований других авторов в предлагаемой нами модели нейронные сети осуществляют только операцию алгебраического сложения, что увеличивает быстродействие системы. И действительно, скорости волнового переноса энергии вдоль звеньев в 3-5 раз выше скоростей перемещения звеньев.

Для более эффективного освоения координационных перестроек в двигательных действиях человека система обратных связей должна организовываться по разностям скоростей движения звеньев тела.

В нашей гипотетической модели первый уровень управления реализуется в высших отделах центральной нервной системы, например так, как это описано у Н.А. Бернштейна [3].

Литература

1. Адамович С.В., Фельдман А.Г. Модель центральной регуляции параметров двигательных траекторий // Биофизика. 1984, т. XXIX, вып. 2, с. 306-309.

2. Беркенблит М.Б., Гельфанд И.М., Фельдман А.Г. Модель управления движениями многосуставной конечности // Биофизика. 1986, т. XXXI, вып. 1, с. 128-137.

3. Бернштейн Н.А. О построении движений. - М.: Медгиз. 1947. - 254 с.

4. Богданов В.А. Обнаружение энергетической инвариантности в локомоторных движениях человека // Медицинская биомеханика. Рига, 1986, т. 3, с. 49-54.

5. Вукобратович И. Шагающие роботы и антропоморфные механизмы. - М.: Мир, 1976. - 676 с.

6. Гастев Э.В., Сучилин Н.Г. Обучающие машины адаптивного типа в технической подготовке // Гимнастика. 1981, вып.1, с. 47-54.

7. Гастев Э.В. Повышение эффективности процесса освоения маховых гимнастических упражнений на основе обучающих устройств адаптивного типа: Автореф. канд. дис. М., 1983. - 23 с.

8. Грембач А.Б., Гутман С.Р., Корепанов А.Л. Амплитудная модуляция электроэнцефалограммы, связанная с инициацией прекращения движения // Биофизика. 1990, т. 35, вып. 5, с. 850-854.

9. Добровольский С.С. Теория и методические перспективы программирования двигательных действий спринтерского бега в управляемой искусственной среде: Автореф. докт. дис. М., 1995. - 49 с.

10. Евсеев С.П. Теория и методика формирования двигательных действий с заданным результатом. Докт. дис. в виде науч. доклада. М., 1995. - 79 с.

11. Емельянов В.Б., Ефимов В.Н., Франк Г.М. Изучение структурных изменений в мышце при одиночном сокращении дифракционным методом // Биофизика мышечного сокращения. 1966, с. 70.

12. Жумаева А.В. Сопряженное технико-физическое совершенствование квалифицированных прыгунов в длину с использованием локальных отягощений: Канд. дис. М., 2001. - 23 с.

13. Кузнецов В.В. Свойства равновесных состояний биомеханических систем. - Рига: Зинатне, 1986, вып.3, с. 33-56.

14. Мартьянов С.С., Попов Г.И. Компенсаторные приспособления в движениях тяжелоатлетов //Теория и практика физ. культуры. 1991, № 12, с. 48-51.

15. Неймарк Ю.И., Ланда П.С. Стохастические и хаотические колебания. - М.: Наука, 1987 .- 424 с.

16. Попов Г.И. Биомеханические основы создания предметной среды для формирования и совершенствования спортивных движений: Автореф. докт. дис. М., 1992. - 48 с.

17. Попов Г.И. Волновой процесс переноса энергии в многозвенных биомеханических системах, взаимодействующих с опорой // Биофизика. 1987, т. ХХХII, вып. 3, с. 507-511.

18. Попов Г.И. О передаче мышцей энергии при заданном волновом движении звеньев тела человека // Биофизика. 1990, т. 35, вып. 4, с. 670-674.

19. Ратов И.П. Двигательные возможности человека: нетрадиционные методы их развития и восстановления. - Минск: Минсктиппроект. 1994, с. 116.

20. Ратов И.П. Исследование спортивных достижений и возможностей управления изменениями их характеристик с использованием технических средств: Докт. дис. М., 1972.

21. Резинкин В.В. Скоростно-силовая подготовка в спортивных единоборствах с использованием локальных отягощений: Канд. дис. М., 2000. - 23 с.

22. Розенбаум Д. Когнитивная психология и управление движениями: сходство между вербальным и моторным воспроизведением // Управление движением.- М.: Наука, 1990, с. 42-51.

23. Черкесов Ю.Т. Проблема и методические возможности детерминации режимов силового взаимодействия спортсменов с объектами управляющей предметной среды: Докт. дис. в виде науч. доклада. М., 1993. - 63 с.

24. Luhtanen P., Komi P.V. Segmental contribution to forces in vertical jump // European Journal of Applied Physiology. - 1978. - V. 38. - P. 181-188.

25. Nagata A. Auto-regression analysis upon EMGs power spectra during dynamic exercise // Congress Proceedings of 12 International Congress of Biomechanics. - University of California, 1989. - Р 134.

  На главную    В библиотеку    Обсудить в форуме 

При любом использовании данного материала ссылка на журнал обязательна!