Основы теории управления движениями

На протяжении многих лет формирование теории управления движениями сдерживалось односторонним развитием биомеханики и физиологии двигательного акта. Изолированное изучение движений спортсменов с позиций механики в отрыве от психических и физиологических процессов, как делалось в большинстве биомеханических исследований (что в значительной мере сохранилось и в настоящее время), равно как и односторонний подход к управлению движениями и формированию двигательного навыка на основе теории об условных рефлексах — путем многократной реализации заранее подготов­ленных точных эффекторных команд, как было принято в спортивной физиологии, существенно затормозило развитие теории управления движе­ниями. Именно это обусловливает актуальность давно опубликованных работ Н. А. Бернштей-на (1940, 1947), согласно концепции которого живое движение является не простой реакцией на воздействие внешней среды, а целенаправ­ленным действием, управляемым в ходе его вы­полнения во взаимодействии с внешней средой и представляет собой не цепочку деталей, а це­лостную структуру, дифференцирующуюся на множество элементов при большом разнообра­зии форм взаимодействия между ними. Управ­ление движениями осуществляется на различ­ных уровнях, начиная от ведущего (корковый уровень произвольных действий) и заканчивая фоновыми, регулирующими непроизвольные движения. Основным признаком, отличающим живое движение от механического, является то, что оно представляет собой не только и даже не столько перемещение тела в пространстве и вре­мени, сколько овладение пространством и вре­менем. Обобщение всей совокупности свойств моторики в сложнейшем взаимодействии с внешней средой позволило Н. А. Бернштейну ввести понятие «моторное поле», которое отли­чается отсутствием устойчивых характеристик, а формируется на основе поисковых, пробных движений, зондирующих пространство во всех направлениях.

Эти представления, равно как и учение о до­минанте А. А. Ухтомского, теория функциональ­ных систем П. К. Анохина, достижения в обла­сти психологии обучения и психофизиологии, явились мощным стимулом к объективизации исследований в области теории строения дви­жений, отходу от локалистических концепций. Описание живых движений потребовало ново­го концептуального аппарата и соответствующей терминологии. Появились такие термины и соот­ветствующие им определения, как «образ двига­тельного действия», «модель действия», «двигатель­ная задача», «образ ситуации», «предвосхищение», «предвидение», «опробование» и др. Большое вни­мание уделено проблеме дифференциации и ин­теграции деятельности в процессе обучения при сохранении ее целостности, взаимосвязи деятель­ности в целом и ее структурных элементов с соот­ветствующими ориентирующими и регулирующи­ми психическими образами, а также взаимосвязи психологических механизмов наиболее сложных видов сознательного, целенаправленного и само­регулирующегося поведения с соответствующими физиологическими процессами.

В инициировании и управлении движениями выделяются четыре компонента — мотивация, мышление, программирование и выполнение (рис. 6). Мотивация связана с формировани­ем побуждений и специфических эмоциональ­ных поведенческих реакций, обусловливающих возбудимость нейронов, связанных с конкрет­ной деятельностью. Побуждения и эмоциональ­ные поведенческие реакции анализируются и интегрируются в мысли ассоциативной зоной коры головного мозга. В свою очередь, мысли проецируются на сенсорно-двигательную зону коры, мозжечок и другие структуры головного мозга для разработки программы двигательного действия. Программирование предполагает пре­образование мысли в схему мышечной деятель­ности, реализация которой приводит к выполне­нию заданного двигательного действия. Команда на выполнение запрограммированного двига­тельного действия подается в виде централь­ной команды, которая передается как в нижние нервные структуры, ответственные за выполне­ние двигательных действий, так и верхние, что позволяет осуществлять их корректировку (Сили и др., 2007). Последовательность команд, посту­пающих из спинного мозга и обеспечивающих выполнение двигательных действии, определя­ется как двигательная программа (Энока, 2000). В начальном периоде освоения сложных на­выков движения управляются кортикальными системами, которые функционируют практиче­ски независимо от проприорецепторики. Когда в результате многократного повторения упраж­нений в управление ими включается таламопал-лидарный уровень, тесно связанный с органами тактильной и проприоцептивной чувствительно­сти, движения становятся более координирован­ными, точными, четкими, экономичными, лег­кими, пластичными. Постепенно кортикальные системы (ведущий уровень) разрушаются и ко­ординация движений уходит из поля сознания, управление ими передается на фоновые уровни, которые постепенно осваивают многочисленные компоненты движения, обеспечивают взаимо­связь между ними.

Рис 6 Схема основных невральных взаимодействий, связанных с осуществле­нием движения (Cheney, 1985)

Следует отметить, что движения, различные по смысловым характеристикам и двигательно­му составу (сложнокоординационные, скорост­ные, скоростно-силовые), обусловливаются раз­личными ведущими и фоновыми уровнями, т. е. применительно к каждому движению формиру­ется своя система управления. Если эти систе­мы строятся на одинаковых ведущих и фоновых уровнях управления движениями (сходные смыс­ловые и программирующие стороны, исполни­тельные компоненты, двигательный состав, ко­ординационная структура), между движениями имеется положительный перенос, существенно облегчающий процесс освоения двигательного навыка. По мере увеличения различия между ведущими и фоновыми уровнями управления движениями эффект положительного перено­са сглаживается и при кардинальном различии систем управления может перейти в отрицатель­ный (Лях, 1991).

Пониманию процесса формирования ра­ционального навыка способствуют представ­ления П. К. Анохина (1975) об общих ме­ханизмах управления произвольными движе­ниями, в соответствии с которыми основой процесса управления движениями является цикличность, которая предполагает, что каж­дый двигательный акт должен заканчиваться обратной афферентаци-ей, сигнализирующей о результатах действия (рис. 7).

Рис 7 Процесс формирования функциональной системы, обеспечивающей рациональное двигательное действие (Анохин, 1975)

Осуществление эффекта цикличности управления движениями строится на двух группах афферентных раздражителей: обстановочной и пусковой афферентации. Обстановочная афферентация представляет собой совокупность раздражений, подготавливающих соответствующую реакцию, и приводит к интеграции нервных процессов, предшествующих пусковой афферентации. Последняя представляет собой непосредственное действие условного раздражителя.

Обе афферентации объединяются афферентным синтезом. Афферентный синтез, подчиняясь доминирующей на данный момент мотивации и под коррекцией памяти, ведет такой подбор возможных степеней свободы, при котором возбуждение избирательно направляется к мышцам, совершающим нужное действие. В афферентном аппарате не происходит рефлекторных действий до тех пор, пока не завершится синтез всех афферентных воздействий на организм. После этого следует принятие решения, основанное на выборе и определении степени активности ком­понентов, которые должны обеспечить выполнение двигательного действия.

В эффекторной части нервной системы создается особый аппарат сличения актуальной афферентации с сенсорным образом формируемого действия — акцептор результатов действия, который представляет собой возбуждение, опережающее реальное событие. Этот аппарат, сформированный на основе нервных механизмов, позволяет прогнозировать признаки необходимого в данный момент результата, сличать их с параметрами реального сиюминутного результата, информация о которых приходит к акцептору результата действия благодаря обратной афферентации. Циркуляторное развитие этих возбуждений при «узнавании» и «поиске» может быть столь быстрым, что каждый блок функции, состоящий из компонентов результат — обратная афферентация — сличение и оценка результатов в акцепторе результа­тов действия — коррек­ция — новый результат и т. д., может разви­ваться в течение долей секунды. Этот аппарат дает возможность орга­низму исправить ошиб­ку действия, превратить несовершенные двига­тельные акты в более целесообразные. Акцеп­тор действия является постоянным фактором управления, который устанавливает соответ­ствие выполненного действия первоначальному намерению. Он воспринимает эфферентные раз­дражители, сопоставляет данные афферентного синтеза с выполненным действием. Если цель достигнута, то цикл завершен, если нет — вы­зывается комплекс новых реакций, которые в результате должны привести к соответствию двигательного действия его модели в акцепторе действия (Анохин, 1975).

Представления Н. А. Бернштейна и П. К. Ано­хина применительно к задачам спортивной практики уточняют результаты исследований Л. В. Чхаидзе (1970), который выделил следую­щие основные положения теории управления произвольными движениями.

1. Управление произвольными движениями у человека следует рассматривать как сложный кольцевой процесс, включающий наличие двух основных колец: внешнего, преимущественно строящегося на внешней афферентации, и вну­треннего, строящегося на внутренней афферен­тации. Внешнее кольцо связано с деятельностью сознания, внутреннее — с мышечными синер-гиями. Как внутренние, так и внешние аффе­рентные пути (как вместе, так и в отдельности) могут входить с различными физиологическими параметрами и механизмами в те или иные ком­поненты условных и безусловных рефлексов.

2. Учитывая не поддающееся точному опре­делению количество степеней свободы откры­тых кинематических цепей, из которых состо­ят конечности человека, сложность силового поля движений, неоднозначность связи между мышечным напряжением и результирующим усилием, а также необходимость создания ди­намически устойчивого движения, можно сде­лать заключение, что координация произволь­ных движений, требующая в первую очередь превращения мышечной периферии в управляе­мую систему, обусловлена системой рефлексов с обязательным участием самопрограммирующе­гося управляющегося механизма.

3. Важнейшей неотъемлемой частью всего управления движениями является внутренняя обратная связь, приемным элементом которой можно считать мышечные, суставные и сухо­жильные рецепторы, сигнализирующие о состо­янии мышц и положении звена тела в простран­стве. Сигналы этих рецепторов после синтеза поступают в важнейший элемент всей системы — сличающий механизм, который несет основную функцию, связанную с координацией движения, установлением взаимоотношения между мышеч­ным напряжением и результирующим движени­ем. На основании сложной взаимосвязи между сличающим механизмом, задающим элементом и моторной памятью вырабатываются необходи­мые коррекции, которые, поступая в программи­рующий механизм, продолжают управлять уточ­ненным движением.

4. Выполнение неосвоенного двигательно­го действия можно представить как управление в условиях, когда внутреннее кольцо не подго­товлено к осуществлению своих функций. Это приводит к биомеханической неполноценности движения, так как конкретные синергические детали большей частью остаются вне контроля или регулируются внешним кольцом, рецепторы которого не могут установить правильное взаи­моотношение между мышечным напряжением и результирующим движением. В результате не может быть полностью осуществлена и смысло­вая сторона движения.

Выполнение освоенного действия, наобо­рот, можно представить в виде управления как по внешнему (смысловая сторона движения), так и по внутреннему кольцу (автоматизированные детали движения). На последнее в этом случае ложится выработка и управление наиболее удоб­ными формами непосредственного (в деталях) осуществления навыка.

Поскольку этим обеспечивается биомеха­ническая целесообразность движения, внешнее кольцо имеет возможность правильно осуще­ствить тончайшие детали смысловой стороны движения.

Представления П. К. Анохина (1975) о фор­мировании и действии функциональной си­стемы, обеспечивающей регуляцию движений, нашли широкое признание и получили дальней­шее развитие в различ­ных зарубежных шко­лах спорта, добившихся высоких результатов на международной спор­тивной арене. Выявле­ны процессы и факторы, определяющие эффек­тивность циклической структуры регуляции двигательных действий спортсмена, показана их взаимосвязь (рис. 8). Установлены различные элементы, взаимодей­ствие которых обеспечи­вает точное определение цели действий, их раци­ональное осуществление и сравнение с моделью (рис. 9).

Эффективность уп­равления движениями в значительной степени определяется сенсор­ными коррекциями — оперативными измене­ниями, вносимыми в структуру движений на основе обратных свя­зей. В. М. Смолевский и Ю. К. Гавердовский (1999) справедливо указы­вают, что на формировании способности к сен­сорным коррекциям строится процесс обучения движениям, а на их текущем применении — ис­полнение освоенных упражнений.