Биодинамика локомоций

Все это было обобщено и сведено в одно целое в монографии «Исследования по биодинамике локомоций. Книга I. Биодинамика ходьбы взрослого нормального мужчины». Книга вышла в 1935 году под грифом Всесоюзного института экспериментальной медицины.

Это исследование, не утратившее до сих пор своего значения, характерно тем, что в нем впервые отразились четко установленные факты, которые вскоре должны были лечь в основу работ ученого по общей теории управления движениями человека.

Сказать что-либо конкретное тогда, разумеется, он не мог: не хватало экспериментального материала. Но с анализом ходьбы этот материал начинает накапливаться.

Однако, чтобы разобраться в этом вопросе, нам придется сделать некоторое отступление.

Методика исследований, разработанная Николаем Александровичем, резко повысила производительность труда ученого, темп накопления материала. Снова вернемся к Брауне и Фишеру. Сравним итоги их семилетних трудов и экспериментов Н. А. Бернштейна, продолжавшихся примерно столько же лет (1926—1933). Семь лет кропотливого труда понадобилось немецким ученым для анализа (и, как выяснил Н. А. Бернштейн, неточного) всего трех двойных шагов и 500 циклограмм шестидесяти пяти испытуемых, выполненных советским ученым за то же время. А ведь в его активе уже были результаты научной обработки 300 циклограмм ударных, нажимных и прочих профессиональных движений рабочих рук.

Еще в прошлом столетии И. М. Сеченов высказал поистине гениальную идею. Учитывая чрезвычайную сложность двигательного аппарата человека (и высших животных), большое разнообразие двигательных операций, он предположил и привел ряд доказательств того, что все управление движениями человека сводится, в сущности, к одному — к непрерывной, подчиненной строгому контролю коррекции хода перемещения звена, осуществляемой центральной нервной системой на основании данных, поступающих с периферии. Иными словами, центральная нервная система, «подав команду» на начало движения (путем первого сокращения нужных для этого мышц), никогда не пускает его потом на произвол судьбы. Все последующее перемещение звеньев тела человека идет под непрерывным контролем и в случае надобности немедленно корригируется путем соответствующего изменения мышечных напряжений. Эта идея носит название «сенсорной коррекции», и никто ее всерьез критиковать не мог, однако сами коррекционные сигналы никем прослежены не были. Вот с их-то обнаружения и начал Николай Александрович, когда приступил к анализу.

Прежде всего отметим, что Николай Александрович в своем анализе движений не ограничивается простым построением суммарных векторов усилий и моментов мышечных напряжений, как это сделали В. Брауне и О. Фишер. Это он считает недостаточным и буквально изобретает так называемый анализ «по параметрическим графикам». Поясним, что это такое. Когда ведется подсчет координат отдельных положений центров тяжести звеньев тела, то, естественно, определяются продольные и вертикальные координаты для каждого положения в отдельности. Затем берется разность в значении координат и, отнеся ее ко времени, отдельно вычисляют продольные и вертикальные составляющие скорости перемещения этих точек, а разница в значении скоростей дает соответственно продольную и вертикальную составляющую ускорения центра тяжести звена. Умноженные на массу звена, они определяют уже слагающие усилий, приложенных к этому центру тяжести.

Николай Александрович начал анализ с того, что стал вычерчивать эти слагающие в отдельности за весь цикл акта ходьбы человека, для всех центров тяжести каждого звена конечности, и выяснил, что полученные при этом кривые никогда не бывают гладкими или примитивными, а насыщены многими, очень закономерными изломами, которыми, кстати сказать, пренебрегли В. Брауне и О. Фишер. Строго логично он обосновал, что все эти изломы (как он их называл — «волны») бывают трех типов: спонтанно-иннервационные, т. е. отражающие непосредственные инициативные импульсы центральной нервной системы, реактивные — являющиеся отражением механических сил, разыгрывающиеся на периферии, и реактивно-иннервационные, которые суть проявление центральных ответов на все, что происходит на периферии.

Но ведь таким центральным ответом должна быть как раз та самая «сенсорная коррекция», о которой говорил Сеченов, и вот почему.

Вся деятельность центральных аппаратов, управляющих движениями, должна сводиться к тому, чтобы создавать на периферии то или иное протекание физических усилий, которые прокладываются к центрам тяжести отдельных звеньев конечностей. Если «волны» усилий, отнесенные Николаем Александровичем к первой группе, возникли при таком положении звеньев, когда только и могли иметь место инициативные силовые импульсы (например, в фазах отталкивания ноги от опоры), а вторые — лишь разыгрываться на периферии (что было очень тонко и остроумно им доказано), то третьи, наиболее интересные, возникали в такие моменты, когда движение более всего нуждалось в коррекции (например, в фазах начала переноса ноги и т. д.). Впоследствии это было подтверждено В. С. Гурфинкелем с помощью непосредственного анализа деятельности мышечных групп, приводящих в движение звенья конечностей.

Таким образом, уже в начале тридцатых годов Н. А. Бернштейн вплотную подходит к фундаменту теории цикличности управления движениями. И если в вопросе о необходимости непрерывной сенсорной коррекции он пока только фактами подтверждал гипотезу И. М. Сеченова, то в дальнейшем уже выступает совершенно самостоятельно.

Следующим важным вопросом, который он решил, была связь между мышечным напряжением и результирующим движением. О том, что между мышечным напряжением и результирующим движением нет прямой связи, а существует какая-то иная, мог догадаться еще О. Фишер. Но Н. А. Бернштейн пошел дальше. Он сделал попытку разработать дифференциальное уравнение хотя бы примитивного движения. Результаты были неожиданными. Выяснилось, что не только нельзя говорить о прямой зависимости, но, более того, мышечное напряжение и результирующее движение оказались взаимосвязанными, т. е. воздействующими друг на друга. Это было математическое доказательство цикличности управления движениями. В 1935 году Н. А. Бернштейн публикует эти данные в «Архиве биологических наук», и эту дату, очевидно, нужно считать началом его публикации по теории управления движениями.

* * *

Судя по его рассказам, еще в начале своей работы Н. А. Бернштейн задумывался над тем, что наиболее интересные факты, связанные с изучением вопроса об управлении движениями у человека, можно получить лишь тогда, когда эти движения выполняются в условиях максимальных нервно-мышечных напряжений, а таковые чаще всего бывают в спорте. Поэтому он еще в 1925 году сделал первые попытки наладить связь с Московским институтом физкультуры. Однако тогда эти попытки оказались неудачными. Лишь осенью 1934 года приступил к работе в Центральном научно-исследовательском институте физкультуры. Именно здесь удалось сделать то, к чему он стремился много лет: Бернштейн добился четкого изложения общей теории координации движений человека в целом.

Три звена кинематической цепи — так можно при первом приближении представить руку человека — скреплены между собой суставами, имеющими не менее двух, а плечевой даже трех осей вращения. Поскольку для определения степеней свободы последнего звена (в данном случае кисти) количество этих осей суммируется, то получается, что она имеет как минимум семь степеней свободы, т. е. может перемещаться по семи независимым траекториям. Это только одна кисть, но у человека их две, не считая пальцев, их подвижности.

Если суммировать все возможные степени свободы конечных звеньев рук и ног и учесть подвижность суставов корпуса, то получается, что звенья тела человека обладают совершенно невообразимым объемом движений, который выражается трехзначным числом. Вещь, пока немыслимая при изготовлении механизмов. Экскаватор, например, имеет четыре степени свободы, да и то за каждой из них следит машинист. Самые сложные манипуляторы, работающие в «горячих лабораториях», все же лишь приближенно имитируют работу человеческих рук.

Как же справляется нервная система с таким обилием всевозможных траекторий движений, как использует их в ходе самого движения, что же, наконец, есть координация движений, если учесть такое кинематическое богатство конечностей человека? Вот вопрос, на который следовало дать ответ до разработки даже поверхностной теории управления движениями человека.

Работая над материалом, накопленным при исследовании бега выдающихся спортсменов, Николай Александрович и получил ответ на этот вопрос.

Прежде всего следует отметить одну важную деталь, свойственную движениям, выполняемым сложными кинематическими цепями. Речь идет о реактивных силах и вызываемых ими движениях. Обилие этих сил и было отмечено при первом рассмотрении бега братьев Знаменских и Жюля Лядумега.

Еще в 1928 году Н. А. Бернштейн обнаружил, что в структуре движения человека, например при ходьбе, можно проследить усилия, которые никак не связаны с непосредственной деятельностью центральной нервной системы, и разыгрываются эти усилия только на периферии, как результат реакции одного звена на движения взаимосвязанных с ним соседних. Подобные усилия и вызываемые ими движения, разумеется, не могут быть случайными или пассивными.

Анализируя материалы по бегу братьев Знаменских и Жюля Лядумега, Н. А. Бернштейн был поражен не только обилием подобных реактивных «образований» в структуре бега этих спортсменов, но и закономерным распределением «переливов» реактивных усилий по всей системе ног.

Последующее изучение этого явления в целом и особенно изучение онтогенеза моторики ходьбы, бега ребенка и подростка, проведенные под руководством Николая Александровича его сотрудником Т. С. Поповой, привели еще к одному важному открытию. Оказалось, что описанные выше реактивные усилия почти отсутствуют при начальном освоении движений и появляются в структуре навыка по мере его освоения. А на том уровне, который можно признать как завершающий этот процесс, они играют важнейшую роль, облегчая выполнение движения и принимая на себя большую часть энергетических затрат.

Иными словами, использование реактивных сил — важнейший показатель не только координированности движения, но и степени его освоения (или в связи с патологическими расстройствами утраты движения). Но здесь начинается уже иная область. Точно так же, как методика исследований, разработанная Н. А. Бернштейном в начале двадцатых годов, применялась для решения самых различных вопросов, так и теперь теория, выведенная с помощью огромного экспериментального материала, собранного по этой методике, могла находить различное приложение в практике.

Было выведено основное определение, данное Н. А. Бернштейном понятию «координация движений». Мы приведем его здесь полностью, поскольку оно имеет первостепенное значение для понимания его взглядов на управление движениями в целом:

«Очевидно, мы вправе назвать кинематическую цепь управляемой только в том случае, если в состоянии назначить определенные, желательные для нас, траектории (и скорости) движения для каждого из элементов цепи и заставить эти элементы двигаться по назначенным им путям. А для этого нужно, чтобы мы всегда располагали реальными средствами для связывания избыточных степеней свободы таковой цели, т. е. так или иначе имели в повиновении всю совокупность сил, которые возникают и разыгрываются при движении цепи. В этом преодолении избыточных степеней свободы движущегося органа, т. е. в превращении последнего в управляемую систему, как раз и заключается основная задача координации движений».

Мы обращаем внимание на слова «так или иначе имели в повиновении всю совокупность сил, которые возникают и разыгрываются при движении цепи», так как эти силы в основном и являются реактивными. После этого становится понятным важный практический вывод о трех ступенях освоения биомеханической структуры движений.

Первая — погашение всех излишних, кроме минимально необходимых, степеней свободы звеньев, с тем чтобы реактивные силы не мешали движению.

Вторая — их нейтрализация, сочетающаяся с небольшим высвобождением степеней свободы.

Третья — когда реактивные силы используются для образования самой структуры движения, а степени свободы раскрепощены до максимума.

Этот вывод имеет большое значение в повседневной работе не только педагога по физическому воспитанию и тренера по спорту, но и любого лица, работающего в области становления двигательного навыка.

Таково открытие, сделанное Н. А. Бернштейном при анализе бега выдающихся спортсменов его времени.

Но этим, естественно, его работа в Центральном научно-исследовательском институте физкультуры и спорта не ограничилась.