Принцип саморегуляции движений Н. А. Бернштейна: механизмы организации движений, формирование двигательного навыка.

 Принцип саморегуляции движений Н. А. Бернштейна: механизмы организации движений, формирование двигательного навыка.

В трудах Н.А. Бернштейна нашла блестящую разработку проблема механизмов организации движений и действий человека. Занимаясь этой проблемой, Н.А. Бернштейн обнаружил себя как очень психологично мыслящий физиолог (что бывает крайне редко), в результате его теория и выявленные им механизмы оказались органически сочетающимися с теорией деятельности; они позволят углубить наши представления об операционально-технических аспектах деятельности.

Н.А. Бернштейн выступил в  научной литературе как страстный  защитник принципа активности - одного из тех принципов, на которых, как  вы уже знаете, покоится психологическая  теория деятельности. Мы разберем его  идеи, высказанные в порядке защиты и развития этого принципа.

Николай Александрович  Бернштейн (1896-1966) по образованию был врач-невропатолог, и в этом качестве он работал в госпиталях во время гражданской и Великой Отечественной войн. Но наиболее плодотворной оказалась его работа. как экспериментатора и теоретика в целом ряде научных областей - физиологии, психофизиологии, биологии, кибернетике.

Это был человек очень  разносторонних талантов: он увлекался  математикой, музыкой, лингвистикой, инженерным делом. Однако все свои знания и способности  он сконцентрировал на решении главной  проблемы своей жизни - изучении движений животных и человека. Так, математические знания позволили ему стать основоположником современной биомеханики, в частности  биомеханики спорта. Практика врача-невропатолога  снабдила его огромным фактическим  материалом, касающимся расстройств  движений при различных заболеваниях и травмах центральной нервной  системы. Занятия музыкой дали возможность  подвергнуть тончайшему анализу  движения пианиста и скрипача: он экспериментировал  в том числе и на себе, наблюдая за прогрессом собственной фортепианной техники. Инженерные знания и навыки помогли Н.А. Бернштейну усовершенствовать  методы регистрации движений - он создал ряд новых техник регистрации  сложных движений. Наконец, лингвистические  интересы, несомненно, сказались на стиле, которым написаны его научные  труды: тексты Н.А. Бернштейна - одни из самых поэтичных образцов научной  литературы. Его язык отличается сжатостью, четкостью и в то же время необыкновенной живостью и образностью. Конечно, все  эти качества языка отражали и  качества его мышления.

В 1947 г. вышла одна из основных книг Н.А. Бернштейна "О построении движения", которая была удостоена Государственной премии. На титуле книги стояло посвящение: "Светлой, неугасающей памяти товарищей, отдавших свою жизнь в борьбе за Советскую Родину". В этой книге были отражены итоги почти тридцатилетней работы автора и его сотрудников в области экспериментальных, клинических и теоретических исследований движений и высказан ряд совершенно новых идей.

Одна из них состояла в  опровержении принципа рефлекторной дуги как механизма организации движений и замене его принципом рефлекторного  кольца, о чем я буду говорить более подробно. Этот пункт концепции  Н.А. Бернштейна содержал, таким образом, критику господствовавшей в то время  в физиологии высшей нервной деятельности точки зрения на механизм условного  рефлекса как на универсальный принцип  анализа высшей нервной деятельности.

Вскоре для Н.А. Бернштейна настали трудные годы На организованных дискуссиях подчас некорректно и  некомпетентно выступали коллеги  и даже некоторые бывшие ученики  Н.А. Бернштейна с критикой высказывавшихся  им новых идей. В этот тяжелый  для себя период Николай Александрович  не отказался ни от одной из своих  идей, заплатив за это, как потом  выяснилось, потерей навсегда возможности  вести экспериментально-исследовательскую  работу.

Последний период жизни Н.А. Бернштейн был занят особой деятельностью. К нему домой шли ученые и научные  работники разных профессий: врачи, физиологи, математики, кибернетики, музыканты, лингвисты - для научных бесед. Они  искали у него советов, оценок, консультаций, новых точек зрения. Другую половину дня Н.А. Бернштейн был занят  собственной научной, теоретической  работой - он подводил итоги и снова  осмысливал результаты, полученные в  предыдущие периоды своей жизни.

Уже после его смерти многие узнали, что за два года до кончины  Н.А. Бернштейн сам поставил себе диагноз - рак печени, после чего снялся с учета из всех поликлиник и строго расписал оставшийся срок жизни, который он тоже определил  с точностью до месяца. Он успел  закончить и даже просмотреть  гранки своей последней книги "Очерки по физиологии движений и физиологии активности".

Известный русский психиатр П.Б. Ганнушкин, характеризуя один из типов человеческих личностей, писал: "Здесь можно найти людей, занимающих позиции на тех вершинах царства идей, в разреженном воздухе которого трудно дышать обыкновенному человеку. Сюда относятся: уточненные художники-эстеты... глубокомысленные метафизики, наконец, талантливые ученые-схематики и гениальные революционеры в науке, благодаря своей способности к неожиданным сопоставлениям; с бестрепетной отвагой преображающие, иногда до неузнаваемости, лицо той дисциплины, в которой они работают". Читая эти строки, сразу вспоминаешь Н.А. Бернштейна: именно талантливый ученый-революционер, именно преобразивший до неузнаваемости дисциплину и именно "с бестрепетной отвагой"!

А теперь рассмотрим содержательно  некоторые основные положения концепции Н.А. Бернштейна.

Залог успеха работ Бернштейна состоял в том, что он отказался  от традиционных методов исследования движений. До него движения, как правило, загонялись в прокрустово ложе лабораторных процедур и установок; при их исследовании часто производилась перерезка нервов, разрушение центров, внешнее обездвижение животного (за исключением той части тела, которая интересовала экспериментатора), лягушек обезглавливали, собак привязывали к станку и т.п.

Объектом изучения Н.А. Бернштейн  сделал естественные движения нормального, неповрежденного организма, и, в  основном, движения человека. Таким  образом, сразу определился контингент движений, которыми он занимался; это  были движения трудовые, спортивные, бытовые  и др. Конечно, потребовалась разработка специальных методов регистрации  движений, что с успехом осуществил Бернштейн.

До работ Н.А. Бернштейна в физиологии бытовало мнение (которое  излагалось и в учебниках), что  двигательный акт организуется следующим  образом: на этапе обучения движению в двигательных центрах формируется  и фиксируется его программа; затем в результате действия какого-то стимула она возбуждается, в мышцы  идут моторные командные импульсы, и движение реализуется. Таким образом, в самом общем виде механизм движения описывался схемой рефлекторной дуги:стимул - процесс его центральной переработки (возбуждение программ) - двигательная реакция.

Первый вывод, к которому пришел Н.А. Бернштейн, состоял в  том, что так не может осуществляться сколько-нибудь сложное движение. Вообще говоря, очень простое движение, например коленный рефлекс или отдергивание руки от огня, может произойти в результате прямого проведения моторных команд от центра к периферии. Но сложные двигательные акты, которые призваны решить какую-то задачу, достичь какого-то результата, так строиться не могут. Главная причина состоит в том, что результат любого сложного движения зависит не только от собственно управляющих сигналов, но и от целого ряда дополнительных факторов. Какие это факторы, я скажу несколько позже, а сейчас отмечу только их общее свойство: все они вносят отклонения в запланированный ход движения, сами же не поддаются предварительному учету. В результате окончательная цель движения может быть достигнута, только если в него будут постоянно вноситься поправки, или коррекции. А для этого ЦНС должна знать, какова реальная судьба текущего движения. Иными словами, в ЦНС должны непрерывно поступать афферентные сигналы, содержащие информацию о реальном ходе движения, а затем перерабатываться в сигналы коррекции.

Таким образом, Н.А. Бернштейном  был предложен совершенно новый  принцип управления движениями; он назвал его принципом сенсорных коррекций, имея в виду коррекции, вносимые в моторные импульсы на основе сенсорной информации о ходе движения.

А теперь познакомимся с  дополнительными факторами, которые, помимо моторных команд, влияют на ход  движения.

Во-первых, это реактивные силы. Если вы сильно взмахнете рукой, то в других частях тела разовьются реактивные силы, которые изменят их положение и тонус.

Это хорошо видно в тех  случаях, когда у вас под ногами нетвердая опора. Неопытный человек, стоя на льду, рискует упасть, если слишком  сильно ударит клюшкой по шайбе, хотя, конечно, это падение никак не запланировано в его моторных центрах. Если ребенок залезает на диван  и начинает с него бросать мяч, то мать тут же спускает его вниз; она знает, что бросив мяч, он может  сам полететь с дивана; виной опять  будут реактивные силы.

Во-вторых, это инерционные силы. Если вы резко поднимете руку, то она взлетает не только за счет тех моторных импульсов, которые посланы в мышцы, но с какого-то момента движется по инерции. Влияние инерционных сил особенно велико в тех случаях, когда человек работает тяжелым орудием - топором, молотом и т. п. Но они имеют место и в любом другом движении. Например, при беге значительная часть движения выносимой вперед ноги происходит за счет этих сил.

В-третьих, это внешние силы. Если движение направлено на объект, то оно обязательно встречается с его сопротивлением, причем это сопротивление далеко не всегда предсказуемо. Представьте себе, что вы натираете пол, производя скользящие движения ногой. Сопротивление пола в каждый момент может отличаться от предыдущего, и заранее знать его вы никак не можете. То же самое при работе резцом, рубанком, отверткой. Во всех этих и многих других случаях нельзя заложить в моторные программы учет меняющихся внешних сил.

Наконец, последний непланируемый фактор - исходное состояние мышцы.

Состояние мышцы меняется по ходу движения вместе с изменением ее длины, а также в результате утомления и т.п. Поэтому один и тот же управляющий импульс, придя к мышце, может дать совершенно разный моторный эффект.

Итак, действие всех перечисленных  факторов обусловливает необходимость  непрерывного учета информации о  состоянии двигательного аппарата и о непосредственном ходе движения. Эта информация получила название "сигналов обратной связи". Кстати, роль сигналов обратной связи в управлении движениями, как и в задачах управления вообще, Н.А. Бернштейн описал задолго до появления аналогичных идей в кибернетике. Тезис о том, что без учета информации о движении последнее не может осуществляться, имеет веские фактические подтверждения.

Рассмотрим два примера. Первый я беру из монографии Н.А. Бернштейна.

Есть такое заболевание - сухотка спинного мозга, при котором  поражаются проводящие пути проприоцептивной, т.е. мышечной и суставной, а также  кожной чувствительности. При этом больной имеет совершенно сохранную  моторную систему: моторные центры целы, моторные проводящие пути в спинном  мозге сохранны, его мышцы находятся  в нормальном состоянии. Нет только афферентных сигналов от опорно-двигательного  аппарата. И в результате движения оказываются полностью расстроены. Так, если больной закрывает глаза, то он не может ходить; также с закрытыми глазами он не может удержать стакан - тот у него выскальзывает из рук. Все это происходит потому, что субъект не знает, в каком положении находятся, например, его ноги, руки или другие части тела, движутся они или нет, каков тонус и состояние мышц и т.п. Но если такой пациент открывает глаза и если ему еще на полу чертят полоски, по которым он должен пройти (т.е. организуют зрительную информацию о его собственных движениях), то он идет более или менее успешно. То же происходит с различными ручными движениями.

Другой пример я беру из относительно новых экспериментальных  исследований организации речевых  движений.

Когда человек говорит, то он получает сигналы обратной связи  о работе своего артикуляционного аппарата в двух формах: в форме тех же проприоцептивных сигналов (мы имеем  чувствительные "датчики" в мышцах гортани языка, всей ротовой полости) и в форме слуховых сигналов.

Вообще сигналы обратной связи от движений часто запараллелены, т.е. они поступают одновременно по нескольким каналам. Например, когда  человек идет, то ощущает свои шаги с помощью мышечного чувства  и одновременно может их видеть и  слышать. Так же и в обсуждаемом  случае: воспринимая проприоцептивные сигналы от своих речевых движений, человек одновременно отчетливо  слышит звуки своей речи. Я сейчас докажу, что и те и другие сигналы  используются для организации речевых  движений.

Современная лабораторная техника  позволяет поставить человека в  совершенно необычные условия. Испытуемому  предлагают произносить какой-нибудь текст, например знакомое стихотворение. Этот текст через микрофон подают ему в наушники, но с некоторым  запаздыванием; таким образом, испытуемый слышит то, что он говорил несколько  секунд назад, а то, что говорит  в данный момент, он не слышит. Оказывается, что в этих условиях речь субъекта полностью расстраивается; он оказывается  неспособным вообще что-либо говорить!

В чем здесь дело? Нельзя сказать, что в описанных опытах испытуемый лишен сигналов обратной связи: оба чувствительных канала - мышечный и слуховой - функционируют. Дело все в том, что по ним поступает  несогласованная, противоречивая информация. Так что на основании одной  информации следовало бы производить  одно речевое движение, а на основании  другой - другое движение. В результате испытуемый не может произвести никакого движения.

Замечу, что описанный  прием "сшибки" сигналов обратной связи используют для выявления  лиц, симулирующих глухоту: если человек  действительно не слышит, то задержка сигналов обратной связи по слуховому  каналу не вызывает у него никакого расстройства речи; если же он только притворяется неслышащим, то этот прием действует  безотказно.

Перейду к следующему крупному вкладу Н.А. Бернштейна - к теории уровней построения движений.

К этой теории можно перекинуть логический "мост" от рефлекторного  кольца, если обратить специальное  внимание на качество афферентных сигналов, поступающих от движения.

Специально исследуя этот вопрос на очень обширном материале  с привлечением данных фило- и онтогенеза, патологии и экспериментальных  исследований, Н.А. Бернштейн обнаружил  следующее. В зависимости от того, какую информацию несут сигналы  обратной связи: сообщают ли они о  степени напряжения мышц, об относительном  положении частей тела, о скорости или ускорении движения, рабочей  точки, о ее пространственном положении, о предметном результате движения, афферентные сигналы приходят в  разные чувствительные центры головного  мозга и соответственно переключаются  на моторные пути на разных уровнях. Причем под уровнями следует понимать буквально  морфологические "слои" в ЦНС. Так были выделены уровни спинного и продолговатого мозга, уровень  подкорковых центров, уровни коры. Но я не буду сейчас вдаваться в анатомические  подробности, поскольку они требуют  специальных знаний. Остановлюсь  лишь на краткой характеристике каждого  из уровней, выделенных Н.А. Бернштейном, и проиллюстрирую их на примерах.

Надо сказать, что каждый уровень имеет специфические, свойственные только ему моторные проявления; каждому  уровню соответствует свой класс  движений.

Уровень А - самый низкий и филогенетически самый древний. У человека он не имеет самостоятельного значения, зато заведует очень важным аспектом любого движения - тонусом мышц. Он участвует в организации любого движения совместно с другими уровнями.

Правда, есть немногочисленные движения, которые регулируются уровнем  А самостоятельно: это непроизвольная дрожь, стук зубами от холода и страха, быстрые вибрато (7-8 гц) в фортепианной игре, дрожания пальца скрипача, удержание  позы в полетной фазе прыжка и др.

На этот уровень поступают  сигналы от мышечных проприорецепторов, которые сообщают о степени напряжения мышц, а также от органов равновесия.

Уровень B. Бернштейн называет его уровнем синергий. На этом уровне перерабатываются в основном сигналы от мышечно-суставных рецепторов, которые сообщают о взаимном положении и движении частей тела. Этот уровень, таким образом, оторван от внешнего пространства, но зато очень хорошо "осведомлен" о том, что делается "в пространстве тела".

Уровень B принимает большое  участие в организации движений более высоких уровней, и там  он берет на себя задачу внутренней координации сложных двигательных ансамблей. К собственным движениям  этого уровня относятся такие, которые  не требуют учета внешнего пространства: вольная гимнастика; потягивания, мимика и др.

Уровень C. Бернштейн называет его уровнем пространственного поля. На него поступают сигналы от зрения, слуха, осязания, т.е. вся информация о внешнем пространстве. Поэтому на нем строятся движения, приспособленные к пространственным свойствам объектов - к их форме, положению, длине, весу и пр. Среди них все переместительные движения: ходьба, лазанье, бег, прыжки, различные акробатические движения; упражнения на гимнастических снарядах; движения рук пианиста или машинистки; баллистические движения - метание гранаты, броски мяча, игра в теннис и городки; движения прицеливания - игра на бильярде, наводка подзорной трубы, стрельба из винтовки; броски вратаря на мяч и др.

Уровень D назван уровнем предметных действий. Это корковый уровень, который заведует организацией действий с предметами. Он практически монопольно принадлежит человеку. К нему относятся все орудийные действия, манипуляции с предметами и др. Примерами могут служить движения жонглера, фехтовальщика; все бытовые движения: шнуровка ботинок, завязывание галстука, чистка картошки; работа гравера, хирурга, часовщика; управление автомобилем и т.п.

Характерная особенность  движений этого уровня состоит в  том, что они сообразуются с логикой  предмета. Это уже не столько движения, сколько действия; в них совсем не фиксирован двигательный состав, или "узор" движения, а задан лишь конечный предметный результат. Для  этого уровня безразличен способ выполнения действия, набор двигательных операций. Так, именно средствами данного  уровня Н. Паганини мог играть на одной  струне, когда у него лопались остальные. Более распространенный бытовой  пример - разные способы открывания бутылки: вы можете прибегнуть к помощи штопора, ножа, выбить пробку ударом по дну, протолкнуть ее внутрь и т.п. Во всех случаях конкретные движения будут разные, но конечный результат  действия - одинаковый. И в этом смысле к работе уровня D очень подходит пословица: "Не мытьем, так катаньем".

Наконец, последний, самый  высокий - уровень Е. Это уровень интеллектуальных двигательных актов, в первую очередь речевых движений, движений письма, а также движения символической, или кодированной, речи - жестов глухонемых, азбуки Морзе и др. Движения этого уровня определяются не предметным, а отвлеченным, вербальным смыслом.

Теперь сделаю два важных замечания относительно функционирования уровней.

Первое: в организации сложных движений участвуют, как правило, сразу несколько уровней - тот, на котором строится данное движение (он называется ведущим), и все нижележащие уровни.

К примеру, письмо - это сложное  движение, в котором участвуют  все пять уровней. Проследим их, двигаясь снизу вверх.

Уровень А обеспечивает прежде всего тонус руки и пальцев.

Уровень B придает движениям  письма плавную округлость, обеспечивая  скоропись. Если переложить пишущую  ручку в левую руку, то округлость и плавность движений исчезает: дело в том, что уровень B отличается фиксацией "штампов", которые выработались в результате тренировки и которые не переносятся на другие двигательные органы (интересно, что при потере плавности индивидуальные особенности почерка сохраняются и в левой руке, потому что они зависят от других, более высоких уровней). Так что этим способом можно вычленить вклад уровня B.

Далее, уровень C организует воспроизведение геометрической формы  букв, ровное расположение строк на бумаге.

Уровень D обеспечивает правильное владение ручкой, наконец, уровень Е - смысловую сторону письма.

Развивая это положение  о совместном функционировании уровней, Н.А. Бернштейн приходит к следующему важному правилу: в сознании человека представлены только те компоненты движения, которые строятся на ведущем уровне; работа нижележащих, или "фоновых", уровней, как правило, не осознается.

Когда субъект излагает на бумаге свои мысли, то он осознает смысл  письма: ведущим уровнем, на котором  строятся его графические движения, в этом случае является уровень Е. Что касается особенностей почерка, формы отдельных букв, прямолинейности  строк и т.п., то все это в  его сознании практически не присутствует

Второе замечание: формально одно и то же движение может строиться на разных ведущих уровнях.

Проиллюстрирую это следующим  примером, заимствуя его у Н.А. Бернштейна. Возьмем круговое движение руки; оно может быть получено на уровне А: например, при фортепианном вибрато кисть руки и суставы  пальцев описывают маленькие  круговые траектории. Круговое движение можно построить и на уровне B, например включив его в качестве элемента в вольную гимнастику.

На уровне С будет строиться  круговое движение при обведении  контура заданного круга. На уровне предметного действия D круговое движение может возникнуть при завязывании  узла. Наконец, на уровне Е такое  же движение организуется, например, при  изображении лектором окружности на доске. Лектор не заботится, как заботился  бы учитель рисования, о том, чтобы  окружность была метрически правильной, для него достаточно воспроизведения  смысловой схемы.

А теперь возникает вопрос: чем же определяется факт построения движения на том или другом уровне? Ответом будет очень важный вывод  Н.А. Бернштейна, который дан выше: ведущий уровень построения движения определяется смыслом, или задачей, движения.

Яркая иллюстрация этого  положения содержится в исследовании А.Н. Леонтьева иА.В. Запорожца. Работая в годы Великой Отечественной войны над восстановлением движений руки раненых бойцов, авторы обнаружили следующий замечательный факт.

После периода лечебных упражнений с раненым проводилась проба  для выяснения того, насколько  функция руки восстановилась. Для  этого ему давалась задача "поднять  руку как можно выше". Выполняя ее, он поднимал руку только до определенного предела - диапазон движений был сильно ограничен. Но задача менялась: больного просили "поднять руку до указанной отметки на стене" и оказывалось, что он в состоянии поднять руку на 10-15 см выше. Наконец, снова менялась задача: предлагалось "снять шляпу с крючка" - и рука поднималась еще выше!

В чем здесь дело? Дело в том, что во всех перечисленных  случаях движение строилось на разных уровнях: первое движение ("как можно  выше") - в координатах тела, т.е. на уровне B; второе ("до этой отметки") - на уровне C, т.е. в координатах внешнего пространства; наконец, третье ("снимите  шляпу") - на уровне D. Проявлялась  смена уровней в том, что движение приобретало новые характеристики, в частности осуществлялось со все  большей амплитудой.

Аналогичные факты известны теперь в большом количестве. Приведу  еще один пример из наших собственных  исследований, относящихся к движениям  глаз. Человеческие глаза, как известно, очень подвижны, и их движения очень  разнообразны. Среди этих движений есть и такие, которые субъект  не замечает; их нельзя заметить, также, глядя в глаза другого человека со стороны; это - непроизвольные микродвижения  глаз. Они происходят и тогда, когда  человек, как ему кажется, неподвижно смотрит на точку, т.е. фиксирует  ее взглядом. Для выявления этих движений приходится прибегать к  очень тонким и точным методам  регистрации.

С помощью таких методов  давно было обнаружено, что при  фиксации точки глаза совершают  движения трех разных типов: тремор с  очень большой частотой, дрейфы и  скачки, которые обычно возвращают глаз, сместившийся в результате дрейфа, на фиксируемую точку. Каждый из этих типов движений имеет свои параметры: частоту, амплитуду, скорость и др.

Факт, который удалось  установить нам, состоит в том, что  при изменении задачи существенно  меняются все параметры перечисленных  движений глаз. Например, в одном  случае испытуемому предлагалось "просто смотреть" -на световую точку, в другом - "обнаруживать моменты, когда будет  меняться ее цвет".

Заметьте, задача менялась, казалось бы, очень незначительно: во втором случае, как и в первом, испытуемый должен был фиксировать  точку, чтобы не пропустить смену  цвета. И тем не менее изменение  цели (смысла) фиксации приводило к  изменениям фиксационных движений: другим становился частотный спектр тремора, скорость дрейфов уменьшалась, скачки происходили реже и с меньшей  амплитудой.

Подобные факты, как и  общий выход из них, замечательны тем, что показывают решающее влияние  такой психологической категории, как задача, или цель, движения на организацию и протекание физиологических  процессов.

Этот результат явился крупным научным вкладом Н.А. Бернштейна в физиологию движений.