Управление двигательной деятельностью

Преодоление указанных трудностей возможно лишь в свете новых идей об иерархической структуре и организации материальных объектов и систем, которые развивают далее классическую условно-рефлекторную теорию И. М. Сеченова, И. П. Павлова, А. Н. Крестовникова.

С этих позиций человеческая двигательная деятельность (моторика) рассматривается как сложная двигательная система, которая формируется и функционально совершенствуется на основе причинно-следственных отношений между ее элементами и их динамическими характеристиками. Отдельные фазы двигательного комплекса не просто суммированы во времени и в пространстве, а образуют иерархическую систему, построенную на принципе взаимной связи и подчиненности (корреляции и субординации), которая обеспечивает эффективную реализацию моторного потенциала человека в рамках конкретной двигательной задачи. Согласно М. А. Алексееву, В. С. Гурфинкелю и М. Л. Шик эта динамическая структура имеет следующие особенности:

• • у двигательного аппарата много степеней свободы;
• • почти в каждом естественном движении участвуют несколько десятков мышц;
• • в естественных движениях работа различных мышц согласована;
• • отдельная мышца может работать в различных режимах (стабилизирующем и фазовом) и участвовать в различных движениях;
• • в наборе стабилизирующих движений всегда содержится набор из 2−4 различных временных поправок;
• • различных по типу (классу) движений;
• • количество реализованных движений значительно меньше всей суммы биомеханических допустимых движений;
• • ошибки в сложной (многозначной) кинематической системе не суммируются, более того, существуют движения, при которых отклонения в рабочей точке являются меньшими, чем в промежуточных звеньях.

В соответствии с учением Н. А. Бернштейна о построении движений и взглядами И. М. Гельфанда и М. Л. Цейтлина о рациональной структуре сложных управляемых систем авторы рассматривают построение движений в качестве «минимизирующей» задачи относительно отклонений в траектории реализованного движения по отношению к запланированному, это сложный процесс, так как в движениях участвуют много мышц и изменяется положение многих углов.

Однако нервная система, которая располагает нетривиальными способами построения движений, решает подобные задачи за десятые доли секунды. Именно в раскрытии этих механизмов необходимо искать конкретную реализацию педагогических принципов и методов управления спортивным мастерством. Решение этой проблемы возможно только, когда движение исследуется в неразрывной связи с внешним взаимодействием. Но согласно диалектико-материалистической концепции о развитии и современным представлениям об отражении и приспособлении как имманентном свойстве биологических систем внешние условия не предопределяют, а только вероятностно детерминируют динамическую структуру (Ю. В. Верхошанский). Логическая целесообразность связей между динамическими элементами определяется внутренней природой организма, который в процессе взаимодействия с внешней средой создает биомеханически адекватное движение. Таким образом, при исследовании человеческой двигательной деятельности явно утверждается переход от классического детерминизма к статистической (вероятностной) модели двигательной деятельности.

В свете новых идей (П. К. Анохин, Н. А. Бернштейн, И. М. Гельфанд, В. С. Гурфинкель, А. Р. Лурия и др.) в основе человеческой двигательной деятельности (моторики) лежит не простая последовательность внешне детерминированных рефлексов, а сложная система нервных процессов, значительно более динамичная и функционально гибкая, адаптивная к изменениям во внешней и внутренней среде организма. Произвольное регулирование этой системы строится на осведомительной информации (ее переработке и вероятностном программировании), а реализуется посредством исполнительной информации и контроля над деятельностью (с помощью срочной информации по каналам обратной связи). Это, разумеется, не означает отказа от детерминизма вообще, а имеется в виду только раскрытие значительно более сложной формы причинности, которая преодолевает лапласовский детерминизм и находит свое проявление в статистических законах и вероятностных (стохастических) функциях (Ю. В. Верхошанский). Следовательно, поведение сложной биологической системы спортсмена рассматривается как детерминированный более низкий «фоновый» уровень и как стохастический — более высокий смысловой уровень, который считается основным (определяющим), так как отражает качественно более высокую форму поведения (В. Н. Свиницкий).

Активные исследования морфофункциональной эволюции двигательных функций привели к представлению об их организации по уровням. Совокупности морфологических и функциональных характеристик различных типов (классов) движений были названы некоторыми авторами «координационными системами» (Н. А. Бернштейн). Это предполагает, что каждый двигательный акт реализуется сложной многостепенной системой, построенной на иерархическом принципе корреляции и субординации. Высшие звенья системы определяют цели двигательной активности, а низшие обслуживают «фоновые» технические компоненты движения (тонус, иннервация и т. д.), организуя оперативное управление мышцами, суставами, конечностями и другими звеньями. Наличие этих координационных систем убедительно раскрывает механизм автоматизации двигательных навыков, а именно перевод различных компонентов движения от высших к низшим уровням. Особое значение в этом отношении представляют идеи И. М. Гельфанда, М. Л. Цейтлина и В. С. Гурфинкеля о так называемом «матричном» способе управления. Согласно этой концепции более высоко стоящие управляющие структуры мозга посылают в низшие спинальные инстанции не конкретные команды мышцам, а сигналы о включении тех или иных «матриц управления». Последние представляют разработанные ранее системы правил, локализированные в сегментарных аппаратах спинного мозга. Следовательно, двигательный навык может рассматриваться как процесс, который протекает в рамках указанных матриц управления. Реализация его определяется вероятностным шагом зависимостей между звеньями рабочего аппарата.

На этой основе сформулирован и принцип «наименьшего взаимодействия» (И. М. Гельфанд, М. Л. Цейтлин), согласно которому сложная многостепенная система управления движениями рассматривается как совокупность подсистем, обладающих относительной автономностью. Каждая из этих подсистем имеет свою «личную» задачу в соответствии с данным классом (типом) движения. Это уменьшает степень свободы в двигательном аппарате и делает движение управляемым, т. е. выполнимым. Эта концепция находится в полном соответствии с одним из основных принципов кибернетики — принципом «упрощения сложности», т. е. «необходимого разнообразия», сформулированным У. Р. Эшби. В этом смысле автоматизация двигательных актов представляет стремление высших уровней минимизировать свое взаимодействие с низшими уровнями.

В основе сложного процесса управления лежит теория так называемого «опережающего отражения» («акцептор действия» по П. К. Анохину, или «модель необходимого будущего» по Н. А. Бернштейну). С философской и биологической точек зрения введение такого необыкновенного для классической физиологии представления приводит к объяснению решающего отличия всех живых организмов от объектов неживой природы — их целеустремленности. Именно цель, закодированная в мозгу как модель необходимого организму будущего, объясняет стремление достижения цели, которое приводит в конечном счете к активности как имманентному свойству всех живых систем. Следовательно, двигательный акт формируется в неразрывной связи с его нейродинамическим эквивалентом «моделью необходимого будущего» .

С одной стороны, предварительное ожидание результата движения является эталоном для сравнения и внесения коррективов, а с другой — сам спортсмен активно направляет формирование движения в ходе его выполнения. Это вовсе не означает, что двигательные действия превращаются в строгий кинематический стереотип. Ряд исследований (П. З. Сирис, ?. М. Гайдарская, В. С. Горожанин и др.) показывает, что даже при таких предельно стандартных движениях, как ходьба и бег, между отдельными шагами существует изменчивость кинематических параметров.

Существование механизмов для регулирования движений было доказано в ряде исследований институтов биофизики и кибернетики при Академии наук СССР, а также исследований X. Дельгадо (США), Р. Гранит (Швеция) и др. При помощи современных электрофизиологических методов (микроэлектродные выводы с регистрацией частоты импульсов нейронов) были вскрыты основные закономерности в работе систем управления двигательной деятельностью (Г. Н. Орловский, М. Л. Шик, Ф. В. Северин). Согласно М. Л. Шик модель системы управления движениями может быть представлена обобщенно в трех различных уровнях организации.

Первый уровень состоит из высших отделов мозга (кора большого полушария и гипоталамуса), которые обеспечивают локальные импульсы по пути активизации «локомоторной области», посылая к ней поток возбудительных импульсов. Интенсивность двигательной деятельности (например, переход от бега к ходьбе и наоборот) осуществляется посредством увеличения или уменьшения возбуждающего потока.

Второй уровень включает «локомоторную область» и расположенные до нее структуры затылочной части мозга. Этот уровень осуществляет включение двигательной системы и необходимый режим работы, т. е. частотные параметры нейронной импульсации. С другой стороны, он формирует систему взаимодействия между так называемыми групповыми «синергийными» путями затормаживания спинномозговых стволовых нейронов, которые в покое подавляют спинномозговой автоматизм хождения. К подсистемам, входящим в этот уровень, относится и мозжечок, который осуществляет технические воздействия на ретикуло-спинальные нейроны и т. д.

Третий уровень — спинальный, осуществляет прямое управление мышцами и конечностями. В этом уровне оформлен спинномозговой автоматизм ходьбы. Для обеспечения нормальной двигательной деятельности необходимо поступление цикличной афферентации в высшие отделы мозга и ее сравнение с программой двигательного акта. Функции для программирования, сравнения и корректирования с помощью афферентной импульсации принадлежат системам, локализованным в отделах головного мозга.

Вышеприведенные наиболее общие представления об управлении двигательной деятельностью в спорте показывают, что в основе ее динамической структуры лежат диалектическое единство и взаимная обусловленность между процессами дифференциации и интеграции динамических элементов. Имеется в виду их статистическое (вероятностное) усреднение, при котором возникают новые качества сложной системы, отсутствующие у ее отдельных элементов (У. Р. Эшби). В результате этого двигательная система представляет органическое целое, которое реагирует и функционально совершенствуется в своем неразрывном единстве. Изменения в двигательных функциях в условиях спортивной деятельности имеют фазовый характер (Ю. В. Верхошанский).

Первая фаза характеризуется поиском наиболее общих путей для разрешения двигательных задач в необычных для спортсмена внешних условиях. В основе этих взаимоотношений лежат, прежде всего, наследственные механизмы. Но поскольку они не отвечают новым требованиям, постепенно формируется новый, более целесообразный механизм приспособления. Эта «перестройка» связана со значительными усилиями, но с течением времени рабочий эффект двигательного действия постепенно возрастает, что приводит к все более полному использованию двигательного потенциала организма.

Вторая фаза спортивного совершенствования характеризуется таким уровнем механизмов приспособления, когда активное взаимодействие с внешней средой дает возможность спортсмену устранить ряд несоответствий этого взаимодействия и реализовать свой двигательный потенциал с высоким коэффициентом полезного действия.

Третья фаза характеризуется активным преодолением внешнего сопротивления и использованием возникающих сил для наиболее эффективного решения двигательных задач.

Следовательно, процесс спортивного совершенствования можно охарактеризовать как «закономерную последовательность качественных изменений во внешних (и внутренних) отношениях организма» для более полной реализации растущего двигательного потенциала в конкретной двигательной деятельности. В то же время в последние годы мировая практика показывает, что темпы, которыми развивается спортивное мастерство, являются наиболее высокими в тех видах спорта, где в наибольшей степени решена проблема непосредственного проникновения во внутреннюю организацию управляемой системы. Этот процесс характеризуется вскрытием тех факторов, которые определяют функциональные возможности организма и его эффективное использование в соответствующей двигательной структуре. Возникновение этой проблемы отражает необходимый переход от описательного этапа в развитии спортивной науки к так называемому модельному этапу, который позволяет проникнуть в диалектические противоречия между устойчивостью и изменчивостью явлений и в построение соответствующих теорий для объяснения, предвидения и научного управления.

Современное развитие идеи о структурных уровнях в строении материальных объектов и систем неотделимо от использования математических методов и моделей. Язык математики позволяет точнее формулировать проблемы, вносить в исследования новые абстрактно-обобщенные понятия как основы соответствующих теоретических концепций. Разработка абстрактно-математических моделей систем, имеющих иерархическую структуру, протекает в настоящий момент в рамках кибернетики. Однако кибернетика пока дает очень обобщенную картину, скорее стратегическую программу исследовательской деятельности в спорте, когда ряд практических проблем не всегда находит свое позитивное решение. В этом отношении наиболее совершенные методы и идеи формируются на основе теории вероятности. Особенно перспективен вероятностный подход при исследовании двигательной деятельности в спорте. Она вследствие своей растущей сложности и неопределенности трудно поддается исследованию и оптимизации с помощью традиционных педагогических методов и дидактических правил. Для этой цели целесообразно использовать язык многомерного статистического анализа и многомерных пространств как традиционный случай приложения этого аппарата в объектах, имеющих большое количество зависимых случайных величин. Типичным примером в этом отношении является человеческая двигательная деятельность, которая представляет совокупность разнообразных физических упражнений (В. М. Зациорский, М. А. Годик).