МЕХАНИЗМЫ ОРГАНИЗАЦИИ ДВИЖЕНИЙ

ПО Н. А. БЕРНШТЕЙНУ:

В этой и следующей лекции вы познакомитесь с концепцией выдающегося советского ученого Н. А. Бернштейна. У нас есть целый ряд оснований обратиться к этой концепции.

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. Наконец, теория Н. А. Бернштейна окажется нам чрезвычайно полезной при обсуждении так называемой психофизической проблемы (лекция 13), где речь пойдет, в частности, о возможностях и ограничениях физиологического объяснения в психологии.

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 форте: пианной 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 H.A. 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. (Об этом вы можете подробно прочесть в статье В. Л. Найдина "Чудо, которое всегда с тобой" [79].) 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" [15].

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" [25, с. 386]. Читая эти строки, сразу вспоминаешь Н. А. Берн-штейна: 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 [14].

Есть такое заболевание - сухотка спинного мозга, при котором поражаются проводящие пути проприоцеп-тивной, 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.

Перейдем к следующему важному пункту теории Н. А. Бернштейна - к схеме рефлекторного кольца. Эта схема непосредственно вытекает из принципа сенсорных коррекций и служит его дальнейшим развитием.

Рассмотрим сначала упрощенный вариант этой схемы (рис. 6, а).

Имеется моторный центр (М), из которого поступают эффекторные команды в мышцу. Изобразим ее блоком

Рис. 6. Различные принципы управления движениями: а - принцип сенсорных коррекций (по Н. А. Бернштейну ), б - то же, временная развертка, в - принцип рефлекторной дуги. Обозначения и сокращения: M - моторный центр, 5 - сенсорный центр, m (р. т) - мышца, рабочая точка, аф. сигн.- сигналы обратной связи от движения, эф. сигн.- эффекторные команды, рец.- рецептор внешнего стимула

внизу, имея в виду также рабочую точку движущегося органа (т). От рабочей точки идут сигналы обратной связи в сенсорный центр (5); это чувствительные, или афферентные, сигналы. В ЦНС происходит переработка поступившей информации, т. е. перешифровка ее на моторные сигналы коррекции. Эти сигналы снова поступают в мышцу. Получается кольцевой процесс управления.

Данная схема станет более понятной, если ввести временную развертку процесса (рис. 6, б). Предположим, что только что сказанное относится к моменту t1 новые эффекторные сигналы приводят к перемещению рабочей точки по заданной траектории (момент t2 ), и т. д.

Как классическая схема рефлекторной дуги соотносится с таким "кольцом"? Можно сказать, что она представляет собой частный, притом "вырожденный", случай кольца: по схеме дуги совершаются жестко запрограммированные, элементарные кратковременные акты, которые не нуждаются в коррекциях. Я уже упоминала о них: это движения типа коленного рефлекса, мигания и т. п. Обратная афферентация в них теряет свое значение, и определяющую роль приобретает внешний пусковой сигнал (рис. 6, б). Для большинства же движений необходимо функционирование кольца.

Теперь обратимся к более позднему варианту схемы "кольца" Н. А. Бернштейна; она более детализована и поэтому позволяет гораздо полнее представить процесс управления двигательными актами (рис. 7).

Имеются моторные "выходы" (эффектор), сенсорные "входы" (рецептор), рабочая точка или объект (если речь идет о предметном действии) и блок перешифровок. Новыми являются несколько центральных блоков - программа, задающий прибор и прибор сличения.

Кольцо функционирует следующим образом. В программе записаны последовательные этапы сложного движения. В каждый данный момент отрабатывается какой-то ее частный этап, или элемент, и соответствующая частная программа спускается в задающий прибор.

Из задающего прибора сигналы поступают на прибор сличения; Н. А. Бернштейн обозначает их двумя латинскими буквами SW (от нем. Soll Wert, что означает "то, что должно быть"). На тот же блок от рецептора приходят сигналы обратной связи, сообщающие о состоянии

рабочей точки; они обозначены IW (от нем. Ist Wert, что означает "то, что есть"). В приборе сличения эти сигналы сравниваются, и на выходе из него получаются W, т. е. сигналы рассогласования между требуемым и фактическим положением вещей. Они попадают на блок перешифровки, откуда выходят сигналы коррекции; через промежуточные центральные инстанции (регулятор) они попадают на эффектор.

Разберем функционирование кольца управления на примере какого-нибудь реального движения.

Предположим, гимнаст работает на кольцах. Вся комбинация целиком содержится в его двигательной

Рис. 7. Схема рефлекторного кольца Н. А. Бершнтейна