5.2 Центральные аппараты управления движениями. Мышечная сила и выносливость

В управлении двигательным аппаратом участвуют все отделы центральной нервной системы – от спинного мозга до коры больших полушарий. На спинальном уровне осуществляется координация простейших функций (например, торможение мышц антагонистов). Ствол головного мозга обеспечивает положение тела в пространстве и нормаль-ный тонус мускулатуры, мозжечок участвует в координации движений, обеспечивая их плавность, согласованность и точ-ность. Высшие формы деятельностимозга, связанные с сознанием, позволяют координировать специальные функции, обеспечивающие выполнение трудовых операций и коммуникацию (речь, письмо).

Н.А. Бернштейн (1947 г.) сформулировал общие представления о многоуровневой иерархической системе координации движений. Он выделил 4 уровня управления движениями 6, с. 96:

• уровень А – (спинальный уровень центральной нервной системы) управляет главным образом, мускулатурой туловища и шеи. Управляемые им движения достаточно плавные, это как бы смесь равновесия и движения. Уровень А обеспечивает тонус всей мускулатуры и иннервацию мышц-антагонистов. Действия этого уровня полностью непроизвольны;

• уровень В – более высокий уровень управления, связанный с подкорковой областью головного мозга. Движения, управляемые этим уровнем характеризуются наклонностью к стереотипам и периодичности. К этой области поступают импульсы от проприорецепторов, возбуждаемых при изменении положения тела или его движении, к которым присоединяется комплекс импульсов, возникающих от прикосновения, укола, трения и боли;

• уровень С связан с пирамидными¹путями головного мозга и позволяет ориентироваться в пространстве, которое заполнено объектами (с их формой, размерами, массой и силами взаимодействия);

• уровень Д – управление движениями осуществляется из теменной области и участков лобных долей (премоторных областей). Это уровень предметных действий и смысловых цепей.

Применение электрического тока для стимуляции коры больших полушарий Г. Фритшем и Ж. Гитцигом (1870 г.) позволил установить важный факт вызова двигательных реакций при раздражении определенных корковых зон и привели к представлению о существовании моторной коры, состоящей из двух зон – первой и дополнительной областей. Моторная кораопределяет регуляцию движения пальцев верхних конечностей, нижних частей головы, т.е. лицевой мускулатуры и мускулатуры языка, а также в некоторой степени – движение мышц туловища и нижних конечностей. Раздражение или повреждение нижних участков лобной области, в которой находится центр речи, приводит к речевым нарушениям, в частности,моторной афазии(изменению двигательного компонента речи).

Для осуществления согласованных движений необходима четкая координация двигательных актов центральной нервной системой в соответствии с поставленной задачей. Так, если человеку нужно взять в руки молоток и выполнить определенные рабочие действия, необходимо, чтобы кисть раскрылась на определенную величину, соответствующую толщине рукоятки, чтобы пальцы сжимали ее с определенной силой и не происходило проскальзывание, чтобы движение руки при ударе соответствовало требуемой амплитуде.

Следовательно, для выполнения определенного действия необходимо соответствующее планирование, т.е. в центральной нервной системе должна быть сформирована специальная двигательная программа.Двигательную программу рассматривают как заготовительный набор базовых двигательных команд, а также набор готовых корректирующих подпрограмм, обеспечивающих реализацию движения с учетом текущих афферентных (идущих к периферии) сигналов и информации, поступающей от других частей центральной нервной системы6, с. 98. Замысел движения формируется в ассоциативных зонах коры, а программа движения складывается с участием и нижележащих отделов головного мозга, в частности, мозжечка.

Считается, что в двигательной памяти имеется набор двигательных программ, одна из которых используется в соответствии с конкретной задачей в модифицированном варианте (применительно к данной ситуации). К примеру, программа написания фразы правой рукой может быть модифицирована при необходимости письма левой рукой, зубами, ногой и т.п. При этом почерк человека меняется весьма незначительно (рис.5.6.) 7, с.184.

Реализация двигательной программы может осуществляться несколькими способами. В простейшем случае к мышцам из центральной нервной системы поступает последовательность команд, которая не подвергается в дальнейшем коррекции. Этот вариант реализации двигательной программы называется разомкнутой системой управления.Такое управление осуществляется при выполнении быстрых движений.

Однако чаще всего производимые движения сравниваются с программой на основе обратной связи, поступающей от рецепторов, и корректируются в случае необходимости. Такой вариант управления реализацией двигательной программы называется замкнутой системой управления с обратными связями.Недостатком этой системы является некоторое запаздывание коррекции в связи с задержками при проведении сигналов обратной связи и необходимостью развития усилия мышцей.

.

Рис. 5.6. Пример модификации написания слова

Третьим вариантом управления движениями является управление по возмущению, когда происходит реакция не на отклонение от плана движения, а на внешнее возмущение еще до того, как оно вызвало отклонение. Нередко появление возмущений можно предвидеть - это дает возможность скорректировать действие в нужном направлении. К примеру, приближение угольного комбайна к месту нарушенного или ненадежного крепления позволяет предположить возможность обрушения породы. Для предотвращения обрушения машинист угольного комбайна должен прекратить выемку угля для выполнения работ по укреплению кровли.

Управление движениями и коррекция имеющихся программ требует внутреннего моделирования двигательных актов. Индикатором протекания процесса моделирования является усиление локального мозгового кровотока в двигательных центрах мозга, обнаруженное экспериментально.

Нервные волокна, идущие из центральной нервной системы к мышцам, позволяют осуществлять управляющее воздействие на двигательный аппарат человека. Двигательное нервное волокно, идущее к периферии от мотонейрона и разделяющееся в мышце на веточки (терминали), называется двигательной единицей.Одна двигательная единица воздействует лишь на отдельные волокна мышцы. Те мотонейроны, которые иннервируют волокна одной мышцы, формируютмотонейронный пул,функции которого заключается в дозировании силы укорочения всей мышцы и выборе таких мотонейронов, деятельность которых необходима в данный момент4, с. 4-5. Напряжение мышечных волокон определяется частотой импульсов, исходящих из мотонейронов: чем выше частота, тем больше напряжена мышца. Максимальное напряжение, которое способна выдержать мышца во время возбуждения называетсямышечной силой. Помимо частоты нервных импульсов, идущих от мотонейронов, она определяется количеством и толщиной мышечных волокон и скоростью их сокращения. Измерение мышечной силы производится динамометром.

Способность длительное время поддерживать усилия на постоянном уровне называют мышечной выносливостью. Максимальная мышечная выносливость определяется поддержанием максимального усилия на протяжении одной минуты.Коэффициент выносливостирассчитывается по формуле²:

,

где К -коэффициент выносливости;

а - начальное максимальное усилие, кгс.;

б - усилие через 1минуту, кгс.

Измеряя величину максимальной мышечной силы в начальный момент и через 1 минуту, можно вычислить коэффициент статического усилия, который определяется по формуле:

Определение мышечной силы и коэффициента статического усилия у работника на протяжении рабочего дня позволяют оценить динамику его работоспособности и степень напряженности работы. Если снижение выносливости не превышает 10% по сравнению с дорабочим уровнем, то такая работа характеризуется незначительным физическим напряжением, если процент снижения находится в пределах от 10 до 35 – средним и выше 35 – сильным напряжением.

Важным показателем, позволяющим оценивать мышечную выносливость работника, является коэффициент снижения статического усилия, определяемый по формуле:

гдеК_С.С.У. – коэффициент снижения статического усилия;

а – начальный уровень напряжения мышцы, кгс;

б – конечный уровень напряжения мышцы, измеряемый через 1минуту, кгс.

При разработке норм следует учитывать закон средних нагрузок, заключающийся в том, что максимальную работу мышца выполняет при средних уровнях нагрузки и средней скорости движения.