Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Биофизические особенности организации произвольных и непроизвольных движений человека 8
1.1. Краткая характеристика экологических факторов ХМАО-Югры в аспекте регуляции нервно-мышечной системы 8
1.2. Особенности организации произвольных движений человека 22
1.3. Регуляция непроизвольных движений в условиях внешних воздействий 47
Глава 2. Методики экспериментов 63
2.1. Традиционные и авторские методы регистрации параметров произвольных и непроизвольных движений человека с учетом возрастных особенностей 63
2.2. Авторские методы исследования и моделирования регуляции произвольных и непроизвольных движений человека в рамках компартментно - кластерного подхода
Глава 3. Результаты собственных экспериментальных исследований и их обсуждение 96
3.1. Количественные показатели непроизвольных движений (тремора) учащихся 96
3.2. Количественные показатели произвольных движений (теппинга) учащихся и их математическое моделирование 115
3.3. Анализ сенсомоторных реакций движений учащихся разных возрастных групп. Математическое моделирование возрастной динамики процессов 130
3.4. Особенности действия регуляторных фармацевтических
препаратов на показатели двигательных функций человека с позиции фазатонной теории мозга (ФТМ) 141
Заключение 150
Выводы 151
Список сокращений 152
Литература 154
Приложения
- Особенности организации произвольных движений человека
- Регуляция непроизвольных движений в условиях внешних воздействий
- Авторские методы исследования и моделирования регуляции произвольных и непроизвольных движений человека в рамках компартментно - кластерного подхода
- Количественные показатели произвольных движений (теппинга) учащихся и их математическое моделирование
Введение к работе
Биофизика мышечного сокращения и вопросы регуляции двигательных функций млекопитающих и человека всегда являлись традиционными проблемами молекулярной биофизики, биофизики клетки и биофизики сложных систем. Решение задач, возникающих в этом разделе биофизики, традиционно базировалось на исследованиях математических моделей процессов [25-27, 40, 46, 147, 155]. Существенно, что решение подобных проблем в рамках биофизического подхода обеспечивает не только раскрытие механизмов мышечного сокращения и регуляции движений, но и дает информацию для решения целого ряда прикладных задач. Наиболее значимые из них - это задачи повышения физической работоспособности человека и проблема развития мышечного утомления, в частности, у спортсменов, учащихся, работников физического и умственного труда. Все это составляет основу биофизики и физиологии трудовых процессов и связано с целым рядом клинических аспектов, так как патологии мышц - это большой класс различных заболеваний опорно-двигательного аппарата.
Особое значение подобный подход имеет для решения проблемы об оптимальной организации учебного процесса в школе. Действительно, правильная и умелая организация мышечной нагрузки у учащегося обеспечивает хорошее качество учебного процесса и гармоничное физическое развитие личности, физиологически обусловленное конституцией человека. Особое значение эта проблема имеет для Ханты-Мансийского автономного округа (ХМАО) - Югры. Онтогенез учащегося на Севере РФ сопровождается рядом неблагоприятных экологических факторов, главным из которых является резкое снижение двигательной активности в продолжительный зимний период (снежный покров лежит до мая и морозы длятся свыше двухсот суток). Дети, школьники лишены возможности длительно находиться на свежем воздухе и активно двигаться, вследствие чего возникают изменения со стороны функциональных систем организма (ФСО).
Однако для проживающих в климатических условиях Севера РФ, ХМАО - Югры отрицательным фактором является не только гипокинезия, но и целый ряд других экологических факторов среды, которые подробно рассматриваются в настоящей диссертации. Среди них мы выделили основные, которые могут откладывать определенный отпечаток не только на состояние ФСО и в первую очередь на нервно-мышечную систему (НМС) человека, а также на генетический аппарат.
Последнее, особенно актуально для современной Югры, так как бурное освоение нефтегазовых месторождений приводит к развитию инфраструктуры, численности населения, которое за последние 10-15 лет увеличилось в разы. И, как следствие, на территории Югры появляется первая и даже вторая генерация ее жителей. То есть, мы в настоящее время говорим о детях, родившихся на этой территории, подвергающихся действиям неблагоприятных условий. Также мы говорим сейчас о появлении внуков тех людей, которые приехали осваивать Север РФ 30-40 лет назад. В настоящее время мы можем говорить об изменениях ФСО не только взрослого населения, а и детско-юношеского возраста, начиная с младенчества.
Все это настоятельно требует организации специальных методов мониторинга состояния ФСО человека и, в частности, состояния НМС. Именно в связи с важностью таких проблем в настоящей работе и производится разработка как методов исследования, так и методов обработки информации с помощью различных программных устройств и представление этой информации в виде математических моделей. В первую очередь это касается моделей двигательной активности человека.
Разработка новых методов исследования произвольных и непроизвольных движений человека, моделирование его двигательных функций составляет несомненный интерес для биофизики сложных систем и является актуальной проблемой естествознания в целом. Особую роль в подобных исследованиях играет учет экологических факторов среды, которые
могут существенно изменить состояние всех ФСО и нервно-мышечной системы, в частности.
Целью выполненных исследований является изучение особенностей организации произвольных и непроизвольных движений учащихся Севера РФ и математическое моделирование этих процессов в рамках компартментно -кластерного подхода.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
Разработка новых биофизических методов регистрации параметров произвольных и непроизвольных движений человека на базе ЭВМ.
Исследование количественных показателей непроизвольных движений учащихся разных возрастных групп Севера РФ с использованием авторских методов.
Изучение особенностей показателей состояния произвольных движений учащихся в аспекте их математического моделирования.
Выполнение анализа показателей сенсомоторных реакций учащихся разных возрастных групп и разработка математической модели возрастной динамики подобных процессов.
Исследование и моделирование с позиций фазатонной теории мозга возможности регуляции двигательных функций в условиях действия ряда фармацевтических препаратов.
Научно-практическое значение работы
Разработаны и запатентованы способы и устройства для исследования произвольных и непроизвольных (тремора) движений, которые целесообразно применять для массового мониторирования учащихся школ Севера РФ, что обеспечивает объективную диагностику состояния нервно-мышечной системы (НМС).
Показатели непроизвольных движений учащихся целесообразно использовать в школах для объективной оценки динамики развития НМС учащихся Югории (ХМАО).
Исследование показало, что математические модели произвольных движений человека обеспечивают описание систем регуляции этих движений.
Показана возможность использования некоторых седативных препаратов для регуляции показателей НМС учащихся в случае возникновения донозологических форм, что согласуется с модельными данными.
Положения, выносимые на защиту
Использование современной компартментно - кластерной теории (ККТ) биологических динамических систем (БДС) для разработки новых методов исследования произвольных и непроизвольных движений и разработанных программных продуктов дает возможность обеспечения массового мониторирования произвольных и непроизвольных движений учащихся, находящихся в различных климатических условиях, а оригинальные авторские методики позволяют проводить подобные исследования в комплексе с изучением ФСО.
В рамках компартментно - кластерного подхода возможны теоретические описания различных режимов функционирования системы регуляции непроизвольных движений человека. Сравнение экспериментальных результатов и теоретических, полученных на моделях, обеспечивает идентификацию параметров моделей.
Установлены количественные закономерности по различию амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) кинематограмм (КГ) произвольных и непроизвольных движений у разных возрастных групп учащихся. Возможна идентификация количественных различий в показателях микродвижений испытуемых с использованием трехмерного фазового пространства.
Количественные показатели непроизвольных движений учащихся Севера РФ, которые испытывают значительные учебные нагрузки, коррелируют с показателями психофизиологических функций и могут являться количественными оценками степени утомления обучаемого в разные сезоны года. Эти показатели могут обеспечить дифференцировку нагрузки ученика в зависимости от степени его утомления и оценку состояния ФСО.
5. Разработанные методики оценки состояния функционирования механизма, обеспечивающего регуляцию двигательных функций человека в аспекте фазатонной теории мозга, дают возможность оценивать влияние экофакторов среды Севера РФ на учащихся разных возрастных групп, определять индивидуальный подход при оценке усилий ученика в учебном процессе в аспекте соотношений с состоянием его психофизиологических функций.
Особенности организации произвольных движений человека
Теория построения движения и навыков, основанная на физиологии активности Бернштейна и ее теоретических положениях, успешно применялась в различных областях человеческой деятельности: трудовой, спортивной, медицинской, педагогической, в сфере искусства (музыка, хореография и др.), а также получила свое продолжение и развитие в работах многих отечественных авторов [4,41-43, 121,122, 124] и зарубежных авторов [139,146-148,156].
Движения - главное средство взаимодействия организма человека с окружением. В этом взаимодействии рефлекторные ответы, побуждаемые стимулами внешней среды, составляют лишь часть двигательной активности; другая её часть - это активность, инициируемая «изнутри». Мозг не просто отвечает на стимулы, поступающие извне, он находится в постоянном диалоге со средой, причём инициатива в нём принадлежит именно мозгу. Движения являются компонентом общей активности, которая должна удовлетворять потребностям организма и обеспечивать выживание вида [25-27, 113, 114]. Всё многообразие видимых форм движений животных и человека основывается на физических законах перемещения тел в инерциальном пространстве. При классификации движений необходимо учитывать конкретные целевые функции, которые должна выполнять двигательная система. Все движения человека можно условно разделить на рефлекторные, «запрограммированные» автоматические движения, позные и целенаправленные (произвольные) движения. Дыхание, ходьба - все это примеры врожденных программ, к которым в течение жизни индивида добавляется множество приобретенных. Среди них, например, профессиональные и спортивные навыки (печатание на машинке, гимнастические упражнения и т.д.), которые становятся в результате практики почти автоматическими. Одна из основных задач «позной» активности -удержание нужного положения звеньев тела в поле силы тяжести (удержание головы от свисания, голеностопных суставов от тыльного сгибания при стоянии и др.). «Позная» активность может быть направлена и на фиксацию суставов, не принимающих участия в осуществляемом движении. В трудовой деятельности удержание позы бывает связано с преодолением внешних сил. Произвольными движениями в широком смысле слова могут быть названы самые различные движения, совершаемые как в процессе труда, так и в повседневной жизни.
Иерархия уровней мозгового управления движениями также находится в зависимости от требований к структуре движения. Если подкорковый уровень связан с набором врождённых или автоматизированных программ, то корковый уровень организует спинно-мозговой моторный аппарат для выполнения произвольных движений. Иерархия структур, обеспечивающих нервную регуляцию и позы, и движения, совершенно очевидна. Это результат постепенной эволюционной адаптации двигательной системы к выполнению все более сложных задач. Важнейшим качеством многоуровневой системы управления движениями является не столько соподчинение иерархически устроенных уровней, сколько сложное разделение труда. Такое разделение обусловлено, с одной стороны, анатомическим строением этой системы, состоящей из эволюционно различных структур мозга, которые до определённой степени сохранили специфику своего функционирования, с другой стороны - необычайно сложным устройством исполнительного аппарата, его огромной размерностью. Другая особенность функционирования этой системы состоит в разделении упомянутых уровней на ведущий и фоновые (в зависимости от текущей двигательной задачи и условий её реализации). Ведущий (фактически - это верхний уровень иерархии в компартментно кластерном моделировании НМС, о чем будет сказано ниже) уровень - это тот, на котором определяется смысл данной двигательной задачи, и который подчиняет себе остальные уровни. Фоновый уровень, на котором реализуются технические компоненты движения (тонус, иннервация, деиннервация, реципроктное торможение, сложные синергии). По мере филогенетического развития степень и форма участия разных отделов мозга в управлении двигательными функциями существенно менялись. У человека двигательные функции достигли наивысшей сложности в связи с переходом к прямостоянию и прямохождению (что осложнило задачу поддержания равновесия), специализацией передних конечностей для совершения трудовых и других особо тонких движений, использованием двигательного аппарата для коммуникации (речь, письмо). У человека основным рабочим органом является рука, причем для выполнения двигательной задачи определяющим обычно является положение кисти, которая должна в определённый момент оказаться в определённом месте пространства. Благодаря большому числу степеней свободы верхней конечности кисть может попасть в нужную точку по разным траекториям и при различных соотношениях углов в плечевом, локтевом и лучезапястном суставах. Это многообразие возможностей позволяет выполнять двигательную задачу, начиная движение из различных исходных поз. Однако оно же ставит ЦНС перед задачей выбора одного варианта из многих. В управление движениями человека включены высшие формы деятельности мозга, связанные с сознанием, что дало основание называть соответствующие движения «произвольными». [22,25, 70,113,148].
Регуляция непроизвольных движений в условиях внешних воздействий
Непроизвольные движения обеспечивают различные виды механических движений частей тела и всего тела человека. К этим видам механических движений относятся и широко распространенные колебательные движения. Причем последние могут быть периодическими, апериодическими (затухающими, например), хаотическими, когда количество гармоник Vi, Vn неограниченно возрастает. В последнем случае п— оо. Механическое колебание тканей является одной из важных характеристик двигательных функций физиологических систем организма человека. Этот факт наиболее очевиден для сердечно-сосудистой и опорно-двигательной систем, нарушения деятельности в которых приводит не только к снижению уровня качества жизни, но и провоцирует развитие более грубой патологии.
В рамках спектрального анализа (например, теории Фурье) любое движение может быть описано функцией у =/(х), которая может быть расписана в ряд, содержащий гармонические функции. Иными словами в математическом плане любое движение можно представить как суперпозицию колебательных движений. Поскольку непроизвольное движение является непременным спутником двигательной активности всех органов и систем и отражает колебания различной частоты, то оно (например, тремор) тоже описывается набором гармонических функций. Известно, что тремор (дрожание) является непроизвольными ритмическими колебательными движениями части тела (чаще всего конечностей и головы) или всего тела. "Нормальные" частоты тремора, отмеченные различными исследователями, укладываются в полосу от 2 до 23 Гц, а амплитуда колеблется от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Следует сказать, что амплитуда тремора существенно зависит от положения исследуемого звена и функционального состояния ЦНС, в частности фазатона мозга (ФМ). Именно эта зависимость порождает массу дискуссий о произвольности или непроизвольности тремора. Очевидно, что все эти внешние воздействия можно рассматривать как управляющие внешние драйвы (в наших моделях слагаемое ud).
Гипотезы о происхождении и значении тремора весьма многочисленны и разнообразны [13, 14, 17, 42, 107, 112]. Так, например, происхождение тремора связывается с неполным тетанусом, инертностью саркоплазмы, игрой антагонистов, усилением импульсации из коры головного мозга в такт колебаниям а-ритма, необходимостью компенсации гемодинамических сдвигов и т.д. Согласно одной из гипотез происхождения тремора, которую предложил В. С. Гурфинкель с соавторами [39-43], низкочастотный компонент тремора (1-3 Гц) отражает регуляцию удержания определенного положения сустава, а высокочастотный (7-9 Гц) - активность отдельных нейромоторных единиц в мышцах, обеспечивающих поддержание этого положения сустава.
В рамках компартментно-кластерного подхода можно сказать, что колебания вблизи 10 Гц, которые мы регистрировали в своих испытаниях у лиц с фазическим типом регуляции ЦНС, могут быть напрямую связаны с адренергической нейротрансмиттерной системой (НТС) и симпатической вегетативной нервной системой (ВНС). Индексы СИМ, характеризующие состояние симпатической ВНС, всегда у таких лиц повышены. Особенно велики эти показатели у таких лиц после повышения активности нейромоторного системокомплекса (но только до периода утомления). Последнее можно легко регистрировать после выполнения физических упражнений (нагрузка должна быть существенной и активной - тяжелая атлетика, специальные упражнения статического или динамического характера), при которой еще не развивается мышечное утомление [35- 43, 69, 119-121].
В ряде работ [108-109] определялась взаимосвязь между функциональным состоянием НМС и спектральной структурой микродвижений пальцев конечности. Этими исследователями были выявлены наиболее информативные составляющие спектра тремора при различных режимах мышечной активности. Соответственно этим и нашим данным в спектральной структуре тремора мы сейчас выделяем "тоническую" и "фазическую" составляющие (1-7.5 Гц и 7.5-12.5 Гц). В покое "тоническая" составляющая является доминирующей. Однако при незначительном напряжении мышц активизируется "фазическая" составляющая. При продолжительном или патологическом напряжении мышц увеличивается мощность спектра в диапазоне 12.5-22 Гц, что коррелирует с клиническими состояниями, сопровождающими формирование мышечных компенсаторных процессов. Отметим при этом, что для регистрации тремора многими авторами использовались акселерометрические датчики, у которых существуют проблемы с регистрацией колебаний низких частот, а простые поступательные движения (а=0, V=const) они вообще не регистрируют [10-14, 28-29].
В условиях Севера РФ, в зимний период при сильном переохлаждении возникает характерный непроизвольный тремор, связанный с осцилляторным сокращением различных мышц (человека начинает трясти). С непроизвольным сокращением мышц связан и тремор, возникающий при удержании позы тела. Эти движения могут возникать в любой части тела, но обычно они отмечаются в шее, предплечьях и кистях рук. Сильный тремор у большинства людей возникает в состоянии стресса, выраженного утомления в спорте, употребления большого количества кофеина или препаратов, при которых тремор является следствием их побочного действия. Это связано с влиянием ЦНС (в первую очередь) на возбудимость мотонейронов и рецепторного звена, т.е. тоническими или фазическими эффектами ФМ на мышцы [17, 50-53, 114-117].
На сегодняшний день существует большое количество гипотез и теорий о механизмах тремора, его происхождении, но нет единого, общепринятого взгляда. Это подтверждается и серьезными расхождениями в результатах экспериментальных исследований, а также их расхождениями с модельными, теоретическими исследованиями. Пирамидная и экстрапирамидная системы, как основные элементы двигательной системы (см. рис. 1.2.1, 1.2.2, 1.2.3), казавшиеся незыблемыми и основополагающими в системах передачи и организации управляющих воздействий на мышцы, обнаружили неопределённость своих границ и условность их выделения, о чем будет сказано ниже. На сегодняшний день исследователи оказались перед необходимостью осознания того положения, что регуляция как произвольных, так и непроизвольных движений осуществляется одними и теми же нейромоторными механизмами [114-117]. Единственным отличием произвольного движения от непроизвольного, по остроумному замечанию известного шведского нейрофизиолога Р. Гранита [40], является лишь произвольный выбор цели.
Таким образом, на современном этапе развития физиологии и биофизики НМС не существует единых теоретических и модельных подходов в объяснении тремора, в отличие от теории произвольных движений, где довольно неплохо идентифицирована структура (иерархия) управления и изучены функциональные закономерности в организации и управлении. Исходя из функционального состояния организма человека, феноменологически выделяют различные виды тремора [81, 107, 117]. В частности, различают тремор покоя, возникающий в мышцах, находящихся в состоянии относительного покоя (паркинсонический тремор), и тремор действия (акционный тремор), возникающий при произвольном сокращении мышц. Тремор действия включает постуральный (позный) и кинетический тремор. Кинетический тремор появляется при движении. Одной из его разновидностей является интенционный (мозжечковый), связанный с фазическим компонентом в работе ФМ. Этот тремор возникает и усиливается по мере приближения к цели. Постуральный тремор возникает при поддержании позы, например, это тремор в вытянутых конечностях (руках). Именно этот вид тремора в различных его модификациях мы исследовали в настоящей работе.
Авторские методы исследования и моделирования регуляции произвольных и непроизвольных движений человека в рамках компартментно - кластерного подхода
На сегодняшний день остается мало исследованной проблема моделирования произвольных и непроизвольных движений человека и животных. Работы ряда авторов в рамках компартментного подхода и стохастического описания двигательных функций человека позволяют объяснить флуктуационные характеристики движений под действием статических и динамических нагрузок. Однако квазипериодический режим, наблюдаемый при регистрации непроизвольных движений объяснить в рамках таких подходов затруднительно. В этой связи возникает потребность в моделировании произвольных и непроизвольных движений, выполняемых человеком в различных условиях, а также организацию двигательных функций в аспекте филогенеза. Исследованию этих проблем посвящена данная глава.
Отметим, что исследованию непроизвольных движений в опорно-двигательной системе уделяется большое внимание со стороны физиологов и врачей. Известны модели, описывающие тремор как сумму автоколебаний, связанных с наличием обратных связей в нервно-мышечной системе и существованием времени запаздывания в ней сигнала, и вынужденных колебаний, обусловленных сокращением мышечных волокон. В рамках такого подхода возможно построение не только биомеханических систем, но и процессов формирования многоклеточных систем тканей, органов и организмов, т.е. систем разного уровня. Предполагаются некоторые сквозные критерии разобщения сложных многоуровневых конгломератов структурно-функционально-кибернетических отношений.
Конкретное решение такой проблемы может рассматриваться на тканевом уровне биоорганизации и именно этот уровень (тканевый) является уровнем исследований в настоящей диссертационной работе. Одно из перспективных направлений в этой области связано с работами В. В. Смолянинова [118], который впервые предложил обобщенный системно-конструктивный подход (новое математическое направление), базирующийся на основе категорий и функторов. В рамках этого подхода сформулированы основные понятия системы, структуры, функции. Существенно, что при таком обобщенном подходе объектом исследований могут являться самые различные биоструктурные образования: системы клеток, поликонтактные отношения в системе клеток коры мозжечка, полиэдры.
Отметим, что еще ранее в работах Н. А. Бернштейна [25-27] уже производились попытки такого подхода, когда координация движений представлялась как преодоление избыточных степеней свободы движущегося органа. В.В. Смолянинов дает следующее определение управления: «Управление - есть система организации избыточных свобод возможных реализации структур или функций». Именно в рамках, такого подхода и реализуются управляющие воздействия.
Используя разработанный В.В. Смоляниновым системно-конструктивный подход можно по-новому трактовать принципы организации (конструирования) и функционирования многих современных биомеханических систем и систем для исследования двигательных функций человека и животных.
Особое внимание в такого рода исследованиях уделяется изучению непроизвольных движений, т.е. тремору. В ряде математических моделей тремор рассматривается как результат автоколебаний конечности, возбуждение которых связано с нелинейными механо-химическими взаимодействиями в мышцах. При этом тремор рассматривается как автоколебания, возникающие вследствие нестабильности рефлекторных реакций, также описываемых нелинейными динамическими уравнениями. Однако их идентификация в автоматическом режиме вызывает определенные трудности.
Автоколебательная природа сокращения мышц в ряде случаев не вызывает сомнения. К таким случаям относятся движения летательных мышц насекомых. В других случаях модель непроизвольных микроколебаний конечности базируется на случайных включениях двигательных единиц (ДЕ), которые могут развивать большую или меньшую силу. В этом случае реализуется ряд принципов компартментного подхода. В серии работ В.А. Антонца [Н-13] впервые были сформулированы определенные компартментные принципы организации и функционирования отдельной мышцы как совокупности двигательных единиц, т.е. групп (компартментов) мышечных волокон, иннервируемых одним мотонейроном. Такое модельное описание тремора базируется на представлениях флуктуации силы, развиваемой мышцей, которая является результатом постоянного переключения ДЕ при управлении конечностью в процессе поддержания нагрузки. Авторы в рамках этого подхода предполагают, что ДЕ включаются последовательно, и они обеспечивают создание силы необходимой для уравновешивания груза.
Количественные показатели произвольных движений (теппинга) учащихся и их математическое моделирование
Изучение двигательных функций человека в общем случае включает как исследование непроизвольных движений (результаты такого изучения представлены выше в гл. 3.1) так и произвольных движений. Особенности исследования произвольных движений заключаются во влиянии психики человека на динамику таких процессов. Последнее связано со сложными действиями при обучении человека, его работе в системе «человек-машина» и т.д. В этой связи особенности регуляции двигательных функций при обучении навыкам письма учащихся младших классов, исследования состояния двигательных функций человека-оператора и, наконец, изучение характеристик произвольных движений в случае двигательных патологий (в медицине при хирургических травмах, поражении ЦНС) представляют несомненный интерес для специалистов в различных областях педагогики, физиологии труда и медицины. С учетом сказанного, нами изучались произвольные движения конечностей человека при использовании авторского программного продукта.
Исследования включали два этапа: на первом этапе производилось изучение параметров унимануальных движений человека, т.е. движений, выполняемых одной фалангой пальца одной руки. Испытуемому предлагалось в выбранном им ритме (1 вариант) или в ритме, задаваемом специальным звуковым устройством совершать вертикальные колебательные движения указательным пальцем одной руки. Автоматизированный комплекс фиксировал основные параметры такого колебательного движения в следующей последовательности: первоначально с помощью ЭВМ регистрировалась вся кинематограмма (характерный пример представлен на рис. 3.2.1), далее по заданной программе автоматически определялись значения последовательных амплитуд колебаний и временные параметры (интервалы между максимумами отклонений конечности). С помощью автоматизированного комплекса и разработанного программного продукта (описание см. в главе 2) выполнялся математический расчет полученных числовых массивов в двух вариантах. В первом варианте использовалась традиционная методика математической статистики с расчетом математического ожидания, дисперсии, среднеквадратического отклонения, доверительного интервала для небольшой выборки, которая получалась из численного анализа зарегистрированной кинематограммы. Во втором варианте вычислялся вариационный размах, мода, амплитуда моды. Существенно, что второй подход широко принят в анализе кардиограмм человека для оценки функционального состояния системы регуляции кардиоритма. Программа обеспечивала вывод этих двух вариантов математической обработки результатов измерений на экран с последующей возможностью её распечатки.
По данной методике было обследовано 12 человек в возрасте 16 лет. Измерения производились в состоянии покоя и после нагрузки. В качестве нагрузки испытуемому предлагалось выполнить 30 приседаний за 30 секунд. На рис. 3.2.1 видно, что до вносимого в НМС возмущения средний период составлял 500 мсек, мода 540 мсек, а вариационный размах 500 мсек, т.е. произвольные движения выполнялись достаточно быстро, но с большим вариационным размахом. Средняя амплитуда при этом составляла 206 мВ с довольно большими среднеквадратичными отклонениями (по амплитуде среднеквадратичное отклонение составило 73 мВ, по периоду - 106 мсек).
После выполнения физического упражнения, которое не вызывало утомления, но активизировало все системы управления, картина резко изменилась в количественном плане (см. рис. 3.2.1.6). Средний период выполнения движения увеличился на 30 % (составил 650 мсек), мода увеличилась на 18 % (составила 640 мсек), а вариационный размах уменьшился до 420 мсек. Одновременно резко возросла, почти на 50 %, средняя амплитуда колебаний произвольных движений (составила 297 мВ против 206 мВ исходно), но среднеквадратичное отклонение по амплитуде и периодам колебаний уменьшились (соответственно до 45 мВ с 73 мВ, и до 77 мсек от 106 мсек).
В ходе дальнейшего исследования мы произвели компартментно-кластерное моделирование произвольных движений человека (теппинга). Известно, что организация произвольных движений находится в условиях управляющих воздействий со стороны иерархических структур ЦНС, в частности, моторной зоны (МЗ) коры головного мозга. Такие системы требуют уже другого подхода в описании и моделировании, основанного на компартментно-кластерном подходе в моделировании кластеров, составляющих двигательные единицы и организовывающих непосредственно акты произвольного (или непроизвольного) движения. Это кластеры нижнего уровня иерархии и для них существуют кластеры верхнего иерархического уровня в виде нейронных сетей (НС) головного мозга. В простейшем случае системы управления движением конечностей человека могут быть представлены в виде двухкластерных иерархических систем .
В простейшем случае верхний уровень иерархии может быть (также как и для нижнего кластера) представлен трехкомпартментным кластером. Причем первый и третий компартменты могут быть представлены совокупностями нейронов спинного мозга, отвечающих за афферентные и эфферентные сигналы (цепи афферентных и эфферентных мотонейронов, например). Центральное звено, средний компартмент в кластере нижнего уровня иерархии, можно рассматривать как отдельный (передаточно -перерабатывающий) компартмент. Тогда мы можем иметь в простейшем случае двухкластерную систему.
Неоднократно в своих работах (в том числе и в докторской диссертации) В.А. Антонец [13,14] представлял наличие многокомпартментной организации в нижнем кластере. Именно в его работах впервые высказывалось представление об организации двигательных единиц в отдельные компартменты, которые поочередно (и, главное, последовательно) включаются для удержания позы (суставного угла, например). С помощью отдельных мышц или групп мышц, работающих синергично (взаимоподдерживающе) в направлении одной общей цели - удержание тела или его частей в пространстве, может осуществляться удержание позы.
Многоступенчатый, последовательный во времени (но не обязательно в пространстве) механизм удержания фрагментов тела человека обуславливает важный кибернетический принцип управления кинематическими звеньями.
Живые существа значительно отличаются этим механизмом от технических механизмов, где удержание части механизма в заданном положении обычно не вызывает затрат энергии. В живых организмах такая процедура требует постоянного напряжения мышц (подвода энергии), а это может привести к утомлению. Для избегания этого утомления система управления мышцами реализует принцип компартментного (последовательного во времени) переключения (возбуждения) групп двигательных единиц или отдельных мышц. Очевидно, что без компартментной организации возбуждения в мышцах последние не смогли бы обеспечивать удержание позы человека. При этом компартментный подход не может детерминировать само число компартментов. В наших моделях мы выбираем эту величину равную трем (т = 3). Это делается из ряда биологических соображений, а также из известной теоремы об организации периодических решений в компартментных системах управления. Эта теорема была доказана в 1992 г. В. М. Еськовым.
Из теоремы следует, что только в трехкомпартментных (и выше) системах возможны колебательные режимы, иначе НМС будет находиться в тоническом, статическом состоянии. А возникновение устойчивых бифуркаций рождения циклов возможны в трехкомпартментных системах при определенных условиях. Эти условия в виде ряда теорем также были доказаны В. М. Еськовым для любого m 3. Отсюда следует определенный биофизический интерес для систем с компартментной организацией при m 3. Очевидно, в этой связи, что в рамках компартментно-кластерного подхода наиболее простая система с m = 3 и числом кластеров n = 2 (двухкластерные системы).
