Физиология активности Н.А. Бернштейна как основа теории технической подготовки в спорте

Авторы: В.Н. Селуянов, М.П. Шестаков

Источник: Журнал Теория и практика физической культуры
Выпуск: 11 1996, 01 ноября 1996

Основоположником теории технической подготовки в спорте (ТТП), безусловно, следует считать Н.А. Бернштейна. Именно он сделал методологической основой ТТП биомеханику движений человека, физиологию двигательной активности, которая включала нейрофизиологию и психологию.

Биомеханика. Биомеханика движений человека необходима для понимания сущности двигательных действий, целесообразности построения движения. Она получила существенное ускорение в развитии в связи с научной деятельностью В. Брауне и О. Фишера, Н.А. Бернштейна.

Заслуга немецких ученых В. Брауне и О. Фишера заключается в том, что они впервые в биомеханике поставили задачу нахождения сил и моментов сил в центрах масс звеньев человека и практически решили ее. На трупном материале измерили массы и моменты инерции сегментов тела человека, с помощью метода хроноциклографии зарегистрировали кинематику движения, а затем оценили действующие силы при движении человека на основе Ньютоновской механики.

Н.А. Бернштейн повторил работу Брауне и Фишера, при этом внес значительные усовершенствования в методику регистрации масс-инерцион-ных характеристик (МИХ) и кинематических характеристик. Далее он приступил к созданию физиологии двигательной активности, при этом последовательно разработал основы теоретической биомеханики, физиологии построения двигательного действия и теории технической подготовки спортсменов.

В очерке "О построении движений" Н.А. Бернштейн рассматривает двигательную систему позвоночных как модель (систему), состоящую из пассивной части (жесткий сочлененный скелет) и активной части (поперечнополосатая мускулатура со всем ее оснащением). Затем дает описание свойств элементов (костей, связок, сухожилий, мышц), структурных образований-суставов, скелетно-мышечных моделей и др.

Таким образом, Н.А. Бернштейн был одним из первых биомехаников, которые положили в качестве краеугольного камня теоретической биомеханики строение опорно-двигательного аппарата, а свойства его использовали для объяснения причин определенной организации двигательного действия.

Современное представление об анализе движений (техники) связано с понятием "биомеханизм". Моделирование ОДА человека требует использования идеальных моделей теоретической механики. В теоретической механике применяются следующие модели: двух- или трехмерное пространство, время, материальная точка, абсолютно твердое тело (стержень), шарнир, кинематическая цепь, идеальная жидкость или газ и др. Все эти модели применяются в биомеханике, однако для получения адекватной модели ОДА необходимо иметь модели мышцы. Следовательно, объект биомеханики пересекается с объектом теоретической механики, однако не полностью. В каждый момент времени существование человека в условиях внешней среды будем представлять как совокупность биомеханизмов. В широком смысле под биомеханизмом можно понимать биохимические объекты (митохондрии, миофибриллы и т.п.), физиологические системы (сердечно-сосудистую, эндокринную, иммунную, ЦНС и т.п.), опорно-двигательный аппарат. В биомеханике это понятие должно иметь более четкую привязанность к механике, к теории машин и механизмов. Поэтому биомеханизму было дано следующее определение. Биомеханизм - модель части или всего ОДА, обеспечивающая достижение цели двигательного действия за счет преобразования одного вида энергии в другой.

Биомеханизм как целостная система состоит из совокупности элементов, входящих в ее состав (мышца, сустав, кости). Каждый элемент обладает определенными свойствами, которые могут по-разному проявляться в движениях человека. Построить движение (технику) это значит:
1) сформулировать цель движения;
2) задать начальные условия, т.е. позу и кинетические показатели;
3) определить биомеханизмы, т.е. способы преобразования энергии мышц в целесообразную двигательную деятельность;
4) распределить реализацию биомеханизмов во времени;
5) реализовать теоретическую разработку двигательного действия, однако с этого момента биомеханик должен уступить место специалисту по обучению человека двигательным действиям.

Теория технической подготовки. ТТП граничит с биомеханикой движений человека, физиологией двигательной активности Н.А. Бернштейна, педагогикой и психологией. Для того чтобы показать различие между биомеханикой и ТТП, приведем соображения Спинозы в интерпретации Э.В. Ильенкова. "...Человеческая рука может совершать движение и по форме круга, и по форме квадрата, и по форме любой другой ...фигуры, обнаруживая тем самым, что структурнор-анатомически она заранее не предназначена к какому-либо одному из названных действий...Человек - мыслящее тело - строит свое движение по форме любого другого тела". Следовательно, в мозгу человека могут формироваться любые программы двигательных действий, выполнение которых ограничивают пространственные, силовые и скоростные возможности опорно-двигательного аппарата.

Н.А. Бернштейн одним из первых начал рассматривать управление движением как реализацию некоторой программы, хранящейся в центральной нервной системе в закодированном виде. Программы движений, образы граничных поз являются идеальными представлениями. Человек тренирует органы своего тела на предметах окружающей среды, поэтому среда, его тело, способы управления закодированы в виде нервно-мозговых структур, т.е. вполне материально. Под идеальным понимается субъективное бытие предмета, или инобытие предмета (модель) в другом (мозг человека). На основе этих гносеологических положений можно утверждать, что человек представляет себя как часть пространства и мыслит перемещения своего тела в модели этого внешнего пространства. Он не знает анатомии и не может управлять мышцами ради достижения поставленной цели.

На базе модели опорно-двигательного аппарата Н.А. Бернштейн теоретически разрабатывает способы управления моделью. Сначала рассматривается возможность сохранения статической позы кинематической цепи. Для этого необходимо закрепить каждую из имеющихся у нее степеней свободы. Аналогичная ситуация возникает в динамике, причем место недостающих связей для закрепления избыточных степеней свободы занимают динамические силы - внешние и внутренние. Н.А. Бернштейн предположил, что человек может управлять только внутренними силами, а реактивные и внешние силы не могут однозначно соотноситься с ними. Здесь, как пишет Н.А. Бернштейн, имеет место принципиальная неопределенность. Решение вопроса о неоднозначности он нашел в использовании для регулирования аффекторного процесса, т.е. передачи сенсорных сигналов о позе кинематической цепи и о мере растяжения каждой из влияющих на ее движение мышц. Отсюда появился принцип сенсорных коррекций.

Принцип сенсорных коррекций, безусловно, верен в случае обучения, формирования умения, однако при наличии навыка, при автоматизированном управлении логика сенсорных коррекций не проходит. Очевидно, что в пределах поступления сенсорной информации в ЦНС (0,120-0,280 с) большое количество спортивных двигательных действий (прыжки, отталкивания и др.) выполняется вопреки логике. Человек обучается и в конечном итоге вырабатывает программы управления мышцами с учетом внешних и реактивных сил, т.е. опорно-двигательный аппарат является принципиально управляемой системой в случае соединения двух способов управления - автоматизированного и с сенсорной коррекцией.

Физиологические концепции управления движениями не ставили перед собой задачи обосновать закономерности обучения двигательным действиям.

В психологии благодаря работам Л.С. Выготского и А.Н. Леонтьева стало возможным изучение процесса обучения как деятельности. Структурными (временными) компонентами деятельности выступают действия. Действием называют процесс, подчиненный решению конкретной задачи, направленный на достижение цели, определяемой характером мотивации. С позиции теории деятельности П.Я. Гальпериным и его сотрудниками была разработана теория поэтапного управления процессом усвоения знаний. В этой теории образ действия и образ среды, в которой оно происходит, сводятся в единую систему, на основе которой происходит управление действием, названное "ориентировочной основой действия (ООД)". Подчеркнем, что ООД не тождественна той картине, которую видит внешний наблюдатель. ООД - образ (модель), существующий только в сознании или (и) в подсознании (субъекта), как в виде теоретического знания о последовательности действий, так и в виде реальной программы (пакета программ) движения. Контроль за качеством может осуществляться как путем проверки теоретических знаний по биомеханике данной техники, так и через двигательную деятельность, посредством которой можно проверить состояние программы в ЦНС (объекта исследования ТТП). Теория деятельности легла в основу теории обучения двигательным действиям в спорте.

Мнения большинства современных теоретиков сходятся на том предположении, что основные координационные свойства мозга определяются топологической структурой сети нейронов и динамикой распространения импульсов в этой сети. Можно утверждать, что в настоящее время нейронная теория памяти является общепринятой. Вопросы, связанные с хранением моторных программ в памяти и их изменением, также связаны с нейронной теорией. На сегодняшний день среди нейробиологов наметилась тенденция к объединению наиболее обоснованных теорий памяти. Согласно таким представлениям, электрические, синаптические и молекулярные процессы, вызываемые многократными внешними стимулами, зависят один от другого и протекают последовательно.

1. Серия сенсорных импульсов, образующая частотный код, запускает реверберационную активность в самовозбуждающейся цепи. Ревербе-рирующие бинарные сигналы, взятые в совокупности, сохраняют информацию в аналоговой форме. Эти образы (память) лабильны и быстро исчезают.

2. В случае очень интенсивных, часто повторяющихся стимулов или при сильной эмоциональной мотивации ритмические изменения мембранного потенциала (с помощью пока не выясненного механизма) ускоряют внутриклеточный синтез белка. Неспецифически стимулируется образование РНК в нейронах, что усиливает синтез белка. Этот процесс приводит к увеличению синаптических поверхностей между клетками за счет шипиковых соединений. С кибернетической точки зрения это тоже аналоговый процесс. Информацию содержит не отдельный нейрон, а сеть нейронов, связанных синапсами и шипиками, функциональная эффективность которых изменяется. Закрепленные таким образом следы (память) в виде аксон-шипиковых или дендрит-шипиковых образований весьма стабильны.

Предположения, высказанные Хеббом, ставшие теперь классическими, говорят о том, что любые психические функции, будь то память, эмоции или мышление, должны быть обусловлены деятельностью нейронных ансамблей. Нервные клетки в таких ансамблях объединены в специфические сети. По мнению Хебба, при возбуждении нейрона его синаптические связи становятся более эффективными. Это может быть связано с кратковременным повышением возбудимости (кратковременная память) или же со стойкими структурными изменениями в синаптическом поле за счет шипиковых структур (долговременная память).

Таким образом объектом ТТП являются программы (образы) теоретических представлений и моторных реализации целенаправленных двигательных действий в коре головного мозга. Наличие и количественная оценка их совершенства выявлются в ходе двигательной деятельности. Предметом ТТП - закономерности формирования двигательных умений и навыков.

В соответствии с объектом и предметом исследования, а также с логикой развития теоретического исследования можно определить следующие основные задачи ТТП:

разработка умозрительных и математических моделей ОДА и ЦНС;
разработка методов формирования произвольных программ двигательных действий;
разработка методов перестройки программ произвольного управления моделями ОДА;
разработка методов контроля уровня технической подготовленности, а также содержания технической подготовки;
планирование технической подготовки. Модель центральной нервной системы - исходное звено в логической цепи процесса формирования двигательной программы. Необходимо обратить внимание на то, что к модели ЦНС предъявляется ряд требований. Модель должна давать возможность управления самим объектом управления (в нашем случае ОДА), а также моделировать условия окружающей среды вокруг объекта и их взаимодействие. При этом оба процесса необходимо представить как параллельные (что в настоящее время не учитывается в предлагаемых математических моделях). Видимо, применение математического моделирования в виде создания системы дифференциальных уравнений ЦНС будет представлять собой архисложный и длительный процесс. Вместе с тем еще одним условием адекватности, реальности разрабатываемой модели является возможность ее "обучаемости", т.е. непременным условием следует признать наличие в модели системы памяти.

В 50-е и 60-е годы группа исследователей, объединив биологические и физиологические подходы, создала первые искусственные нейронные сети. Выполненные первоначально как электронные сети, позднее они были перенесены в более гибкую среду компьютерного моделирования, сохранившуюся и в настоящее время. Теория нейронных сетей первоначально породила много радужных надежд, которые не оправдались как из-за слабости технической базы, так и по причине неразвитости самой теории. Однако в начале 80-х, с появлением микропроцессоров и сверхбольших интегральных схем, стало технически возможно сделать "вторую попытку". Серия работ Дж. Хопфилда, Т. Кохонена и ряда других ученых создала теоретический фундамент для появления нового поколения нейронных сетей, принципиально более мощных, чем классический персептор Розеблатта. Однако поскольку далеко не все ученые пока знают, каким образом работают нейроны и мозг, нельзя сказать, что сети искусственных нейронов представляют собой точную аналогию сетей нейронов человеческого мозга. В то же время сети искусственных нейронов способны выполнять определенные виды функций обучения и адаптивного сопоставления образов - причем по эффективности выполнения таких функций они приближаются скорее к мозгу, чем к обычным компьютерам.

Использование и настройка соответствующих искусственных нейронных сетей с целью моделирования процесса обучения движениям человека дает возможность теоретического поиска определенных закономерностей, протекающих в коре головного мозга.

Пока для тренера недоступны программы, имитирующие деятельность мозга, поэтому тренер должен использовать умозрительные модели. Такой моделью может быть блок-схема, опубликованная ранее.

Здесь принципиально важно понимать, что все эти блоки представляют собой нейронные сети. Построение двигательного действия приводит к формированию в сознании двигательного образа и программы движения, которая может быть реализована. При реализации программы, как правило, имеет место отклонение от заданной цели движения (образа). Поэтому приходится повторять выполнение программы с некоторыми предварительными коррекциями. Те следы в нейронной цепи прохождения импульсов, которые раз от раза повторяются, закрепляются в виде четких шипиковых образований. Постепенно закрепляются наиболее подходящие, с точки зрения спортсмена и его тренера, действия. Это способствует постепенному увеличению точности и стабильности выполнения среды. Этот подход получил название повторного метода, который приводит к формированию базовой программы и знаний ОДД.

Очевидно, что изменение внутреннего состояния (например, утомление мышц) не позволит реализовать определенную базовую программу, потребуется иная программа. В экстремальных ситуациях (например, на соревнованиях) нет времени для формирования новых программ двигательного действия. Поэтому на тренировках необходимо специально изменять как условия внешней среды, так и состояние внутренних систем (исходной позы, кинематики, уровня физических возможностей мышечного аппарата и др.) для формирования пакета программ. Эти программы должны соответствовать большинству условий, встречающихся в соревнованиях или обыденной и трудовой жизни. Построением технических действий как последовательности функционирования биомеханизмов должна зани