Aka de mia Wychowania Fizycznego we Wrocław i u
Alicja Rutkowska
-Kucharska
S
ynergizm
mięśniow
y
w
procesie sterowani
a
r
uchami manipulacyjnym
i
mgrBogusława Idzik(Sekretarz), prof. dr hab.Zofia Ignasiak, dr n.hum.Jerzy Jankowski(RedaktorNaczelny),prof. dr hab.AntoniJanusz
(Przewodn i czący),prof. drhab.Ewaryst Jaskólski, Krzysztof Krzywonos, drhab. TadeuszSkolimowski,prof.nadzw.
Recenzent
dr hab.LudmiłaBorodulin-Na dz ieja,prof. nadzw.
Redaktor JolantaWiecha
Korekta BogusławaIdzik
Redaktor techniczny Teresa Horyd
©Copyright 1999 byWydawnictwo AWFWrocław
ISBN 83- 87389-28-5
WydawnictwoAkademii WychowaniaFizycznegoweWrocławiu Wydanie I.Nakład 150 egz.PoligrafiaAWFweWrocławiu
"Kontrolowaćmożesz tylko to,co czujesz"
Spis
treści
1.Wprowadzenie 7
Proces sterowania ruchami manipulacyjnymi
wpoglądachbiomechaników ineurofizjologów 7
Pojęciesterowania i regulacji 8
Programruchu 1O
Czynnikiwarunkujące sprawność
procesusterowania ruchami manipulacyjnym i 15 Kryterium czasu w klasyfikacji ruchów manipulacyjny ch 19
Strategiesterowania 20
Proces sterowaniaijego znaczeniewmotorycznośc i człowieka 20 Sterowanieruchemmanipulacyjnym przej awiającesi ę
we wzorcuEMG agonistyiantagonisty 22
Czasruchu a wzorzec aktywnościelektrycznej mięśni 24
Siłamięśniowaa wzorzec aktywnościEMG 26
Kończynagórna jakoukładsterowania 26
Sterowanie ruchem manipul acyj nymprzejawiającesię
dokład nośc iąreal izacj i zadania ruchowego 28 Poziomy sterowaniadokładnościąruchów manipulacyjnych 28 Kryteriaocenysterowaniadokładnościąruchu 32
Dokładnośćruchumanipulacyj negoa warunkizewnętrzneprzebiegu ruchu 33
Założenia icele badań własnych 35
Założenia .37
Cel 38
2.Metodybadań 39
Opis stanowisk abadawczego .40
Rejestracjai opracowan ieliczbowe sygnałuEMG .41
Udział mięśn i kończynygórnejw ruchach manipulacyjnych
6
Eksper ymentI .46
Charakterystykatrajektorii wzorcowych
izakresu ruchuwstawachkończynygórnej .46
ZadanieI .47
ZadanieII 48
ZadanieIII 48
ZadanieIV 48
Eksper ymentII .49
Charakterystykatrajekt oriiwzorcowej
i zakresuruchuw stawachkończynygórnej 49
Badani 51
3.Wynikibadań 53
Eksper ymentI 53
Sterowanieaktywnościąmięśnipodczasruchu
powybranym fragmencietrajekt orii wzorcowej 53 Charakte rystykaczasowaaktywnościagonistyiantago nisty
wruchach szybkich idokładnych 54
Względnasynchro nizacja 56
Charakterysty ka czasowaaktywnośc iagonistyiantago nisty
w ruchach oróżnychwarunkachpoczątkowych ikońcowych 57 Charakterystykaamplitudowaaktywno ś ciagonistyiantagonisty
wruchachszybkich iwolnych,wróżnychwarunkach
początkowychikońcowych 59
Analiza 60
Wnioski 64
Eksperyment II 64
Sterowani eaktywnością mięśni końc zynygórnejw ruchachzłożonyc h 64 Aktywnośćmięśniwwarunkach standar dowych 66 Aktywność mię śniw warunkach zmianyliczbystopni
swobodykończynygórnej 69
Analiza 78
Wnioski 80
4. Podsumowanie 81
5. Terminy i ich defini cje 85
6.Piśmiennictwo 87
1
Wprowadzenie
Proces sterowania ruchami to jeden z ważniejszych problemów badaw-czych w naukach o kulturze fizycznej, szczególnie w tych działach, które
zajmują się badaniem ruchu człowieka. Za jednego z pierwszych badaczy
wykorzystującego wiedzę neurofizjologicznąi metody biomechaniczne
uwa-ża się Bemsteina (Jansons 1992).Opublikowane przez niego wyniki badań
isformułowane teorie były isąnadal cytowane w literaturze, zarówno neuro-fizjologicznej,jak i biomechanicznej (Corcos 1989, Desmurget i in. 1996, Fidelus 1983, Flash 1990, Gawroński 1975, Ghez i Gordon 1987, Gordon i Ghez 1987,Konorski 1969,Latash 1993, Moreckii in. 1971,Prochazka 1996, Schmidt 1980, 1991,Tamecki i in. 1991,Zemicke 1996,Zmysłowski 1983), aprezentowanepoglądy dotyczące sterowania ruchem stanowią kontynuację badań wielkiego biomechanika.
Proces sterowania ruchami
manipulacyjnymi w
poglądach
biomechaników i neurofizjologów
Celem tegorozdziałujestprzedstawienie dorobkuróżnych dziedzinwiedzy istotnego dlawyjaśnieniaprocesusterowania ruchami.Zawarto w nim jedynie te informacje, które są niezbędne do prowadzenia badań nad efektem końcowym procesu sterowania. Podj ęto próbę syntetyczneg o przedstaw ienia tych składowych procesu sterowania, które należy uwzgl ędnić zarówno podczas prowadze nia pracbadawczych nadefektem końcowym procesu sterowania,
8
jak ibadając proces uczenia się ruchu, pracując nad testami koordynacji ru -chów, oceniającpredyspozycjedo uprawiania różnych dyscyplin sportu czy też prowadząc pracezmierząjące dowyjaśnieniamechanizmów zachowaniasię ruchowegoczłowieka.
Pojęcie
stero
wania i
r
egulacji
Konieczność wyjaśnien ia terminów "sterowanie" i "regulacja" wynika z faktu, że często używa się zamiennie obu określeń do opisu i wyjaśnienia procesów zachodzących podczas wykonania czy też nauczania ruchów. Jak WYnika z definicji tych terminów- sformułowanych przez teorię sterowania - podstawowym kryterium różnicującym te procesy jest kryterium czasu, jaki upływa od podjęcia decyzj i o wykonaniu ruchu do jego realizacji, a także możliwość wprowadzenia korekt jego przebiegu, w chwili gdy pojawią się zakłócenia.W automatyce sterowanie definiuje się jako celowe oddziaływanie na przebieg procesu (Kaczorek 1977,Markowski i in. 1985). Oddziaływanie to może zachodzić w układzieotwartym (sterowaniew układzi e otwartym) bądź zamkniętym (sterowanie w układzie zamkniętym). Przenosząc definicję sfor-mułowanąprzez automatyków napłaszczyznę badańruchów człowieka,w tym manipulacyj nych, można stwierdzić, że w procesie sterowania w układzie .otwartym, podczas wykonywania każdego ruchu dowolnego, w chwili gdy pojawią sięzakłóceni a (rys. 1a)układnerwowyniejest w stanie zareagować iwprowadzić korekty do procesu sterowania tak, aby ruch mógł być wyko-nany zgodnie z programem.Sterowanie dokładnościąruchuwukładzie otwar-tym jest możliwejedynie wtedy, gdy na podstawie sygnału sterującego można przewidzieć przebieg ruchu. Jednak gdy pojawią się zakłócenia z zewnątrz, które są nieznane i niemożliwe do przewidzenia, to sterowanie w układzie otwartym jest w takim przypadku nieskuteczne, a ruch manipulacyjny nie-dokładny. Mianem zakłócenia określa sięwszystkie czynniki, które pochodzą spozaukładu ruchu iutrudniają sterow anie. Sterowaniew układzie zamknię tym nazywa się regulacj ą (rys. 1b), która zapewnia dokładniej szą realizację programu ruchu. Dzieje się tak, gdy ruch jest na tyle wolny, że w trakcie trwania ruchu umożliwi a wprowadzen ie do ośrodków układu nerw owego sygnałówo przebiegu wykonanego ruchu, zmieniaj ących sięwarunkach jego wykonania czy też pojawiających się zakłóceniach. Sygnałyteuniezależniaj ą układruchu od zakł óceń , natomiast kontrola skutków sterowaniaumożliwia jego korygowanie nabieżąco.Jak wynika z przedstawionego opisu,regulacj a jestpojęciem węższymodsterowania.
W fizjologii i biomechanice pojęciu sterowania odpowiada pojęcie ko -ordynacji ruchów rozumianej jako współdziałaniemechanizmów fizjologicz -nych, głównie nerwowo-mięśniowych, zapewniających wykonanie realnego ruchu zgodnie z założeniami (Fidelus 1983). Realność wynika z możliwości siłowych, szybkościowych i energetycznych organizmu. Natomiast założenia
to wypracowany w procesie uczenia się program ruchu. Koordynacjęruchów definiuje sięzarówno jako cechę, czyli własność układu nerwowo-mięśnio wego, a więc układu steruj ącego człowieka, jak i czynność, to jest proces
sterowania ruchem (Komor 1983).
a) zakłócenia b) Układnerwowy (program ruchu) impulsynerwowe
(s
terujące) ~
I
ruchdokładny ",-Układruchu 7' zakłócenia~
>
Układnerwowy impulsy nerwowe """- ruchdokł (programruchu) (steruj ące),
UkładruchuI
adn~
Rysunek l.Sterowa niewukładzieotwartym(a)isterowanie wukładziezamkniętym
10
W wychowaniu fizycznym i sporcie koordynację ruchów rozumie sięjako cechę motoryczną (definiowanąteżjako predyspozycje)uwarunkowaną pro-cesami zachodzącymi w układzie nerwowo-mięśniowym iprzejawiającą się zdolnościami do wykonywania złożonychruchów.Uwzględniając charakter
różnychdyscyplinsportu izwiązanąz tympotrzebęznalezienia takich cech, które decydują o uzyskaniu mistrzostwa sportowego, wyróżniono następu jące zdolnościuwarunkowane przebiegiem procesu sterowania:
różnicowania- warunkujące dokładność iekonomięruchów. Zdolności te decydująo kątowej pozycji w stawach,o stanie napięcia zaangażo wanych mięśni oraz prędkości ruchów;
równowagi - umożliwiająceutrzymanie pozycji ciałaoraz zachowanie lub odzyskanie tego stanu podczas czynnościruchowej lub po jej wy-konaniu;
szybkiej reakcji motorycznej - pozwalające na szybkie zainicjowanie i wykonanie celowego, krótkotrwałego działania ruchowego na okreś lonysygnał,w którymzaangażowanejestcałeciałolubjegoczęść ; dostosowania - umożliwiające wdrożenie optymalnego programu dzia-łańw danych warunkach oraz w odpowiedzinanieoczekiwanąsytuację. Zdolności te przej awi ają się możliwością dostosowania parametrów
czasowo-przestrzenno-siłowych struktury ruchu, przy jednoczesnym zachowaniuplanowanego irealizowanego programudziałania;
orientacji - warunkujące określenie pozycji ciała oraz jej zmian pod -czas ruchucałego ciaław czasie i w przestrzeni w odniesieniudo ustalo-nego pola działania;
sprzężenia- zapewniające celową organizację ruchów części ciała po-przezintegracjęprzestrzennych,czasowych i dynamicznych parametrów ruchu ipodporządkowanieich zadaniu ruchowemu;
rytmizacji- wyrażające się dostosowaniem ruchów do podanego rytmu (zewnętrznego) lub przyjęciem własnegorytmu ruchu (wewnętrznego) (Mynarski 1994).
Badaniem wymienionych zdolności dla potrzeb wychowania fizycznego i sportu wyczynowego zajmuje się dział teorii wychowania fizycznego - antr o-pomotoryka (Hirtz i Starosta 1991,Ljach i in.1995, Szopa 1993, 1995a,b).
Program ruchu
W wychowaniu fizycznym i w sporcie wyczynowym nauczanie czynności ruchowych czyteż techniki sportowej jest tworzeniem programów ruchowych,
natomiast wykonaniezadania ruchowego czy to podczastreningów, czy też
w trakcie zawodów sportowych jest odtworzeniem zakodowanych w pro-cesieuczenia sięprogramówruchowych.
Program ruchu (Latash 1993) stanowi określony zapis w pamięci układu nerwowego i jest syntetyzowany w procesie uczenia się ruchu. Mimo pro
-wadzonych badań (Zmysłowski 1991)dotychczasnie ustalono postaci zapisu programu ruchowego ani też nie określono konfiguracji układów neurona
l-nych, w których jest przechowywany. Wiadomo, że synteza programów ru -chowych dokonuje się przez dopływ do ośrodkowego układu nerwowego
sygnałów aferentnych płynących zróżnych receptorów do układu nerwowego oraz ich integrację. Badając deficyty ruchowe, które występują u zwierząt w wyniku określonych lezji, atakże śledząc przypadki patolog iczne powstałe w wyniku uszkodzenia struktur układu nerwowego (Gawroński 1975, Jaki -mowicz 1987,Konorski 1969,Sainburg i in. 1993, Skangiel-Kramska 1983,
Walsh 1966, Żernicki 1980, 1986),można stwierdzić, że programy ruchowe zapisywane są na wszystkichjego poziomach. Zakłada si ę, że istniej e wiele klas programów motorycznych opracowanych iprzechowyw anych w hier ar-chiczniezróżnicowanych strukturach ośrodkowego układu nerwowego. Zestaw najważniejszych programów ruchowych został zdefiniowa ny przez Brooksa
(za:Tameckiiin. 1991).Sąto:
programy decyzyjne (powstając e w wyniku dużej liczby informacji iwielu złożonych proces óww asocj acyjnych strukturach mózgu), - programy wyboru strategii działania (przygotowujące programy alter
-natywne),
programyprzygotowawcze do wykonywania ruchu, programy taktyki wykonaniaruchu.
Programyprzygotowującedowykonania ruchuitaktyki ruchusą ściśle zwią zane zniższymi ośrodkami motorycznymi i mogą być realizowane niezależnie od programówcentralnych.Nathan iSears (za: Tameckii in. 1991)uważają, że
stopień ichpowiązaniaz programem decyzyjnym iwyboru działania zależy od złożoności ruchu,atakżeod jegoprędkości, dokładnościisiły.
Ważnąrolę w procesie tworzenia programów ruchowych, atakże wpro
-wadzania korekt w trakciewykonania ruchu,pełni móżdżek. Otrzymuje on informacje z proprioreceptorów oraz z innych centralnych struktur układu nerwoweg o o zaplano wanych do wykonania reakcjachruchowych. Przyjmu -je się(Evarts 1968),żeprzyrobakowaczęść móżdżkuoraz jądrowstawkowe . są podporządkowane funkcjonalniekorze motorycznej,natomiast boczneczęści
12
kory rucho wej ibiorą udział w program owan iu,atakżew zapoczątkowywa niu ruchu.Na istotną rolę móżdżku w procesie programowania, a także wy -konywania wszystkich ruchów wskazuje też fakt, że sygnały z kory niosące informacje o programie danego ruchu docierają do móżdżku wcześniej niż sygnały z mięśni niosące informacje o wykonaniu tego ruchu. Dlatego też przyjęto, że w móżdżku znajdują sięmechanizmy przekładu napięć mięśnio
wych na akty ruchowe(Konorski 1969).
Natomiast rola kory ruchowej w procesie sterowania ruchem polega na organizowaniu wykonania ruchów dowoln ych przez torowanie lub hamo-wanie aktywności niższych ośrodków ruchowych. Jest to możliwe dzięki drodze korowo-rdzeniowej, w skład której wchodzą również aksony neuro -nów okolicy premotorycznej i dodatkowego korowego pola ruchowego, wy-wieraj ąc bezpośredni wpływ na neurony rdzenia (Murry i Coulter, za: Tar-nawski i in. 1991).Z drogi tej odchodzą również odgałęzienia docierające do wielu strukturukładunerwowego (zwoj ów podstawy,wzgórza,jądermostu,
móżdżku). Według Adriana i Coopera (1989) kora ruchowa nie odpowiada za planowanie wzorców ruchowych,ale jest najwyższą stacjązbierającąins -trukcje do tworzenia programu ruchowego. Służyjako koordynator lub stacja przekaźnikowa dla informacji z innych części ośrodkowego układu nerwo -wego. Brak korowej kontroli stawów imięśni potwierdził w swoich bada-niach Gelhown (za: Newell i Corcos 1993), który wykazał, że stymulacja pewnychpunktów kory mózgowej daje wyraźnie określonewzorce ruchowe. Stwierdziłteż, że stymulacjaróżnychpunktów kory może powodować prze -mieszczaniesiętych samychczęści ciała.
W tworzeniu programów ruchowych nie można pominąć roliukładu poza-piramidowego (Grottel 1983, 1984, 1991),którego bogactwo połączeńwew -nątrzjego struktury, a także między innymi ośrodkami układu nerwowego, utrudniaokreśleniejego roliw tymprocesie. Ponadto wielestrukturna wszys t-kich poziomach układu.nerwowego ściśle współdziała ze strukturami sys -temu piramidowego, a w przypadku uszkodzen ia przej muje znaczną część utraconych przez niego funkcji.
Można zatem stwierdzić, żewykonanie każdego ruchuniezależnie od stop-nia jego złożoności,odbywa się według ściśle określonegowzorca przecho -wywanego wróżnychstrukturach układunerwowego w postaci programu ruchu iprzy udziale ogromnej liczbypołączeń międzytymi strukturami. .
Główne kierunki badania procesów sterowania ruchów to kierunek bi o-mechaniczny oraz kierunek neurofizjologiczny. Według Zaj aca (1993) celem biomechaniki jest wyjaśnieniemechanicznych zależności między segme n-tamiciała imięśniami podczas wykonywaniazadańruchowych. Dlatego też
w badaniach układu ruchu nie uwzględnia się- w pojęciu neurofizjologic z-nym - ośrodkowego i obwodowego układu nerwowego. Ponadto badania biomec haniczne wychodząz opisu fenomenologii ruchu i na tej podstawie tworzone sąhipotezy o jego realizacji.Pierwszym przedstawicielemkierunku biomechanicznego był Bernstein (1967), który sformułował teorię, w myśl której podstawowym mechanizmem syntezysterowań w układzie mo torycz-nym sąkorekcje czuciowe.W swoich pracach on i jego kontynuatorzy (Bem -stein 1967,Latash i Turvey 1996) przedstawili koncepcjętworzenia programów ruchowych, która oparta jest na synergiach i świeżych śladach (engrams). Sy-nergie definiowane sąjako sekwencje czasowe pobudzeń grup mięśni, następ stwem których sąproste skoordynowane ruchy.Te z kolei tworząruchyzło żone. "Świeże ślady" są prototypem planowania ruchu (na tym etapie nie są określoneparametry przestrzenne i czas trwania ruchu).Tworzonesąw c en-tralnych strukturach układu nerwowego, a następnie przesyłane do niższych (rdzeniowych) poziomówukładunerwowego i realizowane jako ruchy. W pro-cesie sterowania Bernstein(1967)wyróżnia:
I etap- w którym ustalony jest stan elementów czuciowych iruchowych,
- II etap- w którym realizowane sąkorekcje na podstawie oceny wy ko-nania ruchu.
Według Bernsteina (1967) sterowanie ruchem człowiekapolega nanadąż nym porównywaniu wartości pożądanej - która jestsformułowanymw wyni -ku uczenia się programem ruchu - z aktualnymi parametrami ruchu. Dlatego też podczas ruchu mięśnie pobudzane są przez impulsy płynące z układu nerwowego, zapewniające wykonanie ruchu zgodnie z jego programem, ale
również z uwzględnieniem pojawiających się zakłóceń pochodzących spoza układu ruchu.Dzięki procesowi porównaniawartości pożądanejz bieżącym i parametrami ruchu dochodzi do:
utworzenia impulsów korekcyjnych, - zaakceptowaniawykonanego ruchu, - wprowadzenia korekt doprogramu ruchu.
Kontynuatorem badańprekursorabiomechanikina tym polubyłjegowspół pracownik L.W.Czhaidze (za: Jansons 1992),który na podstawie teorii s
for-mułowanych przez Bernsteinaprzedstawił obieg informacji w organizmieczło wieka podczas uczenia się nowych ruchów, a zatem podczas formułowania programu ruchu. Jego zdaniem w procesie programowaniaruchuwykorz ysty-wane są dwa pierścieni e sterowa nia: zewnętrzny i wewnętrzny. Sprzężenie zwrotne zewnętrzne, wykorzystując strukturę pierścieni a zewnętrznego, st e-ruj e znaczeniowączęściązadania ruchowego,to znaczy okreś la cel i rodzaj
14
ruchu, awięc taktykęruchu.Sprzężeniezwrotnewewnętrzne, którego struktu-ra zapewnia obieg informacji wewnątrzorganizmu,decyduje oczęści wyko-nawczej ruchu,określając technikędanego ruchu.W procesie syntezy nowych programów ruchowych pierścień zewnętrzny steruje niższymi poziomami poprzezwyższe, natomiast po opanowaniu parametrów przestrzennych ruchu sterowanie ruchem przebiega w wewnętrznym pierścieniu sterowania.
Pier-ścień wewnętrznyobejmuje niższe piętra układunerwowego(Czhaidze 1973,
Fidelus 1983, Morecki i in. 1971). Tworzenie programu ruchu odbywa się
w dwóch etapach (Fidelus 1983): automatyzacji i stabilizacji. Automatyzacja polega na wyborze poziomu sterowania w układzie nerwowym przez dobór odpowiednich sprzężeń zwrotn ych. Następstwem automatyzacji jest przełą
czanie sterowania do niższych struktur układu nerwowego. Etap stabilizacji
zapewnia realizację programu ruchu niezależnie od zakłóceń zewnętrznych iwewnętrznych . Na tym etapie dokonujesię współpraca międzypoziomami odpowiedzialnymi za wykonanie ruchu, anastępniestandaryzują sięzestawy ruchów oraz ich parametry dynamiczne. Oznacza to okreś lenie ograniczeń sterowalności danego ruchu,czylizakresów zmiennościwarunkówwewnętrz
nych izewnętrznychprzebieguruchu.
Kierunek neurofizjologicznyobejmuje badania roli poszczególnychstruk
-tur systemu nerwowego, badanie topografii iwłasności ruchów wywołanych metodąodruchów i elektrostymulacj i, a także badania elektrofizj ologiczne
struktur neuronalnych (Górska i in. 1997).Teoriaopisującaprocesyniezbędne
do wykonywania ruchuoraz wyj aśni aj ąca ich mechanizmyzostała sfonnuło
wana przez Konorski ego (1969). Teoria ta zbudowana została na założeniu, że synteza sterowań odbywa się z wykorzystaniem programów ruchowych,
które sąwytwarzane i przechowywane w analizatorze kinestetycznym. Pro -gramy tetworzone sąw wyniku gromadzenia doświadczeńw trakcie rozwoju
osobniczego.Odczytprogramów (programowanie ruchów) następuj e w wy -niku pobudzenia jednostek gnostycznych analizatora na drodze asocjacji.
Programy przekazywane są do niższych hierarchicznie struktur systemu, tj.
do móżdżku i struktur rdzeniowych, w których są transformowane w
syg-nały sterujące, przekazywane do mięśni. Informacja zwrotna o stanie mięśni przekazywana jest drogami wstępuj ącymi do wszystkich struktur układu
nerwowego, a przede wszystkim do móżdżku, gdzie następuj e przełożenie
języka napięć mięśniowych najęzykruchów.
Proces tworzenia programów ruchowych, według teorii Konorskiego,
tłumaczy się następująco. W trakcie wykonywania ruchów chaotycznych,
w początkowym okresie rozwoju osobniczego, okolice gnostyczne analiza
potrzeby człowieka, uruchamiaj ą połączenia międzyjednostkami gnostycz
-nymi, a w rezultacie tworzą sięprogramy ruchów, będące w miarę rozwoju osobniczego programami coraz bardziej złożonymi. W programowaniu ru-chów istotną rolę odgrywająasocjacje skierowane do analizatora someste-tycznego i kinestetycznego. Odnosząc teorięKonorskiego do tworzenia pro-gramów ruchów tego typu można stwierdzić, żew ruchach manipulacyjnych
każdyruch kończynygórnej prowadzi do zmiany jej położenia. Następst
wem jest kojarzenie percepcji kinestetycznej ruchu z percepcjąsomestetyczną
jego wyniku, dostarczonąprzez gnozję stawową. Percepcje somestetyczne
stanowiąsygnalizację zwrotną, informująco prawidłowości wykonania da-nego ruchu, i dlatego współdziałanie kinestetyczno-somestetyczne spełnia
ważną rolęw programowaniu, a następnie wykonaniu ruchów kierowanych za pomocą somestezji. Rola analizatora kinestetycznego w programowaniu ruchów nie polega na analizie bodźców dostarczanych z zewnątrz układu
nerwowego, lecz na dostarczaniu sygnałówz mięśni poprzez drogi asocja-cyjne do kinestetyczn ych jednostek gnostycznych. Precyzyjne wykonanie zaprogramowanych ruchów manipulacyjnych możliwe jest dzięki połącze niom kinestetyczno-wzrokowym,
Można zatem stwierdzić, że aby w pełni wyjaśnić proces realizacji pro -gramów ruchowych, należy z jednej strony poznawać(przez badania bio-mechaniczne) zachowanie się ruchowe człowieka, uwzględniającprzy tym mechanizmy,od których ono zależy, a z drugiej- badając (metodami neuro-fizjologii) podstawowe własnościtych mechanizmów, wskazywać na ich
rolęw sterowaniu ruchami człowieka.
Czynniki warunkuj
ące sprawnośćprocesu stero
wania
ruchami manipulacyjnymi
o
jakości procesu sterowania decyduje wiele czynników, które można pogrupować następująco:anatomiczne - m.in. budowa oraz właściwości włókien nerwowych
i receptorów,
fizjologiczne - m.in.czas przetwarzaniainformacji w systemie nerwo-WYm,
informatyczne- m.in.liczba obwodów sterowaniazaangażowanaw kon-trolizgodności ruchu z jego programem.
Czynniki anatomiczne to różnorodność receptorów i budowa dróg nerwo-wych,którymi przebiegają impulsy (Jagielski i Maciej owski 1991, Niechaj
16
1991). Dośrodkowe i odśrodkowe włókna nerwowe, ze względu na ró żną. grubość osłonek mielinowych ,charakteryzuj ą się inną prędkościąprzewod
ze-nia (Duus 1989). Ponadto na wydłużenie czasu obiegu impu lsu nerwow ego
mawpływ droga,jakąimpuls ten musiprzebyć. Stwierdz ono,że opóźnienia
powstające w długich włóknach nerw owych, zarówno komórek a, jak i
y,
iwłóknach doprowadzaj ących sygnały z wrzeciona, zakończeń ścięgnowych Golgiego i innych receptorów czuciowych (ciałek blasz kow atych Vaterai Pacin iego, płytek dotykowych Merckla, ciałek dotykowych Meissne ra) do najbardziej oddalonychsegmentów kończyn mogą wynosić0,1 s.
Czynniki fizjologiczne to procesy zachodzące w układzie nerwowym
imięśn iowym podczas obiegu informacji od receptora do efektora. Dokład
ność ruchu zależyod czasu przepływuinformacji w systemie nerw ow ym . Wyróżnia się (Gawroński 1975) następującą skalę czasu w procesach prze
-twarza nia inform acji:
do 1ms - procesy generowania impulsu nerwowego,
do 10 ms- szybkie procesysynaptyczneiuśrednianieprzeb iegów, do 200 ms - przebiegi w prostych stru kturach neuronowych i wolne procesy synaptyczne związanez hamowaniem,
do 3 s - procesy związane z wypadkową latencją w doświadczeniach behawioralnych,
do 15 min- procesyzwiązanez pamięcią chwilową,
powyżej 15 min - procesy związanez pamięcią trwałą.
Czynnik informatyczny to liczba obwodów sterowania zapewniająca do
-kładność wykonaniaruchu.W zależnościod stopniazłożoności ruchu schematy
sterowania ruchami człowiekasąbardziej lub mniej rozbudowane(Iw ankie-wiczi in. 1991,Corcos i in. 1989,Wickens i in. 1994).
Bez względu na to, czy kontrola ruchów odbywa się przez sterowanie
w pętli zamkniętej czy otwartej, wymaga wielu inform acjiz różnych re cep-torów zarówno o długości i napięciu mięśnia, jak i o położeniu stawów czy też zmienności wartości przyłożonych sił zewnętrznych. Informacje te prze-kazywanesąprzezpętlęmono-,oligo- ipolisynaptyczną. Czas obiegu infor-macj iwkażdej z tych pętlipow oduj eopóźnieniaw reakcji ruchowej.
Pętla monosynaptyczna, zw ana też odruchem monosynaptycznym, jest
przedm io tem wielu prac badawczych (Gan dev ia 1996, Voogd 1993, Pro
-cha zka 1996, Smeets i in. 1995) . Pętlata jestodpowiedzialna za utrzymanie
stałej długości mięśnia iprzeb iega od receptora, przezjeden lub dwa seg-menty rdzenia kręgowego, z powrotem do tego samego mięśnia. Pętla ta
-cych neuronów ruchowych (przebiegaj ących drogą piramidową, włóknami
siatkowo-rdzeniowymi i przedsionkowo-rdzeniowymi), a zatem na długość mięśnia mogą wpływać ośrodki nadrzędne, co jest bardzo istotne w procesie sterowania ruchami dowolnymi, a także podczas tworzenia programu ruchu
(kształtowaniasięnawyku ruchowego).
Pętla oligosynaptyczna zawierawięcej niż jedną synapsę, chociaż,jakdotąd,
ich liczba nie została dotychczas dokładniesprecyzowana (Latash 1993).
Przy-kłademjestpołączeniewrzeciona mięśniowegoagonisty z motoneuronem
a
antagonisty poprzez jeden neuron wstawkowy.Pętlapolisynaptyczna zawiera liczne neuronypośredniczącei uczestniczy w procesie sterowaniakażdymruchem człowieka. Każdy mięsień- zarówno agonista,jak i antagonista - w układzie ruchu człowiekadysponuje dwoma układami sprzężeńzwrotnych:
układemkontroli długości z wrzecionami mięśniowymijako czujnikami
. .
pormarowymi,
układem kontroli siły z zakończeniem ści ęgnowym jako czujnikiem pormarowym.
Procesy zachodzącew pętli polisynaptycznej wykorzystująniezliczoną liczbę połączeń wewnątrzrdzenia kręgowego, na które wpływająimpulsy
płynącez pnia mózgu imóżdżku.
Opisanepętle synaptyczne, których badaniem zajmują sięneurofizjolodzy (Voogd 1993) i biomechanicy (Latash 1993), odgrywają istotną rolęw pro-cesie sterowania zachowaniem ruchowym człowieka. Dziękinim możliwe są różne odpowiedzi mięśniapodczas zmiany wielkości siły zewnętrznej
od-działywającejna segment kończyny. Następstwem udziału WYmienionych
pętli sterowania jest pobudzeniemięśniatrójfazowo zróżnymi czasamiopóź
nienia (Schmidt 1991) :
I impuls- opóźnienie30-50 ms,
- II impuls- opóźnienie 50-80 ms, - III impuls- opóźnienie 80-120 ms.
Reakcja, której opóźnienie spowodowane jest przepływemimpulsu od chwili podjęciadecyzji o wykonaniu ruchu do zapoczątkowaniapobudzenia
mięśnia,w literaturze nazywana jest czasem reakcji, preprogramowaną reakcją, M2-3 lub odruchem na rozciągnięcie(Johansson i Westling 1984, Latash 1993).
Czas trwania opóźnieniawynosi ok. 120-180 ms,zależyod rodzaju zadania ruchowego i może ulegać zmianie pod wpływeminstrukcji nauczyciela lub trenera, atakżew wyniku treningu.
18
Według Schmidta (1991)i Latasha (1993)mięsieńjest pobudzany impul
-sami płynącymi z co najmniej czterech obwodów sterowania. Należy
pod-kreślić, że wkażdym ruchu, niezależnieod tego do jakiej klasy ruchów należy,
uczestnicząwymienione pętle sterowania.Denier van der Gon i in. (1990),
opisując wzorzec aktywnościelektromiograficznej ,w sytuacji gdyruch koń
czyny górnej został w sposób nagłyzatrzymany, wskazują na udział dwóch
pętli sterujących napi ęci em mięśni.
Wcześniejsze prace badawcze (Anochin 1968 za: Morecki i in. 1971)
wskazywały na dwuetapowe pobudzenie mięśni. Pierwszy etap pobudzenia
następowałpo upływie 60-70 ms od podjęcia decyzji o wykonaniu ruchu izapewniał wstępne napięcie mięśni realizujących funkcj ę stabilizacyjną
poszczególnych odcinków ciała. Natomiast drugi etap dotyczył mięśni r
ea-lizujących funkcję ruchowąicharakteryzował się opóźnieniemwynoszącym około 100-130 ms.
Opisane opóźnienia wynikają z czasó w trwania składowych sterowania.
Zakłada się, że istniej ą określone układy neuronalne (Zmysłowski 1991), które wyznaczaj ączas trwania sterowania imogąbyć podobnedo tych,które
wyznaczająsterowanie wruchulokomocyj nym (Kasicki 199 1).
Poza pracami z dziedziny neurofizjologii i biomechanik i należy wskazać wiele publikacji z zakresu cybernetyk i(Dewhurst 1976, Goodman i Gottlieb 1995, Gutman i in. 1992, 1993, Macukow 1990, Oguztóreli i Stein 1983, Tadeusiewicz 1990, Uno i in. 1989), których celemjest badanie (za pomocą
metod modelow ania) zj awisk zachodzących w procesie sterowania ruchem
w organizmach żywych, anastępnie wykorzystanie ich w bionice, np.w k
on-strukcji biomanipulatorów.
Trudno określić, czyjakość wykonania ruchu wynikającaz procesu stero-wania i możliwośćdokonywaniakorekt w przypadku pojawieniasięzakłóceń
zewnętrznychjest właściwościąuwarunkowanągenetycznie , czy też dosko-nalisięw wyniku nabywaniadoświadczeń(np.w trakcie treningu). Wiadomo,
żekoordynacja ruchów,będąca zewnętrznymprzejawem procesów sterowania wukładzie nerwowo-mięśniowymjestwłaściwościąistotnąw wielu dyscypli-nach sportu.Kozłowski (1978) jako jeden z pierwszych wskazałna
koniecz-ności szukania rezerw w procesach sterowania uwarunkowanych funkcj ono-waniemukładu nerwowego, głównie z powodu osiągnięcia przez sportowców bardzo wysokiego pułapu możliwościenergetycznych. Dokładnewykonanie zamierzonego ruchu, niezależnie od występujących zakłóceń zewnętrznych (zwłaszczatychniemożliwych do przewidzenia),w wielu dyscyplinach sportu (w których czas zadania ruchowego jest bardzo krótki, gdyżproces sterowa
-nia przebiega w pętli otwartej) jest podstawowym warunkiem osiągnięcia
Kr
yterium
czasu
w
klas
yfikacji
ruchów manipulacyjnych
W biomechanice czas ruchu i możliwość wprowadzania ewentua lnych
zmian jego przebiegu stanowiąkryterium wyodrębnienia różnych klas ruchów (Morecki i in. 1971).Sąto:
ruchymimowolne- realizowane według schematułuku odruchowego, ruchy "balistyczne" (zwane też preprogramow anym i) - czas trwania wynosi około 0,1-0,2s, zbyt szybkie, aby mogły być korygowane podczas ruchu,
ruchy ciągłe- czas ich trwania pozwala na wprowadzanie korekt pod
-czas trwania ruchu, co odbywa się przez bieżące porównywanie para
-metrów wykonywanego ruchu z jego programem.
Prowadzone w ostatnim dziesi ęcioleciu badania ruchów balistycznych
dotyczą głównie możliwościwprowadzania korekcji w procesie sterowania podczas trwania ruchu iwskazuj ąna istnienietakiej możliwości (Ghez i Gor
-don 1987).Na podstawie wynikówtychbadań, żemożliwejest wprowadzenie korekcjijużpo upływieok.70 ms od początku sterowania,a więczbyt szybko, aby odbyło się to na podstawie oceny położenia kończyny dzięki informacjom z proprioreceptorów . Tym bardziej nie jest to możliwe na podstawie oceny ruchu za pomocąwzroku.Wyniki prowadzonych badań wskazuj ą, że zmiana
sterowaniaodbywa sięw systemiewewnętrznych pętli zwrotnych, przez które
następuje porów nanie zadanego położenia kończyny z położeniem żądanym, anastępnieutworzeniesygnału korekcyjnego.Zmysłowski (1991)przypuszcza,
żedla ruchów ręki pętlata przeb iega od neuronów C3-C4przezjądro siatko
-wate boczne,móżdżek,jądro czerwiennei do neuronów C3-C4.
W teorii wychowani a fizycznego (Schmidt 1991) proces sterowania ru
-chem w pętli otwartej i zamkniętej stanowi kryterium podziału ruchów na nawyki otwarte i zamkni ęte. Sterowanie w pętli otwartej odnosi się do tej klasy ruchów czy nawyków ruchowych,których czas trwania jest tak krótki,
że uniemożliwiawprowadzenie informacj i na tematniezgodnościzrealizowa
-negoruchu zjego programem podczas trwania ruchu. W klasyfikacji b iome-chanicznej jest to klasa ruchów balistycznych. Natomiast w nazewnictwie neurofizj ologiczn ym warunki te spełni a klasa ruchów preprogramowanych .
Pod okreś leniem "nawykizamknięte" rozumie sięklasęruchów sterowanych
w pętli zamkniętej (regulowanych), w których sprzężenia zwrotnezachodzące
naróżnychpoziomach umożliwiają korektęruchu podczas jego trwania.
Odpo-wiadają one - w przedstawionej wcześniej klasyfikacj i biomechanicznej -ruchom ciągłym.
20
Strategie sterowania
W latach siedemdziesiątych pojawiły się teorie (Gawroński 1975) zakła dające, że w przypadku ruchów wykonywanych po raz pierwszy układ ner-wowy podejmuje decyzjęo tym, czy ruch mabyć wykonany szybko, czyteż dokładnie.W ostatnimdziesięcioleciuopublikowano prace(Corcos i in. 1990,Gottlieb i in. 1989a,b, 1990a,b, 1992,Karst i Hasan 1990)formułująceteorie strategii sterowania.Z prac tych wynika,że następstwem polecenia wykona-nia ruchu szybko,czyteż szybko idokładnie,jestprzyjęcie przez układ ner-wowy odpowiedniej strategii. Należy zaznaczyć, że opracowane w literatu-rze modele sterowania ruchem odnoszą się do klasy ruchów balistycznych (preprogramowanych) o jednym stopniu swobody.
Strategie definiuje sięjako zestawreguł wystarczającychdo wykonania zadania ruchowego, ustalających zależności między zadaniem ruchowym
amierzonymi zmiennymi (Gottlieb i in. 1989a). Do zmiennych mierzonych zadania ruchowego należą: potencjał czynnościowymięśni zaanga żowanych
w ruchu,droga i czas ruchu.Każda strategiamoże być opisana w odniesieniu do co najmniej dwóch zależnych zestawów reguł. Pierwszy zestaw opisuje zależności między cechamijakościowymizadania ruchowego ipotencjałem czynnościowym mięśni (reguła EMG),drugi - między cechamijakościowy
mi zadania ruchowego a kinematyką (reguła kinematyczna). Różne rodzaje
zadańruchowych, w których doświadczalnieustala się zmienne zadania ru-chowego , mogą prowadzić do ilośc iowej ijakościowej zmiany zachowania ruchowego.
Proces sterowania i jego znaczenie
w
motoryczności człowiekaZachowanie ruchowe człowiekajest przedmiotem badań antropomotoryki.
Ponieważ dziedzina ta korzysta z wiedzy o sterowaniu ruchami do opisu
motoryczności człowieka, to należy przedstawić poglądy przedstawicieli tego kierunku.
W teorii motoryczności człowieka wyróżnia się stronę potencjalnąi
efek-tywną. Strona potencjalna odzwierciedlamożliwości wewnętrzne człowieka,
do których należąpredyspozycje,zdolności iumiejętności ruchowe. Podstawą
tej strukturysąpredyspozycje, które definiuje się(Szopa 1995b)jako "względ
nie elementarne cechy strukturalne i funkcjonalne organizmu w znaczącym
podłoże biologiczne, predyspozycje podzielonona cztery grupy
(morfologiczno--strukturalne, energetyczne,koordynacyjne,psychiczne).
Według Blumego (Szopa 1995) można wyróżnić trzy komp leksy pre
-dyspozycji koordynacyjnych:
sterowania - odpowiadających uruchamianiu programów ruchowych
i przenoszeniu ich na efektory,
motorycznych - polegających na współdziałaniu w procesie korekcji
receptorów iośrodków nerwowych oraz uruchamianiu efektorów w
za-leżności odzmieniających sięwarunków otoczenia,
uczenia się motorycznego - odpowiadających tworzeniu programów ruchowych.
W obrębie każdego kompleksuwyróżnia się predyspozycje szczegółowe. Zdaniem polskich badaczy te szczegółowe predyspozycje można podzielić
na dwie zasadnicze grupy. Pierwsza- to predyspozycje oparte na sprawności
uruchamiania istniej ącychjuż programów ruchowych, natomiast do drugiej grupy należyzaliczyćpredyspozycje mające znaczenie w procesietworzenia nowych programów ruchowych. Jak podkreślają autorzy wielu prac z teorii motoryczności człowieka (Mynarski i Raczek 1991, Szopa 1995), problem identyfikacji i klasyfikacji predyspozycji koordynacyjnych należy do naj
-bardziej dyskusyjnych i najsłabiej zbadanych zagadnień antropomotoryki.
Wynika to głównie z trudności polegających na ich wyodrębnieniu i zdefi
-niowaniu,a także z konieczności ich pomiaru metodami specyficznymi dla
naukpodstawowych(Mynarski 1994).
Ponieważ w wychowaniu fizycznym i w sporcie wyczynowym nauczanie czynności ruchowych, czy też techniki sportowej, jest tworzeniem progra-mów ruchowych,dlategoteż, szczególnie dla potrzeb sportu wyczynowego,
ważnejest z jednej strony poznanie procesu tworzenia programu ruchu ( ucze-nia siętechniki ruchu),a z drugiej - możliwość ocenytych składowychp
ro-cesu sterowania,któremożna doskonalićdzięki treningowi sportowemu.
Znalezienie stałych, niezmiennych osobniczo cech procesu sterowania mogłoby stanowić ważnyczynnik w procesie selekcji do różnych dyscyplin
sportu. Dlatego też odpowiedź na pytanie: czyjakość procesu sterowania uwarunkowana jest genetyczn ie,czy też doskonali się w wyniku nabywania
doświadczeń ruchowych, jest niezwykle interesuj ąca i użyteczna w wycho -waniu fizycznym i sporcie. Autorzy wielu opublikowanych prac próbująwska -zać te czynniki sterowania, któredoskonaląsię bądź też pozostająniezmienne
w wyniku nabywania doświadczeń ruchowych (Komor 1983, Ru tkowska--Kucharska 1981a,b)lub mogą decydować o szybkości uczenia sięnowych ruchów (Rutkowska-Kucharska 1991). Co prawda wielu autorów wskazuje
22
Rutkowska-Kucharska 1981a,b,Starosta 1983,Wołk 1994, 1995,WołkiSło
nina 1996),że sportowcyróżnychdyscyplin charakteryzują sięlepszymi w
y-nikami w zadaniach oceniających proces sterowania niż ich rówieśnicy nie
uprawiającysportu, to nadal nie jestwyj aśnione, czyjest to wynik selekcji,czy nabytych doświadczeńruchowych. Badania własneprowadzonew różnych
etapach ontogenezy dziecka wskazuj ą, że doskonalenie procesu sterowania ruchami odbywa się od wieku przedszkolnego do starszego wieku szkolnego
włącznie. Dokładność ruchu i czas potrzebny na korektę błędu zmieniają się
wrazz wiekiem,przytymzależność międzynimi nie ma charakteru liniowego (Bober i Rutkowska-Kucharska 1986,Gorgól iRutkowska-Kucharska 1992,
Rutkowska-Kucharska 1987, 1994a,b, 1990).
Niektóre dane fizjologiczne wskazuj ą, że dzięki treningowi możliwejest
doskonalenie się pewnych czynników procesu sterowania (Konorski 1969, Rapp i Gollhofer 1995,Walsh 1966).Prace badawcze prowadzone przez Kawa
-kami, Cracrafta, Petajana i Moritaniego (za: Moritani 1993) dowiodły, że
specyficzny program ćw i czeń zmie nia charakterystykę pobudzeń jednostek motorycznych, co przejawia się zmianami w zapisie EMG. Również prace
zteorii sterowania ruchem wskazująna możliwość doskonalenia funkcji
proprioreceptorów. Ilic iin. (1996),badając efekty doskonalenia si ę dokład
ności ruchów manipulacyjnych, stwierdzili, żeczucie siły (różnicowaniew
ar-tości siły w ruchach precyzyjnych)można doskonalić, natomiastczucie poło
żenia (powtarza lność zakresu ruchu wstawie) nie zmienia si ęw następstwie
wielokrotnych powtórzeń. Ponadto wyniki ich badań wskazują na większą
możliwość poprawy dokładności ruchu, gdyjest on ćwiczony z różnym
ob-ciążen iem, co wskazywałoby na udział zakończeń ścięgnowych w procesie sterowaniadokładnościąruchu.
S
terowanie
r
uchem man
ipulacyjnym
p
rzej awiające
s
ię
w
e
w
zorcu
E
MG
ag
onisty
i
antagon
isty
Jak wspomniano w poprzednim rozdziale, realizacja programu ruchu od-bywa siępoprzez sterowanie parametrami czasowymi i przestrzennymiruchu,
a o szybkości ruchu, zmianach jego kierunku i wielkości wyzwalanej siły
decyduje liczba iczęstotliwość pobudzanych jednostek ruchowych.Efektem sterowania jest pobud zenie mięśni, a wyrazem tego - pojawienie się poten
-cjału czynnościowego. Można więc założyć, że rejestruj ąc i analizując p o-tencjał elektryczny mięśni zaangażowanych w danym ruchu możl iwe jest, w sposóbbezpośredni, obserwowanienastępstwprocesów sterowania.
Podstawowym warunkiem podczas prowadzenia tego typu badańjestz na-lezienie zadań ruchowych, w których wzorzec aktywności elektrycznej jest pow tarzalny.Wtedy to badanie aktywnościelektrycznej mięśni (EMG) przy
ściśle określonych parametrach kinematycznych ruchu i znalezienie po wta-rzalnych cech potencjału elektrycznego może stanowić podstawę wniosko-wania o organizacji sterowania mchem.Morecki (1991) w pracy,której celem
było ustalenie obrazu EMG w zależności od wykonywanego zadani a rucho -wego, stwierdził powtarzalność aktywności elektrycznej mięśni w prostych zadaniach ruchowych ,atakże związkimiędzyEMGwybranych mięśni kOI1
-czyn aichpołożeniem kątowym. .
Na podstawiebadań biomechanicznych potwierdzono (Buchanan i in. 1996, Zajac 1993),że klasyfikacjamięśni zaangażowanych w danym mchu dokonana
na podstawie analizyanatomicznej czy też analizyskładowych mome ntów
sił,jakiemięsień rozwijawzględem osiobrotu stawu, ponad którym przebiega, jestniewystarczająca. Dlategoteżzastosowan iemetody,jakąj estpomiar a
ktyw-nościelektryczn ej mięśni(EMG), awskazuj ącej na stan pobudzeniamięśnia,
może uzupełnić informacjęo funkcjimięśni aw konkretnychzadaniach rucho-wych.Autorzy opublikowanych prac(De Luca 1993, 1997, Morecki i in. 197 1, Fidelus 196 1, Giroux i Lamontagne 1987, Heinonen i in. 1994, Nakazawa 1994, Stegeman i in. 1994, Van Leemputte i Willems 1987 ) wskazują, że
postęp,jakidokonałsi ęw metodach rej est racj i i analizy sygnału e lektrycz-nego zmięśni, spowodował, iż elektromiografia może byćużyteczna do oceny sterowania i opisu funkcji mięśni w różnych zadaniach ruchowych. Prowa
-dzone badania dotyczągłównie ruchów manipulacyjnych odbywaj ących się
w jednej płaszczyźnie i przy zaangażowaniujednego stopnia swobody. W nios-kowanie osterowaniu ruchem odbywasięna podstawie charakterystykizależ
ności czasowych potencjału agonisty i antagonisty odnies ionych do dokład
ności,czasu,prędkości i zmian kierunku ruchu,a także wielkości wyzwalanej
siłypodczas ruchu. .
Podstawowym elementem wykonawczym układu ruchu jest jednostka ruchowa. Jednak odróżnienie, nawet za pomocą elektromiografii igłowej ,
różnychtypów jednostek ruchowych jest praktycznie niemożliwe(Grottel 199 1). Ponadto badaniaprowadzone elektrodami igłowymi dowodzą, że choć różnejednostki ruchowepobudz ane sąw różnysposób,to efekt mechanicz-ny wszystkich jedn ostek ruchowych w określonym aktonie jest taki sam (Gielen i in. 1988). Dlatego też, między innymi, do oceny procesu
24
Czas ruchu a wzorzec
aktywnościelektrycznej
mięśniPonieważ efektem sterowania jest pobudzenie mięśni przejawiające się
mierzalnympotencjałem czynnościowym,to prowadzone badaniazmierzajądo znalezienia wzorca aktywnościelektrycznej mięśni uczestniczącychw okreś
lonym zadaniu ruchowym. Z przeglądu literatury dotyczącej badań nad pro
-cesem sterowania klasąruchów manipulacyjnych balistycznych (Basmajan 1989a,b, Moritani 1993, Ghez i Gordon 1987, Gordon i Ghez 1987) wynika,
że na wzorzec aktywnościelektrycznej mięśni składają się takie cechy jak: czas trwaniapotencjału(tAGi tANT),amplitudapotencjału(hlAG,h2AGi hANT), czas narastania aktywnoścido osiągnięcia wartości maksymalnej (tmaxAG i tma"ANT),czas wystąpienia potencjału antagonisty odniesiony do zapoczątko
waniaaktywnościagonisty (t3), czas międzypierwszym i drugim wyładowa
niem agonisty (4),czas upływającyod ustaniaaktywnościagonisty dozapocząt
kowania aktywności antagonisty (t5) (rys. 3). W pracach (Crago i in. 1990, Sainburg i in. 1995),w których aktywnośćantagonisty rozpoczynasiępodczas trwaniaaktywnościagonisty,cecha wzorca t5 nazywana jestwspółskurczemtw
(co-contraction). W zależności od problemu badawczego autorzy analizują
jedynie pewne cechy wzorcaspośródprzedstawionych na rysunku 2.
Inni autorzytwierdzą, żew oceniejakościsterowania istotniejszy,niż
za-leżności czasowe między agonistąiantagonistą,jest tzw. okres ciszy(silent period), który pojawia się tużprzed narastaniem potencjałuagonisty i anta-gonisty (Moritani 1993). Również Basmajian (1989) uwzględniakryterium czasu trwania ciszy elektrycznej we wzorcu aktywnościagonisty i antago -nisty. Przedstawione w literaturze wyniki badań dla ruchów balistycznych (preprogramowanych) nie wskazująw sposób jednoznaczny na istnienie jed-nego wzorca aktywnościagonisty i antagonisty. W większości prac stwier-dza się, że wzrost prędkościruchu przejawia sięw skróceniu czasu
aktyw-ności agonisty (Mustard i Lee 1987, laric i in. 1989, Ghez i Gordon 1987, Gordon i Ghez 1987, Schmidt i in. 1988). Natomiast Pezarat-Correia i in. (1995),a takżeBrown i Gilleard (1991) wykazali w swoich pracach, że wzrost
prędkościruchu przejawia sięwe wzroście amplitudy pobudzenia, natomiast czas trwaniapotencjałuagonisty jest taki sam.Zmianaprędkościruchu zmie
-nia też zależności czasowe i amplitudowe między aktywnością elektryczną
agonisty i antagonisty (Basmajian 1989a, b, Doonskaya 1987, Wadman i in. 1979, Ghez i Gordon 1987).Istotna rola czynnika czasu w sterowaniu ruchem przejawia sięw fakcie istnienia tzw. względnej synchronizacji (relative timing),
która wyraża się stałą proporcjączasuaktywnościelektrycznej do czasu ruchu w ruchach szybkich i wolnych, zarówno dla agonisty, jak i antagonisty. Według
Schmidta (1991) każdyruch - czy to balistyczny,czyciągły- mawłasną głę
boką strukturęczasowąijeżeli parametry przestrzenneruchusą stałe,to zmiana
prędkoś ci , czy nawet amplitudy ruchu, nie zmienia względnej s ynchroniza-cj i. Względnąsynchronizacjęw ruchach szybkich potwierdzili.Mustard i Lee (1987), natomiast Tax i in. (1989), analizując ruchy wolne, nie stwierdzili występowaniastałejproporcj i czasuaktywnościelektrycznej doczasu ruchu.
tmaxAG ~ -Agonista (A G) Antago nis ta (A N T) Legenda:
t- czas trwaniaruchu
t'AG- czas trwania pierwszegopotencjałuagonisty
t2AG- czas trwania drugiego potencjałuagonisty tANT- czas trwania potencjałuantagonisty
b - czaswystąpienia potencjału antagonistyodniesionydopoczątku aktywności
agonisty
tmaxAG- czas narastaniaaktywnościagonistydoosiągnięciawartościmaksymalnej 1.;- czasmiędzypierwszym idrugimwyładowaniem agonisty
ts- czasmiędzy końcem aktywnościagonisty ipoczątkiemantagonisty
h' AG- maksymalnypierwszy potencjałagonisty
h2AG- maksymalny drugipotencjałagonisty
hANT - maksymalnypotencjałantagonisty
Rysunek 2.Cechyaktywnościpotencjałuelektrycznego uwzględnione(przezautor ów
·26
Siła mięśniowa
a wzorzec
aktywnościEMG
Analizując czynniki wpływające na sterowanie ruchem i przejawiające się
w określonym wzorcu pobudzeń mięśni, nie można pominąć siły zewnętrznej . Przyczyną każdegoruchu jest wypadkowa sił zewnętrznychiwewnętrznych,
która oddziaływającna układ ruchu powoduje wyzwolenie określonej co do
wartości i czasu siły mięśniowej ; zależy odokreślonej częstotliwości i synchro-nizacj ipobudzeńjednostek ruchowych(Van Leemputt eiWillems 1987).
Gordon i Ghez (1987)'opisali wzorzec aktywności agonisty (AG) i anta-gonisty (AN T) podczas wyzwalania siływ zakresieod 50 do 150 N w szyb-kich i dokładnych ruchach zginania przedramieni a. W opisan ym wzorcu maksym alna aktywność agonisty występuje w tym samym czasie,w którym rozpoczyna się wyzwa lanie siły. Natom iast naj większa wartość siłyprzypada na maksymaln ą aktywność antagonisty. O ile cha rakterystyki czasowe
po-tencjału uzyskane w tym eksperymencie były stałe niezależnieod wielkości
wyzwolonej siły, to amplitudypotencjału agonisty iantagonisty zmieniały się
w zależności od wyzwolonej wartości siły i prędkości ruchu. Interesujący
jest fakt,żew ruchach wolnychwzrostwartości siłyz 50 do 150 N nie zmienił aktywności elektrycznej antagonisty. Problem zależności wyzwolonej siły od
aktywności elektrycznej mięśni w różnychzadaniach ruchowych jest przedmio -tem wielu prac badaw czyc h w dziedzin ie biomechaniki. Ponieważ dotyczą
onewyzwa lani asiłymaks ymalnej,to zostały\Ytej pracypominięte.
Kończyna
górna jako
układst
erowania
Kończyna górna w wyniku ewolucji człowieka uzyskała możliwość wy
-konywania wielu bardzo złożonych i precyzyjnych ruchów.Przej awi a sięto zarówno w jej budowie makr o-,jak i mikroskopowej. Charakte rystyka bio-mechaniczna kończyny górnej, według Fidelusa (1971), sprow adza się do
łańcuchabiokinematycznego opisanegoprzez liczbę kości (30), członów (22), par biokinematycznych (22) iwynikającąz tego liczbęstopni swobody (30) . Charakterystyka ta wskazuje tym samym na możliwość wykonywania wszec h-stronnych ruchów. Natomiastmała (w porównaniu z kończyną dolną) liczba
włókien mięśniowychw jednostkach ruchowych(Grottel 1991)i setkijednostek ruchowychw aktoniedecydująodokładnościruchówkończynygórnej.
Podstawowąjednostką pobudzanąpodczas sterowania jest akton.W zależ ności od stopnia złożonościruchu, a tym samym od liczb y czynn ych stopni swobody kończyny, inna jest liczba mięśni i funkcji aktonów zaangażowa
nych w ruchu. Ruch kończynygórnej wymagazaangażowaniazarówno funk
dokładności funkcja stabilizacyjna przejawia się w blokowaniu zbędnych
stopni swobody poprzez nakładanie więzówczynnych na łącznik (np. ramię
iprzedramię). Liczba funkcji stabilizacyjnych jest zależna od rozmieszcze-nia funkcji aktonów mięśniowych oraz od wybiórczego pobudzania ich przez układ nerwowy (Fidelus 1971).
Charakter skurczumięśniowego zapewniającego realizacjęprzez mięsień czy też grupę mięśni funkcji ruchowej czy stabilizacyjnej w ruchach mani -pulacyjnych jest ściśle związanyz czynnością receptorów znajdujących się
w mięśniu (wrzecionmięśniowych, zakończeń ścięgnowych Golgiego). Bierne rozciąganie mięśnia powoduje proporcjonalne do siły rozciągnięcia wzmo-żenie wyładowań zarówno we wrzecionach mięśniowych,jak i zakończe niach Golgiego. Czysto izometryczny skurcz mięśniawzmaga wyładowania z zakończeń ścięgnistych iosłabienie wyładowań z wrzecion mięśniowych. Natomiast skurcz mięśnia w warunkach dynamicznych przy pokonywaniu oporu zewnętrznego również osłabia wyładowania z wrzecion przy nie zmie-nionych wyładowaniach z zakończeń Golgiego. Analizując czynniki warun-kujące wykonanie ruchu dokładnego nie można pominąć roli receptorów sta-wowych, których rola jest dominującaw zadaniach wymagających znajo-mości dokładnego położenia kończyny(Konorski 1969,Walsh 1966).Dlatego też, prowadząc badania nad procesem sterowania, przy wyborze zadań
ru-chowychnależy uwzględnić charakter skurczumięśniowego,atakże począt
koweikońcowe położenie kończyny.
Biorąc pod uwagę fakt, że w kończynie górnej (wolnej ) jeden akton
ob-sługuj e około trzech stawów,to przy ogólnej liczbie aktonówkończyny(66) i liczbie rozwijanych funkcji (264) sterowaniedokładnościąruchu, zbadanie i opisanie tego procesu z uwzględnieniem wszystkich jego składowychjest praktycznie niemożliwe. Złożoność tego procesu obrazuje fakt, że dla pary mięśni antagonistycznych musi być wygenerowanych co najmniej 8 sygna-łów sterujących, z których każdydociera licznymi włóknami do odpowied-nich segmentów rdzenia.Ponadto w procesie sterowania muszą być uwzględ nione czynniki dodatkowe:
więzymechaniczne międzysegmentami kończynyiróżnymi częściami ciała,
wzajemne położenia iprędkości początkowew chwili rozpoczęcia ruchu właściwego,
działanie sił bezwładności ciała i poruszanych przedmiotów, działanie sił zewnętrznych.
Dlatego też, prowadząc prace badawcze z zakresu sterowania kończyną górną, z jednej strony bada się wybrany fragment procesu sterowania, a z dru-giej wprowadza pewne uproszczenia.
28
Sterowanie ruchem manipulacyjnym
przej awia
j
ące się dokładnością
realizac
ji
zadania ruchowego
Ocena procesu sterowania na podstawie parametrów ruchu całego ciała bądź teżjego segmentów podejmowanabyła przez wielu autorów,przy tym dokonywano jej wróżnych zadaniach ruchowych.W większości prześledzo nych badań dotyczyłaocenyprocesu sterowania w ruchach ukierunkowanych na cel inależącychdo klasyruchów balistycznych(preprogramowanych) (Adam iPass 1996,Benecke i in. 1985,Jaworek i in.1991,Pezarat-Correia i in.1994, 1995, Zmysłowski 1991). Inni autorzy przedstawiają prace badające proces sterowania w lokomocji (Kasicki 199 1,Zemicke 1996),podczas utrzymywa-niarównowagi(Golema 1987,Iwankiewicz i in. 1991,Rutkowska-Kucharska iin. 1990)i w stabilizacjimięśniowej (Komecki 1986, 1992,Komecki i Zschor-lich 1994).
Pozi
omy stero
wania
dokładno ścią
ruchów manipu
lacyjnych
Podejmując jakiekolwiek badania nad sterowaniem ruchami człowieka należy pamiętać, że o przebiegu procesu sterowania izaangażowanych w nim strukturachukładu nerwowego decydujestopień złożonościruchu. Wybieraj ąc zadanie ruchowenależyzatem ustalić klasęruchu,atakże poziom sterowania według Bemsteina, któryjako pierwszy przedstawił piętrową koncepcjępo -ziomów sterowa nia ruchami powiązanychfunkcjonalnie z odpowiadającymi im ośrodkami wukładzienerwowym (Morecki iin. 1971,Fidelus 1983, Latash iTurvey 1996)iprzypisał im oznaczenia A,B,C,D,E.Od czasów Bemsteina,dzięki badaniom neurofizjologicznym, wiedza o strukturach układu nerwo-wego, ich zależnościach oraz roli w procesie sterowania ruchami człowieka została znacznie rozbudowana(Voogd 1993,Górska i in. 1997).
Również sterowanie ruchami manipulacyjnymi można odnieść do po zio-mów zdefiniowanych przez Bemsteina.I tak poziom A podczas wykonywa -niaruchów manipulacyjnych(Fidelus 1983,Latash i Turvey 1996) odpowi ada za stabilizację tych segmentów ciała, które nie uczestniczą w danym ruchu. Poprzez stabi lizacj ę zbędnych stopni możliwe jest zapewnienie warunków do wykonania ruchów precyzyj nych. Poziom ten funkcjo nuje dzięki i
nfor-macjom płynącymod receptorów stawowych, wrzecion mięśniowychizakoń
czeń ścięgnistych poprzez tylne pęczki rdzenia kręgowego, które doci eraj ą do rdzenia przedłużonego oraz móżdżku, a następnie płyną dojądra czer -wiennego, które jestgłównym ośrodkiem ruchowym poziomuA.
Poziom B steruje ruchami manipulacyjnymi dzięki informacjom o poło
żeniu iprędkości ruchu w stawach,atakże na podstawie informacjiz recep-torów czucia dotyku. Głównym ośrodkiemruchowym tego poziomu jestgałka
blada. Ruchy kontrolowane przez poziom B wykonywane są ekonomicznie, z dużą dokładnością ipowtarzalnością. Ponadto poziom ten decyduje o ja-kościowych cechach ruchu, to jest płynnościi lekkości, oraz odgrywa dużą
rolęprzy automatyzacji,atakżepodczas uczeniasięruchu.
Poziom CwedługBernsteina tworządwa podpoziomy:
CI - odpowiedzialny za zgodność przestrzenną ruchu. Zlokalizowany jest w ciele prążkowanym;
C2 - umożliwiający odtworzenie ruchu na podstawie obserwacji. Znaj -dujesięw warstwie komórek piramidalnychkorymózgowej.
Ośrodekten otrzymuje informacje zarówno od wzgórza wzrokowego, jak
i od czuciowychośrodkówkorymózgowej. Dzięki temu możliwajest ocena
rozmiaru, kształtów, masy przedmiotów oraz sił na nie działających. Ruchy
koordynowane przez ten poziom mają określone położenie początkowe ikoń cowe,a także położenia pośrednie, co decyduje o ich dokładności. Ponadto
poziomten zapewniaróżnorodność ich wykonania,a oznacza to,że np. ruch
sięgani a możemy wykonać za każdym razem innymi kombinacjami rucho -wymI.
W sterowaniu dokładnościąruchu innajest rola poziomu B i C. Poziom B steruje położeniem koń czyny uwzględniając informacj ęo położeniu kąto
wym w stawach.Dlatego ruchmoże być dokładny, gdybłędy będą się znosić,
lub niedokładny, gdy będą się sumować. Poziom C wykorzystuje informację
wzrokową, dzięki której ustala położenie ręki względem celu.W tym przy-padku pomijane sądane opołożeniu kątowym w stawach,gdyżwykorzys
ty-wana jest informacja ozgodności położenia ręki i celu. Wiele ruchów mani -pulacyjnych,które zostały ukształtowanejako nawyk ruchowy,możemy wy-konywać różnymi częściami ciała. Pisaćczyrysować można kończynągórną
prawączyteż lewą, kończynami dolnymi lubtrzymającpióro ustami.Chociaż
zakażdym razem uzyskamy ten sam charakter przestrzenny ruchu,cozwiązane
jest ze sterowaniem przez poziom C,tojakośćtego ruchu(symetriaipłynność
liter w wyrazie) będzie różna, gdyżdecyduje o niej poziom B.
Najwyższe poziomy D i E nie sterują częścią ruchowąprogram ów rucho-wych,lecz jedynie jego częścią znaczeniową. Poziom Dzwiązanyjestz polami
30
płata ciemieniowego, w którym zlokalizowane są ośrodki wzroku, słuchu oraz ośrodki syntezy informacji płynącej od kontaktoreceptorów.Poziom E to ośrodki zlokalizowane w płacie czołowym, związane z funkcjamio cha-rakterze kojarzeniowym. Funkcjonowanie poziomu D w ruchach manipula -cyjnych ma miejsce podczas tzw.działań techniczno-taktycznych,kiedy na-stępuje zmiana treści ruchu spowodowana współdziałaniem z partnerem, koniecznościąprzeciwdziałania zachowaniom przeciwnika czyteż zmie nny-mi warunkami zewnętrznymi przebiegu ruchu.Ponieważ poziom E związany jest z ruchami o charakterzesymbolicznym, to trudno odnieść go do ruchów związanychzcodzienną aktywnością ruchową człowieka .
Ponieważruchymanipulacyjneukierunkowane na celsąsterowane w sposób
świadomypoprzez poziom B i C (poziom Azapewnia warunki do wykonania ruchu),powstałproblem współdziałania,bądź teżnie,międzyośrodkami .
Na podstawie opisanych poziomów konstrukcji ruchu sformułowano kon-cepcj ę równoległego procesu wzrokowo-czuciowego, która zakłada, że ruch jest podzielony na składowe, wykonywane i kontrolowane równolegle (Arbib iin. 1985, Jeannerod 1991, 1992, Garvin iin. 1997). W ruchach man ipula-cyjnych ukierunkowanych na cel wyróżniono trzy niezależne składowe za -pewniające: transport ramienia, orientację ręki na cel i chwyt. Swoją teorię autorzypopierająwieloma danymi neurofizjologicznymi.Jednym z argumen-tów jest fakt, że korowo-rdzeniowe drogi odpowiedzialne za pobudzenie pro -ksymalnych i dystalnych mięśni kończyny sąoddzielone (Colebatch i McClos-key 1987,ColebatchiGandevia 1989).Drugimargumentem jest funkcjonalna organizacja dolnej części przedruchowego pola 6, w której znaj duj ą się dwa typy neuronów.Neuronytransportoweodpowiadaj ąza lokomocjęprzestrzen -ną, czyli przem ieszczenieręki w kierunku celu. Natomiastneurony chwytne - zazgodność międzyrozmiarem obiektu a wzorcem chwytu.
Inni autorzy (Desmurget i in. 1996) wskazują, że składowej transportowej i orientacyjnej ruchu kończynygórnej nie można rozważaćjakoprzebiegają cego równolegle procesu sterowania. Przemawia za tym fakt funkcjonalnego powiązaniamięśni ramienia i przedramienia w funkcji transportowej, orien -tacyj nej ichwytnej .
Uzupełnieniem tych wyników sąbadania autorki (Rutkowska-Kucharska i in. 1995)nad sterowaniem dokładnościąruchów manipulacyjnych w wa run-kach ograniczenia liczby stopni swobodykończynygórnej. Poprzez sztuczne usztywnienie wybranychstawów kończynygórnej zmieniono relacjemi ędzy funkcjąposzczególnych segmentówkończyny. Chociaż w przeprowadzonych eksperymentach trajektoria ruchubyła taka sama, to została ona z realizowa-naza każdym razem z udziałem innych stawów i innej funkcj i segmentów
kończyny górnej. Stwierdzono ponadto, że sztuczna blokada stawu promie-niowo-nadgarstkowego,awięc wyłączenie go z funkcjiruchowej bez wyłącze nia funkcji czuciowej mięśni obsługujących ten staw - w warunkach ustale-niamożliwości przemieszczania się segmentówkończynywzględem siebie
-spowodowałapoprawieniesię dokładnościruchu.W podobnymeksperymencie,
w którym z funkcji ruchowej wyłączono staw łokciowy- co w inny sposób
ustaliło relacje między segmentami kończyny górnej - parametry
charakte-ryzujące dokładność ruchu manipulacyjnego nie uległyzmianie. Wyniki
ba-dań własnych potwierdzają teorię Desmurgeta i in. (1996), że sterowania
funkcją transportowąi orientacyjną kończyny górnej nie można rozważać
jako procesówzachodzącychniezależnieod siebie.
Kolejnym przyczynkiem do wyjaśnienia mechanizmów sterowania ruchami manipulacyjnymi na podstawie analizydokładności realizacji zadania rucho-wego sąpracebadającesterowanieprędkościąi parametrami przestrzennymi ruchu.Wynikiuzyskane przez Bairistowa(1987) iFavillęi in.(1990)świadczą otym,że prędkość ruchu jest kontrolowana niezależnie od kontroli kierunku, w którym przemieszcza się ręka. Również Brenner iin. (1996)wykazują, że istnieją dwa niezależne mechanizmy sterowania ruchami kończyn górnych,
przytym prędkość rękijest ustalana, zanim jej ruch sięrozpocznie.Problem
związanyze sterowaniem parametrami przestrzennymi w ruchach manipulacyj-nych dotyczy odpowiedzi na pytanie, czy sterowanie parametrami przestrzen-nymi ruchu odnosi się do ruchu w znaczeniu drogi przedmiotu manipulacji orazręki,czyteżw znaczeniu zmiankątówstawowychkończynygórnej.Wielu autorów (Morasso 1983,Flash 1994,Hogan 1985) wskazuje, żew przypadku ruchów ukierunkowanych na cel droga rękijest mniej zmienna niż wartości
kątóww stawach. Natomiastw pracy Haggarda i in. (1995) stwierdzono
wy-raźną powtarzalność wzorca zakresu ruchu w stawie, przy tym dotyczy to tzw. stawu wiodącego, którym w przypadku ruchów ze zmianąkierunków jest staw promieniowo-nadgarstkowy.Pozostałe stawy (łokciowy i ramienny)
charakteryzowały się zmiennością zakresu ruchu. Autorzy podkreślają rolę
wyboru w procesie sterowania głównego stawu, który jest programowany i od którego zależy kontrola innych stawów.Również ostatnio opublikowane prace skłaniają się ku temu stanowisku. Garvin i in. (1997) stwierdzają, że
w ruchach szybkich ruch ręki planowany jest w znaczeniu planowania kątów
w stawach, co przejawia się większą powtarzalnościązakresu ruchu w ba-danych stawach. Wynik ten uzyskano w eksperymentach, w których ocenia-no dokładnośćruchu w nauczanym zadaniu ruchowym.
Jak wynika zprzedstawionego w rozdziale pierwszym opisu składowych procesu sterowania, o dokładności ruchu decyduje proces sterowania, a także
32
sprzężenia zwrotne informuj ące przez receptorywzrokowe ipropriorecepto ry o dokładności realizacji programu ruchu. Prowadzonebadania mająna celu ustalenie, który z elementów procesu sterowania - programowanie czy ko
-rekta zakłóceń - w większym stopniu decydująo dokładności ruchu (Cooke iDiggles 1984,Darling i Cooke 1987,Levini Feldman 1994,Meulen i in. 1990, Schmidt 1980). Prawdopodobniezależyto od klasy ruchu izwiązanego z tym czynnika czasu. Na istotny związek dokładności ruchu z programowaniem w przypadku klasyruchów ciągłych wskazująbadania(Rutkowsk a-Kucharska iin. 1995), w których analizowanowpływ informacji czuciowej,awłaściwie
jej ograniczenie (poprzez blokowanie farmakologiczne przewodnictwaw ner-wie łokciowym i promieniowym), na dokładność ruchu manipulacyjnego.
Okazało się, że wyłączenie zprocesu sterowania informacji płynących nerwem promieniowym nie zmieniłoparametrów,na podstawie których oceniano
do-kładność ruchu, natomiast zablokowanie farmakologicznenerwu łokciowego
(a tym samym zmiana organizacj ipobudzeń mięśni kończynygórnej)
spowo-dowało poprawieniesię dokładności ruchu manipulacyjnego.
Kryteria oce
ny
s
terowania
dokładnościąr
uchu
Jakjuż wspomnia no, nie mogąc w sposób bezpośredni mierzyć czy
oce-niać procesusterowania wjakimkolwiek ruchu dowolnym, dokonuje siętego poprzez ocenęskutków(efektów) sterowania.Z charakterystyki procesu ste-rowania wynika, że przy ocenie tego procesu nal eży uwzględnić kryterium czasu idokładności realizacji programu ruchu.
Jako pierwszy badania nad poszukiwaniem kryteriów oceny sterowania
dokładnościąruchów balistycznych (preprogra mowanych) podjął Paul Fitts (za: Schmidt 1991). Dokładność, prędkość oraz drogę (amplitudy) ruchu
przyjął za parametry ruchu , które zal eżą od procesu sterow ania. Związek między nimi sformułował w postaci wzoru matematycznego, który został
nazwany indeksem trudnościruchu (ID - index oj movement difficulty). Ta fundamenta lnazasada zachowaniasięruchowegozostałasprawdzonawróż
nych warunkach przebiegu ruchu, a także na różnym materiale badawczym
(dorośli,dzieci) ijest prawdziwadla różnych segmentów ciała.
Do oceny jakości procesu sterowania, czy też możliwości koordyna cyj-nych człowieka, można zastosować metody przyjęte w autom atyce czy cy-bernetyce,a podstawowymi jejkryteriami mogą być (Komor 1983):
kryteriumstabilności układu sterowania- oceniapowrót do stanu równo-wagipo ustaniu działaniazakłócenia, którewytrąciło układz tego stanu;
- dokładność sterowania - kryterium najmniejszego błędu między syg-nałem zadanym a sygnałem wyj ściowym (dokładność odwzorowania
przemieszczeńciała, segmentów ciała, a także prędkości ipołożeń ką towych );
- czasregulacji- tzw.czas trwaniaprzebieguprzejściowego,czyli czas,
po jakim obiekt sterowany przyjmuje zadany stan z określoną dokład
nością;
- maksymalnepasmo przenoszenia- regulator powinienzapewnić właś ciweregulowani eobiektu sterowanegoprzy maksymalniedużych pręd kościach.
Uogólniając można przyjąć, że dwa pierwsze kryteria można sprowadzić do ocenydokładności ruchu w warunkach standardowych i występowania
zakłóceń zewnętrznych, natomiast dwa ostatnie to kryterium czasu ruchu i czasu potrzebnegona korektę błędu.
W badaniach własnych (Rutkowska-Kucharska 1997) nad poszukiwaniem kryteriów oceny sterowania ruchem ci ągłym przyj ęto oceni ać dokładność realizacji programu ruchu na podstaw ie liczby popełnianych błędów, czasu potrzebnegonakorektę błędu itzw. wskaźnika błędów, którego wartość za
le-żała od parametrów czasowych i przestrzennych błędu. Ponadto oceny stero -wania dokonywano w warunkach standardowych oraz w warunkach wystę
powania zmiennych co dowartości siły i czasu występowaniazakłóceń z ew-nętrznych. O ile dokładność ruchu wyrażona liczbą popełnianych błędów pogarszała sięze wzrostem prędkości ruchu,to czas korektybłędu(obliczony dla pojedynczego błędu) był wartością stałą, niezależnie od tego, czy ruch wykonywany byłszybko czy wolno.
Dokładność
ruchu manipulacyjn
ego
a war
unki
zewnętrzneprzebie
gu
r
uchu
Problem zależności między dokładnością parametrów przestrzennych
ruchów człowi eka a warunkami zewnętrznymiprzebiegu ruchu był prz ed-miotem badań w wielu pracach. Problem ten wydaje się być bardzo isto tny w sporcie wyczynowym. Skutecznośćwykonania opanowanej podczas t
renin-gów techniki wróżnychdyscyplinach sportuzależyod wielu zmiennych czyn
-ników zewnętrznych, do których można zaliczyćograniczenie czasu wykonania
ruchu, a także pojawienie się zakł óce ń przebiegu ruchu (konieczność zmiany trajektoriiruchu czywielkości wyzwalanej siły). Ponieważ czynniki d ecydu-jąceodokładnościwykonania ruchuwkażdej dyscyplinie sportusąspecyficzne,
