Как мозг и рефлексы управляют мышцами

Геннадий Боев

Как мозг и рефлексы управляют мышцами

Глава 1

Введение

Настоящая работа посвящена постуральной регуляции двигательной активности — фундаментальному, но до конца не изученному механизму управления человеческим телом.

Постуральный контроль обеспечивает удержание равновесия в условиях гравитации, отвечая за ориентацию тела в пространстве и взаимное расположение его сегментов. Данный процесс относится к безусловным рефлексам и происходит полностью на подсознательном уровне. Нервная система автономно координирует эти сложные реакции, защищая их от неэффективного произвольного вмешательства человека, поскольку попытки сознательно контролировать такие автоматизмы лишь блокируют нормальное движение.

Тем не менее, современный малоподвижный образ жизни и комфортная городская среда неизбежно разрушают естественные постуральные механизмы. Из-за этого медицина и реабилитология столкнулись с утилитарной необходимостью осваивать методы искусственного управления этой сферой. Сегодня специалистам важно научиться корректировать дефекты осанки и баланса, учитывая, что большая часть мышечной системы человека предназначена не для выполнения осознанных действий, а для автоматического поддержания статодинамического равновесия.

До 80% всей мышечной работы и энергетических ресурсов организма расходуется на неосознаваемые постуральные реакции, а не на произвольные движения. Соответственно, большая часть активности нервной и эндокринной систем направлена на процессы, которые человек не может зафиксировать своими органами чувств. Из этого факта логически следует, что около 80% патологий опорно-двигательного аппарата и связанных с ними заболеваний развиваются незаметно для человека, оставаясь внезапными и сложными для диагностики.

Тем не менее, современная наука позволяет детально изучить и смоделировать даже те скрытые механизмы, которые трудно воспринять интуитивно. Цель авторов — не просто объяснить теоретические основы постуральной сферы, но и наглядно проиллюстрировать базовые принципы её устройства и методы управления балансом тела.

Глава 2

Очерк 1. Базовые термины, понятия и определения

Освоение физической реабилитации, помимо практических навыков, требует точного владения профессиональным языком. Четко сформулированные дефиниции необходимы специалисту для экспертного обсуждения клинических случаев, логического анализа данных, а также для стандартизированного протоколирования и ведения документации. Ниже представлен базовый терминологический минимум, обязательный для работы в сфере реабилитации.

· Двигательная активность (деятельность) — это структурированная система, состоящая из отдельных двигательных актов. Любое сложное движение представляет собой комбинацию ограниченного числа двигательных стереотипов (навыков-подпрограмм), которые, в свою очередь, формируются из простейших элементов — двигательных паттернов (шаблонов).

· Минимальный двигательный паттерн — это спинальный рефлекс. Элементарные паттерны генетически и структурно закреплены в виде жестких нейронных цепочек, поэтому они практически не подлежат изменению.

· Двигательный стереотип — это гибкая сетевая нейронная подпрограмма, которая формируется в подкорковых ядрах головного мозга. В отличие от паттернов, стереотипы не имеют жесткой анатомической фиксации: их можно изменять, стирать и формировать заново в процессе обучения или реабилитации.

Классификация двигательных актов

Все движения организма разделяются на три ключевые группы: соматические, висцеральные (обеспечивающие работу внутренних органов) и нейросенсорные (включая сенсорно-ориентировочные реакции). При этом в естественных условиях любое реальное движение человека представляет собой неразрывный комплекс этих трех составляющих.

Всю двигательную активность человека (нейросенсорные двигательные акты) можно классифицировать по двум ключевым признакам: по степени осознанности (произвольная и непроизвольная сферы) и по вектору взаимодействия со средой.

Функции и виды соматических актов

Соматическая двигательная деятельность направлена на физическое взаимодействие с внешним миром или защиту от его негативных факторов. Она включает в себя как контролируемые сознанием действия, так и автоматические реакции, решая следующие задачи:

· Изменение или стабилизация положения тела и его центра тяжести в пространстве.

· Поддержание статического и динамического баланса (постуры).

· Взаимодействие с окружающими объектами.

По характеру задач соматические движения разделяют на две основные категории: манипуляцию (работу с предметами) и локомоцию (перемещение). При этом произвольные действия обычно дестабилизируют положение тела, нарушая его баланс, в то время как постуральные реакции работают в противовес — они мгновенно и неосознанно восстанавливают утраченное равновесие.

Суть и эволюция локомоции

Локомоция представляет собой активное, целенаправленное перемещение организма в пространстве за счет его собственных усилий (например, обход возникающих на пути препятствий).

В процессе эволюции позвоночных локомоция достигла максимального разнообразия, наглядно продемонстрировав взаимосвязь анатомической формы и выполняемой функции. К ее видам относятся плавание, полет, лазание, прыжки, брахиация (передвижение с помощью рук), а также двух- и четырехногая ходьба или бег. При этом конкретные аллюры и варианты походки (шаг, галоп, рысь или иноходь) зависят не столько от анатомического строения опорно-двигательного аппарата, сколько от механизмов межконечной координации, задаваемых нервной системой.

Литература по теме локомоции: классическими трудами в этой области признаны исследования Н. А. Бернштейна («Очерки по физиологии движений и физиологии активности», 1966) и В. Б. Суханова («Общая система симметричной локомоции наземных позвоночных...», 1966).

· Манипуляция — это целенаправленное перемещение, удержание или изменение формы внешних предметов относительно тела человека (например, захват, деформация, фрагментация или отталкивание объекта).

В реальной жизни сложные действия (такие как преодоление препятствий, лазание по деревьям или добыча пищи) всегда сочетают в себе элементы локомоции и манипуляции.

Структура локомоторного акта

Локомоторный акт — это осознанное и контролируемое перемещение организма в пространстве. Его биомеханическая суть сводится к последовательным циклам нарушения и восстановления равновесия. Процесс жестко привязан к характеру взаимодействия с опорой и положению центра тяжести. В любом локомоторном акте (ходьбе, беге, прыжках, плавании) выделяют две ключевые составляющие:

1. Импульсивная компонента — непосредственное продвижение тела вперед за счет фазных движений конечностей.

2. Постуральная компонента — непрерывный контроль баланса за счет тонических реакций (рефлексов статического тонуса, положения и равновесия).

Висцеральные двигательные акты

В отличие от соматических, висцеральные движения не меняют положение тела в пространстве. Их главная задача — обеспечение физиологической работы внутренних органов, поддержание моторно-эвакуаторной функции и циркуляции жидкостей.

Например, без участия диафрагмы и мышечной помпы нижних конечностей физически невозможен адекватный венозный отток. К висцеральным актам также относятся дыхание, глотание, кашель и натуживание. Таким образом, работа поперечно-полосатой мускулатуры критически важна для функционирования внутренних органов и поддержания базовых витальных функций. Регулируя градиенты внутрипросветного давления, висцеральные движения стабилизируют физические параметры внутренней среды.

Кроме того, висцеральная двигательная активность выступает обязательным компонентом и внешним маркером эмоциональных реакций (что отражает и этимология латинского слова emovere — «сдвигать, волновать»). Наглядными примерами здесь служат крик или хаотичные защитные движения при сильном испуге и стрессе.

Нейросенсорные двигательные акты

Данный тип движений координирует взаимодействие органов чувств и нервной системы с внешними ориентирами (типичные примеры — фиксация взгляда или нистагм). Чтобы сенсорные системы (например, зрительный анализатор) могли корректно считывать параметры окружения, недостаточно просто иметь рецепторы — необходимо точно направлять их на объект и защищать от повреждений. Так, для полноценного визуального восприятия предмета человек задействует глазодвигательные мышцы, мускулатуру головы, шеи, а при необходимости — и всего туловища.

Соматическая сфера

Понятие «соматический» (буквально — «телесный») в анатомии часто противопоставляется психическому началу, однако в контексте физиологии движений оно используется как антитеза термину «висцеральный» (внутренний).

· Соматическая мускулатура — это скелетные мышцы, которые отвечают за локомоцию, манипулятивную деятельность и поддержание баланса. Другими словами, это мышечная система, обеспечивающая активное физическое взаимодействие организма с внешней средой.

Хотя для обозначения соматических мышц можно было бы применить термин «локомоторные», он является слишком узким, так как не охватывает все многообразие двигательных актов, направленных на взаимодействие с внешним пространством.

Дополнительные анатомо-физиологические дефиниции

· Висцеральный (от латинского viscera — внутренности) — анатомический термин, обозначающий принадлежность к внутренним органам (например, внутренностный листок плевры).

· Соматоцентрический — подход или процесс, сфокусированный на мышечно-фасциальном аппарате, который обеспечивает взаимодействие всего тела с внешней средой.

· Нейроцентрический — ориентированный на структуры, функции и развитие центральной нервной системы.

· Спланхноцентрический — ориентированный на внутренние органы (прежде всего, развивающиеся вокруг кишечной трубки).

· Спинальный — относящийся к анатомии, функциям или патологиям спинного мозга.

· Церебральный — связанный со строением, деятельностью или органическими изменениями головного мозга.

Миофасциальная цепь (МФЦ)

Миофасциальная цепь — это непрерывная анатомическая структура, состоящая из последовательно соединенных мышц, костей и соединительнотканных элементов (фасций, сухожилий, связок, апоневрозов и надкостницы).

Единство МФЦ базируется на четырех ключевых факторах:

1. Анатомический: элементы цепи заключены в общее фасциальное ложе и объединены фибриллярным каркасом.

2. Регуляторный: управление звеньями цепи происходит через общие нейрорефлекторные и механорегуляторные механизмы.

3. Биомеханический: вся цепь работает на решение единой статической или динамической задачи.

4. Физический: по всей длине структуры формируется общая линия механического натяжения — как при сокращении мышечных волокон, так и при растяжении связок.

Историческая справка: Концепция МФЦ зародилась в 1930–1940-х годах в научных кругах Германии и СССР. Позже она была внедрена в мировую практику Идой Рольф, а затем детально развита в трудах Л. Бюске и Т. Майерса. На постсоветском пространстве различные модификации этой теории разрабатывались и популяризировались в научных публикациях Л. А. Кадыровой и Л. Ф. Васильевой.

· Миотатический рефлекс (МТР, стретч-рефлекс) — автоматическое сокращение мышцы, возникающее в ответ на ее растяжение с целью сохранения стабильной исходной длины. Рефлекторная дуга является двухнейронной: сигнал от рецептора (мышечного веретена) передается напрямую к эффектору — той же самой мышце, в которой произошло растяжение.МТР служит фундаментом для большинства статодинамических постуральных реакций. Пример: при отклонении стоящего человека в сторону тонические мышцы противоположной стороны туловища растягиваются. Это мгновенно активирует мышечные веретена, запуская эфферентный импульс, который заставляет растянутые мышцы сократиться и вернуть тело в вертикальное положение. В клинической практике оценка интенсивности («живости») МТР является базовым методом неврологической диагностики.

· Рецептор (от латинского receptor — «приемник») — чувствительный элемент, реагирующий на физические или химические раздражители. В биологии этот термин классифицирует два типа структур:

1. Сенсорный рецептор — специализированная клетка или нервное окончание, трансформирующее внешние и внутренние стимулы в биоэлектрические нервные импульсы.

2. Клеточный (молекулярный) рецептор — белковая молекула на поверхности клетки или внутри нее, которая меняет свою пространственную конфигурацию при связывании со специфическим химическим веществом (лигандом).

· Анализатор (сенсорная система) — комплекс периферических рецепторов, проводящих путей и центральных структур головного мозга, осуществляющий восприятие, передачу и детальную обработку информации о состоянии внешней и внутренней среды организма. Данная система формирует в сознании субъективный внутренний образ окружающего мира, синхронизируя его с реальными физическими условиями.

Адекватную и своевременную реакцию человека на изменения в окружающем мире.

Само понятие «анализатор» изначально сформулировал российский физиолог И. П. Павлов. В современной науке чаще используется термин «сенсорная система». Ее структура включает периферические рецепторы, проводящие нейронные пути и специализированные корковые отделы головного мозга. Классическими сенсорными системами считаются зрение, слух, осязание, вкус и обоняние, благодаря которым организм дифференцирует такие физические параметры среды, как температура, звуковые колебания, давление или химический состав веществ.

· Проприоцепция (проприорецепция, кинестезия) — это глубокая чувствительность (мышечное чувство), обеспечивающая непрерывное восприятие положения отдельных сегментов тела относительно друг друга и в пространстве. Простыми словами, это механизм «ощущения собственного тела».Сбор информации осуществляют специализированные проприорецепторы (расположенные в мышцах, сухожилиях и суставах). От них сигналы передаются по толстым высокоскоростным нервным волокнам в составе периферических нервов и задних канатиков спинного мозга. Далее через таламус импульсы поступают в теменную долю коры больших полушарий, где на их основе конструируется так называемая «схема тела».

В норме человек четко дифференцирует как активные (собственные), так и пассивные (вызванные извне) движения своих конечностей, причем пороги их восприятия практически идентичны (например, в плечевом суставе фиксируется смещение угла всего в 0,5°). Кроме того, проприоцептивный аппарат позволяет с высокой точностью оценивать степень внешнего сопротивления или массу удерживаемых предметов — погрешность при сравнении веса обычно не превышает 10%.

Нарушения в работе проприоцептивного аппарата приводят к развитию тяжелых координаторных расстройств, таких как сенситивная атаксия и псевдоатетоз.

Сам термин «проприорецепция» был предложен в 1890 году британским физиологом Чарльзом Шеррингтоном. В повседневной жизни человек не осознает непрерывный поток импульсов, идущих от мышечно-суставного аппарата, как не замечает и фоновый контроль над тонусом мышц. Скрытые в мышцах, суставных капсулах, коже и соединительной ткани рецепторы (проприоцепторы) мгновенно фиксируют малейшие изменения пространственной конфигурации тела. Они передают эти данные в центральную нервную систему, которая так же быстро отправляет обратно исполнительные команды мышцам, что по скорости сопоставимо с рефлекторным ответом.

Благодаря непрерывной активности проприоцепторов формируются три базовых ощущения:

· Чувство положения — понимание текущего расположения суставов и общей ориентации тела в пространстве в состоянии покоя.

· Чувство движения — фиксация направления и скорости изменения углов в суставах как при активных, так и при пассивных перемещениях.

· Чувство силы — оценка степени мышечного напряжения, необходимого для преодоления сопротивления или удержания позы.

В клинической практике известны такие специфические состояния, как проприоцептивная амнезия и проприоцептивная апатия (потеря мышечного чувства). При этом основной массив подсознательных проприоцептивных импульсов обрабатывается на уровне спинного мозга, не доходя до коры, но именно он служит главным источником для автоматической регуляции мышечного тонуса. Примечательно, что базовое соматическое ощущение физического здоровья, равно как и оргастические ощущения, также имеют проприоцептивную природу.

Другие виды рецепторов и рефлекторный ответ

· Барорецептор — специализированный сенсорный элемент, реагирующий на механическое давление и его колебания (похожее гистологическое строение имеют и ноцицепторы — болевые рецепторы).

· Рефлекс (от латинского reflexus — «отраженный») — стереотипная и воспроизводимая реакция живого организма на определенный раздражитель, реализуемая при обязательном участии нервной системы.

· Реакция (от латинского re- — «против» и actio — «действие») — любое ответное действие организма на внешнее или внутреннее стимулирующее воздействие. Реакции могут носить различный характер, включая физиологические, иммунные или психологические ответы.

· Двигательный стереотип — устойчивая, циклически повторяющаяся и стандартизированная последовательность взаимосвязанных двигательных паттернов. Если такой стереотип формируется в процессе целенаправленного обучения или тренировок (например, в трудовой или спортивной деятельности), его классифицируют как двигательный навык. Примеры: базовый автоматический стереотип ходьбы или приобретенный навык езды на велосипеде.

· Постура (позитура) — термин, введенный физиологом Ч. Шеррингтоном в 1896 году для обозначения позы, стойки или пространственного положения тела. В узком биомеханическом смысле это фиксированное положение тела относительно опорной поверхности (например, плоскости, на которой стоят стопы).

Понятие «постуральный» указывает на процессы, напрямую зависящие от пространственной ориентации тела, силы тяжести и смещения центра масс относительно площади опоры.

В физическом аспекте постура является интегральным результатом взаимодействия множества сил, действующих на организм:

· Внешней гравитации и реакций опоры.

· Атмосферного давления на кожные покровы и внутрипросветного давления в полых органах.

· Механического натяжения в фасциальных структурах и мышцах при скручивании или сгибании суставов.

Таким образом, осанка и баланс (постура) представляют собой результат скоординированного и совместного выполняемых соматических, висцеральных и сенсорно-ориентировочных двигательных актов.

· Постуральный (позотонический, позно-тонический) рефлекс — это комплекс безусловных реакций организма, направленных на удержание или восстановление стабильного (равновесного) положения тела и его отдельных сегментов в пространстве.

· Цель постуральной регуляции — сформировать такую пространственную ориентацию тела и так распределить внутреннее механическое натяжение, чтобы гарантировать максимальную физическую устойчивость при минимальных энергетических затратах.

Сама система постурального контроля имеет сложную многоуровневую структуру с вертикальными и горизонтальными связями.

Иерархия механизмов регуляции в МФЦ

1. Тканевый уровень (локальный): простейшим элементом контроля в миофасциальных цепях служит прямая механорегуляторная реакция — сокращение мышечных волокон в ответ на их физическое растяжение.

2. Нервный уровень: центральная нервная система дублирует этот базовый механический процесс с помощью рефлекторных дуг. Простейшим нейрорегуляторным элементом здесь выступает рассмотренный ранее миотатический рефлекс.

Учитывая огромное количество факторов, регулирующих осанку, авторы вводят объединяющий термин — постурально-установочная реакция (ПУР). Все ПУР классифицируются на два типа:

· Динамическая постура — контроль и удержание баланса во время локомоции или манипуляций (при ходьбе, беге, наклонах). Она создает биомеханический фундамент для эффективного действия, заставляя мышцы и фасции мгновенно адаптироваться к меняющимся внешним условиям.

· Статическая постура — взаимное расположение сегментов тела в отсутствие активного перемещения (в положении сидя, стоя или во время сна).

При этом сегменты тела выровнены и поддерживаются в фиксированном положении. Данная стабильность достигается благодаря синергии различных мышечных групп, которые в статическом режиме противодействуют силе тяжести и иным внешним факторам.

· Постуральный механизм — это комплекс рефлексов и реакций организма, предназначенный для сохранения стабильного пространственного положения всего туловища или его отдельных сегментов (например, конечностей).

· Ортостатический — характеристика процессов и реакций, запускаемых строго в момент перехода тела в вертикальное положение (при вставании). Пример из медицины: ортостатический коллапс — резкое падение артериального давления при быстрой вертикализации пациента. В контексте биомеханики данный термин объединяет мышечные и регуляторные ответы на переход в вертикальное положение, и его важно четко отличать от более широкого понятия «постуральный».

· Локомоторное управление — интегрированный процесс координации движений, который реализуется за счет одновременного взаимодействия трех регуляторных систем: механической, нервной и гуморальной.

Три уровня локомоторной регуляции

1. Механорегуляция — наиболее скоростной контур управления, базирующийся на сопряженной работе всех компонентов миофасциальных цепей (МФЦ). Она практически не зависит от внешних факторов и генерирует мгновенный, но генерализованный (недифференцированный) ответ всей МФЦ на локальное физическое воздействие, например на механическую травму.

2. Нервная регуляция — обеспечивает быстрое, точечное и дифференцированное управление опорно-двигательным аппаратом в зависимости от конкретной ситуации во внешней или внутренней среде. В этот процесс вовлечены все этажи центральной и вегетативной (симпатической) нервной системы, которые отвечают за построение, закрепление и воспроизведение рефлекторных комплексов.

всей системы рефлекторных реакций, элементарных двигательных паттернов, а также комплексных двигательных и поведенческих стереотипов.

3. Гуморальная (в первую очередь эндокринная) регуляция — обеспечивает биохимическую адаптацию метаболизма мышечной ткани и центральной нервной системы к текущим физическим нагрузкам. Она напрямую модулирует качество нервно-мышечной передачи сигналов и определяет общую выносливость и работоспособность как миофасциальных цепей, так и контролирующих их нервных структур.

Дополнительные физиологические и биомеханические понятия

· Водитель ритма (пейсмейкер) — внутренний механизм автоматической циклической регуляции, поддерживающий непрерывное и стабильное выполнение определенной функции.

· Реципрокность (от латинского reciprocus — «взаимный, возвращающийся») — базовый нейрофизиологический принцип взаимодействия, при котором возбуждение одной нервной структуры (нейрона или целого центра) автоматически угнетает и тормозит активность сопряженной с ней другой структуры.

В сфере кинезиологии и биомеханики под реципрокностью понимают сопряженный механорегуляторный и нейрорефлекторный алгоритм управления опорно-двигательным аппаратом. Согласно ему, активация и сокращение одной группы мышц (агонистов) неизбежно вызывают сопутствующее расслабление противоположной группы (антагонистов), участвующей в реверсивном движении.