Л е к ц и я. 18. Динамическая анатомия. Анатомическая характеристика положений и движений тела человека.

План

1. Учение о движениях— кинезиология

2. Функциональные свойства мышц

3. Законы кинематики мышц

4. Отношение к суставам

Конечной целью изучения суставов и мышц является по­нимание движений человеческого тела. Учение о движениях— кинезиология — является одним из разделов биомеханики. Последняя представляет специальную отрасль биологии,, .ко­торая занимается- статикой, кинематикой и динамикой орга­низма животных и человека. Биомеханика опирается на дан­ные анатомии и физиологии, рассматривая их с тючки зрения теоретической и •прикладной механики. Наиболее разработан­ной является биомеханика двигательного аппарата. Наряду с этим развиваются и другие (разделы биомеханики, связанные с изучением работы сердца, кровообращения, дыхания и » т. п.

В лекции о соединениях костей мы рассматривали меха­низм движения в суставах, оставляя ¹в'стороне причины этих движений.. В настоящей лекции будут затронуты вопросы, связанные с действием мышц, которые составляют активную часть двигательного аппарата.

Изучение движении человека имеет большое значение для самых различных областей науки и практики. В медицине данные о механизмах движений используются при лечении больных с нарушениями функций опорно-двигательного ап­парата. Кинезиология представляет одну из основ теории и практики физической культуры и спорта. Без учета законов биомеханики невозможно разрабатывать вопросы, связанные с совершенствованием трудовых процессов, научной органи­зацией труда. Родной сестрой биомеханики является бионика, которая занимается решением разнообразных технических проблем на основе знаний, (полученных при изучении организ­мов. Одним из практических приложений бионики в медици­не является конструирование протезов, которые наилучшим образом замещают утраченный орган или часть тела. Понят­но, что при решении подобного рода задач необходимо знать законы кинезиологии.

Движения животных и человека интересовали естествоиспытателей во все времена. Много внимания уделял функции органов движения К. Гален. В его трактатах «О назначении частей человеческого тела», «О движениях мышц» и других рассматривается действие различных мышц. При этом ис­пользуются некоторые понятия, взятые из механики, напри­мер говорится о сложении движений. Но в основном Гален исходил из анатомических данных о расположении и прикре­плении мышц, причем строение каждой части тела выводил из ее назначения. В этом проявился идеализм Га лена.

Началом собственно механического подхода к изучению мышц нужно считать работы Леонардо да Винчи. В его ана­томических тетрадях содержится формулировка основного принципа биомеханики: «Сделай, так чтобы книга об элемен­тах механики с ее практикой предшествовала бы демон­страции движения и силы человека и других животных, и посредством таковых ты сможешь доказать каждое свое утверждение».¹. Леонардо да Винчи анализировал функцию многих мышц. Особенно подробно останавливается он на дыхательных движениях и действии мускулов, поднимающих и опускающих ребра. При этом он рассматривает ребра как рычаги. Леонардо да Винчи оперирует понятием силы, говорит о влиянии на тело человека силы тяжести. Он впервые 'применил для /изучения мышц моделирование, протягивая между костями проволоки, показывающие положение и направление мышц.

Следующий шаг в изучении (механики- человеческого тела был сделан в XVII веке, когда итальянский ученый Борелли определил положение центра тяжести и предложил классифи­кацию движений. В начале XIX -века немецкие ученые братья Вебер экспериментально изучили механику ходьбы.

В дальнейшем развитии знаний о движениях животных и человека большую роль сыграло изобретение фотографии, а затем и кинематографии. Во второй половине прошлого сто­летия Марей во Франции сконструировал фотоаппарат, ко­торый мог производить серии моментальных снимков. Испы­туемый надевал темный костюм с блестящими полосками на рукавах и штанинах, и его фотографировали на темном фоне. На полученных снимках можно было видеть последователь­ные фазы перемещения частей тела. В Америке Муйбридж снимал движущуюся модель несколькими фотокамерами, по­мещенными .опереди,, сзади и сбоку. Этим автором были изда­ны книга о движениях лошади и- человека. Последняя содер­жит 'серийные фотографии, отображающие разнообразные движения мужчин, женщин и детей (ходьбу, бег, прыжки, восхождение и схождение по лестнице, танцы и т. д.).

Основоположником биомеханики в России является П. Ф. Лесгафт, который разрабатывал с позиций механики вопросы анатомии двигательного аппарата, и подошел к механическо­му анализу кровеносной системы. Большую роль сыграла опубликованная в 1901 году работа «отца русской физиологии» И. М. Сеченова «Очерки рабочих движений человека».

В Советском Союзе получили широкое развитие медицинская, инженерная и спортивная биомеханика. Нужно упомя­нуть о работах по изучению анатомических основ спортивных движений,, которые проводились в Московском институте фи­зической культуры М. Ф. Иваницким и ныне продолжаются его учениками. .

Важный вклад в науку о движениях внесли исследования академика Н. А. Бернштейна. Им были усовершенствованы методики регистрации движений — циклография и циклограмметрия. Сущность этих методик состоит в том, что про­изводится фотографирование или киносъемка движущегося человека, обычно спортсмена, у которого на уровне суставов прикреплены миниатюрные электрические лампочки. При дви­жениях на пленке изображаются траектории светящихся то­чек, которые затем подвергаются анализу. С помощью цик­лографии и циклограмметрии был осуществлен анализ ходь­бы, бега, прыжков, движений пловцов, фехтовальщиков и т. д.

В последние два десятилетия для изучения функции мышц стала применяться электромиография — запись электрических токов, возникающих в мышцах при их сокращении. С помо­щью электромиографии получены новые данные о работе мышц, которые не только обогащают наши знания о функции различных мышц и мышечных групп, но и заставляют пере­смотреть многие традиционные представления в этой области..

В данной лекции будут рассмотрены некоторые положе­ния, необходимые для понимания функции мышц и анализа движений человека.

Функциональные свойства

Как мы знаем, опорно двигательный аппарат представля­ет систему взаимосвязанных, подвижных кинематических звеньев, которые образуют кинематические цепи; последние могут быть замкнутыми и открытыми. Роль мышц заключа­ется в перемещении кинематических звеньев относительно друг друга или в их удержании в определенном положении. В зависимости от этого различают динамическую и статиче­скую работу мышц.

В основе работы мышц лежит способность мышечных волокон к сокращению. Поперечнополосатые волокна при сок­ращении укорачиваются в среднем на 30—40% своей первоначальной длины. При этом одиночное волокно развивает напряжение, равное 0,0001—/0,0002 кгс. Все скелетные мышцы человека содержат около 300 млн волокон. Отсюда можно подсчитать, что суммарная сила всех мышц составила бы 30000 кгс. В действительности мускулатура развивает лишь небольшую часть этой громадной силы, так как обычно сокращаются не все мышцы и в каждой сократившейся мышце бывает активной лишь часть мионов. Соответственно числу сократившихся мионов различают парциальное и тотальное сокращение мышцы. Разницу между тем и другим можно по­казать на 'примере большой грудной мышцы. При сгибании в плечевом суставе ненагруженной руки сокращается лишь часть мионов ключичной головки мышцы, при боксерском ударе происходит тотальное сокращение большой грудной мышцы. При некоторых заболеваниях, сопровождающихся судорогами (столбняк), мышцы развивают максимальное напряжение, и это может приводить даже к переломам костей.

Сила мышцы определяется ее физиологическим поперечником, то есть площадью сечения, проведенного перпендику­лярно направлению мышечных волокон. Сила, (приходящаяся на 1 см² поперечного сечения, составляет у разных мышц от 6 до 16 кгс, в среднем ее величину можно принять равной 10 иге/см². В прошлой лекции отмечалось, что перистые мышцы при одинаковом объеме имеют большую подъемную силу, чем веретенообразные мышцы с параллельным ходом волокон. Считается, что подъемная сила мышц предплечья составляет приблизительно 160 кгс, а сила задних мышц бедра достигает 480 кгс. В действительности человек может поднять и удер­жать гораздо меньший груз. Таким образом» мышечная систе­ма обладает значительным резервом силы. Это — один из факторов, определяющих надежность опорно-двигательного аппарата.

Быстрота сокращений мышц зависит от преобладания в их составе красных или белых волокон, о 'свойствах' которых говорилось в предыдущей лекции. У ряда животных довольно отчетливо различаются «красные» ,и «белые» мышцы. Первые состоят преимущественно ив более темных и медленно сокращающихся волокон, в состав вторых входят в основном светлые, быстро сокращающиеся волокна. В соответствии с этим П.Ф. Лесгафт в свое время делил мышцы на два типа — сильные и ловкие и отмечал ряд анатомических особенностей каждого из этих типов. Дальнейшие наследования показали, что у большей части мышц медленные волокна перемешаны с быстрыми. Все же отмечается тенденция красных волокон концентрироваться в глубоко лежащих частях мышц, способных к длительному сокращению, связанному с поддержанием позы (например, в камбаловидной мышце),

Такие функциональные особенности мышц, как амплитуда и направление производимых движений, тесно связаны с их формой и строением.

• Длинные и тонкие мышцы, имеющие небольшую площадь прикрепления к костям, как, например, длинные сгибатели- пальцев, дают большую амплитуду движений.

• *Короткие толстые мышцы, напротив, осуществляют движения, имеющие небольшой размах; в качестве примера можно назвать квадратную мышцу поясницы.

• *Мышцы с па­раллельным ходом волокон производят тягу в одном направ­лении.

• *Перистые мышцы осуществляют более разнообразные движения. Веерообразные и широкие мышцы, сокращаясь отдельными частями, могут осуществлять тягу в нескольких на­правлениях.

Все крупные" мышцы состоят из относительно самостоятельных в функциональном отношении частей. Так, трапециевидная, большая грудная, дельтовидная, передняя- зубчатая мышцы обычно сокращаются отдельными путями, которые производят различное действие. Лишь сравнительно мелкие мышцы, перекидывающиеся через один сустав, представляют анатомически и функционально единое целое.

Живая мышца характеризуется состоянием некоторого не­произвольного напряжения. Это напряжение называется тонусом мышцы. Тонус регулируется центральными нервными механизмами и при перерезке нервов, идущих к мышце, рез­ко .снижается или совсем пропадает. От тонуса мышц зависят поза человека, его осанка, весь его внешний облик.

Кинематическим действием мышцы называют эффект, производимый ее неограничиваемым сокращением. Мак-Конейл и Басмаян выделяют два общих закона кинематики мышц — закон сближения и закон раскручивания.

Закон сближения выражает тот общеизвестный факт, что при сокращении мышцы происходит взаимное сближение обо­их ее концов¹—начала и прикрепления. B большей части случаев один конец мышцы остается неподвижным, а другой перемещается ib пространстве вместе с той костью, к которой он прикрепляется. Соответственно этому различают фиксирован­ную и подвижную точки мышцы, punctum fixum et mobile. Один и тот же конец мышцы в зависимости от характера движения может являться то фиксированным, то подвижным. Так, плечевая мышца обычно работает как сгибатель предплечья, ее фиксированная точка находится на плечевой кости, а подвижная точка—на локтевой кости. Но если предплечье и кисть стабилизированы, как это бывает при подтягивании на перекладине, то плечевая мышца производит сгибание плеча. Фиксированная и подвижная точки теперь меняются местами. Таким образом, подвижная точка может соответствовать то прикреплению, то началу мышцы, в зависимости от .взаимной "подвижности звеньев кинематической цепи.

Закон раскручивания заключается в том, что мышца при своем сокращении стремится привести в одну плоскость линию своего начала и линию прикрепления. Этот закон -относится только к тем мышцам, которые в начале своего сокращения являются окрученными. Сюда относятся, в частности, мышцы с перекрещивающимися пучками.

Эффект раскручивания можно показать на ключичной части большой грудной мышцы. Линия начала этой мышцы на ключице проходит горизонтально, а линия прикрепления на плечевой кости имеет вертикальное направление. Сгибанием плеча обе линии проводятся в одну плоскость. Отсюда следует, что большая грудная мышца является сгибателем плеча.

Продемонстрируем действие обоих законов на примере грудино-ключично-сосцевидной мышцы. Эта мышца, как и большая грудная, является окрученной. Линия ее начала проходит фронтально, а линия прикрепления к черепу идет в передне-заднем направлении. Когда мышца сокращается, то по закону сближения концов она наклоняет голову в свою сторону, а по закону раскручивания поворачивает лицо в противоположную сторону.

Отношение к суставам

Рассмотрим некоторые моменты, касающиеся отношений между мышцами и суставами. Мышцы могут перекидываться через один, два и большее количество суставов. В зависимо­сти от этого различают мышцы одно, дву- и многосуставные. Мышцы не только производят движения в тех суставах, мимо которых они, проходят, но и тормозят их. Такое действие оказывают некоторые многосуставные мышцы. Например, если производить сгибание бедра при разогнутом колене, то задние мышцы бедра, натягиваясь, тормозят его сгибание.

* Расположение мышц вокруг суставов связано с характером движений в суставах. Вращение вокруг одной оси требует по крайней мере пары противоположно направленных сил.

* Можно показать, что, при наличии п степеней свободы достаточно иметь п+1 мышц. Обычно число мышц приводящих в движение сустав, бывает больше. Этим достигается более экономное использование мышц и возможно лучшее управление кинематическими звеньями.

* Мышцы располагаются или перпендикулярно к осям движения, или под некоторым углом к ним, но этот угол не мо­жет быть слишком малым, иначе будет происходить большая потеря силы.

Изучая отношение мышц к суставам, следует обратить внимание на то, что одни мышцы начинаются вдали от сустава и прикрепляются поблизости от него. У других мышц начало находится вблизи сустава, а прикрепление удалено от сустава. Имеются существенные различия в действии мышц первого и второго рода. Чтобы установить их, необходимо произвести разложение мышечной тяги на ее составляющие.

Сила тяги мышцы может быть разложена на три составляющие: 1) действующую перпендикулярно продольной оси кости, 2) действующую в направлении оси кости, 3) вращающую кость вокруг ее длинной оси.

Мышцы, тяга которых направлена перпендикулярно оси кости, начинаются далеко от сустава и прикрепляются вблизи него. Эти мышцы могут производить быстрые движения. Те мышцы, которые действуют преимущественно вдоль оси кости, начинаются вблизи сустава и прикрепляются на большем удалении от него. Они способствуют стабилизации сустава, прижимая кости одна к другой и предотвращая их разъединение при резких движениях.

Если взять в качестве примера локтевой сустав, то мышцами первого рода являются двуглавая и плечевая, а мышцей второго рода—плече-лучевая мышца. В случаях, когда фиксированная и подвижная точки меняются местами, соответственно изменяется и действие мышц.

Имеются мышцы, сила тяги которых направлена так, что вызывает вращение кости. Такие МЫШЦЫ при движениях обертываются вокруг КОСТИ. К НИМ относятся пронаторы и супинатор предплечья.

Как мы уже имели возможность убедиться, большинство движений в суставах происходят с участием не одной, а нескольких мышц. Действующие мышцы вступают при этом в закономерные функциональные взаимоотношения. С точки зрения группового действия мышцы подразделяются на первичные двигатели, синэргисты и антагонисты.

Первичными двигателями являются мышцы, производящие некоторое действие.

Синэргисты—это мышцы, которые участвуют в движении вместе с первичными двигателями и предотвращают их нежелательное действие. Примером синэргии является сгибание пальцев при вытянутой руке. Сгибатели пальцев перекидываются через несколько суставов и при своем сокращении стремится произвести сгибание во всех этих суставах. Сгибание кисти в лучезапястном суставе предотвращается благодаря сокращению разгибателей запястья, которые в данном случае играют роль синэргистов по отношению к сгибателям пальцев.

Антагонисты действуют в направлении, противоположном первичным двигателям, и могут полностью им противодействовать. Антагонистами являются сгибатели и разгибатели, действующие на один и тот же сустав, пронаторы и супинатор и т. д.

•Первичные двигатели и их антагонисты при совместном сокращении производят фиксацию того или иного эвена скелета. Например, фиксация нижней конечности в коленном суставе достигается одновременным сокращением четырехглавой мышцы и задних мышц бедра. Взаимодействие мышц, расположенных выше и ниже подъязычной кости, способствует фиксации этой кости, а вместе с ней и гортани, что имеет важное значение при голосообразовании.

В качестве антагонистов могут выступать не только сократившиеся, но и расслабленные мышцы, которые в силу своей эластичности противодействуют растяжению. Такое действие расслабленной мышцы называют реактивным.

При многих движениях сокращение первичных двигате­лей сопровождается сокращением антагонистов, которые за­тем постепенно расслабляются, обеспечивая плавность дви­жения. Злектромиографические исследования Басмаяна показали что сокращение антагонистов в начале движения длится лишь несколько миллисекунд, а затем антагонисты расслабляются и снова сокращаются за несколько миллисе­кунд до прекращения движения. В последней фазе движения они действуют как тормоз, предохраняя сустав от повреж­дения. •

При анализе движений необходимо учитывать действие силы тяжести, которая всегда присутствует как «невидимая мышца». Каждая кость движется или фиксируется в суставе благодаря совместному действию силы тяжести и одной или нескольких мышц. Сила тяжести может выступать в качест­ве первичного двигателя или антагониста. Функция многих мышц заключается в противодействии силе тяжести. Антигравитационным действием обладают в первую очередь те мышцы,, сила тяга которых направлена перпендикулярно оси кости.

Стабилизирующее действие силы тяжести может быть по­казано на примере опущенной руки. При этом все мышцы оказываются неактивным». Головка плечевой кости прижимается к суставной впадине только силой тяжести и реактивным действием надостной мышцы. Лишь при напруженной руке в надостной мышце возникает напряжение. Аналогично этому у спокойно стоящего человека регистрируется только слабая активность подвздошно-поясничной мышцы.

Таковы положения, на основе которых можно произво­дить анализ многообразных движений человеческого тела. Как видно из сказанного, двигательная функция мышцы да­леко не всегда определяется ее положением и прикреплением. Мышцы необходимо рассматривать в связи с теми двигатель­ными актами, в осуществлении которых они участвуют, всту­пая при этом в сложные, изменчивые взаимоотношения. Ес­ли работа отдельных звеньев двигательного аппарата подчи­няется законам механики, то сами движения человеческого тела обусловлены биологическими или социальными факто­рами. Согласно представлениям, развивавшимся Н. А. Бернштейном, координация движений осуществляется путем нерв­ной регуляции на различных уровнях, представленных в цен­тральной нервной системе спинномозговыми, стволовыми, подкорковыми и корковыми центрами.

А. Беннингхофф образно сравнивает мышечную систему с большим органом, в котором трубки соответствуют отдель­ным мышцам, а клавиатура с ее регистрами и связями уподо­бляется нервному аппарату. Так же как в органе никогда не звучит одна трубка, в мускулатуре не бывает обособленных сокращений мышц.

^]В процессе индивидуального развития вырабатываются определенные схемы движений, имеющих то или иное биоло­гическое значение, как-то: передвижение, ориентировка, за­хватывание пищи и т. д. Двигательный аппарат человека отличается тем, что он может быть использован и для осущест­вления произвольных движений,,, не укладывающихся в эти схемы. Бесконечное разнообразие трудовых процессов, рече­вых и эмоциональных движений зависит от практических не­ограниченной свободы в использовании органов движения, которая обеспечивается сложными механизмами нервного управления работой мышц.

150