Управление по закрытому кон­туру регулирования

Зачатки противоположных идей относительно кольцевого или замкнутого (закрытого) контура регуляции движений мы находим у В. Джемса, Ч. Шеррингтона и др.

Джемс предположил, что периферическая обратная связь от одной части движения вызывает к действию следующую, и выдви­нул гипотезу «цепных рефлексов», против которой позже выступил Лешли. В соответствии с теорией закрытого контура предпола­гается, что ответ не просто запускается рецепторикой, но и управ­ляется ею.

Управление движением по «закрытому» контуру предполагает передачу с помощью обратных связей информации о соответствии движения требуемой цели и выработку на основе этого новых управляющих команд. Обратная связь выполняет две функции: с ее помощью определяются пространственные характеристики цели, необходимые для составления программы баллистического движения, а также осуществляется соотнесение результатов вы­полнения этих программ с истинным положением цели, служащее для уточнения программ последующих движений. Наиболее пол­ная аргументация того, что жесткое программирование не может обеспечить целесообразный эффект движения, дана Н. А. Берн штейном.

Теория Н. А. Бернштейна охватывает широкий класс функцио­нально-различных движений и представляет собой общую теорию поуровневого управления и построения движений человека. Эта теория включает в себя три фундаментальных принципа: централь­ного программирования, сенсорных коррекций и уровневой орга­низации движений. Принцип координирования движений изложен им в безупречной с точки зрения современной теории автомати­ческого регулирования форме: «... как только орган, находящийся под действием внешних и реактивных сил, плюс еще какая-то до­бавка внутренних, мышечных сил, отклонится в своем результирующем движении от того, что входит в намерения центральной нервной системы, эта последняя получит исчерпывающую сигнали­зацию об этом отклонении, достаточную для того, чтобы внести в эффекторный процесс собственные адекватные поправки. Весь изложенный принцип координирования заслуживает поэтому наз­вания принципа сенсорных коррекций» [6, с. 28].

Н. А. Бернштейн долгое время решительно отвергал всякую возможность управления движением по разомкнутой схеме. Одна­ко позже он отошел от такой крайней точки зрения и допустил возможность того, что в некоторых элементарных процессах дуга не замыкается в рефлекторное кольцо либо из-за кратковремен­ности акта, либо вследствие его крайней элементарности.

Сенсорные коррекции осуществляются в общем случае всеми имеющимися в распоряжении организма рецепторными аппарата­ми. В частных случаях некоторые из обратных связей могут не участвовать в управлении движением. Первичные сигналы рецеп­торов предварительно подвергаются сложной обработке и «пере­шифровке», необходимой, например, для того, чтобы их можно было сличить с проектом движения, построенным на языке прост­ранственно-кинематических представлений. Полученные в результа­те обработки «синтезы», составленные из сигналов всех видов обратных связей, участвующих в управлении данным движением, служат для сенсорных коррекций.

Понятие о сенсорном синтезе играет в модели Бернштейна фундаментальную роль. Состав образующих его афферентаций, т. е. обратных связей, и принцип их объединения служат главным критерием, отличающим один уровень построения движения от другого.

Каждая двигательная задача находит себе в зависимости от своего содержания и смысловой структуры тот или иной ведущий уровень. Уровни различаются между собой не только видом сен­сорного синтеза, но и анатомическим субстратом, т. е. совокуп­ностью органов нервной системы, без которых осуществление функции этого уровня невозможно.

В зависимости от цели и смыслового содержания двигательного акта один из уровней берет на себя роль ведущего, координирую­щего действия нижележащих фоновых уровней. Во всяком движе­нии осознается только ведущий уровень.

Выработка двигательного навыка — это процесс формирования в ходе обучения и тренировки уровневого состава движения, выделения ведущего уровня и сра­батывания между собой всех вовлеченных в управление уровней.

Необходимым условием успешного изучения двигательных ак­тов является создание адекватного метода, позволяющего регист­рировать и анализировать пространственно-временную развертку движения, весь ход двигательного акта «по всему моторному аппа­рату тела».

В исследованиях исполнительной деятельности, на­правленных на выявление объективных индикаторов процесса формирования сенсомоторного образа пространства и структуры действия, использовался микроструктурный метод анализа, суть которого состоит в выделении быстротекущих компонентов цело­стных психических актов и в анализе их взаимоотношения. Исполь­зование этого метода при исследовании произвольных простран­ственных действий позволило вскрыть структуру пространственно­го действия; проследить динамику ее становления и развития в различных условиях протекания действий; выделить ряд ком­понентов-стадий: формирования программы, реализации, контроля и коррекций, составляющих структуру действия, проследить ди­намику их развития, соотношения их на разных этапах освоения действия, а также изменения, происходящие внутри выделенных компонентов целостного действия.

Экспериментальная ситуация предусматривала исследование формирования инструментального пространственного действия в различных условиях.

• В стабильных условиях маршруты требуе­мого движения были одинаковой величины и сложности.

• В дина­мических условиях маршруты отличались числом опорных элемен­тов и числом пространственных составляющих движения.

• В условиях инверсии вводилось рассогласование (полное или частичное) между перцептивным и моторным полями. Инверсия вводилась после выработки навыка в условиях нормы.

В результате исследования было обнаружено, что в процессе формирования навыка (стабильные условия, норма) наблюдается сложная динамика во взаимоотношениях между отдельными ста­диями целостного действия.

Во-первых, в процессе освоения пpo­странственного действия наблюдается уменьшение времени каждой выделенной стадии; во-вторых, сокращение времени в каждой ста­дии происходит неравномерно, в-третьих, по мере тренировки проис­ходит перераспределение времени между выделенными стадиями.

Неравномерность темпа сокращения времени в выделенных ста­диях свидетельствует о том, что все компоненты целостного дей­ствия совершенствуются неодинаково.

В исследовании обнаружена последовательность формирования компонентов пространственного действия. Быстрее всего складывается стадия формирования мо­торных программ, за ней следует стадия контроля и коррекций, обе они формируются на фоне постепенного уменьшения времени, которое занимает стадия реализации моторных программ.

Лишь после того как оба когнитивных компонента сформировались, видимо, возможно, последнее сокращение времени выполнения действия в целом. И это сокращение происходит за счет его испол­нительной части. Перераспределение времени между стадиями внутри целостного действия на разных этапах формирования сви­детельствует о том, что каждое новое упражнение — это новый процесс решения задачи, процесс изменения и совершенствования средств и способов ее решения.

Знание функциональной структуры действия, исследование динамики ее формирования и становления, установление взаимо­связей и взаимоотношений между компонентами исследуемого объекта открывают возможности контроля за процессом форми­рования и оптимизации движений и действий.

Изменение удельного веса компонентов в структуре действия как в процессе его формирования, так и под влиянием тех или иных изменений, внесенных в условия его протекания, свидетель­ствует о том, что превалирование того или иного типа регулиро­вания двигательными актами зависит в основном от условий, в которых действие протекает, и от степени освоенности, обученности. На рис. представлены удельные веса компонентов целостного действия в различных условиях его протекания и на разных этапах его формирования.

а – в стабильных условиях; б – в динамических условиях; в – в условиях инверсии 1 – начало обучения 2- конец обучения

Соотношение компонентов функциональной структуры целост­ного действия в начале его формирования сходно независимо от того, в каких условиях протекает действие. В конце формирования сходное соотношение компонентов в структуре действия отмечается у действий, формируемых в динамических и инвертированных условиях; действие, формируемое в условиях нормы, имеет совер­шенно отличную от них структуру.

Ситуация инверсии и динамики и ситуация нормы могут быть сопоставлены в терминах открыто­го и закрытого контура управления.

В условиях нормы после дли­тельной тренировки у испытуемых формировались симультанный образ ситуации и программа, организующая моторный ответ, т. е. значительная часть действия осуществлялась как бы по открыто­му контуру, что подтверждается значительным удельным весом стадии формирования программ и сравнительно небольшим весом стадии контроля и коррекций.

В ситуации инверсии⁵ и в динами­ческих условиях предъявления информации в течение проведенных экспериментальных серий сохранилась регуляция по принципу замкнутого контура, о чем свидетельствует удельный вес стадии контроля и коррекций, составляющей примерно 50% от целостного действия.

К настоящему времени предложено большое число разнообраз­ных вариантов теорий закрытого контура регулирования, описы­вающих более или менее сложные акты человеческого поведения и деятельности. Эти теории относятся к таким процессам, как дис­кретные и непрерывные двигательные процессы, перцептивно-мо­торные навыки, речевое поведение и т. д.

В настоящее время созрели как теоре­тические, так и методические предпосылки для преодоления оппозиции между теориями открытого и закрытого контура. Тео­ретические предпосылки состоят в том, что во многих областях исследования психической деятельности успешно преодолевается технологический, инженерный подход, в том числе и в его совре­менном информационно-кибернетическом варианте.

Методические предпосылки состоят в том, что благодаря использованию ЭВМ на линии эксперимента появились принципиально новые возможности регистрации и анализа движений.

В качестве примера приведем исследование, предметом которого был анализ соотношений когнитивных и исполнительных компонентов инструментального действия.

Экспериментальная си­туация предусматривала быстрое и точное горизонтальное движе­ние к цели, представляющей собой све­товой квадрат, равный по размеру управ­ляемому квадрату и появляющийся справа и слева от стартовой позиции на горизонтальной оси телевизионного индикатора по программе от ЭВМ. Реги­стрировались временные и скоростные характеристики движения.

На рисунке 12 представлен образец записи перехода на цель, включающий в себя запись параметрического графи­ка зависимости пути от времени, данные по скорости и ускорению совершаемого движения. Данный вид кривых S (t), V(t), A(t ) описывает движения, направ­ленные на быстрое и точное совмещение управляемого пятна с целью.

Скорость движения возрастает до середины пути, а затем начинает монотонно падать вплоть до начала корректирующих дви­жений, подводящих управляемое пятно к цели. Изменение скорости движения, в свою очередь, вызвано тем, что усилие, прилагаемое для перемещения руки в пространстве и соответственно орудия, управляемого ею, изменяется во вре­мени.

Характер изменения этого усилия описывается изменением ускорения движения во времени A(t), где можно выделить ускоренную часть, соответствующую началь­ной части движения, когда скорость нарастает от 0 до макси­мума, и части движения, когда ускорение имеет отрицательный знак.

Одновременно для каждой группы реализаций (в зависимо­сти от амплитуды перемещения) был вычислен средний квадратич­ный разброс (а), т. е. определены участки максимального и ми­нимального отклонения от идеальной кривой.

Как показал анализ, максимальное отклонение на кривой (а) отмечено в се­редине пути там, где, как видно на кривой скорости, она уже достигла своего максимума. Иначе говоря, разброс ми­нимален в начале и конце пути.

Отсюда можно предположить. что движения в самом начале своего пути, соответствующие по времени фазе >нарастания ускорения и характеризующиеся мини­мальным разбросом (а), совершаются по четко отработанной программе для данной группы движений.

Эти данные согласуются с данными представителей програм­много или открытого типа управления движениями, постулирую­щих наличие набора моторных программ, которые могут синте­зироваться в желаемое движение, охватить его целиком и которые не зависят от обратной афферентации.

Результаты проведенного исследования свидетельствуют о наличии программного типа управления лишь для начальной части движения, составляющей для данной экспериментальной ситуации и данной группы движе­ний 125—150 мс. Как было .показано, средний квадратичный раз­брос увеличивается, доходя до своего максимума на участке пути, соответствующему максимальному значению скорости, охватываю­щей на кривой S (t) интервал, равный 225—275 мс.

Вследствие большого количества степеней свободы кинематических цепей человеческого тела, действия реактивных и внешних сил и других причин никакая, даже наиболее точно дозированная, система пус­ковых афферентных импульсов не может однозначно определить требуемое движение. Но движение все-таки совершается, и доста­точно точно, и совершается оно с помощью внесения поправок по ходу выполнения движения, на основе эфферентной сигнализации, поступающей в процессе двигательного акта, путем «сенсорной коррекции».

Однако одних импульсов, поступающих в нервную систему по ходу выполнения движения, еще недостаточно для управления действием, они должны сопоставляться с заданными, запрограммированными их значениями, что и дает возможность вносить поправки по ходу выполнения действия; на основе такого сличения и производится коррекция двигательного акта. Иначе говоря, имеются основания для объединения в одном двигательном акте двух типов управления: программного и на основе обратной афферентации, т. е. закрытого типа управления.

Сами представления о моторной программе и об обратной связи, являющиеся центральными в этих теориях, тоже нуждаются в объяснении, тем более, что они рассматриваются в этих теориях преимущественно со стороны их физиологических механизмов.

А между тем современные исследования открывают в человечес­ком действии такие осложнения, вариации и направления, о кото­рых не знают биомеханика и физиология, по крайней мере в их нынешнем состоянии.

Главное осложнение состоит, видимо, в том, что как программа, так и контроль являются производными от об­раза, равно как и образ является производным от действия с предметом. Это не логический круг, поэтому разрывать его не нужно, но понять взаимоотношения между действием и образом необходимо; без этого невозможно решить проблему построения движений. Мы не случайно привели выше высказывание И. М. Се­ченова о том, что чувствования служат источниками движений не прямо, а через психику, т. е. через образ, который сам является не менее динамичным, чем регулируемое им движение.

Понимание этого обстоятельства кардинально отличает тео­рию Н. А. Бернштейна от теорий открытого и закрытого контура. Рассматривая функции «задающего» элемента, он совершенно справедливо ставит вопрос о происхождении макропрограммы целевого действия и о связи ее с двигательной задачей. Послед­няя прямо или косвенно определяется ситуацией, сложившейся к данному моменту.

В качестве определяющего фактора в возник­новении и формировании макропрограммы двигательного акта в теории Бернштейна выступает образ или представление резуль­тата действия (конечного или поэтапного).