Схема тела и система внутреннего представления. Система внутреннего представления и управление движениями
7. Выработка двигательных навыков
Совершенствование двигательной функции в онтогенезе происходит как за счет продолжающегося в первые годы после рождения созревания врожденных механизмов, участвующих в координации движений, так и в результате научения, т.е. формирования новых связей, которые ложатся в основу программ тех или иных конкретных двигательных актов. Координация новых непривычных движений имеет характерные черты, отличающие ее от координации тех же движений после обучения.
Ранее уже говорилось, что обилие степеней свободы в опорно-двигательном аппарате, влияние на результат движения сил тяжести и инерции осложняют выполнение любой двигательной задачи. На первых порах обучения ЦНС справляется с этими трудностями, нейтрализуя помехи с помощью дополнительных мышечных напряжений. Мышечный аппарат жестко фиксирует суставы, не участвующие в движении, и активно тормозит инерцию быстрых движений. Такой путь преодоления помех энергетически невыгоден и утомителен. Использование обратных связей еще несовершенно – коррекционные посылки, возникающие на их основе, несоразмерны и вызывают необходимость повторных дополнительных коррекций.
Мышцы-антагонисты даже тех суставов, в которых совершается движение, активируются одновременно: в циклических движениях мышцы почти не расслабляются. Кроме того, возбуждены также многие мышцы, не имеющие прямого отношения к данному двигательному акту. Движения, совершаемые в таких условиях, напряжены и неэстетичны (например, движения человека, впервые вышедшего на коньках на лед).
Как показал Н.А. Бернштейн, по мере обучения вырабатывается такая структура двигательного акта, при которой немышечные силы включаются в его динамику, становятся составной частью двигательной программы. Излишние мышечные напряжения при этом устраняются, движение становится более устойчивым к внешним возмущениям. На электромиограммах видна концентрация возбуждения мышц во времени и пространстве, периоды активности работающих мышц укорачиваются, а количество мышц, вовлеченных в работу, уменьшается. Это приводит к повышению экономичности мышечной деятельности, а движения становятся более плавными, точными и непринужденными.
Важную роль в обучении движениям играет рецепция, особенно проприоцепция. В процессе двигательного научения обратные связи используются не только для коррекции движения по его ходу, но и для коррекции программы следующего движения на основе ошибок предыдущего.
8. Схема тела и система внутреннего представления
В настоящее время большинство специалистов согласно, что взаимодействие организма с внешней средой строится на основе модели внешнего мира и модели собственного тела, строящихся мозгом.
Необходимость внутренних моделей для управления движениями связана со спецификой сенсомоторной системы.
1. Большинство рецепторов расположено на подвижных звеньях тела – следовательно, они собирают информацию в собственных локальных системах координат. Для того чтобы воспользоваться этой информацией, ее нужно преобразовать в единую систему координат или, как минимум, обеспечить возможность двухсторонних переходов.
2. Для управления движениями мозгу необходимы величины, которые не содержатся непосредственно в первичных сигналах рецепторов. К подобным величинам относятся такие, как длины кинематических звеньев, положения парциальных и общего центра масс. Кроме того, в первичных сенсорных сигналах не содержатся самые общие сведения о кинематической структуре тела: количестве и последовательности звеньев, числе степеней свободы и объеме движений в суставах.
3. Ход выполнения движения оценивается путем сравнения реальной афферентации с ожидаемой (эфферентная копия). Для многозвенных кинематических цепей, оснащенных рецепторами разных модальностей, эфферентная копия оказывается достаточно сложной, и для ее построения также требуется внутренняя модель.
Вывод о наличии в ЦНС модели собственного тела был впервые сделан на основе клинических наблюдений фантома ампутированных, известного с глубокой древности. Человек, утративший конечность, в течение длительного времени субъективно продолжает ощущать ее присутствие. Речь идет не о редком феномене, проявляющимся в исключительных ситуациях: фантом после ампутации наблюдается более чем в 90% случаев. Описаны случаи фантома у детей и при врожденном отсутствии конечности. Это означает, что по меньшей мере некоторые элементы внутренней модели или, как ее называют, «схемы тела», относятся к врожденным.
Характерные черты ампутационного фантома могут быть воспроизведены на здоровом человеке при выключенном зрении, в условиях блокады проведения импульсов, поступающих в мозг от кожных, суставных и мышечных рецепторов руки по чувствительным нервам. Блокировать чувствительность можно, вводя анестетик в плечевое сплетение или временно останавливая кровоток в руке (ишемическая деафферентация). Оказалось, что в этих условиях наблюдается своего рода «экспериментальный фантом», рассогласование реального и воспринимаемого положения конечности, достигающее порой значительных величин [Гурфинкель, Левик, 1991а]. Когда испытуемого просили совершить движение ишемизированной рукой, он планировал его, исходя из того, как в данный момент рука была представлена в системе внутреннего представления, а не из ее реального положения.
В условиях ишемической деафферентации, несмотря на отсутствие проприоцептивного притока, не возникает ощущения «исчезновения» руки либо ее дистальных звеньев. Это означает, что в ЦНС имеется своего рода список звеньев тела, составляющие которого обладают консерватизмом и устойчивостью к разного рода изменениям периферии. Сохранение кинестатических ощущений можно объяснить тем, что осознание положения кинематических звеньев происходит не на основе «сырой» афферентации, а на базе сложной информационной структуры – «схемы конечности», ее внутренней модели. При изменении или резком снижении афферентации нарушается «привязка» этой модели к физическому пространству, может наблюдаться и дрейф отдельных ее параметров, но сама модель сохраняется и служит базой для восприятия конечности и планирования ее движений.
Другим источником представлений о схеме тела явились клинические наблюдения, показывающие, что некоторые формы церебральной патологии, особенно поражения правой теменной доли, приводят к возникновению стойких искаженных представлений о собственном теле и окружающем пространстве. Среди этих нарушений встречаются одностороннее игнорирование одной конечности или половины тела на пораженной стороне (контралатеральной по отношению к пораженному полушарию); аллостезия – восприятие стимулов, приложенных к больной стороне, как приложенных к здоровой стороне, отрицание дефекта, иллюзорные движения пораженных конечностей, отрицание принадлежности больному пораженных конечностей; ослабление осознания частей тела (асхематия и гемидеперсонализация); фантомные дополнительные конечности.
Разнообразие клинических проявлений, обусловленных нарушениями схемы тела, указывает на сложность выполняемых ею функций. Кроме того, видно, что все многообразие нарушений распадается на три группы: а) нарушение представлений о принадлежности частей тела; б) нарушение правильных представлений о форме, размерах и положении частей тела и в) иллюзорные движения.
С точки зрения схемы тела представляют интерес и исследования так называемых «измененных состояний сознания», возникающих у здоровых людей под действием галлюциногенов, гипноза, сенсорной депривации, во сне и т.д. Из всего многообразия феноменов измененного состояния сознания выделяют группу этиологически независимых, т.е. не зависящих от природы агента, вызвавшего такое состояние. Треть из этих феноменов имеет непосредственное отношение к схеме тела и моторике. Люди, испытавшие измененные состояния сознания, часто сообщают что-либо из далее перечисленного: граница между телом и окружением была размытой; опора представлялась качающейся; конечности казались больше, чем обычно; окружающие предметы были больше, чем обычно; тело исчезало; тело представлялось плавающим; окружение казалось нереальным; «я» и окружение представлялись единым целым; терялась возможность управлять движениями своего тела; части тела больше им не принадлежали. Из этого перечня видно, что и здесь можно выделить нарушения, связанные с восприятием целостности тела и его границ, размеров отдельных звеньев и нарушениями двигательных возможностей организма. В сравнении с клиническими проявлениями, характерными для органических поражений мозга, здесь можно выделить еще одну сторону, связанную с нарушениями взаимоотношений между телом и внешним пространством: плавание, качающаяся опора и др. (т.е. с трудностями в формировании системы отсчета).
Но, возможно, не стоит слишком сильно расширять перечень функций, выполняемых схемой тела, а отнести к ним только описание таких стабильных характеристик тела, как разделение на туловище и присоединенные к нему голову и конечности, последовательность и длины звеньев конечностей, число степеней свободы и объемы движений в суставах, расположение мышц и основных рецептивных полей. Без этого описания невозможен ни анализ поступающих от многочисленных рецепторов сигналов о теле (соместезия), ни реализация моторных программ. Задачу описания текущего положения тела и его конфигурации в рамках соответствующей системы отсчета целесообразно отнести к функциям системы внутреннего представления собственного тела. Такое разделение – это не просто вопрос терминологии, в его пользу говорит тесная связь между представлением собственного тела и окружающего (экстраперсонального) пространства, включая как общие закономерности формирования представления о теле и ближнем пространстве, так и во многом общий анатомический субстрат. Последнее подтверждается тем, что при поражениях определенных структур ЦНС нарушения восприятия пространства и собственного тела сопутствуют друг другу.
Подавляющая часть наших движений пространственно ориентированы, т.е. направлены на достижение определенной точки в пространстве. Пространственно ориентированной является и поза (относительно опоры, гравитационной вертикали и структуры зрительного окружения). Именно поэтому управление позой и движениями требует системы отсчета, в которой представлено как тело, так и окружающее пространство. Из физики известно, что всякое движение относительно, поэтому говорить о движении имеет смысл только в том случае, если указано, в какой системе отсчета это движение происходит. В последнее время изучением системы внутреннего представления и системами отсчета начали заниматься и нейрофизиологи. В результате появилось много экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что система внутреннего представления пространства реально существует и доступна изучению. Например, установлено, что можно мысленно манипулировать трехмерными объектами так же, как и их реальными физическими прототипами. Система внутреннего представления работает не просто с двухмерной проекцией предмета, аналогичной сетчаточному изображению, а с его трехмерной моделью. Это следует из опытов, в которых на экране человеку предъявляли два идентичных или зеркальных предмета в разной ориентации. Для того чтобы установить, одинаковы ли показанные предметы, мозг конструировал необходимый мысленный путь для преобразования (поворот или перемещение). Выбирался не случайный, а простейший и кратчайший путь. Время мысленного манипулирования линейно зависело от угла поворота, необходимого для того, чтобы привести объекты к одной ориентации. Индикатором процессов внутреннего моделирования двигательных актов может быть усиление локального мозгового кровотока в двигательных центрах мозга, обнаруженное при многих типах мысленных движений. Так, избирательная активация кровотока в области классических речевых центров левого полушария наблюдается при невокализованной речи, например счете про себя.
В зависимости от того, выполняются ли движения относительно собственного тела или относительно системы координат, связанной с экстраперсональным пространством, изменяется активность нейронов в различных областях мозга.
Своеобразным клиническим подтверждением существования системы внутреннего представления служит «геминеглект», т.е. игнорирование пациентом половины своего тела и внешнего пространства (обычно левой) при поражениях правой теменной доли, несмотря на сохранность элементарных сенсорных и моторных функций. Геминеглект связывали с дефицитом внимания и нарушениями программирования движений, однако многие данные свидетельствуют о том, что дефект затрагивает именно систему внутреннего представления.
В классическом эксперименте пациента-миланца просили представить себя стоящим спиной к знаменитому собору в Милане и описать расположенную перед ним площадь. Пациент называл или рисовал только здания, находящиеся с правой стороны площади, игнорируя ее левую часть. Затем его просили представить себя стоящим на противоположной стороне площади лицом к собору и вновь описать открывающуюся панораму. Пациент опять описывал только правую половину площади, но при новой ориентации в сферу его внимания попадали здания, которые игнорировались в первом случае. Это означает, что внутренняя модель у пациента была полной, но он имел доступ только к одной половине этого представления, менявшейся в зависимости от ориентации его тела, т.е. от избранной системы отсчета. Таким образом, при операциях с внутренним представлением пространства проявлялся тот же дефект, что и при рассматривании реальных объектов.
Известные способы изучения системы внутреннего представления ориентированы главным образом на ее роль в восприятии. Однако в последнее время появились новые экспериментальные подходы, базирующиеся на традиционных методах физиологии движений, а не ориентированные исключительно на перцепцию и словесные отчеты. На осознаваемом уровне отражается лишь небольшая часть работы нервной системы при выполнении пространственно ориентированных действий. Поэтому можно полагать, что большинство интегративных действий, выполняемых внутренней моделью тела, протекает на подсознательном уровне. Примером таких действий могут служить описанные Р. Магнусом шейные и вестибулярные «позные» автоматизмы, участвующие в поддержании нормального положения тела и восстановлении нарушенного равновесия у животных. У здорового взрослого человека в состоянии покоя шейные влияния на мускулатуру туловища и конечностей незаметны, но выявляются на фоне тонических реакций, вызванных вибрационной стимуляцией мышечных рецепторов. У сидящего человека, стопы которого не имеют контакта с полом, вибрация ахилловых сухожилий вызывает двухстороннюю активацию четырехглавых мышц и разгибание ног в коленных суставах. Поворот головы относительно вертикальной оси сопровождается нарушением симметрии реакции: она усиливается на «затылочной» ноге и ослабляется на «подбородочной». Такая же реакция наблюдается в ответ на непроизвольный поворот головы при вибрации шейных мышц.
Известно, что вибрация сухожилия или брюшка мышцы с частотой, вызывающей активацию мышечных рецепторов растяжения, может приводить к возникновению локального тонического вибрационного рефлекса – сокращению мышцы, подвергающейся вибрации. В результате возникает движение соответствующего звена. Если его предотвратить с помощью жесткой фиксации, то тонический вибрационный рефлекс, как правило, не развивается, зато появляется иллюзия движения звена в направлении, противоположном тому, в котором происходило бы реальное движение в отсутствие фиксации. Так, вибрацией соответствующих шейных мышц можно вызвать поворот головы, а при ее фиксации в среднем положении при той же вибрации у испытуемых создавалась иллюзия поворота головы в противоположную сторону.
При иллюзорном повороте ассиметрия движения ног имела знак, соответствующий направлению иллюзии, причем она была выражена даже сильнее, чем при реальном повороте головы. Это показывает, что вибрационная стимуляция одних и тех же афферентов может оказывать прямо противоположное модулирующее влияние на тоническую активность мышц ног в зависимости от состояния системы внутреннего представления [Гурфинкель и др., 1991б].
Известен феномен изменения направления отклонения тела при гальванической вестибулярной пробе в зависимости от ориентации (поворота) головы. Оказалось, что сходный эффект можно получить и в том случае, когда вместо реального поворота головы вызывалась иллюзия такого поворота. Таким образом, «позные» автоматизмы модулируются внутренним представлением о конфигурации тела. Кроме того, система внутреннего представления должна включать также систему координат, в которой описываются ориентация и движение тела относительно внешнего пространства. В зависимости от ситуации и двигательной задачи организм может использовать систему отсчета, связанную с корпусом, с головой, с внешним пространством или с каким-либо подвижным объектом. Переход от одной системы координат к другой влияет не только на восприятие, но и на двигательные реакции, обычно относимые к автоматическим.
Так, медленные повороты корпуса относительно фиксированной в пространстве головы вызывают иллюзию движения головы относительно неподвижного корпуса. Это показывает, что система внутреннего представления склонна использовать систему координат, связанную с корпусом, и интерпретировать взаимный поворот головы и корпуса как вращение головы относительно неподвижного корпуса. Однако в условиях данного эксперимента можно вызвать переход от эгоцентрической системы координат (связанной с корпусом) к экзоцентрической (связанной с внешним пространством). Для этого испытуемого просили захватить рукой рукоятку, жестко закрепленную на массивном неподвижном столе. Информация о взаимном перемещении корпуса и рукоятки, а также априорное представление о том, что рукоятка несмещаема, приводили к переходу от эгоцентрической системы координат к экзоцентрической – у испытуемого появлялись ощущения поворотов корпуса, который ранее воспринимался неподвижным, соответственно исчезали и ощущения поворотов головы.
Переход от одной системы координат к другой подтверждался не только субъективным отчетом испытуемого, но и ярко выраженными изменениями реакций глазодвигательного аппарата. Если вначале амплитуда движения глаз в направлении иллюзорного поворота головы превосходила амплитуду поворотов корпуса, то после захвата рукоятки она уменьшалась в 3–4 раза [Гурфинкель, Левик, 1995].
Итак, нейронная модель тела, механизмы построения систем отсчета, набор базисных моторных автоматизмов и алгоритмов их согласования составляют основу, на которой формируется внутреннее представление о собственном теле и окружающем пространстве. Система внутреннего представления играет ведущую роль в задачах переработки сенсорной информации и реализации пространственно ориентированных движений. Реакции, которые на животных считаются классическими примерами рефлекторных «позных» автоматизмов, у человека в сильной степени определяются тем, как описывается взаимное положение головы, туловища и конечностей в этой системе. Такое описание требует определенной системы отсчета. Переход из одной системы координат в другую ведет к изменению интерпретации сенсорных сигналов и модификации двигательных реакций, возникающих в ответ на эти сигналы. Выбор системы отсчета во многом определяется априорными сведениями об объектах внешнего мира, с которыми человек поддерживает контакт (жесткость, несмещаемость и др.).
ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 1995, том 65, № 1, с. 29 - 37
Пространственная ориентация и пространственно ориентированные движения немыслимы без наличия в мозгу системы внутреннего представления окружающего пространства и собственного тела. Эта система, ранее доступная лишь психологам , теперь изучается экспериментальными физиологическими методами. Эксперименты, проводившиеся авторами публикуемой ниже статьи, показывают, что система внутреннего представления, с одной стороны, обеспечивает субъективное восприятие положения тела в пространстве, а с другой - координирует работу базовых рефлексов и двигательных автоматизмов, объединяя их в единую систему регуляции позы и движений.
^ СИСТЕМА ВНУТРЕННЕГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЯМИ
В. С. Гурфинкель, Ю. С, Левин
Движения (включая речь и письмо) - главное средство взаимодействия организма человека и животных с окружением. В этом взаимодействии рефлекторные движения, побуждаемые стимулами из внешней среды, составляют лишь часть двигательной активности, другая ее часть - это активность, побуждаемая "изнутри". Мозг не просто отвечает на стимулы, поступающие из внешней среды, он находится с ней в постоянном диалоге, причем инициатива принадлежит именно мозгу. Вопрос о том, как организован диалог между центральной нервной системой (ЦНС) и внешним миром, занимает многих исследователей, однако их представления сильно расходятся. Тем не менее одно из наиболее общих утверждений, с которым ныне соглашается большинство специалистов, состоит в том, что взаимодействие организма с внешней средой строится на основе модели внешнего мира и модели собственного тела, представленных в мозгу. Впрочем, сходные идеи имеют давнюю историю .
Известный специалист в области искусственного интеллекта М. Минский дал такое определение модели: для наблюдателя b объект Л* является моделью объекта А в той мере, в которой b может использовать А* для ответов на вопросы относительно А. Каковы же вопросы о собственном теле и внешнем мире, для ответов на которые организм должен прибегать к использованию моделей в управлении позой и движениями?
Где находится центр масс тела, каковы масс-инерционные характеристики его сегментов, их геометрические размеры?
Авторы работают в Институте проблем передачи информации РАН. ГУРФИНКЕЛЬ Виктор Семенович - академик, заведующий лабораторией. ЛЕВИК Юрий Сергеевич - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник.
Каковы последовательность сегментов тела, число степеней свободы в каждом суставе, объем возможных перемещений?
Где у окружающего мира верх и низ , правая и левая стороны, какова ориентация тела относительно вертикали?
Каковы свойства поверхности, на которой мы стоим (твердая, податливая, неустойчивая), и окружающих предметов (смещаемые или несмещаемые, жесткие или деформируемые)?
В какой мере изменения сигналов от органов чувств связаны с изменениями внешнего мира, а в какой ~ с собственными перемещениями?
Какие изменения позы или выполняемого движения может вызвать внешнее или вызванное собственными действиями возмущение? Нельзя ли компенсировать эффект возмущения, не допустив возникновения изменений, то есть перейти от управления по отклонению к управлению по возмущению, к упреждению?
Как из информации об относительном движении сегментов тела, приходящей от рецепторов суставных углов, получить данные о перемещении рабочих точек конечностей?
Каковы возможности согласования информации от разных рецепторов?
Как преобразовать информацию о собственном теле в информацию о внешнем объекте (например, при ощупывании получить из данных о конфигурации пальцев, давлении на кожу и т.п. описание формы предмета)?
Каким путем формируется на основе плана движения система двигательных команд для его выполнения, то есть осуществляется переход от траектории движения рабочей точки к изменениям суставных углов, а от углов - к мышечным моментам?
^ ГУРФИНКЕЛЬ, ЛЕВИК
Сложность ответов на эти вопросы связана со следующими особенностями сенсомоторной системы. Большинство рецепторов расположено на подвижных звеньях тела, следовательно, они собирают информацию в собственных локальных системах координат. Для того чтобы воспользоваться этой информацией, нужно преобразовать ее в единую систему координат или, как минимум, обеспечить возможность двусторонних переходов. В процессе управления движениями мозг оперирует величинами, которые не содержатся непосредственно в первичных сигналах рецепторов. К таким величинам относятся длины кинематических звеньев тела, положения парциальных и общего центров масс. Мозг должен располагать самыми общими сведениями о кинематической структуре тела: количество звеньев, описание их последовательности, число степеней свободы и объем движений в суставах. Эти сведения тоже не содержатся в первичной сенсорной информации. Наконец, ход выполнения движения оценивается путем сравнения реальной афферентации с ожидаемой (эфферентная копия). Для многозвенных кинематических цепей, оснащенных рецепторами многих модальностей, эфферентная копия также оказывается достаточно сложной , и, чтобы ее построить, нужно знать структуру кинематических цепей, передаточные характеристики рецепторов, их расположение и т.д.
Значение перечисленных факторов проиллюстрируем на примере из области робототехники. Для управления манипулятором в его программу необходимо заложить сведения о длинах и последовательности кинематических звеньев, положениях осей, распределении масс, мощности двигателей, диапазонах подвижности в шарнирах. Следует знать и передаточные характеристики датчиков, которыми оснащен манипулятор. Такого рода информация и составляет его внутреннюю модель. Подвижный робот, осуществляющий действия во внешней среде, должен быть наделен также средствами для сбора информации об этой среде, ее описания на основе поступающей информации и обладать некоторыми априорными сведениями о мире, где он действует. Подчеркнем, без таких сведений управление немыслимо. Тем не менее, если для манипулятора или робота необходимость подобного описания достаточно очевидна, то, рассматривая живой организм, исследователи часто и не задаются таким вопросом, хотя по своей структуре и выполняемым функциям, характеристикам биологических датчиков - рецепторов, их разнообразию живой организм намного сложнее любого известного ныне робота.
К идее внутренних моделей, формируемых мозгом, многие относятся скептически главным образом из-за того, что она якобы непроверяема. Другие, напротив, не оставляют попыток дока-
зать реальность так называемой системы внутреннего представления, функции которой включают формирование моделей собственного тела, внешнего мира и операции с этими моделями. Появились сообщения об экспериментальных работах, направленных на изучение свойств, структуры и других аспектов функционирования этих моделей.
Какими экспериментальными доказательствами наличия в ЦНС развитой системы внутреннего представления собственного тела и внешнего пространства мы располагаем? Одно из таких доказательств - феномен фантома ампутированных . Давно известно, что человек, утративший конечность, в течение длительного времени субъективно продолжает ощущать ее присутствие. Подчеркнем, речь идет не о редком феномене, проявляющемся в каких-либо исключительных ситуациях: фантом наблюдается после ампутации более чем в 90% случаев. В литературе описаны случаи фантома и при врожденном отсутствии конечности . Значит, по меньшей мере некоторые элементы внутренней модели , или, как ее называют, "схемы тела", относятся к врожденным.
Другим доказательством служит "геминег-лект", то есть игнорирование пациентом половины своего тела и внешнего пространства (обычно левой) при поражениях правой теменной доли . Это явление не связано с какими-либо нарушениями в зрительной системе или в соматической чувствительности. Наблюдения свидетельствуют: дефект затрагивает именно систему внутреннего представления. Например, одного пациента просили мысленно представить себя стоящим у знаменитого собора в Милане спиной к нему и описать расположенную перед ним площадь. Пациент называл или рисовал только здания, находящиеся с правой стороны площади, игнорируя ее левую часть. Затем его просили представить себя стоящим на противоположной стороне площади лицом к собору и вновь описать открывающуюся перед ним панораму. Пациент вновь описывал только правую половину площади, но при новой ориентации в сферу его внимания попадали те здания, которые игнорировались в первом случае. Таким образом, внутренняя модель у пациента оказывалась полной, но ему была доступна только половина этого представления, меняющаяся в зависимости от ориентации его тела, то есть от избранной системы отсчета. Следовательно, при операциях с внутренним представлением пространства проявлялся тот же дефект, что и при рассматривании реальных объектов.
Известны и другие аргументы в пользу функционирования системы внутреннего представления у человека: мысленная реориентация предметов; мысленное осуществление движений,
^
прохождение маршрутов; невокализованная (внутренняя) речь; мысленная тренировка с целью совершенствования двигательного навыка и др. Позже мы рассмотрим их подробнее.
Судя по приведенному в начале статьи перечню вопросов, на которые должна отвечать система внутреннего представления, она активно участвует в организации движений на подсознательном, автоматическом уровне. Вместе с тем известные способы изучения системы внутреннего представления ориентированы главным образом на ее роль в восприятии. Для исследования роли этой системы в управлении движениями потребовались новые экспериментальные подходы, базирующиеся на традиционных методах физиологии движений и не ориентированные исключительно на перцепцию и словесные отчеты.
Несмотря на всю ценность наблюдений фантома ампутированной конечности, им все-таки присущи определенные ограничения. Например, при отсутствии реальной конечности невозможно оценить соотношение реального и воспринимаемого положений, зависимость состояния внутренней модели от различных источников афферен-тации и т.п. Поэтому большой интерес вызывают исследования, воспроизводящие характерные черты ампутационного фантома на здоровом человеке в условиях блокады прохождения импульсов, поступающих в мозг от кожных, суставных и мышечных рецепторов руки по чувствительным нервам. Блокировать чувствительность можно, вводя анестетик в плечевое сплетение или останавливая кровоток в руке с помощью жгута или пневматической манжетки (ишемическая деаф-ферентация). Оказалось, что в этих условиях наблюдается своего рода "экспериментальный фантом", "диссоциация", рассогласование реального и воспринимаемого положения конечности, достигающее порой значительных величин .
Мы исследовали восприятие положения верхней конечности в условиях выключенного зрения и сниженного проприоцептивного притока . Афферентный приток от проприоцептивных и кожных рецепторов кисти и предплечья уменьшался путем ишемической деафферентации левой руки (сдавление плеча пневматической манжеткой).
Испытуемый сидел за столом, на который укладывалась его левая рука; глаза его были закрыты. Высота сиденья регулировалась так, чтобы удержание руки в заданной позе не требовало напряжения мышц. По команде экспериментатора испытуемый должен был указательным пальцем правой руки показывать местоположение концевой фаланги среднего пальца , лучезапястного сустава и локтя ишемизированной конечности. Чтобы испытуемый не мог скорректировать восприятие положения руки после прикосновения к
ней, конечность помещалась под прозрачный плексигласовый экран, приподнятый над поверхностью стола. На этот экран при каждой пробе наносили метки, на которых отмечали номер пробы и время. Продолжительность ишемии в разных попытках составляла от 25 мин до 1 ч.
Длительная ишемическая деафферентация у всех испытуемых вызывала появление значительного рассогласования реального и воспринимаемого положения конечности. Кроме того, отмечалось и "укорочение" руки - уменьшение расстояний между воспринимаемыми локтем и запястьем, а также между запястьем и кончиком пальца в продолжение опыта.
Последствия феномена диссоциации реального и воспринимаемого положений конечности ярко проявлялись, когда от испытуемого требовалось попасть пальцем ишемизированной руки в мишень (рис. 1). Проба проводилась в то время, когда чувствительность была снижена, но не потеряна полностью, а способность к произвольным движениям еще сохранялась. Если мишень (указательный палец неишемизированной руки испытуемого, поставленный экспериментатором в избранную точку на поверхности экрана) находилась в пределах сектора между реальной рукой и фантомом, испытуемый на основе неправильного представления о положении конечности совершал движение в направлении, противоположном тому, в котором должен был двигаться, чтобы попасть в мишень. В результате его палец не приближался к мишени, а удалялся от нее.
Описываемый здесь экспериментальный фантом наблюдался только при выключенном зрении. Открывание глаз приводило к немедленному слиянию фантома и реальной конечности. Инте-
ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 65 № 1 1995
32
^ ГУРФИНКЕЛЬ, ЛЕВИК
ресно, что прикосновение к ишемизированной руке пальцами другой руки (когда убран экран) оказывает на восприятие фантома меньшее влияние. Часто испытуемый, наталкивающийся на свою руку в неожиданном для него месте, просто не распознает ее как свою: считает посторонним предметом или рукой экспериментатора.
В условиях ишемической деафферентации, несмотря на отсутствие проприоцептивного притока, ни у одного испытуемого не появлялось ощущения отсутствия или "исчезновения" руки либо ее дистальных звеньев. По-видимому, в ЦНС имеется своего рода список или перечень звеньев тела, обладающий значительным консерватизмом, устойчивостью к разного рода изменениям периферии. Кроме того, в любой момент времени де-афферентированная конечность воспринималась как занимающая вполне определенное положение в пространстве. Этот факт можно объяснить тем, что осознание положения кинематических звеньев происходит не на основе "сырой" или даже сильно переработанной проприоцептивной информации, а на базе сложной информационной структуры - "схемы конечности", ее внутренней модели, обладающей значительной степенью автономии. При изменении или резком снижении афферентации нарушается привязка этой модели к физическому пространству, может наблюдаться и дрейф отдельных ее параметров (например, уменьшается длина звеньев), но сама модель сохраняется и служит базой для восприятия. Как показывают наблюдения фантома ампутированных, для полного распада модели требуется длительное время, достигающее иногда нескольких десятков лет.
Можно сделать заключение: в схеме тела конечность описывается моделью, содержащей консервативные элементы и переменные параметры. Так, последовательность звеньев остается неизменной на всех этапах выключения чувствительности. При ампутационном фантоме одни звенья могут быть представлены более четко, чем другие, но их последовательность не нарушается. Не нарушается она и при расстройствах схемы тела , обусловленных корковыми поражениями. По-видимому, последовательность кинематических звеньев относится к числу консервативных элементов схемы тела, напротив, длина звеньев в системе внутреннего представления может меняться.
Опыты с "фантомной конечностью" показали, что при наличии диссоциации между реальным положением руки и ее отражением в системе внутреннего представления планирование и осуществление произвольных движений базируются именно на внутреннем представлении. Иными словами, между уровнями ЦНС, планирующими движения в системе координат внешнего прост-
ранства, и исполнительными органами имеется необходимый промежуточный элемент - внутренняя модель, или схема конечности.
До сих пор мы говорили об использовании системы внутреннего представления при осознаваемых действиях. Однако такие процессы, как обработка сигналов рецепторов, извлечение из них информации о пространственном расположении звеньев тела, распределение тонической активности между группами мышц для поддержания нужного набора суставных углов, характерного для некоторой позы, сохранение устойчивости тела в поле тяжести за счет динамической коррекции напряжения мышц, осуществляются автоматически, без участия сознания. Поэтому можно полагать, что большинство интегративных действий, выполняемых внутренней моделью тела, протекает на подсознательном уровне. Последний включает нейронную модель тела, набор базисных моторных механизмов и алгоритмов их согласования. Именно на этой основе формируется внутреннее представление о собственном теле.
Мы полагали, что о роли системы внутреннего представления в управлении движениями можно узнать больше, перейдя от психологических к физиологическим методам исследования. Постановка такой экспериментальной задачи требовала двух предпосылок. Первая - рассогласование внутреннего представления о положении и движении тела или отдельных его звеньев с реальной ситуацией. Вторая - регистрация таких непроизвольных двигательных реакций, которые были бы чувствительны к изменению конфигурации тела или его ориентации и, следовательно, могли бы служить объективными индикаторами возникновения подобного рассогласования.
После получивших широкую известность работ Р. Магнуса классическим примером по-зных автоматизмов, играющих важную роль в поддержании нормального положения тела и восстановлении нарушенного равновесия у животных, считаются шейные и вестибулярные тонические рефлексы. У здорового взрослого человека, находящегося в покое, шейные влияния на мускулатуру туловища и конечностей незаметны, но их можно видеть на фоне тонических реакций, вызванных вибрационной стимуляцией мышечных рецепторов . Мы исследовали, как влияют повороты головы на распределение активности мускулатуры ног. Тоническое напряжение в этих мышцах создавалось билатеральной вибрацией ахилловых сухожилий. Когда испытуемый сидит , откинувшись назад, и его стопы не имеют контакта с полом, вибрация вызывает двустороннюю активацию четырехглавых мышц и разгибание ног в коленных суставах (рис. 2). Поворот головы относительно вертикальной оси сопровождается нарушением симметрии этой реакции: она
ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 65 № 1 1995
^ СИСТЕМА ВНУТРЕННЕГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
усиливается на "затылочной" ноге и ослабляется на "подбородочной" (рис. 2). То же наблюдается в ответ на непроизвольный поворот головы при вибрации шейных мышц.
В наших экспериментах рассогласование между реальным и воспринимаемым положениями головы достигалось тремя способами.
Известно, что вибрация сухожилия или брюшка мышцы с частотой, вызывающей активацию мышечных рецепторов растяжения, может приводить к возникновению локального тонического вибрационного рефлекса - сокращению мышцы, подвергающейся вибрации. В результате, естественно, возникает движение соответствующего звена. Если же его предотвратить с помощью достаточно жесткой фиксации, то тонический вибрационный рефлекс, как правило, не развивается, зато появляется иллюзия движения этого звена в направлении, противоположном тому, в котором происходило бы реальное движение в отсутствие фиксации . Таким образом, вибрацией соответствующих шейных мышц можно было вызвать поворот головы, а если последняя была закреплена в среднем положении, то с помощью той же вибрации у испытуемых создавалась иллюзия поворота головы в противоположную сторону.
Вибратор располагался таким образом, что стимуляция шейных мышц приводила к повороту головы направо без каких-либо дополнительных наклонов. После того как голова начинала поворачиваться, включалась билатеральная вибрация ахилловых сухожилий, вызывавшая разгибание только в левой ноге, что соответствовало нормальной реакции на поворот головы направо (рис. 3). Во второй части эксперимента положение вибратора не менялось, но голова и корпус фиксировались. При иллюзорном вращении асимметрия движения ног имела обратный знак (разгибалась правая нога), причем она была выражена даже сильнее, чем при реальном повороте головы (рис. 3). В частности, было заметно небольшое сгибание в левом колене. Этот эксперимент показывает, что вибрационная стимуляция одних и тех же афферентов может оказывать прямо противоположное модулирующее влияние на тоническую активность мышц ног в зависимости от интерпретации мозгом сигналов рецепторов.
Другой способ вызова рассогласования между реальным и воспринимаемым положением головы был основан на гипнотическом внушении. Мы провели опыты на пяти испытуемых, отобранных психотерапевтом из группы численностью 15 человек. Испытуемому, находившемуся в состоянии гипнотического сна, психотерапевт внушал, что тот отчетливо воспринимает голову повернутой, хотя в действительности смотрит вперед. Такое внушение вызывало перераспреде-
ление уровней тонической активности мышц ног при вибрации, полностью соответствующее картине, возникающей в ответ на реальный поворот головы. Кроме того, проводились опыты, в которых испытуемый удерживал голову в повернутом положении , а ему внушалось, что он смотрит вперед. В подобной экспериментальной ситуации асимметрия ответов ног исчезала или резко уменьшалась.
Третий способ рассогласования связан с так называемым эффектом возвращения. При длительном удержании головы (пассивном или активном) в повернутом положении с закрытыми глазами испытуемому постепенно начинает казаться, будто его голова возвращается к среднему положению. Величина получаемого таким образом рас-
3 ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 65 № 1 1995
^
34ГУРФИНКЕЛЬ, ЛЕВИК
Положение головы нефиксировано
согласования может достигать десятков градусов. По всей видимости, в этом случае меняется не столько афферентная импульсация, поступающая из шейного отдела, сколько внутреннее представление ориентации головы в пространстве. Характерное время полного (с точностью до 5° - 10°) "возвращения" составляет около 10 мин.
Испытуемый демонстрировал свое восприятие положения головы с помощью поворотной рукоятки. При нейтральном положении головы реакция ног на билатеральную вибрацию ахилловых сухожилий полностью симметрична. После ее поворота направо реакция правой ноги полностью исчезла, а разгибание левой ноги усилилось. Спустя 4 мин реакция последней снизилась, появился слабый ответ правой ноги. Различие в реакциях
ног сильно уменьшилась на шестой минуте, когда стала заметна тенденция субъективного возвращения головы. Асимметрия полностью исчезла через 8-10 мин в соответствии с практически полным субъективным возвратом головы. Как только испытуемый открыл глаза и положение головы в его внутреннем представлении совпало с ее истинной ориентацией в физическом пространстве, вновь возникла асимметрия реакций ног. Затем испытуемый снова закрыл глаза. На этот раз "возвращение" головы произошло гораздо быстрее. После этого экспериментатор пассивно вернул голову испытуемого в среднее положение (глаза оставались закрыты). Это положение головы воспринималось испытуемым как легкий поворот влево от средней линии. В соответствии
ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 65 № 1 1995
^ СИСТЕМА ВНУТРЕННЕГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
с новым внутренним представлением разгибание было подавлено на левой стороне и резко усилено на правой.
Эффект возврата головы в нейтральное положение использовался также для исследования влияния системы внутреннего представления на вестибуломоторные реакции. У животных и человека они (как и описанные выше шейные реакции) относятся к числу важных позных автоматизмов. С их помощью восстанавливается нарушенное равновесие и стабилизируется положение тела в гравитационном поле. Эти реакции связаны с направлением действующего ускорения и пространственно ориентированы, что делает их привлекательными с точки зрения изучения влияния на позные автоматизмы внутреннего представления об ориентации тела и окружающем пространстве.
Для вызова вестибуломоторных реакций использовалась так называемая гальваническая проба. При нормальном положении головы испытуемого электрическая стимуляция вестибулярного аппарата на одной стороне приводит к наклону тела в боковом направлении. Известно, что поворот головы налево или направо сопровождается изменением направления вестибуло-моторной реакции: тело отклоняется вперед или назад. Например, если стимулирующий электрод является анодом и расположен на правом сосцевидном отростке, то при симметричном положении головы в ответ на пропускание электрического тока тело отклонится вправо (в сторону анода); если испытуемый повернет голову налево до предела, то такая же стимуляция будет сопровождаться наклоном тела вперед.
Субъективный возврат головы в среднее положение при ее длительном удержании в повернутом состоянии ведет к тому, что направление вестибуломоторной реакции постепенно меняется, становясь таким же, как при симметричном положении головы . Следовательно, даже относительно простая вестибуломоторная реакция 1 зависит не только от места стимуляции, но и от конфигурации тела, причем последняя действует на направление отклонения тела при гальванической пробе не прямо, а опосредованно, через систему внутреннего представления.
В другом эксперименте у стоящего человека путем вибрации ягодичных мышц вызвали поворот туловища и головы относительно вертикальной оси (закручивание туловища) . Если реальное закручивание корпуса предотвращали с помощью специальной системы фиксации, то у > части испытуемых вместо реального движения возникала иллюзия закручивания корпуса в обратную сторону. Оказалось, что этот иллюзорный поворот влияет на направление вестибуло-
моторной реакции так, как если бы он в действительности происходил.
Мы убедились, что позные автоматизмы модулируются внутренним представлением о конфигурации тела. Можно, однако, предположить, что система внутреннего представления включает не только модель собственного тела, но и систему координат, в которой описываются ориентация и движение тела относительно внешнего пространства. В зависимости от ситуации и двигательной задачи организм может использовать систему отсчета, связанную с корпусом , головой, внешним пространством или с каким-либо подвижным объектом. Приведем результаты опытов, в которых исследовалось влияние перехода от одной системы координат к другой на так называемые шейно-глазодвигательные реакции.
Медленные повороты корпуса относительно фиксированной в пространстве головы вызывают иллюзию ее движения относительно неподвижного корпуса . Этот факт показывает, что при отсутствии дополнительных источников информации система внутреннего представления склонна использовать систему координат, связанную с корпусом , и интерпретировать взаимный поворот головы и корпуса как вращение головы относительно неподвижного корпуса. Тем не менее такое предпочтение не является абсолютным, и в условиях данного эксперимента легко можно вызвать переход от эгоцентрической системы координат (связанной с корпусом) к аллоцентричес-кой (связанной с внешним пространством).
Испытуемого усаживали с закрытыми глазами в кресло, поворачивавшееся на ±20° вправо и влево с частотой около 0.006 Гц. Затем его просили захватить рукоятку, жестко закрепленную на массивном неподвижном столе. Получаемая с помощью руки информация о взаимном перемещении корпуса и рукоятки, а также априорное представление о том, что рукоятка несмещаема, приводили к переходу от эгоцентрической системы координат к аллоцентрической. После захвата рукоятки у испытуемого появлялись ощущения поворотов корпуса, который ранее воспринимался неподвижным, соответственно исчезали ощущения поворотов головы. Наиболее интересен не сам факт изменения субъективного восприятия движения, а то, что переход от одной системы координат к другой вызывает ярко выраженные изменения в шейно-глазодвигательной реакции (рис. 4). Если вначале амплитуда движения глаз испытуемого в направлении иллюзорного поворота головы была соизмерима с амплитудой поворотов корпуса, то после захвата рукоятки она уменьшалась в среднем в 3.6 раза . Это подавление шейно-глазодвигательной реакции может быть объяснено только изменениями в системе внутреннего представления, поскольку малове-
ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 65 № 1 1995
^ ГУРФИНКЕЛЬ, ЛЕВИК
роятны непосредственные влияния с проприоцеп-торов руки на глазодвигательные центры.
Другие экспериментальные данные подтверждают важную роль системы внутреннего представления в разных классах пространственно ориентированных действий. Например, установлено, что можно мысленно манипулировать трехмерными объектами так же, как и их реальными физическими прототипами . Мысленное представление трехмерных объектов имеет много общего с реальными объектами и мало общего с их двумерными сетчаточными изображениями. В системе внутреннего представления формируется не просто двумерная проекция предмета, а его описание с правилами преобразования при изменении ориентации. Это следует из опытов, в которых человеку показывали на экране два предмета в разной ориентации, причем сами предметы могли быть идентичными или зеркальными. Чтобы установить, идентичны ли предметы, мозг конструирует необходимый мысленный путь для преобразования (поворот или перемещение). Выбирается не случайный, а в определенном смысле простейший и кратчайший путь. Время, затрачиваемое на мысленное манипулирование, линейно зависит от угла поворота, необходимого для того , чтобы привести объекты к одной ориентации.
В экспериментах с реальными и мысленными движениями на беговой дорожке стадиона было показано, что время, нужное человеку на мысленное прохождение определенного маршрута, мало
отличается от времени реального перемещения . Измерялось также время реального полета теннисного мяча и время мысленного слежения за его полетом. И между этими показателями установлена хорошая корреляция. Интересно, что мысленная игра в теннис вызывает усиление кровотока в мозжечке - области мозга, традиционно связываемой с управлением движениями. Усиление локального мозгового кровотока в двигательных центрах мозга обнаружено и при многих других типах мысленных движений. В частности, избирательная активация кровотока в области классических речевых центров левого полушария (у правшей) наблюдается при невокализованной речи, например счете про себя.
В зависимости от того, выполняются ли движения относительно собственного тела или относительно системы координат, связанной с экстраперсональным пространством, изменяется активность нейронов в различных областях мозга . Таким образом, внутреннее моделирование двигательного акта, включая речь (внутреннюю речь), - это мозговая деятельность, которую можно объективно обнаружить и документировать. Приведенные примеры можно рассматривать как аргументы в пользу существования системы внутреннего представления. Они также очерчивают круг задач, в решении которых принимает участие эта система. К сожалению, пока о структуре и принципах ее работы известно очень мало.
ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 65 № 1 1995
^ СИСТЕМА ВНУТРЕННЕГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
Попытка представить, как может функционировать такая система, сделана в модели Друлеза и Дарло . В ней движение каждого сегмента относительно внешнего пространства кодируется центральным представлением, имеющим прямой вход от некоторого специализированного рецептора, и сличается с "когерентной копией". Последняя формируется путем оценки движения этого же сегмента на основе центрального представления о движении соседнего и проприоцеп-тивной информации о скорости их относительного перемещения. Однако модель, в которой центральное представление базируется на прямом входе с каких-либо рецепторов, кажется неполной, поскольку именно от выбора системы отсчета часто зависит интерпретация сигналов рецепторов. Что касается самого выбора, то он определяется не только текущей афферентацией, но и большим объемом априорных знаний о свойствах внешнего мира и собственного тела. Таким образом, система внутреннего представления - это не только карта соматических проекций и текущая афферентация, но и определенные сведения, хранящиеся в памяти.
Что касается нейронных механизмов функционирования системы внутреннего представления при интерпретации сенсорной информации и организации пространственно ориентированных движений, то, к сожалению, в этой очень интересной области нейрофизиологии исследователи пока делают лишь первые шаги.
Настоящая работа частично финансировалась Российским фондом фундаментальных исследований (грант № 93-04-20520) и Международным научным фондом (грант R81000).
ЛИТЕРАТУРА
Бернштейн Н.А. О построении движений. М.: Медгиз, 1947.
Lashley K.S. The problem of serial in behavior // Cerebral mechanisms and behavior / Ed. Jeffres L.A. N. Y.: Wiley, 1951. P. 112- 146.
Шмидт E . B . Фантом ампутированных. М.: Медгиз, 1948.
Weinstein S., Sersen ЕЛ . Phantoms in cases of congenial absence of limbs // Neurology. 1961. V. 11. P. 905 - 911.
De Renzi E. Disorders of space exploration and cognition. N.Y.: Wiley, Chichester, 1982.
MelzackR., Bromage P.R. Experimental phantom limbs //Exptl. Neurology. 1973. V. 39. P. 261 - 269.
Gross G., Melzack R. Body image dissociation of real and perceived limbs by pressure-cuff ischemia // Exptl. Neurology. 1978. V. 61. P. 680 - 688.
Гурфинкелъ B . C ., Дебрева Е.Е., Левик Ю.С. Роль внутренней модели в восприятии положения и планирования движений // Физиология человека. 1986. Т. 12. С. 769 - 776.
Магнус Р. Установка тела. М.: Изд-во АН СССР, 1962.
Гурфинкелъ B . C ., Левик Ю.С., Лебедев В.А. Концепция схемы тела и моторный контроль. Схема тела в управлении позными автоматизмами // Интеллектуальные процессы и их моделирование. Пространственно-временная организация. / Под ред. Чернавского А.В. М.: Наука, 1991. С. 24 - 53.
Попов К.Е., Сметании Б.Н., Гурфинкелъ B . C . и др. Пространственное восприятие и вестибуломотор-ные реакции у человека // Нейрофизиология. 1986. Т. 18. С. 779-786.
Гурфинкелъ B . C ., Попов К.Е., Сметанин Б.Н., Шлыков В.Ю. Изменения направления вестибуло-моторных ответов во время адаптации к длительному статическому повороту головы у человека // Нейрофизиология. 1989. Т. 21. С. 210 - 217.
Thoden U., М erg пег Т . Effects of proprioceptive input on vestibulo-ocular and vestibulospinal mechanisms // Vestibulospinal control of posture and locomotion. /Eds Pompeano O., Allum J.H.J. Amsterdam: Elsevier, 1988. P. 109- 120.
Gurfinkel VS., Levik Yu.S. The suppression of cervico-ocular response by the haptokinetic information about the contact with a rigid, immobile object // Exp. Brain Res. 1993. V. 95. P. 359 - 364.
Shepard R.N., Cooper L.A. Mental images and their transformations. Massachusetts: MIT Press, 1986.
Decety J., Sjoholm H., Ryding E. et al. The cerebellum participates in neural activity: tomographic measurement of regional blood flow // Brain Res. 1990. V. 535. P. 311 -317.
RolandP.E.,LarsenB.,LassenN.A. etal. Supplementary motor area and other cortical areas in organization of voluntary movements in man // J. of Neurophysiol. 1980. V. 43. №1. P. 118- 136.
DroulezJ., Darlot C, The geometric and dynamic implications of coherence constraints in tree-dimensional sensory-motor interactions // Attention and performance. ХШ. Motor representation and control. / Ed. Jeannerod M. Hillsdale, Hew Jersey: Lawrence Elbaum Associates Publishers, 1990. P. 495 - 526.
В настоящее время большинство специалистов согласно, что взаимодействие организма с внешней средой строится на основе модели внешнего мира и модели собственного тела, строящихся мозгом.
Необходимость внутренних моделей для управления движениями связана со спецификой сенсомоторной системы.
1. Большинство рецепторов расположено на подвижных звеньях тела – следовательно, они собирают информацию в собственных локальных системах координат. Для того чтобы воспользоваться этой информацией, её нужно преобразовать в единую систему координат или, как минимум, обеспечить возможность двухсторонних переходов.
2. Для управления движениями мозгу необходимы величины, которые не содержатся непосредственно в первичных сигналах рецепторов. К подобным величинам относятся такие, как длины кинематических звеньев, положения парциальных и общего центра масс. Кроме того, в первичных сенсорных сигналах не содержатся самые общие сведения о кинематической структуре тела: количестве и последовательности звеньев, числе степеней свободы и объёме движений в суставах.
3. Ход выполнения движения оценивается путём сравнения реальной афферентации с ожидаемой (эфферентная копия). Для многозвенных кинематических цепей, оснащённых рецепторами разных модальностей, эфферентная копия оказывается достаточно сложной, и для её построения также требуется внутренняя модель.
Вывод о наличии в ЦНС модели собственного тела был впервые сделан на основе клинических наблюдений фантома ампутированных, известного с глубокой древности. Человек, утративший конечность, в течение длительного времени субъективно продолжает ощущать её присутствие. Речь идёт не о редком феномене, проявляющимся в исключительных ситуациях: фантом после ампутации наблюдается более чем в 90% случаев. Описаны случаи фантома у детей и при врождённом отсутствии конечности. Это означает, что по меньшей мере некоторые элементы внутренней модели или, как её называют, «схемы тела», относятся к врождённым.
Характерные черты ампутационного фантома могут быть воспроизведены на здоровом человеке при выключенном зрении, в условиях блокады проведения импульсов, поступающих в мозг от кожных, суставных и мышечных рецепторов руки по чувствительным нервам. Блокировать чувствительность можно, вводя анестетик в плечевое сплетение или временно останавливая кровоток в руке (ишемическая деафферентация). Оказалось, что в этих условиях наблюдается своего рода «экспериментальный фантом», рассогласование реального и воспринимаемого положения конечности, достигающее порой значительных величин [Гурфинкель, Левик, 1991а]. Когда испытуемого просили совершить движение ишемизированной рукой, он планировал его, исходя из того, как в данный момент рука была представлена в системе внутреннего представления, а не из её реального положения.
В условиях ишемической деафферентации, несмотря на отсутствие проприоцептивного притока, не возникает ощущения «исчезновения» руки либо её дистальных звеньев. Это означает, что в ЦНС имеется своего рода список звеньев тела, составляющие которого обладают консерватизмом и устойчивостью к разного рода изменениям периферии. Сохранение кинестатических ощущений можно объяснить тем, что осознание положения кинематических звеньев происходит не на основе «сырой» афферентации, а на базе сложной информационной структуры – «схемы конечности», её внутренней модели. При изменении или резком снижении афферентации нарушается «привязка» этой модели к физическому пространству, может наблюдаться и дрейф отдельных её параметров, но сама модель сохраняется и служит базой для восприятия конечности и планирования её движений.
Другим источником представлений о схеме тела явились клинические наблюдения, показывающие, что некоторые формы церебральной патологии, особенно поражения правой теменной доли, приводят к возникновению стойких искажённых представлений о собственном теле и окружающем пространстве. Среди этих нарушений встречаются одностороннее игнорирование одной конечности или половины тела на поражённой стороне (контралатеральной по отношению к поражённому полушарию); аллостезия – восприятие стимулов, приложенных к больной стороне, как приложенных к здоровой стороне, отрицание дефекта, иллюзорные движения поражённых конечностей, отрицание принадлежности больному поражённых конечностей; ослабление осознания частей тела (асхематия и гемидеперсонализация); фантомные дополнительные конечности.
Разнообразие клинических проявлений, обусловленных нарушениями схемы тела, указывает на сложность выполняемых ею функций. Кроме того, видно, что всё многообразие нарушений распадается на три группы: а) нарушение представлений о принадлежности частей тела; б) нарушение правильных представлений о форме, размерах и положении частей тела и в) иллюзорные движения.
С точки зрения схемы тела представляют интерес и исследования так называемых «изменённых состояний сознания», возникающих у здоровых людей под действием галлюциногенов, гипноза, сенсорной депривации, во сне и т.д. Из всего многообразия феноменов изменённого состояния сознания выделяют группу этиологически независимых, т.е. не зависящих от природы агента, вызвавшего такое состояние. Треть из этих феноменов имеет непосредственное отношение к схеме тела и моторике. Люди, испытавшие изменённые состояния сознания, часто сообщают что-либо из далее перечисленного: граница между телом и окружением была размытой; опора представлялась качающейся; конечности казались больше, чем обычно; окружающие предметы были больше, чем обычно; тело исчезало; тело представлялось плавающим; окружение казалось нереальным; «я» и окружение представлялись единым целым; терялась возможность управлять движениями своего тела; части тела больше им не принадлежали. Из этого перечня видно, что и здесь можно выделить нарушения, связанные с восприятием целостности тела и его границ, размеров отдельных звеньев и нарушениями двигательных возможностей организма. В сравнении с клиническими проявлениями, характерными для органических поражений мозга, здесь можно выделить ещё одну сторону, связанную с нарушениями взаимоотношений между телом и внешним пространством: плавание, качающаяся опора и др. (т.е. с трудностями в формировании системы отсчёта).
Но, возможно, не стоит слишком сильно расширять перечень функций, выполняемых схемой тела, а отнести к ним только описание таких стабильных характеристик тела, как разделение на туловище и присоединённые к нему голову и конечности, последовательность и длины звеньев конечностей, число степеней свободы и объёмы движений в суставах, расположение мышц и основных рецептивных полей. Без этого описания невозможен ни анализ поступающих от многочисленных рецепторов сигналов о теле (соместезия), ни реализация моторных программ. Задачу описания текущего положения тела и его конфигурации в рамках соответствующей системы отсчёта целесообразно отнести к функциям системы внутреннего представления собственного тела. Такое разделение – это не просто вопрос терминологии, в его пользу говорит тесная связь между представлением собственного тела и окружающего (экстраперсонального) пространства, включая как общие закономерности формирования представления о теле и ближнем пространстве, так и во многом общий анатомический субстрат. Последнее подтверждается тем, что при поражениях определённых структур ЦНС нарушения восприятия пространства и собственного тела сопутствуют друг другу.
Подавляющая часть наших движений пространственно ориентированы, т.е. направлены на достижение определённой точки в пространстве. Пространственно ориентированной является и поза (относительно опоры, гравитационной вертикали и структуры зрительного окружения). Именно поэтому управление позой и движениями требует системы отсчёта, в которой представлено как тело, так и окружающее пространство. Из физики известно, что всякое движение относительно, поэтому говорить о движении имеет смысл только в том случае, если указано, в какой системе отсчёта это движение происходит. В последнее время изучением системы внутреннего представления и системами отсчёта начали заниматься и нейрофизиологи. В результате появилось много экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что система внутреннего представления пространства реально существует и доступна изучению. Например, установлено, что можно мысленно манипулировать трёхмерными объектами так же, как и их реальными физическими прототипами. Система внутреннего представления работает не просто с двухмерной проекцией предмета, аналогичной сетчаточному изображению, а с его трёхмерной моделью. Это следует из опытов, в которых на экране человеку предъявляли два идентичных или зеркальных предмета в разной ориентации. Для того чтобы установить, одинаковы ли показанные предметы, мозг конструировал необходимый мысленный путь для преобразования (поворот или перемещение). Выбирался не случайный, а простейший и кратчайший путь. Время мысленного манипулирования линейно зависело от угла поворота, необходимого для того, чтобы привести объекты к одной ориентации. Индикатором процессов внутреннего моделирования двигательных актов может быть усиление локального мозгового кровотока в двигательных центрах мозга, обнаруженное при многих типах мысленных движений. Так, избирательная активация кровотока в области классических речевых центров левого полушария наблюдается при невокализованной речи, например счёте про себя.
В зависимости от того, выполняются ли движения относительно собственного тела или относительно системы координат, связанной с экстраперсональным пространством, изменяется активность нейронов в различных областях мозга.
Своеобразным клиническим подтверждением существования системы внутреннего представления служит «геминеглект», т.е. игнорирование пациентом половины своего тела и внешнего пространства (обычно левой) при поражениях правой теменной доли, несмотря на сохранность элементарных сенсорных и моторных функций. Геминеглект связывали с дефицитом внимания и нарушениями программирования движений, однако многие данные свидетельствуют о том, что дефект затрагивает именно систему внутреннего представления.
В классическом эксперименте пациента-миланца просили представить себя стоящим спиной к знаменитому собору в Милане и описать расположенную перед ним площадь. Пациент называл или рисовал только здания, находящиеся с правой стороны площади, игнорируя её левую часть. Затем его просили представить себя стоящим на противоположной стороне площади лицом к собору и вновь описать открывающуюся панораму. Пациент опять описывал только правую половину площади, но при новой ориентации в сферу его внимания попадали здания, которые игнорировались в первом случае. Это означает, что внутренняя модель у пациента была полной, но он имел доступ только к одной половине этого представления, менявшейся в зависимости от ориентации его тела, т.е. от избранной системы отсчёта. Таким образом, при операциях с внутренним представлением пространства проявлялся тот же дефект, что и при рассматривании реальных объектов.
Известные способы изучения системы внутреннего представления ориентированы главным образом на её роль в восприятии. Однако в последнее время появились новые экспериментальные подходы, базирующиеся на традиционных методах физиологии движений, а не ориентированные исключительно на перцепцию и словесные отчёты. На осознаваемом уровне отражается лишь небольшая часть работы нервной системы при выполнении пространственно ориентированных действий. Поэтому можно полагать, что большинство интегративных действий, выполняемых внутренней моделью тела, протекает на подсознательном уровне. Примером таких действий могут служить описанные Р. Магнусом шейные и вестибулярные «позные» автоматизмы, участвующие в поддержании нормального положения тела и восстановлении нарушенного равновесия у животных. У здорового взрослого человека в состоянии покоя шейные влияния на мускулатуру туловища и конечностей незаметны, но выявляются на фоне тонических реакций, вызванных вибрационной стимуляцией мышечных рецепторов. У сидящего человека, стопы которого не имеют контакта с полом, вибрация ахилловых сухожилий вызывает двухстороннюю активацию четырёхглавых мышц и разгибание ног в коленных суставах. Поворот головы относительно вертикальной оси сопровождается нарушением симметрии реакции: она усиливается на «затылочной» ноге и ослабляется на «подбородочной». Такая же реакция наблюдается в ответ на непроизвольный поворот головы при вибрации шейных мышц.
Известно, что вибрация сухожилия или брюшка мышцы с частотой, вызывающей активацию мышечных рецепторов растяжения, может приводить к возникновению локального тонического вибрационного рефлекса – сокращению мышцы, подвергающейся вибрации. В результате возникает движение соответствующего звена. Если его предотвратить с помощью жёсткой фиксации, то тонический вибрационный рефлекс, как правило, не развивается, зато появляется иллюзия движения звена в направлении, противоположном тому, в котором происходило бы реальное движение в отсутствие фиксации. Так, вибрацией соответствующих шейных мышц можно вызвать поворот головы, а при её фиксации в среднем положении при той же вибрации у испытуемых создавалась иллюзия поворота головы в противоположную сторону.
При иллюзорном повороте ассиметрия движения ног имела знак, соответствующий направлению иллюзии, причём она была выражена даже сильнее, чем при реальном повороте головы. Это показывает, что вибрационная стимуляция одних и тех же афферентов может оказывать прямо противоположное модулирующее влияние на тоническую активность мышц ног в зависимости от состояния системы внутреннего представления [Гурфинкель и др., 1991б].
Известен феномен изменения направления отклонения тела при гальванической вестибулярной пробе в зависимости от ориентации (поворота) головы. Оказалось, что сходный эффект можно получить и в том случае, когда вместо реального поворота головы вызывалась иллюзия такого поворота. Таким образом, «позные» автоматизмы модулируются внутренним представлением о конфигурации тела. Кроме того, система внутреннего представления должна включать также систему координат, в которой описываются ориентация и движение тела относительно внешнего пространства. В зависимости от ситуации и двигательной задачи организм может использовать систему отсчёта, связанную с корпусом, с головой, с внешним пространством или с каким-либо подвижным объектом. Переход от одной системы координат к другой влияет не только на восприятие, но и на двигательные реакции, обычно относимые к автоматическим.
Так, медленные повороты корпуса относительно фиксированной в пространстве головы вызывают иллюзию движения головы относительно неподвижного корпуса. Это показывает, что система внутреннего представления склонна использовать систему координат, связанную с корпусом, и интерпретировать взаимный поворот головы и корпуса как вращение головы относительно неподвижного корпуса. Однако в условиях данного эксперимента можно вызвать переход от эгоцентрической системы координат (связанной с корпусом) к экзоцентрической (связанной с внешним пространством). Для этого испытуемого просили захватить рукой рукоятку, жёстко закреплённую на массивном неподвижном столе. Информация о взаимном перемещении корпуса и рукоятки, а также априорное представление о том, что рукоятка несмещаема, приводили к переходу от эгоцентрической системы координат к экзоцентрической – у испытуемого появлялись ощущения поворотов корпуса, который ранее воспринимался неподвижным, соответственно исчезали и ощущения поворотов головы.
Переход от одной системы координат к другой подтверждался не только субъективным отчётом испытуемого, но и ярко выраженными изменениями реакций глазодвигательного аппарата. Если вначале амплитуда движения глаз в направлении иллюзорного поворота головы превосходила амплитуду поворотов корпуса, то после захвата рукоятки она уменьшалась в 3–4 раза [Гурфинкель, Левик, 1995].
Итак, нейронная модель тела, механизмы построения систем отсчёта, набор базисных моторных автоматизмов и алгоритмов их согласования составляют основу, на которой формируется внутреннее представление о собственном теле и окружающем пространстве. Система внутреннего представления играет ведущую роль в задачах переработки сенсорной информации и реализации пространственно ориентированных движений. Реакции, которые на животных считаются классическими примерами рефлекторных «позных» автоматизмов, у человека в сильной степени определяются тем, как описывается взаимное положение головы, туловища и конечностей в этой системе. Такое описание требует определённой системы отсчёта. Переход из одной системы координат в другую ведёт к изменению интерпретации сенсорных сигналов и модификации двигательных реакций, возникающих в ответ на эти сигналы. Выбор системы отсчёта во многом определяется априорными сведениями об объектах внешнего мира, с которыми человек поддерживает контакт (жёсткость, несмещаемость и др.).
Совершенствование двигательной функции в онтогенезе происходит как за счет продолжающегося в первые годы после рождения созревания врожденных механизмов, участвующих в координации движений, так и в результате научения, т. е. формирования новых связей, которые ложатся в основу программ тех или иных конкретных двигательных актов. Координация новых непривычных движений имеет характерные черты, отличающие ее от координации тех же движений после обучения.
Ранее уже говорилось, что обилие степеней свободы в опорно-двигательном аппарате, влияние на результат движения сил тяжести и инерции осложняют выполнение любой двигательной задачи. На первых порах обучения ЦНС справляется с этими трудностями, нейтрализуя помехи с помощью дополнительных мышечных напряжений. Мышечный аппарат жестко фиксирует суставы, не участвующие в движении, и активно тормозит инерцию быстрых движений. Такой путь преодоления помех энергетически невыгоден и утомителен. Использование обратных связей еще несовершенно - коррекционные посылки, возникающие на их основе, несоразмерны и вызывают необходимость повторных дополнительных коррекций.
Мышцы-антагонисты даже тех суставов, в которых совершается движение, активируются одновременно: в циклических движениях мышцы почти не расслабляются. Кроме того, возбуждены также многие мышцы, не имеющие прямого отношения к данному двигательному акту. Движения, совершаемые в таких условиях, напряжены и неэстетичны (например, движения человека, впервые вышедшего на коньках на лед).
Как показал Н. А. Бернштейн, по мере обучения вырабатывается такая структура двигательного акта, при которой немышечные силы включаются в его динамику, становятся составной частью двигательной программы. Излишние мышечные напряжения при этом устраняются, движение становится более устойчивым к внешним возмущениям. На электромиограммах видна концентрация возбуждения мышц во времени и пространстве, периоды активности работающих мышц укорачиваются, а количество мышц, вовлеченных в работу, уменьшается. Это приводит к ловышению экономичности мышечной деятельности, а движения становятся более плавными, точными и непринужденными.
Важную роль в обучении движениям играет рецепция, особенно проприоцеп-ция. В процессе двигательного научения обратные связи используются не только для коррекции движения по его ходу, но и для коррекции программы следующего движения на основе ошибок предыдущего.
Схема тела и система внутреннего
Представления
В настоящее время большинство специалистов согласно, что взаимодействие организма с внешней средой строится на основе модели внешнего мира и модели собственного тела, строящихся мозгом.
Необходимость внутренних моделей для управления движениями связана со спецификой сенсомоторной системы.
1. Большинство рецепторов расположено на подвижных звеньях тела - следовательно, они собирают информацию в собственных локальных системах координат. Для того чтобы воспользоваться этой информацией, ее нужно преобразовать в единую систему координат или, как минимум, обеспечить возможность двухсторонних переходов.
2. Для управления движениями мозгу необходимы величины, которые не содержатся непосредственно в первичных сигналах рецепторов. К подобным величинам относятся такие, как длины кинематических звеньев, положения парциальных и общего центра масс. Кроме того, в первичных сенсорных сигналах не содержатся самые общие сведения о кинематической структуре тела: количестве и последовательности звеньев, числе степеней свободы и объеме движений в суставах.
3. Ход выполнения движения оценивается путем сравнения реальной аффе-рентации с ожидаемой (эфферентная копия). Для многозвенных кинематических цепей, оснащенных рецепторами разных модальностей, эфферентная копия оказывается достаточно сложной, и для ее построения также требуется внутренняя модель.
Вывод о наличии в ЦНС модели собственного тела был впервые сделан на основе клинических наблюдений фантома ампутированных, известного с глубокой древности. Человек, утративший конечность, в течение длительного времени субъективно продолжает ощущать ее присутствие. Речь идет не о редком феномене, проявляющемся в исключительных ситуациях: фантом после ампутации наблюдается более чем в 90 % случаев. Описаны случаи фантома у детей и при врожденном отсутствии конечности. Это означает, что по меньшей мере некоторые элементы внутренней модели, или, как ее называют, «схемы тела», относятся к врожденным.
Характерные черты ампутационного фантома могут быть воспроизведены на здоровом человеке при выключенном зрении, в условиях блокады проведения импульсов, поступающих в мозг от кожных, суставных и мышечных рецепторов руки по чувствительным нервам. Блокировать чувствительность можно, вводя анестетик в плечевое сплетение или временно останавливая Кровоток в руке (ишемическая деафферентация). Оказалось, что в этих условиях наблюдается своего рода «экспериментальный фантом», рассогласование реального и воспринимаемого положения конечности, достигающее порой значительных величин [Гурфинкель, Левик, 1991 а]. Когда испытуемого просили совершить движение ишемизированной рукой, он планировал его, исходя из того, как в данный момент рука была представлена в системе внутреннего представления, а не из ее реального положения.
В условиях ишемической деафферентации, несмотря на отсутствие проприоцептивного притока, не возникает ощущения «исчезновения» руки либо ее дистальных звеньев. Это означает, что в ЦНС имеется своего рода список звеньев тела, составляющие которого обладают консерватизмом и устойчивостью к разного рода изменениям периферии. Сохранение кинестатических ощущений можно объяснить тем, что осознание положения кинематических звеньев происходит не на основе «сырой» афферентации, а на базе сложной информационной структуры - «схемы конечности», ее внутренней модели. При изменении или резком снижении афферентации нарушается «привязка» этой модели к физическому пространству, может наблюдаться и дрейф отдельных ее параметров, но сама модель сохраняется и служит базой для восприятия конечности и планирования ее движений.
Другим источником представлений о схеме тела явились клинические наблюдения, показывающие, что некоторые формы церебральной патологии, особенно поражения правой теменной доли, приводят к возникновению стойких искаженных представлений о собственном теле и окружающем пространстве. Среди этих нарушений встречаются одностороннее игнорирование одной конечности или половины тела на пораженной стороне (контралатеральной по отношению к пораженному полушарию); аллостезия - восприятие стимулов, приложенных к больной стороне, как приложенных к здоровой стороне, отрицание дефекта, иллюзорные движения пораженных конечностей, отрицание принадлежности больному пораженных конечностей; ослабление осознания частей тела (асхематия и гемидеперсонализация); фантомные дополнительные конечности.
Разнообразие клинических проявлений, обусловленных нарушениями схемы тела, указывает на сложность выполняемых ею функций. Кроме того, видно, что все многообразие нарушений распадается на три группы: а) нарушение представлений о принадлежности частей тела; б) нарушение правильных представлений о форме, размерах и положении частей тела и в) иллюзорные движения.
С точки зрения схемы тела представляют интерес и исследования так называемых «измененных состояний сознания», возникающих у здоровых людей под действием галлюциногенов, гипноза, сенсорной депривации, во сне и т. д. Из всего многообразия феноменов измененного состояния сознания выделяют группу этиологически независимых, т. е. не зависящих от природы агента, вызвавшего такое состояние. Треть из этих феноменов имеет непосредственное отношение к схеме тела и моторике. Люди, испытавшие измененные состояния сознания, часто сообщают что-либо из далее перечисленного: граница между телом и окружением была размытой; опора представлялась качающейся; конечности казались больше, чем обычно; окружающие предметы были больше, чем обычно; тело исчезало; тело представлялось плавающим; окружение казалось нереальным; «я» и окружение представлялись единым целым; терялась возможность управлять движениями своего тела; части тела больше им не принадлежали. Из этого перечня видно, что и здесь можно выделить нарушения, связанные с восприятием целостности тела и его границ, размеров отдельных звеньев и нарушениями двигательных возможностей организма. В сравнении с клиническими проявлениями, характерными для органических поражений мозга, здесь можно выделить еще одну сторону, связанную с нарушениями взаимоотношений между телом и внешним пространством: плавание, качающаяся опора и др. (т. е. с трудностями в формировании системы отсчета).
Но, возможно, не стоит слишком сильно расширять перечень функций, выполняемых схемой тела, а отнести к ним только описание таких стабильных характеристик тела, как разделение на туловище и присоединенные к нему голову и конечности, последовательность и длины звеньев конечностей, число степеней свободы и объемы движений в суставах, расположение мышц и основных рецептивных полей. Без этого описания невозможен ни анализ поступающих от многочисленных рецепторов сигналов о теле (соместезия), ни реализация моторных программ. Задачу описания текущего положения тела и его конфигурации в рамках соответствующей системы отсчета целесообразно отнести к функциям системы внутреннего представления собственного тела. Такое разделение - это не просто вопрос терминологии, в его пользу говорит тесная связь между представлением собственного тела и окружающего (экстраперсонального) пространства, включая как общие закономерности формирования представления о теле и ближнем пространстве, так и во многом общий анатомический субстрат. Последнее подтверждается тем, что при поражениях определенных структур ЦНС нарушения восприятия пространства и собственного тела сопутствуют друг другу. Подавляющая часть наших движений пространственно ориентированы, т. е. направлены на достижение определенной точки в пространстве. Пространственно ориентированной является и поза (относительно опоры, гравитационной вертикали и структуры зрительного окружения). Именно поэтому управление позой и движениями требует системы отсчета, в которой представлено как тело, так и окружающее пространство. Из физики известно, что всякое движение относительно, поэтому говорить о движении имеет смысл только в том случае, если указано, в какой системе отсчета это движение происходит. В последнее время изучением системы внутреннего представления и системами отсчета начали заниматься и нейрофизиологи. В результате появилось много экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что система внутреннего представления пространства реально существует и доступна изучению. Например, установлено, что можно мысленно манипулировать трехмерными объектами так же, как и их реальными физическими прототипами. Система внутреннего представления работает не просто с двухмерной проекцией предмета, аналогичной сетчаточному изображению, а с его трехмерной моделью. Это следует из опытов, в которых на экране человеку предъявляли два идентичных или зеркальных предмета в разной ориентации. Для того чтобы установить, одинаковы ли показанные предметы, мозг конструировал необходимый мысленный путь для преобразования (поворот или перемещение). Выбирался не случайный, а простейший и кратчайший путь. Время мысленного манипулирования линейно зависело от угла поворота, необходимого для того, чтобы привести объекты к одной ориентации. Индикатором процессов внутреннего моделирования двигательных актов может быть усиление локального мозгового кровотока в двигательных центрах мозга, обнаруженное при многих типах мысленных движений. Так, избирательная активация кровотока в области классических"речевых центров левого полушария наблюдается при невокализованной речи, например счете про себя.
В зависимости от того, выполняются ли движения относительно собственного тела или относительно системы координат, связанной с экстраперсональным пространством, изменяется активность нейронов в различных областях мозга.
Своеобразным клиническим подтверждением существования системы внутреннего представления служит «геминеглект», т. е. игнорирование пациентом половины своего тела и внешнего пространства (обычно левой) при поражениях правой теменной доли, несмотря на сохранность элементарных сенсорных и моторных функций, Геминеглект связывали с дефицитом внимания и нарушениями программирования движений, однако многие данные свидетельствуют о том, что дефект затрагивает именно систему внутреннего представления.
В классическом эксперименте пациента-миланца просили представить себя стоящим спиной к знаменитому собору в Милане и описать расположенную перед ним площадь. Пациент называл или рисовал только здания, находящиеся с правой стороны площади, игнорируя ее левую часть. Затем его просили представить себя стоящим на противоположной стороне площади лицом к собору и вновь описать открывающуюся панораму. Пациент опять описывал только правую половину площади, но при новой ориентации в сферу его внимания попадали здания, которые игнорировались в первом случае. Это означает, что внутренняя модель у пациента была полной, но он имел доступ только к одной половине этого представления, менявшейся в зависимости от ориентации его тела, т. е. от избранной системы отсчета. Таким образом, при операциях с внутренним представлением пространства проявлялся тот же дефект, что и при рассматривании реальных объектов.
Известные способы изучения системы внутреннего представления ориентированы главным образом на ее роль в восприятии. Однако в последнее время появились новые экспериментальные подходы, базирующиеся на традиционных методах физиологии движений, а не ориентированные исключительно на перцепцию и словесные отчеты. На осознаваемом уровне отражается лишь небольшая часть работы нервной системы при выполнении пространственно ориентированных действий. Поэтому можно полагать, что большинство интегративных действий, выполняемых внутренней моделью тела, протекает на подсознательном уровне. Примером таких действий могут служить описанные Р. Магнусом шейные и вестибулярные «позные» автоматизмы, участвующие в поддержании нормального положения тела и восстановлении нарушенного равновесия у животных. У здорового взрослого человека в состоянии покоя шейные влияния на мускулатуру туловища и конечностей незаметны, но выявляются на фоне тонических реакций, вызванных вибрационной стимуляцией мышечных рецепторов. У сидящего человека, стопы которого не имеют контакта с полом, вибрация ахилловых сухожилий вызывает двухстороннюю активацию четырехглавых мышц и разгибание ног в коленных суставах. Поворот головы относительно вертикальной оси сопровождается нарушением симметрии реакции: она усиливается на «затылочной» ноге и ослабляется на «подбородочной». Такая же реакция наблюдается в ответ на непроизвольный поворот головы при вибрации шейных мышц.
Известно, что вибрация сухожилия или брюшка мышцы с частотой, вызывающей активацию мышечных рецепторов растяжения, может приводить к возникновению локального тонического вибрационного рефлекса - сокращению мышцы, подвергающейся вибрации. В результате возникает движение соответствующего звена. Если его предотвратить с помощью жесткой фиксации, то тонический вибрационный рефлекс, как правило, не развивается, зато появляется иллюзия движения звена в направлении, противоположном тому, в котором происходило бы реальное движение в отсутствие фиксации. Так, вибрацией соответствующих шейных мышц можно вызвать поворот головы, а при ее фиксации в среднем положении при той же вибрации у испытуемых создавалась иллюзия поворота головы в противоположную сторону.
При иллюзорном повороте асимметрия движения ног имела знак, соответствующий направлению иллюзии, причем она была выражена даже сильнее, чем при реальном повороте головы. Это показывает, что вибрационная стимуляция одних и тех же афферентов может оказывать прямо противоположное модулирующее влияние на тоническую активность мышц ног в зависимости от состояния системы внутреннего представления [Гурфинкель и др., 19916].
Известен феномен изменения направления отклонения тела при гальванической вестибулярной пробе в зависимости от ориентации (поворота) головы. Оказалось, что сходный эффект можно получить и в том случае, когда вместо реального поворота головы вызывалась иллюзия такого поворота. Таким образом, «позные» автоматизмы модулируются внутренним представлением о конфигурации тела. Кроме того, система внутреннего представления должна включать также систему координат, в которой описываются ориентация и движение тела относительно внешнего пространства. В зависимости от ситуации и двигательной задачи организм может использовать систему отсчета, связанную с корпусом, с головой, с внешним пространством или с каким-либо подвижным объектом. Переход от одной системы координат к другой влияет не только на восприятие, но и на двигательные реакции, обычно относимые к автоматическим.
Так, медленные повороты корпуса относительно фиксированной в пространстве головы вызывают иллюзию движения головы относительно неподвижного корпуса. Это показывает, что система внутреннего представления склонна использовать систему координат, связанную с корпусом, и интерпретировать взаимный поворот головы и корпуса как вращение головы относительно неподвижного корпуса. Однако в условиях данного эксперимента можно вызвать переход от эгоцентрической системы координат (связанной с корпусом) к экзоцентрической (связанной с внешним пространством). Для этого испытуемого просили захватить рукой рукоятку, жестко закрепленную на массивном неподвижном столе. Информация о взаимном перемещении корпуса и рукоятки, а также априорное представление о том, что рукоятка несмещаема, приводили к переходу от эгоцентрической системы координат к экзоцентрической - у испытуемого появлялись ощущения поворотов корпуса, который ранее воспринимался неподвижным, соответственно исчезали и ощущения поворотов головы.
Переход от одной системы координат к другой подтверждался не только субъективным отчетом испытуемого, но и ярко выраженными изменениями реакций глазодвигательного аппарата. Если вначале амплитуда движения глаз в направлении иллюзорного поворота головы превосходила амплитуду поворотов корпуса, то после захвата рукоятки она уменьшалась в 3-4 раза [Гурфинкель, Левик, 1995].
Итак, нейронная модель тела, механизмы построения систем отсчета, набор базисных моторных автоматизмов и алгоритмов их согласования составляют основу, на которой формируется внутреннее представление о собственном теле и окружающем пространстве. Система внутреннего представления играет ведущую роль в задачах переработки сенсорной информации и реализации пространственно ориентированных движений. Реакции, которые у животных считаются классическими примерами рефлекторных «позных» автоматизмов, у человека в сильной степени определяются тем, как описывается взаимное положение головы, туловища и конечностей в этой системе. Такое описание требует определенной системы отсчета. Переход из одной системы координат в другую ведет к изменению интерпретации сенсорных сигналов и модификации двигательных реакций, возникающих в ответ на эти сигналы. Выбор системы отсчета во многом определяется априорными сведениями об объектах внешнего мира, с которыми человек поддерживает контакт (жесткость, несмещаемость и др.).
Глава 6
ПСИХОФИЗИОЛОГИЯ памяти
Научение может быть рассмотрено как последовательность сложных процессов, вовлекаемых в приобретение, хранение и воспроизведение информации (см. гл. 15). В результате научения происходит модификация поведения, а память проявляется как сохранение этой модификации.
Энграмма - след памяти, сформированный в результате обучения. Описание энграммы может быть выполнено как минимум по трем параметрам: динамике развития процессов, приводящих к становлению следа; параметру состояния энграммы, характеризующему ее готовность к воспроизведению; по устройству энграммы, характеризующему механизмы, которые лежат в основе ее создания. Эти три разных аспекта описания энграммы составляют основу трех направлений в изучении памяти. Первое исходит из принципа временной организации памяти и описывает динамику формирования энграммы в терминах кратковременного и долговременного хранения; второе, исключая временной компонент создания энграммы, оценивает степень ее готовности к воспроизведению; третье, анализируя нейронные и молекулярные механизмы памяти, может опираться как на принцип временной организации, так и на концепцию состояния энграммы.
6.1. Временная организация
Памяти
Временная организация следа памяти подразумевает последовательность развития во времени качественно разных процессов, приводящих к фиксации приобретенного опыта. Основные понятия, которыми оперирует теория консолидации и другие теории, созданные в рамках концепции временной организации памяти, следующие: консолидация - процесс, приводящий к физическому закреплению энграммы, и реверберация - механизм консолидации, основанный на многократном пробегании нервных импульсов по замкнутым цепям нейронов. Длительность консолидации - интервал времени, необходимый для перехода следа памяти из кратковременного хранения, в котором он находится в виде реверберирующей импульсной активности, в долговременное, обеспечивающее длительное существование энграммы.
Основными в концепции временной организации являются понятия о кратковременной и долговременной памяти. Подразумевается, что при фиксации происходит смена одной формы существования энграммы на другую. Представления о кратковременной и долговременной форме существования следа базируется на предположении о разных нейрофизиологических, молекулярных, биохимических и морфофункциональных основах энграммы на разных стадиях ее жизни. Центральной проблемой в концепции временной организации памяти является определение продолжительности периода консолидации энграммы и количества этапов ее становления.
Основной способ исследования временной организации памяти заключается в искусственном воздействии на один из предполагаемых этапов становления энграммы, поэтому такое широкое применение получил метод экспериментальной ретроградной амнезии. Экспериментальная ретроградная амнезия вызывается самыми разными воздействиями. Прошло много времени с тех пор, как К. Р. Дункан и Р. В. Джерард впервые сообщили о том, что электросудорожный шок влияет на хранение недавно приобретенного опыта. С тех пор накопленные данные не оставляют сомнения в том, что не только электрошок, приводящий к драматическим последствиям, но и электрическая стимуляция весьма малой интенсивности может влиять на память. Многочисленные экспериментальные данные показывают, что электрическая стимуляция может и усиливать, и прерывать хранение следа.
Внутреннее представление, модель тела, отражающая его структурную организацию и выполняющая такие функции, как определение границ тела, формирование знаний о нём, как о едином целом, восприятие расположения, длин и последовательностей звеньев, а также их диапазонов подвижности и степеней свободы. В основе схемы тела лежит совокупность упорядоченной информации о динамической организации тела субъекта.
Схема тела и образ тела
Важно отметить различие между понятиями «схема тела» и «образ тела», неверное употребление и смешение которых нередко встречается в литературе. Под схемой тела понимается неосознаваемое внутреннее представление, совокупность информации о структурной организации тела, о его динамических характеристиках, текущем и изменяющемся положении его частей. Это представление играет важную роль в процессах поддержания и регулирования позы, а также при организации движений. Образом тела называют осознаваемое субъектом ментальное представление о собственном теле.
Истоки представлений
Источниками представлений о схеме тела явились наблюдения с древности известного и впервые описанного в XVI веке Амбруазом Паре феномена фантома ампутированной конечности, а также клинические наблюдения пациентов с определенными видами церебральной патологии, у которых возникали искажения в представлениях о собственном теле и окружающем пространстве.
В году Х. Хэдом и Г. Холмсом было предложено близкое к современному определение схемы тела, как формирующегося в коре головного мозга в ходе синтеза различных ощущений представления о величине, положении и взаимосвязи частей тела. Исследователи также предполагали, что схема тела служит для преобразования сенсорной информации, необходимого как для восприятия, так и для планирования и организации движений.
Современные подходы к изучению
Наблюдение фантома ампутированных конечностей
Богатый опыт клинических наблюдений фантома ампутированных конечностей позволил выявить следующие важные особенности, доказывающие связь этого явления с существованием в центральной нервной системе человека модели схемы тела:
- после ампутации конечности фантомные боли встречаются в более чем 90 % случаев - следовательно, они не являются патологиями психики, а есть отражение наличия представления конечности в схеме тела;
- существуют описания фантомных болей в случае врождённого отсутствия конечности, что указывает на наличие врождённой основы у схемы тела;
- фантомные боли чаще являются следствием ампутации тех звеньев, которые способны к произвольным движениям (то есть при ампутации конечностей); кроме того, у фантома наиболее отчётливо воспринимаются дистальные (то есть более отдалённые от серединной плоскости тела) отделы удалённой конечности, которые имеют богатую сенсорику и большую подвижность;
- у некоторых пациентов после ампутации сохраняются иллюзии возможности осуществления движения ампутированной конечностью, а также она может учитываться при планировании действий, что подтверждает представление о наличии внутренней модели, необходимой для организации движений.
Нарушения схемы тела при корковых поражениях
При определенных поражениях головного мозга возникают нарушения в восприятии пространства и собственного тела, свидетельствующие в пользу существования внутренней модели схемы тела. Так при поражениях правой теменной доли возникают нарушения представлений о принадлежности частей тела, об их размерах и форме. В качестве примеров подобных искаженных представлений о своём теле можно перечислить следующие случаи: отрицание принадлежности больному парализованных конечностей, иллюзорные движения неподвижных конечностей, отрицание пациентом дефекта, фантомные дополнительные конечности. Также может наблюдаться такое явление, как геминеглект - игнорирование больным контрлатеральной поражённой области коры головного мозга половины пространства и тела (например, при выполнении таких действий, как умывание, одевание). При поражениях области теменно-височного соединения, помимо нарушения способности поддерживать равновесие, могут наблюдаться явления так называемого «выхода из тела». Кроме того, нарушения в восприятии собственного тела и его частей могут возникать у человека в изменённых состояниях сознания: под действием галлюциногенов, гипноза , сенсорной депривации, во сне.
Изучение схемы тела в норме
Гурфинкель В. С., Левик Ю. С. Концепция схемы тела и моторный контроль// «Интеллектуальные процессы и их моделирование. Организация движений». Ред. А. В. Чернавский; М.: «Наука», 1991 г.
Исследования по изучению схемы тела проводились и в норме. В условиях ишемической деафферентации (то есть в условиях блокады проведения импульсов от кожных, суставных и мышечных рецепторов, которая достигается путем сдавливания плеча пневматической манжеткой) вполне здоровых людей и при выключенном зрении наблюдалось порой довольно сильное рассогласование реального и воспринимаемого положений конечности, названное «экспериментальным фантомом». При этом также происходило иллюзорное «укорочение» воспринимаемой испытуемыми руки. А когда испытуемых просили совершить движение ишемизированной рукой, то они планировали действие не исходя из реального положения руки, а опираясь на её представление в схеме тела.
Особенности модели схемы тела
Надмодальная организация
Модель схемы тела получает на входе сенсорную информацию различных модальностей. Тот факт, что для субъекта не существует восприятия тела и его частей по отдельности для каждой сенсорной системы, то есть, например, воспринимается рука в целом, а не отдельно зрительная, тактильная и т. п., свидетельствует о надмодальной организации схемы тела.
Системы отсчёта
Для поддержания позы и контроля за положением тела производится регуляция сегментов тела друг относительно друга или стабилизация всего тела относительно внешних ориентиров, внешней опоры. Представляется вероятным, что единая модель схемы тела может конструироваться на основе многочисленных промежуточных репрезентаций положения одних частей тела относительно других. Такое предположение подтверждается экспериментами, результаты которых показали, что, в зависимости от двигательной задачи, могут выбираться различные системы отсчёта: например, связанная с корпусом, с головой или с каким-либо объектом окружающего пространства.
Источники
- Гурфинкель В. С., Левик Ю. С. Концепция схемы тела и моторный контроль // Интеллектуальные процессы и их моделирование. Организация движений / Ред. А. В. Чернавский. М.: «Наука», 1991.
- Левик Ю. С. Система внутреннего представления в управлении движениями и организации сенсомоторного взаимодействия. Автореф. дисс. … д. б. н. М., 2006.
- Berlucchi G., Aglioti S. The Body in the Brain: Neural Bases of Corporeal Awareness // Trends in Neurosciences. 1997. Vol. 20. Is. 12.
- Pouget A., Driver J. Relating Unilateral Neglect to the Neural Coding of Space // Current Opinion in Neurobiology. 2000. Vol. 10. P. 242-249.
- Gallagher S., Cole J. , Body Schema and Body Image in a Deafferented Subject // Journal of Mind and Behavior. 1995. Vol. 16. P. 369-390.