Artykuł 05 (Petryński).indd

POLEMIKI I DYSKUSJE
-
-
-
-
-
DISCUSSIONS
NR 29
AN TRO PO MO TO RY KA
2005
WSPÓŁCZESNE MODELE STEROWANIA RUCHAMI
CZŁOWIEKA W ŚWIETLE TEORII BERNSZTEJNA
CONTEMPORARY MOTOR CONTROL MODELS IN
HUMANS IN THE LIGHT OF BERNSTEIN’S THEORY
Wacław Petryński*
* dr, Górnośląska Wyższa Szkoła Handlowa, Katowice, ul. Harcerzy Września 3, [email protected]
Słowa kluczowe: teoria poziomów sterowania Bernsztejna, nauka o sterowaniu ruchami,
modelowanie ruchu, teorie planowania, teorie spontaniczności, kodowanie informacji
w sterowaniu ruchami człowieka
Key words: Bernstein’s theory of motor control levels, motor control science, movement
models, prescriptive theories, emergent theories, information coding in motor control
in humans
W pracy przedstawiono opracowany przez N.A. Bernsztejna model pięciu poziomów sterowania ruchami
(fizjologicznej budowy ruchów): A – napięcia mięśniowego, B – synergii mięśniowych, C – pola przestrzennego,
D – czynności złożonych i E – czynności symbolicznych. Układ wymienionych poziomów jest hierarchiczny,
tzn. poziomy wyższe „zlecają” wykonanie określonych zadań ruchowych poziomom niższych, te zaś tworzą
„tło”, czyli sterują automatyzmami stanowiącymi składniki bardziej złożonych czynności, nie angażując uwagi
wykonującego. Każdemu poziomowi odpowiada pewna grupa ruchów lub czynności ruchowych, sposób
wykorzystania narządów zmysłów, narządów wykonawczych i tworów w ośrodkowym układzie nerwowym.
Im wyższy poziom, tym bardziej złożonymi czynnościami może sterować. W pracy przedstawiono tezę, że
poszczególnym poziomom budowy ruchów odpowiadają różne modele sterowania: poziomowi B – model
ekologiczny Gibsona, poziomowi C – hipoteza punktu równowagi, poziomowi D – modele „cybernetyczne”,
np. schemat Schmidta. Ponadto do odwzorowywania rzeczywistości i sterowania ruchami poziomy A, B i C
wykorzystują kod czuciowy, natomiast poziomy D i E – symboliczny kod wyobrażeń ruchu. Zaproponowano
też pewną modyfikację teorii Bernsztejna: zamiast statycznego, „warstwowego” układu poziomów sterowania
przedstawiono dynamiczny model „dachówkowy”, w którym rozwój poszczególnych poziomów następuje
stopniowo: najpierw pojawiają się nowe zdolności postrzegania, odpowiadające kolejnemu wyższemu poziomowi, dopiero później zaś nowe zdolności ruchowe. Przyjęto założenie, że nowy poziom może w pewnym
zakresie pełnić funkcję „zleceniodawcy” dla poziomów niższych nawet wtedy, gdy zdążył ukształtować jedynie
nowe zdolności postrzegania; właśnie ta jego właściwość może stanowić czynnik napędzający rozwój zdolności
czuciowo-ruchowych i zdolności sterowania. Ponadto, tłumacząc przyrost możliwości danego poziomu sterowania wskutek istnienia wyższego, przyjęto hipotezę, że niższy poziom może zlecać zadania wyższemu; przepływ
„zamówień” między poziomami nie jest więc jednokierunkowy, „z góry na dół” – jak to jest w klasycznym
modelu Bernsztejna – ale dwukierunkowy, również „z dołu do góry”. Badając te zagadnienia warto sięgnąć do
osiągnięć psycholingwistyki. We wnioskach stwierdzono, że głównymi obszarami badań współczesnej nauki
o sterowaniu ruchami człowieka powinny być: poszukiwanie modelu sterowania ruchami i określenie metod
kodowania informacji w tych modelach.
The paper presents the Bernstein’s five-levels model of motor control in humans (physiological levels of
movement construction): A – muscle tonus, B – synergies, C – space field, D – complex motor performances
and E – symbolic representations of motor performances. The level system is hierarchical, i.e. the higher levels
-
-
-
-
STRESZCZENIE • SUMMARY
-
– 55 –
Wacław Petryński
“commission” the lower ones to perform some elements of more complex motor tasks; then the lower levels
make a “background” controlling the automatisms or simple elements of a complex motor performance without
engaging attention of the performer. Each level is corresponded to by a group of movements or motor actions,
way of using receptors, effectors, and the structures in the central nervous system. The higher is the level, the
more complex sensorimotor task it is can control. Hence, each physiological movement construction level is
corresponded to by its own control model: level B – ecological Gibson’s theory, level C – e.g. equilibrium point
hypothesis or inverse model, level D – “cybernetic” models, e.g. Schmidt’s scheme or forward model. Moreover,
to represent the reality and to control the movements, levels A, B and C make use of the sensory code for storing
and transferring information, while D and E – of the symbolic mode of movement conception. A modification of the
Bernstein’s theory has been proposed, namely to replace the static “laminar” system of motor control levels with
a dynamic „tile” model, where the development of particular control levels proceeds gradually, first appearing new
perception abilities corresponding to the successive higher level, and only then the motor ones. The assumption
has been accepted that the new level can to some extent play the role of „commanding” level towards the lower
ones, even if having formed merely some new perception abilities; just this property can be the factor driving
the development of sensorimotor and control abilities. Besides, when explaining the growth of capabilities of
a given motor control level as due to existence of a higher one, the hypothesis was put that the lower level can
„commission” the higher one to perform some special task. So the flow of “orders” between the levels is not
one-way “up-down” (like in classical Bernstein’s theory), but two-way one, either “up-down” or “down-up”. When
considering these questions it is worthwhile to refer them to the achievements of psycholinguistics.
In conclusion, the main sphere of research in contemporary motor control science should be looking for
adequate motor control models and determining the methods of coding information in them.
Teoria poziomów sterowania (fizjologicznych
poziomów budowy ruchów) Bernsztejna [1] jest,
jak się wydaje, w niedostatecznym stopniu wykorzystywana we współczesnej nauce o sterowaniu
ruchami. Jej twórca był nie tylko wybitnym neurofizjologiem, ale miał również gruntowne wykształcenie filologiczne i matematyczne. Teoria Bernsztejna,
choć w istocie swej cybernetyczna, ma mocne podstawy biologiczne: odwzorowuje nie tylko działanie,
ale również budowę i czynności układu sterowania
ruchami człowieka.
Głównym problemem sterowania ruchami jest
wybór odpowiedniego sposobu działania spośród
wielu możliwości. Możliwości te Bernsztejn określił – sięgając do mechaniki teoretycznej - mianem
„stopni swobody”, a proces sterowania ruchami
sprowadził do zagadnienia redukcji stopni swobody (czyli nałożenia na ruch odpowiednich więzów).
Wskazał również na ważną różnicę między maszyną a istotą żywą: maszyna, czy też poszczególne jej
części, wykonują określony ruch zawsze w ten sam
sposób, gdyż sposób ów jest na stałe ściśle określony przez konstrukcję tejże maszyny. Innymi słowy, jej człon roboczy ma zawsze taką samą, ściśle
określoną liczbę stopni swobody, a więzy dokładnie wyznaczają jego cały tor. Natomiast istoty żywe,
nawet osiągając wskutek wykonania danych czynności czuciowo-ruchowych ten sam cel, dokonują
redukcji stopni swobody za każdym razem inaczej.
Bernsztejn nazwał to zjawisko „powtórzeniami bez
powtórzeń”, w literaturze anglosaskiej ma ono na-
zwę „equifinality”, natomiast w polskiej... w ogóle
nie ma swego odpowiednika! Choć na pierwszy
rzut oka może się wydawać, że maszyna osiąga cel
z większą pewnością i szybciej niż człowiek, to jednak tylko „powtórzenia bez powtórzeń” umożliwiają
doskonalenie danej czynności i w konsekwencji rozwój gatunkowy ustrojów żywych. Procesy redukcji
stopni swobody u ludzi i zwierząt Bernsztejn opisał
za pomocą teorii poziomów sterowania.
Sposób budowania teorii, polegający na powiązaniu czynności poszczególnych tworów ośrodkowego układu nerwowego z odpowiednimi klasami
ruchów, nawyków czy czynności ruchowych sprawiał, że prawdopodobieństwo popełnienia błędu
logicznego zostało sprowadzone do minimum. Okazuje się więc, że nawet modele opracowane już po
śmierci Bernsztejna znakomicie zgadzają się z jego
teorią. Dotyczy to również współczesnych modeli
sterowania ruchami człowieka. Co więcej, właśnie
teoria Bernsztejna umożliwia rozwikłanie pozornych sprzeczności między tymi modelami.
Teoria poziomów sterowania
Analizując rozwój gatunkowy istot żywych,
Bernsztejn zwrócił uwagę na przyczynowo-skutkowy związek i stopniowy rozwój czterech czynników
decydujących o sprawności ruchowej, mianowicie:
1. zdolności odbierania bodźców ze środowiska
i reagowania na nie (pobudliwość),
2. postrzegania nowych zadań ruchowych i potrzeby ich rozwiązania,
-
-
-
-
Wstęp
-
– 56 –
Współczesne modele sterowania ruchami człowieka w świetle Teorii Bernsztejna
Podstawowym przedmiotem swoich rozważań
uczynił zręczność, jako najwyżej rozwiniętą zdolność ruchową [1]. W tym miejscu konieczna jest
uwaga natury językowej. Bernsztejn użył określenia
ловкость i przeanalizował jego źródłosłów. Wywodzi się ono od czasownika ловить, czyli polować.
Odpowiednikiem tego terminu byłoby zatem słowo
„łowność”, ale – choć ma ten sam źródłosłów co
wyraz rosyjski – w polskim jest nieco przestarzałe,
używane rzadko, w innym znaczeniu i w zasadzie
jedynie w odniesieniu do zwierząt. Niektórzy autorzy [2] tłumaczą więc ловкость jako „zwinność”,
wychodząc z założenia, że określenie „zręczność”
dotyczy jedynie sprawności rąk. Jednakże określenie „zwinny” oznacza po polsku «mający, wykonujący szybkie, zręczne ruchy; także o czyimś ruchu:
szybki i zgrabny» [3]. Bernsztejn wyraźnie pisze [1],
że nie o tę zdolność (po rosyjsku проворство) mu
chodzi. Dlatego w niniejszej pracy, a także w pracy
[4], przyjęto definicję ze Słownika języka polskiego
[3], zgodnie z którą słowo „zręczność” oznacza nie
tylko sprawność ruchową, ale również «umiejętność
odpowiedniego postępowania, takiego aby przyniosło
korzyści; spryt, przebiegłość». W opisie tym nie ma
ograniczenia jedynie do sprawności rąk, jest natomiast to, o co przede wszystkim chodziło Bernsztejnowi, mianowicie spryt, bystrość, czyli inteligencja
czuciowo-ruchowa.
Omawiana sprawa jest zaledwie skromnym
przykładem bardzo poważnego zjawiska we współczesnej nauce – problemu przekładu, który polega
nie na wyrażeniu w jakimś języku tekstu stworzonego w innym języku, lecz na jak najwierniejszym
odwzorowaniu modelu, który autor stworzył w jakimś języku, w umyśle odbiorcy operującego innym
językiem. Jest to kwestia szeroko pojętej wierności
przekładu. Problem ten jest powszechnie niedoceniany, choć od jakości słowa zależy przecież jakość
myślenia, a więc również wszelkich modeli naukowych, będących wszak istotą samej nauki [4].
Wychodząc z opisanych przesłanek, Bernsztejn
zbudował hierarchiczny model złożony z pięciu poziomów sterowania ruchami [1, 6].
1. Najniższy poziom A (czerwienno-rdzeniowy),
jest poziomem napięcia mięśniowego (tonusu).
Istnienie takiego napięcia jest podstawowym warunkiem poruszania jakąkolwiek częścią ciała.
Wykorzystuje czucie głębokie (propriocepcję).
Steruje jedynie położeniem ciała i odruchami,
odgrywa jednak bardzo ważną rolę jako poziom
tła, stanowiący podstawę bardziej złożonych
czynności czuciowo-ruchowych.
2. Drugi, poziom B (wzgórzowo-gałkowy) pozwala sterować synergiami, czyli współdziałaniem
dużych grup mięśniowych. Wykorzystuje czucie
głębokie i dotyk. Steruje ruchami całego ciała,
ale odgrywa ważną rolę jako poziom tła. Jest
głównym poziomem sterowania ruchami np.
u ryb. Charakterystyczne dla tego poziomu są
ruchy płynne, z niewielkimi przyspieszeniami.
3. Trzeci, poziom C (piramido-prążkowy) jest poziomem pola przestrzennego. Umożliwia wykorzystanie kończyn do przemieszczania ciała
w przestrzeni i pojawił się wraz z ich ukształtowaniem u istot żywych. Bernsztejn podzielił go
na dwa podpoziomy: C1, umożliwiający przemieszczanie w przestrzeni całego ciała, oraz
C2, umożliwiający poruszanie przedmiotami.
Wykorzystuje połączone bodźce zewnętrzne
(syntezy) czucia głębokiego, dotyku, wzroku,
słuchu i powonienia. Steruje wszelkimi ruchami
kończyn. Poziom C1 Bernsztejn kojarzy z układem pozapiramidowym, poziom C2 – z układem
piramidowym ośrodkowego układu nerwowego. Poziom C1 jest rozwinięty np. u niektórych
gadów. Mogą one wykorzystywać kończyny jedynie do przemieszczania się. Natomiast ssaki,
u których istnieje już poziom C2, wykorzystują
kończyny do kopania, przytrzymywania ofiary
itp. Podział poziomu C na dwa podpoziomy
Bernsztejn tłumaczy tym, że u ssaków mamy do
czynienia z procesem ewolucyjnym w toku: następuje właśnie encefalizacja, czyli przenoszenie
zdolności sterowania omawianymi ruchami z jąder podkorowych do kory mózgowej.
4. Poziom D (ciemieniowo-przedruchowy) jest
poziomem czynności. Pojawił się dopiero u najwyżej rozwiniętych ssaków – np. psów, koni,
a zwłaszcza małp. Umożliwia łączenie poszczególnych nawyków czuciowo-ruchowych w łańcuchy i budowanie czynności celowych. Wykorzystuje głównie bodźce wzrokowe, słuchowe
i węchowe, umożliwia sterowanie wszelkimi
ruchami znaczeniowymi. Wprawdzie już poziom C2 umożliwia operowanie przedmiotami,
ale dopiero poziom D pozwala przekształcać ich
strukturę (np. smażenie jaj czy wytapianie stali)
-
-
-
-
3. pojawiania się nowych narządów wykonawczych lub rozwój już istniejących oraz powstawania nowych tworów w ośrodkowym układzie
nerwowym, umożliwiających kształtowanie nowych zdolności czuciowo-ruchowych,
4. kształtowania wszechstronnych zdolności czuciowo-ruchowych umożliwiających budowanie
nowych nawyków i umiejętności, a w konsekwencji – rozwiązywanie coraz bardziej złożonych zadań ruchowych.
-
– 57 –
Wacław Petryński
lub funkcji (np. łączenie drobnych części podczas montażu zegarka). Znamiennymi cechami
czynności tego poziomu są: łańcuchowa budowa czynności, którymi steruje, oraz dostosowawcza zmienność tych czynności.
5. Poziom E (korowy) nie ma, zdaniem Bernsztejna, bezpośredniego związku ze zręcznością [1]
– choć to twierdzenie wydaje się dyskusyjne.
Steruje on ruchami symbolicznymi (mowa, pismo itp.), wykorzystuje złożone syntezy czuciowe.
Oznaczenia oraz opisy działania i funkcji poszczególnych poziomów zawiera tabela 1 [6]. Pochodzi ona z książki wydanej w 1971 roku, wywodzi
się z oryginału rosyjskiego i została zacytowana dosłownie. Określenie „ruchy dowolne” określilibyśmy
obecnie jako „ruchy mimowolne” (involuntary movements), zaś „ruchy znaczeniowe” – jako „ruchy
celowe” lub „ruchy zamierzone” (voluntary movements).
Kolejne poziomy pojawiały się u poszczególnych gatunków zwierząt w miarę rozwoju gatunkowego. Najwyższym poziomem sterowania ruchami
u ryb jest poziom B, u ptaków – poziom C, u ssaków
– poziom D. Pojawiały się wraz z odpowiednimi
tworami w ośrodkowym układzie nerwowym. Za
działanie poziomu B odpowiada gałka blada, za
poziom C – ciało prążkowane, za poziom D – kora
mózgowa.
Fakt, że u zwierząt wyżej rozwiniętych pojawia się nowy poziom sterowania nie oznacza, że
swą funkcję traci stary. Te nowe stają się jednak
poziomami głównymi, stare zaś – poziomami tła,
„obsługującymi” działanie poziomów głównych.
Ważnym składnikiem teorii Bernsztejna jest bowiem hierarchiczność poziomów. W przypadku
najbardziej złożonych u danej istoty czynności czuciowo-ruchowych jej najwyższy poziom sterowania
pełni funkcję poziomu głównego, „zlecającego” do
wykonania zadania poziomom tła. Uwaga wykonującego skupiona jest na tymże poziomie sterującym,
natomiast poziomy tła pracują samoczynnie. Innymi
słowy, poziom „zlecający” nie „interesuje się” sposobem wykonania ruchu czy nawyku przekazanego
do wykonania poziomowi niższemu, a jedynie skutkami owego ruchu czy nawyku; sposób wykonania
leży całkowicie „w kompetencjach” owego niższego
poziomu (mowa tu, oczywiście, o ugruntowanym
i utrwalonym nawyku czuciowo-ruchowym). Nie
oznacza to, że w przypadku czynności prostszych
poziomem głównym nie może być poziom niższy
od najwyższego u danej istoty. Na przykład u człowieka poziomem głównym ruchów lokomocyjnych
jest, podobnie jak np. u ptaków poziom C, nie zaś
najwyższy u Homo sapiens poziom E.
Tabela 1. Poziomy sterowania ruchami wg Bernsztejna [6
B
Wzgórze
wzrokowe, gałka
blada (synergie)
C
Komórki piramidalne – ciało
prążkowane (pole
przestrzenne)
E
Korowy
Regulacja tonusu
mięśni, sterowanie
chronaksją
Sterowanie synergiami Przemieszczanie ciała Realizacja części
mięśniowymi.
w przestrzeni
znaczeniowej ruchu.
Neutralizacja sił
Ruchy przedmiotami.
reakcji. Stabilizacja
dynamiki ruchu.
Sterowanie ruchami
symbolicznymi
(mowa, pismo itp.)
Rodzaj
informacji
czuciowej
Proprio-ceptywna
Proprio-ceptywna
i kontakto-receptywna
Syntetyczna,
telekontaktoi proprio-ceptywna
Telereceptywna
Złożona znaczeniowa
Znaczenie
wiodące
Nieznaczne.
Położenie i odruchy.
Nieznaczne. Mimika
i ruchy dowolne.
Znaczne. Lokomocja,
ruchy balistyczne,
naśladowcze itp.
Bardzo duże. Prawie
wszystkie ruchy
znaczeniowe.
Tylko wiodące
Znaczenie
poboczne
Główne
Bardzo szerokie
Szerokie.
Współuczestniczy
w ruchach
znaczeniowych
podczas
przemieszczania
ciała.
Bardzo małe.
Jedynie dla ruchów
symbolicznych.
Prawdopodobnie
nie ma
– 58 –
-
D
Ciemieniowo-przedcentralny
(działania przedmiotowego)
Główna
funkcja
-
-
-
-
Poziom
A
Czerwienno
rdzeniowy
Bernsztejn ustalił jeszcze jedną ważną zależność: wskutek pojawienia się poziomów wyższych
możliwości niższych poziomów sterowania rozszerzają się. Na przykład sterowanie z poziomu B, najwyższego dla ryby, jest niewyćwiczalne, natomiast
u człowieka, dysponującego również poziomami C
i E, czynności sterowane z poziomu B stają się wyćwiczalne. Zauważmy, że jest to zgodne z ogólną
teorią systemów głoszącą, że system nie jest jedynie
prostą sumą jego składników, ale jego możliwości
wzrastają o pewną dodatkową „premię”, wynikającą ze współdziałania owych składników.
Analizując historycznie ewolucję istot żywych
można dojść do wniosku, że poszczególne poziomy
rozwijały się stopniowo i że nie można by udowodnić twierdzenia, iż poszczególne gatunki zwierząt
dysponują możliwościami sterowania ruchami ściśle
ograniczonymi i przypisanymi do poszczególnych
poziomów. Na przykład u ryb głównym poziomem
sterowania wydaje się poziom B, ale musiały się
u nich pojawić również zaczątki poziomu C, by mógł
on w pełni rozwinąć się później u gadów i ptaków.
Najpierw musiały się pojawić zdolności odczuwania czy postrzegania właściwe dla wyższego, jeszcze nie istniejącego poziomu sterowania, dopiero
później zaś kształtowały się narządy wykonawcze,
twory nerwowe i zdolności ruchowe właściwe dla
tego wyższego poziomu. Swoista „oszczędność”
przyrody, nie zezwalająca na utrzymywanie tworów nie pełniących żadnej funkcji, sprawia zaś, że
nowo kształtujący się poziom może zacząć pełnić
funkcję „zleceniodawcy” dla niższych poziomów już
wówczas, gdy ukształtowały się w nim zdolności postrzegania, nie ma zaś jeszcze zdolności sterowania
ruchami. W hierarchicznym modelu budowy ruchów Bernsztejna poziom główny danego nawyku
czuciowo-ruchowego nie steruje zresztą na ogół
żadnymi ruchami, lecz jedynie zleca je poziomom
niższym. Postrzegając ów model jako odwzorowanie
nadal dynamicznie rozwijającego się biologicznego
układu sterowania ruchami można by stwierdzić,
że z podobną sytuacją mamy właśnie do czynienia
w przypadku poziomu E. Nie ma on żadnych możliwości sterowania ruchami, może natomiast pełnić
rolę „zleceniodawcy” dla niższych poziomów. Nie
mamy też pewności, czy kiedykolwiek rozwiną się
w nim jego własne możliwości sterowania ruchami,
nie wiadomo bowiem, czy w ogóle istnieje taka biologiczna potrzeba.
Poszczególne poziomy oddzielają zatem od siebie nie wyraźne granice, lecz swoiste strefy przejściowe, w których rozwijają się kolejno nowe zdolności postrzegania, nowe narządy wykonawcze
i nowe twory w ośrodkowym układzie nerwowym,
umożliwiające sprawne wykorzystywanie nowo
utworzonych możliwości czuciowo-ruchowych.
Zdaniem Bernsztejna, obecnie jesteśmy świadkami
takiego procesu u ssaków w odniesieniu do tworów
w ośrodkowym układzie nerwowym właściwych dla
poziomu sterowania C: wskutek encefalizacji struktury sterowania poziomu C właśnie „przenoszą się”
z poziomu prążkowia C1 (układ pozapiramidowy)
na poziom korowy C2 (układ piramidowy).
Wydaje się, że poziom E – podobnie jak poziom
C – można również podzielić na dwa podpoziomy
[24]:
– niższy, E1, operujący symbolicznymi odwzorowaniami przedmiotów i zjawisk postrzegalnych
zmysłami, w tym również ruchu (na tym poziomie mieści się np. pantomima),
– wyższy, E2, operujący pojęciami w pełni oderwanymi, obejmującymi np. język; poziom E2
rozszerza więc pojęcie symbolu na obszar abstrakcyjnych odwzorowań ruchu, czyli wyobrażeń, nie wymagających bezpośredniego odbioru
bodźców czuciowych i nie naśladujących konkretnych wzorców rzeczywistych.
Teoria poziomów sterowania Bernsztejna jest
bez wątpienia pewnym modelem, czyli uproszczonym, ukierunkowanym opisem jakiegoś składnika
postrzeganej przez człowieka rzeczywistości [7].
Z definicji nie może więc odwzorować wszelkich
subtelności istniejących w tejże rzeczywistości. Pod
tym względem fizjologia, czy – szerzej – biologia nie
różni się od innych nauk: również fizyka czy chemia operują wszak jedynie modelami. Niemniej
model Bernsztejna wydaje się wyjątkowo trafnym
odwzorowaniem, kryjącym wielkie, nie odkryte jeszcze możliwości wyjaśniania zjawisk zachodzących
w otaczającej nas rzeczywistości.
Teoria Bernsztejna a modele sterowania
ruchami człowieka
Jak wynika z teorii Bernsztejna, każdemu poziomowi sterowania ruchami odpowiada określony
twór w ośrodkowym układzie nerwowym, określona klasa ruchów czy bardziej złożonych czynności
ruchowych oraz określony sposób wykorzystania
poszczególnych zmysłów. Ponadto człowiek wykorzystuje wszystkie poziomy sterowania: do czynności
najprostszych poziom synergii B, bardziej złożonych
– poziom pola przestrzennego C, najbardziej złożonych – poziom czynności D (zgodnie z zasadą
hierarchiczności, poziom E nie steruje żadnymi
-
-
-
-
Współczesne modele sterowania ruchami człowieka w świetle Teorii Bernsztejna
-
– 59 –
ruchami, lecz jest jedynie „zleceniodawcą” dla
niższych poziomów sterowania). Wynika stąd, że
– według obecnego stanu naszej wiedzy - trudno
opracować jeden uniwersalny model sterowania
wszystkimi ruchami czy czynnościami ruchowymi człowieka. Próby opracowania takiego modelu
przypominają nieco usiłowania fizyków pragnących
stworzyć Grand Unified Theory – ogólną, jednolitą
teorię wszelkich oddziaływań, na przykład i grawitacyjnych i kwantowych. Nie ulega jednak wątpliwości, że obecnie żaden model sterowania ruchami
człowieka nie może pretendować do miana teorii
uniwersalnej. Można jednak pokusić się o przyporządkowanie poszczególnych modeli poszczególnym poziomom sterowania w teorii Bernsztejna.
Sterowanie na poziomie B dobrze opisuje teoria
Gibsona [9], zakładająca bezpośrednie sprzężenie
postrzegania i działania. Według tej teorii, określony
ruch jest skutkiem pojawienia się w otoczeniu sposobności (affordance), na którą ów ruch jest bezpośrednią odpowiedzią. Teoria taka tłumaczy czynności ruchowe tych zwierząt, które nie mają w ośrodkowym układzie nerwowym tworów odpowiedzialnych za sterowanie na wyższych poziomach. Trzeba
jednak podkreślić, że obecnie podejmuje się próby
opisu zachowania zwierząt niżej rozwiniętych przy
użyciu złożonych modeli sterowania, np. wykorzystania modeli prostych do sterowania ruchami przez
owady [9]. Przypomnijmy, że model prosty (forward
model) przekształca działania wynikające z zamiarów wykonującego w skutek powstający w środowisku, który to skutek wykonujący postrzega za
pośrednictwem zmysłów. Model prosty zależy więc
od środowiska, a ściślej – odwzorowania jego cech
w umyśle wykonującego daną czynność czuciowo-ruchową. Jest ważnym ogniwem w planowaniu
ruchów. Natomiast model odwrotny (inverse model) wytwarza działanie czuciowo-ruchowe w zależności od bieżącego stanu środowiska i pożądanego
wrażenia czuciowego. Model odwrotny zależy więc
jedynie od cech umysłu wykonującego dany ruch
i służy do sterowania tymże ruchem [10].
Sterowanie na poziomie D dobrze opisują modele typu „cybernetycznego”. Należy do nich zaliczyć
przede wszystkim „pierścieniowy” model Bernsztejna [11], model „dwupierścieniowy” Czchaidze [12],
schemat Schmidta [13, 4] czy model prosty według
Jordana i Rumelharta [10].
Wprawdzie Bernsztejn wyraził opinię, że poziom
E „nie ma bezpośredniego związku ze zręcznością”
[1], ale tego twierdzenia nie sposób przyjąć bez zastrzeżeń. Osiński [23] pisze:
«Rozwój motoryki w tym okresie (2-4 rok życia
człowieka – W.P.) jest ściśle związany z opanowa-
niem mowy i stopniowym przechodzeniem od myślenia konkretno-obrazowego do abstrakcyjnego».
Nie ulega wątpliwości, że mowa jest zdolnością
przypisaną właśnie do poziomu E. O jej ścisłym
związku z ruchami pisze też m.in. Czabański [16]
oraz Meinel i Schnabel [6].
W przypadku bardziej rozwiniętych zwierząt
– ptaków i ssaków, a także człowieka – głównym
„wykonawcą” ruchów, czy to jako główny poziom
sterowania, czy też jako poziom tła, jest poziom C.
Za główne źródło informacji służą mu różnorodne
bodźce odbierane przez narządy zmysłów – czucia
głębokiego, dotykowe, wzrokowe, słuchowe i węchowe. Na poziomie A i B są one wykorzystywane
w takiej postaci, w jakiej do ośrodkowego układu
nerwowego przekazują je narządy zmysłów, bez jakiegokolwiek przetworzenia. Natomiast na poziomie
C nie są wykorzystywane w postaci „surowej”, lecz
bodźce z różnych źródeł zostają połączone i przekształcone tworząc syntezy [1]. Ich treść jest bogatsza i bardziej skondensowana niż pojedynczych
bodźców, co pozwala na szybsze i sprawniejsze
wykorzystanie. Gdyby szukać jakichś podobieństw
w świecie techniki (choć w tym zakresie analogiami
należy posługiwać się z wyjątkową ostrożnością!),
to można by porównać ów problem do długości słowa, jakim operuje procesor. Początkowo do użytku
domowego trafiły komputery z procesorami ośmiobitowymi, później szesnastobitowymi, obecnie są
to procesory trzydziestodwubitowe, a w najbliższej
przyszłości należy oczekiwać powszechnego pojawienia się procesorów sześćdziesięcioczterobitowych. Taki postęp sprawi, że procesor sześćdziesięcioczterobitowy zdoła w ciągu jednej operacji
przetworzyć taką ilość informacji, na którą procesor
ośmiobitowy potrzebowałby kilkadziesiąt lub nawet
kilkaset operacji. Wróćmy jednak do modelu sterowania ruchami przez człowieka. Według Millera
[14], pamięć czasu krótkiego (STM) ma pojemność
zaledwie około 7±2 jednostek informacji. Taką ilość
informacji może jednocześnie przetwarzać ośrodkowy układ nerwowy człowieka. Nie jest więc
obojętne, czy tymi jednostkami są „jednobitowe”
bodźce, „szesnastobitowe” syntezy, czy też „sześćdziesięcioczterobitowe” symboliczne, złożone odwzorowania ruchu.
Schemat różnych poziomów procesów sterowania czuciowo-ruchowego w poszczególnych
tworach ośrodkowego układu nerwowego (ryc. 1)
przedstawił Konczak [17]. Rysunek o bardzo podobnej treści można znaleźć w pracy Gracza i Sankowskiego [18] na stronie 40. Wynika stąd, że sterowanie
ruchami człowieka może przebiegać różnymi szlakami nerwowymi, świadomie lub nieświadomie,
-
-
-
-
Wacław Petryński
-
– 60 –
Współczesne modele sterowania ruchami człowieka w świetle Teorii Bernsztejna
CZYNNOŚCI
wykonanie
kora
kojarzeniowa
jądra podstawy
mózgu
kora ruchowa
móżdżek
świadome
planowanie
kora czuciowa
(słuchowa, wzrokowa)
kora kojarzeniowa
ODPOWIEDZI I RUCHY AUTOMATYCZNE
(NAWYKI CZUCIOWO-RUCHOWE)
mimowolne
pień mózgu
móżdżek
ODRUCHY
pień mózgu
rdzeń kręgowy
narząd wykonawczy
(mięsień)
narząd zmysłu
(receptor)
w zależności od tego, do jakiej grupy owe ruchy
należą.
Z przytoczonych analiz wynika, że naturalnym
„językiem” poziomów A, B i C jest kod czuciowy,
natomiast poziomów D i E – kod symboliczny, utworzony ze złożonych wyobrażeń ruchu. W strefie przejściowej między poziomami C i D musi więc następować proces „przekładu” jednego kodu na drugi.
Narządy wykonawcze, mięśnie, „rozumieją” jedynie
kod czuciowy, a zatem ostateczna, „wykonywalna”
postać wzorca ruchu musi być opisana w tym kodzie niezależnie od tego, w jakim kodzie opisany jest
wzorzec ruchu. Innymi słowy, mięsień szkieletowy
nie umie liczyć, może jedynie czuć. Jeżeli zatem,
zgodnie z Bernsztejnowską zasadą hierarchiczności,
poziom C jest zleceniodawcą dla poziomu B, to swoje zlecenie musi wyrazić w „języku” czucia. Modelem odpowiadającym tego rodzaju sterowaniu jest
model odwrotny według Jordana i Rumelharta [10]
oraz hipoteza punktu równowagi opracowana przez
Feldmana, Levin i Latasha [19, 20].
Spory o to, według jakiego wzorca steruje swoimi ruchami człowiek – słynne dyskusje „centralistów” i „peryferialistów” [21], zwolenników „action
approach” i „motor approach” [22], czy entuzjastów
teorii planowania (prescriptive theories) i spontaniczności (emergent theories) [23] itp. wydają się zatem
bezprzedmiotowe. W przypadku określonej czynności czuciowo-ruchowej człowiek wykorzystuje
bowiem taki sposób sterowania, jaki odpowiada
danemu poziomowi sterowania. Od zwierząt różni
się tym, że dysponuje najszerszym arsenałem metod
sterowania, a jego niższe poziomy, odpowiadające
głównym poziomom poszczególnych zwierząt, mają
– wskutek istnienia u niego poziomów wyższych
– znacznie rozszerzone możliwości w porównaniu
-
-
-
-
Ryc. 1. Różne szlaki sterowania poszczególnymi grupami ruchów (odruchy, nawyki i złożone czynności ruchowe) wg Konczaka [15]
-
– 61 –
z odpowiednimi poziomami tychże zwierząt. Trzeba
jednak dodać, że – zgodnie z zasadą oszczędności
przyrody, która nie tworzy zdolności niepotrzebnych
danemu gatunkowi – w odniesieniu do konkretnych
zdolności, przypisanych do określonych poziomów,
człowiek ustępuje zwierzętom. Nie potrafi zatem biegać z prędkością ponad 100 km/godz jak gepard czy
nurkować na głębokość 4000 metrów jak kaszalot,
gdyż te zdolności (dość „kosztowne” biologicznie)
nie są mu potrzebne. Fakt ten nie burzy więc ogólnej
logiki teorii Bernsztejna.
Jeśli przyjąć za przesłanki zasadę hierarchiczności
oraz fakt, że poszczególne poziomy budowy ruchów
oddzielają nie wyraźne granice, lecz strefy przejściowe, wówczas można by przekształcić statyczny,
„warstwowy” model Bernsztejna w dynamiczny model „dachówkowy”. Uwzględniałby on to, że u istot
żywych, u których głównym poziomem sterowania
jest poziom X, kształtuje się najpierw zdolność postrzegania właściwa poziomowi X+1. Innymi słowy,
na początku tego procesu dana istota nie dysponuje
jeszcze możliwościami ruchowymi „przypisanymi”
do poziomu X+1, ale ma już możliwości postrzegania odpowiadające temu wyższemu poziomowi.
Ów wyższy poziom X+1 nie może więc jeszcze sterować żadnymi ruchami, ale może już pełnić rolę
„zleceniodawcy” dla poziomu X, który w takiej sytuacji, będąc najwyższym „wykonawczym” poziomem
danej istoty, może pełnić rolę tła. Zauważmy, że
w takim dynamicznym powiązaniu można by upatrywać wyjaśnienia, dlaczego dany poziom u istot
niżej rozwiniętych ma mniejsze możliwości niż ten
sam poziom u istot wyżej rozwiniętych (np. poziom B jest u ryby niewyćwiczalny, u człowieka zaś
– wyćwiczalny). Należałoby tylko przyjąć założenie,
że powiązanie sąsiednich poziomów nie jest – jak
w oryginalnej teorii Bernsztejna – jednostronne „z
góry na dół”, lecz dwustronne, czyli poziom wyższy
„zleca” wprawdzie wykonanie pewnych czynności
tła poziomowi niższemu, ale za to niższy korzysta
z możliwości postrzegania i planowania ruchów
poziomu wyższego; istnieje więc również przepływ
informacji „z dołu do góry”. Dlatego właśnie możliwości poziomu B u człowieka – który ma dobrze
rozwinięte poziomy C, D i E – są większe niż tego
samego poziomu u ryby, która nie ma rozwiniętych
wyższych poziomów, więc nie może korzystać z ich
możliwości. Co więcej, ów niższy poziom stawia żądania wyższemu! Wyobraźmy sobie sytuację, w której niższy, dobrze rozwinięty poziom sterowania, napotkawszy zadanie czuciowo-ruchowe, którego nie
może rozwiązać, wysyła „zamówienie” na „usługę”
postrzeżeniowo-ruchową do wyższego, właśnie się
rozwijającego poziomu. Taki mechanizm mógłby
pełnić funkcję czynnika napędzającego rozwój narządów wykonawczych oraz możliwości sterowania
nimi. Właśnie takie „zamówienia z dołu do góry”
mogą pełnić funkcję podstawowego czynnika napędowego ewolucji. W takim ujęciu nowy, „pączkujący” poziom sterowania od razu włączałby się do pracy, nie zaś dopiero po ostatecznym ukształtowaniu.
Przykładem takiego właśnie procesu jest obecnie
„przenoszenie się” poziomu C z układu pozapiramidowego (podpoziom C1) do układu piramidowego
(podpoziom C2). Mimo że proces ten jest w toku,
oba podpoziomy są wykorzystywane do sterowania
ruchami istot żywych, gdyż oszczędnej przyrody nie
stać na utrzymywanie tworów bezużytecznych, nawet jeśli dopiero się kształtują. Dynamiczny model
„dachówkowy”, w którym poszczególne poziomy
sterowania nie są od siebie oddzielone wyraźnymi
granicami, ale współpracują i niejako zachodzą na
siebie, lepiej zapewne odwzorowywałby dynamikę
stopniowego rozwoju zdolności ruchowych istot żywych niż statyczny, oryginalny „warstwowy” model
Bernsztejna.
Redukcja stopni swobody i kodowanie
w sterowaniu ruchami człowieka
Wydaje się, że wymienione w tytule niniejszego
podrozdziału zagadnienia stanowią podstawowe
problemy współczesnej nauki o ruchach człowieka. Sposób redukcji stopni swobody oraz sposób
kodowania wzorców ruchu – to najważniejsze różnice między sterowaniem ruchem przez istotę żywą
i przez maszynę. Należałoby zatem przestrzec przed
łatwymi analogiami do techniki komputerowej, skłaniającymi do nazbyt uproszczonego myślenia o sterowaniu ruchami człowieka. Istnieje jednak pewne
ważne podobieństwo między człowiekiem a komputerem. W urządzeniu tym najniższym – i jedynym
zrozumiałym dla procesora – językiem jest ciąg zer
i jedynek, odwzorowywanych przez napięcie lub
brak napięcia, czyli kod dwójkowy. Cała „reszta”
komputera służy właściwie tłumaczeniu poleceń
z naturalnego języka człowieka na kod dwójkowy,
później zaś - wyników przetwarzania danych z kodu
dwójkowego na naturalny język człowieka. Natomiast w przypadku istot żywych najniższym językiem
porozumiewania się ośrodków decyzyjnych z wykonawczymi jest czucie. Zatem bez względu na to, co
i jak planujemy i odwzorowujemy na poziomie E lub
D, na wykonawczym poziomie C lub B musi to być
realizowane – zarówno przy odbieraniu bodźców,
jak i tworzeniu podniet ruchowych – dzięki temu, co
Bernsztejn niezwykle trafnie nazwał „poprawkami
czuciowymi” [1].
-
-
-
-
Wacław Petryński
-
– 62 –
Redukcję stopni swobody – czyli nakładanie na
ruch więzów - można postrzegać albo w perspektywie pojedynczej czynności czy nawyku czuciowo-ruchowego (sterowanie), albo jako względnie
trwałe kształtowanie wzorców czuciowo-ruchowych (uczenie się). Zauważmy pewną różnicę
w rozwiązywaniu tego problemu przez Bernsztejna
[1] i współczesnych uczonych. Jako przykład weźmy trzy często cytowane, wybitne prace, reprezentatywne dla współczesnej nauki o sterowaniu
ruchami człowieka: Jordana i Rumelharta Forward
models: Supervised learning with a distal teacher [10],
Wolperta i Kawato Multiple paired forward and inverse models for motor control [24] oraz Hossnera
i Künzella Motorisches Lernen [23]. Podstawą teorii
Bernsztejna jest ustrój żywy, postrzegany jako układ
sterowania (ośrodkowy układ nerwowy) i narządy
wykonawczy (układ kostno-mięśniowy). Rozwój
zdolności ruchowych analizuje w perspektywie historycznej, przedstawiając je w kategoriach ogólnego rozwoju gatunkowego zwierząt i człowieka. Jego
tok rozumowania o rozwoju zdolności ruchowych
biegnie równolegle do toku całej ewolucji biologicznej. Natomiast współcześni uczeni usiłują opisać proces redukcji stopni swobody matematycznie.
W ich pracach tkwi milczące założenie, że wystarczy
opisać dane procesy odpowiednimi wzorami, a logiczna matematyka niejako samoczynnie uporządkuje tę dziedzinę i doprowadzi do właściwego opisu. Bliżej nieokreślona „modularność” (modularity)
w teorii Jordana, Rumelharta, Wolperta i Kawato
pełni w istocie tę samą rolę, co uporządkowany, uzasadniony fizjologicznie układ poziomów sterowania
w teorii Bernsztejna. Wprawdzie model nie musi
odwzorowywać struktury modelowanego układu,
tylko jego funkcje [7], ale wykorzystanie budowy
obiektów rzeczywistych jako wzorca modelu obniża
prawdopodobieństwo popełnienia błędu w tymże
modelu. Wydaje się, że we współczesnej metodologii może tkwić pewien błąd. Już na początku lat
trzydziestych XX wieku najwybitniejszy bodaj logik
tego stulecia, Kurt Gödel, formułując prawo o niezupełności teorii matematycznych wykazał wszak,
że logika nie jest ani najlepszym, ani niezawodnym
narzędziem badania rzeczywistości [25]. Nieco
wcześniej dwaj wybitni uczeni, Alfred Whitehead
i Bertrand Russell usiłowali opisać w kategoriach
logiki samą matematykę, co też się nie udało [26].
Złożenie „na barki” matematyki zadania samoczynnego uporządkowania nauki o sterowaniu ruchami
nie rokuje zatem wielkich nadziei na sukces.
Drugim z najważniejszych problemów współczesnej nauki o sterowaniu ruchami człowieka jest
„tłumaczenie” – czyli odwzorowywania doznań opi-
sanych jednym kodem w innym kodzie. W przypadku człowieka chodzi o „przełożenie” kodu symbolicznego (abstrakcyjnych umysłowych odwzorowań
ruchu) na kod czuciowy i przeciwnie. Temu właśnie
celowi ma służyć model prosty [10, 24, 9]. Według
teorii Bernsztejna przekład taki powinien następować w strefie przejściowej między poziomami C i D.
Wyjaśnienie istoty mechanizmu tego procesu pozwoliłoby zrozumieć zasadę „komunikowania” się
wszystkich poziomów sterowania i być może walnie
przyczyniłoby się do stworzenia jednego, ogólnego
modelu (lub raczej metamodelu) sterowania ruchami człowieka. Jako próby wyjaśnienia zasady takiego „przekładu” można potraktować „zasadę reaferencji” (Reafferenzprinzip) von Holsta i Mittelstaedta
[27] czy bardzo do niej podobną teorię „impulsu
wynikowego” (corollary discharge), opracowaną
przez Sperry’ego [28]. W jakimś sensie funkcję tę
mógłby pełnić również wewnętrzny pierścień sterowania w modelu Czchaidze, choć uczony ten nie
przypisywał mu takiej roli [12].
O wykorzystywaniu przez człowieka dwóch kodów – czuciowego i symbolicznego – może świadczyć przedstawiona przez Lindsaya i Normana [29]
hipoteza dwóch kierunków procesów przetwarzania: wywodzącego się z danych czuciowych (data-driven) i wywodzącego się z pojęć (conceptually-driven). Piszą oni:
„Oczekiwania to w gruncie rzeczy proste teorie lub hipotezy na temat natury antycypowanych
sygnałów sensorycznych. Oczekiwania te sterują
analizą na wszystkich jej poziomach, od wzbudzenia
systemu językowego (jeśli oczekuje się, że sygnał będzie językowy) poprzez przygotowania detektorów
cech do odbioru antycypowanych, specyficznych
impulsów, do ukierunkowania uwagi na szczegóły
poszczególnych zdarzeń. Procesy wywodzące się
z pojęć są dokładną odwrotnością procesów wywodzących się z danych sensorycznych [29]”.
Z hipotezy tej wynika, że nie tylko istnieją dwa kody
– czuciowy i symboliczny – ale że kierunki przetwarzania niesionych przez nie informacji są przeciwne.
Analizując sterowanie czynnością ruchową u człowieka według modelu Bernsztejna, kierunek przetwarzania informacji czuciowej odpowiadałby przejściu A→
B→C, natomiast informacji symbolicznej – E→D→C.
Należy zauważyć, że w hierarchicznym modelu poziomów Bernsztejna bezpośrednie sterowanie ruchami
odbywa się głównie z poziomów B i C. Poziom A jest
jedynie poziomem napięcia mięśniowego, zaś poziomy D i E pełnią rolę „zleceniodawców” dla poziomów
niższych, głównie poziomu C.
Wprawdzie w mózgu człowieka za wytwarzanie i rozumienie mowy są odpowiedzialne dwa
-
-
-
-
Współczesne modele sterowania ruchami człowieka w świetle Teorii Bernsztejna
-
– 63 –
Wacław Petryński
Kody językowe można podzielić na jedno- i dwuklasowe [30]. Kod jednoklasowy składa się jedynie
ze znaków (fonetyka) i odpowiadających im przedmiotów, znaczeń czy zjawisk, czyli desygnatów (semantyka). Umożliwia on tylko jednoznaczne przyporządkowanie określonego desygnatu do określonego znaku. Kod dwuklasowy zawiera, oprócz
fonetyki i semantyki, jeszcze składnię (syntaktykę),
czyli reguły łączenia znaków. Składnia umożliwia
tworzenie zdań, będących nie tylko prostą sumą
znaczeń poszczególnych tworzących owe zdania
znaków, ale również dodatkowego znaczenia wynikającego z zastosowania składni.
Wychodząc z tych założeń, wybitny amerykański psycholingwista Noam Chomsky stworzył pojęcia
„kompetencji językowej” i „realizacji językowej”.
Pierwszy z tych terminów oznacza „zdolność dorosłego użytkownika języka do produkowania i rozumienia wypowiedzi w danym języku, określaną też
jako nieświadoma (a w każdym razie nie w pełni
uświadamiana) wiedza językowa” [29]. Natomiast
realizacja językowa – to „konkretne akty mówienia w danym języku, na których wyciskają swe
piętno ograniczenia pamięci i uwagi, powodujące
różne lapsusy językowe, niepełne lub przerwane
wypowiedzi, powtórzenia i niezrozumienia” [29].
Chomsky opracował też teorię gramatyki genera-
tywno-transformacyjnej, opisującą kompetencję
językową człowieka w jej wyidealizowanej postaci.
Składnik syntaktyczny tej gramatyki nie pozwala
tworzyć zdań bezsensownych, składnik semantyczny zaś eliminuje zdania wieloznaczne lub nie akceptowane z punktu widzenia kontekstu [31].
Już na pierwszy rzut oka widać wyraźne podobieństwa między psycholingwistyką a nauką o sterowaniu ruchami. Również w tej dziedzinie można
by mówić o „kompetencji ruchowej” (tu niezwykle
ważne jest tworzenie ruchów w stanie nieświadomości lub niepełnej świadomości) oraz „realizacji
ruchowej”, natomiast czuciowo-ruchowym odpowiednikiem gramatyki generatywno-transformacyjnej jest zręczność, umożliwiająca sprawne rozwiązanie określonego zadania ruchowego.
U niżej rozwiniętych zwierząt, u których najwyższym poziomem sterowania jest poziom C, do
„komunikacji” między poszczególnymi poziomami
musi być wykorzystywany kod czuciowy; zwierzęta
te nie są bowiem zdolne do myślenia abstrakcyjnego
i odwzorowywania rzeczywistości w kodzie symbolicznym. Na poziomie sterowania B jest to zapewne
kod jednoklasowy, złożony z pojedynczych par odczucie zmysłowe-ruch. Na poziomie C musi to być
jednak jakiś kod dwuklasowy, tworzący łańcuchy
takich par, umożliwiające rozwiązywanie złożonych
zadań czuciowo-ruchowych bez korzystania z odwzorowań symbolicznych. By np. ptaki, niezdolne
– podkreślmy – do myślenia abstrakcyjnego mogły
prowadzić swoistą nawigację powietrzną, łańcuchy
ich czynności ruchowych muszą odpowiadać jakimś
celowym wzorcom – łańcuchom odczuć czuciowo-ruchowych. Taki łańcuch przyporządkowań czucie
(bodziec) – ruch można utożsamić z ośrodkowym
generatorem wzorców (central pattern generator1).
Co więcej, ptaki przynajmniej w pewnym stopniu
muszą być zdolne do odróżniania bodźców istotnych od szumu informacyjnego, by osiągać swoje
cele mimo oddziaływania czynników zaburzających. Bodźce uruchamiające takie „łańcuchowe”
czynności noszą nazwę „wyzwalaczy” (releasers)
[29]. Argumentem na rzecz istnienia takich łańcuchowych wzorców czuciowych jest słynne doświadczenie Konrada Lorenza i jego teoria reakcji piętna
(imprinting) [29].
U człowieka, zdolnego do myślenia z wykorzystaniem symboli abstrakcyjnych, mamy do czynienia z bardziej złożonym problemem. Na poziomach
D i E operuje on jedynie kodem symbolicznym,
1
W takim ujęciu pojawia się kolejne wyraźne kryterium rozróżnienia ośrodkowego generatora wzorców (central pattern
generator) od uogólnionego programu ruchowego (generalized motor program); pierwszy opisany jest kodem czuciowym, drugi
– kodem symbolicznym.
-
-
-
-
wyspecjalizowane obszary mózgu – pole Broki
i pole Wernickego – nie leżące ani na szlaku pozapiramidowym, ani piramidowym, ale wydaje się, że
analizując problem kodowania ruchów i czynności
ruchowych człowieka warto sięgnąć do osiągnięć
psycholingwistyki. Nauka ta zajmuje się badaniem
metodami psychologicznymi przydatności logicznych i lingwistycznych modeli języka, czyli sprawdzenie, czy ludzie używając języka posługują się
– świadomie lub nie – regułami odkrytymi przez lingwistów. Możliwość prowadzenia instruktażu słownego w nauczaniu czynności ruchowych świadczy
zaś o tym, że u człowieka istnieje proste przełożenie
kodu czuciowo-ruchowego na kod symboliczno-językowy. Dwie podstawowe funkcje języka, to [29]:
– reprezentacyjna (zwana też opisową, symboliczną, ideacyjną, referencyjną lub odniesieniową), polegająca na odnoszeniu się do rzeczywistości pozajęzykowej,
– komunikacyjna (zwana też socjalną lub interpersonalną), umożliwiająca porozumiewanie
się.
-
– 64 –
Współczesne modele sterowania ruchami człowieka w świetle Teorii Bernsztejna
Tabela 2. Kodowanie na poszczególnych poziomach sterowania ruchami.
Kod
Odwzorowanie
sterujące
Operacje
na odwzorowaniach
sterujących
Teoria
sterowania
Klasa czynności
ruchowych
A
Czuciowy
dwustanowy
(jest-nie ma)
Nie ma
Nie ma
Nie ma
Napięcie
mięśniowe
B
Czuciowy
jednoklasowy
Ośrodkowy generator
wzorców
Tworzenie i operowanie
odwzorowaniami
czucie-ruch
Ekologiczna Gibsona
Synergie
czucioworuchowe
C
Czuciowy
dwuklasowy
Program czuciowy
Przetwarzanie
odwzorowań czucieruch
Model odwrotny,
hipoteza punktu
równowagi
Nawyki czucioworuchowe
D
Symboliczny
Uogólniony program
symboliczny złożony z
wyobrażeń ruchu
Operowanie programami
symbolicznymi
Modele
cybernetyczne”:
Bernsztejna,
Czchaidze,
Adamsa, Schmidta,
prosty itp.
Złożone czynności
czucioworuchowe
E
Symboliczny
Nie ma
Tworzenie i przetwarzanie programów symbolicznych
Nie ma
Nie ma
natomiast na poziomach A, B i C – czuciowym.
W strefie przejściowej między poziomami C i D musi
zatem dokonywać się przekład z kodu czuciowego
na symboliczny i przeciwnie. Zasady kodowania na
poszczególnych poziomach sterowania przedstawia
tabela 2.
Problem przekładu kodu symbolicznego na czuciowy i przeciwnie stanowi w istocie główny temat
wspomnianej już wybitnej pracy Wolperta i Kawato
[24], opisującej teorię modelu prostego (planującego) i modelu odwrotnego (sterującego). Zdaniem
tych autorów, „na przykład dynamiczny model
prosty ramienia pozwala przewidzieć następny stan
(np. położenie i prędkość) przy stanie istniejącym
i danej podniecie ruchowej”. Natomiast „model
odwrotny przekształca system dostarczając podniety ruchowej, która spowoduje pożądaną zmianę w stanie (otoczenia)” [24]. Innymi słowy, model
prosty przekształca program wyrażony w kodzie
symbolicznym na oczekiwania czuciowe, natomiast
model odwrotny odwzorowuje poprawki czuciowe:
zarówno danymi wejściowymi, jak i wyjściowymi są
w jego przypadku informacje czuciowe. W ujęciu
współczesnej nauki o sterowaniu ruchami człowieka model odwrotny Jordana i Rumelharta oraz
rozwijaną przez Feldmana, Levin i Latasha hipotezę punktu równowagi można by zatem przyrównać
do gramatyki generatywno-transformacyjnej „kodu
czuciowego” [29, 31, 20]. Problem odwzorowania
otoczenia przez owady w kategoriach czucia podejmuje też np. praca Webb [9] (Bernsztejn nie
zajmował się tym problemem, gdyż uważał, że pod
względem rozwoju zdolności czuciowo-ruchowych
stawonogi zabrnęły w ślepą uliczkę [1]).
Należy podkreślić, że hipotetyczna zasada, iż
najwyższy u danej istoty poziom sterowania X nie
steruje samodzielnie ruchami, lecz jest jedynie „zleceniodawcą” dla poziomu niższego X-1 (będąca
podstawą modelu „dachówkowego”), powinna
również dotyczyć odwzorowań sterujących. Na
przykład ośrodkowy generator wzorców steruje
wprawdzie ruchami na poziomie B, ale stanowi już
składnik struktur sterujących ruchami poziomu C.
Na poziomie E nie ma zaś żadnego odwzorowania
sterującego, gdyż nie „nadzoruje” on bezpośrednio wykonywania jakichkolwiek ruchów. W ujęciu
„warstwowym”, czyli statycznym opisie układu poziomów sterowania ruchami, uzasadnione wydaje
się twierdzenie Bernsztejna, że:
„Nie będziemy zastanawiać się w niniejszej
książce (O łowkosti i jejo razwitii – przyp. tłum.) na
modelach obejmujących istnienie w naszym mózgu
jeszcze co najmniej jednego korowego poziomu (E),
leżącego jeszcze wyżej (od poziomu C – przyp. tłum.)
i wydającego się prawdziwym głównym poziomem
dla czynności porozumiewania się ludzi, gdyż nie ma
on bezpośredniego związku z podstawowym przedmiotem naszych rozważań – zręcznością [1].”
-
-
-
-
Poziom
sterowania
-
– 65 –
Wacław Petryński
Jednakże w ujęciu „dachówkowym”, będącym
dynamicznym opisem rozwoju poziomów sterowania, twierdzenia tego nie można już przyjąć bez
zastrzeżeń. Ponadto sformułowanie „co najmniej
jednego poziomu korowego (E)” może stanowić
pewne uzasadnienie proponowanego w niniejszej
pracy podziału tego poziomu na dwa podpoziomy:
E1 i E2.
Z tabeli 2 wynika jeszcze jeden wniosek. Otóż zadaniem poziomów A, B i C jest głównie sterowanie
ruchami, do czego niezbędne jest wykorzystanie
kodu czuciowego. Natomiast na poziomach D i E
następuje głównie planowanie złożonych czynności czuciowo-ruchowych i przetwarzanie ich
programów, do czego niezbędne jest wykorzystanie abstrakcyjnych odwzorowań ruchu – symboli
- oraz postrzeganie czasu jako czynnika porządkującego kolejność zdarzeń [4].
chowej (sterowanie ruchami), jak i trwałego
kształtowania wzorców czuciowo-ruchowych (uczenie się ruchów), czyli opracowanie ogólnego modelu sterowania ruchami,
b) opis sposobu kodowania i odkodowywania
informacji, a także przekładu wzorców czuciowo-ruchowych na językowo-symboliczne
i przeciwnie w ośrodkowym układzie nerwowym człowieka, czyli odkrycie zasady działania spoiwa łączącego poszczególne procesy
w modelu sterowania ruchami.
4. Trudność zbudowania jednego, uniwersalnego
modelu sterowania czynnościami czuciowo-ruchowymi przez człowieka wynika stąd, że musiałby on odwzorowywać zarówno różne uwarunkowania neurofizjologiczne poszczególnych
grup ruchów, jak i różne sposoby kodowania
– symboliczny i czuciowy.
Wnioski
Na zakończenie uwaga bardziej ogólnej natury.
Na początku XX wieku panowało przekonanie, że
rozwiązanie określonych problemów (sformułował
je wybitny niemiecki uczony David Hilbert) uczyni
z matematyki naukę zupełną i zamkniętą. Pewną
próbę dokonania tego podjęli Alfred Whitehead
i Bertrand Russell. Jednakże w 1931 roku Kurt
Gödel sformułował twierdzenie o niezupełności
teorii matematycznych. Głosi ono, że jeżeli jakąś teorię można opisać podstawową arytmetyką, to musi
pojawić się w niej zdanie, którego na podstawie
przesłanek tworzących podstawę tej teorii nie da
się ani udowodnić, ani obalić. Innymi słowy, logika
nie jest w pełni niezawodnym narzędziem opisu rzeczywistości. Z drugiej jednak strony rzeczywistość
jest zbyt skomplikowana, by móc ją ogarnąć w całej
jej złożoności. By zatem choć w części ją zrozumieć,
musimy – również w nauce – budować jej uproszczone odwzorowania, czyli modele [7, 32]. Te ogólne prawidłowości należy uwzględniać przy ocenie,
krytyce i – zwłaszcza – przy odrzucaniu wszelkich
modeli sterowania ruchami człowieka i zwierząt.
Na podstawie przedstawionych analiz można
sformułować następujące wnioski:
1. Teoria poziomów sterowania Bernsztejna, oparta na podstawach biologicznych, jest lepiej „uporządkowana” i bardziej klarowna niż współczesne, bardziej zmatematyzowane teorie sterowania czynnościami czuciowo-ruchowymi. W nauce o ruchach matematyka może wprawdzie
stanowić wartościowe narzędzie pomocnicze,
nie może jednak samoczynnie uporządkować
wiedzy w tej dziedzinie.
2. We współczesnej nauce o sterowaniu ruchami
człowieka teoria Bernsztejna jest wykorzystywana w zbyt małym stopniu.
3. Dwa podstawowe zadania współczesnej nauki
o sterowaniu ruchami człowieka, to:
a) opis sposobu redukcji stopni swobody (nakładania więzów) w czynnościach czuciowo-ruchowych człowieka, zarówno w perspektywie pojedynczej czynności czuciowo-ru-
PIŚMIENNICTWO • LITERATURE
[2]
-
-
[1]
-
[3]
[4]
[6]
[7]
[8]
-
[5]
Bernsztejn NA: O łowkosti i jejo razwitii, Moskwa,
Fizkultura i Sport, 1991.
Ljach, WI, Czajkowski Z: Znaczenie badań i poglądów
Mikołaja Bernsteina w nauce o działalności ruchowej
człowieka. Rocznik Naukowy, Gdańsk, AWF, 2001, X.
Słownik Języka Polskiego. Warszawa, PWN, 1989.
Petryński W: Nikołaj Aleksandrowicz Bernsztejn.
O zręczności i jej rozwoju. (w druku).
Petryński W: Refleksje znad klawiatury. VI Konferencja
-
– 66 –
Translatoryczna „Rodzaje tłumaczenia”. Częstochowa,
Wyższa Szkoła Języków Obcych i Ekonomii, Instytut
Tłumaczy Tekstów i Konferencji, 2001.
Morecki A, Ekiel J, Fidelus K: Bionika ruchu, Warszawa,
PWN, 1971.
Góralski A: Twórcze rozwiązywanie zadań. Warszawa,
PWN, 1989.
Gibson JJ: The Ecological Approach to Visual Perception. Boston, Houghton Mifflin, 1979.
Współczesne modele sterowania ruchami człowieka w świetle Teorii Bernsztejna
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
[28]
[29]
[30]
[31]
[32]
[33]
[34]
-
-
-
-
[21]
Webb B: Neural mechanisms for prediction: do insects
have forward models? Trends in Neurosciences, 2004;
27.
Jordan, MI, Rumelhart DE: Forward models: Supervised learning with a distal teacher. Cognitive Science,
1992, 16.
Bernsztejn NA: Niekotoryje nazrewajuszczije problemy
regulacji dwigatielnych aktow, Woprosy Psichołogii,
Moskwa, 1957; 6.
Czchaidze LW: Koordynacja ruchów dowolnych
i powstanie nawyków ruchowych człowieka w świetle
ogólnych zasad sterowania i układów sterowanych,.
Wychowanie Fizyczne i Sport, 1962; 2.
Schmidt RA: Motor Learning & Performance. Champaign, Illinois, Human Kinetics Books, 1991.
Schmidt RA, Wrisberg CA: Motor Learning and
Performance. Illinois, Champaign, Human Kinetics,
2004.
Osiński W: Antropomotoryka, Poznań, AWF, 2003.
Czabański B: Optymalizacja uczenia się i nauczania
czynności sportowych, Wrocław, AWF, 1986.
Konczak J: Neurophysiologische Grundlagen der
Motorik; w Mechling H, Munzert J (red.): Handbuch
Bewegungswissenschaft-Bewegungslehre. Schorndorf, Hofmann, 2003.
Gracz J, Sankowski T: Psychologia sportu, Poznań,
AWF, 2000.
Latash ML: Control of human movement, Champaign,
Illinois, Human Kinetics, 1993.
Latash ML: Equilibrium-Point Hypothesis and Internal
Inverse Models; w Raczek J, Waśkiewicz Z, Juras G
(red.): Current research in motor control. Katowice,
AWF, 2000.
Schmidt RA: Motor Control and Learning. A Behavioral
-
– 67 –
Emphasis. Champaign, Illinois, Human Kinetics Publishers Inc., 1988.
Abernethy B, Sparrow WA: The Rise and Fall of Dominant
Paradigms in Motor Behaviour Research; in: Summers
JJ (Ed.): Approaches to the Study of Motor Control and
Learning, Elsevier Science Publishers B.B., 1992.
Hossner E-J, Künzell S: Motorisches Lernen; w: Mechling H, Munzert J. (red.): Handbuch Bewegungswissenschaft-Bewegungslehre, Schorndorf, Hofmann,
2003.
Wolpert DM, Kawato M: Multiple paired forward and
inverse models for motor control. Neural Networks,
1998; 11.
Casti JL, DePauli W: Gödel – życie i logika, Warszawa,
CiS, 2003.
Russell B: Mądrość Zachodu, Warszawa, „Penta”,
1994.
Holst E von, Mittelstaedt H: Das Reafferenzprinzip.
Die Naturwissenschaften, 1950, 37.
Sperry RW: Neural basis of the spontaneous optokinetic
response produced by visual inversion. Journal of Comparative and Physiological Psychology, 1950, 43.
Kurcz I: Pamięć, uczenie się, język. Warszawa, PWN,
1995.
Bühler K: Sprachtheorie, Jena, Fischer, 1934.
Lyons J: Chomsky. Warszawa, Prószyński i S-ka,
1998
Petryński W: Internal movement models – do they
exist or not? (w druku).
Czajkowski Z: O dziwnych losach ludzi i książek oraz
pośmiertnym zwycięstwie Bernsteina. Sport Wyczynowy, 1992, 3-4.
Meinel K, Schnabel G: Bewegungslehre. Berlin, Volk
und Wissen, 1977.