SYSTEM STEROWANIA CZŁOWIEKA
Działanie organizmu polega na realizacji pewnych jego reakcji takich jak:
W wyniku podjętej przez układ asosjacyjny systemu nerwowego decyzji może nastąpić efekt ruchu. Zaplanowanie ruchu jest zagadnieniem złożonym, powinno obejmować :
Ośrodkowy system nerwowy powstał i rozwinął się jako system sterowania ruchem. Proprioceptory wysyłają do niego informacje o stanie układu kostno- stawowo- mięśniowego oraz ruchu całego ciała. Przekazywane informacje dot. napięcia mięśni i ścięgien, ich stopnia rozciągnięcia oraz ucisku wywieranego na powierzchnie stawowe. W warunkach fizjologicznych, informacja leżąca poniżej progu świadomości nie jest odbierana z proprioceptorów. Receptory te znajdują się:
Ruch ciała zarówno liniowy jak i obrotowy jest odbierany poprzez receptory znajdujące się w narządzie równowagi, w uchu wewnętrznym. Narządem wykonawczym ruchu są mięśnie i układ kostny. Mięśnie stanowią 45% wagi ciała. Cechą charakterystyczną mięśnia jest jednostronne działanie to znaczy rozwija on siłę i może wykonać pracę wyłącznie kurcząc się (nie potrafi "pchać"). Każdy najprostszy ruch, każdy staw musi być obsługiwany przez co najmniej dwa mięśnie działające antagonistyczne: to znaczy przez zginanie i prostowanie. Niezawodność jego rośnie wraz z ilością mięśni obsługujących staw niezależnie od siebie (zranienie osłabia i zmniejsza jego precyzję, ale nie wyłącza go z ruchu).
Wyróżnić można następujące przypadki:
Mięśnie mają zdolność napędową układu kinematycznego jakim jest szkielet (~ 200 kości połączonych stawami, o około 300 stopniach swobody).
Praca mięśnia polega na jego skurczu. Rozróżnia się 3 rodzaje skurczów:
W warunkach prawidłowych funkcjonowania organizmu człowieka pojedyncze skurcze mięśni szkieletowych prawie nie występują. Ruchy kończyn i całego ciała są spowodowane przede wszystkim skurczami typu 3. Mięsień nie rozciągnięty kurczy się z małą siłą. Maksymalna siła skurczu występuje przy optymalnym jego rozciągnięciu. Dalsze rozciąganie mięśnia powoduje stopniowy spadek siły skurczu. W skurczu maksymalnym biorą u-dział wszystkie komórki mięśniowe. Im mniejsza siła skurczu, tym większa redukcja czynnych komórek. Energia do wykonania skurczu czerpana jest z procesu spalania składników odżywczych (metabolizm wysiłkowy). Źródłem napędu wykonanego skurczu jest impuls nerwowy. Za żądaną wartość tego skurczu odpowiada system sterowania. Sterowanie ruchami polega na nadążnym porównywaniu wartości wypracowanej z wartością pożądaną. Mięśnie, które biorą udział w ruchu pobudzone są przez system nerwowy ze stałym dopasowywaniem się do zaistniałej sytuacji. Każdy mięsień sterowany jest przez wiele komórek nerwowych. Fragmenty sterowane przez określoną pojedynczą komórkę działają wspólnie i tworzą jednostki motoryczne (rys. 14.1.). Stanowią ją: komórka nerwowa i wszystkie komórki mięśniowe połączone z nią wypustkami.
Rys. 14.1. Jednostka motoryczna systemu sterowania mięśniami
Wartość siły, jaką rozwija jednostka motoryczna zależy od:
Bezwzględna siła mięśnia u człowieka wynosi 4 kG /m.
System nerwowy w sposób ciągły kontroluje efekt pracy mięśni, stale dostosowując go do stawianych wymagań, zapewniając sprawność i precyzję ruchu, niezależne od warunków zewnętrznych. Stale wysyłane są impulsy nerwowe do mięśni szkieletowych. Nawet mięśnie nie pracujące wykazują napięcie mięśniowe, dzięki samoregulacji i regulacji przez nadrzędne ośrodki ruchowe. System sterowania ruchem ma budowę hierarchiczną (rys. 14.2.). Na każdym piętrze tego systemu rozwiązuje on zadanie kompleksowej regulacji złożonego, wieloelementowego układu.
Rys. 14.2. Hierarchiczny przebieg informacji w procesie sterowania ruchem człowieka
Mięsień, jako układ wykonawczy, podporządkowany jest bezpośrednio najniższemu piętru hierarchicznego sterowania jakim jest motoneuron:
Skurcz izotoniczny zmniejsza pobudliwość receptorów w trakcie swego trwania, efektem czego jest spadek napięcia mięśnia. Skurcz izometryczny nie zmniejsza pobudliwości receptorów, zatem napięcie mięśniowe się utrzymuje.
W narządzie ruchu występują dwa typy sterowania:
Rys. 14.3. Sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym
Sprzężeniem zwrotne zapewnia wszystkim mięśniom szkieletowym odpowiednie napięcie, dopasowane do pozycji całego ciała oraz ustawienia kończyn i głowy w stosunku do tułowia. System sterowania otwartego stosuje się dla ruchów nieskomplikowanych. Występuje tu prosta zależność między sygnałem sterującym a jego skutkiem w postaci działania sterowanego obiektu. W sprzężonym systemie sterowania przyczyną jest również sygnał sterujący pochodzący od komórki a, a skutkiem - siła rozwijana przez mięsień lub ruch wykonany przez kończynę, sterowanie zachodzi jednak przy angażowaniu mózgu. Zewnętrzne sprzężenie zwrotne realizowane jest głównie przez zmysł wzroku. Występuje wówczas porównywanie efektu działania z zamierzeniami. Wymaga to:
Istnieje także możliwość zastosowania sprzężenia zwrotnego z wyłączeniem świadomości (rys. 14.4.).
Rys. 14.4. Schemat blokowy układu sterowania narządem ruchu człowieka
Rozwiązywane to jest poprzez tak zwane "pętle g". Jej zastosowanie pozwala na kurczenie się komórki mięśniowej przy równoczesnej kontroli tego skurczu i naprężenia całego wrzeciona w wyniku informacji dostarczanej z dodatkowych receptorów. Jest to system mierzący różnicę między pożądanym a rzeczywistym skróceniem mięśnia. Jak długo występuje ta różnica, tak długo będzie trwał przepływ impulsów z receptora do rdzenia i z powrotem i tym silniejszy sygnał będzie przesyłany. Proces sterowania komplikują jednak zmieniające się podczas ruchu zależności pomiędzy momentami sił, pochodzącymi od poszczególnych stawów. Rolę regulacyjną pełnią wówczas tzw. neurony Renshawa, które zwiększają płynność i precyzję ruchów. Dzięki nim osiągana jest praca bardziej stabilna. Wpływają na właściwości dynamiczne układu sterowania mięśnia. Regulacja wzmocnienia może odbywać się w dowolnym momencie; w trakcie ruchu także. Może odbywać się zgodnie z dowolnie wybranymi regułami. W każdym mięśniu we wszystkich ścięgnach występuje ponadto organ ścięgnisty Goldiego. Służy on do blokowania silnym sygnałem hamującym komórki a, by nie nastąpiło uszkodzenie ścięgna lub szkieletu w przypadku rozwijania przez mięsień siły jej zagrażającej (np. przy po-rażeniu prądem elektrycznym). Jest to zatem rodzaj bezpiecznika w postaci naprężenia. Działa on jedynie w warunkach niebezpiecznych (maksymalna granica siły).
W akcie ruchowym można wyróżnić 3 fazy:
Efektem końcowym w odbiorze bodźców jest reakcja efektora. Jego odpowiedzią podstawową jest odruch (refleks). W rozwoju gatunków wykształciły się drogi łączące poszczególne receptory z określonymi efektorami. Można wyróżnić w nich połączenia:
Odruchy wrodzone charakteryzują się dużą zmiennością odpowiedzi na bodźce, w przeciwieństwie do wrodzonych, kiedy odpowiedź na ten sam bodziec jest zawsze taka sama.
Droga jaką przebywa impuls nerwowy od receptora do efektora nosi nazwę łuku odruchowego i składa się z 5 zasadniczych części: receptora, aferentnego (dośrodkowego) oraz eferentnego (odśrodkowego) włókna nerwowe-go, ośrodka nerwowego i efektora. W zależności od:
- minimalne (odruchy), realizowane na najniższych piętrach systemu nerwowo, bez sprzężenia zwrotnego,
- balistyczne o zbyt krótkim czasie trwania (t=0.1 - 0.2 s), by nimi sterować,
- ciągłe, podczas ich trwania występuje proces sterowania (korekcje wprowadzane są na bieżąco).
Od czynności ośrodka nerwowego, czyli skupiska neuronów, zależy, czy odruch wystąpi, jaki będzie jego okres atencji (utajonego pobudzenia), z jaką siłą zostanie pobudzony efektor. W trakcie wykonywania ruchu realizowane są wyższe funkcje mózgu:
- uruchomienie dużej ilości mięśni,
- redukcja uruchomionej ilości i poszukiwanie optymalnego wariantu,
- uzasadnianie zastosowania właściwych mięśni dla danego typu ruchu,
Podczas pracy można wprowadzić następujący podział czynności na ruchy:
Ruchy mogą być wykonywane pod kontrolą wzroku i z jego wykluczeniem (tzw. ślepe, czyli sensomotoryczne). Wszelkie ruchy charakteryzują następujące cechy: szybkość, dokładność, kierunek i siła. Szybkość ruchu, czyli czas reakcji na bodziec (t) oznacza czas jaki upłynie od chwili odebrania bodźca do chwili rozpoczęcia działania. Rozróżnia się reakcje:
Czas reakcji zależny jest od następujących czynników:
Rys. 14.5. Przeciętny czas reakcji prostej na sygnały odbierane przez różne zmysły
Czas potrzebny na wykonanie ruchu pozycyjnego nie jest proporcjonalny do jego zasięgu. Zależy od cech indywidualnych. Większą szybkość, ale mniejszą dokładność osiąga się przy ruchach dłuższych (~ 89 cm). Krótkie ruchy (~18 cm) są wolniejsze, ale dokładniejsze (cześć czasu przypada na wykonanie ruchów wtórnych korygujących). Przy ruchach długich dokładność maleje w sposób ciągły w zakresie kątowym od 120o w prawo i 120 o w lewo. Lepsze wyniki uzyskuje się przy kącie 60 o w prawo, a gorsze przy 60 o w lewo. Większą dokładność uzyskuje się przy ruchach "ślepych", jeżeli są one kierowane centralnie, poniżej poziomu ramion, gorsze - w bok i powyżej poziomu ramion. W ruchach powtarzalnych szybkość jest ważniejsza niż dokładność. Szybkości manipulacji poszczególnymi palcami są różne. Częstość nadawania sygnałów wpływa na sprawność ruchów. Jeżeli czas między bodźcami wynosi t = 0,1 sek., odbiera się je jako jeden sygnał. Na częstość wykonywanych ruchów ma wpływ konstrukcja elementu technicznego i stawiany przez niego opór. Dokładność ruchu ciągłego jest zależna od kierunku. Największa dokładność ruchu osiągana jest w kierunku od lewego dolnego rogu płaszczyzny do prawego górnego i z powrotem. Wykonywanie tych samych ruchów seryjnych może wymagać różnych czasów, w zależności od tego co przed i po nich następuje. Ruchy statyczne są bardziej męczące niż dynamiczne (3-6 razy). Efekt drżenia ręki, który jest reakcją statyczną, zmniejsza np. jej podparcie. Gdy dwa sygnały następują po sobie zbyt szybko, czas reakcji na drugi jest zwykle dłuższy niż na pierwszy.