Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Физиологическая оценка количественных характеристик непроизвольных и произвольных движений рук

ВАК РФ 03.03.01, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Физиологическая оценка количественных характеристик непроизвольных и произвольных движений рук"

005019368

На правах рукописи

ВОЛНУХИНА Людмила Владимировна

ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕПРОИЗВОЛЬНЫХ И ПРОИЗВОЛЬНЫХ ДВИЖЕНИЙ РУК

03.03.01 — физиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

2 5 ДПР 2012

ТВЕРЬ 2012

005019368

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тверской государственный университет» на кафедре биомедицины

Научный руководитель доктор биологических наук, профессор,

заслуженный работник высшей школы РФ Рыжов Анатолий Яковлевич

Официальные оппоненты: Юшкова Ольга Игоревна

доктор медицинских наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории физиологии труда и профилактической эргономики, ФБГУ «НИИ МТ РАМН»

Макаревский Александр Борисович

кандидат биологических наук,

заведующий кафедрой физического воспитания

ФГБОУ ВПО «ТГСХА»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Кемеровский государственный

университет»

Защита состоится « е^г^^Р_ 2012 г. в ЛЬ на заседании

диссертационного совета ДМ 212.263.08 при ФГБОУ ВПО «Тверской государственный университет» по адресу: 170002, г. Тверь, пр. Чайковского, 70/1 лит. Б, ауд._2_^,

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте Тверского государственного университета по адресу: 170000, г. Тверь, ул. Володарского, 44 а.

Автореферат разослан ОіїлАси х.с/ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук, доцент

Н.В. Костюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В условиях технического прогресса по мере автоматизации и компьютеризации производств физический элемент ручного труда сохраняется, но постоянно трансформируется в сенсомоторную работу как форму трудовой деятельности. С точки зрения современной эргономики происходит смена физической тяжести труда на нервную его напряженность, а эрготропного принципа управления движениями на информационный. Поэтому изучение физиологических 'механизмов непроизвольных и произвольных движений рук человека в аспекте своеобразной эволюции произвольности управления приобретает особую актуальность. В частности, непроизвольные ритмические движения дистальных кинематических звеньев конечностей, обозначаемые как физиологический тремор, несмотря на значительный исторический пласт его исследований (JI.B. Латманизова, 1929; J. Marshall, E.G.Walsh, 1956; С. Van Buskirk, R.A. Fink, 1962; B.C. Гурфинкель и соавт., 1965; Г.Я. Саравайский, 1968; Ф.М. Талышев, 1968; А.Я. Рыжов, 1969; В. Comby, M. Bouchoucha, 1992; С. N. Riviere et all, 1998; K.E. Norman et ail, 1999; J. Raethjen et al., 2000; F. Cassim et ail, 2000; M.M. Одинак и соавт., 2003; R.J. Elble, 2003), в настоящее время не имеют унифицированных авторитетных объяснений природы и механизмов данного феномена, если не считать его клинических видоизменений.

Произвольные ритмические движения дистальных звеньев рук, известные как теппинг-тест, широко используются при исследованиях различных форм трудовой деятельности не только для характеристики нервно-мышечного аппарата работающих, но и в качестве показателя состояния их центральной нервной системы (ЦНС) (K.M. Смирнов, 1970; Ю.Т.Шапков и соавт., 1988; D.A. Rosenbaum, 1994; A.B. Курганский, 1996; Е.П.Ильин, 2001; 2003; Е.Ю.Бруннер, 2010). В то же время тепютнговые движения пальцев рук являются в своей основе периодическим процессом, который при соответствующих регистрации и анализе может составить основу лабораторного моделирования сенсомоторной работы с прогностической интерпретацией ее фаз и периодов (A.C. Башкирова, Ж.И. Жижина, 1970; АЛ. Рыжов и соавт., 1994; Н.П. Степаненкова, 1997; В. Староста, 1998; Т.Г. Кремлева, 1999; P.M. Гречишкин и совт., 2005; C.B. Комин, 2005; Е.С. Ашуркова и соавт., 2006).

Таким образом, в произвольных движениях типа теппинг-тест уже обнаруживается определенная аналогия с трудовыми действиями, в которых основная сенсомоторная нагрузка приходится на дистальные звенья верхней конечности. В качестве же экспериментальной модели произвольных движений релевантного характера вполне может быть избран компонент ручного труда, представляющий собой оптимальный объект анализа рабочих движений руки во всех звеньях ее кинематической цепи (С.И. Горшков и соавт., 1970, 1974; К.М.Смирнов и соавт., 1976; Ю.В. Мойкин и соавт., 1992; Э.Ф. Шардакова и соавт., 1999; А.И. Капанджи, 2009).

Цель представляемой работы - дать физиологическую оценку функционирования нервно-мышечного аппарата рук путем количественного анализа непроизвольных и произвольных, в том числе трудовых, движений.

Задачи: 1) исследовать особенности непроизвольных ритмических движений рук по частотным и амплитудным параметрам физиологического тремора пальцев;

2) изучить особенности частотных характеристик произвольных ритмических движений пальцев рук по параметрам графически регистрируемого теппинга;

3) охарактеризовать некоторые стороны центрального управления непроизвольными и произвольными движениями посредством комплексного анализа параметров тремо- и теппингограмм;

4) дать количественную характеристику произвольных рабочих движений кинематических звеньев рук на примере труда швей-мотористок с учетом особенностей их производства;

5) выявить в лабораторном эксперименте количественные особенности непроизвольных и произвольных ритмических движений рук у швей.

Научная новизна

1. Впервые проведены комплексные исследования, уточняющие количественные характеристики и механизмы управления непроизвольной ритмической активностью пальцев рук в определенных частотных диапазонах физиологического тремора.

2. Впервые проведена графическая регистрация произвольных ритмических движений пальцев рук (теппингограмма) с последующим компьютерным анализом ее количественных характеристик. Экспериментальное исследование комплекса тремор-теппинг уточняет представление о центральных механизмах регуляции непроизвольных и произвольных движений пальцев рук.

3. В условиях натурного эксперимента видеохронометрически определено количественное содержание категории тяжести ручного труда швей-мотористок с выявлением физиолого-эргономических особенностей взаимодействия трех кинематических звеньев рук: плечо, предплечье, кисть (пальцы).

4. Выявлены некоторые особенности влияния трудовой деятельности в ручной форме на систему управления непроизвольными (физиологический тремор) и произвольными (теппинг) ритмическими движениями пальцев рук.

Положения, выносимые на защиту

1 Частота физиологического тремора пальцев рук испытуемых, согласно показателям её дисперсности, менее вариабельна, нежели амплитуда, в чем проявляется одна из сторон деятельности двухуровневой (спинальной и стволовой) системы непроизвольного управления поисковой функцией нервно-мышечного аппарата рук.

2. Графическая регистрация и теппингограммы и ее компьютерный анализ (гистографичский, автокорреляционный, хаосогенный) позволяют уточнить форму управления произвольными ритмическими движениями пальцев рук.

3. Между двигательными циклами физиологического тремора (движение вверх-вниз) и теппинга (удар-замах) существует временная разница, косвенно характеризующая корково-подкорковый компонент управления изучаемыми ритмическими движениями пальцев. Время ее находится в обратной линейной зависимости от длительности двигательного цикла тремора и в степенной от двигательного цикла теппинга

4. Трудовые операции швей-мотористок, выполняемые правой (ведущей) рукой в целом базируются на комплексе движений ее кинематических пар в трех условных геометрических плоскостях и по трем осям суставного вращения, причем основная локальная динамическая нагрузка приходится на кисть и пальцы.

5. Замедленный отрезок времени, характеризующий у швей межцикловую разницу тремора и теппинга пальцев рук, а также высокая частота тремора и относительно низкая дисперсность показателей тремора и теппинга пальцев -результат физиолого-эргономической сложности трудовых операций.

Теоретическая и практическая значимость работы

Диссертация вносит определенный вклад в общую теорию физиологии различных видов деятельности, включая физиологию труда, физиологию движений и систем управления. Внесен вклад в теоретические положения учения о физиологическом оптимуме (Н.Е. Введенский, A.A. Ухтомский), об уровневой структуре управления движениями (H.A. Бернштейн) и функциональных системах (П.К. Анохин).

Прикладной аспект диссертации имеет основные направления:

1) методологическое, рекомендующее экспериментальное применение использованных в диссертации методов исследования состояния ЦНС и опорно-двигательного аппарата; 2) учебное, связанное с использованием диссертационных материалов на лекциях и практических занятиях со студентами специальностей «биология», «биоэкология» и «физическая культура»; 3) производственное, предусматривающее практические рекомендации, непосредственно касающиеся оптимизации и оздоровления труда, а также прогноза и коррекции функционального состояния ЦНС и опорно-двигательного аппарата рук рабочих швейного и других подобных производств.

Соответствие диссертации Паспорту научной специальности

Диссертационное исследование соответствует п.8. «Изучение физиологических механизмов адаптации человека к различным географическим, экологическим, трудовым и социальным условиям» паспорта специальности 03.03.01 - «Физиология» (биологические науки).

Апробация работы

Материалы доложены на научных конференциях аспирантов и студентов Тверского Государственного Университета (2005, 2006, 2007), Санкт-Петербургского Государственного Университета (девятая Всероссийская медико-биологическая конференция молодых исследователей, 22 апреля 2006; одиннадцатая Всероссийская медико-биологическая конференция молодых исследователей; 19 апреля 2008г.), на научных семинарах учебно-научной лаборатории медико-биологических проблем человека ТвГУ (2007; 2008; 2009; 2010). Материалы диссертации доложены и вошли в сборник статей Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития физической культуры и спорта», посвященной 35-летию ВЛГАФК, 9-10 ноября 2005 года (Великие луки, 2005), доложены и опубликованы в сборнике I Всероссийской, с международным участием, конференции по управлению движением (Великие Луки, 14-17 марта 2006), во Всероссийском сборнике научных статей (Тверь, 2006), посвященном актуальным проблемам физиологии труда в XXI. Материалы диссертации по проблемам управления двигательной активностью человека в аспекте сенсомоторной работоспособности представлены на XX и XXI съездах физиологического общества им. И.П.Павлова в 2007, 2010 г.г. (Москва, Москва- Калуга), а также вошли в рецензируемый журнал ТвГУ «Биология и экология» 2007- 2011 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, из которых 4 в рецензируемой печати.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, литературы и приложений. Общий объем работы - 139 страниц машинописного текста, включая 31 рисунок, 9 таблиц, 12 схем, 3 приложения, библиографический список, состоящий из 202 наименований.

МЕТОДИКА И ОРГАНИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Организация исследовательской работы предусматривала проведение лабораторного и натурного (на производстве) экспериментов в определенной последовательности: 1) регистрация и количественный анализ непроизвольных ритмических движений пальцев рук (физиологический тремор); 2) регистрация и количественный анализ произвольной ритмической активности пальцев рук (теппинг) в идентичных условиях; 3) регистрация и количественный анализ трудовых движений рук как формы произвольной двигательной деятельности (швейное производство); 4) изучение влияния трудовой деятельности швей-мотористок на количественные показатели непроизвольных и произвольных ритмических движений пальцев рук.

Исследования согласованы с комитетом по биоэтике ТвГУ в плане инструктивной информации испытуемых и их письменного согласия на участие в эксперименте в соответствии с положениями Хельсинкской декларации.

На первом этапе исследований осуществлялась компьютерная регистрация физиологического тремора пальцев правой руки, как пример непроизвольных движений, при помощи специально разработанного электронно-вычислительного комплекса Tremor, представляющего модификацию регистрации, используемых в клинических условиях. Испытуемым, находящимся в положении сидя с фиксированным на специальном устройстве предплечьем и кистью правой руки, предлагалось удерживать пальцы между измерительными обмотками (Ф1 и Ф2). При этом на пальцы надевался специальный наконечник массой 30 г. для усиления вертикальной составляющей тремора.

В аналогичном положении испытуемого регистрировались произвольные ритмические движения пальцев в виде теппингограммы с помощью электронно-вычислительного комплекса Stepper (P.M. Гречишкин, А.Я. Рыжов, Д.И. Игнатьев, А.Б. Залетов, 2005). Поскольку в доступной литературе нами не найдено осциллографических аналогов регистрации теппинга, данная методика нашей лабораторией запатентована в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (Роспатент). Она зарегистрирована как «Устройство для проведения теппинг-теста» под № регистрации «2011120439» и 10.02.2012 г. выдан «Патент на полезную модель» за № 113131.

В обеих сериях практически одинаковым по длине оставался рычаг «пястно-фаланговый сустав - пальцы», что при фиксированной пясти давало возможность идентификации движения тремора и теппинга с четкой регистрацией разницы их временных параметров. Анализ тремо - и теппингограмм, полученных у 13 испытуемых-женщин в возрасте 31 - 51 года (преподаватели университета) осуществлялся автоматически по специально разработанным программам, характеризующим длительно регистрируемые стационарные кривые.

На втором этапе был проведен натурный эксперимент по исследованию движений правой руки у работниц швейного производства наряду с физиолого-эргономическим анализом -согласно «Справочнику по организации труда и производства на швейных предприятиях» (1985). Подсчет количества движений, совершаемых разными звеньями руки осуществлялся посредством видеозаписи на цифровой камере Panasonic NV - GS11 GC-S, № E4SA17627 с синхронным использованием миниатюрного счетчика движений WALK OR RUN SILVA и камерального электрохронометра. Фотографии трудовых операций и положений руки анализировались в сравнении со схемами механики частей тела человека по

6

А.И. Капанджи (2009). Проведен компьютерный расчет движений в переводе на 8-часовой рабочий день, проанализированы рабочие позы швей и определен класс условий труда в соответствии с табличными данными руководства Р 2.2.2006-05.

По данным 157 работниц швейной фабрики, проведен корреляционный анализ с определением регрессионной зависимости возраста и стажа работы. Затем была сформирована экспериментальная выборка из 55 практически здоровых на момент исследований работниц швейной фабрики, которые участвовали в анкетном опросе по самооценке состояния работающих рук с учетом общей усталости по 5 пунктам содержащим жалобы по локализации болевых ощущений: 1) шейный отдел позвоночника; 2) грудной отдел; 3) поясничный отдел; 4) наличие боли в руках; 5) усталость и оценка качества сна.

На третьем этапе исследований проведены тремо- и теппингография пальцев правой руки у 12 швей-мотористок 35 - 52 лет в лабораторных условиях. В качестве контроля использованы данные идентичных исследований женщин-преподавателей вуза - участников первого этапа эксперимента.

Математическая обработка результатов исследований проведена на основе «пакета прикладных программ» - STATISTICA 6.0., MS Excel 2003 с применением вариационного, автокорреляционного, регрессионного и дисперсионного аналитических методов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В соответствии с первой задачей работы на основании компьютерной регистрации и математического анализа движений, представляющих собой периодические колебания, получены индивидуальные и среднегрупповые значения физиологического тремора (табл.1, 2, рис.1,), соответствующие по ряду временных и пространственных параметров литературным данным (М. Hallett, 1998; P.E. O'Suilleabhain, J.Y. Matsumoto, 1998; J.H. McAuley, C.D. Marsden, 2000). В частности, показано, что в генезе физиологического тремора пальцев рук женщин 31-51 года существенную роль играет 7-11-герцевый компонент, при естественном наличии определенной части экстремальных частот.

Физиологический тремор, как сложный колебательный процесс подчиняется природным закономерностям, не всегда соответствующим константным колебаниям физических периодических процессов, базирующихся, в основном, на обратной зависимости частотной и амплитудной составляющих. При анализе частоты и амплитуды физиологического тремора обнаружена общая тенденция скорее к положительной их корреляции, что на наш взгляд, объясняется особенностями физиологических механизмов поисковой функции нервно-мышечного аппарата руки с различием во времени синаптических задержек, апериодичности и асинхронности движений в полисинаптических рефлекторных дугах и кольцах. По кластерному же составу испытуемых просматриваются индивидуальные тенденции к отрицательной корреляции временных и амплитудных параметров физиологического тремора пальцев, вероятно, в соответствии с локальными акцепторными функциями (П.К. Анохин, 1970).

Таблица 1

Количественная характеристика частотных параметров _физиологического тремора (N=13)

а» Временные показатели частоты тремора

Статистичес параметрі Частота тремора (дв/с) Время двигательного цикла (С) ГІ (О.Е) Мо (с) Амо (%) Показатель Харста (О.Е) Показатель фрактальной размерности (O.E.)

X 9,096 0,115 0,123 0,100 35,617 0,655 1,345

±ш 0,613 0,007 0,043 0,010 2,610 0,018 0,043

±Si 2,211 0,026 0,154 0,035 9,411 0,065 0,155

D 4,889 0,001 0,024 0,001 88,569 0,004 0,024

Таблица 2

Количественная характеристика амплитудных параметров физиологического тремора (N=13)

Статистические параметры Амплитуда тремора (мкм) rl (О-Е) Мо (мкм) Амо (%) Показатель Харста (О.Е) Показатель фрактальной размерности (O.E.)

X 1516,502 0,418 1073,538 32,062 0,850 1,150

±т 220,211 0,059 157,590 2,235 0,020 0,063

±Si 793,980 0,212 568,197 8,059 0,072 0,226

D 630404,846 0,045 322848,103 64,949 0,005 0,051

Физиологический тремор, как результат действия функциональных систем кольцевого управления, обладает определенной персистентностью и, по мнению В. Л. Голубева и Р. К. Магомедовой (2006), спонтанностью трендовых флуктуаций энергетического и информационного «материала» последующего ритмогенеза. Амплитуда физиологического тремора у наших испытуемых более вариабельна, нежели частота, судя по коэффициентам как индивидуальной, так и совокупной вариативности. Объяснением данного явления, по всей вероятности, может служить то, что непроизвольные периодические движения пальцев руки в большей мере ориентированы на пространственный поиск (амплитуда) при относительно устойчивой временной составляющей его периодики (частота). Вполне вероятно, что относительная стационарность частотных характеристик физиологического тремора пальцев имеет в своей регуляторной основе физиологический механизм спинального уровня, как филогенетически древний ритмический рефлекс. Хаосогенность и дисперсность физиологического тремора, вероятнее всего, характеризуют более лабильную поисковую функцию, управляемую, как на уровне спинного мозга так и супраспинально.

Низкочастотные волны (0,2-0,3 Гц), модулирующие несущую частоту 7-11 Гц, могут быть производными мозжечка, корригирующего положение пальцев руки. Не исключено, также влияние на них тормозно-возбудительных процессов дыхательного центра, а на менее низкочастотные колебания (1-5 Гц) - центров регуляции ритма сердца, с возможностью механического воздействия респираторных и пульсовых движений (рис.2). В низкочастотных же колебаниях тремора, может проявляться и произвольный компонент управления данной функцией с соответствующими акцепторами результата действия.

Мо=0,158 с Амо=26,891% Аз=0,663 О.Е. ЕБ=0,797 О.Е.

Мо=1234 мкм Ато=26,050% Аз=0,675 О.Е. Ех=-0,148

1000 2000 3000 4000

В

1

0.5 -0

-0,5 -1

О.Е

г1=0,009, Р>0,05 п=60 п/го=3

0 20 40 60

0,5 -0

-0,5

Е.

г1=0,111, Р>0,05 п=60 п/го=6

20 40 430

Д Е

Рис.1. Пример регистрации частотной, по времени двигательного цикла, (А) и амплитудной (Б) интервалограмм физиологического тремора пальцев руки, полигона распределения частот (В) и амплитуд (Г), а также их автокорреляционные функции (Д, Е) испытуемой К., 50 лет

Согласно второй задаче диссертации были изучены особенности частотных характеристик произвольных ритмических движений пальцев рук по параметрам графической регистрации теппинга. Характер ритмических процессов по форме интервалограмм, полигонов распределения и графиков автокорреляционных функций теппинга создает представление о сенсомоторной работоспособности и ее периодизации у человека (рис. 3, табл. 3).

Простое движение пальцами кисти типа учащенного постукивания или нажимов в зависимости от двигательных задач несет различную смысловую

нагрузку и управляется мозговыми структурами разных уровней. Управление движениями типа теппинга также имеет поисковый характер, поскольку аналогично тремору представляет собой вариант открытой системы, построенной

3000 2500 2000 -1500 1000 500 0

Рис. 2. Волновая структура физиологического тремора пальцев руки, испытуемой Ш., 48 лет. Абсцисса — время регистрации тремора, ордината - амплитуда физиологического тремора.

1 - высокочастотная волна (8 Гц),

2 - низкочастотная волна (0,94 Гц), мс 3 - среднечастотная волна (1,88 Гц).

500

1000

1500

Мо=0,151 с Ато=36,134 % А5=1,414 О.Е.

0,3

В

Рис. 3. Пример регистрации частотной интревалограммы теппинга по длительности двигательных циклов (А), полигона распределения интервалов (Б) и автокорреляционной функции (В) испытуемой X., 38 лет

Таблица 3

Количественная характеристика частотных показателей произвольной ритмической активности (теппинг) дистальных звеньев рук (N=13)

Статистическ ие параметры Частота теппинга (дв/с) Время двигательного цикла (С) ГІ (О.Е.) Мо (с) Амо (%) Показатель Харста (О.Е.) Показатель фрактальной размерности (О.Е.)

X 6,028 0,170 0,269 0,169 32,773 0,822 1,178

±ш 0,329 0,007 0,077 0,010 2,229 0,024 0,053

±8і 1,185 0,026 0,278 0,037 8,038 0,087 0,190

Б 1,404 0,001 0,078 0,001 64,614 0,008 0,036

на базе усложненной проприоцептивной сервопетли, с выраженным элементом произвольности и акцепторными функциями (H.A. Бернпггейн, 1947; М.А. Айзерман, Е.А. Андреева, 1987; П.К. Анохин, 1978; H.A. Рокотова и соавт., 1980).

Полагаем, что подобный сервомеханизм, как система, со вспомогательными регулирующими устройствами по сигналам управления, помимо проприоцепторной обратной связи, включает элементы зрительной осязательной и слуховой рецепции (А.Я. Рыжов, 1999; P.M. Гречишкин и др., 2005; Е.С. Ашуркова и др., 2006). Здесь имеют место привнесенные корковые механизмы прогноза и коррекции, поскольку испытуемым приходится «держать» максимальный или близкий к таковому заданный темп движений.

Данные длительности двигательного цикла теппинга, моды и показателя Харста (0,822±0,053) позволяют заключить, что проба на протяжении регистрации выполняется в мало меняющемся темпе. Это подтверждается на индивидуальном примере испытуемой С., 31 года, время двигательного цикла которой приближено к среднегрупповым значениям. Дифференцировав время регистрации 120 двигательных циклов теппинга на промежутки 1-5 с, 6-10 с, 11-15 с и 16 с и дольше, мы обнаружили, что количество их максимальных значений изменяется в соответствии с периодами сенсомоторной работоспособности: 1) врабатывание (усвоение ритма физиологических процессов); 2) оптимальная работоспособность (стабильно повышенная лабильность регуляторных механизмов); 3) развивающееся утомление, (падение работоспособности

из рис.4.

Рис.4. Изменение длительности двигательного цикла теппинга в зависимости от времени его регистрации в пределах 16 и более секунд у испытуемой С., 31 года

Отрезки времени в диапазонах 1-5 с, 6-10 с — соответствуют периоду врабатывания; 11-15 с, 16 и > с — оптимальной работоспособности переходящей в утомление.

Решение третьей задачи, направлено на оценку вероятностной локализации центров управления обеими формами дистальной активности по величинам разницы во времени двигательных циклов тремора и теппинга. Если учесть наличие уровневой системы управления двигательной деятельностью (H.A. Бернштейн, 1966), то регуляция поисковой функции физиологического тремора осуществляется практически непроизвольно по механизму обратной отрицательной информации с проприоцепторов и соответствующих афферентных нейронов с участием спинно-мозжечковых и, по всей вероятности, интралемнисковых систем с их мозжечковыми входами. Так создается новая программа тремографических колебаний, вероятнее всего, направленных на удержание пальцев руки в определенном положении (в данном случае горизонтально). Дальнейшая эфферентная передача ее результатов к спинальным двигательным центрам осуществляется по вестибуло-, ретикуло- и оливоспинальным путям (регуляция по отклонению и возмущению). Проявление произвольности тремографических колебаний, скорее всего, связано именно с

предплечья и кисти), как следует

0.2

0,175 -

0,15

0,125

1-5 6-1011-15 16 >

удержанием пальцев в горизонтальном положении и проявляется в низкочастотных волнах и турнах всего ритмического процесса.

В случае произвольных ритмических колебаний пальцев рук (теппинг) управление движениями начинается в двигательных центрах коры больших полушарий головного мозга (проекция кисти), где формируется определенная программа действий и функциональная система, достижение полезного результата которой проявляется в стремлении испытуемого к максимальной частоте ритмических движений. Естественно, что в данной ситуации имеют место фазы афферентного синтеза, принятия решения, прогнозирования результата, формирования программы действия. Эфферентная часть данной пирамидной системы, как известно (A.A. Ухтомский, 1942; В.П. Лапицкий, 1991), «по ходу действия» часть своих нисходящих нервных волокон отдает в кору мозжечка, информируя его о сформированной двигательной программе. Основная же часть кортико-спинальных путей проходит, не прерываясь и не образуя возвратных коллатералей, непосредственно к передним рогам спинного мозга. Туда подходят и корригирующие импульсы мозжечка через центры экстрапирамидной системы среднего мозга и вставочные нейроны спинного. В результате конечное эфферентное звено практически готово к выполнению запрограммированных действий, содержащих и элементы их коррекции (регуляция по возмущению и прогнозированию). Действие сложившейся таким образом функциональной системы управления движениями, осуществляется дольше, чем при поисковой функции тремора. Это отчетливо видно по времени межцикловой разницы теппинг-тремор, находящемся в обратной зависимости от длительности двигательного цикла тремора и в прямой или близкой к прямой от двигательного цикла теппинга, приближающегося по физиологическим особенностям и смысловому значению к определенным видам трудовой деятельности.

Следующий этап изучения произвольных движений вытекает из решения четвертой задачи, включающей количественный анализ трудовых операций на примере работы швей-мотористок, естественно, с учетом эргономических и гигиенических особенностей данного производства, в котором основная нагрузка приходится на нервно-мышечную систему рук. В результате вполне вероятно проявление риска профессионально обусловленной патологии (Н.Ю. Тарасенко и др. 1979), что подтверждено и нашими скрининговыми исследованиями. Профессионально обусловленная патология проявляется, в основном, в заболеваниях верхних конечностей с преобладанием миофиброзов разгибателей запястья и пальцев, а также мышц воротниковой зоны, прежде всего трапециевидных, с охватом соответствующих зон иннервации, включая центры добавочного нерва (XI). Это эпикондилит плеча, крепитирующий тендовагинит предплечья, профессиональные миозиты, стенозирующий лигаментит тыльной связки запястья, заболевания периферической нервной системы (невралгии, невриты и полиневриты), болезнь Рейно. Заболевания обычно характеризуются медленным, не злокачественным течением с сохраненной трудоспособностью в течение ряда лет при условии систематического лечения (JI.H. Грацианская, М.А. Элькин, 1984). Результаты анализа самооценки состояния работающих рук у работниц выявляют положительные корреляции возраста швей-мотористок с числом показателей болевых ощущений в грудном отделе позвоночника (г=0>356±0,118; Р<0,01), а также в мышцах и суставах рук (г=0,598±0,087; Р<0,01).

Поскольку данные заболевания вносят определенный негативный вклад в систему управления рабочими движениями, для участия в исследованиях были отобраны работницы, у которых во время эксперимента случаи вышеперечисленных заболеваний нервно-мышечной системы рук не зарегистрировались или находились в стадии полной ремиссии.

После проведения клинического анализа нами в соответствии с официальным руководством (Р 2.2.2006-05) была дана физиолого-эргономическая оценка профессиональной работы швей, по числу стереотипных рабочих движений рук и характеру рабочих поз, что позволило определить их труд как «тяжелый» 2-й степени в градации 3.2. Все трудовые действия кинематических звеньев рук оценены на основе выполнения наиболее характерных трех подробно описанных и просчитанных рабочих операций: притачка резинки к изделию, ликвидация обрыва нити, стачивание деталей изделия. Во время притачки резинки к изделию и стачивания деталей, трудовые движения, осуществляемые правой рукой работницы, выполняются в сагиттальной, фронтальной и горизонтальной плоскостях, основное их назначение - фиксация и направление деталей. Плечевой сустав у швей наиболее длительное время находится в состоянии сгибания и приведения плеча, предплечье - в согнутом положении с неполной супинацией. Значительная локальная динамическая нагрузка приходится на кисть и пальцы правой руки, которые, в основном, осуществляют движения в пронированном положении предплечья, с 0,97±0,03 дв/с (рис. 5).

Рис. 5. Частота движений плеча (1), предплечья (2) и пальцев рук (3) работниц швейного производства при выполнении трудовой операции. Абсцисса — отрезок времени трудовой операции, ордината -условная амплитуда движений (8 см)

1.............. 2 : ......3 ............... 4 ........... 5.......

При изучаемых нами трудовых движениях широкие межанализаторные связи осуществляются с участием ассоциативных зон коры больших полушарий головного мозга работниц. Лобная кора, как своеобразный коллектор конвергирующих к ней многочисленных влияний, функционирует в качестве аппарата регулирования структур мозга и саморегуляции внутримозговых систем (A.C. Батуев, 1991). Ассоциативные мозговые структуры образуют мощный динамический стереотип, отдельные управленческие элементы которого могут действовать на различных морфофункциональных уровнях ЦНС (H.A. Бернштейн, 1966; 1990). Ряд движений при выполнении трудовых операций может производиться по позно-тоническому механизму фиксации и сохранения положения туловища, головы, плечевого пояса и отдельных кинематических звеньев конечности в особом состоянии активности, которому дал исчерпывающее определение A.A. Ухтомский (1942), как «оперативному покою». При этом рабочая поза составляет функциональный фундамент происходящих и последующих движений, особенно если речь идет о трудовых операциях, при которых основой двигательной регуляции является комплексный механизм обратной информации, позволяющий осуществлять полифункциональное управление. В результате обеспечивается способность дистальных звеньев верхних конечностей к

осуществлению быстрых целенаправленных движений, возможных даже без участия спинальной афферентации (В.П. Лапицкий, 1991), что характерно для спортивных, музыкальных и, безусловно, трудовых движений.

Итогом диссертационной работы являлось решение пятой задачи согласно которой количественно охарактеризованы особенности непроизвольных и произвольных движений рук швей как у представителей сенсомоторного труда и контрольных испытуемых (табл. 4; 5; 6). В данной ситуации мы исходили из того, что формирование субординационной системы управления активностью нервно-мышечного аппарата находится под влиянием определенных профессиональных качеств и навыков.

Таблица 4

Количественная характеристика частотных параметров физиологического тремора

пальцев у швей (N=12)

и я * -я Временные показатели частоты тремора

Статистичес параметрі Частота тремора (дв/с) Время двигательного цикла (с) ГІ (О.Е) Мо (с) Амо (%) Показатель Харста (О.Е) Показатель фрактальной размерности (О.Е.)

X 11,073 0,092 0,016 0,067 35,364 0,600 1,400

±т 0,400 0,004 0,085 0,007 2,807 0,019 0,042

1,385 0,013 0,294 0,025 9,724 0,658 0,144

Б 1,919 0,000 0,087 0,001 94,557 0,004 0,021

Таблица 5

Количественная характеристика амплитудных параметров физиологического

тремора пальцев у швей (N=12)

Статистически е параметры Амплитуда тремора (мкм) ГІ (О.Е) Мо (мкм) Амо (%) Показатель Харста (О.Е) Показатель фрактальной размерности (О.Е.)

X 1002,178 0,029 705,500 39,916 0,583 1,417

±т 32,549 0,031 109,319 3,011 0,017 0,040

іБі 112,751 0,106 378,693 10,431 0,059 0,137

О 12712,875 0,011 143408,636 108,814 0,004 0,019

Известно, что временные параметры физиологического тремора пальцев, регулируемые непроизвольно, в основном, на уровне спинного, заднего и среднего мозга, количественно связаны с периодом времени передачи афферентных и эфферентных импульсов в пределах проприоцепторы кисти - продолговатый мозг, где заканчивается афферентный путь Бурдаха. Период информативной импульсации на уровне спинной мозг - задний мозг-таламус-кора больших полушарий целиком занимает время произвольного двигательного цикла теппинга и положительно с ним коррелирует (рис. 6).

Таблица 6

Количественная характеристика частотных показателей произвольной ритмической активности пальцев рук у швей (N=12)

Статистические параметры Частота теппинга (дв/с) Время двигательного цикла (с) ГІ (О.Е) Мо (с) Амо (%) Показатель Харста (О.Е) Показатель фрактальной размерности (О.Е.)

X 5,446 0,184 0,209 0,183 30,577 0,823 1,177

±ш 0,080 0,003 0,050 0,006 3,098 0,020 0,045

0,278 0,009 0,173 0,021 10,733 0,069 0,155

Б 0,077 0,000 0,030 0,000 115,193 0,005 0,024

Выяснено, что у швей, сенсомоторному труду которых свойствен наименее длительный цикл тремора, а время межцикловой разницы теппинг-тремор значительно больше, чем у преподавателей (рис. 7). Увеличение времени разницы между циклами физиологического тремора и теппинга вероятнее всего происходит вследствие возникновения более сложных связей и путей ЦНС, формирующихся соответственно особенностям труда, при котором работа рук швей осуществляется

0,14 -' 0,12 -0,10 -0,08 -0,06 -0,04

г=-0,858, Р<0,01 п=12

у = -1,206Эх+ 0,203

0,06 0,08 0,10 0,12 0,14

0,14 0,12 -0,10 -0,08 -0,06 -0,04 0,16

г=0,730, Р<0,01 п=12 у = 1,3654х- 0,159

0,18

0,20

0,22

А Б

Рис. 6. Корреляция и регрессионная зависимость межцикловой разницы теппинг-тремор от длительности двигательного цикла физиологического тремора (А) и теппинга (Б) у работниц швейного производства (верхняя часть рисунка) и контрольных испытуемых (нижняя)

на базе уже сформированных двигательных программ трудовых операций. Данные швей менее дисперсны, что также обусловлено особенностями трудового процесса, характеризующегося достаточно однообразной нагрузкой на нервно-мышечный аппарат верхних конечностей.

В профилактическом плане следует руководствоваться методическими рекомендациями под ред. Н.Ф. Измерова (2009), направленными на массаж и гимнастику кистей и пальцев рук. Результаты исследований нашей лаборатории (Погодина М. В. 2002, Рыжов А.Я. 2004) позволяют существенно расширить диапазон данных мероприятий, поскольку предусматривают наиболее эффективный массаж шеи и воротниковой зоны, т.е. центров заднего и спинного мозга с выходами из них соответствующих двигательных нервов рук (С1У-СУ1).

Рис. 7. Значение длительности двигательного цикла физиологического тремора (А), теппинга (Б) и времени межцикловой разницы (В) у работниц швейного производства (светлые столбцы) и женщин контрольной группы (заштрихованные)

А Б В

Материалы диссертационной работы открывают перспективы для решения задач очередного этапа научно-исследовательской работы по проблеме изучения конкретных особенностей непроизвольных и произвольных (в том числе трудовых) целенаправленных движений, а также форм управления ими в физиолого-гигиеническом аспекте.

ВЫВОДЫ. 1. Основной частотной характеристикой физиологического тремора пальцев рук обследованных нами женщин является 7-11 дв/с при наличии индивидуальной спорадической экстремальности в виде единичных волн высокой (свыше 20 Гц) и низкой (0,2-1,8 Гц) частоты. Амплитуда тремора испытуемых, согласно показателям её дисперсности, более вариабельна, нежели частота, в чем проявляется одна из сторон деятельности двухуровневой (спинальной и стволовой) системы непроизвольного управления поисковой функцией нервно-мышечного аппарата рук.

2. Произвольные ритмические движения пальцев рук (теппинг) более низкочастотны с менее выраженной дисперсностью (F=3,5; Р<0,05) и фракталь-ностью периодического процесса (Tst=2,4; Р<0,05). Между двигательными циклами теппинга и физиологического тремора существует временная разница, косвенно характеризующая корково-подкорковый компонент управления изучаемыми ритмическими движениями пальцев. Данный отрезок времени (0,06±0,009 с) находится в обратной линейной зависимости от длительности двигательного цикла Тремора (г=-0,594±0,181; Р<0,05) и в степенной - от длительности двигательного цикла теппинга (R2=0,572±0,178; Р<0,05).

3. Количественный анализ произвольных рабочих движений рук швей-мотористок определяет данный труд как «тяжелый» 2-й степени в градации 3.2, согласно официальному Руководству 2.2.2006-05. Это подтверждается результатами самооценки состояния рук работниц, болевыми ощущениями в соответствующих отделах позвоночника, числом специфических заболеваний рук и зарегистрированных жалоб, а также положительными корреляциями с возрастом работниц болевых ощущений в грудном отделе позвоночника (г=0,356±0,118; Р<0,01), а также в мышцах и суставах рук (г=0,598±0,087; Р<0,01).

4. Трудовые операции швей-мотористок, выполняемые правой (ведущей) рукой, представляют собой систему движений в трех условных геометрических плоскостях (сагиттальная, фронтальная и горизонтальная) и по всем трем осям суставного вращения посредством мышц плечевого пояса, плеча, предплечья, кисти, пальцев, иннервируемых шейными центрами спинного мозга через плечевые нервные сплетения. Основная локальная динамическая нагрузка приходится на кисть и пальцы правой руки, трудовые действия которых выполняются с частотой 0,97±0,03 дв/с.

5. У работниц швейного производства разница двигательных циклов теппинга и тремора превышает таковую (Р<0,01) у контрольных испытуемых. Замедление у швей данного отрезка времени, характеризующего управление изучаемых движений высшими отделами ЦНС (кора-подкорка), может быть объяснено физиолого-эргономической сложностью трудовой деятельности. Более высокая частота тремора и относительно низкая дисперсность ритмических движений пальцев рук швей рассматривается нами как результат влияния однообразной и достаточно монотонной трудовой нагрузки.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Медведева Н.Е., Волнухина Л.В. Особенности функциональной моторной асимметрии субъективно праворуких исследуемых при движениях кисти в произвольном и заданном ритме // Материалы научной конференции аспирантов и студентов 28 апреля 2005 г.: Сб. ст. Тверь: Твер.гос. ун-т, 2005. С. 69-70.

2. Комин C.B., Рыжов А.Я., Сурсимова О.Ю., Липатова Ю.П., Волнухина Л.В. Проблема управления ритмическими движениями руки в возрастном аспекте

// Проблемы и перспективы развития физической культуры и спорта: Сб. ст. Всерос. науч.-практ. конф., посвящ. 35-летию ВЛГАФК 9-10 ноября 2005 г. Великие Луки, 2005. С. 294-304.

3. Медведева Н.Е., Волнухина Л.В. Движение рук в произвольном и заданном ритме с учетом моторной асимметрии // Материалы I Всероссийской, с международным участием, конференции по управлению движением 14 - 17 марта 2006г. Великие Луки,, 2006. С. 55-56.

4. Волнухина Л.В. К вопросу о физиологическом треморе руки у мужчин и юношей // Материалы научной конференции студентов и аспирантов апрель 2006г.: Сб. ст. Тверь: Твер.гос. ун-т, 2006. С. 3.

5. Волнухина Л.В. Физиологический тремор как непроизвольная ритмическая активность пальцев рук // Человек и его здоровье: девятая Всероссийская медико-биологическая конференция молодых исследователей; 22 апреля 2006г: Сб.ст. СПб.: СПбГУ, 2006. С. 60-61.

6. Волнухина Л.В., Рыжов А.Я., Комин C.B. Физиологический тремор как проявление непроизвольной ритмической активности пальцев руки // Актуальные проблемы физиологии труда в XXI: Всерос. Сб. науч. ст. Тверь: Твер.гос. ун-т, 2006. С.60-70.

7. Волнухина Л.В., Медведева Н.Е. К вопросу о функциональном состоянии нервно-мышечного аппарата рук у швей трикотажного производства // Материалы научной конференции аспирантов и студентов 28 апреля 2007 г.: Сб. ст. Тверь: Твер.гос. ун-т, 2006. С. 25-28.

8. Медведева Н.Е., Волнухина Л.В. Физиологическая оценка произвольной ритмической активности рук с учетом функциональной асимметрии // Материалы научной конференции аспирантов и студентов 28 апреля 2006 г.: Сб. ст. Тверь: Твер.гос. ун-т, 2007. С. 29-31.

9. Комин C.B., Рыжов А.Я., Тимофеев С.С., Медведева Н.Е., Сурсимова О.Ю., Волнухина Л.В., Ашуркова Е.С. Проблема управления двигательной активностью человека в аспекте сенсомогорной работоспособности // XX съезд физиологического общества им. И.П. Павлова: Тез. док. Калуга: Русский врач, 2007. С. 400.

10. Волухнина Л.В., Рыжов А.Я., Медведева Н.Е. К вопросу о влиянии факторов труда на состояние нервно-мышечного аппарата рук швей трикотажного производства // Вестник ТвГУ. Серия «Биология и экология», 2007. Вып. 5, № 21. С. 44-49.

11. Медведева Н.Е., Волнухина Л.В., Шляпников М.Ф. Физиологическая характеристика ритмических движений пальцев рук с точки зрения функциональной асимметрии // Вестник ТвГУ. Серия «Биология и экология», 2007. Вып.б, № 22. С. 50-54.

12. Волнухина Л.В. К вопросу о влиянии факторов труда на функциональное состояние нервно-мышечного аппарата рук // Человек и его здоровье: одиннадцатая Всероссийская медико-биологическая конференция молодых исследователей; 19 апреля 2008г: Сб.ст. СПб: СПбГУ, 2008. С. 68-69.

13. Рыжов А.Я., Шверина Т.А., Полякова Т.Н., Амбарцумян Л.Г., Волнухина Л.В. Методические рекомендации по некоторым вопросам оздоровления труда преподавателей вуза (Издание второе). Тверь: Твер. гос. ун-т, 2010. 48 с.

14. Комин С.В., Рыжов А .Я., Сурсимова О.Ю, Ашуркова Е.С., Волнухина Л.В., Медведева Н.Е. Изучение непроизвольных и произвольных движений пальцев рук в аспекте сенсомоторной работоспособности // XXI съезд физиологического общества им. И.П.Павлова: Тез. док. Москва-Калуга: БЭСТ -принт, 2010. С. 290-291.

15. Рыжов А.Я., Волнухина Л.В., Медведева Н.Е. Количественная характеристика рабочих движений рук работниц швейного производства // Вестник ТвГУ. Серия «Биология и экология», 2011. Вып. 21, № 2. С. 55-67.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В АВТОРЕФЕРАТЕ O.E. - относительные единицы; ЦНС - центральная нервная система; АМо -амплитуда моды; As - асимметрия; D - дисперсия; Ех - эксцесс; г - коэффициент корреляции; R" — детерминант регрессии; rl - коэффициент автокорреляции по первому сдвигу массива; Р - знак оценки статистической достоверности; Мо -мода; ш - ошибка средней арифметической; с - среднее квадратичное отклонение; X - средняя арифметическая.

Технический редактор A.B. Жильцов Подписано в печать 12.04.2012. Формат 60 х 84 716. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 174. Тверской государственный университет Редакционно-издательское управление Адрес: Россия, 170100, г. Тверь, ул. Желябова, 33. Тел. РИУ: (4822) 35-60-63.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Волнухина, Людмила Владимировна, Тверь

61 12-3/1093

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ВОЛНУХИНА Людмила Владимировна

Физиологическая оценка количественных характеристик непроизвольных и произвольных движений рук

Научный руководитель доктор биологических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ Рыжов А. Я.

Тверь-2012

На правах рукописи

03.03.01 - физиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ АКФ - автокорреляционная функция АЦП - аналого-цифровой преобразователь ВНД - высшая нервная деятельность O.E. - относительные единицы ПТН - преобразователь ток-напряжение ТвГУ - Тверской государственный университет ЦНС - центральная нервная система ФРВ - «фотографии рабочего времени» АМо - амплитуда моды As - асимметрия

CV, CVI, CVII, CVIII - шейные сегменты

Cv - коэффициент вариативности

D - дисперсия

Ех - эксцесс

F- критерий Фишера

Н - показатель Харста

г - коэффициент корреляции

R2 - коэффициент соответствия регрессии

rl - коэффициент автокорреляции по первому сдвигу массива

Р - знак оценки статистической достоверности

Мо - мода

m - ошибка средней арифметической ТЫ - грудной сегмент tst -критерий Стьюдента

АХ - статистическая амплитуда вариационного ряда а - среднее квадратичное отклонение X - средняя арифметическая

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................5 стр.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Общие представления об управлении движениями.....10 стр.

1.2. Экстрапирамидная двигательная система.................12 стр.

1.3. Концепция поиска нервно-мышечной системы, физиологический тремор как поисковая функция...............15 стр.

1.4. Пирамидная система управления движениями.........21 стр.

1.5. Произвольная ритмическая активность руки (теппинг)..................................................................23 стр.

1.6. Трудовая деятельность как форма произвольно организованных движений...........................................26 стр.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА И ОРГАНИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ..29 стр.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Физиологическая характеристика непроизвольных и произвольных ритмических движений дистальных кинематических звеньев верхней конечности.............................................................................42 стр.

3.1.1. Функциональная характеристика физиологического тремора пальцев как формы поисковой функции в непроизвольном двигательном варианте.................................................................................42 стр.

3.1.2. Функциональная характеристика произвольных ритмических движений пальцев руки..............................................................60 стр.

3.1.3. Интегративная характеристика непроизвольных и произвольных ритмических движений пальцев рук.............................................70 стр.

3.2. Количественная характеристика трудовых движений рук на примере швейного производства..................................................73 стр.

3.2.1. Социально-физиологическая и гигиеническая оценка изучаемого производства...........................................................................73 стр.

3.2.2. Характеристика движений при выполнении трудовых операций в

швейном производстве...............................................................82 стр.

3.3. Влияние трудовой деятельности на непроизвольные и

произвольные ритмические движения пальцев рук...........................99 стр.

ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ..........................107 стр.

ВЫВОДЫ.....................................................................118 стр.

ЛИТЕРАТУРА...............................................................120 стр.

ПРИЛОЖЕНИЕ.............................................................140 стр.

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В условиях технического прогресса по мере автоматизации и компьютеризации производств физический элемент ручного труда сохраняется, но постоянно трансформируется в сенсомоторную работу как форму трудовой деятельности. С точки зрения современной эргономики происходит смена физической тяжести труда на нервную его напряженность, а эрготропного принципа управления движениями на информационный. Поэтому изучение физиологических механизмов непроизвольных и произвольных движений рук человека в аспекте своеобразной эволюции произвольности управления приобретает особую актуальность. В частности, непроизвольные ритмические движения дистальных кинематических звеньев конечностей, обозначаемые как физиологический тремор, несмотря на значительный исторический пласт его исследований (Л.В. Латманизова, 1929; J. Marshall, E.G.Walsh, 1956; С. Van Buskirk, R.A. Fink, 1962; B.C. Гурфинкель и соавт., 1965; Г.Я. Саравайский, 1968; Ф.М. Талышев, 1968; А .Я. Рыжов, 1969; В. Comby, М. Bouchoucha, 1992; С. N. Riviere et all, 1998; К.Е. Norman et all, 1999; J. Raethjen et al., 2000; F. Cassim et all, 2000; M.M. Одинак и соавт., 2003; R.J. Elble, 2003), в настоящее время не имеют унифицированных авторитетных объяснений природы и механизмов данного феномена, если не считать его клинических видоизменений.

Произвольные ритмические движения дистальных звеньев рук, известные как теппинг-тест, широко используются при исследованиях различных форм трудовой деятельности не только для характеристики нервно-мышечного аппарата работающих, но и в качестве показателя состояния их центральной нервной системы (ЦНС) (K.M. Смирнов, 1970; Ю.Т.Шапков и соавт., 1988; D.A. Rosenbaum, 1994; A.B. Курганский, 1996; Е.П.Ильин, 2001; 2003; Е.Ю.Бруннер, 2010). В то же время теппинговые движения пальцев рук являются в своей основе периодическим процессом,

который при соответствующих регистрации и анализе может составить основу лабораторного моделирования сенсомоторной работы с прогностической интерпретацией ее фаз и периодов (A.C. Башкирова, Ж.И. Жижина, 1970; А .Я. Рыжов и соавт., 1994; Н.П. Степаненкова, 1997; В. Староста, 1998; Т.Г. Кремлева, 1999; P.M. Гречишкин и совт., 2005; C.B. Комин, 2005; Е.С. Ашуркова и соавт., 2006).

Таким образом, в произвольных движениях типа теппинг-тест уже обнаруживается определенная аналогия с трудовыми действиями, в которых основная сенсомоторная нагрузка приходится на дистальные звенья верхней конечности. В качестве же экспериментальной модели произвольных движений релевантного характера вполне может быть избран компонент ручного труда, представляющий собой оптимальный объект анализа рабочих движений руки во всех звеньях ее кинематической цепи (С.И. Горшков и соавт., 1970, 1974; К.М.Смирнов и соавт., 1976; Ю.В. Мойкин и соавт., 1992; Э.Ф. Шардакова и соавт., 1999; А.И. Капанджи, 2009).

ЦЕЛЬ ПРЕДСТАВЛЯЕМОЙ РАБОТЫ - дать физиологическую оценку функционирования нервно-мышечного аппарата рук путем количественного анализа непроизвольных и произвольных, в том числе трудовых, движений.

ЗАДАЧИ: 1) исследовать особенности непроизвольных ритмических движений рук по частотным и амплитудным параметрам физиологического тремора пальцев;

2) изучить особенности частотных характеристик произвольных ритмических движений пальцев рук по параметрам графически регистрируемого теппинга;

3) охарактеризовать некоторые стороны центрального управления непроизвольными и произвольными движениями посредством комплексного анализа параметров тремо- и теппингограмм;

4) дать количественную характеристику произвольных рабочих движений кинематических звеньев рук на примере труда швей-мотористок с учетом особенностей их производства;

5) выявить в лабораторном эксперименте количественные особенности непроизвольных и произвольных ритмических движений рук у швей.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Впервые проведены комплексные исследования, уточняющие количественные характеристики и механизмы управления непроизвольной ритмической активностью пальцев рук в определенных частотных диапазонах физиологического тремора.

2. Впервые проведена графическая регистрация произвольных ритмических движений пальцев рук (теппингограмма) с последующим компьютерным анализом ее количественных характеристик. Экспериментальное исследование комплекса тремор-теппинг уточняет представление о центральных механизмах регуляции непроизвольных и произвольных движений пальцев рук.

3. В условиях натурного эксперимента видеохронометрически определено количественное содержание категории тяжести ручного труда швей-мотористок с выявлением физиолого-эргономических особенностей взаимодействия трех кинематических звеньев рук: плечо, предплечье, кисть (пальцы).

4. Выявлены некоторые особенности влияния трудовой деятельности в ручной форме на систему управления непроизвольными (физиологический тремор) и произвольными (теппинг) ритмическими движениями пальцев рук.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Частота физиологического тремора пальцев рук испытуемых, согласно показателям её дисперсности, менее вариабельна, нежели

амплитуда, в чем проявляется одна из сторон деятельности двухуровневой (спинальной и стволовой) системы непроизвольного управления поисковой функцией нервно-мышечного аппарата рук.

2. Графическая регистрация и теппингограммы и ее компьютерный анализ (гистографичский, автокорреляционный, хаосогенный) позволяют уточнить форму управления произвольными ритмическими движениями пальцев рук.

3. Между двигательными циклами физиологического тремора (движение вверх-вниз) и теппинга (удар-замах) существует временная разница, косвенно характеризующая корково-подкорковый компонент управления изучаемыми ритмическими движениями пальцев. Время ее находится в обратной линейной зависимости от длительности двигательного цикла тремора и в степенной от двигательного цикла теппинга

4. Трудовые операции швей-мотористок, выполняемые правой (ведущей) рукой в целом базируются на комплексе движений ее кинематических пар в трех условных геометрических плоскостях и по трем осям суставного вращения, причем основная локальная динамическая нагрузка приходится на кисть и пальцы.

5. Замедленный отрезок времени, характеризующий у швей межцикловую разницу тремора и теппинга пальцев рук, а также высокая частота тремора и относительно низкая дисперсность показателей тремора и теппинга пальцев - результат физиолого-эргономической сложности трудовых операций.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

Диссертация вносит определенный вклад в общую теорию физиологии различных видов деятельности, включая физиологию труда, физиологию движений и систем управления. Внесен вклад в теоретические положения учения о физиологическом оптимуме (Н.Е. Введенский, A.A. Ухтомский), об

уровневой структуре управления движениями (H.A. Бернштейн) и функциональных системах (П.К. Анохин).

Прикладной аспект диссертации имеет основные направления:

1) методологическое, рекомендующее экспериментальное применение использованных в диссертации методов исследования состояния ЦНС и опорно-двигательного аппарата; 2) учебное, связанное с использованием диссертационных материалов на лекциях и практических занятиях со студентами специальностей «биология», «биоэкология» и «физическая культура»; 3) производственное, предусматривающее практические рекомендации, непосредственно касающиеся оптимизации и оздоровления труда, а также прогноза и коррекции функционального состояния ЦНС и опорно-двигательного аппарата рук рабочих швейного и других подобных производств.

СООТВЕТСТВИЕ ДИССЕРТАЦИИ ПАСПОРТУ НАУЧНОЙ СПЕЦИАЛЬНОСТИ. Диссертационное исследование соответствует п.8. «Изучение физиологических механизмов адаптации человека к различным географическим, экологическим, трудовым и социальным условиям» паспорта специальности 03.03.01 - «Физиология» (биологические науки).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Материалы доложены на научных конференциях аспирантов и студентов Тверского Государственного Университета (2005, 2006, 2007), Санкт-Петербургского Государственного Университета (девятая Всероссийская медико-биологическая конференция молодых исследователей, 22 апреля 2006; одиннадцатая Всероссийская медико-биологическая конференция молодых исследователей; 19 апреля 2008г.), на научных семинарах учебно-научной лаборатории медико-биологических проблем человека ТвГУ (2007; 2008; 2009; 2010). Материалы диссертации доложены и вошли в сборник

статей Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития физической культуры и спорта», посвященной 35-летию ВЛГАФК, 9-10 ноября 2005 года (Великие луки, 2005), доложены и опубликованы в сборнике I Всероссийской, с международным участием, конференции по управлению движением (Великие Луки, 14-17 марта 2006), во Всероссийском сборнике научных статей (Тверь, 2006), посвященном актуальным проблемам физиологии труда в XXI. Материалы диссертации по проблемам управления двигательной активностью человека в аспекте сенсомоторной работоспособности представлены на XX и XXI съездах физиологического общества им. И.П.Павлова в 2007, 2010 г.г. (Москва, Москва- Калуга), а также вошли в рецензируемый журнал ТвГУ «Биология и экология» 2007- 2011 гг.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, из которых 4 в рецензируемой печати.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Общие представления об управлении движениями

Скелетные мышцы, будучи основной динамической частью опорно-двигательного аппарата, обладают n-ным числом степеней свободы движений - непроизвольных и произвольных на фоне соответствующей позной активности, способствующей оптимальному их выполнению. В регуляции фазной и позной активности мышц принимают участие различные мозговые структуры - спинной мозг, ствол мозга, мозжечок, подкорковые образования, кора больших полушарий (A.A. Ухтомский, 1942; Л.В. Чхаидзе, 1970; А.Б. Трембач, 1991; H.A. Агаджанян и др., 2005). В частности, если рассматривать движения мышц как целенаправленное действие то, по мысли Ю.И. Александрова (2003) для его исполнения можно выделить: побуждение к действию, замысел действия, выполнение его, регуляция позы, для чего

необходимы план, пакет программ действия и конкретный способ его реализации.

Результаты исследований разносторонней двигательной деятельности, начатых в свое время A.A. Ухтомским (1942), позволили H.A. Бернштейну (1947) сформулировать общие представления о многоуровневой иерархической системе координации движений, актуальной и в настоящее время. «Первый этаж» управления находится на уровне спинного мозга, откуда посредством альфа-мотонейронов нервная система соединяется со скелетными мышцами (Е.К. Жуков, 1969; Ю.П. Лиманский, 1971; Е.В. Максимова, 1975). Активация данных мотонейронов осуществляется двумя механизмами: (B.C. Гурфинкель и др., 1995) прямым влиянием на альфа-мотонейроны из центров нервной системы и опосредованно - через вставочные нейроны, альфа-мотонейроны могут активтроваться и гамма-мотонейронами (О.С. Левин, 2001). Кроме того в спинном мозге имеются также мотонейроны, выполняющие роль пейсмекера и, следовательно, возбуждающися автоматически (М.М. Одинак и др., 2003).

«Второй этаж» управления - стволовые структуры: вестибулярные ядра, от которых идет вестибулоспинальный путь, красное ядро (руброспинальный путь), ретикулярная формация (ретикулоспинальный путь), крыша четверохолмия (тектоспинальный путь). Ими регулируется мышечный тонус и формируется адекватная поза для условий относительного покоя и выполнения целенаправленных движений. Этот «этаж» функционирует в тесном взаимодействии с мозжечком и корой больших полушарий головного мозга (H.A. Агаджанян и др., 2005).

«Третий этаж» - кора головного мозга, в ассоциативных зонах которой зарождается замысел, поступающий в двигательную зону, откуда он направляется по пирамидному пути к альфа-мотонейронам ствола и спинного мозга. Одновременно для коррекции движения сигнал от нейронов В.А. Беца идет к структурам ствола мозга и мозжечку, чем регулируется

поза и сложно координированные движения (B.C. Гурфинкель, Ю.С. Левик, 1995; Ю.П. Герасименко и др., 2000). Считается, что «выходящий» из ассоциативной зоны коры «замысел» предварительно направляется к базальным ганглиям, возвращается к двигательной коре, где корректируется выбор программы действия (В.М. Покровский, Г.Ф. Коротько, 1997). Мозжечок также вносит вклад в составление программы коррекции движения, а кольца «ассоциативная кора - базальные ганглии - таламус -двигательная кора» и «ассоциативная кора - мозжечок - таламус -двигательная кора» - являются компонентом как пирамидной, так и экстрапирамидной системы управления движениями.

1.2. Экстрапирамидная двигательная система (systema extrapyramidale), интегрирует двигательные центры коры головного мозга, ядра и проводящие пути (вне пирамид продолговатого мозга), осуществляет регуляцию непроизвольных компонентов моторики (мышечного тонуса, координации движений, тремора, позы). Филогенетически эта система более древняя, нежели пирамидная, от которой отличается локализацией ядер в подкорке и стволе головного мозга, а также полисинаптичностью проводящих путей. Первичные центры её - хвостатое и чечевицеобразное ядра полосатого тела, субталамические и красные ядра, черная субстанция среднего мозга, а также интеграционные центры коры головного мозга, таламуса, мозжечка, вестибулярн�