Вы здесь

Системные свойства элементов суставного аппарата человека

Принципиальное преимущество функционального подхода к изучению анатомических структур очевидно. Однако переход на новую методологию, в силу укоренившейся традиции, идет крайне медленно. Особенно прочны «анатомические» тенденции в изучении опорно-двигательного аппарата, где функциональные связи не столь наглядны, как в вегетативной сфере. Вполне объяснимо поэтому, что ученики и последователи П.К. Анохина, стремясь показать универсальность системных построений теории функциональных систем, тем не менее оперируют примерами преимущественно из вегетативной сферы. Отсутствие методологических разработок — несомненно, одна из причин скудости рекомендаций по важнейшим вопросам оптимизации двигательной деятельности и управления выходными параметрами систем опоры и движения.

Кроме того, имеющиеся работы посвящены преимущественно управляющей и проводящей частям систем произвольных движений, что, естественно, не может дать представления о механизме получения самых разнообразных полезных результатов. При этом внимание в основном уделяется активной деятельности мышц-агонистов или кинематических пар, а кости рассматриваются только как рычаги. Другие исполнительные элементы системы суставных движений (ССД) и все возможные степени свободы опорно-двигательных эффекторов оказываются вне рамок системного анализа.

Причина такого подхода часто состоит в том, что отсутствует полное, исчерпывающее представление об арсенале системных свойств каждого элемента. Это не позволяет понять организацию даже элементарных движений — например, движений предельного размаха или быстрых непроизвольных движений, не контролируемых высшими отделами ЦНС, не говоря уже о сложнокоординированных двигательных действиях. Не удается оценить поведение системы, реализацию принципа выборочной мобилизации структур в ходе налаживания взаимосодействия элементов системы, освобождения их от избыточных степеней свободы, моби-лизуемость, надежность, жесткость, реорганизацию и другие аспекты.

В связи с вышеизложенным возникает необходимость составления реестра эффекторных элементов ССД и описания их системных свойств (табл. 1). Каждый элемент обладает несколькими существенными для организации различных движений свойствами, которые выступают как определенные степени свободы и выборочно мобилизуются при построении того или иного движения с конкретными пространственными, временными и динамическими характеристиками.

Органы суставного аппарата и их свойства как эффекторных элементов системы суставных движений ССД

Мышцы с сухожилиями и фасциями. Вероятностные, ситуационно обусловленные параметры движения, т.е. произвольный его характер, обеспечиваются исключительно мышцами. Являясь единственным активным элементом ССД, мышцы могут изменять свои выходные характеристики (напряжение, длину, вязкость — твердость) в интервалы, соизмеримые со временем осуществления подавляющего большинства движений. Следовательно, только мышцы способны осуществлять текущую саморегуляцию ССД по обоим принципам управления: по возмущению — на входе или по механизму обратной афферентации, сличению полученного результата с его акцептором — на выходе. Перебор наличных степеней свободы элементов происходит только при организации систем произвольных движений.

Возбужденные мышцы могут выполнять несколько функций. Во-первых, они являются движителями. При этом максимальная их эффективность проявляется в суставных движениях ординарного размаха. По мере приближения к границе возможного размаха — вследствие уменьшения плеч рычагов, или исчерпания сократительных возможностей мышц (состояние ретракции), или одновременного действия обоих факторов — тяга мышц постепенно уменьшается и может полностью исчезнуть.

Системный подход в методах анализа и характеристике суставов

Выступая в качестве антагонистов мышц-движителей, растягиваемые мышцы становятся наиболее мощными тормозами движения. Уравнивание действия агонистов и антагонистов обеспечивает активную фиксацию соматических звеньев в определенном положении. Мышцы могут выполнять трансмиссионную функцию, передавая внешние для данного звена силы: силу тяжести, энергию движения соседних звеньев или всего тела. Перекидываясь через суставы, мышцы консолидируют сочленяющиеся кости, удерживают их суставные концы друг подле друга, являясь, по выражению П.Ф. Лесгафта, «истинными, активными связками суставов». В количественном выражении эту функцию они выполняют гораздо эффективнее, чем их синергисты — соединительнотканные связки. Трансмиссиями и консолидаторами могут быть как возбужденные, так и произвольно не возбужденные мышцы, обладающие определенным тонусом и проявляющие рефлекс растяжения.

Наконец, мышцы могут быть амортизаторами давления. Это происходит, например, при налаживании межмышечной координации. Функционируя в составе одной мышечной группы, а также контактируя с соседними мышцами и мышечными группами, находящимися в состоянии различного сокращения или растягивания, мышцы собственной деформацией оказывают влияние на сократительные и иные свойства своего мышечного окружения. В свою очередь, их деятельность в определенной степени зависит от деформации соседствующих мышц. Эти взаимные влияния с некоторым допущением можно квалифицировать как амортизацию внутреннего давления. При движениях с большой амплитудой мышцы часто являются амортизаторами внешнего давления. Это происходит, например, при стремлении достичь максимального сгибания в локтевом или коленном суставе. У людей с массивной мускулатурой движение затормаживается задолго до исчерпания сгибательных возможностей сустава — вследствие соприкосновения и соответствующей деформации мышц плеча и предплечья, бедра и голени.

Невозбужденные мышцы (обычно их с определенным допущением называют «пассивными», хотя они и в этом случае выполняют важную роль в осуществлении взаимосодействия элементов) также обладают несколькими степенями свободы. Они могут служить тормозами — например, при организации быстрых движений, выполняемых в меньших временных интервалах, чем время произвольного возбуждения (120—220 мс). Наличие последовательной упругой компоненты, собственной вязкости и тонуса позволяет мышцам выполнять эту функцию при любых движениях, причем их тормозное действие весьма вариабельно. Оно зависит также от соотношения длины контрактильной и сухожильной частей: эластичность мышечной ткани значительно выше.

В этом же временном интервале тормозное действие мышц может обеспечиваться их возбуждением — в результате проявления рефлекса растяжения. При приближении к предельному размаху этот рефлекс может сыграть решающую роль в предотвращении травмы сустава, т.е. реализует аварийное регулирование. Мышцы и в этом случае оказываются главным тормозом, предупреждая повреждение соединительнотканных элементов.

Произвольно не возбужденные мышцы выполняют также функции фиксаторов положения звеньев тела, амортизаторов внешнего давления, трансмиссионную функцию и консолидаторов сочленяющихся костей. Однако в количественном отношении эти возможности мышц гораздо менее значительны, чем при произвольном, целенаправленном возбуждении.

Кости. Чаще всего они выступают как жесткие рычаги и «точки опоры» для мышц. Другая их функция — служить жесткой поверхностью для внешней опоры, а также для опоры сочленяющихся суставных концов. Образуя поверхности сложной конфигурации при сохранении конгруетности сочленения, они влияют на направление движения. Кости могут выполнять функцию трансмиссий, передавая давление или натяжение, снижая удельное давление. Особенно ярко это обнаруживается у костей-менисков (например, talus). Костные блоки функционируют в качестве приспособлений для разложения сил на составляющие и изменения направления мышечной тяги.



Образуя костные упоры с контактными площадками на сочленяющихся или соседствующих с ними костных звеньях, кости могут быть ограничителями движения. При этом в отличие от тормозов, соприкасаясь, они действуют жестко и останавливают движение в весьма ограниченном угловом диапазоне. Как правило, кости реализуют функцию ограничителей движения уже в аварийных ситуациях, когда предшествовавшие им по времени действия тормозы не смогли или не успели его остановить.

Хрящ. Гиалиновый хрящ, покрывая суставные концы костей, функционирует как поверхность скольжения, миними-затор трения и вместилище синовии. Его амортизационная функция ограничивается смягчением и гашением незначительных соударений, толчков и вибраций.

Связки. Их видовая функция — консолидация, удержание сочленяющихся костей в определенном, заданном положении, обеспечивающем целостность сустава и целесообразное исходное взаиморасположение костей. Растянутые связки выступают как трансмиссии, хотя их строение, прочность и другие механические свойства запрограммированы только на весьма незначительные и строго ориентированные нагрузки. Трансмиссионную функцию они выполняют преимущественно в аварийных ситуациях. Так же обстоит дело и с выполнением связками тормозной функции. Относительное удлинение связок (в зависимости от возраста и уровня двигательной активности оно изменяется от 10 до 2%) оставляет им для проявления тормозных свойств определенный угловой диапазон. Этот диапазон тем больше, чем большим размахом движений обладает данный сустав. Тормозные свойства связок проявляются только у границы размаха движения. В среднефизиологическом положении костных рычагов связки не напрягаются и не функционируют — ни как тормозы, ни как трансмиссии. Малая упругость и малая прочность мест прикрепления к костям создают связкам-тормозам подчиненное положение по отношению к тормозам мышечным.

Связки-удерживатели (retinakulum), не являясь связками сустава, являются тем не менее элементами ССД, поскольку изменяют направление мышечной тяги, с обязательным разложением на составляющие.

Сумка сустава. Одна из ее функций — отделение сустава от соседствующих органов и тканей. Сумка служит специфической емкостью для синовиальной жидкости и ее продуцентов. Герметизируя полость сустава, она способствует созданию отрицательного давления, что в ряде случаев (мышечная пассивность различного происхождения, слабость связочного аппарата) позволяет удерживать суставные концы в соприкосновении, избегать их соударений и облегчать выполнение движения в целом. В редких случаях сумка может служить тормозом движения. Эта ее функция заметнее проявляется в амфиартрозах, малоподвижных, индивидуально очень слабо разработанных суставах, названных нами суставами гипокинетического типа. В некоторых же суставах и в конкретных движениях выполнение ею тормозной функции соответствует норме (например, сумка коленного сустава при разгибании голени). В большинстве случаев при сохранении целостности связок сумка не напрягается даже при выполнении движений предельной амплитуды.

Синовиальная жидкость. Служит смазкой, значительно улучшающей износоустойчивость и уменьшающей трение суставных поверхностей. Особенно эффективно действует как выжимающаяся смазка — феномен, не известный в промышленной технике. В зависимости от специфики привычных движений вязкость синовии может меняться, что отражается на величине коэффициента трения суставных поверхностей. Обнаружено экстренное снижение вязкости при быстрых и легких движениях и ее повышение при сильных и относительно медленных движениях.

Экспериментально установлено наличие демпфирующих свойств у самой синовиальной жидкости. Однако в количественном отношении эта ее роль настолько незначительна, что, очевидно, может учитываться только в области микровзаимодействий. Тем не менее нельзя исключить и того, что это свойство может оказаться значимым в некоторых специфических движениях, при длительном сохранении статических положений, в обеспечении долговременности функционирования, износо- и помехоустойчивости отдельных двигательных систем.

Очень важна функция синовии как гидродинамического мениска. При достаточном количестве она активно перегоняется между суставными поверхностями, выравнивая давление между ними и снижая удельное давление путем перераспределения его на возможно большей площади. Значение этой функции возрастает пропорционально степени инконгруентности поверхностей и величине давления (особенно в суставах нижних конечностей).

Покровы (кожа, подкожная жировая клетчатка, адвентиция). Способность покровов при натяжении тормозить движение также проявляется лишь у границ размаха практически любых движений. Она относительно невелика. Варьирует индивидуально и заметно уменьшается с возрастом. Сжимаясь, покровы могут амортизировать внешнее давление — например, при предельном сгибании бедра и соприкосновении его с туловищем, соприкосновении бедра и голени при сгибании в коленном суставе и т.п. Амортизация внутреннего давления происходит, например, при сокращении мышц, увеличении их поперечника, которое влечет за собой растягивание покровов. В обоих случаях величина амортизации будет зависеть от толщины покровов и их внутренней организации (упругости). Соответствующая тренировка изменяет амортизационные возможности покровов (особенно их растяжимость) в значительных пределах.

При организации движений большую роль могут играть факторы, не относящиеся к элементам суставного аппарата, но иногда решающим образом влияющие на конечный полезный результат. К их числу можно отнести как отдельные сегменты тела, так и все тело человека. Влияние на конечный результат обусловлено массой, которой они обладают. Действие инерции имеет универсальный характер и разнится только в количественном и пространственном отношении. Большое значение может иметь масса и как мера отягощения суставного аппарата при различных видах опоры.

На результат движения может оказать существенное влияние и включение в рабочую структуру системы внешнего звена (рычага, точки опоры, движителя, трансмиссии, тормоза или ограничителя движения, компенсатора внутренних эффекторов). Это обстоятельство может существенно повлиять на поведение системы, перестраивая взаимодействие ее элементов.

Можно заключить, что все эффекторные элементы ССД, имея некоторый минимум вариативности, обладают в каждый конкретный момент достаточно жестко определенными, фиксированными свойствами. Надежное их функционирование предполагает наличие отработанной (стереоти-пизированной) программы движения. При наличии такой программы повышенная жесткость является ценным приспособительным свойством, обеспечивающим постоянную мобилизационную готовность, избирательность, быстроту, точность и экономичность достижения полезного результата. Сильные возмущения на входе системы требуют от нее, по выражению Н.А. Бернштейна, «активной вариативности», которую в текущий момент могут обеспечить только произвольно возбужденные мышцы.

С предъявлением новых, более или менее стабилизированных требований неизбежно активизируются системогенетические процессы, обусловленные морфологической и функциональной адаптацией эффекторов. При сохранении качественных характеристик их количественные действия (величина вклада в достижение полезного результата) могут меняться в значительных пределах. В свою очередь, этот процесс может привести к расширению диапазона пространственных, временных и динамических параметров полезного результата, т. е. к совершенствованию всей системы суставных движений.

Учет механического потенциала и качества взаимосодействия эффекторов, несомненно, является необходимым условием высокой эффективности и безопасности любого двигательного действия, отличающегося критическими (близкими к пределу) характеристиками функционирования каждого элемента данной системы либо их совокупности.