FULL TEXT - e-antropomotoryka.pl
advertisement
POLEMIKI I DYSKUSJE DISCUSSIONS NR 34 AN TRO PO MO TO RY KA 2006 PAMIĘĆ I STEROWANIE RUCHAMI PRZEZ CZŁOWIEKA MEMORY AND MOTOR CONTROL IN HUMANS Wacław Petryński* * dr, Górnośląska Wyższa Szkoła Handlowa, Katowice Słowa kluczowe: teorie sterowania ruchami człowieka, antropokinetyka, rozmaitości, topologia Keywords: theories of motor control in humans, motor control science, manifolds, topology STRESZCZENIE • SUMMARY W pracy przedstawiono ogólny podział współczesnych teorii sterowania ruchami przez człowieka (według Abernethy’ego i Sparrowa) oraz związanych z nimi procesów przetwarzania informacji w ośrodkowym układzie nerwowym. Wskazano na niedostatki tego podziału, a także słabości modelu pamięci Atkinsona i Shiffrina w zastosowaniu do opisu sterowania ruchami. Podkreślono rolę pamięci nie tylko w przechowywaniu informacji, ale również w ich przetwarzaniu. Wskazano na fakt, że u człowieka czynności umysłowe i ruchowe są ze sobą ściśle związane, nie można więc zbudować spójnego modelu pamięci nie uwzględniającego tych drugich. Zaproponowano nową definicję pamięci i nowy jej model, spójny z teorią Bernsztejna oraz teorią przenoszenia Salomona i Perkinsa. Następnie omówiono rolę porcjowania (chunking) oraz wyraźnie rozróżniono pojęcia: bodziec, podnieta czuciowa, wrażenie czuciowe, słowo, program ruchowy, wzorzec czuciowo-ruchowy i podnieta ruchowa. Przedstawiono dwa obiegi przetwarzania informacji: czuciowo-ruchowy oraz słowny, a także modele sterowania ruchami z wykorzystaniem tylko czuciowo-ruchowego („model 0”) oraz obu („model 8”). In the paper the division of modern theories of motor control in humans (according to Abernethy and Sparrow) and connected with them processes of information processing in central nervous system have been presented. The shortcomings of this division were pointed out, as well as deficiencies of memory model by Atkinson and Shiffrin, especially when applied to description of motor control in humans. The importance of information processing, and not only information retention, was emphasised. It was also pointed to the fact that in humans mental and motor performances are tightly connected, thus it is impossible to construct a coherent memory model without taking into account the latter. Thus, a new memory model has been proposed, consistent with the Bernstein’s theory and the transfer theory of Salomon and Perkins. Then the role of chunking has been discussed, with clear distinction between notions of stimulus, sensory input, sensory impression, word, motor programme, sensorimotor pattern and motor command. The two circles of information processing were presented: sensorimotor and symbolic ones, as well as motor control models using only the sensorimotor circle (0-model) and both circles (8-model). Wstęp W opisie sterowania ruchami u człowieka istnieją dwie grupy teorii: modele spontaniczności (emergent theories), które można utożsamić z opisem funkcjonalnym (action approach), oraz modele planowania (prescriptive theories), odpowiadające dawnemu ujęciu strukturalnemu (motor approach) [1, 2, 3, 4]. Wyczerpujące zestawienie cech obu tych grup modeli (tabela 1) podali Abernethy i Sparrow [5]. Zauważmy, że tworząc powyższą tabelkę jej autorzy zastosowali najprostszą taktykę pracy naukowej. Zgromadzili mianowicie osiągnięcia wie- – 105 – Wacław Petryński Tabela 1. Zestawienie głównych cech opisu strukturalnego i opisu funkcjonalnego wg Abernethy’ego i Sparrowa [5]. Obszary kontrastów Opis strukturalny (ang. motor approach) Opis funkcjonalny (ang. action approach) Rodzaj opisu Opis przetwarzania informacji Opis analogii komputerowej Opis programowy Reprezentacjonizm Opis dynamiczny Opis postrzegania bezpośredniego Podstawy filozoficzne Analogia człowiek-maszyna, wynikający z teorii dualizm człowiek-środowisko Realizm ekologiczny Bezpośrednie współdziałanie (synergia) człowiekśrodowisko Podstawy teoretycznego opisu modeli Wiedza inżynierska Informatyka Fizyka współczesna Biologia teoretyczna i porównawcza Kierunek logiki wyjaśnień Niezbędność doświadczenia i inteligencji Wyjaśnienie przez poszukiwanie procesów „podstawowych” Najbliższa gałąź psychologii Psychologia poznawcza Psychologia ekologiczna Organizacja ruchu i sposób kontroli Z góry na dół (“top-down”), hierarchiczna kontrola przez programy działania Z dołu do góry (“bottom-up”), heterarchiczna kontrola przez struktury zbornościowe Rozwiązanie kontroli wielu stopni swobody Przechowana w pamięci, ośrodkowa struktura „uogólnionego programu ruchowego” Struktury zbornościowe, które samoistnie organizują własności dynamiczne narządów ruchu Związki między sposobem kontroli a kinematyką Wstępne planowanie pożądanego ruchu, organizacja według stanowiącego wzór planu nadrzędnego Ruch jako konsekwencja samoorganizacji grup mięśniowych Ośrodkowa reprezentacja pożądanego ruchu Istnieje Nie istnieje Mechanizmy przenoszenia Niezbędne, aby przetworzyć abstrakcyjny program na rozkazy dla mięśni Niekonieczne, gdyż mechanizmy kontrolne tkwią w środowisku Rola mięśni Podrzędna: służą jedynie do wykonywania rozkazów płynących z ośrodka Dynamicznie określają formę ruchu i jego zależności fazowe Czasowa organizacja ruchu Czasową strukturę ruchu określają wewnętrzne, kolejne rozkazy Czasowa struktura ruchu powstaje samoczynnie wskutek utrzymywania się określonych stosunków fazowo-kątowych między poszczególnymi narządami wykonawczymi Stosunek do postrzegania Postrzeganie poprzedzające działanie jest interpretowane jako niezależne zjawisko, oba zaś tworzą proces łańcuchowy Postrzeganie i działanie są procesami ściśle współzależnymi, funkcjonalnie i ewolucyjnie nierozdzielnymi; postrzeganie zależy od działania, działanie zaś – od postrzegania Model postrzegania Model komputerowy (Marr, 19821) Model postrzegania bezpośredniego według Gibsona (19792) Istota uczenia się Stale doskonalona strategia przetwarzania informacji (i rozwój stale powiększającej się zdolności do tego przetwarzania) Coraz lepsze dostrojenie do podstawowych niezmienników i kontrola nad zależną od kontekstu zmiennością Rola pamięci w uczeniu Podstawa do doskonalenia procesu tworzenia się strategii i nabywania trwałych umiejętności Minimalna, a nierzadko wręcz negowana, gdyż podstawą procesów pamięciowych jest niezbędność reprezentacji Typ paradygmatu eksperymentalnego Badania laboratoryjne, pierwotnie nad ruchami Głównym celem jest badanie czynności naturalnych wydumanymi i nienaturalnymi, ostatnio zaś o znacznych walorach ekologicznych nad bardziej realistycznymi Jednostki miary Informacje mierzone są matematycznie, przy uwzględnieniu trudności i niepewności w ustaleniu związku bodziec/odpowiedź Najważniejsze informacje są opisane jednostkami arbitralnie skalowanymi dla danej osoby wykonującej czynność 1 D. Marr, L. Vaina, Representation and recognition of the movement shapes, Proceedings of the Royal Society of London B, 1982; 2114, s. 501-524., 2 J.J. Gibson, The ecological approach to visual perception. Houghton-Mifflin, Boston, MA, 1979. – 106 – Pamięć i sterowanie ruchami człowieka Table 1. The juxtaposition of main features of „movement systems” and „action systems” approaches according to Abernethy and Sparrow [5] Dimension of contrast “Movement systems” approach “Action systems” approach Alternative Label Information-processing approach Prescriptive approach Computational approach Representational approach Dynamical approach Emergent approach Direct approach Philosophical Origins Belief in the man machine metaphor Implicit support of the actor-environment dualism Belief in ecological realism Explicit support of actor environment synergy Origin of Theoretical Explanation and Model Computer Science and Engineering Modem physics and Theoretical/Comparative Biology Direction of Explanatory Logic Improved Explanatory Power by adding sophistication and intelligence to the computational model Improved Explanatory Power by seeking more fundamental processes Nearest Psychology Sub-Discipline Cognitive Psychology Ecological Psychology Movement Organisation and Control Mode Top-down, hierachical control acting via prescription Bottom up heterarchical control acting through coordinative structures Solution to the control of Multiple Degrees of Freedom Generalised motor programs structured and stored Coordinative structures which self assemble the centrally dynamical properties of the motor system Relationship of Control Mode to Kinematics A priori planning resulting in desired kinematics. Organisation and assembly prescribed from overriding plan Kinematics as an a posteriori consequence of the self organisation and self assembly of muscle collectives. Central Representation of Desired Movement Present Absent Translation Mechanism Essential to convert abstract plan to “language” of muscle Not necessary; All control is in common environmental units Role of Muscle Subserviently carries out control commands specified centrally Determines movement form and phase interactions through dynamics Temporal Organisation of Movement Temporal features of kinematics metered out through an intrinsic time keeping device Temporal features of kinematics arise as an emergent property through preservation of invariant phase angular relationships between effectors Relationship to Perception Independent serial processes with perception preceding action (Separate stages as revealed by Sternberg’s addictive factors method) Perception and action as tightly coupled processes, functionally and evolutionally inseparable Perception in units of action and vice versa Perceptual Model Supported Computational model (e.g., Marr, 1982) Direct Perception model of Gibson (1979) Explanation of Learning lmproved information processing strategies (and, with development, increased processing capacities). Increased attunement to essential invariants and control over context-conditioned variability Role of Memory in Learning Fundamental to improve strategy formation and long term skill acquisition Minimal role in learning. Many deny memory processes per se because of necessity to invoke representation Type of Experimental Paradigm Advocated Laboratory work on contrived movements historically favoured but naturalistic work ultimately desirable Ecological validity essential. Study of natural actions prescribed Units of Measurement Information measured mathematically with respect to stimulus/task uncertainty and difficulty Essential information described in units scaled to the actor lu innych uczonych i podzielili je na dwie grupy, bez próby dogłębnej analizy. Stąd na przykład niefortunne – moim zdaniem – przeciwstawienie sobie „wiedzy inżynierskiej” i „fizyki współczesnej” w wierszu „Podstawy teoretycznego opisu modeli”. Wynika z niego bowiem wniosek, że w ujęciu – 107 – Wacław Petryński strukturalnym... świadomie rezygnujemy z sięgania do osiągnięć fizyki współczesnej! Jest to sprzeczne z zasadami heurystyki, zajmującej się nie prowadzeniem badań, lecz rozwiązywaniem problemów. Ta metoda naukowego opisu świata zakłada bowiem swobodne korzystanie ze wszystkich narzędzi, jakie mogą być przydatne do rozwiązania danego problemu [6]. W pewnym okresie rozwoju nauki o ruchach człowieka na świecie można było odnieść wrażenie, że istnieje skłonność do przeciwstawiania sobie grup teorii opisanych w tabeli 1, a ich zwolennicy starali się dowieść, iż każda z nich jest uniwersalna. W istocie jednak należałoby je postrzegać jako wzajemnie uzupełniające się [7]. Paradygmaty mogą stanowić czynnik ułatwiający porządkowanie wiedzy, ale na tym ich rola powinna się kończyć. Zamykanie się w ich granicach tworzy problemy pozorne (np. energochłonne konflikty między ich zwolennikami, nierzadko przypominające dyskusje o wyższości Świąt Wielkiej Nocy nad Świętami Bożego Narodzenia) i z tego powodu hamuje postęp nauki. Prawidłowości te są przejawem bardziej ogólnego zjawiska. Jest psychologiczną oczywistością, że każdy uczony-odkrywca pragnie podkreślić oryginalność, nowatorstwo i odrębność swoich dokonań, rzeczywistych lub jedynie urojonych. W interesie nauki leży natomiast, aby była ona jak najbardziej jednolita, aby wszystkie dokonania uczonych zostały niejako sprowadzone do wspólnego mianownika, czyli opisane jednolitym kodem. Dlatego, z pełnym szacunkiem dla odkrywców, najwięcej szans na sukces daje stosowanie heurystycznych metod rozwiązywania problemów, ignorujących wszelkie podziały nauki i likwidujących odrębności teorii i modeli. W bardzo ogólnej skali oznacza to również potrzebę jak najszybszego zasypania fosy oddzielającej tzw. nauki humanistyczne od tzw. nauk ścisłych. Dlatego dane zawarte w tabeli 1 należy traktować krytycznie. Nie twierdzę, że nie zawiera ona informacji wartościowych, ale przypominają one rodzynki w świątecznym cieście, a autorzy pozostawiają czytelnika sam na sam z problemem wybrania owych rodzynek. Paradygmaty opisu sterowania ruchami w świetle teorii Nikołaja Bernsztejna Problemem pozornym jest na przykład przeciwstawienie opisanego w tabeli 1 ujęcia strukturalnego (teorii planowania, prescriptive theories) i ujęcia funkcjonalnego (teorii spontaniczności, emergent Tabela 2. Poziomy sterowania ruchami wg Bernsztejna [8] Poziom Klasa ruchów Twór sterujący w ośrodkowym układzie nerwowym E symboliczne przetwarzanie złożonych programów ruchowych kora mózgowa D wykonywanie złożonych, celowych programów ruchowych kora mózgowa C ruchy w przestrzeni ciało prążkowane i kora mózgowa B synergie mięśniowe gałka blada A napięcie mięśniowe twór siatkowaty Table 2. Bernstein’s motor control levels [8] Level Movements class Controlling central nervous system component E Symbolic processing of complex movement programmes Cortex D Execution of complex, intentional movement programs Cortex C Spatial mobility Corpus striatum and cortex B Muscle synergies Globus pallidum A Muscle tonus Formatio reticularis – 108 – Pamięć i sterowanie ruchami człowieka theories). Już w drugim ćwierćwieczu ubiegłego stulecia Nikołaj Aleksandrowicz Bernsztejn prześledził rozwój narządów ruchu i układu nerwowego istot żywych w toku całego procesu rozwoju gatunkowego i na tej podstawie zbudował teorię sterowania ruchami i uczenia się ich [8]. Stworzył pięciopoziomowy wzorzec, w którym powiązał rozwój narządów ruchu z rozwojem ośrodkowego układu nerwowego, a poszczególnym klasom ruchu przyporządkował metody sterowania i twory w ośrodkowym układzie nerwowym. Zestawienie tych poziomów zawiera tabela 2. Niemal w każdym ruchu bierze udział kilka poziomów sterowania. Ważnym składnikiem modelu Bernsztejna jest zasada hierarchiczności, zgodnie z którą dla każdego ruchu istnieje pewien główny poziom sterujący, na którym wykonujący ów ruch skupia swoją uwagę. Pozostałe poziomy pracują zaś „w tle”, czyli bez konieczności skupiania świadomości wykonującego. Na przykład podczas jazdy na rowerze głównym poziomem jest poziom C (przemieszczanie się w przestrzeni), więc rowerzysta skupia swoją uwagę na tym, dokąd jedzie. Natomiast synergie mięśniowe związane z pedałowaniem (poziom B), czy napięcie mięśniowe, warunkujące utrzymanie odpowiedniej postawy na siodełku (poziom A), nie są świadomie sterowane przez rowerzystę. Zauważmy, że teoria Bernsztejna znakomicie godzi zwolenników „opisu funkcjonalnego” (teorii spontaniczności) i „opisu strukturalnego” (teorii planowania). Ten pierwszy dobrze opisuje sterowanie ruchami na poziomach A, B i C, drugi – na poziomach D i E. Ponieważ zaś w wykonywaniu złożonych czynności ruchowych mogą uczestniczyć wszystkie poziomy, więc nie tylko możliwe, ale i niezbędne staje się wspólne działanie procesów opisanych w tabeli 1 w kolumnach „opis strukturalny” i „opis funkcjonalny” Pamięć Wykonanie jakiegokolwiek ruchu wymaga „porozumiewania się” poszczególnych poziomów sterowania ruchami, czyli przetwarzania informacji w ośrodkowym układzie nerwowym. Proces ten dokonuje się głównie w pamięci, jednakże niemal wszystkie jej słownikowe definicje mówią jedynie o przechowywaniu informacji, nie zaś o jej przetwarzaniu. Dlatego proponuję na wstępie zdefiniować to pojęcie następująco: pamięć – zdolność ośrodkowego układu nerwowego do doboru informacji, zarówno odbieranej zmysłami, jak i wypracowywanej wskutek myślenia abstrakcyjnego, przetwarzania jej w celu przechowania lub sterowania bieżącym zachowaniem, zapamiętywania i przypominania, a także zapominania niektórych niepotrzebnych, a niekiedy również potrzebnych informacji [9]. W proponowanej definicji warto szczególnie podkreślić możliwość doboru informacji, czyli wybiórczość pamięci (memory selectivity). Pozwala ona na utrwalanie jedynie tych wzorców zacho- Tabela 3. Składniki pamięci według Atkinsona i Shiffrina [1, 10]. Układ pamięci Właściwości krótkotrwała pamięć czuciowa – STSS pamięć krótkotrwała – STM pamięć długotrwała – LTM czas przechowywania poniżej 1 s. od 1 do 60 s. nieograniczony typ kodowania konkretny, czuciowy nieco abstrakcyjny bardzo abstrakcyjny pojemność nieograniczona 7±2 porcji nieograniczona Table 3. Memory elements according to Atkinson and Shiffrin [10, 1]. Memory System Attribute Short-term Sensory Store – STSS Short-term Memory – STM Long-term memory – LTM Storage duration Less than1 s. 1 s to 60 s Seemingly limitless Type of coding Very literal More abstract Very abstract Capacity Seemingly limitless 7±2 items Seemingly limitless – 109 – Wacław Petryński wań, które umożliwiają najskuteczniejsze rozwiązywanie zadań czuciowo-ruchowych. Klasyczny model Atkinsona i Shiffrina [10] zakładał podział pamięci na trzy składniki: krótkotrwałą pamięć czuciową (short-term sensory store, STSS), pamięć krótkotrwałą (short-term memory, STM) oraz pamięć długotrwałą (long-term memory, LTM). Właściwości poszczególnych składników przedstawia tabela 3 [1]. Już z samych nazw wynika, że podstawowym kryterium podziału była długość czasu przechowywania informacji. Później model ten uzupełniono o pamięć operacyjną (working memory, WM) [11], ale mając trzy składniki wyróżnione według jednego kryterium (długość czasu przechowywania) i czwarty – według innego kryterium (funkcja), nie sposób było zbudować spójnego systemu. Ponadto niektórzy uczeni uważają, że pamięć operacyjna dugotrwaa pami symboliczna LTMv przechowywanie informacji symbolicznej krótkotrwaa pami czuciowa STSS filtrowanie podniet czuciowych narzdy zmysów tworzenie podniet czuciowych Ryc. 1. Ukad pamici pod wpywem przetwarzanie bodców przekodowanie sowno-czuciowe dugotrwaa pami czuciowa LTMs przechowywanie informacji czuciowej odbiór odbiór przetwarzanie informacji nadawanie czuciowej uk odruchowy (sprzenie bezporednie) pami operacyjna WM przetwarzanie wrae czuciowych w podniety ruchowe nadawanie (wzorowany na modelu ATKINSONA i procesy pobudzane umysowo pami krótkotrwaa STM przetwarzanie impulsów czuciowych we wraenia czuciowe mentalizacja automatyzacja przekodowanie czuciowo-sowne procesy pobudzane czuciowo nadawanie przetwarzanie informacji symbolicznej odbiór ukad ruchu pobudzanie mini narzdy ruchu wytwarzanie si )i ruchów SHIFFRINA uwzgldniajcy rodowisko tworzenie skutków dziaania si i ruchów; wytwarzanie bodców Ryc. 1. Układ pamięci (wzorowany na modelu Atkinsona i Shiffrina) uwzględniający przetwarzanie informacji niezbędnych do sterowania ruchami i spójny z teorią Bernsztejna [15, zmodyfikowane] – 110 – Pamięć i sterowanie ruchami człowieka stanowi część pamięci krótkotrwałej STM [12, 13], inni zaś – że stanowi osobny składnik pamięci [14]. Niemniej ze względu na prostotę i przydatność dydaktyczną model ten jest powszechnie wykorzystywany w analizach procesów pamięciowych u człowieka. Badaniem procesów pamięciowych zajmują się głównie psychologowie, którzy skupiają swoją uwagę przede wszystkim na procesach umysło- wych. W badaniach ruchów konieczne jest jednak uwzględnienie w modelu pamięci swoistych składników niezbędnych do sterowania ruchami, których nie ma w „klasycznym” modelu Atkinsona i Shiffrina. Dla potrzeb badaczy ruchów człowieka konieczne jest zatem stworzenie innego modelu, obejmującego swoistości procesów czuciowo-ruchowych i spójnego z teorią Bernsztejna. Propozycję takiego modelu przedstawia rycina 1 [15]. We wzorcu tym Long-Term Verbal memory LTMv Retention of symbolic information Mentalization Automation Sensory-verbal transcoding Short-Term Memory STM Transformation of sensory inputs into sensory impressions Short-Term Sensory Memory STSS filtering of sensory inputs Verbal-sensory transcoding Long-term Sensory Memory LTMs Retention of sensory information Reception Reception Sensory information processing Reflex Arch (direct coupling) Sense Organs production of sensory inputs under the influece of stimuli Sending Sending Working Memory WM Transformation of sensory impressions into motor commands Mentally-driven processes Sensory-driven processes Sending Symbolic information processing Reception Motor System Muscles activation Motor Organs Production of forces and movements Environment Production of forces and movements effects; Production of stimuli Fig. 1. Memory system (based on Atkinson and Shiffrin model), taking into account information processing necessary for movements control and consistent with Bernstein’s theory [15, modified] – 111 – Wacław Petryński pozostawiono wprawdzie tradycyjne, powszechnie używane nazwy poszczególnych składników pamięci, ale za podstawowe kryterium podziału przyjęto nie czas przechowywania informacji, lecz funkcję danego składnika w układzie. Przede wszystkim cały układ pamięci można „pionowo” podzielić na dwa tory: wstępujący (dośrodkowy, czuciowy, aferentny) oraz zstępujący (odśrodkowy, ruchowy, eferentny). Tor wstępujący składa się z krótkotrwałej pamięci czuciowej (STSS), pamięci krótkotrwałej (STM) oraz pamięci długotrwałej, czuciowej i symbolicznej (LTMs i LTMv). Płynące ze środowiska bodźce (stimulus) zostają w narządach zmysłów przetworzone na ciągi impulsów nerwowych, tworzących podniety czuciowe (sensory input). W krótkotrwałej pamięci czuciowej STSS są ona albo „odfiltrowywane” i odrzucane, albo przekazywane dalej. W tym drugim przypadku możliwe jest albo natychmiastowe wykonanie ruchu wskutek przetworzenia w łuku odruchowym, albo przekazanie do pamięci krótkotrwałej STM. Pełni ona dwojaką funkcję. Po pierwsze – następuje w niej rozpoznanie (postrzeganie) podniet czuciowych i przetworzenie ich w uświadomione wrażenia czuciowe (sensory impressions). Następnie wrażenie może zostać skierowane do długotrwałej pamięci czuciowej LTMs (gdzie uruchamia jakiś już istniejący wzorzec ruchów) albo po przekodowaniu na kod symboliczny, czyli przetworzeniu w słowo (word) – do pamięci długotrwałej symbolicznej LTMv. Składnikami toru zstępującego są: pamięć długotrwała LTM, pamięć operacyjna WM i układ ruchu. Niezależnie od tego, czy do pamięci operacyjnej trafiają czuciowe wzorce ruchu, czy też symboliczne programy ruchowe, do układu ruchu muszą zostać przekazane podniety ruchowe (motor commands). Dlatego w ogólnym układzie pamięci (przetwarzania informacji) musi znaleźć się również „przekładanie” informacji symbolicznej (słownej) na ruchową (podniety ruchowe) i przeciwnie. Konieczność owego „przekładu” stanowi kryterium podziału „poziomego” na część dolną (czuciową) i górną (symboliczną). Uwzględniając fakt, iż na poziomie myślenia abstrakcyjnego wykorzystywany jest kod symboliczny, zaś na poziomie doznań zmysłowych – kod czuciowo-ruchowy, niezbędne było rozróżnienie dwóch warstw pamięci długotrwałej: długotrwałej pamięci symbolicznej LTMv oraz długotrwałej pamięci czuciowej LTMs. W pierwszej przechowywane i przetwarzane są uogólnione symboliczne programy ruchowe (generalized motor programmes), w drugiej – czuciowo-ruchowe wzorce ruchów (motor patterns) [16]. Podział warstwy, przebiegający między długotrwałą pamięcią czuciową LTMs i długotrwałą pamięcią symboliczną LTMv, odpowiada z grubsza podziałowi między poziomami C i D w modelu Bernsztejna. Takiej dwudzielnej budowy pamięci długotrwałej odpowiada opisany przez Salomona i Perkinsa [17, 18] mechanizm przenoszenia wysokiego (high-road transfer) oraz przenoszenia niskiego (low-road transfer). Pierwszy z wymienionych procesów wymaga przekodowania informacji czuciowej na kod symboliczny i wykorzystania długotrwałej pamięci symbolicznej LTMv, drugi zaś – wykorzystania długotrwałej pamięci czuciowej LTMs oraz zapisu i przetwarzania informacji w kodzie czuciowo-ruchowym. Porcjowanie (chunking) Podobnie jak w „klasycznym” modelu Atkinsona i Shiffrina, swoistymi „wąskimi gardłami” w układzie przedstawionym na rycinie 1 są: pamięć krótkotrwała LTM, która może pomieścić 7±2 jednostki informacji [19], oraz pamięć operacyjna WM, która mieści około 10 takich jednostek [14]. Teoretycznie nieograniczoną pojemność mają krótkotrwała pamięć czuciowa (STSS) oraz pamięć długotrwała (LTM), jednakże również w nich informacja jest podzielona na określone „porcje” [16]. Znamienne, że opublikowana w 1975 roku podstawowa praca R.A. SCHMIDTA, zawierająca jego słynną teorię wykorzystującą schematy do opisu sterowania czynnościami ruchowymi, nosi tytuł A schema theory of discrete motor skill learning (Teoria schematów w nauczaniu nieciągłych3 nawyków ruchowych; podkr. moje – WP.) [20]. Rozumowanie Bernsztejna, stanowiące podstawę jego teorii, polegało na analizie rozwoju narządów ruchu istot żywych i towarzyszącego mu rozwoju możliwości sterowania ruchami, wynikających z właściwości układu nerwowego. Idąc tym tropem rozumowania, można by też przeanalizować rozwój nośników informacji wykorzystywanych do sterowania ruchami jako proces równoległy do rozwoju narządów ruchu i układu nerwowego. Przemiany procesu porcjowania informacji u istot żywych (chunking) można zatem postrzegać jako nieodłączny składnik stałego poszukiwania sposobu coraz wydajniejszego kodowania informacji, niezbędnego do jej uporządkowania i coraz 3 W polskim nazewnictwie matematycznym zamiast określenia „nieciągły” używa się słowa „dyskretny”. Może to budzić nieporozumienia, gdyż w potocznym języku określenie „dyskretny” ma inne znaczenie. – 112 – Pamięć i sterowanie ruchami człowieka skuteczniejszego wykorzystania w sterowaniu ruchami. Przypomnijmy, że jednym z podstawowych atrybutów życia jest pobudliwość [21]. Zwierzęta nie posiadające rozwiniętego ośrodkowego układu nerwowego reagują na pojedyncze bodźce. W przypadku istot bardziej rozwiniętych możliwe jest już rozpoznawanie informacji (postrzeganie), czyli świadome przetwarzanie podniet czuciowych, powstałych wskutek przetworzenia bodźców w narządach zmysłów. W nauce o sterowaniu ruchami na ogół nie rozróżniamy bodźców i podniet czuciowych, więc tym bardziej wrażeń czuciowych i słów. To, czy dany bodziec zostanie przekształcony w podnietę czuciową, wrażenie, czy słowo, zależy zarówno od rodzaju tego bodźca, jak i możliwości odbiorcy. Bodziec bólowy wywoła podnietę czuciową i odpowiedź ruchową – odruch – i u ryby, i u psa, i u człowieka. Bodziec w postaci polecenia „siadaj!”, powodującego określone wrażenie słuchowe, wywoła odpowiedź ruchową – nawyk czuciowo-ruchowy – u wytresowanego psa i u człowieka. Natomiast bodziec w postaci polecenia słownego „pójdź do sklepu po bułki i mleko” wywoła odpowiedź ruchową – złożoną czynność czuciowo-ruchową – jedynie u człowieka. Kolejnym krokiem jest tworzenie i używanie do sterowania ruchami (a także uczenia się ich) spójnych zespołów bodźców, czyli syntez czuciowych [8]. Synteza taka stanowi pewien system, czyli – zgodnie z teorią systemów – łącznie zawiera więcej informacji niż prosta suma tworzących ją bodźców. Kolejny etap postępu w procesie przekazywania i przetwarzania informacji umożliwiło wykorzystanie odwzorowań symbolicznych, czyli słów [22]. Rozwój sprawności przetwarzania informacji wskutek wykorzystania słów (w sensie uogólnionym) zwiększa szybkość i skuteczność tego procesu, mimo konieczności wprowadzenia dodatkowego procesu: przekładu odczuć czuciowych na kod symboliczny poziom E przetwarzanie symbolicznych odwzorowa ruchu PRZEKODOWANIE kod czuciowy => kod symboliczny kod symboliczny => kod czuciowy poziom C ruchy w przestrzeni wykonanie ruchu informacja zwrotna poziom D symboliczne odwzorowania ruchu poziom B synergie miniowe poziom A napicie miniowe kod czuciowy Ryc. 2. Przekodowanie czuciowo-symboliczne w modelu Bernsztejna; modele „0” (poziomy A, B i C) i „8” (poziomy A, B, C oraz D,E) sterowania ruchami i uczenia się ich [23] – 113 – Wacław Petryński odwzorowania symboliczne w procesie przyjmowania informacji (czuciowym, aferentnym) oraz odwzorowań symbolicznych na czuciowe w procesie tworzenia ruchu (ruchowym, eferentnym), co przedstawia rycina 2. Zauważmy, że zjawisko różnicowania kodów przetwarzania informacji zostało zasygnalizowane (choć niezbyt szczegółowo) już w klasycznym modelu Atkinsona i Shiffrina. W tabeli 3 w wierszu „typ kodowania” mamy do czynienia z różnymi kodami wymiany i przetwarzania informacji w różnych składnikach pamięci. Zwierzęta, mające rozwinięte jedynie „podkorowe” poziomy A i B oraz częściowo korowy poziom C, mogą w sterowaniu ruchami wykorzystywać jedynie podniety czuciowe, wrażenia czuciowe, wzorce ruchów i podniety ruchowe, czyli dolny krąg obiegu informacji na rycinie 2, obejmujący te właśnie poziomy. Taki przepływ informacji można nazwać „modelem 0”. Natomiast ludzie, dysponujący zdolnością myślenia abstrakcyjnego (poziomy D i E), mogą wykorzystywać oba kręgi obiegu infor- macji: dolny, czuciowo-ruchowy (poziomy A, B i C) oraz górny, symboliczno-słowny (poziomy D i E), obejmujący słowa i programy ruchowe; taki przepływ informacji można nazwać „modelem 8” [23] Teorie sterowania ruchami w nowym modelu pamięci Warto zauważyć, że z przedstawionym wzorcem przetwarzania informacji, spójnym z teorią Bernsztejna, można skojarzyć odpowiednie teorie sterowania ruchami. Poziom B wraz z rozmaitością niesterowaną ruchową UCMm można skojarzyć z teorią ekologiczną Gibsona [24], według której uświadomienie sobie jakiegokolwiek bodźca nie jest niezbędne. Obejmują one zatem jedynie obszar czynników fizycznych oraz podniet czuciowych i działań. Można ją nazwać teorią bezpośredniego sprzężenia bodźca z reakcją. Ponieważ nie zakłada konieczności wykorzystania odwzorowań symbolicznych (myślenia abstrakcyjnego), więc może symbolic code E-level processing of symbolic movement projections TRANSCODING sensory code => symbolic code symbolic code => sensory code execution orders feedback D-level symbolic movement projections C-level spatial mobility B-level muscle synergies A-level muscle tonus sensory code Fig. 2. Sensory-symbolic transcoding in Bernstein’s model; models „0“ (levels A, B, C) and „8“ (levels A, B, C and D, E) of movements control and movements learning [23]. – 114 – Pamięć i sterowanie ruchami człowieka objaśniać najprostsze zachowania ruchowe zwierząt i podświadome działania ludzi. Poziom D i teorie „cybernetyczne” (Bernsztejna, Czchaidze, Schmidta, Adamsa itp.) [25, 26, 27] można kojarzyć z przetwarzaniem programów ruchowych i uogólnionych programów ruchowych (generalized motor programs, GMP), które wymagają nie tylko uświadomienia sobie bodźca czy podniety, ale również przetwarzania ich symbolicznych odwzorowań. Można by je określić mianem teorii cybernetyczno-programowych. Ponieważ zakładają one wykorzystanie myślenia abstrakcyjnego, więc do takiego sterowania ruchami jest zdolny jedynie człowiek. W zasadzie jedyną teorią, którą można by skojarzyć ze sterowaniem ruchami z poziomu C, jest teoria bodźca warunkowego. Fakt ten można przypisać pewnym trudnościom badawczym, wiążącym się jednak z ograniczeniami narzuconymi przez paradygmaty naukowe. Badanie bezpośredniego sprzężenia bodźca i reakcji (z łączącą je „czarną skrzynką”) jest typowym zadaniem behawioryzmu. Teorie cybernetyczno-programowe, z wykorzystaniem kodu symbolicznego, wymagają już podejścia poznawczego (kognitywistycznego) lub nawet konstruktywistycznego4, niemniej w tym obszarze można wiele wiedzy czerpać z dokonań językoznawców czy psycholingwistów [28, 29, 30]. Bezpośrednim badaniom wymykają się natomiast nieuświadomione podniety czuciowe czy wrażenia czuciowe uświadomione jedynie na poziomie czuciowym. Jest to domena instynktu (u zwierząt) lub intuicji (u człowieka). Wybitnym filozofem zajmującym się tymi zagadnieniami był francuski noblista, zwolennik intuicjonizmu H. Bergson [31]. Przeciwstawiał on intelekt, działający świadomie i względnie niezależny od organizmu instynktowi, działającemu nieświadomie i czerpiącemu swą siłę z organizmu. Intuicję określił jako uświadomiony instynkt. Bergson, podobnie jak niemal wszyscy uczeni, zajmował się głównie czynnościami umysłowymi, czyli psychologiczno-rozumowymi. W przedstawionym w niniejszej pracy modelu pamięci instynkt i intuicję można jednak skojarzyć z poziomem C według teorii Bernsztejna lub z warstwą czuciową pamięci długotrwałej (LTMs). Należałoby założyć, że bodźce wywołujące jakieś działanie instynktowne lub intu- icyjne mogą być albo zewnątrzpochodne, albo wewnątrzpochodne. Takie opisy należałoby zaliczyć do teorii wzorców czuciowo-ruchowych. Ponieważ działania instynktownego czy intuicyjnego nie można utożsamiać z działaniami pod wpływem bodźców warunkowych, więc wyczerpującą teorię (lub teorie), opisującą zachowania ruchowe sterowane z poziomu C, należałoby dopiero stworzyć. Uwagi końcowe By człowiek mógł wykonać jakąkolwiek czynność ruchową, musi dysponować zdolnościami dwojakiego rodzaju: – wysiłkowymi, umożliwiającymi wydatkowanie energii, – informacyjnymi, umożliwiającymi sterowanie przepływami tej energii. Pierwsza grupa stanowi przedmiot zainteresowania i badań fizjologii czy biochemii. W drugiej grupie zdolności można natomiast wyróżnić trzy ważne składniki: – motywację, – uwagę, – pamięć. Motywacja jest zjawiskiem z dziedziny psychologii, warunkującym podjęcie jakiejkolwiek działalności, uwaga i pamięć są zaś zjawiskami obejmującymi procesy psychofizjologiczne. Pierwsza z nich oznacza skupienie świadomości na tych składnikach czynności, które warunkują jej skuteczne wykonanie. Główne procesy informacyjne – przechowywanie i przetwarzanie informacji – zachodzą jednak w pamięci. Nie ulega wątpliwości, że podstawowymi warunkami rozpoczęcia jakiejkolwiek czynności ruchowej są: odpowiedni zasób energii i właściwa motywacja. Jednakże sposób, sprawność i skuteczność tej czynności zależą od procesów przetwarzania informacji, które zachodzą w pamięci. Nie sposób zatem zbudować poprawnego wzorca sterowania ruchami człowieka nie mając dobrego modelu pamięci, uwzględniającego nie tylko procesy umysłowe, ale również czuciowo-ruchowe. Niniejsza praca stanowi próbę zbudowania takiego właśnie modelu. 4 Choć, paradoksalnie, cybernetyka jest najdoskonalszym wytworem właśnie behawioryzmu. Fakt ten zgadza się ze stwierdzeniem T. Kuhna, że badania naukowe to wytężone i ofiarne próby zmuszenia przyrody, by dopasowała się do szufladek stworzonych przez wykształcenie akademickie, do których to szufladek nie chce się dostosować nie tylko przyroda, ale nawet wytwory nauki. – 115 – Wacław Petryński PIŚMIENNICTWO • LITERATURE [1] Schmidt RA: Motor Control and Learning. A Behavioral Emphasis. Illinois, Wyd. Human Kinetics, Champaign, 1988 [2] Petryński W: Contribution to Motor versus Action Approach Dispute. Antropomotoryka – Journal of Human Kinetics, Suplement, 2000; 4: 149-158, [3] Petryński W: Dwa wzorce opisu czynności ruchowych – strukturalny i funkcjonalny. Sport Wyczynowy, 2001; 1-2: 39-50. [4] Hossner EJ, Künzell S: Motorisches Lernen; w Mechling H, Munzert J (red.): Handbuch BewegungswissenschaftBewegungslehre. Hofmann, Schorndorf, 2003: 131-153; przekład polski: Petryński W: Uczenie się ruchów. Antropomotoryka, 2003; 26: 81-93. [5] Abernethy B, Sparrow WA: The Rise and Fall of Dominant Paradigms in Motor Behaviour Research; w Summers JJ (red.): Approaches to the Study of Motor Control and Learning. Amsterdam. Elsevier Science Publishers B. V., 1992: 3-45. [6] Góralski A: Twórcze rozwiązywanie zadań. Warszawa, PWN, 1989. [7] Petryński W: Motor Approach and Action Approach – Controversy or Complementarity?. “Current Research in Motor Control”, Bielsko-Biała, 27-29.10. 2000: Katowice, AWF, 2000: 174-179. [8] Bernsztejn NA: O łowkosti i jejo razwitii. Moskwa, Fizkultura i Sport, 1991. [9] Petryński W: Motor Control and Learning. A Behavioral Emphasis – czyli o sterowaniu ruchami człowieka na poły tylko behawiorystycznie. Antropomotoryka, 2005; 15, 31: 89-101. [10] Atkinson R, Shiffrin R: Human memory: A proposed system and its control processes. w Spence K, Spence J. (red.) The psychology of learning and motivation: Advances in research and theory. New York: Academic Press, 1968, 2. [11] Atkinson R, Shiffrin R: The control of short-term memory. Scientific American, 1971; 225: 82-90. [12] Zimbardo PG: Psychologia i życie. Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN, 1999. [13] Baddeley A: The Psychology of Memory. w Baddeley AD, Kopelman MD, Wilson BA (red.): The Essential Handbook of Memory Disorders for Clinicians, John Wiley & Sons, 2004. [14] Smith, EE, Jonides J: Neuroimaging analyses of human working memory. Proceedings of the National Academy [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] – 116 – of Sciences of the United States of America, 1998; 95: 12061-12068. Petryński W: Motor control and learning according to Bernstein’s theory, w Starosta W, Squatrito S. (red.): Scientific Fundaments of Human Movement and Sport Practice. Centro Universitario Sportivo Bolognese in Bologna, 2005; 21: 172-174. Schmidt RA, Lee TD: Motor control and learning. A behavioral emphasis. Illinois, Human Kinetics, Champaign, 2005. Salomon G, Perkins DN: Rocky roads to transfer: Rethinking mechanisms of a neglected phenomenon. Educational Psychologist, 1989: 24(2): 113-142. Czajkowski Z, Petryński W: Przenoszenie w teorii i praktyce trenerskiej. Antrpomotoryka, 2006; 16, 33: 95-102. Miller G: The Magical Number Seven, Plus or Minus Two: Some Limits on Our Capacity for Processing Information. The Psychological Review, 1956; 63: 81-97. Schmidt RA: A schema theory of discrete motor skill learning. Psychological Review, 1975; 82: 225-260. Jaroszyk F (red.): Biofizyka. Podręcznik dla studentów. Warszawa, Wyd. Lekarskie PZWL, 2002. Petryński W: Zagadnienia przekładu w sterowaniu ruchami człowieka. Antropomotoryka, 2005; 15, 32: 83-93. Petryński W: Uczenie się czynności ruchowych w świetle teorii Bernsztejna. Antropomotoryka, 2005; 15, 31: 6578. Gibson JJ: The ecological approach to visual perception. Boston, MA, Houghton-Mifflin, 1979. Bernsztejn NA: Niekotoryje nazrewajuszczije problemy regulacji dwigatielnych aktow. Moskwa, Woprosy Psichołogii, 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: 155-161. Schmidt RA: Motor Control and Learning. A Behavioral Emphasis. Illinois, Human Kinetics, Champaign, 1988. Kurcz I: Pamięć, uczenie się, język. Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN, 1995. Lyons J: Chomsky. Warszawa, Prószyński i S-ka, 1998. Allott R: The motor theory of language. w von RafflerEngel W, Wind J, Jonker A (ed.): Studies in Language Origins. Amsterdam/Philadelphia, John Benjamins Publishing Company, 1991; 2: 123-157. Russell B: Mądrość Zachodu. Warszawa, Penta, 1995.
