Двигательное мышление

Примерное время на чтение статьи: 15 минуты

 Двигательное мышление — это когнитивный процесс, включающий планирование, координацию и выполнение произвольных движений с участием двигательных и ассоциативных центров коры головного мозга.  Этот процесс охватывает практически все области мозга, которые работают вместе для обеспечения точности и согласованности движений.

 В этой статье мы рассмотрим двигательный анализатор, связи  двигательного анализатора с другими областями коры и подкорковыми центрами, схему организации двигательного мышления, примеры двигательного мышления.

Двигательный анализатор

 Кора мозга составляет самую важную часть головного мозга и является морфологическим субстратом высшей нервной деятельности, включая двигательное мышление.

Почти третья часть коры головного мозга человека  так или иначе связана с обеспечением  двигательной активности: от движений конечностей, мышц лица, шеи, головы, глаз, языка, гортани, филигранных и точных движений кистей рук до сочетанного поворота шеи и глаз.

Двигательный анализатор располагается в двигательной области коры, непосредственно перед полем 4 по Бродману (первичная моторная кора) и включает в себя премоторную кору и дополнительную моторную кору (поле 6 по Бродману). Хотя поля 4 и 6 функционируют параллельно, но иерархически в произвольных движениях главенствует поле 6. Это находит подтверждение в опытах при исследовании электрофизических данных (потенциалов готовности) и метаболизма (кровотока)  двигательной области коры.

Так, если записать сигналы с электродов, закреплённых на поверхности черепа человека, выполняющего произвольные движения пальцем, то данные, полученные путём усреднения записей сигнала в разные дни (1000 движений в день), показывают медленно нарастающий отрицательный потенциал, возникающий примерно за 1с до начала движения, регистрируемый с обеих сторон головы на большом пространстве, но с максимальной амплитудой над дополнительной двигательной корой (поле 6 по Бродману).

Аналогичную активность поля 6 по Бродману показывает исследование кровотока при выполнении тех же произвольных движений. Кровоток усиливается в пределах той соматомоторной коры, где находится представительство совершающей движение части тела. В зависимости от характера действий испытуемого могут дополнительно активизироваться лобные и ассоциативные области. Но самый активный очаг  кровотока наблюдается в каждом полушарии медиальнее и ростральнее двигательной коры, т.е. в поле 6 по Бродману. Причём он тем больше, чем больше внимания требуется испытуемому для совершения произвольных движений, в том числе, когда его просят только мысленно представить совершаемые действия (в данном случае первичная моторная кора не активируется).

Из электрофизических и метаболических опытов следует, что двигательный анализатор  (поле 6 по Бродману) преимущественно обеспечивает функцию планирования при выполнении движений, а само движение обеспечивает моторная кора (поле 4 по Бродману).

Кора мозга преимущественно содержит шесть слоёв:

1. Молекулярный. В нём множество волокон, образующих густое параллельное поверхности сплетение, но мало клеток. В ней заканчиваются волокна из других слоёв коры и из противоположного полушария. Нейроны этого слоя имеют непосредственное отношение к процессам памяти.

2. Наружный зернистый (гранулярный). В нём густо расположены мелкие нейроны различной формы, в том числе малые пирамидные клетки.

3. Наружный пирамидный. Состоит в основном из пирамидных нейронов средней величины, более крупные из которых расположены ниже.        Второй и третий слои состоят из ассоциативных нейронов, осуществляют внутрикорковые связи и обеспечивают аналитические мыслительные процессы.

4. Внутренний зернистый (внутренний гранулярный), является главным афферентным слоем коры. В нём рыхло расположены мелкие нейроны (звездчатые клетки) различной величины, между которыми проходят плотные пучки параллельных поверхности коры волокон. На нейронах этого слоя заканчиваются проекционные нервные волокна, идущие от ядер таламуса и коленчатых тел.

5. Внутренний пирамидный. Состоит из средних и крупных пирамидных клеток. Именно в этом слое двигательной коры находятся гигантские пирамидные клетки Беца.

6. Веретеновидный (мультиформный). В нём находятся преимущественно веретеновидные нейроны, а также самой различной формы (треугольные, полигональные, овальные). От них берут начало ассоциативные и комиссуральные волокна.

Связи корковых нейронов друг с другом и с входящими в  кору афферентами представлены на рисунке.

 Особенностью двигательной коры (прецентральной извилины и спереди от неё) является то, что в ней не выражен зернистый слои II, а слой IV практически отсутствует. В III  слое двигательной коры, где заканчивается часть волокон, идущих в составе таламо-коркового пути, осуществляется анализ проприоцептивных (кинестетических) раздражений. В V слое коры располагается ядро двигательного анализатора. От пирамидных клеток этого слоя начинаются эфферентные проекционные волокна коры к нижележащим структурам: базальным ганглиям, стволу, спинному мозгу (кортикоспинальный или пирамидный тракт).

Подробнее о роли подкорковых двигательных центров при осуществлении движений  читайте здесь

    В связи со структурно-функциональной взаимосвязью корковых клеток большого мозга введено понятие корковых колонок (модулей). Каждая из них представляет собой вертикально ориентированный ряд нейронов, проходящий через все слои коры. Колонка имеет свой вход и выход и предназначена для обработки поступающей информации. В корковом модуле (колонке) находится по  110 нейронов (в зрительных полях их 300-500). Они окружены радиально расположенными артериолами и нервными волокнами, образующими их границы. Медиаторы корковых нейронов до сих пор точно не определены. Считается, что пирамидные клетки выделяют глутамат или аспарат. В некоторых звёдчатых клетках обнаружены нейропептиды. Медиатором корзинчатых клеток служит ГАМК. Многие афференты выделяют моноамины (норадреналин и дофамин).

 Анатомически подтверждено, что в дополнительной двигательной коре  оканчивается большинство проходящих через таламус эфферентных путей от базальных ганглий. Последствия повреждения двигательного анализатора (поля 6 по Бродману) вызывают у человека резкое ограничение двигательной активности и ухудшение спонтанной речи (хотя больной способен повторять слова за другим человеком), что высоко характеризует дополнительную двигательную кору  в двигательном мышлении.

 Таким образом, двигательный анализатор (дополнительная двигательная кора) занимает главенствующую роль в двигательной области мозга и осуществляет высшую функцию в процессе его двигательного мышления при взаимодействии с сенсорной двигательной корой и ассоциативными областями мозга.

Связи двигательного анализатора

Связи двигательного анализатора с подкорковыми двигательными центрами обусловлены прежде всего эволюционной адаптации двигательной системы к выполнению все более сложных задач в процессе эволюции самого человека.

Филогенетический анализ показывает, что кора головного мозга развивалась постепенно. У рыб и амфибий она выполняла лишь функцию анализатора обонятельных раздражений. У рептилий она стала анализировать наряду с запахами и зрительную информацию. У млекопитающих она стала занимать большую часть полушарий большого мозга, анализируя все виды чувствительности, в ней стали формироваться высшие двигательные центры. У высших приматов, обосновавшихся на деревьях, на ней и  мозжечке появляются борозды и извилины, за счет которых увеличивается  площадь поверхности. С появлением бипедальности у приматов, развитием речи и навыков труда у человека, произошло перераспределение отдельных отделов мозга (к примеру, утрата тонкого обоняния) и увеличились двигательные функции, особенно передних конечностей и кисти. Масса мозга от австралопитеков до Homo sapiens увеличилась за 4,5 млн. лет с 350 до 1600 грамм. Развитие двигательной системы мозга происходило путем не столько преобразования уже существующих структур головного мозга, сколько путем формирования добавочных регулирующих механизмов для выполнения новых видов деятельности (бипедальности, речи, овладения навыками охоты и труда и т.д.). Одновременно с процессом образования новых структур совершенствовалась специализация более ранних двигательных центров, что обеспечило в дальнейшем их взаимную работу в качестве партнёров в двигательном мышлении мозга.

  В процессе двигательного мышления активно взаимодействуют двигательная кора (поле 4 по Бродману), премоторная кора (поле 6 по Бродману), сенсорная кора (поле 1,2,3, 5, 7 по Бродману), префронтальная ассоциативная кора лобных долей (поля 10,46 по Бродману), височно-теменно-затылочная области (7, 17-22,40 по Бродману) вместе с ассоциативной лимбической системой, поскольку последняя играет особую роль в видоспецифическом поведении (влечении, мотивации и т.д.), обуславливающих большинство совершаемых движений.

 В двигательном мышлении нейронное взаимодействие осуществляется по пирамидным трактам и ассоциативным проводящим путям.

  Основными  трактами являются:

Корково-спинномозговой путь, который проводит сознательные двигательные нервные импульсы, обеспечивающие управление скелетной мускулатурой туловища и конечностей, а также тормозные импульсы от коры головного мозга к нейронам двигательных ядер передних рогов спинного мозга (оказывает тормозное воздействие).

Данный путь образуется аксонами пирамидных клеток Беца, расположенных в 5 слое коры, которых насчитывается в предцентральной извилине (поле 4 по Бродману) до 35 000. Всего же в составе корково-спинномозгового пути насчитывается до 1 000 000 волокон, что говорит о том, что в нём участвуют также и пирамидные клетки средней величины. Общий пирамидный путь состоит из аксонов пирамидных клеток:

• поля 4 по Бродману и околоцентральной дольки  (2/3).
•  полей 1,2,3 по Бродману  и верхней теменной дольки — поле 7 по Бродману (1/3).

В моторной коре пирамидные клетки локализуются по   двигательным функциям. Мышцы, выполняющие сложные и тонко дифференцированные движения, имеют большую проекционную зону в двигательной коре. Как видно из рисунка моторного гомункулуса Пенфилда, наибольшую площадь занимают проекции мышц языка, лица, кисти, наименьшую –  проекции мышц туловища и нижних конечностей. То есть двигательная регуляция частей тела, обладающих наибольшей свободой движений, требует участия больших участков коры.

  Аксоны пирамидных клеток в составе пирамидного тракта идут в нисходящем направлении во внутреннюю капсулу (занимают передние 2/3 задней ножки), далее проходит по вентральной поверхности ствола головного мозга ( в среднем мозге занимает 3/5 поперечного сечения ножки мозга). В мосту он расходится на большое количество мелких пучков, разделенных собственными ядрами моста. В области продолговатого мозга аксоны вновь собираются вместе, далее входят с состав пирамиды. Большая часть волокон (80%) образует на границе продолговатого и спинного мозга перекрест пирамиды с аналогичными волокнами противоположной стороны. В составе пирамиды 20% аксонов остаётся на своей стороне, входят в передний канатик спинного мозга и находятся на уровне шейных и грудных сегментов двигательных ядер передних рогов. Перекрещенные волокна идут в боковой канатик спинного мозга, который носит название латерального корково-спинномозгового пути. Достигнув своего сегмента, волокна выходят из состава тракта и заканчиваются на двигательных ядрах передних рогов спинного мозга своей стороны.

Таким образом, к мускулатуре туловища в составе корково-спинномозговых путей проходят группы волокон: неперекрещенные волокна в составе переднего корково-спинномозгового пути и перекрещенные волокна в составе переднего и латерального корково-спинномозговых путей. Данная 3-х уровневая иннервация мускулатуры туловища и особенно дыхательной мускулатуры находится под тройным тормозным контролем нейронов коры полушарий мозга своей и противоположной стороны.

Аксоны вторых нейронов (мотонейронов) расположены в двигательных ядрах передних рогов спинного мозга, покидают спинной мозг в составе передних корешков спинномозговых нервов и идут к скелетной мускулатуре.

Корково-ядерный путь проводит сознательные двигательные импульсы, обеспечивающие управление мускулатурой головы и частично шеи. Он также проводит тормозные импульсы от коры к нейронам двигательных ядер черепно-мозговых нервов III,IV,V,VI,VII,IX,X,XI,XII. Часть этих волокон заканчивается синапсами на клетках двигательных ядер (оказывает тормозное воздействие на сегментарный аппарат ствола мозга).

Данный путь также образуется аксонами пирамидных клеток V слоя коры: 70% от нижне-латеральной трети предцентральной извилины (поле 4 по Бродману), 20% — от клеток нижней трети постцентральной извилины (поля 1,2,3 по Бродману — обусловлено соматотопической проекцией на кору жевательных и мимических мышц, мышц мягкого неба,глотки, гортани, глазного яблока), 10% — от клеток верхней теменной дольки (поле 7 по Бродману).

Аксоны от этих трёх частей мозга сходятся в пучок, который проходит через колено внутренней капсулы, далее идёт по вентральной поверхности ствола мозга:

• в средней части основания ножки мозга — отделяется часть волокон, которая заканчивается синапсами на клетках двигательных ядер глазодвигательного (III ЧМН) и блокового (IV ЧМН) черепных нервов.
• в основании моста — отделяется часть волокон, которая заканчивается синапсами на клетках двигательных ядер V,VI,VII ЧМН.
• к  продолговатому мозгу к верхним шейным сегментам приходят волокна, которые заканчиваются на нейронах двигательных ядер  IX,X,XI,XII ЧМН.

Ассоциативные проводящие пути центральной нервной системы, которые соединяют интеграционные центры головного мозга: корково-мозжечковый путь; мозжечково-покрышечный тракт, мозжечково-таламический тракт; корково-таламический тракт.

Наибольшее значение в двигательном мышлении имеет корково-мозжечковый ассоциативный путь (двух нейронный), который осуществляет контроль над деятельностью мозжечка, обеспечивает выполнение целенаправленных предуготованных движений, которые совершаются с участием пирамидных путей.

Первые нейроны этого пути располагаются в V слое коры различных долей коры. Их аксоны идут двумя пучками:

• лобно-мостовой, который берет начало от нейронов коры лобной доли, проходит через переднюю ножку внутренней капсулы;
•  затылочно-височно-мостовой, который берет начало от аксонов клеток затылочной, височной и теменной долей, далее проходит через среднюю часть задней ножки внутренней капсулы, в среднем мозгу располагается в основании ножки мозга, в веществе моста соединяется с лобно-мостовым трактом и синаптически заканчивается на собственных ядрах моста.

Вторыми нейронами являются нейроны собственных ядер моста, Их аксоны собираются и объединяются на противоположной стороне моста, образуя среднюю ножку мозжечка. Этот пучок носит название мосто-мозжечковый путь, который синаптически заканчивается на нейронах коры полушарий мозжечка. Таким образом, кора каждого полушария большого мозга посредством корково-мозжечкового пути связана с корой полушарий мозжечка противоположной стороны. В коре полушарий мозжечка также как в коре большого мозга имеется соматопическая проекция, где также наибольшее представительство имеют кисти и особенно пальцы кистей, поскольку выполняют сложные дифференцированные движения.

Дальнейший путь нервных импульсов из коры полушарий мозжечка осуществляется через мозжечково-зубчатый и зубчато-красноядерный путь, далее — следуют к спинному мозгу. В связи с двойным перекрестом (Вернекинга и Фореля) эфферентные пути мозжечка достигают мускулатуры своей стороны.

Таким образом, связи двигательного анализатора имеют выраженный иерархический характер, где двигательный корковый центр управляет нижерасположенными стволовыми двигательными центрами. Данное взаимодействие осуществляется на принципе партнёрства, так как центры движений сформировались и прошли специализацию в результате длительного эволюционного пути.

Механизм двигательного мышления

Как отмечалось выше, двигательное мышление состоит из последовательных процессов: побуждение к действию, выбор стратегии и планирование, программа движений, выбор конкретных спинальных мотонейронов  и непосредственно двигательная активность, нацеленная на результат. Каждый из этих этапов основывается конкретных морфологических субстратах ЦНС.

Процесс осуществления двигательного мышления представлен на схеме (для упрощения опущены лимбическая система, мозжечок, базальные ганглии, таламус).

  Как видно из схемы, внешние стимулы и сигналы от рецепторов (поля 1,2,3,5,7 по Бродману) вызывают последующие целенаправленные движения, которым предшествуют  фазы подготовки, выбора нужного положения тела (позы), синергии движений,  выполнения действий и достижения цели.

Побуждение к действию (драйв), переходящее в стратегию и план действий,  формируется в подкорковых (лимбическая система) и корковых (поле  9-11, 17-22,40,46 по Бродману) мотивационных и ассоциативных  областях мозга. Затем нейронные сигналы  в дополнительной двигательной области (поле 6 по Бродману) преобразуются в программы движений. Непосредственное управление движениями осуществляется в двигательной коре (поле 4 по Бродману) и  двигательных центрах (базальные ганглии, таламус, ядра моста, мозжечок, спинной мозг), а оттуда к скелетным мышцам для реализации. Автоматизация движений происходит благодаря взаимодействию двигательной коры и базальных ганглий. Они вместе с мозжечком и ядрами моста помогают автоматизировать часто повторяющиеся движения, что позволяет выполнять их с минимальным сознательным контролем при осуществлении двигательного мышления. Автоматические сопровождающие движения, к примеру, движения типа взмахов рук при ходьбе или жестикуляции при разговоре, контролируются подкорковыми структурами и не требуют контроля с участием двигательной коры. В тоже время исчезновение  таких сопровождающих движений может свидетельствовать о признаках некоторых заболеваний, связанных с нарушением мыслительных процессов (паркинсонизм).

Сенсорная и двигательная системы в процессе двигательного мышления тесно связаны, поскольку двигательные центры должны постоянно получать для осуществления двигательных актов  информацию и сигналы от рецепторов органов чувств. Кроме того зрительную и тактильную информацию можно получить только с помощью двигательных актов. В обоих случаях некоторая часть сенсорных сигналов достигает центров движения коротким путём (посредством спинальных рефлексов), а остальные идут по длинным рефлекторным путям, затрагивающим таламус и кортикальные структуры.

Взаимодействие корковых о подкорковых двигательных центров представлено  на схеме

 Из схемы видно, что нервные пути связывают сенсорную, двигательную, премоторную и ассоциативную кору, которые выступают как партнёры в выработке решений, планов, стратегий, программ действий.  Наряду с кортикокортикальной обработкой информации на схеме представлено как эти  петли проходят через вне корковые структуры (мозжечок и базальные ганглии), прежде, чем попасть для исполнения движений в спинной мозг. Мозжечковая петля и та, что проходит через базальные ганглии («двигательная» петля), попадают в двигательные ядра таламуса.Третья («комплексная») петля идёт через базальные ганглии  и ассоциативные ядра таламуса к ассоциативной коре.

Двигательная и премоторная кора посылают сигналы к базальным ганглиям, которые фильтруют и модулируют эти команды, а затем возвращают обработанную информацию через двигательный таламус обратно в кору.

Таламус является важным релейным центром промежуточного мозга, который передаёт информацию между корой головного мозга и подкорковыми структурами.

Мозжечок играет ключевую роль в координации и точности движений, так как имеет сенсорные входы от зрения, вестибулярного и других анализаторов. Мозжечок корректирует двигательные команды путём их сопоставления с сигналами от сенсорных входов и сообщает об ошибках в кору для точного выполнения движений.

Роль в двигательном мышлении лобных долей мозга легко проследить на примере больных с поражением этих областей мозга. Они, как правило, справляются с большинством стандартных тестов на интеллект, но в тоже время у них наблюдаются трудно поддающиеся описанию изменения личности, как отсутствие мотиваций, твердых намерений и планов, основанных на прогнозировании. Они часто ненадёжны, грубы, нетактичны, вспыльчивы, у них часто слова не соответствуют поступками. Если такого больного с поражением лобных долей попросить нажимать кнопку левой рукой при включении зелёной лампочки, а правой — при включении красной лампочки, то скоро он будет выполнять действие одной рукой, либо разными руками в случайном порядке. Если его попросить повторить правила нажатия лампочек, он расскажет их правильно, однако откорректировать свои действия не сможет.  Этот эксперимент показывает, что вербальная команда не передаётся к его двигательным зонам, отвечающим за движения рук. Такие больные также трудно изменяют поведение в соответствии с внешними обстоятельствами («идут на пролом»).

Таким образом, в двигательном мышлении  работают все отделы мозга, но высшие функции двигательного мышления осуществляются головным мозгом на этапе выработки стратегии и программы движений с участием премоторной коры и лобных (ассоциативных) областей мозга.

Примеры двигательного мышления

Механизм двигательного мышления можно проследить на конкретных примерах профессиональной деятельности, требующей скорости в принятии решений и точности выполнения движений.

1. Водитель автомобиля использует двигательное мышление для безопасного и эффективного управления транспортным средством, особенно в сложных дорожных условиях. Этот процесс включает в себя анализ дорожной обстановки, прогнозирование движений других участников дорожного движения и координацию движений для управления рулём, педалями и переключателями.

Этапы двигательного мышления:

• Анализ дорожной ситуации: оценка движения других автомобилей, пешеходов и дорожных знаков. Задействованы поля 1,2,3,8,17,18,19 по Бродману.
• Визуализация манёвров: планирование необходимых манёвров, таких как повороты, обгоны и торможение.Задействованы поля 6, 10,18,19, 46  по Бродману.
• Координация действий: управление рулём, педалями и передачами для безопасного выполнения манёвров. Задействованы поля 1,2,3,4,5,6,7 по Бродману, подкорковые центры: базальные ганглии, таламус, вестибулярный анализатор, мост, мозжечок, спинной мозг.

Таким образом, в двигательном мышлении водителя автомобиля задействованы не менее 13 полей головного мозга, 5 подкорковых структур и спинной мозг.

2. Хоккеист использует двигательное мышление, чтобы быстро и точно принимать решения на льду. Этот процесс включает в себя анализ позиции противников, расчёт силы и траектории удара по шайбе, а также координацию движений тела для манёвров и ударов.

Этапы двигательного мышления:

• Анализ игровой ситуации: хоккеист оценивает расположение своих товарищей по команде и противников, а также чувствительностью рук, держащих клюшку, определяет позицию шайбы. Задействованы поля 1,2,3,5,7,8,17,18,19 по Бродману.
• Визуализация движений: планирование своих движений и ударов, включая расчёт угла и силы удара. Задействованы поля 6, 9,10,18,19, 46  по Бродману.
• Координация и исполнение: синхронизация движений рук и ног для точного удара по шайбе и маневрирования на льду. Задействованы поля 1,2,3,4,5,6,7,20 по Бродману, подкорковые центры: базальные ганглии, таламус, вестибулярный анализатор, мост, мозжечок, спинной мозг.

Таким образом, в двигательном мышлении хоккеиста в игре задействованы не менее 15 полей головного мозга, 5 подкорковых структур и спинной мозг.

3. Военный разведчик в бою использует двигательное мышление для выполнения сложных тактических задач в боевых условиях. Этот процесс включает в себя скрытное передвижение, оценку обстановки на поле боя, в том числе с использованием квадрокоптера с камерой, использование маскировки и оружия, а также координацию действий с другими разведчиками.

Этапы двигательного мышления:

• Анализ боевой обстановки: Оценка положения противника, своего укрытия и возможных маршрутов передвижения. Задействованы поля 1,2,3,5,7,8,10,17,18,19, 46 по Бродману.
• Визуализация тактических действий: Планирование передвижений, стрельбы и использования летательного оборудования (квадрокоптера с камерой) для достижения целей боевого задания. Задействованы поля 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,18,19,46  по Бродману.
• Координация и исполнение: Передача жестами информации другим разведчикам для согласований действий, синхронизация движений тела для быстрого и точного выполнения тактических задач, включая использование оружия и снаряжения. Задействованы поля 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,17,18,19,20,21,22,41,46 по Бродману, подкорковые центры: базальные ганглии, таламус, вестибулярный анализатор, мост, мозжечок, спинной мозг.

Таким образом, в двигательном мышлении хоккеиста в игре задействованы не менее 18 полей головного мозга, 5 подкорковых структур и спинной мозг.

Эти примеры наглядно показывают, как двигательное мышление применяется в различных сферах жизни для выполнения сложных двигательных задач.

Вывод

Двигательное мышление коры головного мозга — это сложный и скоординированный процесс, включающий несколько ключевых областей мозга. Двигательная кора, взаимодействуя с подкорковыми центрами, такими как базальные ганглии и мозжечок, обеспечивает планирование, координацию и выполнение произвольных движений.  Понимание механизмов двигательного мышления помогает учитывать специфику принятия двигательными центрами коры и подкорковых структур решений и программ действий,  помочь адаптироваться организму к новым условиям и достигать высоких результатов в различных сферах деятельности.

Надеюсь, эта статья была полезной для Вас! 😊

Познайте свой мозг и улучшите память!💪

Записывайтесь на базовый курс обучения «Мнемотехника»❤️