В этой и предыдущих главах мы начали рассматривать применимость биотенсегрити-подхода к пониманию функциональной анатомии на макроуровне: организма в целом и его макроблоков (конечности, суставы и т. д.). Этот переход достаточно сложный в сравнении с биотенсегрити-интерпретацией процессов клеточного и субклеточного микроуровней (глава 5).
С помощью региональных иллюстраций — натяжная взаимостабилизация позвонков без перегрузки межпозвоночного диска; плавающие кости колена и локтя; лопатка, как ступица натяжного тора (велосипедное колесо) — мы стараемся подвести читателя к восприятию биотенсегрити как целостной системной структуры.
При этом мы отдаем себе отчет в том, что для некоторых читателей эти иллюстрации могут показаться не более чем косвенными доказательствами, что, конечно же, неудивительно, поскольку битенсегрити-модель требует пересмотра геометрического здравого смысла применительно к функциональной анатомии человека и животных. Представление о костях, поставленных друг на друга и активно удерживаемых в стабильных положениях противоположно направленной работой мышц, — все это мы впитываем с самого раннего детства, наблюдая окружающие нас здания и механизмы, в результате принимая рукотворные протезирующие инженерные решения за природную норму.
Как говорил Б. Фуллер, наше стандартное образование учит детей огромному числу ошибочных и наивно-упрощенных представлений, и поэтому каждому из нас потом приходится всю жизнь разучиваться и отучаться от того, чему нас научили в детстве. По сути, биотенсегрити предлагает читателю именно такой выбор — возможность уйти от наивно-упрощенных, но ошибочных пониманий функциональной анатомии к несколько более сложным, но при этом намного более полным, продуктивным и элегантным.
Приведенные в этой и предыдущих главах вводные иллюстрации биотенсегрити функционирования позвоночника и суставов являются лишь первым шагом на пути к более глубокому пониманию того, как на самом деле функционирует организм.
Для этого нужно в первую очередь осознать, что стандартную модель костно-мышечной системы, опорно-двигательного аппарата и функциональной анатомии не спасти. Их нужно именно что выкорчевывать из нашего мировоззрения. Это относится не только к структуре, но и к управляющему контуру — нервной системе, координации элементов, системной сложности, нелокальности и т. д.
Данные современных исследований по неврологии и нейромышечному контролю не только не спасают стандартную костно-мышечную рычажную модель, а наоборот, создают еще более сильную мотивацию к отходу от нее.
Иначе говоря, если бы биомеханическая структура и вправду работала по рычажному принципу, то фактически имеющийся сигнальный контур нервной системы не смог бы ею управлять и ее обслуживать. В науке прошлого точных данных о реальных скоростях работы сигнальной системы не было, поэтому ее способность управлять всем и вся именно посредством выделенных сигналов как бы предполагалась и, по сути, додумывалась. Однако наконец наступает время, когда на смену додумыванию приходят новые факты! Даже самый быстрый моносинаптический рефлекс испытывает задержку, поэтому центральное сигнальное объяснение не натягивается на контроль двигательной функции.
По мере уточнения и получения новых нейрофизиологических данных становится все более ясно, что стандартная модель, в которой предполагается, что центральная нервная система напрямую и непосредственно управляет всеми уровнями возникновения и реализации поз и движений, рассылая сигналы, сталкивается с непреодолимыми трудностями из-за того, что все происходит слишком быстро и слишком сложно.
Начнем со сложности.
1. Реальные, а не идеализированные движения костей в пространстве осуществляются в очень широком диапазоне вариаций. Каждая кость во внутреннем пространстве организма описывает сложную 3D-траекторию, которую очень сложно высчитать точным образом (сдвиги, торсии, натяжения и т. д., которые кость передает в окружающие мягкие ткани). В результате модель пересчета внутренних координат положения костей внутри тела во внешние координаты, необходимая для реализации функциональных целей во внешнем пространстве, становится нереалистично сложной и неустойчивой.
Более ранние и наивно упрощенные версии стандартной биомеханики движений сильно округляли эти неточности и не поднимали вопроса взаимопересчета внутриорганизменных и внешнепространственных координат. Но как только мы отказываемся от очень грубых округлений, у стандартной костно-мышечной рычаговой модели возникают большие проблемы.
2. На этом реальная сложность в организации движения не заканчивается, а только начинается. Каждая мышца натягивается в направлении, параллельном направлению ее сократительных волокон (или, в случае перистых мышц, сухожильному апоневрозу), способствуя определенному расположению костей во время движения и создавая возможность для легкой адаптации к тем функциональным требованиям, которые к ним предъявляются.
Однако при этом сложение сил действия внутримышечных волокон следует их спиральной организации, повторяющей ход мышцы во внутреннем пространстве организма. Таким образом, в зависимости от паттерна активации ансамбля волокон в мышце могут быть реализованы самые тонкие настройки пространственного положения, создавая возможность для легкой адаптации к тем функциональным требованиям, которые к ним предъявляются.
Таким образом, мы видим, что сложное устройство мышечных ансамблей функционально полезно и адаптивно необходимо, однако при этом сложности центрального контроля и пересчета внутренних и внешних координат, о которых мы начали говорить применительно к костям, только возрастают, подрывая уютный мирок стандартных упрощений и округлений.
3. Теперь перейдем к ограничениям, накладываемым на реалистичность стандартной модели непосредственно организацией центральной и периферической нервной системы.
Во-первых, за последние годы мы видим растущее осознание того, что наибольший объем двигательной информации обрабатывается не центральной, а периферической нервной системой вплоть до самого низкого уровня монорефлекторных дуг.
Безусловно, моторная кора головного мозга и центральный генератор упорядоченной активности (ЦГУА) вносят свой вклад в реализацию целенаправленной двигательной деятельности.
Однако сейчас все больший акцент в понимании делается на том, что вся деятельность и активность организма циклическая и ритмическая, а не складывается из суммы единичных указаний из ЦНС на отдельные действия. При таком рассмотрении наиболее важным уровнем контроля движений становится обработка входной информации, необходимой для поддержания или коррекции цикла.
С одной стороны, это предполагает спуск контроля вниз по ЦНС от коры к стволу и спинному мозгу. Но и в этом случае основным источником контроля сложных рефлекторных паттернов на уровне ствола и спинного мозга является обмен информацией с различными частями системы, который зависит от того огромного количества сенсорной информации, которую они получают из суставных капсул и связанных мышц, связок и фасций. Рефлекторные системы усваивают эту информацию и инициируют мышечные сокращения таким образом, чтобы дополнить супраспинальный контроль (Turvey & Fonseca, 2014).
Итак, мы подходим к центральной уязвимости всей системы иерархического нейроконтроля. С одной стороны, реализация двигательных циклов в первую очередь завязана на адекватность и скорость реагирования рефлекторных систем на уровне элементарных рефлекторных дуг. Но, с другой стороны, их способность реагировать на неожиданные изменения в системе неполна, поскольку даже самый быстрый моносинаптический рефлекс испытывает задержку во времени (Brown & Loeb, 2000; Kiely & Collins, 2016).
Очевидно, что в системе, стабилизация которой полностью зависит от работы противопожно направленных мышц (стандартная модель), задержка их реагирования абсолютно критична для ее целостности и сохранности ее элементов. В стандартной модели вся динамика завязана исключительно на мышцы — не только собственно двигательная, но и стабилизационно-нейтрализующая защита от внешних механических воздействий. Иначе говоря, если мышцы не способны к мгновенному реагированию, то задержка их сигнальной активации, например на 200 миллисекунд, означает что при любом скачке механической нагрузки, происходящем быстрее, чем 200 миллисекунд, организм абсолютно уязвим и беззащитен! Очевидно, что наличие таких окон разрушения в очень короткие сроки приведет к накоплению ошибок и тканевых разрушений в организме из-за пиковых концентраций механических нагрузок.
Нравится нам или не нравится, но стандартное объяснение сигнального управления функциональной анатомией опорно-двигательного аппарата — «не поет». Нам все равно придется его менять, потому что как бы мы не выкручивались, пытаясь сохранить привычную модель неврологического сигнального управления, мы упираемся в неразрешимую проблему задержки сигнала, а значит, и открытого хакерского портала для динамических разрушений, на котором вся предыдущая понятийная конструкция просто рушится.
Это значит, что вопрос структурно-архитектурной организации, способной к мгновенному реагированию на уровне встроенной механо-геометрической прошивки (МГП), становится центральным вопросом всей схемы организации двигательной деятельности.
У стандартной рычажной биомеханики опорно-двигательного аппарата нет решения для этой проблемы.
В биотенсегрити-интерпретации такой ответ есть! Наиболее эффективное решение этой критически важной проблемы — организация групповой динамической внутренней связности по принципу замкнутых кинематических цепей (ЗКЦ).
Необходимость учета групповой динамики (нелокальность) связана с тем, что движение одиночного модульного сустава — это гораздо больше, чем просто локальное событие, поскольку через гетерархические связи оно затрагивает все тело.
Геометрия замкнутой цепи показывает, как можно организовать несколько структур таким образом, чтобы система могла реагировать мгновенно, используя механосенсоры, предоставляющие информацию, которая поступает в нервную систему и позволяет активно регулировать величину давления или расстояния между суставными поверхностями (Levin et al, 2017).
Биотенсегрити позволяет понять процессы и взаимодействия в организме, которые не способна объяснить, оставляет за кадром, а зачастую и попросту игнорирует традиционная биомеханика.
С одной стороны, биотенсегрити — это шаг вперед к более точному и тонкому пониманию биологических динамических процессов, в отличие от весьма грубого приближения и округления, которыми пользуется вычислительная биомеханика.
Но, с другой стороны, биотенсегрити предоставляет практикующим специалистам простые осязаемые модели, которые позволяют правильно и быстро отвечать на многие сложные клинические вопросы.
Например, модель велосипедного колеса наглядно показывает, как синовиальные суставы могут функционировать без чрезмерного напряжения окружающих их мягких тканей, даже при очень высоких нагрузках, и как костные ступицы плавают в них.
Кроме того, только биотенсегрити наконец-то впервые правильно определяет истинную функцию загадочных сесамовидных костей, которые всегда очень плохо вписывались в стандартные биомеханические модели.
Еще одним исключительно клинически важным прорывом биотенсегрити является полная отмена представления о крестце как о замковом камне внутри тазовой дуги.
И наконец, очевидна клиническая ценность биотенсегрити-подхода к исследованию колена in vivo, которое подтверждает, что бедренная кость должна «плавать» над большеберцовой костью, и биотенсегрити пока является единственным объяснением, которое делает это возможным.
Для специалистов по улучшению и восстановлению двигательной функции верхних конечностей особенно информативным и практически применимым является биотенсегрити-интерпретация работы локтевых суставов, объясняющая то, каким образом мягкие ткани могут удерживать поверхности сустава на расстоянии друг от друга и регулировать его движение.
И наконец, универсально важным выводом биотенсегрити-подхода является рассмотрение позвонков как локализованных островков компрессии внутри более обширной сети натяжения позвоночника, грудной клетки и туловища в целом, что указывает на фундаментальную способность позвоночника человека и других животных к одинаково хорошему функционированию как в горизонтальном, так и в вертикальном положениях, что впервые с легкостью объясняет хорошо известный и доселе парадоксальный факт, что у здорового человека процент задействования мышц в горизонтальном, сидячем и вертикальном положениях, а также при комфортной ходьбе примерно одинаков и составляет всего лишь менее 5–7 % от максимального мышечного сокращения.
Биотенсегрити и кинематика замкнутой цепи объясняют не только региональные, но и сложные двигательные и функциональные паттерны организма в целом. Биотенсегрити позволяет понять, каким образом кости на обеих сторонах сустава могут, с одной стороны, оставаться полностью стабильными, но при этом двигаться с минимальными усилиями, и как мягкие ткани могут их направлять. Таким образом, биотенсегрити создает логически непротиворечивую модель того, как каждая ткань может быть интегрирована в сложную сеть натяжения, которая в организме простирается во всех направлениях и образует адаптивный автоматический и перемещающийся подвесной комплекс, который соединяет многочисленные суставы (и все тело) в механически единую согласованно функционирующую единицу. В рамках этого комплекса становится понятно, каким образом акробату удается балансировать на одной руке, а тяжелоатлету поднимать слишком тяжелые для мягких тканей предметы, и все это благодаря встроенной в них силовой энергогеометрии спиралей и т-икосаэдров.
В то время как т-икосаэдр — это модель, в которой все жесткие распорки находятся внутри структуры (образуя эндоскелет, подобно упомянутым выше костям), пример обратной ситуации можно обнаружить в черепе, где кости, окружающие мозг, по существу, образуют жесткий экзоскелет со значительным натяжением тканей, возникающим изнутри. В следующей главе мы рассмотрим эти простые модели и некоторые конкретные аспекты развития черепа и височно-нижнечелюстного сустава.