CC BY
85
ЗАВИСИМОСТЬ МАКСИМАЛЬНОГО ТЕМПА ВЫПОЛНЕНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ПРОСТЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИЙ РУК ОТ СТРУКТУРНОЙ СЛОЖНОСТИ. ВОЗРАСТНОЙ АСПЕКТ
А.В. Курганский1 Институт возрастной физиологии, РАО, Москва
В работе анализировались временные параметры выполненных в максимально быстром темпе простого периодического и структурированного во времени таппинга у праворуких детей 6,7,8,9,10 и 11 лет и взрослых. Показано, что у детей 6-7 лет, в отличие от детей старшего возраста и взрослых, максимальный темп движения зависит от структурной сложности таппинга. Полученные результаты указывают на то, что по достижении 8 лет по-видимому происходит качественное изменение в характере центрального управления быстрыми периодическими движениями.
Ключевые слова: простые периодические движения, таппинг, возрастная динамика.
Dependence of the chain of simple periodic movements performed at maximum speed from its structural complexity. Age aspect. In this study the timing of simple
repetitive tapping and time-patterned tapping (groups of taps by three taps in each group) performed at maximum speed is analyzed in the right-handed children of 6, 7, 8,
9, 10 and 11 years old and adults. It is shown that in 6-7-year-old children unlike older children and adults the maximal speed is affected by the tapping structural complexity. The obtained results show that at around 8 years old evidently there happens some qualitative change in the way the rapid repetitive movements are centrally controlled.
Key words: simple periodic movements, tapping, age-related trends.
Таппинг, выполняемый в максимально быстром темпе, широко используется в неврологии [10, 19], при исследовании латерализации моторной функции у взрослых [6, 8, 16] и детей [1, 14], а также в возрастной психофизиологии и детской неврологии как базовый показатель скорости моторных процессов [1, 7, 12].
В рамках возрастной психофизиологии и физиологии особый интерес представляет использование выполняемого в максимальном темпе таппинга как экспериментальной модели для изучения формирования и развития механизмов временной и серийной организации движений [1]. Такой интерес обусловлен сочетанием двух существенных свойств таппинга. Во-первых, элементом такого таппинга является быстрое простое и стереотипное движение (обычно указательным пальцем или всей кистью). Во-вторых, последовательность таких движений можно сделать сколь угодно сложной за счет придания ей более или менее сложной временной структуры (временная сложность) или же за счет более или менее сложного чередования разных эффекторов (разные пальцы одной руки или разных рук), выполняющих движения (серийная сложность). В то время как абсолютное значение максимально быстрого темпа выполнения таппинга определяется сложным сочетанием центральных и нейромышечных факторов, различие в темпе выполнения двух (и более) видов таппинга различной временной или се-
Контакты:1 Курганский А.В.-E-mail: [email protected]
рийной сложности можно целиком отнести к различию в характере их центрального управления. Следует подчеркнуть, что отнесение разницы в максимальном темпе двух видов таппинга различной сложности целиком к различию в характере центрального управления последовательностью движений как целого подразумевает уверенность в неизменности управляемой системы при варьировании сложности таппинга, т.е. в неизменности вовлекаемых в движение кинематических степеней свободы и обеспечивающих движение групп мышц. Этому требованию в наибольшей степени удовлетворяют движения с одной степенью свободы, такие как сгибание-разгибание руки в локтевом или в лучезапястном суставах.
Цель настоящей работы состояла в том, чтобы, основываясь на отмеченных выше свойствах таппинга как экспериментальной модели, оценить возрастные изменения в характере центрального управления таппингом. Для этого в настоящей работе для большой выборки праворуких испытуемых (дети 6-11 лет и взрослые) сопоставляются интервалы между смежными движениями выполненного в максимальном темпе и за счет подвижности в лучезапястном суставе правой рукой простого периодического таппинга (ППТ) и структурированного во времени периодического таппинга (СВПТ).
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Испытуемые. В эксперименте приняли участие 365 праворуких детей обоих полов в возрасте от 6 до 11 лет и группа из 42 праворуких взрослых испытуемых (19 - 40 лет).
Двигательные задачи. Испытуемые выполняли таппинг различной сложности. В настоящей работе анализируются два вида таппинга (Рис.1), выполненного правой рукой в максимальном темпе: простой периодический таппинг (ППТ) и структурированный во времени периодический таппинг, состоящих из разделенных удлиненным промежутком времени групп по три движения в каждой (СВПТ). Из всей выборки испытуемых для дальнейшего анализа были отобраны те испытуемые, которые успешно выполнили обе задачи: группа из 39 взрослых испытуемых, 59 детей 6 лет (6.07±0.22), 78 детей 7 лет (7.06±0.29), 65 детей 8 лет (7.98±0.25), 41 ребенок 9 лет (9.13±0.25), 33 ребенка 10 лет (10.18±0.29), и единственная малочисленная группа из 8 детей 11 лет (11.3±0.23). Таким образом, анализировались данные 303 детей.
Испытуемый выполнял таппинг, сидя за столом, высота которого соответствовала росту, и опирал локоть правой руки о поверхность стола. Движения выполнялись, главным образом, за счет подвижности в лучезапястном суставе. Пальцы правой руки были сжаты в кулак, за исключением указательного пальца, кончиком которого замыкалась кнопка. Для регистрации таппинга использовалась написанная автором компьютерная программа, позволявшая измерять с миллисекундной точностью моменты времени, в которые происходило замыкание и размыкание кнопки.
Испытуемого просили выполнять движение в максимально быстром темпе, не останавливаясь и не замедляясь. Затем экспериментатор показывал, как надо выполнять движение, сначала в медленном темпе, потом все быстрее и быстрее. После этого испытуемого просили показать, как он/она будет выполнять движение. Характерными признаками попытки испытуемого увеличить темп выше макси-
мального являлись резкое возрастание тонуса мышц руки без увеличения темпа и появление пропусков движений.
Задачи выполнялись всеми испытуемыми в фиксированной последовательности: сначала ППТ, а затем СВПТ.
Анализ данных. В ППТ для каждого испытуемого вычислялось медианное значение интервала (далее Щ между смежными нажатиями кнопки.
ППТ
ММММ1МММ
время
СВПТ
III III III III
Рис. 1. Простой периодический таппинг (ППТ) и структурированный во времени периодический таппинг (СВПТ) изображены схематически в виде временной последовательности событий (столбики), соответствующих фазе нажатия на кнопку. На врезке показаны обозначения интервалов в СВПТ: П - интервал, разделяющий группы движений, 12 и 13 - интервалы между движениями в пределах группы.
Анализ СВПТ начинался с нахождения групп по три движения с помощью автоматической процедуры. Предварительные исследования, основанные на экспертном выделении групп по три движения, показали, что для всех возрастных групп коэффициент вариации интервалов, как между группами, так и в пределах группы составляет от 8% до 17%. Поэтому, в основу автоматического разбиения СВПТ на "тройки" был положен следующий критерий: считалось, что три последовательные движения составляют группу, если интервал перед первым движением в предполагаемой группе и интервал после последнего движения в ней - оба превышают каждый из двух интервалов между тремя движениями внутри группы не менее, чем на 20%. На следующем шаге по полученному для каждого испытуемого множеству "троек" оценивалось медианное значение каждого из трех интервалов: длинного интервала (И), разделяющего "тройки", и двух коротких (!2, !3), находящихся в пределах одной "тройки" (Рис.1).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Поскольку, как показал предварительный анализ, внутренние интервалы \2 и В в СВПТ не отличались значимо друг от друга ни в одной из возрастных групп (Ьтест для связанных выборок; все p > 0.2), для дальнейшего анализа использовался усредненный внутренний интервал = 0.5*(!2 + !3).
400
350
300
го
<я со
CL
£ 250
О
о
X
-О
CD
200
150
100
50
RRR
6 7 В 9 10 11 взрослые
возраст, годы
I
R
0
Рис. 2. Зависимости длительности интервала в ППТ (Ip) и среднего арифметического длительности двух внутренних интервалов в СВПТ (Ippp) от возраста.
Возрастные зависимости величин IR и IRRR показаны на рис.2, из которого следует, что обе величины убывают с возрастом. При этом у детей 6 и 7 лет интервал IRRR больше, чем IR, но по достижении 8 лет различия в длительности этих интервалов исчезают. Такой вывод подтверждается результатами двухфакторного дисперсионного анализа с повторными измерениями (rmANOVA). В качестве ме-жиндивидуального фактора был взят ВОЗРАСТ (6, 7, 8, 9, 10, 11 и взрослые), а в качестве внутрииндивидуального - ЗАДАЧА (ППТ, СВПТ). Высоко значимыми оказались как эффекты обоих факторов - фактора ЗАДАЧА (F(1,316) = 8.817, p =
0.003) и фактора ВОЗРАСТ (F(6,316) = 40.678, р < 0.0005), - так и их взаимодействие ВОЗРАСТхЗАДАЧА (F(6,316) = 8.756, р < 0.0005). Проведенный post hoc анализ показал, что интервал IRRR больше интервала IR на 82.8 мс в группе детей 6 лет (t(58) = 4.492, p < 0.0005) и на 22.8 мс у детей 7 лет (t(77) = 3.383, p = 0.001). В остальных возрастных группах значимые различия отсутствовали (все p > 0.29). Однофакторный дисперсионный анализ длительности интервала IR в зависимости от возрастной группы подтвердил, что полученный в исходном анализе основной эффект фактора ВОЗРАСТ связан не только с быстрыми возрастными изменениями IRRR, но присущ и ППТ (F(6,316) = 30.504, p < 0.0005). Дальнейшие парные сравнения возрастных групп показали, что длительность IR практически одна и та же в группах 6 и 7 летних детей (260.7 мс и 262.8 мс, соответственно; p = 0.774),
но при этом значимо отличается от таковой у всех возрастных групп, начиная с 9летнего возраста и старше (все p < 0.005).
В связи с полученными результатами возникает вопрос, какие центральные факторы вносят основной вклад в возрастной прогресс в скорости выполнения ППТ? Если исходить из того, что ППТ представляет собой последовательность дискретных (отдельных) движений из одного пространственного положение в другое (вниз до нажатия кнопки и вверх в исходное положение), то увеличение предельного темпа ППТ может быть рассмотрено как следствие совершенствования управления баллистическими движениями, т.е. может иметь ту же природу, что и увеличение темпа движений между двумя пространственными целями в циклическом варианте задачи Фиттса [5] при невысоких требованиях к пространственной точности. Действительно, как показано в [20], с возрастом структура такого движения "упрощается": вместо характерного для предшкольного и младшего школьного возраста выполнения движения посредством последовательности нескольких субдвижений (движение, вызываемое парой коротких фазических усилий в мышцах-антагонистах и имеющее колоколообразный профиль мгновенной скорости) движение реализуется за счет одного субдвижения. Аналогичная возрастная закономерность наблюдается и для простых циклических графических движений [2]. При этом причину снижения числа субдвижений одни авторы [3, 9] связывают с переходом от управления движением с использованием сенсорной обратной связи на программное управление, а другие [2] - со снижением вариативности (уровня шума) в моторной системе.
Увеличение темпа ППТ может быть связано не с совершенствованием управления дискретными движениями, а с переходом от дискретных к осцилляторным движениям. Именно такой переход наблюдается у взрослых испытуемых в циклическом варианте задачи Фиттса при низких значениях индекса трудности [13, 15]. При таком переходе закон движения становится близким к синусоидальному, что характерно и для детей младшего школьного возраста [3], и выигрыш в темпе выполнения движения возникает в силу того, что в синусоидальном движении цикл целиком реализуется за счет всего одного субдвижения, тогда как в дискретном варианте для завершения цикла требуется два субдвижения [2].
Отметим, что увеличение максимального темпа выполнения ППТ не обязательно связано с каким-либо одним из перечисленных факторов; на разных возрастных этапах оно может определяться действием различных факторов или даже их сложным сочетанием.
Второй вопрос связан с различием в длительности внутренних интервалов в СВПТ и интервала в ППТ у детей 6-7 лет и отсутствием такого различия у остальных групп испытуемых. Тот факт, что внутренние интервалы в СВПТ и ППТ численно совпадают и, соответственно, демонстрируют идентичную возрастную динамику в широком диапазоне возрастов от 8 лет до взрослости, естественно рассматривать как сильный аргумент в пользу единого для этих двух видов таппинга способа выполнения движений (или, как обсуждалось выше, последовательности сменяющих друг друга в ходе развития различных способов). У детей 6-7 лет управление ППТ и СВПТ, очевидно, происходит по-разному, и это различие может быть связано как с различием в способах выполнения движений так и с различием в эффективности одного и того же способа. В частности, не исключено, что выполнение СВПТ детьми 6-7 лет требует существенно более сложного моз-
гового обеспечения, чем это характерно для более старшего возраста. Ряд исследований, выполненных в последние годы на взрослых испытуемых, показал, что усложнению временной (ритмической) и серийной (разные пальцы) организации таппинга, выполняемого как в максимальном темпе, так и в темпе, изначально заданном сенсорным сигналами, сопутствует усложнение системы участвующих в обеспечении движения отделов мозга [4, 11, 17, 18]. К сожалению, экспериментальных исследований функциональной организации мозга в процессе выполнения структурированного во времени периодического таппинга, в особенности исследований, выполненных на детях предшкольного и младшего школьного возраста, недостаточно для установления связи между сложностью мозговой системы и характером взаимодействия ее структурных составляющих, с одной стороны, и темпом выполнения движений - с другой.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные в настоящей работе данные выявили два существенных факта. Во-первых, дети 6-7 лет более чувствительны к усложнению временной организации таппинга, чем дети старшего возраста: длительности внутренних интервалов в структурированном во времени периодическом таппинге значимо больше, чем длительность интервала в простом таппинге. Во-вторых, по достижении 8 лет разница в длительности интервала исчезает, и в дальнейшем оба вида интервалов демонстрируют идентичную возрастную динамику. Это свидетельствует о том, что, начиная с 8 лет, движения как в простом таппинге, так и в структурированном во времени периодическом таппинге, скорее всего, выполняются на одном и том же уровне моторной иерархии. Максимальный темп выполнения простого периодического таппинга практически не изменяется в возрастном интервале от 6 до 8 лет, но при этом почти линейно увеличивается в интервале от 8 лет и по крайней мере до 11 лет. Оба эти факта свидетельствуют о том, что в 8-летнем возрасте происходит качественное изменение в характере центрального управления быстрыми периодическими движениями.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Курганский А.В. Механизмы центрального программирования произвольных серийных движений и их формирование в онтогенезе: автореферат на соискание ученой степени канд. биол. наук. - М.: 1994.
2. Курганский А.В., Курганская М. Е. Возрастные изменения пространственно-временной структуры простых графических движений, выполняемых циклически в максимальном темпе. Сообщение I. Увеличение темпа движений связано с уменьшением числа субдвижений в цикле // Физиология человека. - 2011/ -Т.37, № 1. - С.1-11.
3. Bourgeois F., Hay L. Information processing and movement optimization during development: kinematics of cyclical pointing in 5- to 11-year-old children // Journal of motor behavior - 2003.- V. 35, No 2. - P. 183-195.
4. Dhamala M., Pagnoni G., Wiesenfeld K., Zink C.F., Martin M., Berns G.S. Neural correlates of the complexity of rhythmic finger tapping // NeuroImage. - 2003. -V. 20. - P. 918-926.
5. Fitts P.M. The information capacity of the human motor system in controlling of the amplitude of movement // J. Exp. Psychol. - 1954. - V. 47, No. 6. - P. 381-391.
6. Flowers K. Handedness and controlled movement // British Journal of Psychology. - 1975. - V. 66. No 1. - P. 39-52.
7. Gasser T., Rousson V., Caflisch J., Jenni O.G. Development of motor speed and associated movements from 5 to 18 years // Developmental medicine & child neurology. - 2010. - V. 52, No. 3. - P. 256 -263.
8. Hausmann M., Kirk I.J., Corballis M.C. Influence of task complexity on manual asymmetries // Cortex. - 2004. - V. 40. - P. 103-110.
9. Hay L., Redon C. The control of goal-directed movements in children: Role of proprioceptive muscle afferents // Human movement science. - 1997. - V. 16. - P. 433451.
10. Ietswaart M., Carey D.P., Della Sala S. Tapping, grasping and aiming in ideo-motor apraxia // Neuropsychologia. - 2006. - V. 44. - P. 1175-1184.
11. Lissek S., Hausmann M., Knossalla F., Peters S., Nicolas V., Gunturkun O., Tegenthoff M. Sex differences in cortical and subcortical recruitment during simple and complex motor control: A fMRI study // NeuroImage. - 2007. - V. 37. - P. 912-926.
12. Moller K., Homberg V. Development of speed of repetitive movements in children is determined by structural changes in corticospinal efferents // Neuroscience Letters. - 1992. - V. 144. - P. 57- 60.
13. Mottet D., Bootsma R.J. The dynamics of rhythmical aiming in 2D task space: Relation between geometry and kinematics under examination // Human Movement Science. - 2001. - V. 20. - P. 213-241.
14. Njiokiktjien C., de Sonneville L., Hessels M., Kurgansky A., Vildavsky V., Vranken M. Unimanual and bimanul simultaneous fingertapping in choolchildren: Developmental aspects and hand preference-related asymmetries // Laterality. - 1997. - V.
2, No. 2. - P. 117-135.
15. Smits-Engelsman B.C.M., Van Galen G.P.. , Duysens J. The breakdown of Fitts’ law in rapid, reciprocal aiming movements // Exp Brain Res. - 2002. - V. 145. -P. 222-230.
16. Todor J.I., Smiley-Oyen A.L. Force modulation as a source of hand differences in rapid finger tapping // Acta Psychologica. - 1987. - V. 65. - P. 65-73.
17. Verstynen T., Diedrichsen J., Albert N., Aparicio P., Ivry R.B. Ipsilateral motor cortex activity during unimanual hand movements relates to task complexity // J. Neuriphysiol. - 2005. - V. 93, No. 3. - P. 1209-1222.
18. Witt S.T., Laird A.R., Meyerand M.E. Functional neuroimaging correlates of finger-tapping variations: An ALE meta-analysis // NeuroImage. - 2008. - V. 42. - P. 343-356.
19. Wittmann M., von Steinbuchel N., Szelag E. Hemispheric specialisation for self-paced motor sequences // Cognitive Brain Research. - 2001. - V. 10. - P. 341-344.
20. Yan J.H., Stelmach G.E., Thomas J.R., Thomas K.T. Developmental features of Rapid Aiming Arm Movements Across the Lifespan // Journal of Motor Behavior. -2000. - V.32, No. 2. - P. 121-140.
