伯恩斯坦对乐章结构的重新解读:第一部分:A级与B级,以及C级简介

《Human Movement Science》:Bernstein's construction of movements reassessed: Part I: Levels A and B, and introduction to level C

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年07月23日 来源:Human Movement Science 1.9

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  摘要本文是计划中的两篇论文中的第一篇,旨在更新并重新评估尼古拉·伯恩斯坦提出的用于构建运动的经典层级方案。本文重点探讨其中两个较低层级。具体而言,我们在运动控制理论中提出了基于伸展反射阈值变化的肌张力定义。我们建议将最底层的控制层级(肌张力层级A)进一步划分为A1和A2两个子层级

  

摘要

本文是计划中的两篇论文中的第一篇,旨在更新并重新评估尼古拉·伯恩斯坦提出的用于构建运动的经典层级方案。本文重点探讨其中两个较低层级。具体而言,我们在运动控制理论中提出了基于伸展反射阈值变化的肌张力定义。我们建议将最底层的控制层级(肌张力层级A)进一步划分为A1和A2两个子层级,前者与伸展反射相关,后者则反映从运动单元到肌肉以及多肌肉执行器的相关基本指令参数。下一个层级(协同作用层级B)也分为B1和B2两个子层级,分别对应于肌肉或执行器形成稳定群体(模式),以及确保此类模式空间中关键性能变量的动态稳定性。我们还介绍了空间场层级(层级C),并计划在后续论文中对其以及更高层级进行更详细的探讨。本文提出了一种基于伯恩斯坦理念的新层级方案,以便融入新的数据与理论进展。

引言

尼古拉·伯恩斯坦于1947年撰写了其最为全面的著作《论运动的构建》。这部专著总结了他及其同事在20年间围绕与运动产生相关的神经过程所进行的理论、实验及临床研究成果。该书直到半个世纪后才被翻译成英文,这在伯恩斯坦的著作中并不罕见。事实上,他1935年撰写的开创性论文(Bernstein, 1935)直到1967年才被译成英文(Bernstein, 1967)。他在20世纪40年代末撰写的《灵巧性及其发展》一书最初以俄文出版,数年后才被翻译成英文(Bernstein, 1996)。另一本写于20世纪30年代中期的《神经过程生理学的当代研究》则于2003年以俄文出版,尽管人们对伯恩斯坦理论的兴趣日益增加,但这一作品至今仍未被英语读者所熟知。
1967年,伯恩斯坦的一系列论文被翻译成英文并出版,这一事件成为将他的理论介绍给铁幕另一端读者的重要里程碑。此后,约翰·怀廷编辑了一部副标题为“重新评估伯恩斯坦”的著作(Whiting, 1984)。在这部书中,来自不同运动控制研究领域的众多知名学者聚焦于伯恩斯坦的理论,并探讨这些理论对他们自身研究以及整个领域的影响。从那时起,伯恩斯坦的名字便作为生理学和心理学领域的重要人物而广为人知,他甚至可被视为当今运动控制研究之父,也有学者尝试将其理论扩展到人类认知领域(例如,Velichkovsky, 1990, Velichkovsky, 2002)。关于他的个人传记与科学传记均已出版,同时也有曾与他有过接触的科学家们所写的回忆录(Feigenberg, 2014; Sirotkina, 2019; Talis, 2022)。另一个重要里程碑是Profeeta和Turvey在2018年对伯恩斯坦理论框架所做的综述。不过,这篇综述是在《论运动的构建》的英文译本出现之前完成的,因此其中对伯恩斯坦观点的描述仅依据《灵巧性及其发展》中较为简略的内容,而那本书原本就是为非专业读者编写的,故未对核心概念进行详细阐述。
在理解生物运动方面,伯恩斯坦首先是一名进化生物学家。他虽接受过医学教育,但在第一次世界大战后自学了基础力学与数学知识。这些背景使他能够开发出用于分析运动运动学与动力学层面的新方法。其中一些分析运动运动学的方法,在时间分辨率上已可与现代方法相媲美。尤其是,伯恩斯坦实现了每秒500次的数据采集频率,这一数值在当今仍属于非常高的水平(Bernstein & Popova, 1930)。他还改进了早先由Braune和Fischer(1895-1904)提出的逆动力学方法,并利用这些方法来估算从跑步到弹钢琴等各种动作中的关节扭矩随时间的变化情况(Bernstein, 1937, Bernstein, 1938; Bernstein & Popova, 1930)。
到1947年该书撰写并出版时,伯恩斯坦已从多个领域和来源收集了大量信息,并亲自获得了大量原始数据。他研究了运动的进化层面、生物力学、神经解剖学、发育与训练的影响,以及包括第二次世界大战期间的大量损伤案例在内的各种神经系统疾病。经过如此巨大的努力,他终于完成了1947年的那部著作。如今,近80年过去了,是时候重新审视伯恩斯坦的核心公理、假设与结论了。多年来,运动控制领域取得了显著进展,基于对神经肌肉系统的新认识,涌现出了许多新的概念与理论方法。其中一些进展源自伯恩斯坦的理念以及他在1947年著作中提出的生物运动层级控制的多层级方案;而另一些则对伯恩斯坦的一些公理与结论提出了挑战,提出了关于运动神经控制的新观点,这些观点很难与他的传统框架相协调。
在本文中,我们重点探讨伯恩斯坦提出的较低的两个控制层级,即层级A(肌张力层级)和层级B(协同作用层级)。我们计划在第二部分再讨论他提出的更高层级(层级C、D和E)。之所以将整个运动构建方案人为地划分为这样的层次,是因为当前运动控制领域的实际情况所决定的。在我们看来,由于已经发展出了至少在理论上足以描述相关过程的语言,对层级A和B的理解已经使其逐渐接近成为自然科学的一部分。相比之下,对于那些被认为由层级C(空间场层级)、层级D(动作层级)和层级E(符号动作层级)控制的更为复杂的进程,目前仍处于探索阶段,尚未找到合适的描述语言。

章节节选

重新审视伯恩斯坦的基本公理

在《论运动的构建》一书中,伯恩斯坦提出了一套基本公理,随后在分析不同复杂度、不同物种及种群的运动时一直遵循这些公理。这些公理在直觉上颇具吸引力,也为构建一个包含五个主要层级的逻辑结构奠定了基础,其中一个层级(空间场层级)还进一步划分为两个子层级。伯恩斯坦利用这一结构探讨了包括运动控制在内的多种主题

什么是“肌张力”?

“肌张力”这一概念在伯恩斯坦之前就已存在(例如,Babinski, 1899),至今仍是运动障碍领域中最常用的术语之一。这一点体现在将神经系统疾病传统上分为“低张力型”和“高张力型”,以及使用“肌张力障碍”这一术语来描述一系列以异常且持续性的姿势为特征的疾病上。伯恩斯坦在其著作中提出了多种不同的、有时相互矛盾的肌张力定义。

运动冗余性问题

任何自主运动都涉及多个要素,这些要素共同作用于实现特定任务的关键性能变量。这一观点的前提是这些要素是被精心选择的,比如,如果这些要素与亚原子粒子甚至分子相关联,那么这一观点就变得毫无意义。伯恩斯坦认为,单个肌肉才是运动神经控制中最小的有意义要素。不过,由于“肌肉”这一概念本身并未有明确的定义,且肌肉的实际结构也较为复杂,这一观点并非显而易见

层级C简介:空间场层级

虽然“肌张力”和“协同作用”这两个概念在伯恩斯坦之前就已广泛使用,但“空间场”这一概念则是他的创新成果。他明确阐述了这一概念的用途,但《论运动的构建》中对它的定义与描述却存在一些内在矛盾。空间场被描述为“客观的”、“广阔的”、“不可移动的”以及“均匀的”。它由各种物体以及作用在这些物体上的力所构成。从某种程度上来说,这种描述使得“空间场”这一概念

中间结论

图8总结了我们对本文所讨论的各种过程及其在运动产生过程中作用的当前理解。左列展示了伯恩斯坦所描述的原始层级结构,中间列则以更概括的方式呈现了层级间的递进关系(参见Kretchmar & Latash, 2022)。这一过程始于行动者对任务的理解,而这本身就是一个复杂的步骤,很可能依赖于指令、动机、记忆、感官信号等多种因素的相互作用

CRediT作者贡献说明

Mark L. Latash:写作——审稿与编辑,写作——初稿撰写,概念构思。Maria Falikman:写作——审稿与编辑,写作——初稿撰写,概念构思。

利益冲突声明

本研究未获得任何外部资金支持。
两位作者均不存在任何利益冲突。
本研究未使用任何生成式AI工具。
Mark L. Latash|Maria Falikman
美国宾夕法尼亚州立大学运动机能学系,大学公园,宾夕法尼亚州
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