Общие закономерности регуляции рабочей деятельности человека Принципы центральной нервной регуляции трудовой деятель­ности.

Нейрофизиологическая структура целенаправленной производственной деятельности очень сложна. Вся разнообразная деятельность клеток, тканей, органов и систем человеческого организма регулируется и управляется ЦНС; благодаря деятель­ности которой организм представляет собой единое, слаженное целое. Это основное положение современной физиологии имеет огромное значение для физиологии труда, изучающей деятель­ность целостного организма. Теория центрально-нервной регуля­ции трудовой деятельности разработана русскими физиологами— И. М. Сеченовым, И. П. Павловым. Н. Е. Введенским, А. А. Ух­томским. Независимо от характера производственной деятельно­сти обязательным внешним проявлением трудового процесса является двигательная активность человека. В процессе реализа­ции трудовой активности происходит взаимодействие организма со средой, приспособление к ней. Основоположник русской физио­логии И. М. Сеченов установил, что психические процессы по своему происхождению - рефлексы с началом в чувственном воз­буждении и концом в мышечном движении.

Учение И. П. Павлова об условных рефлекса у и второй сигнальной системе показывает, что двигательные реакции человека по своей физиологической сущности - сложные условные рефлексы. Возникновение двигательного действия (рабочего движе­ния) у человека связано с речевыми (вторая сигнальная систе­ма) и чувственными (первая сигнальная система) раздражите­лями. По И. П. Павлову, никакое рабочее движение не может начаться без раздражения, воспринимаемого органами чувств. В качестве условного раздражителя в процессе труда решающее значение имеют словесные сигналы, инструкции.

В процессе выработку условного рефлекса, лежащего в основе конкретного трудового действия, выделяются 2 этапа:

для 1-го этапа образования условного рефлекса характерна широкая иррадиация возбуждения в ЦНС. когда в осуществлении того или иного двигательного действия принимают участие многие центры коры головного мозга. У рабочего на этой стадии обучения много лишних движений, усилий, частые ошибки.

На 2-м этапе по мере усвоения и закрепления правильных приемов работы (в основе которых лежит только подкрепление заданного условного сигналa) происходит концентрация возбуждения в соответствующих центрах головного мозга. Основным фактором, определяющим характер межцентральных взаимоотношений в процессе трудовой деятельности, по А. А. Ухтомскому, является состояние повышенной возбудимости в определенной функциональной системе.

Доминантные центры обладают повышенной возбудимостью и способностью к суммации возбуждений, поступающих из разных источников с местным возбуждением, в результате чего они первыми настраиваются на оптимальный ритм и темп работы. Это способствует оптимизации рабочих движений. Формирование доминанты сопровождается широким развитием сопряженного торможения в других областях ЦНС, поэтому происходит подавление любой, не относящейся к производственной, деятельности. Характерной чертой доминанты является инертность, способность долго удерживать возбуждение, сохраняться в ЦНС в виде следа и заново сформироваться при подходящих условиях. Это обеспечивает возможность полноценного воспроизведения приобретенных трудовых навыков.

Таким образом, формирование доминанты неразрывно связано с широким развитием торможений в областях ЦНС, не входящих в сферу положительного проявления доминанты. Этот этап образования условных рефлексов характеризуется четкими, экономными рабочими движениями, отсутствием ошибок.

Доминанта определяет господствующую направленность рефлекторного поведения: от однозначно направленного действия до готовности к действию - «оперативного покоя». При оперативном покое пороги возбудимости к разнообразным раздражителям среды повышаются, тогда как пороги к раздражителям, сигнализирующим о срочном переходе к действию, понижаются.

Определяя роль доминанты в рефлекторном поведении человека, А. А. Ухтомский рассматривал в то же время деятельность человека как сложную функциональную систему, включающую совокупность психических актов, где высшим регулятором действия является сознание, регулируемое доминирующей мотивацией личности.

Важность мотивов и потребностей человека, определяемых его кортикальными установками, состоит в том, что в процессе трудовой деятельности они формируются под воздействием социальных факторов, отражая биосоциальную природу человека и оказывая существенное влияние на реализацию огромных биологических резервов ЦНС.

Для трудовой деятельности человека характерно многократное повторение в определенной последовательности различного рода раздражителей, которые складываются в определенную функциональную систему работы коры головного мозга, названную И. П. Павловым динамическим стереотипом.

Динамический стереотип - устойчивая, слаженная система рефлексов, которая образуется в результате многократного повторения условных раздражений в определенной последовательности и через определенные промежутки времени - усвоении ритма. В дальнейшем ответ организма определяется не воздействующим раздражителем, а возникающим на его месте условным раздражителем. Механизм динамического стереотипа заключается в формировании в мозге повторяющихся нервных процессов, отражающих пространственные, временные и порядковые особенности воздействия на организм внешних и внутренних раздражителей. Таким образом, нервные процессы программируют предстоящую деятельность мозга, чем обеспечивается точность и своевременность реакции организма на привычные раздражители производственной обстановки. Изменение условий труда приводит к ломке стереотипа и замене его новым. «Переделка» стереотипа создает реакцию напряжения, тем большую, чем сложнее стереотип и длительнее его существование. Скорость переделки стереотипа зависит также от возраста, функционального состояния ЦНС, типа высшей нервной деятельности человека.

Динамический стереотип как совокупность условных рефлексов включает в себя, помимо двигательных, и вегетативные компоненты, создающие единую систему жизнеобеспечения при осуществлении рабочих движений. В трудовой деятельности динамический стереотип вырабатывается в ходе обучения рабочего производственным операциям. После многократного повторения приемов работы и их усвоения переход от одного элемента рабочей операции к другому происходит без переключения внимания и мышления на выполнение каждого элемента. По мере закрепления динамического стереотипа возникает автоматизм в действиях рабочего.

Современные теоретические представления о центральной регуляции трудовой деятельности основываются на теории функциональных систем П. К. Анохина, гипотезе о жестких и гибких звеньях системы мозгового обеспечения психических процессов Н. П. Бехтеревой.

Согласно теории функциональных систем П. К. Анохина, любой целенаправленный двигательный акт осуществляется посредством функциональной системы как замкнутого циклического образования с наличием обратной информации о результате действия. Важнейшими элементами такой системы являются афферентный синтез, принятие решения, построение программы действия, акцептор результата действия, результат действия, обратная афферентация.

Афферентный синтез заключается в обработке 4 основных видов афферентных возбуждений:

1. Мотивационное возбуждение — формируется под влиянием метаболических, гормональных и социальных факторов. Оно определяет цель действия и способствует активному отбору сенсорной информации, необходимой для построения целенаправленного поведения.

2. Обстановочная афферентация — создается воздействием на организм всей совокупности внешних раздражителей и обеспечивает приспособление поведенческой реакции к данным условиям.

3. Активация аппарата памяти — позволяет организму использовать прошлый опыт для принятия оптимального в данной обстановке решения.

4. Пусковая афферентация — условный раздражитель, нередко - речевой. Эмоции являются обязательным существенным компонентом афферентации, определяющим качество двигательного акта.

Афферентный синтез заканчивается формированием программы действия, состоящей из двух принципиально различных элементов: 1) эфферентной программы действия, т. е. определенной последовательности набора команд, поступающих на исполнительные приборы - эффекторы (скелетные мышцы, железы внутренней секреции, сердечно-сосудистая, дыхательная и другие системы), и 2) акцептора результата действия, т. е. нейронной модели предполагаемого результата, к которому должно привести данное действие.

Информация о реальных результатах действия, поступающая в ЦНС в составе обратной афферентации, сличается с этой моделью, что обеспечивает постоянную оценку полученного результата и определяет целесообразность поведенческого акта.

В случае совпадения ожидаемых и реальных параметров результата устраняется исходная мотивация, возникает положительная эмоция, в памяти закрепляется система нервных соотношений, приведшая к достижению цели. В случае несовпадения возникает ориентировочная реакция, а при длительных несовпадениях — отрицательная эмоциональная реакция.

Таким образом, трудовая деятельность человека осуществляется прежде всего за счет формирования динамических мозговых систем, определяющих совокупность психических процессов, разнообразные двигательные акты, усиленную работу систем жизнеобеспечения организма и обеспечивающих оптимальную их координацию.

Двигательный аппарат человека и основные проявления мышечной деятельности. Двигательным аппаратом называется совокупность тканей и органов, обеспечивающих перемещение тела в пространстве или активное его воздействие на окружающие предметы. Кроме того, непосредственным организатором движения и контролером его качества, определяющим также и функциональные свойства периферического аппарата движения, являются соответствующие нейронные ансамбли ЦНС, объединенные в функциональную систему двигательного акта.

Специальный раздел анатомии и физиологии двигательного аппарата, в котором изучаются условия равновесия живого тела в пространстве и внешнего протекания движений, носит название биомеханика.

Биомеханический закон координации рабочих движений заключается в том, что при выполнении координированных движений рабочие движения приобретают определенность в результате исключения всех возможных движений, всех степеней свободы, кроме одной, соответствующей выполнению данного целесообразного движения. Каждое рабочее движение получает свою определенность благодаря формированию динамического стереотипа, обеспечивающего определенную последовательность включения в работу различных мышц и их групп. Выполнение точных трудовых движений, развитие их в процессе упражнения происходит в результате взаимного сонастраивания различных отделов двигательного аппарата и двигательного анализатора; создается функциональная система, обеспечивающая целостность организма в его взаимодействии с внешней средой.

Таким образом, двигательное действие, осуществляемое во время трудовой деятельности, представляет собой сложный комплекс, целостную совокупность взаимосвязанных и взаимообусловленных компонентов двигательных реакций. Трудовая деятельность всегда сопровождается динамическими и статическими усилиями, а двигательные функции, связанные с ней, представляют собой сочетания этих двух видов физической работы.

Биохимия мышечного сокращения. Источником энергии для сокращения мышц являются экзотермическая реакция расщепления АТФ на аденозиндифосфорную кислоту (АДФ) и фосфорную кислоту. Достаточное количество АТФ в мышце создается за счёт непрерывного реосинтеза этого макроэргического соединения. Механизмы ресинтеза АТФ различны и включаются в строго определенной последовательности. Наиболее экстренным является механизм трисфосфорилирования АДФ креатинфосфатом под влиянием креатинкиназы. Это наиболее быстрый и эффективный путь.

При умеренной работе и достаточном снабжении кислородом мышца может покрывать свои энерготраты за счет аэробного окисления продуктов распада белков, углеводов и жиров. Возможности аэробного генерирования АТФ почти безграничны, так как субстраты окисления в условиях нормального питания практически неисчерпаемы. Аэробное окисление - сложный процесс, в котором можно выделить 4 основных этапа:

1-й — подготовительный, т. е. расщепление гликогена до глюкозы, белков до аминокислот, жиров до жирных кислот и глицерина. Этот этап не дает освобождения энергии.

2-й — окисление до промежуточных продуктов, важнейшим из которых является ацетилкоэнзим А.

3-й — окисление ацетилкоэнзима А в цикле трикарбоновых кислот до углекислоты и воды.

4-й — транспорт водорода по дыхательной цепи на кислород и дыхательное фосфорилирование, приводящее к ресинтезу АТФ. На этом этапе освобождается наибольшее количество энергии.

Однако при значительных нагрузках, когда снабжение кислородом отстает от потребности в нем мышц, используется анаэробный гликолитический путь снабжения энергией. Этот процесс включается через 20 с. от начала интенсивной работы и достигает максимума через 40—80 с. Это наиболее мощный и длительно действующий процесс.

Процесс гликолитического фосфорилирования заключается в образовании АТФ за счет распада гликогена и глюкозы до молочной кислоты. Освобождающаяся при этом энергия аккумулируется в макроэргических фосфорных соединениях. Химические превращения гликогена происходят при участии специальных ферментов. Начало химических превращений гликогена катализируется фосфорилазой, при участии которой образуется гексозо-1-фосфат. Затем гексозо-1-фосфат преобразуется в гексозо-6-фосфат.

Этот процесс продолжается до превращения пировиноградной кислоты в молочную кислоту.

В анаэробной фазе 1/5 часть молочной кислоты окисляется до углекислого газа и воды, а за счет освободившейся энергии остальная часть молочной кислоты восстанавливается в гликоген. Повышение функционального состояния мышц достигается путем определенной тренировки. В результате тренировки в мышцах увеличиваются запасы источников энергии необходимые для ресинтеза АТФ — фосфокреатина, гликогена.

Процессы распада и ресинтеза энергетических веществ в мыш­цах, а также повышение скорости биохимических процессов при адаптации человека к новому темпу мышечной деятельности осуществляются под контролем ЦНС. В начале перехода на новый ритм отмечается повышенное расходование энергетических ресурсов, a по мере усвоения новых ритмов мышечной деятельности скорость метаболических процессов приближается к оптимальной.

Энергетические затраты человека и терморегуляция при различных видах физического труда.

Основные затраты энергии за­висят от интенсивности мышечной работы. С увеличением тяжести труда значительно возрастают потребление кислорода и количество расходуемой энергии. При сравнительно легкой физической работе повышение обмена веществ происходит в основном за счет усиления энергозатрат в мышцах, сердце, мозге. При более тяжелых работах расход энергии мышцами возрастает на 95%. Так, для лиц умственного труда (врачи, педагоги, диспетчеры и др.) суточные энергозатраты составляют 10,5—11,7 МДж; для работников механизированного труда и сферы обслуживания (медсестры, продавцы, рабочие, обслуживающие автоматы) - 11,3 -12,5 МДж; для работников, выполняющих работу средней тяжести (станочники шоферы, хирурги, полиграфисты, сельскохозяйственные рабочие, литейщики и др.) - 12,5 - 15,5 МДж; для работников, выполняющих тяжелую физическую работу (лесорубы, грузчики, горнорабочие, металлурги) - 16,3 - 18 МДж.

Расход энергии зависит также от информационной насыщенности труда, степени эмоционального напряжения и других условий труда (температура, влажность, движение воздуха и др.).

Уровень энерготрат определяется методом непрямой калориметрии, т. е. полного газового анализа (учитывается объем потребленного кислорода и выделенного углекислого газа). Сравниваются результаты, полученные до и во время работы.

Первые 2—3 мин работы наблюдается постепенное возрастание кислородного потребления. При этом создается кислородный дефицит из-за несоответствия скоростей образования и удаления продуктов распада. Затем устанавливается устойчивое состояние на повышенном уровне при соответствии объема кислородного снабжения и скорости потребления кислорода. Некоторое время после прекращения работы отмечается увеличенное потребление кислорода по сравнению с покоем, направленное на устранение кислородного дефицита (кислородный долг).

Таким образом, кислородный долг рассматривается как часть общего кислородного запроса, потребляемого после работы. Кислородный запрос - количество потребляемого кислорода сверх уровня, покоя на протяжении работы и ближайшего восстановительного периода. Это количество кислорода, необходимое для "полного" окисления всех образующихся при данной работе продуктов распада. В зависимости от интенсивности и длительности работы меняются соотношения кислородного запроса и кислородного долга. При выполнении легкой работы умеренной интенсивности наблюдается длительное устойчивое состояние, так как потребность в кислороде удовлетворяется полностью (истинное равновесие).

При выполнении очень тяжелой работы отмечается непрерывное нарастание потребления кислорода, но и при достижении максимума он уже не обеспечивает потребностей организма (ложное равновесие). Создается кислородная задолженность, в организме накапливаются недоокисленные продукты обмена, полное окисление которых становится возможным лишь в восстановительный период после прекращения работы.

Непрерывное нарастание потребления кислорода во время тяжелой мышечной работы происходит до тех пор, пока не будет исчерпана емкость кислородснабжающих органов и не достигнут предельный уровень потребления кислорода данным индивидуумом. Этот показатель зависит от величины сердечного выброса, количества гемоглобина и артериовенозной разницы в содержании кислорода.

Затраты энергии меняются в зависимости от рабочей позы. При рабочей позе сидя затраты энергии превышают на 5—10% уровень основного обмена, стоя — на 10 - 25%, при вынужденной неудобной позе затраты энергии на 40 - 50% превышают уровень основного обмена.

Повышение обмена веществ и расхода энергии при работе приводят к повышению теплообразования. Изменения терморегуляции проявляются в повышении температуры тела и поверхности кожи и в изменении уровня теплоотдачи. При тяжелой физической работе температура тела может повышаться на 1 – 1,5°С.

Уровень энергозатрат может служить критерием тяжести выполняемой работы, однако он в большей мере отражает величину физической нагрузки. Для оценки степени эмоционального напряжения, характерного для ряда профессий (диспетчеры, водители такси, врачи-хирурги и др.), наиболее точными являются методы оценки показателей основных вегетативных функций (пульс, дыхание, АД и др.).

Влияние мышечной работы на сердечно-сосудистую систему

Обеспечение газообмена при мышечной деятельности происходит за счет увеличения кровотока. Минутный объем (количество крови, выбрасываемой сердцем за 1 мин) увеличивает в 5 - 10 раз с 1 - 5 л. до 20 -40 л.

Увеличение минутного объема обеспечивается как за счет повышения ударного объема, так и за счет учащения сокращений сердца.

Ударный объем при самой тяжелой работе увеличивается не более чем в 3 раза. Учащение сокращений сердца во время работы может достигать 140—180 в 1 мин.

Артериальное давление при мышечной работе повышается в 1,5—2 раза, достигая при очень интенсивной работе180—200 мм рт. ст. Минимальное кровяное давление незначительно снижается или же повышается, пульсовое давление может значительно уве­личиваться.

Установлена тесная связь между частотой сокращений сердца и уровнем потребления О₂, т.е. затратами энергии во время работы. Таким образом, ЧСС может характеризовать мощность выполняемой физической работы.

На частоту сокращений сердца влияет рабочая поза; в положении стоя сердце сокращается чаще, чем в положении сидя. При сидячей локальной однообразной работе отмечено замедление сокращений сердца на протяжении рабочей смены на 6— 12 ударов в 1 мин. Причина - однообразие деятельности и низкий уровень двигательной активности.

Влияние мышечной работы на дыхание.

С увеличением интенсивности физической работы возрастает газообмен. Это выражается в увеличении объема легочной вентиляции и потребления кислорода.

B покое вентиляция легких составляет 5—8 л/мин при использовании 3 – 4 % кислорода. При интенсивной мышечной работе объем легочной вентиляции может быть 50—60—100 л/мин, что достигается увеличением как глубины, так и частоты дыхания. Частота дыхания увеличивается с 10—20 в покое до 30—40 в 1 мин и более во время работы. Использование кислорода возрастает до 4—-8%.

Чем больше жизненная емкость легких, тем больше может быть увеличена глубина дыхания. Углубление дыхания усиливает «альвеолярную» вентиляцию, но в то же время резко увеличивает работу дыхательных мышц, поэтому во время интенсивной мышечной работы глубина дыхания не превышает 30—40 % от жизненной емкости легких данного человека.

Во время работы увеличивается общая емкость капилляров в малом круге кровообращения и скорость кровотока через легочные капилляры, что усиливает диффузионную способность О₂ и СО₂ в легких, так как возрастает градиент их парциальных давлений. При выполнении мышечной работы в вынужденных положениях тела ухудшается вентиляция легких и условия газообмена.

Регуляция дыхания во время работы осуществляется ЦНС, получающей афферентные стимулы, сигнализирующие об изменении состава крови, тканевого обмена, состояния легких, а также сигналы с рецепторов дыхательных мышц и всей работающей мускулатуры.

Таблица 1. Энергетические затраты и максимальные реакции дыхания и кровообращения при физической работе различной тяжести (по Г. И. Косицкому)

Таким образом, соотношение энергетических затрат, реакции системы дыхания и кровообращения являются объективными показателями тяжести работы (табл. 1).

Влияние мышечной работы на морфологический состав крови и ее физико-химические свойства.

Клеточный состав крови и ее физико-химические свойства поддерживаются в состоянии динамического равновесия деятельностью целого ряда функциональных систем организма. Работа как раздражитель переводит деятельность этих систем на новый уровень, в результате чего изменяется состав периферической крови. Эти изменения носят количественный и качественный характер и создают наиболее благоприятные условия для систем организма, вовлекаемых в работу (мышцы, мозг, миокард и др.).

Количественные изменения красной крови при работе выражаются в увеличении числа эритроцитов и в повышении содержания гемоглобина. Выраженность этих изменений находится в прямой зависимости от интенсивности работы. Однако чрезмерно тяжелая работа, приводящая к утомлению, может вызывать уменьшение содержания эритроцитов и гемоглобина в периферической крови. Увеличение количества эритроцитов и гемоглобина в периферической крови при работе обусловлено интенсивным сокращением селезенки (кровяного депо), происходящим под влиянием нейрогуморальных стимулов.

Качественные изменения красной крови при работе проявляются в усилении регенерации эритроцитов и увеличении содержания молодых форм — ретикулоцитов. Реакция красной крови на работу носит компенсаторный характер, который выражается в увеличении дыхательной поверхности эритроцитов (за счет увеличения их количества) и увеличения скорости отдачи кислорода тканям, так как молодые формы эритроцитов (ретикулоциты) легко отдают кислород. Количественные изменения белой крови выражаются в увеличении количества лейкоцитов (миогенный лейкоцитоз ) за счет резкого увеличения нейтрофилов. Отмечается сдвиг формулы влево за счет увеличения молодых форм (сегментоядерных нейтрофилов), что рассматривается как показатель усиления функции кроветворных органов. Наблюдается также относительное уменьшение лимфоцитов (относительная лимфопения).

Изменения физического состояния крови при работе проявляются в состоянии осмотической стойкости эритроцитов, осмотического давления, вязкости крови. Осмотическая стойкость эритроцитов (определяемая по отношению к гипотоническим растворам поваренной соли) зависит от степени их зрелости и прочности поверхностных оболочек. Поэтому при интенсивном поступлении в кровь ретикулоцитов, при воздействии на поверхностные мембраны ряда токсических веществ резистентность эритроцитов понижается. Таким образом, она может служить показателем взаимодействия форменных элементов крови с окружающей средой, может изменяться в зависимости от интенсивности работы и гигиенических условий. Повышение осмотической стойкости эритроцитов отмечено при физической работе незначительной тяжести, выполняемой в удовлетворительных санитарно-гигиенических условиях.

Повышение осмотического давления крови, связанное с небольшим, но достоверным увеличением концентрации в ней осмотически активных веществ (ионов натрия, калия, кальция, фосфатов, лактатов и протеинатов), отмечено при кратковременной напряженной физической работе.

Интенсивная мышечная рабата сопровождается повышением относительной вязкости крови, вследствие увеличения количества форменных элементов и уменьшения жидкой фазы крови.

Изменения эндокринных функций при выполнении физической работы.

С увеличением мощности мышечной, работы наблюдается повышение содержания в крови адреналина, норадреналина, кортизона и кортикостерона, что способствует мобилизации энергетических ресурсов организма.

Однако по мере адаптации (тренированности) к мышечной работе эти изменения оказываются менее выраженными.

При длительной мышечной работе понижается активность симпатико-адреналовой и гипофизарно-адренокортикальной систем, уменьшается содержание глюкокортикоидов в крови, что в конечном итоге приводит к понижению функциональных возможностей миокарда и скелетных мышц.

Понижение уровня инсулина в крови во время длительной мышечной работы связано как с уменьшением его секреции, так и с усиленным распадом. Снижение содержания инсулина в крови создает благоприятные возможности для мобилизаций жирового депо как источника энергетических ресурсов при мышечной работе.