ניקולאי ברנשטיין
 | |
| ברנשטיין (מימין) עם בנו | |
| לידה |
24 באוקטובר 1896 (יוליאני) מוסקבה, האימפריה הרוסית  |
|---|---|
| פטירה |
16 בינואר 1966 (בגיל 69) מוסקבה, ברה"מ |
| ענף מדעי |
פיזיולוגיה, פסיכופיזיולוגיה |
| מקום קבורה |
בית הקברות נובודוויצ'יה |
| מקום לימודים |
אוניברסיטת מוסקבה (1919) |
| מוסדות |
|
| פרסים והוקרה |
פרס סטלין, דרגה 2 (1948) |
  | |
ניקולאי אלכסנדרוביץ' ברנשטיין (ברוסית: Николай Александрович Бернштейн; 5 בנובמבר 1896, מוסקבה – 16 בינואר 1966, מוסקבה) היה נוירופיזיולוג, ביומכניקאי וחוקר תנועה רוסי ממוצא יהודי. זוכה פרס ברית המועצות לשנת 1948 על מחקריו התאורטיים והניסויים בנושא הקואורדינציה והבקרה של התנועה במערכת העצבים המרכזית של בני-אדם ושל חולייתנים אחרים.
מרבית בני-משפחתו של ברנשטיין היו אף הם מדענים ורופאים. מהם מפורסמים כיום בעיקר סבו, הרופא נתן ברנשטיין, ובן-דודו המתמטיקאי סרגיי ברנשטיין, שזכה בפרס ברית-המועצות לשנת 1942.
בעולם המערבי הוכרה תרומתו החלוצית למדע רק לאחר מותו בשנת 1966, כאשר תורגמו ספריו מרוסית לאנגלית. בייחוד מאז שנות ה-90, פיזיולוגים ותאורטיקנים מובילים במערב החלו להסתמך עליו כראשון שניסח במפורש את "בעיית ההפחתה במספר דרגות החופש הביומכניות" (אנ'): הבעייה הקשה ביותר שצריכה לפתור המערכת המוטורית לצורך בקרת התנועה של בני-אדם ובעלי-חיים (ולחלופין רובוטים) בעלי שלד רב-מפרקי.
ביוגרפיה
[עריכת קוד מקור | עריכה]ניקולאי אלכסנדרוביץ' ברנשטיין נולד בשנת 1896 במוסקבה למשפחה יהודית של רופאים ומדענים. אביו, אלכסנדר ניקולייביץ' ברנשטיין (1870-1922), היה רופא במוסקבה, אבל גם רכש השכלה נרחבת בנושאים שונים, ובהמשך הקריירה שלו היה ממניחי הבסיס להתמחות פסיכיאטרית ברוסיה. סבו, נתן אוסיפוביץ' ברנשטיין (1836-1981), היה יו"ר אגודת הרופאים של אודסה,[1] ואביו של המתמטיקאי סרגיי נתנוביץ' ברנשטיין (1880-1968).
ניקולאי הצעיר התעניין בנערותו דווקא בשפות, וביקש להיות בלשן. עם סיום לימודיו התיכוניים בשנת 1913 החל ללמוד פילולוגיה באוניברסיטת מוסקבה, אך עם פרוץ מלחמת העולם הראשונה עבר ללימודי רפואה. הוא סיים את לימודי הרפואה בשנת 1919 במהלך מלחמת האזרחים ברוסיה, גויס לשורות הצבא האדום, ושירת כרופא צבאי עד לשחרורו ב-1920, עם סיום מרבית הקרבות העיקריים של המלחמה.
לאחר תקופה קצרה של עבודה במרפאה של אביו, עבר ברנשטיין למחקר ניסויי ותאורטי בביומכניקה, ב"מכון המרכזי לעבודה" (אנ') ולאחר מכן במספר מוסדות מחקר נוספים, ולימד באוניברסיטת מוסקבה, ובמכון לספורט בו כיהן כפרופסור[א]. רק בשנת 1935 התפנה ברנשטיין לקבל גם תואר דוקטור למדעים(אנ') מאוניברסיטת מוסקבה[1].
בשנת 1948 העניק לו השלטון הסובייטי את פרס המדינה על שם סטלין למדע, הפרס ששמו הומר כמה שנים מאוחר יותר לפרס ברית המועצות.
נפטר בשנת 1966, בגיל 70, ונקבר בבית העלמין נובודוויצ'יה: בית קברות יוקרתי במוסקבה שבו טמונים גם אישים רוסים וסובייטים אחרים: פוליטיקאים כבוריס ילצין וניקיטה חרושצ'וב, אמנים וסופרים כאנטון צ'כוב, מיכאיל בולגקוב, ניקולאי גוגול, קונסטנטין סטניסלבסקי, וסרגיי פרוקופייב. חלקם יהודים אף הם כמו יצחק לויתן, ושמואל הלקין.
קריירה אקדמית
[עריכת קוד מקור | עריכה]
בשנת 1920 החל ברנשטיין לעסוק במחקר ביולוגי ורפואי, תוך התמקדות בתחום הביומכניקה ובקרת התנועה במערכת המוטורית. משנת 1922 הועסק על-ידי "המכון המרכזי לעבודה"(אנ') כדי לחקור יעילות של תנועה בעת עבודה פיזית, לצורך שיפור היצרניות במפעלים, ובתחילה התמקד בחקר פעולות של חיתוך מתכת באמצעות אזמל. במסגרת עבודה זו שיכלל את טכניקת הצילום המהיר שהוא כינה "ציקלוגרמה" לצורך מדידת תנועות מחזוריות, אמצעי מחקר שבו נעזר רבות במשך שאר הקריירה שלו. בשנת 1924 פרסם בנושא זה את ספרו הראשון, והרצה עליו בוועידה בין-לאומית בפראג.
החל משנת 1926 השתמש בטכנולוגיה של ציקלוגרמות גם לחקירת הביומכניקה של הליכת בני אדם, מחקר שבתחילה נועד לשיפור המבנה של גשרים להולכי רגל. לאחר מכן הרחיב את מחקריו בנושא להתפתחות הליכה בילדים, במבוגרים ובקשישים, ואבחון הליכה בילדים פגועי מוח.
בעת שחקר ציקלוגרמות, וייתכן שקיבל השראה ממחקריו של בן-דודו המתמטיקאי סרגיי ברנשטיין במשוואות דיפרנציאליות של תנועה, הבין ניקולאי ברנשטיין כבר בשלב מוקדם בקריירה שלו את החשיבות הקריטית של בעיית הקואורדינציה: התיאום המדוייק והמהיר בין מספר גדול של שרירים ומפרקים בגוף, שחייב להתבצע במהירות רבה לצורך פעולה מדוייקת ויעילה ככל האפשר. מתמטית ניתן להראות שאפילו משוב מן החושים אינו מהיר דיו לביצוע מוטורי סביר. הדרך האפשרית היחידה לפתרון "בעיית ברנשטיין" היא להקטין מאוד את מספר דרגות החופש המשתתפות בפועל בקואורדינציה. דרך טריוויאלית לעשות זאת היא באמצעות אילוץ חוסר-תנועה במרבית המפרקים, פרט לאחד או שניים שהכרחיים לביצוע. אך קוארדינציה כזו בדרך-כלל תהיה מאוד מוגבלת, מסורבלת ובלתי-יעילה. מכאן שיש צורך באילוצים מורכבים ומשוכללים יותר, המאפשרים מספר קטן יחסית של קואורדינציות יעילות בין מפרקים רבים.
באותה תקופה, רעיונות כאלו התנגשו חזיתית עם ממצאיו של הפיזיולוג הרוסי הנודע איוואן פבלוב, שפיתח את מושגי הרפלקס והתניה קלאסית, ועל כך אף זכה בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה לשנת 1904. על רקע זה התנהל ויכוח מדעי נוקב בין פבלוב לברנשטיין, ובשנת 1936 כבר היה מתוכנן דיון פומבי בהשתתפותם, אך הוא בוטל בעקבות מותו של פבלוב.
מחוץ לגבולות ברית המועצות קיבלו רעיונתיו הייחודיים של ברנשטיין הכרה רחבה רק החל משנות ה-60. בשנת 1960 ביקר המתמטיקאי האמריקאי-יהודי נורברט וינר, אז כבר מוכר כמחבר הספר ומייסד תחום הקיברנטיקה, באוניברסיטת מוסקבה לצורך סיבוב הרצאות והחלפת דעות. יתכן שכוונתו העיקרית הייתה להתייעץ עם הנוירופסיכולוג הרוסי-יהודי המפורסם אלכסנדר לוריא, אבל הוא דיבר גם עם ברנשטיין, שסייע בתרגום הרצאתו של וינר לרוסית. קרוב לוודאי שתודות לכך תורגם ספרו החשוב ביותר של ברנשטיין לאנגלית בשם The Co-ordination and Regulation of Movements , ויצא לאור בשנת 1966 בארה"ב ובבריטניה. באותה שנה נפטר ברנשטיין, ולפיכך לא הספיק לראות את רעיונותיו מקבלים את ההכרה הראוייה.
מורשתו המדעית: הגבלת מספר דרגות החופש בפועל
[עריכת קוד מקור | עריכה]מקובל כיום על מדענים בתחום שברנשטיין היה הראשון לנסח בבהירות את הבעייה הקשה ביותר העומדת בפני המוח ומערכת העצבים לצורך בקרה מוטורית, ולפיכך גם בפני המדען המבקש להבין כיצד היא נפתרת במציאות. למעשה, קרוב לוודאי שברנשטיין זיהה את הבעייה כבר בשנות ה-20 או ה-30 של המאה ה-20, בעוד שמדענים רבים בתחומו לא זיהו אותה אפילו חצי מאה מאוחר יותר. "בעיית ברנשטיין" כיצד להגביל את מספר דרגות החופש (באנגלית: The Reduction of the Number of Degrees of Freedom) הזמינות בפועל, קלה יותר להמחשה אינטואיטבית כאשר עושים את השיקולים הבאים:
- א) כמעט כל המשימות המוטוריות הבסיסיות והדגמים התנועתיים ה"פשוטים" ביותר, אפילו טריוויאלים-לכאורה כמו הליכה, או הכאה באמצעות פטיש, מחייבים בפועל בקרה ותיאום מדוייק בין כיווץ והרפייה של שרירים רבים בגוף, באופן סימולטני.
- ב). ההתכווצות המתואמת של שרירים אלו מאפשרת קואורדינציות מתואמות וסימולטניות במפרקים רבים בשלד. תנועה שגוייה או בלתי-מתואמת, אפילו במפרק אחד או שניים בלבד, תגרום בסבירות גבוהה לחוסר-יעילות, ואף לתאונה קטלנית.
- ג) כל מפרק מוסיף אפשרות תנועה או "דרגת חופש" לפחות במימד אחד, למשל שינוי הזוית בין הזרוע העליונה לאמת היד במפרק הציר של המרפק. יש מפרקים המוסיפים שתיים ואף שלוש דרגות חופש כל אחד, למשל המפרק הכדורי של הכתף מאפשר לזרוע העליונה כל שילוב בין:
- 1. שינוי זוית הזרוע בכיוון הגב\הבטן, יחסית לכתף;
- 2. שינוי זוית הזרוע בכיוון הראש\הרגליים, יחסית לכתף;
- 3. שינוי זוית הפיתול סביב ציר האורך של הזרוע, יחסית לכתף;
- לפיכך סכום דרגות החופש האפשריות לתנועה בכתף הימנית ובכתף השמאלית גם יחד הוא 6=3+3. צירוף האפשרויות בכל המפרקים בגוף, כל דרגות החופש, כל מידות התנועה בכל דרגה וכל הקואורדינציות האפשריות ביניהן הוא אסטרונומי, ורק אחוז זעיר מתוכו יביא לפעולה יעילה ומדוייקת.
- ד) רבות מקואורדינציות אלו עשויות להיות מהירות מאוד, ובמצב הטבעי תכופות נמשכות פחות משנייה, מה שמגביל משמעותית את יכולת מערכת העצבים לבצע תיקון יעיל באמצעות משוב מיידי מן החושים, כמו ראייה, תחושת תאוצות במערכת שיווי המשקל באוזן הפנימית או מכנורצפטורים המדווחים למערכת העצבים על מידת התנועה בשרירים ובמפרקים.
- ה) המהירות, הדיוק והיעילות של קואורדינציות כאלו תכופות חיוניים לשרידה בטבע של בעלי-חיים, למשל בעת ציד או המלטות מציד, ואף של בני-אדם במצבים יומיומיים רבים, למשל עלייה במדרגות.
- ו) לפי התאוריה המתמטית, הדינמיקה של קואורדינציה כזו אמורה להיפתר באמצעות מערכת משוואות דיפרנציאליות שאינן לינאריות, היינו שלא מוכר פתרון אנליטי שלהן. אינטואיטיבית פירוש הדבר שתנועה במפרק הכתף ובמפרק הזרוע יחד, למשל, אינן ניתנות להצגה כסכום של התנועה במפרק הכתף בלבד ושל התנועה במפרק הזרוע בלבד[ב]
ניתן להדגים איפוא באופן מתמטי שאפילו פתרון נומרי של בעיות מסוג זה הוא קשה במיוחד, ופתרון אנליטי בדרך-כלל אינו קיים. גם כיום, במרבית המקרים המדע איננו מבין כיצד בדיוק נפתרות לפעמים חלק מבעיות אלו במערכת המוטורית[ג]. בפועל, נראה שהדרך היעילה היחידה לפתור אותן היא הצעת ברנשטיין להקטין מאוד את מספר דרגות החופש המבוקרות בפועל במערכת העצבים המרכזית וההיקפית. דרך טריוויאלית אחת לעשות זאת היא על-ידי "קפיאה", כלומר אילוץ חוסר-תנועה במרבית המפרקים ודרגות החופש בגוף, פרט למעטים מאוד שהכרחיים לביצוע. קוארדינציות כאלו ניתן אכן לראות בבני-אדם המתרכזים בביצוע משימה מוטורית קשה אך מוגבלת, דוגמת שריכת נעל עם נקבים צרים במיוחד. תכופות הם עושים זאת באמצעות החזקת כל גופם ללא תנועה, פרט לדרגת חופש יחידה במפרק המרפק או כף היד.
פתרון מוטורי כזה בדרך-כלל מוגבל, מסורבל, ובלתי-יעיל לטווח ארוך. אבל לפי התאוריה של ברנשטיין, אילוצים מורכבים מעט יותר עשויים לכפות מספר קטן יותר של קואורדינציות יעילות יותר, העושות שימוש במפרקים רבים יותר. לדוגמה, האדם המנסה להשחיל שרוך בחור דק מאוד עשוי להשתמש בקואורדינציה שבה מפרקי הכתף, המרפק וכף היד נעים לכאורה כל אחד בדרגת חופש אחת, אך האיבר הסופי המחזיק את השרוך, היינו כף היד, נע בקו ישר בלבד: אילוץ שנלמד במערכת העצבים ויוצר קואורדינציה ספציפית מאוד בין שלוש דרגות החופש, ובפועל כופה עליהן תנועה בעלת דרגת חופש יחידה.
לפי תאוריה "ברנשטיינית" זו, קואורדינציות מורכבות ומיומנות באמת, אשר עושות שימוש במרבית המפרקים בגוף, דוגמת ביצוע פירואט במחול, קפיצה לגובה באתלטיקה, או דגמי תנועה "אינסטינקטיביים" משוכללים בבעלי-חיים, בפועל עושות שימוש באילוצים משוכללים אף יותר, באמצעות קשרים עצביים מורכבים מאוד הנוצרים בין מפרקים רבים מאוד. במדע המודרני בדרך-כלל לא ברור עדיין כיצד בדיוק "מתוכנתות" קואורדינציות כאלו במערכת העצבים, מדוע חלקן עובד וחלקן לא, וכיצד ליצור אותן באופן מיידי במודלים מתמטיים או ברובוטים. אך ניתן להניח שהן רק צורה קיצונית יותר ומשוכללת יותר של אותה תאוריה "ברנשטיינית"
ביאורים
[עריכת קוד מקור | עריכה]- ^ אחיו הצעיר של ברנשטיין, סרגיי אלכסנדרוביץ' ברנשטיין, סיים תואר ראשון במחלקה לפיזיקה ומתמטיקה של אוניברסיטת מוסקבה בשנת 1921, אבל לאחר מכן קיבל משרה מעשית יותר במכון מסילת הברזל של מוסקבה. עם זאת, רעייתו הצעירה של סרגיי, טטיאנה פופובה, קיבלה מאוחר יותר משרה מניקולאי במכון המרכזי לעבודה. כמה ממכתביה לבעלה תיעדו את האווירה במכון.[1]
- ^ גם בעייה זו מחמירה ככל שעולה מספר דרגות החופש המשתתפות בקואורדינציה, וביחוד מעל 3 דרגות חופש. למשל 3 דרגות חופש במפרק הכתף ועוד 1 במפרק המרפק, כמעט תמיד די בכך להבטיח שלא יהיה ניתן לחזות תנועה סימולטנית בשניהם כסכום של תנועותיהם כל אחד לחוד.
- ^ ראייה טובה לכך היא שעדיין לא הוצג רובוט מפרקי שהקואורדינציה שלו אפילו מתקרבת למורכבות, לזריזות ולאלגנטיות של רבים מדגמי התנועה הטיפוסיים לתנועת בעלי-חיים בטבע, או של אתלטים ורקדנים אנושיים.