ניקולאי ברנשטיין
מורשת מדעית

מקובל כיום על מדענים רבים 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;
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 לא ליניארית של משוואות דיפרנציאליות, אלא שבפועל כמעט תמיד לא מוכר פתרון אנליטי שלהן. אינטואיטיבית פירוש הדבר שתנועה במפרק הכתף ובמפרק הזרוע יחד, למשל, אינן ניתנות לחיזוי כסכום של התנועה במפרק הכתף בלבד ושל התנועה במפרק הזרוע בלבד
ז) למעשה, משמעות התאוריה של ברנשטיין מובנת הרבה יותר כיום ומאז שנות ה-90 לאור פיתוח תורת הכאוס במערכות אי-לינאריות כאלו. בזמנו של ברנשטיין, אפילו אמצעי החישוב המכניים והאלקטרונים החזקים ביותר היו איטיים בסדרי-גודל רבים ממחשבים דיגיטלים מודרנים, כך שבפועל היה קשה מאוד "לראות" כאוס. זו ככל הנראה הסיבה שברנשטיין עצמו העדיף לדבר על המושג המתמטי של חוסר-פתירות אנליטי, שהוא קשה יותר להבנה אינטואיטיבית.
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 בעיות אלו במערכת המוטורית. 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".
ניתן למשל לחשוב על משימה מוטורית פשוטה וקלה לכאורה: נגיעה בקצה האצבע בחפץ כלשהו הניצב לפני הנבדק. ברור למדי שהמשוב החזותי המגיע מן העיניים הוא זה שמאפשר למוח ולמערכת המוטורית תמרון הזרוע בשלושת מימדי המרחב, כלומר בשלוש דרגות חופש לפחות. סביר אף שהמוח יכול להשתמש במידע החזותי כדי לצמצם אותן לדרגת חופש יחידה: מיקום קצה האצבע לאורך קו דמיוני המקשר את את מקומה ההתחלתי עם החפץ המשמש כמטרה. ועם זאת, תנועת זרוע אחת לבדה מערבת לפחות 7 דרגות חופש מוטוריות, אף מבלי להחשיב את תנועת האצבעות: 3 במפרק הכתף, 1 במפרק המרפק, 1 בפיתול אמת היד (הנוצר באמצעות חופש התנועה בין עצמות החישור והגומד) ו-2 בתנועת כף היד על האמה. גם במדע המודרני, לא ברור כיצד בדיוק מסוגל המוח והמערכת המוטורית לבצע את החישוב המורכב הכרוך בתרגום הקואורדינציה של שבע דרגות חופש אלו על-מנת לפתור במהירות ובקלות את תנועת קצה האצבע בשלושה מימדים, או אף במימד יחיד. מרבית המחקר המוטורי בנושא זה מגביל בכוונה את יכולת התנועה של הזרוע לשתי דרגות חופש בלבד - אחת בכתף ואחת במרפק - בכדי לאפשר בדיקה של מודלים שונים.