Спортивная психофизиология

    Метод ЭМГ довольно успешно используется в спортивной практике. Например, в стрельбе. Основными факторами, влияющими на качество стрельбы, являются процессы прицеливания, обработки выстрела и сохранения устойчивого положения системы стрелок-оружие. Максимальная эффективность данных действий возможна только при совместной работе большого количества мышц, которые объединяются в функциональные группы. Такой тип организации очень выгоден и экономичен, так как уменьшается число независимо работающих единиц⁸. Отдельные исследования показали, что у стрелков наблюдается довольно сильные корреляции между ЭМГ определенных мышц, в частности, икроножными и камбаловидными мышцами правой и левой ног. Причем, чем выше квалификация спортсмена, тем сильнее эти закономерности. Также с ростом уровня квалификации происходит уменьшение колебаний центра давления и ствола оружия. К моменту выстрела эти колебания уменьшаются еще сильнее.

    Также можно привести пример использования  ЭМГ в теннисе⁹. Целью исследования было изучить изменения сократительных свойств мышц в ходе подготовки спортсменов. Было отобрано 8 теннисистов юниоров, подающих надежды, которые проходили специальный шестинедельный курс тренировок, предназначенных для повышения скорости. До и после тренировок были измерены различные физические характеристики, включающие множество параметров мышечных сокращений, в том числе с помощью мониторинга спектральной частоты ЭМГ икроножных мышц. Результаты исследования показали, что все спортсмены улучшили свои показатели, но особенно выделились 3 игрока. Также как и остальные спортсмены, они улучшили показатели скорости после 6 недель тренировок, но проявилось это в том, что они научились увеличивать скорость сокращение мышцы за счет более короткого подергивания. Помимо этого эти 3 игрока показали более высокую частоту спектра и более широкую амплитуду ЭМГ икроножных мышц. Авторы исследования заключают, что у данных игроков волокна икроножных мышц адаптированы к специальной физической нагрузке за счет увеличения содержания мышечных волокон определенного типа.

    Следует также добавить, что для исследования нервномышечной активности организма  необходим комплексный подход, так  как в человеческом теле около 400 скелетных мышц и при любом  движении наблюдается довольно сложная  картина мышечных сокращений. В современных исследованиях, в особенности связанных со спортом, используется сочетание электромиографических, кинезиологических и биомеханических методов измерения. Знание особенностей мышечной деятельности во всех ее аспектах, ее оценка и организация доступной для спортсмена обратной связи должны способствовать оптимизации движений, что немаловажно для повышения эффективности в спортивной практике.

    Также для исследования активности мышц в  современной спортивной науке используют прибор, называемый тепловизор. Тепловизор (инфракрасная камера) – оптико-электронный измерительный прибор, работающий в инфракрасной области электромагнитного спектра, "переводящий" в видимую область спектра собственное тепловое излучение людей или техники. Тепловизор напоминает телевизионную камеру. Чувствительный элемент тепловизора – матрица миниатюрных детекторов – воспринимает инфракрасные сигналы и превращает их в электрические импульсы, которые после усиления преобразуются в видеосигнал. Тепловизор может использоваться как прибор для бесконтактного измерения температуры объектов и температурных полей.

    Все эти методы могут быть использованы для описания спортивного действия и раскрытия механизмов его эффективной  реализации. Далее эти мыщечные процессы могут быть сопоставлены с психическими процессами. С помощью метода биологически обратной связи (БОС) они могут быть экстериоризованы и использованы для повышения эффективности деяельности с помощью сознательного регулирования. Анализ ЭМГ становится особенно информативным в комплексе с другими показателями — ЭЭГ, КГР, ЧСС и т.д. 

    1.1.5. Дыхание

    Дыхание, или ритм дыхания, является одним  из старейших психофизиологических показателей, но из-за грубости методов  его измерения он практически  никогда не принимался психофизиологами всерьез. Г.Штерринг¹⁰ впервые исследовал дыхание в связи с психическими состояниями. Он предложил определять в различных ситуациях среднее отношение длительности вдоха к длительности выдоха. Некоторые исследователи считали дыхание объективным индикатором лжи, другие использовали в изучении эмоциональных процессов. В настоящее время дыхание обычно используют в дополнение к другим психофизиологическим методам для анализа артефактов. Дыхание часто измеряют по изменениям объема грудной клетки и живота при каждом вдохе. На обоих этих участках прикрепляют датчик натяжения. Его растягивание регистрируется на полиграфе как изменение электрического сопротивления.

    Некоторые исследователи регистрируют дыхание  как показатель общего обмена веществ. Во многих исследованиях было показано, что частота и объем вдыхаемого воздуха резко уменьшается при трансцендентальной медитации или общем расслаблении. Также в ряде исследований было показано, что с помощью дыхания, например, гипервентиляции легких, можно изменять, а имеено, повышать, частоту сердечных сокращений. Эту особенность, в свою очередь, активно используют в тренингах БОС, где необходимо уметь быстро переходить из состояния возбуждения в состояние расслабления и наоборот. Данный метод активно используется в спортивной практике для того, чтобы научить спортсменов лучше контролировать свое функциональное состояние на каждом этапе тренировки и соревнований, лучше справляться с психоэмоциональным напряжением и стрессом, корректировать уже существующие функциональные системы для достижения наибольшей результативности своей деятельности.

    1.1.6. ЭКГ

    Электрокардиография (ЭКГ) – метод регистрации и исследования электрических процессов, связанных с сокращением сердечной мышцы. Данный метод был открыт У. Эйнтховеном в 1903 году¹¹. В клинической практике используются различные способы отведения для регистрации ЭКГ, электроды могут накладываться как на грудную клетку, так и на руки или ноги. В психофизиологии ЭКГ обычно используется для измерения частоты сокращений желудочков, т.е. для измерения всех интервалов между последовательными комплексами QRS (электрическими зарядами, связанными с сокращениями желудочков).

    Средняя частота сокращений сердца в покое  у здорового взрослого человека составляет около 70 ударов в минуту. Величины средней частоты ниже 60 уд/мин (брадикардия) и выше 100 уд/мин (тахикардия) обычно считаются признаками какой-либо патологии в сердечно-сосудистой системе. Во время физической нагрузки сердечный ритм может  учащаться до 200 уд/мин с последующим постепенным возвратом его к исходному уровню после окончания нагрузки. Интенсивная тренировка может привести к изменению свойств сердечной мышцы, и для снабжения мускулатуры кислородом сердцу уже не нужно будет так сильно учащать свой ритм. Несмотря на то, что у атлета минутный объем сердца остается неизменным, частота сердечных сокращений и в покое, и при физической нагрузке может быть значительно меньше, чем у обычного человека¹².

    Метод кардиоинтервалографии, основанный на анализе интервалов между ударами  сердца, был предложен Р.М. Баевским¹³. Он позволяет определить состояние вегетативного гомеостаза по степени преобладания симпатического или парасимпатического типа регуляции вегетативной нервной системы и оценить напряжение регуляторных систем организма при повышенной физической нагрузке. Как известно, при низких приспособительных возможностях происходит усиление активации симпатического звена, что в свою очередь является признаком больших энергозатрат регуляторных систем организма на поддержание гомеостаза. В зависимости от напряжения регуляторных систем, обычно выделяют ваготонический, нормотонический и симпатикотонический типы реагирования организма на физическую нагрузку, которые определяются преобладанием того или иного отдела вегетативной нервной системы. В исследовании Р.М.Баевского¹⁴ было установлено, что у более квалифицированных спортсменов чащу встречается нормотонический тип реагирования.

    1.2. Методы исследования ЦНС

1.2.1. ЭЭГ в спорте

    Электроэнцефалография – метод исследования деятельности головного мозга человека. Он основан на суммарной регистрации биоэлектрической активности отдельных зон, областей и долей мозга. Электрическая активность мозга мала и выражается в миллионных долях вольта. Поэтому её можно зарегистрировать лишь при помощи специальных высокочувствительных приборов и усилителей, которые называются электроэнцефалографами. Регистрация ЭЭГ осуществляется наложением на голову специальных датчиков (электродов), которые соединяют проводами с входом аппарата. Важно обеспечить хороший контакт электрода с поверхностью кожи головы, а также низкое и постоянное сопротивление между ними. Для этого используют специальные пасты и растворы. На выходе получается графическое изображение колебаний разности биоэлектрических потенциалов работающего мозга.

    ЭЭГ – сложная кривая, состоящая из волн различных частот и амплитуд. В зависимости от частоты ЭЭГ различают волны, обозначаемые греческими буквами "альфа", "бета", "дельта" и др. ЭЭГ совершенно безвредно и безболезненно. Согласно существующей точке зрения, ритмы ЭЭГ отражают возбудительные и тормозные постсинаптические процессы в телах и дендритах нейронов различных генераторных систем (корковых, подкорковых). ЭЭГ применяется в современной нейрофизиологии, а также в неврологии и психиатрии.

    Основным  препятствием для расширения ЭЭГ  исследований в спорте являются методические трудности регистрации электрической активности мозга при движениях. В этих условиях возможны различные артефакты как физического, так и биологического происхождения. Поэтому при постановке подобных исследований встает необходимость особенно строгого соблюдения определенных методических условий, которые имеют решающее значение в осуществлении успешной регистрации ЭЭГ. Также одним из препятствий развития ЭЭГ исследований в области спорта является отсутствие надежных критериев для оценки ЭЭГ в процессе мышечной деятельности. Причинами этого является как сложность самой регистрации ЭЭГ во время двигательной активности, так и проблема дальнейшего анализа, требующего использования сложных вычислительных методов.

    Далее будут рассмотрены основные артефакты, учет которых необходим при проведении ЭЭГ исследований в спорте, а также приведены некоторые методические схемы применения ЭЭГ в спорте.

    1.2.1.Основные  артефакты и способы  борьбы с ними

    Мышечные  наводки

    Сокращение  мышц вызывает миогенный потенциал, который является главным источником ЭЭГ артефактов. Занятия спортом подразумевают наличие частых и интенсивных мышечных сокращений. Электромиограмма (ЭМГ) – запись мышечной активности характеризуется амплитудой порядка 100-1000 мкВ, значительно большей, чем амплитуда ЭЭГ (10-100 мкВ). Таким образом, мышечная активность может перекрыть мозговую. Эта проблема известна уже давно, еще при исследовании пациентов, большых эпилепсией, было обнаружено, что мышечные спайки могут скрывать эпилептическую активность мозга.

    Что же можно сделать, чтобы за мышечной активностью увидеть работу мозга? К счастью, ЭМГ и ЭЭГ сигналы довольно хорошо различимы по морфологии, спектральному составу и пространственному распределению по мозгу. ЭМГ состоит из серий разрядов моторной единицы с частотой от 20 до 1000 Гц, в зависимости от того, сколько мышечных волокон включено и какова сила их сокращения. Однако максимальная мощность сигнала приходиться на диапазон от 50 до 150 Гц. ЭЭГ сигнал покрывает гораздо больший диапазон, с зоной максимального изучения 1-30 Гц. Таким образом, если исследователя интересует мозговая активность около 15 Гц, то вполне можно использовать фильтр высоких частот. Также мышечные артефакты имеют тенденцию проявляться на определенных электродах – обычно височных, Т3 и Т4. Артефакты в этих местах отражают движения и напряжение челюсти. Фронтальные электроды отражают мышечные наводки от нахмуривания, затылочные – от напряжения шеи. Один из способов избавиться от мышечных наводок – просто исключить части ЭЭГ с наводками из анализа. Однако в том случае, когда мышечных наводок много, такой метод неприменим. Существуют методы математической отстройки от этих артефактов, такие как, например, метод независимых компонент (ICA). Использование этих методов очень перспективно в спортивной психофизиологии. О них будет рассказано подробнее ниже.

    Кожные  артефакты

    Выделение молочной кислоты и поваренной соли из потовых желез на коже головы приводит к изменению проводимости кожи, что влияет на амплитуду ЭЭГ  сигнала. Если эти изменения различны под референтным и активным электродами, тогда на записи мы видим большие колебания базовой линии. Эти артефакты обычно имеют низкую частоту (<1 Гц) и поэтому их легко отличить от мозговой активности, которая обычно интересует исследователей. В этом случае можно использовать фильтр низких частот. Тем не менее, желательно при записи стараться не допускать потения, проводить эксперименты в хорошо проветриваемых помещениях.