Спортивная психофизиология

    Артефакты движения электродов

    Любой, даже небольшой сдвиг электрода  с места, на которое он был поставлен, может повлечь сильное увеличение сопротивления между поверхностью электрода и кожей головы, что, в свою очередь, сильно изменит сигнал ЭЭГ. Эта проблема особенно актуальна в спорте, где движения человека неизбежны. Чтобы избежать движения электродов следует их крепить с особенной тщательностью. Сейчас уже существуют специальные пасты для крепления электродов (также применяемые в клинике для исследования эпилепсии и сна). Также следует пользоваться специальными шапками или эластичными бинтами.

    Движения  глаз

    Артефакты движения глаз – стандартная проблема ЭЭГ исследований. Разница потенциалов  между сетчаткой и роговицей  больше, чем ответ мозга. При моргании происходит, в основном, вертикальные движения глаз. Это приводит к изменению  ЭЭГ сигнала во фронтальных электродах Fp1 и Fp2 с пиковой амплитудой около 50-200 мкВ. Однако существуют данные, свидетельствующие, что при физических нагрузках не происходит увеличения частоты моргания¹⁵¹⁶ и поэтому для ЭЭГ исследований спорта этот вид артефактов не является доминирующим. Известно, что с увеличением зрительной нагрузки уменьшается частота морганий¹⁷. В спорте нагрузка на зрительный анализатор высокая, поэтому и моргания достаточно редки.

    Артефакты дыхания

    Артефакты дыхания происходят от ритмических  движений тела, сопровождающих вдох и выдох. Обычно они подобны высокоамплитудным волнам с частотой дельта-ритма. Частота дыхания увеличивается при увеличении аэробных нагрузок в спорте. Обычно параллельно с ЭЭГ также пишется и дыхание, что позволяет потом отстроиться от артефактов, связанных с этим процессом.

    Электрическая наводка

    Электрическая наводка от окружающих предметов  обычно удаляется с помощью встроенной процедуры ослабления синфазного сигнала. Однако если возникает существенное расхождение по сопротивлению между  поверхностью головы и отдельными электродами, то электрическая наводка проявляется на ЭЭГ. В России она наиболее заметна на частоте 50 Гц. Для минимизации электрической наводки используется экранирование. Активное экранирование может быть рекомендовано при работе в окружении серьезных электромагнитных помех, например, в машине на соревнованиях Формулы 1.

    Ограничение движений

    Ограничение движений, которое обычно подразумевает  под собой ЭЭГ-исследование, не является артефактом как таковым, но представляет собой существенное препятствие для массового использования ЭЭГ в спорте. Так, обычно электроды (или шапочка, на которой они крепятся) должны быть соединены проводами с усилителем. Это существенно сужает диапазон возможных движений, не говоря уже о том, что движение самих проводов является источником наводок на ЭЭГ сигнал. Однако сейчас уже появились портативные ЭЭГ устройства, так называемые «холтеры». В этом случае электроды соединены с записывающей коробочкой, которая крепится прямо на теле самого обследуемого человека (на поясе, например). Эта система позволяет записывать данные в удалении от основной платформы на специальную флеш-карту. Потом данные могут быть считаны и обработаны на основной системе. Данные разработки являются перспективными для применения в спорте.

    Компьютерные  методы отстройки  от артефактов

    Современные математические разработки и компьютерные технологии позволяют определить артефактную  активность на ЭЭГ, а также эффективно от нее «отстроиться», а именно вычесть  артефактную активность из ЭЭГ сигнала, выделить мозговой сигнал. Использование этих методов очень перспективно в исследованиях спортивной деятельности.

    В 1995 году А.Г.Белл и Т.Г.Сейновский¹⁸ предложили использовать технологию ICA (методо независымых компонент) для решения проблемы удаления глазодвигательных артефактов. Они показали, что ICA алгоритм может быть использован для отделения ЭЭГ активности от миографических, окулографических и кардиографических артефактов и для нахождения независимых компонент ЭЭГ и ВП данных. Аналогичные алгоритмы были получены другими исследователями¹⁹²⁰, которые использовали их для удаления многообразных артефактов (включая ОКГ, МГ, ЭКГ сигналы и помехи питающей сети) из ЭЭГ данных. Существуют и другие методы отстройки от артефактов – метод главных компонент, регрессионный анализ. Однако технология ICA имеет ряд преимуществ перед ними. ICA технология разделяет ЭЭГ данные и присутствующие в записи артефакты на независимые компоненты, базируясь исключительно на характеристиках сигналов ЭЭГ отведений, не требуя дополнительных каналов регистрации данных для записи "в чистом виде" артефактов каждого типа. ICA технология после коррекции артефактов позволяет использовать все исходные данные, в противовес другим методам, дающим существенное уменьшение объема входных данных. В отличие от регрессионных методов, ICA технология эффективно устраняет артефакты и сохраняет данные ЭЭГ активности в сигналах всех отведений, включая отведения, пространственно расположенные в непосредственной близости к источникам артефактов.

    Как было показано выше, существует множество проблем использования ЭЭГ в спорте, во время движений и выполнения спортивных действий. Однако потенциально все эти проблемы можно решить. Следующий раздел будет посвящен тому, как можно грамотно спланировать эксперименты, чтобы минимизировать влияния артефактной активности.

    1.2.2. Схемы экспериментов  с минимизацией  артефактов

    Исследование  до и/или после

    Один  из способов минимизации артефактов, связанных с выполнением спортивного  действия – это исследование мозговых процессов непосредственно до или после этого события, т.е. до и/или после соревнований, выполнения физической активности, важного элемента действия.

    По  литературным данным первое применение ЭЭГ в спорте произошло в начале 50х годов прошлого века. Это были исследования боксеров²¹²². ЭЭГ у боксеров регистрировалась до и после поединка. Также ЭЭГ боксеров сопоставлялась с ЭЭГ обычных людей.

    Хорошую модель для исследования мозговой активности представляется при изучении механизма  прицеливания у стрелков, лучников и гольфистов. Период прицеливания обычно происходит с минимальными движениями и предельной концентрации на цели, что позволяет избежать артефактов движения и записать мозговую активность, связанную с наведением на цель^{23 24 25 26 27 28 29}.

    В этих исследованиях сопоставлялась ЭЭГ новичков и профессионалов, а также ЭЭГ при хорошем и плохом выстреле. Были выявлены предикторы хорошего и плохого выстрелов, а также тренированности.

    Воображаемое  действие

    Ряд исследований показали, что при воображении  какого-либо действия и при его реальном совершении активируются сходные структуры мозга. В частности, в исследованиях с применением позитронно-эмисионной томографии (ПЭТ)³⁰ испытуемым нужно было воображать движение джойстика. В это время активировались те же структуры мозга, что и перед непосредственным нажатием этого джойстика. Только финальная стадия собственно реализации действия отличала реальное действие от воображаемого. Исследовались также изменения в активации мозга, происходящие при тренировке игры на пианино определенной нотной последовательности. Оказалось, что после пятидневной тренировки, область мозга, активирующаяся при выполнении этих движений, расширилась. Подобное изменение активности мозга наблюдалось и после воображаемых тренировок. Можно предположить, что воображаемая тренировка приводит к сходным изменениям мозговой активности, что и реальная. Дополнительные эксперименты по воображаемой тренировке можно прочитать в обзоре М. Женерода и Дж. Децетти³¹. Они также утверждают недостаточность использования только зрительного анализатора при представлении, а необходимость подключать ощущения тела и другие анализаторы. Так, при наблюдении за движением руки активируются только зрительные отделы коры, в то время как воображаемое действие активирует также и моторные области коры.

    Этот  замечательный факт имеет практическое значение для спорта. Так, многие спортсмены успешно используют идеомоторную тренировку (другие названия – холостой тренаж, ментальная тренировка, тренировка в воображении и т.п.) в своей профессиональной деятельности. Например, биатлонист представляет, как он целится, а потом стреляет, даже не держа в руках винтовку.

    Сотрудники  Лионского Университета показали, что  как при настоящем прицеливании, так и при воображаемом происходят сходные изменения в нервных процессах. Они рассчитали специальный индекс, отражающий сходство изменений нервных процессов при реальном и воображаемом действии. Оказалось, что чем больше это сходство, тем лучше результат реальных выстрелов³². Также была показана важность полного представления действия, включая кинестетический и слуховой анализатор, не ограничиваясь только зрительным³³.

    Очень показательна в этом смысле работа Дж. Юу и К. Коула³⁴. Они исследовали процесс укрепления мини-мускулатуры одного пальца левой руки. Пять раз в день в течение 4 недель испытуемые расслабляли и напрягали палец левой руки. Половина из них делала это на самом деле, а другая половина – воображала это действие в уме. Также исследовалась контрольная группа, которая совсем не тренировалась. В конце 4 недель сила тренируемого пальца была сравнена с таковой у контрольной группы. Физические упражнения укрепили силу пальца на 30%, в то время как у контрольной группы было обнаружено лишь незначительное увеличение силы (3,7 %). Показательно, что воображаемая тренировка также привела к увеличению силы пальца на 22%. Это увеличение в силе было специфично только для тренируемого пальца. Более того, сама мышца этого пальца не выросла, то есть увеличение в силе было обусловлено изменениями в мозге.

    Сотрудники  Йенского Университета Фридриха Шиллера  исследовали эффекты воображаемой тренировки на пловцах. Оказалось, что  сходные изменения ЭЭГ (увеличение средней частоты альфа-ритма) происходят как после реальных тренировочных соревнований, так и после воображаемых³⁵. Таким образом – воображаемые тренировки – хорошая модель для изучения мозговой активности, связанной с выполнением какого-либо действия. В другом исследовании³⁶ изучались изменения мозговой, а также вегетативной активности во время представления моторных действий при заплыве на 100 метров. Было выявлено увеличение частоты сердечных сокращений, сопротивления кожи, а также учащение дыхания при воображаемой тренировке. Это также сопровождалось увеличением средней частоты альфа ритма в левых окципитальных и прецентральных областях. 

    Моделирование спортивной ситуации

    В некоторых случаях оказывается  возможным смоделировать спортивную ситуацию в лабораторных условиях, что также позволяет исследовать  и мозговую активность.

    При нырянии известен нервный синдром  высокого давления, проявляющийся в  треморе, кислородном голодании, ослаблении моторной сферы, появлении сенсорных  симптомов, головокружения, тошноты, ослаблении памяти³⁷. При симуляции состояния высокого давления, характерного для ныряния, удалось исследовать нейронные корреляты данного процесса³⁸. Было обнаружено уменьшение амплитуды и увеличение латентности компонентов зрительного вызванного потенциала (ВП), а также увеличение тета-активности с увеличением глубины погружения.

    Другая  проблема – это высокогорная болезнь, заключающаяся в головокружении, смятении, головной боли и даже мозговом отеке. В электроэнцефалографическом исследовании было показано, что существуют ЭЭГ-предвестники этого состояния. У 32 альпинистов во время экспедиции на Гималаи записывали ЭЭГ и транскраниальную ультразвуковую доплерографию. Оказалось, что у тех участников экспедиции, у которых на высоте от 3 440 до 5 050 м проявились симптомы высокогорной болезни, уже на этапе 3 440 м проявилось повышение медленноволновой активности в правой височной области. И лишь потом, на высоте 5 050 м у них проявилось увеличение кровотока в правой средней мозговой артерии³⁹.

    Понятно, что для моделирования какой-либо спортивной ситуации необходимы специальные приборы. Так для стрелков разработаны специальные электронные тренажеры – СКАТТ. Они полезны для тренировочного процесса спортсмена. Есть варианты этих тренажеров, адаптированных для пулевой стрельбы из пистолета и винтовки, для биатлона, стрельбы по движущейся мишени, стрельбы из арбалета, лука и с макетом гранатомета. Для использования тренажера стрелок закрепляет на стволе оружия оптический датчик, который постоянно следит за перемещениями оружия относительно мишени. Синхронно с прицеливанием на экране компьютера отображается траектория перемещения оружия на фоне мишени. Момент регистрации выстрела фиксируется на экране пробоиной. Объективная оценка устойчивости оружия делает тренировку более эффективной и значительно сокращает время обучения. Многие скрытые ошибки, допущенные в процессе прицеливания и обработки спуска, на выявление которых обычно тратится значительное время, становятся очевидными. Интересно использование данных тренажеров параллельно с записью показателей центральной (ЭЭГ) и периферической НС. В частности, это позволяет тренировать такой сложный элемент техники, как стрельба между ударами сердца.