Метод «меченых ритмов»

    Невозможно  не затронуть в данном разделе  пионерские работы по применению ЭЭГ  в спорте Е.Б. Сологуб. Уже более полувека назад она вступила на путь исследования ЭЭГ во время движения. В 1957 году ей были описаны специфические медленные потенциалы ЭЭГ, соответствующие по частоте темпу выполняемых движений (0,5 – 8 Гц). Эти потенциалы были названы «мечеными ритмами»⁴⁰. Ее открытие позволило уже в то время зарегистрировать в ЭЭГ как временные, так и пространственные особенности рабочей активности мозга при выполнении движения. Метод «меченых ритмов» заключается в учете тех специфических изменений, которые производит ритмическая мышечная деятельность в коре головного мозга человека. Он основан на строгом учете темпа рабочих движений и обнаружении в ЭЭГ соответствующих этому темпу медленных потенциалов.

    Соответствие  частоты данных ритмов темпу движения вызывало сначала опасения, что они являются отражением каких-либо артефактов. Но, в дальнейшем, рядом исследований было показано корковое происхождение данных ритмов^{41 42 43}. Интересной особенностью меченых ритмов, является то, что их можно обнаружить в процессе представления ритмических движений. В исследовании Н.Я. Кулагиной⁴⁴ показано, что опытные спортсмены-бегуны способны устойчиво воспроизводить темп движений при повторных выполнениях 10-секундного бега на месте. Если им предложить выполнить ту же нагрузку мысленно, то в ЭЭГ у них за этот период можно выявить потенциалы, соответствующие темпу реального бега. Также одной из интересных форм возникновения медленных потенциалов в темпе движения является их появление в мозгу испытуемого, когда ритмические движения выполняет другой человек. При регистрации ЭЭГ двух испытуемых на ЭЭГ одного из них удается выделить меченые ритмы в темпе бега другого. Ниже суммируются основные аргументы в пользу того, что меченые ритмы не являются результатом механических артефактов или биологических помех: 

1. Меченые ритмы  наблюдаются не только во время движения, но и при отсутствии рабочих движений в порядке рефлекса на время или  в процессе представления движений;
2. Они появляются в ЭЭГ при действии условных раздражителей первой или второй сигнальной системы в предстартовом состоянии;
3. Они чаще всего концентрируются при упражнении в тех областях коры, которые являются моторными центрами работающих групп мышц;
4. Потенциалы в темпе движения могут возникать в различных отведениях ЭЭГ не только синфазно, но и с определенными сдвигами по фазе;
5. Данные потенциалы не появляются при движениях в контрольных записях от скуловых, носовых и других удаленных от мозга областей, не наблюдаются в кривых ЭМГ жевательных, височных, затылочных и других мышц;
6. Меченые ритмы не являются проявлением механических сотрясений электродов, окуломоторных, пульсовых, дыхательных или кожногальванических артефактов;
7. Меченые ритмы увеличиваются по амплитуде, регулярности и иррадиируют по коре больших полушарий при мышечной работе на фоне действие кофеина, а под влиянием аминазина выраженность и иррадиация их уменьшаются;
8. Имеются статистически достоверные различия по выраженности меченых ритмов в группах испытуемых разного уровня спортивной подготовки;
9. Имеются закономерные связи между проявлением меченых ритмов и уровнем тренированности и работоспособности человека: при переутомлении или при перетренированности их выраженность резко уменьшается.

    Используя метод меченых ритмов, можно наблюдать  отдельные этапы формирования стереотипной деятельности коры – как ее становление во времени (усвоение темпа движения в различные интервалы времени), так и пространственные изменения количества вовлекаемых в рабочую активность нервных клеток. Данную закономерность можно проследить на простом эксперименте, проведенном Е.Б. Сологуб⁴⁵. Она показала, что в случае периодической работы, сочетающейся с отдыхом, можно обнаружить с помощью данных ритмов образование в коре заданного стереотипа активности, так как меченые ритмы появляются в рабочие интервалы времени даже при отсутствии двигательной активности. Е.Б. Сологуб сочетала 15-секундные интервалы работы в темпе движений 3 Гц с 15-секундными интервалами отдыха. Когда данный темп был хорошо усвоен, медленные потенциалы с частотой движений, появлялись в рабочие интервалы времени даже при отсутствии рабочих движений. Эти меченые ритмы были, в основном, выражены в прецентральных и постцентральных областях коры и, в меньшей степени, в лобном и затылочном отведениях. В период отдыха данные потенциалы не наблюдались. Независимо от того, в каком темпе идет работа, меченые ритмы проявляются в основном в области двигательного анализатора, постепенно концентрируясь в соответствующей рабочей точке коры.

    Таким образом, можно сказать, что описанные  медленные потенциалы в темпе  движений – явление физиологическое, возникающее в коре больших полушарий и отражающее корковую активность при формировании двигательного динамического стереотипа. Они связаны с выполнением определенной мышечной работы – циклических движений, являющихся существенным компонентом во многих видах спортивной деятельности.

    1.2. МРТ

    Магнитно-резонансная  томография (МРТ) - это метод отображения, используемый, главным образом, в  медицинских установках, для получения  высококачественных изображений органов  человеческого тела. Магнитно-резонансная томография основывается на поглощении и испускании энергии в радиочастотном диапазоне электромагнитного спектра. С помощью МРТ получают карты структур мозга на основе контраста белого и серого вещества, а также в зависимости от их плотности и содержания в них атомов водорода. В основе данного метода лежит явление ядерно-магнитного резонанса, который заключается в следующем: когда человека помещают в постоянное магнитное поле, которое образует МРТ томограф, атомы водорода поглощают энергию и выстраиваются вдоль данного магнитного поля; если затем убрать магнитное поле, то атомы вернутся в равновесное состояние, испуская поглощенную энергию. Но данной энергии недостаточно для получения изображения. Поэтому в данном методе используется явление резонанса, которое заключается в том, что сообщается определенная последовательность радиочастотных импульсов, с которыми начинают резонировать спины атомов водорода в различных тканях. Спины атомов водорода начинают отклоняться от направления постоянного магнитного поля, поглощая энергию радиочастотных импульсов. В зависимости от целей исследования и от структур, которые необходимо изучить, используются различные последовательности радиочастотных импульсов. После этого, все радиочастотные импульсы отключаются, и спины атомов начинают рефлексировать, испуская поглощенную энергию. Так как все ткани организма имеют различную плотность, разное содержание атомов водорода, молекул воды и т.д., они рефлексируют с разной скоростью. В зависимости от скорости рефлексии, различные ткани получают на изображении различный контраст. Аномальные образования (опухоли, гематомы и др.) четко видны на изображении, так как сильно отличаются по плотности от окружающих тканей.

    Вышеописанный метод можно использовать не только для получения точного изображения мозга, его анатомических особенностей, но и регистрации изменения его активности. Это так называемая функциональная МРТ (фМРТ). В фМРТ обычно используется парамагнитные субстанции гемоглобина. Когда гемоглобин отдает кислород (деоксигемоглобин), то приобретает парамагнитные свойства. фМРТ измеряет соотношение деогсигемоглобина к гемоглобину, т.е. локализует те области мозга, где наблюдается сильный мозговой кровоток. При активации организма происходит возрастание метаболической активности мозга, а соответственно и увеличение скорости и объема мозгового кровотока в определенных областях мозга, что сопровождается активным потреблением кислорода в этих областях. Таким образом, фМРТ используется для нахождения наиболее активно работающих областей мозга при различных когнитивных задачах или нагрузках.

    При МРТ исследовании человека кладут в  специальное устройство, находящееся  в изолированной комнате с  постоянным магнитным полем, поэтому  провести его во время выполнения спортивного действия не представляется возможным. Однако некоторые из рассмотренных выше схем ЭЭГ эксперимента могут быть с успехом использованы и для МРТ исследований. Так, МРТ позволяет детально изучить особенности строения мозга спортсмена, а также пластические изменения, происходящие в нем под влиянием постоянных тренировок. Можно также исследовать активность мозга во время представления воображаемого действия. Ниже приведены некоторые исследования в данной области.

    В работе М.Г.Райта и Р.С.Джексона⁴⁶ на юных теннисистах с помощью фМРТ было показано, что зоны в задней части височной доли (MT/MST и STS) активировались в ситуации просмотра клипов с движением теннисного мяча. Просмотр последовательности подач дополнительно активировал теменную долю (IPL и правую SPL), а также правую фронтальную кору (IFGd, IFGv). Эти зоны париетальной и фронтальной области связывают с работой сети «зеркальных» нейронов мозга. Авторы делают заключение, что зоны в височной области связаны преимущественно с анализом движения и положения тела, в то время как активации париетальной и фронтальной зоны связаны специфически с анализом направления подачи.

    В работе Г.Вая и Г.Луо⁴⁷ сравнивались профессиональные дайверы и новички в ситуации представления выполнения профессионального навыка и простой моторной пробы. Было выявлено, что у профессионалов в случае воображения профессионального навыка активируется гиппокамп, что не происходит у новичков. Различий в активации мозга при воображении простого моторного действия у профессионалов и новичков обнаружено не было.

    Похожие данные были получены и на танцорах. В своей работе Б.Кальво-Мерино с  коллегами⁴⁸ показал, что у танцоров классического балета активация системы зеркальных нейронов мозга проявляется больше при просмотре видео с классическим балетом, чем  при просмотре танцев капоэйра. Однако у танцоров капоэйра активированность этой системы оказалась больше при просмотре танцев капоэйра, чем при просмотре классического балета. Таким образом, индивидуальный моторный репертуар оказывает влияние на активацию мозговых структур при просмотре сцен с движением.

    Были  проведены фМРТ исследования активности мозга при подготовке удара у  гольфистов⁴⁹ и при подготовке выстрела у лучников⁵⁰. Об этом подробнее будет описано в разделе 2.2.3. Мозговые процессы и степень профессионализма в спорте.

    Анатомические различия в мозжечке между баскетболистами  и неспортсменами были исследованы  И.С.Парком⁵¹. Было обнаружено, что у баскетболистов больше доли 4-7 червя мозжечка. Таким образом, можно предположить, что интенсивные тренировки влияют на структурные особенности мозга.

    2. Психофизиологическая  диагностика в  спорте

    2.1. Диагностика индивидуальных  особенностей спортсмена

    Процесс воспитания спортсменов высокого класса ведется на уровне предельных физический и психических нагрузок. Это предопределяет углубление научных представлений о физиологических механизмах совершенствования функциональных резервов человеческого организма в процессе адаптации к возрастающим нагрузкам. Принципиально важно, что у спортсменов высшей квалификации оптимальная адаптация наблюдается при использовании нагрузок, ориентированных на максимальное развитие генетически-обусловленных индивидуальных задатков.

    2.1.1.Индивидуальные  различия работоспособности

    Под работоспособностью обычно понимается способность человека выполнять какую-либо деятельность в течение продолжительного времени без снижения качества работы. От того, как долго может человек сохранять высокий уровень работоспособности, зависят его возможности в любой деятельности.

    При длительном выполнении деятельности работоспособность снижается в результате утомления. Скорость наступления утомления у людей неодинакова. Однако индивидуальные различия работоспособности нельзя сводить только к скорости наступления утомления. Работоспособность — явление сложное, многофакторное. Она зависит и от силы мотивов, побуждающих человека к деятельности, и от условий труда и состояния здоровья, и от настроения и эмоционального состояния человека в период его работы. Существенным фактором, влияющим на уровень и динамику работоспособности, являются специфические особенности каждой конкретной деятельности. Так, например, хорошо известно, что при однообразной деятельности работоспособность снижается раньше. Причем индивидуальные различия в подверженности людей действию однообразия очень большие⁵². Еще недостаточно изучены причины, обусловливающие многообразные индивидуальные различия работоспособности. Один из возможных подходов к проблеме - это подход с точки зрения учения о высшей нервной деятельности. Известно, что одним из существенных условий, определяющих работоспособность человека, является уровень функционального состояния его нервной системы. Работоспособность бывает высокой при оптимальном для данных условий уровне функционирования нервных структур и снижается при более или менее значительных отклонениях от этого уровня. Такие отклонения проявляются в развитии у человека соответствующих психических состояний. Важное значение при этом имеет «гибкость» функциональных систем, включенных в деятельность, позволяющая быстро адаптироваться и действовать в соответствии с меняющимися условиями окружения.

    Основатель  дифференциальной психофизиологии  Б.М. Теплов⁵³ исходил из того, что природные, врожденные свойства нервной системы накладывают отпечаток на весь психический облик человека. При этом он предостерегал от упрощенного понимания связи свойств нервной системы с индивидуальными особенностями поведения, считая, что проявление свойств бывает в огромной степени опосредовано влияниями условий жизни, воспитания и т.п. Он указывал, что выяснение реального значения свойств нервной системы для тех или иных психических свойств человека является сложной научной задачей, требующей специального методического подхода и постановки точных экспериментов.

    2.1.2.Сила  и слабость нервной  системы

    Согласно  представлениям И.П. Павлова, сила нервной  системы характеризуется выносливостью  нервных клеток, т. е. способностью их выдерживать длительное или очень  сильное возбуждение, не переходя в  состояние запредельного торможения. Показателем силы является предел работоспособности, определяемый по той интенсивности раздражения, когда впервые возникают признаки запредельного торможения. Все применявшиеся в павловских лабораториях приемы определения силы нервной системы у животных основаны именно на нахождении предела работоспособности. Показателем достижения предела работоспособности служило снижение величины условного слюнного рефлекса.

    В дальнейшем усилия были направлены на разработку других методик, выявляющих особенности непроизвольных компонентов произвольных двигательных реакций (по предварительной инструкции), некоторые характеристики безусловных реакций, особенности функционирования зрительного анализатора, а также ряд показателей фоновой ЭЭГ.

    Новые методики открывали и новые возможности  для изучения психологических проявлений силы нервной системы. Б.М. Теплов⁵⁴ указывал, что с порогом запредельного торможения, как основным показателем силы нервной системы, коррелирует следующая группа показателей:

    1. Сопротивляемость к тормозящему действию посторонних раздражителей. Главное экспериментальное испытание — сравнение величины абсолютных зрительных порогов, измеряемых в тишине и при действии стука метронома, или величины слуховых порогов, измеряемых в темноте и при действии пульсирующего света. Сильная нервная система менее подвержена тормозящему действию посторонних раздражителей.

    2. Некоторые особенности концентрации или иррадиации процесса возбуждения в зрительном анализаторе. Экспериментально выявляет эти особенности так называемая индукционная методика, смысл которой заключается в сравнении величины абсолютного зрительного порога для точечных раздражителей в пустом темном поле зрения и при наличии в поле зрения других, дополнительных точечных раздражителей разной интенсивности. В сильной нервной системе нервные процессы более концентрированны.