Компенсаторные возможности мозга: Компенсаторном развитии детей с нарушением зрения

Содержание

Компенсаторном развитии детей с нарушением зрения








Еще в 30-х годах советский психолог Л. С. Выготский писал о своеобразии развития аномальных детей.

Своеобразие развития детей с теми или иными де­фектами органа зрения обнаруживается в двух направ-


лениях: с одной стороны, отмечаются отрицательные последствия аномального развития вследствие наруше­ния зрения; с другой стороны, в ходе обучения и воспи­тания возникают и развиваются компенсаторные про­цессы, мобилизуются разнообразные защитные средства, противодействующие нарушенному ходу развития и спо­собствующие нормализации деятельности центральной нервной системы и всего организма.

Как известно, человеческий организм располагает огромными резервными возможностями развития, кото­рые в обычных условиях полностью не реализуются.

В коре больших полушарий мозга человека сущест­вует богатая и разветвленная система нервных связей. В процессе обучения и накопления опыта нервные связи подвергаются изменению и становятся более сложными, подвижными и многосторонними. Это расширяет -позна­вательные возможности детей и повышает их обучае­мость.

Развитие компенсаторных процессов способствует преодолению отрицательных последствий нарушенных функций и приводит к нормализации развития детей. Компенсаторная перестройка происходит как за счет использования других сенсорных функций (слуховая, тактильная, мышечная и другие виды чувствительности), так и за счет использования высших форм познаватель­ной деятельности. Большое значение при этом имеют на­копленные знания, позволяющие восполнять пробелы зрительного восприятия. Повышение зрительных воз­можностей осуществляется и за счет использования оп­тических средств коррекции.

В отличие от других видов чувствительности зритель­ная система располагает огромными возможностями ком­пенсаторного развития, которые при нормальном зре­нии, как правило, не используются или в случае необхо­димости используются лишь частично.

По мере накопления знаний и опыта в процессе обу­чения возникают различного рода замещения и перест­ройки, способствующие восстановлению, исправлению недоразвитых функций (А. В. Запорожец, А. Н. Леон­тьев, А. Р. Лурия и др.).




Процессы компенсации у аномальных детей имеют специфические особенности. Дело в том, что у детей многие функции центральной нервной системы находят­ся в состоянии формирования. Детский организм обла-

4* 51

дает огромной пластичностью и податливостью. При оценке возможностей обучаемости ребенка следует учи­тывать не только сформировавшиеся функции, но и на­ходящиеся в стадии созревания и становления.

Развивающиеся функции центральной нервной систе­мы при правильном обучении и воспитании в состоянии коренным образом изменить весь ход развития ребенка. В связи с этим могут ускориться темпы развития. При этом возникают качественные изменения в психической деятельности учащихся, повышающие обучаемость

Л С Выготский считал, что при формировании пси­хических процессов необходимо учитывать зону ближай­шего развития Под этим он понимал положительные перспективные возможности развития в ходе целенаправ­ленного обучения и воспитания.

Ход развития слабовидящих детей подчиняется тем же закономерностям, которые имеют место у нормаль-i о видящих детей. В связи с этим в принципе сохраня­ется возрастная периодизация, закономерные соотноше­ния между процессом развития и процессами обучения и воспитания.

При обучении слабовидящих детей используются об­щие принципы советской дидактики; при этом учитыва­ются особенности психической деятельности, зрительные возможности, а также своеобразие компенсаторного развития

Процессы компенсации формируются в условиях обу­чения и зависят от содержания, методов и условий учеб­ной работы, а также от развития самостоятельной актив­ной целенаправленной деятельности детей. В связи с этим проблемное обучение, способствующее активизации высших форм познавательной деятельности, имеет важ­ное значение не только для сознательного и глубокого усвоения знаний, но и для компенсации недостатков зре­ния и разностороннего развития учащихся.

Под влиянием обучения появляются новые психичес­кие свойства, способствующие ускорению темпов разви­тия ребенка, формируются новые способы овладения знаниями и умениями, что, в свою очередь, оказывает влияние на улучшение деятельности зрительной системы. :, наглядного мышления (М И Земцо-ва, А И Зотов, Б, Т. Корякин, Ю А. Кулагин, А. Г. Литвак. В. Ф, Феоктистова и др ). Накопление зритель­ного опыта, в свою очередь, ведет к совершенствованию приемов восприятия окружающей действительности и является важным условием усвоения знаний учащимися с нарушениями зрения.

Развитие познавательной деятельности у слабовидя­щих школьников, обогащение их знаниями и умениями положительно сказывается на всем ходе психичес­кого развития. При этом большое значение имеет отно­шение к слабовидящим в детском коллективе В ходе обучения и воспитания у детей формируются социаль­ные мотивы и потребности, которые оказывают могучее влияние на развитие мышления, речи и других высших форм психической деятечьности Общественно обуслов­ленные социальные мотивы, общение слабовидящих школьников со своими сверстниками и со взрослыми становятся движущей силой развития сознания и лич­ности в целом. Все это приводит к нормализации раз­вития слабовидящих.

При правильном индивидуальном подходе к детям с нарушениями зрения они чувствуют себя полноценными членами ученического коллектива, у них повышается уве­ренность в своих силах, появляются новые стимулы ус­пешного усвоения знаний и умений. Как отмечалось выше, преобладающее количество таких детей успешно обучается в массовой школе.

Приведем несколько примеров

Саша Ф., 17 лет, ученик X класса, диагноз — близо­рукость в 6,0 Д. Успешно обучается в математической школе, имеет отличные отметки На утомляемость зре ния не жалуется

Наташа Ш , 16 лет, ученица IX класса массовой шко­лы Диагноз — близорукость Имеет отличные, хорошие


оценки, совмещает занятия в общеобразовательной шко­ле с учебой в музыкальной школе Жалоб на утомление зрения не отмечается

Светлана Б, 14 лет, ученица VI класса массовой школы. Диагноз — дальнозоркий астигматизм, амблио-пия левого глаза, острота зрения на правом глазу 0,6, на левом — 0,5, недостатки зрения не корригируются очками. По всем предметам имеет хорошие и отлич­ные оценки, занимается в студии живописи. Однако у этой девочки периодически отмечается усталость, осо­бенно к концу учебного года. Светлана жалуется на общее утомление и тяжесть в глазах.

Количество примеров, характеризующих высокую успеваемость обучающихся в массовой школе детей с недостатками зрения, можно увеличить.

Вместе с тем, как правило, у этих детей, даже если они не жалуются на утомляемость, наблюдается сниже­ние работоспособности. У некоторых из них отмечаются мало выраженные отклонения в развитии, в частности в физическом развитии: нарушение осанки, позы, неко­торые отклонения в точности, силе, скорости движений, недостатки в координации движений (В. А. Афанасьев, Б. В Сермеев, В. А. Кручинин и др.). Эги недостатки физического развития могут быть предупреждены в пе­риод обучения детей в школе с помощью профилакти­ческих корригирующих упражнений Как правило, боль­шинство этих детей не испытывает трудностей в усвое­нии знаний.

Компенсация нарушенных функций и восстановление недоразвитых функций у разных детей протекает неоди­наково. Это зависит от многих условий: от содержания, методов обучения, от структуры и состава нарушенных функций, от клинических форм нарушения зрения, тече­ния патологического процесса, от возраста, в котором утрачено зрение, а также от применяемых технических и оптических средств коррекции зрения, режима зри­тельной нагрузки и др.

Знание условий и путей компенсации, восстановле­ния неполноценных функций зрения у слабовидящих школьников поможет учителю наметить перспективы формирования умственных и физических способностей, применить наиболее эффективные пути и средства ин­дивидуального подхода к слабовидящим школьникам, повысить качество их знаний.




Читайте также:







Статья по коррекционной педагогике: Проблема компенсации и коррекции в специальной психологии . Компенсаторные механизмы в развитии ребенка в условиях дизонтогенеза.

Проблема компенсации и коррекции в специальной психологии . Компенсаторные механизмы в развитии ребенка в условиях дизонтогенеза.

Компенсация – процесс возмещения недоразвитых или нарушенных функций путем использования сохраненных или перестройки частично нарушенных.

Коррекция – процесс исправления тех или иных нарушенных функций.

Дизонтогенез -это нарушение развития организма на каком-либо этапе онтогенеза.

Исследования П.К. Анохина, Л.С. Выготского, А.Р. Лурия, А.Адлера.

Орган в психологии А.А. Ухтомский: «Органом может быть всякое временное сочетание сил, способное осуществить определенное достижение» , «функциональный орган».

         В основе псих деятельности лежат «функциональные системы», обладающие высокой пластичностью и способностью к перестраиванию. Два типа перестроек нарушенных функций – внутрисистемная и межсистемная.

Фазы компенсаторных процессов:

Связана с обнаружением того или иного нарушения

С оценкой параметров нарушения – локализация и глубина

Формирование программы последовательности и мобилизации ресурсов

Отслеживание процесса реализации программы

Остановка компенсаторного механизма и фиксация результата

Уровни компенсаторных механизмов.

Биологический, или телесный, уровень. На этом уровне компенсаторные процессы протекают преимущественно автоматически, без активного участия со стороны сознания человека.

Психологический, преодолевая ограниченные возможности биологического уровня, человеческий способ восстановления. Глухое животное погибнет, человек способен продолжать полноценную жизнь. Самосознание и личность человека, в особенности его волевые качества, выполняют важнейшую компенсаторную функцию.

Психологические защиты по определению Р. М. Грановского, — это специальная система стабилизации личности, направленная на ограждение сознания от неприятных, травматизирующих переживаний, сопряженных с внутренними и внешними конфликтами, состояниями тревоги и дискомфорта.

Копинг-стратегии представляют собой сознательные усилия личности, предпринимаемые для совладения со стрессовыми ситуациями, порождающими тревогу.

Социально-психологический уровень.

Очень важен характер межличностных отношений. Ощущение нужности, духовного и социального благополучия.

Чувство-осмысленности существования: семья, профессия, ближайшее окружение вне семьи с этим связано причастность и независимость.

Целенаправленность существования, контроль над собственной жизнью.

Качество жизни.

Социальный уровень: социальная политика государства и отношение к инвалидам в обществе.

Биологическая и социальная компенсация:  человек биосоциальное существо, поэтому в группе компенсаторных механизмов задействованы две группы факторов.

Адаптация и компенсация

Адаптация – составная часть приспособительных реакций системы на изменение среды, система перестраивает свои структурные связи для сохранения функций, обеспечивающие ее существование в изменившейся среде. Адаптация, когда меняется среда.

Компенсация – изменения внутри.

Действуют в разных направлениях, но едины в своих целях.

Компенсация (возмещать, уравновешивать) — возмещение недоразвитых или нарушенных функций путем использования сохранных или перестройки частично нарушенных функций.

При компенсации функций возможно вовлечение новых нервных структур, которые раньше не участвовали в ее осуществлении. Первичные дефекты возникают в результате органического повреждения или недоразвития какой-либо биологической системы (анализаторов, высших отделов головного мозга и тд), вследствие воздействия

патогенных факторов.

Вторичные — имеют характер психического недоразвития и нарушения социального поведения, непосредственно не вытекающих из первичного, но обусловленных ими.

Чем дальше нарушение стоит от биологической основы, тем успешнее поддается психолого-пед коррекции.

Теория Адлера:

— комплекс неполноценности — благодаря стремлению к превосходству, которое обеспечивает в конечном счете преодоление имеющихся проблем.

Выготский:

— дефект- факт биологический, ребенок воспринимает его опосредованно, через трудности в самореализации, занятии социальной позиции, становлении отношений с окружающими и т.д.

— влияние дефекта затрудняет нормальное протекание деятельности, но и

— служит усиленному развитию других функций, которые могут компенсировать недостаток.

«Минус дефекта превращается в плюс компенсации» (Выготский)

— компенсация возможна за счет «обходного пути» :

1. внутрисистемные перестройки (использование сохранных компонентов распавшейся функции)

2. межсистемные (компенсация за счет функций или анализаторов н-р слепые — письмо -осязательный анализатор — Брайль)

— выпадение функции вызывает к жизни новые образования, компенсация в процессе развития

— на личностном уровне — поиск приемлемой замены реальной или мнимой несостоятельности. Защитный механизм — сублимация (переключение энергии с неудовлетворенных желаний на социально одобряемую активность)

Для педагога или психолога необходимо знать особенности и своеобразие «обходных путей» с помощью которых ребенок с проблемами достигает в развитии своих целей.

Компенсация психических функций– это возмещение недоразвитых или нарушенных психических функций путем использования сохранных или перестройки частично нарушенных функций.Предлагают выделять первичную и вторичную компенсацию.

Первичная компенсацияпротекает в идее целенаправленной деятельности, направленной на относительное уменьшение меры проявления основного нарушения. С этой целью используются коррекционные технические средства(очки, слуховые аппараты). В психологическом аспекте значительно сложнее компенсация в области вторичной симптоматики, т.е.в области психологических последствий нарушения.

Сущность вторичной компенсациизаключается в повышенной чувствительности неповрежденных анализаторов в результате достаточно интенсивного и продолжительного упражнения и тренировки. Под компенсаторным механизмом понимается процесс компенсации и сверхкомпенсации сенсорных, физических и умственных недостатков или эмоциональных нарушений на уровне личности. Компенсаци

о чём мы не подозреваем

В каждой специализированной энциклопедии можно прочитать о функциях, структуре, строении и других особенностях головного мозга. При этом многие ученые утверждают, что на данный момент этот орган человека не изучен даже наполовину. Наука и медицина в последние годы сделали огромное количество открытий, но это не позволяет нам говорить о том, что мы всё знаем про возможности мозга человека.

За счет процессов, протекающих в нем, мы способны приобрести различные качества, интересы, навыки, умения, характер. Мужчины и женщины, маленькие дети и пенсионеры – все люди имеют безграничные возможности для развития мозговой деятельности (если внутренние ресурсы организма позволяют). Учиться никогда не поздно и не рано.

Как развивать способности мозга?

Давно было доказано, что человек сам способен развивать возможности своего мозга. Это можно делать с помощью книг, специальных компьютерных программ, интересных упражнений. Все названное помогает в накоплении полезной информации, улучшении памяти, концентрации внимания. При этом для развития мышления нам нужно периодически решать сложные задачи, отгадывать загадки, тренируя мозговую деятельность.

Тренировать способности своего мозга рекомендуется с помощью занятий новыми видами деятельности. В то же время желательно подкреплять полученные знания практическим опытом.

Существует множество теорий о том, что сознание человека способно на многое. Причем это «многое» зачастую выходит за пределы физики. Некоторые люди уверены в том, что можно натренировать свой мозг таким образом, чтобы получить возможность задерживать дыхание на несколько часов, самостоятельно излечиваться от тяжелых болезней, замедлять сердцебиение, обладать телекинезом и другими сверхъестественными способностями. Сейчас всё это видится невозможным, потому что идет вразрез с наукой.

Восточные мудрецы на протяжении многих веков изучали возможности развития скрытых способностей человеческого мозга. Они отмечали, что даже для небольшого продвижения в этом деле потребуется:

  • Терпение.
  • Настойчивость.
  • Хороший учитель.
  • Много времени.

Наверное, многие люди хотя бы раз в жизни отмечали у себя небольшой всплеск мозговой деятельности, которая могла проявиться в фантастической интуиции в критические моменты.

Психолог К. Юнг говорил о том, что наше сознание – это вершина айсберга, а большая часть, бессознательное, является той частью айсберга, которая скрыта под водой. При этом неизвестна глубина погружения айсберга, поэтому возможности мыслительной деятельности человека принято считать неограниченными. Именно эта глубина является скрытыми способностями мозга человека, изучение которых является невероятно сложным делом.

Огромную работу в области изучения мозга человека провели В.М. Бехтерев (в свое время) и В.С. Савельев (если говорить о наших современниках). В своих исследованиях эти ученые, как и многие другие зарубежные коллеги, пришли к выводу, что крайне важно развивать способности своего сознания и мышления в течение всей жизни. При этом очень сложно сказать о том, каким будет человек, который сможет использовать все возможности своего мозга.

Размеры мозга никак не влияют на интеллект и качество мыслительной деятельности конкретного человека.

Важно понимать, что развитие способностей – это не только чтение книг, решение задач и выполнение других мыслительных процессов. Прежде всего, необходимо найти способ заложить качественный фундамент, на который можно будет укладывать новые знания и возможности, чтобы развить свой интеллект. Ученые дают следующие рекомендации по этой теме:

  • Избавление от гиподинамии. Гиподинамия – нарушение функций разных систем организма человека в результате малой физической активности. Именно из-за малоподвижного образа жизни происходит гипоксия мозговых структур (недостаток кислорода). В таком состоянии наш мозг не способен развиваться. При серьезном дефиците кислорода мозговые структуры начинают деградировать.
  • Обеспечение организма достаточным количеством фосфатов и углеводов. При отсутствии дефицита фосфатов и углеводов мозг человека в полной мере готов к изучению нового и развитию способностей.
  • Систематические занятия спортом, общение с другими людьми.
  • Нормализация рациона питания, обеспечение организма достаточным количеством всех необходимых витаминов и микроэлементов.
  • Избегание стрессовых ситуаций, нормализация сна.
  • Полноценный физический и умственный отдых, когда на то возникает необходимость (оптимальные решение – освоение методик релаксации).

Учитывая особенности мозга человека, влиять на его способности и возможности могут самые разные факторы: плохое питание, неблагоприятная экологическая обстановка, стрессовые состояния, хронические заболевания и многое другое. Поэтому важно сформировать для себя благоприятную среду, в которой будет комфортно не только морально, но и физически.

Многие ученые убеждены, что мозг человека скрывает свои настоящие возможности, демонстрируя их только в те моменты, когда это действительно необходимо.

Мышление

Возможности человеческого мозга неразрывно связаны с различными аспектами его деятельности, одним из важнейших из которых является мышление. Мыслительный процесс – безостановочный поиск наиболее подходящего решения задач, которые были поставлены перед человеком. Когда нам нужно принять даже самое простое и незначительное решение, наш головной мозг обрабатывает сразу несколько вариантов, анализируя потенциал, характеристики и полезность каждого из них. Иными словами, все люди буквально каждую секунду выстраивают в своей голове древо возможностей с огромным количеством ответвлений. Правильное использование этих ответвлений – самое важное в мыслительном процессе.

Но что делает наше сознание, когда нужно выбрать оптимальный вариант с отсутствующим алгоритмом поиска? В этом случае на помощь приходит эвристика. Эвристика – научная область, которая изучает специфику творческой деятельности. С ее помощью интеллект человека использует различные методы и приемы, которые помогают решить всевозможные практические, конструктивные, познавательные задачи посредствам креативного мышления, философских и психологических приемов.

У левшей больше работает правое полушарие, а у правшей – левое. При этом одно из полушарий может серьезно доминировать над другим. Например, сильнее развита не только левая рука, но также левое ухо и левый глаз.

В мыслительном процессе участвуют практически все мозговые структуры: конечный, средний, продолговатый мозг, мозжечок и другие системы. Неизвестно, когда ученые смогут раскрыть все секреты мозга человека. Факт остается фактом: в ближайшие столетия от человечества этого явно ждать не приходится. Человеческий мозг и его возможности наглядно отображаются в схемах и иллюстрациях психолога Юнга, который посвятил всю жизнь изучению когнитивных способностей и мыслительного процесса. Если есть интерес, то рекомендуется ознакомиться с работами этого ученого.

Представление знаний

Представление знаний является одной из составляющих нашего мышления. Человек рассматривает окружающий его мир через призму восприятия, формируя тем самым в своей голове собственные схемы наблюдаемых объектов и процессов. Поэтому во время мыслительного процесса люди используют заранее построенные модели, а не настоящие объективные данные.

В качестве характерного примера можно привести шутку про стакан, когда оптимист уверен, что он наполовину заполнен, а пессимист – что наполовину пустой. При этом представлений знаний относительно стакана с водой может быть еще множество. К примеру, программист может сказать, что стакан в 2 раза больше, чем требуется. В итоге мы имеем одинаковую начальную информацию, но разные модели, используемые различными людьми. Стакан, наполненный водой, выступает здесь в качестве задачи, решение которой заключается в объяснении объекта. А объяснений (решений) здесь может быть множество.

Именно поэтому мышление обязательно нужно комбинировать с обучением, накоплением информации и дальнейшим обобщением всех данных. При этом не стоит ждать феноменальных результатов – можно улучшить свое мышление, но раскрыть скрытый потенциал вряд ли получится.

Развитие мыслительного процесса происходит на протяжении всей жизни у всех млекопитающих. Особенно это ярко выражено у обезьян, дельфинов и других животных, которые способны на выраженную мыслительную деятельность. Конечно, нельзя научить их читать, однако дать им возможность для появления новых мыслей и решений вполне возможно.

Практически неограничены возможности человека по изучению новых языков. В теории, можно выучить 20-30 новых языков, разговаривая на них на уровне носителей. На данный момент в мире насчитывается всего несколько таких полиглотов.

Типы мышления

Способности человеческого мозга и восприятие окружающего мира лишь отчасти зависят от возрастного фактора. В детстве уровень развития мыслительного процесса крайне простой: «увидел – совершил действие». По мере взросления у людей создается наглядно-образная форма мышления: «увидел – проанализировал аналогичные ситуации/проработал варианты действий/оценил риски – совершил действие».

Далее объекты постепенно меняются на категории и представления, формируются связи между ними. В итоге у человека развивается словесно-логический абстрактный тип мышления, когда для запуска мыслительного процесса ненужно совершать определенные действия – все они выполняются в голове.

В 20-м веке известный ученый в сфере психологии В. Келлер проводил эксперимент над обезьянами. Он запер несколько обезьян в клетке, дал им палку, а неподалеку бросил банан. Многие обезьяны быстро додумались, что нужно взять палку и пододвинуть с ее помощью банан. В этом случае у животных задействовался наглядно-действенный мыслительный процесс: обезьяны с помощью палки проводили эксперимент, достаточно быстро обнаруживая правильное решение задачи.

Человеческий мозг является крайне энергозатратным органом. Давно доказано, что в процессе работы он сжигает примерно 1/5 всех имеющихся в организме человека калорий.

После этого В. Келлер задачу усложнил: следующий банан подвинули подальше от клетки, а животным вручили две разные по длине палки. Для обезьян решение второй задачи стало непосильным. Они не могли понять, почему с помощью первой палки уже нельзя придвинуть банан к клетке, не пробуя при этом взять вторую палку. Лишь малый процент обезьян из множества тех, которые принимали участие в эксперименте, садились и думали, в итоге находя решение задачи. Вместо битья палкой по клетке, бешенства, эмоций, как было у большей части обезьян, самые умные животные задумывались и представляли действие в воображении.

Точно так же всё происходит и у людей. Наш мозг формирует универсальный тип мышления: если первый алгоритм, проработанный интеллектом, не подходит для решения задачи, сознание начинает поиски нового представления и связей, пока не находит оптимального варианта.

Эмоции являются важнейшей составляющей универсального мышления. С помощью психоэмоциональной деятельности мозга мы можем моделировать цель и модифицировать ее. Поэтому нужно стараться не подавлять свои эмоции, но и выражать их слишком бурно не стоит. Всё должно находиться в равновесии: и мыслительная деятельность, и выражение эмоций, и потребительские качества. Если что-то будет подавляться, то обязательно будут возникать нарушения в функционировании отдельных систем организм человека, что скажется на работе мозга и других внутренних органов.

Если быстро двигать глазами, то мозг человека не сможет адекватно обрабатывать полученную информацию. То же самое можно сказать и о слуховом восприятии.

Незаметные возможности мозга человека

Многие возможности головного мозга человека являются скрытыми, незаметными. При этом мозг выполняет огромное количество функций, а мы этого даже не замечаем. Выделим наиболее важные и примечательные из них:

  • «Автопилот». Мозг полностью регулирует деятельность организма в целом, отдельных систем, органов и клеток. Он отслеживает работу всех функций, которые требуются для поддержания нормальной жизнедеятельности: дыхательный процесс, работа сердечно-сосудистой системы, сон, пищеварение и т.д. Новорожденный ребенок сразу же имеет все функции «автопилота», несмотря на низкий уровень развития его мозга. Человеку нет необходимости думать над процессами пищеварения, дыхания, сна и многими другими – всё происходит автоматически.
  • «Все работает само собой». Вне зависимости от потенциала человеческого мозга, он в любом случае будет контролировать работу дыхательной системы, ЖКТ, поддерживать сердечный ритм и функции других систем – для всего этого нам не требуется подключать мыслительный процесс. Чтобы в организме человека всё происходило само собой, подключаются нейронные сети, управляемые гипоталамусом. За всё это несет ответственность вегетативная нервная система, которая каждую миллисекунду за счет нервных связей контактирует с каждой частью человеческого организма.
  • Ритмы сна. В нашем мозге работает что-то похожее на внутренние часы (до конца современной наукой этот процесс не изучен), которые получают информацию от глаз об уровне освещенности окружающей среды, об усталости и утомленности организма, а также множество других данных. Внутренние часы человека позволяют нашему организму обеспечить оптимальное функционирование в течение дня и полное его восстановление ночью во время сна. Именно внутренние часы ответственны за регуляцию ритмов сна – они передают в разные системы тела информацию о том, что человеку пора спать. В результате этого наблюдается существенное снижение активности мозга и внутренних органов.
  • Повышение температуры тела. Далеко не все знают, что увеличение температуры тела – это защитная реакция нашего организма и не более. Если клетки организма обнаружили распространение вируса или инфекции, то информация об этом немедленно передается в гипоталамус, который отвечает за повышение температуры тела. Это затрудняет процессы распространения патогенных микроорганизмов, стимулирует выработку и активности белых кровяных телец.

Активнее всего мозг человека развивается в возрасте от двух до десяти лет. В дальнейшем активность наращивания нейронных связей существенно замедляется.

Среди возможностей мозга человека можно выделить и такие, которые работают быстрее нашего мыслительного процесса. Речь идет о рефлексах. За них так же отвечают определенные мозговые структуры, однако они полностью автономны и практически не связаны с работой левого или правого полушария, с мозжечком, гипоталамусом или другими частями, что уже само по себе является невероятным.

Ученые описывают рефлексы в качестве специальной системы, которая позволяет мгновенно, без участия левого или правого полушария, давать реакцию на конкретные угрозы для здоровья и жизни человека. К примеру, если наша рука коснётся чего-то раскаленного, то мы сразу же ее одернем, даже не успев подумать об ожоге или каких-то других последствиях.

Доктор биологических наук рассказал о возможностях человеческого мозга — Российская газета

Принято считать, хотя это никем не доказано, что человеческий мозг используется не более чем на 5 процентов. Но и этого КПД пока хватает для рождения гениальных идей, влекущих за собой великие открытия и достижения. А если использовать мозг на все 100 процентов? Возможно ли это? И какого прогресса тогда достигло бы человечество? Обсудим тему с доктором биологических наук, руководителем лаборатории развития нервной системы Института морфологии человека Сергеем Савельевым.

Горе от ума — это литературная выдумка

Вы согласились бы жить вечно при условии, что ваша жизнь продолжалась бы в неразумном состоянии?

Сергей Савельев: Конечно, нет. Это неинтересно. Хотя некоторые люди рождаются и умирают, не приходя в сознание, как было написано в анамнезе у одного из генеральных секретарей коммунистической партии. Жил и умер, не приходя в сознание. Конечно, это шутка. Но есть растения, которые живут тысячи лет. Спросите у них, наверное, им это нравится. Что касается человеческой эволюции, то это не что иное, как эволюция мозга, и больше ничего. Потому что во всем остальном мы сделаны никудышно. Как говорил знаменитый офтальмолог Гельмгольц, если бы Господь Бог поручил мне сделать глаза, я бы сделал их в сто раз лучше. Это касается и всех остальных человеческих органов.

Что такое горе от ума в физиологическом проявлении этого, скажем так, недуга?

Сергей Савельев: Горя от ума как его трактует обыватель или в том смысле, какой вкладывал в это понятие великий русский писатель, — такого горя не бывает. Если человек достаточно умен, то он понимает принципы и механизмы мира, в котором живет, и не станет, как Чацкий, «метать бисер перед свиньями». Горе от ума — это литературная выдумка. Человек, понимающий, что происходит, во-первых, не предъявляет к окружающим излишне высоких требований, а, во-вторых, бессовестно пользуется своими знаниями.

Хорошо, спрошу так: чрезмерная нагрузка на мозг может иметь для человека негативные последствия?

Сергей Савельев: Существует наивное мнение, что человеческий мозг беспределен в своих физиологических возможностях. На самом же деле он в них сильно ограничен. Есть четкие физиологические пределы. Скорость метаболизма нельзя повысить бесконечно. Когда человек умственно не активен, то есть когда, например, читает «Российскую газету» на диване перед сном, он потребляет примерно девять процентов всей энергии организма. А если чтение его чем-то возбуждает и подогревает, действует как перец в пище, то он начинает задумываться, и расходы энергии в этом случае достигают двадцати пяти процентов от всей энергии организма. Это очень большие расходы и очень тяжелые. Человеческий организм сопротивляется им. Поэтому мы ленивы и нелюбопытны. А между тем творчество требует как раз тех самых двадцати пяти процентов.

В мозгах все устроено так, что вход — рубль, выход — три

Значит, ради здоровья умственную энергию нужно экономить?

Сергей Савельев: Это происходит помимо нашей воли. Человеческий мозг не приспособлен к большим энергетическим затратам. В режиме двадцатипятипроцентной активности он может просуществовать пару недель. А потом начинает развиваться так называемая энергетическая задолженность и то, что в старой медицине называлось нервным истощением. В мозгах все устроено так, что вход — рубль, выход — три. Если вы две недели кряду интеллектуально перенапрягаетесь, то потом должны шесть недель расслабляться и отдыхать, чтобы компенсировались мозговые затраты .

Вы хотите сказать, что интеллектуальные нагрузки вредят мозгу?

Сергей Савельев: Конечно, вредят, он же приспособлен не для интеллекта.

Я думал, вы скажете, что интеллектуальные нагрузки укрепляют мозг, как физические нагрузки укрепляют мышцы.

Сергей Савельев: Да ведь и с мышцами ничего такого не происходит. Не укрепляются они от физической нагрузки, а разрушаются. Вы сколько хотите прожить-то? Если вы хотите прожить сильным красивым физкультурником лет до пятидесяти, то, конечно, укрепляйте свои мышцы. Но любая мышца может сократиться один миллиард раз, а потом она умрет. Любая перенагрузка — это смерть. Это касается и мышц, и мозга. Смертность у профессиональных спортсменов в десять раз выше, чем у обычных людей. Причем от тяжелых заболеваний. Спорт — это не полезно.

А слабая нагрузка на мозг — это полезно?

Сергей Савельев: О, это мечта любого государя.

Разве мозговая пассивность не ведет к умственной деградации?

Сергей Савельев: Мир наполнен мистическими историями про мозг, но суть-то проста: мозг не хочет работать, потому что его работа требует энергетических затрат. В этом причина нашей праздности, лени и желания украсть, а не заработать.

Никогда не объяснишь, почему один видит то, чего не видит другой

Есть люди, обладающие феноменальными способностями. Например, умением за несколько секунд перемножить в уме два четырехзначных числа. Этому есть научное объяснение?

Сергей Савельев: Надо учиться в физико-математической школе, чтобы овладеть таким умением. Это несложно, есть хорошо известные приемы. Ну и кроме того, надо быть ограниченным во многих других областях, чтобы сосредоточенно демонстрировать такие фокусы. Ничего творческого или тем более гениального здесь нет. Истории известны люди, которые замечательно умножали цифры, особенно когда речь шла об их собственных деньгах. Но, к сожалению, эти люди ничего не произвели, кроме таких расчетов.

В человеческом мозге есть отделы, отвечающие за ту или иную одаренность, например, за музыкальную или шахматную?

Сергей Савельев: Конечно, есть. Вся поверхность мозга занята областями, которые структурно очень хорошо выявляются. Можно посмотреть на гистологические срезы. На этих гистологических срезах толщиной в несколько микрон, если порезать человеческий мозг, существуют поля и видны их границы. Каждое поле функционально приспособлено к той или иной функции. Скажем, к зрению, слуху, движению. И мозг состоит из таких полей. И он индивидуально изменчив. То есть каждое поле у разных людей разное. У одного человека, к примеру, у хорошего фотографа, оно в «зрительной» области может быть в три раза больше, чем у любого другого. А это миллиарды нейронов, миллиарды связей. Никогда не объяснишь, почему один видит то, чего не видит другой. То же самое и у музыканта или ученого. Наши индивидуальные возможности определены комбинацией этих полей, имеющих разные размеры. У кого какое-то поле большое, у того та или иная одаренность явственно выражена. А у кого некое поле маленькое, тому свои способности, допустим, к математике, уж извините, ничем не нарастить. Словом, наше поведение детерминировано размером полей коры мозга, а также подкорковых структур, которые отвечают за каждую функцию. Например, за музыкальную. Чтобы просто слышать, нужно иметь два десятка структур. Вероятность, что у одного человека все эти структуры будут достаточно большие, прямо скажем, невелика. Поэтому выдающихся музыкантов мало, а имитаторов полным-полно.

Разум — это абстрактное понятие

Как соотносятся между собой мозг и разум?

Сергей Савельев: Разум — это абстрактное понятие. То, что червь осознанно ползет от раствора соли к раствору еды, — это разум? С точки зрения психологов — да. Но физиология абстрактными понятиями не оперирует. Гениальность — да, есть такое понятие в физиологии. Уникальная комбинация размера структур мозга позволяет какому-то человеку писать гениальную музыку. А другой никогда гениальную музыку не напишет, потому что у него нет соответствующей комбинации структур. Мозг — это структурно детерминированное устройство, которое определяет индивидуальность и неповторимость каждого человека. По этой причине все люди разные. И эти способности не наследуются. На фоне талантливого родителя ребеночек может выглядеть полным бездарем. Что чаще всего и бывает.

Можно ли сказать, что разум является посредником между мозгом и телом?

Сергей Савельев: Нет. Разум вообще понятие не научное. В чем разум? Тыкать пальцем в клавиатуру компьютера? Нажимать на кнопки телефона? Считать до десяти?

Тем не менее есть понятие «разумные существа».

Сергей Савельев: Я не занимаюсь философией.

В любом случае разум — это физиологическое понятие.

Сергей Савельев: Для меня такого понятия не существует по той простой причине, что у него размыты границы. Разумом обладают все животные, у которых есть нервная система. И в этом смысле глупо утверждать, что человек — разумный, а остальные живые существа — неразумные. Человек является продуктом церебральной эволюции. Он может создавать то, чего не было в природе и обществе. Вот муравьи того, чего не было в обществе, создать не могут. И черви плоские, и даже обезьяны не могут создать того, чего не было в их сообществе. А человек может. Что является критерием человека? То, что он творчески создает нечто, до него в природе и обществе не созданное. И если мы договоримся, что разум — это способность создавать то, чего не было в природе и обществе, то такое понятие я принимаю. А если мы это не вводим, то получается размытое пустое определение, словоблудие для философов, основная задача которых объяснить, почему мы профукали свою жизнь так бездарно.

Европейцы прошли отрицательную эволюцию

Есть пределы развитию мозга?

Сергей Савельев: Те, кто задает такие вопросы, предполагают, что человеческий мозг законсервировался двести тысяч лет назад, и с тех пор эволюционных изменений не происходит.

А они есть?

Сергей Савельев: За двести тысяч лет, даже чуть меньше, примерно за сто тридцать пять тысяч, человеческий мозг уменьшился на двести пятьдесят граммов. Я имею в виду цивилизованную Европу. Потому что они отбирали конформистов и уничтожали творческих, самостоятельных людей.

Эволюция мозга была отрицательной?

Сергей Савельев: Для Европы — да. Европейцы прошли отрицательную эволюцию и высокую церебральную специализацию — многовековой искусственный отбор, очень жесткий, который уменьшил размер и массу их мозга в пользу конформизма и социальной адаптированности.

Разве конформизм и способность к социальной адаптации свойственны только европейцам?

Сергей Савельев: Да. Потому что они всегда очень тесно жили, и любой приказ какого-нибудь князя быстро доходил до всех. Смотришь, уже голову рубят крестьянину в соседней деревне… А в Африке это плохо действовало, и в России это плохо действовало, не получалось. Поэтому у нас полиморфизм сохранился больше, а у европейцев меньше. Чем больше полиморфизм, тем больше шансов для эволюционного прогресса.

Человеческий мозг работать не хочет, не любит и по возможности не будет никогда

Безграничные возможности мозга, если таковые имеются, несут в себе какие-то риски для человечества?

Сергей Савельев: Безграничных возможностей нет. Во-первых, есть ограничения энергетические. Во-вторых, человеческий мозг приспособлен для решения конкретных биологических задач и жестко сопротивляется любому нецелевому использованию. Поэтому он работать не хочет, не любит и по возможности не будет никогда.

Значит, лень имеет физиологическое обоснование?

Сергей Савельев: Конечно. Когда вы ленитесь и ничего не делаете, мозг потребляет девять процентов энергии. А когда начинаете думать — до двадцати пяти. И это катастрофа. Потому что когда вы ленитесь, у вас эндорфины, эти внутренние наркотики, выбрасываются в мозг и в результате вы мало того что бездельничайте, вы еще и кайф ловите. А когда вы, не дай бог, начинаете трудиться, мозг придумывает миллион способов, чтобы вас от этого отвадить. В итоге организм сопротивляется и, предвидя энергозатраты, просто криком кричит: «А что я буду делать завтра?! Где гарантия, что колбаса в холодильнике снова появится?!» То есть вы сопротивляетесь любому труду как нормальная обезьяна. И это вполне естественно.

Можно заставить работать ленивый мозг?

Сергей Савельев: Можно.

Как?

Сергей Савельев: Когда вас поставят в стрессовую ситуацию, требующую напряжения умственных сил. Но при первой возможности мозг будет вас обманывать. Даже мозг гения, который приспособлен для творчества, будет стараться увильнуть от работы. Гению проще имитировать свою гениальность, чем что-то создавать. Именно поэтому у гениев на двадцать работ лишь одна гениальная, остальное — подделки. Обезьянья порода неисправима, все время приходится прятать хвост.

Гениальность не надо искать у политиков

Мозг гения физически отличается от мозга обычного человека?

Сергей Савельев: Да, мозг гения весит больше. В свое время в России был создан Институт мозга, там изучали в том числе мозг Ленина, сравнивали его с мозгом Маяковского, других выдающихся людей. Оказалось, что у Ленина мозг был маленького размера и весил 1330 граммов. У Сталина примерно столько же. Что было, как теперь можно смело сказать, вполне ожидаемо. Вообще гениальность не надо искать у политиков. У нас есть биологическая инстинктивная форма поведения, называемая доминантностью. Свойственная политикам гипердоминантность, означающая стремление властвовать, управлять людьми и ходом истории, она является биологически обусловленной. А гениальность — это другое. Это способность к необычному. Стать гипердоминантом может любой бабуин. Поэтому в мозге Ленина ничего особенного не нашли, там очень посредственные параметры. Просто эта биологическая инстинктивная форма поведения — доминантность — она у него была гипертрофирована.

Мозг работает, даже когда мы спим

Это правда, что человеческий мозг используется не более чем на пять процентов?

Сергей Савельев: У того, кто так считает, он используется, видимо, на два. Это полная чушь насчет пяти процентов. Мозг работает весь. Это как оперативная память в компьютере: выключили — и все стерлось. Поэтому через шесть минут после отключения человека от кислорода и продуктов питания мозг начинает необратимо терять память и умирать. Он потребляет десять процентов всей энергии организма, даже когда мы спим. Именно из-за того что он всегда и весь работает.

Интеллектуальная нагрузка — это профилактика старения

Что такое старение мозга? От чего начинается старческая деменция?

Сергей Савельев: Старение мозга — это в первую очередь гибель нейронов. Сами нейроны уморить очень сложно. Но их количество исчерпаемо. Причем нейроны у человека начинают гибнуть еще в утробе матери. После пятидесяти лет они уже активно погибают, и за каждые последующие десять лет наш мозг теряет по тридцать граммов нейронов. Этот процесс продолжается до глубокой старости. И если головой не думать, не заставлять сосуды кровоснабжаться и кровоснабжать нейро

Компенсация нарушений функций — МегаЛекции


В центральной нервной системе.

Общие закономерности

Процессы компенсации в нервной системе чаще рассматриваются как реакции, возникающие после травм, оперативных вмешательств, тех или иных па­тологических явлений. В значительном числе случа­ев клиницисты сталкиваются с состоянием, когда в нервной системе уже развивается патологический процесс, но он еще не вызывает нарушений функций и не выявляется без специальных исследований.

Компенсаторные процессы реализуются вначале в силу внутриструктурных механизмов, происходящих, например, в пределах одного ядра нервной системы. В основе этой компенсации лежит ряд сложных пере­строек в самой структуре. Она возможна за счет ис­пользования имеющихся резервов структуры и бла­годаря викарированию.

Викарирование в данном случае следует понимать как увеличение активности и функциональных воз­можностей сохранившихся структурных элементов. Например, переход мономодальных нейронов в поли­модальные, моносенсорных нейронов в полисенсор­ные. Этот механизм при нарушениях центральной нервной системы основывается на том, что каждая ее структура является потенциально полифункциональ­ной. Внутриструктурная компенсация часто зависит от индивидуальных особенностей организации анали­заторов у человека. Так, 17 поле у одних людей мо­жет быть в два раза больше, чем у других. У некото­рых людей отмечено расширение макулярной зоны 17 поля или передней части этого поля — области периферического зрения. Известно также, что лате­ральные коленчатые тела у отдельных индивидов

превышают среднюю величину на 185%. Естествен­но, во всех таких случаях компенсаторные возмож­ности значительно шире.

Другой путь компенсации обеспечивается внутри­системнымивзаимодействиями, например, в преде­лах стриопаллидарной системы, когда дисфункция хвостатого ядра в регуляции моторики может ком­пенсироваться скорлупой.

Третий путь компенсации реализуется межсистем­нымивзаимодействиями. Компенсация, как межсис­темный процесс, обусловлена преимущественно учас­тием в ликвидации развивающейся патологии одной структуры связанными с нею функционально струк­турами других систем. В этом случае другая система, за счет образования новых временных связей, может обеспечивать сохранение функции, которую первич­но призвана выполнять повреждаемая патологичес­ким процессом система.


Следует отметить, что все пути компенсации реали­зуются параллельно, но вес участия каждого из них на разных этапах развития патологии различен. На на­чальных этапах большая доля компенсации осуществ­ляется благодаря внутриструктурным процессам, при усилении патологии большую значимость приобретает внутрисистемная компенсация, затем межсистемная.

Довольно часто отсутствует параллель между мор-фологическими нарушениями центральной нервной системы и способностью выполнять этой структурой присущую ей функцию. Например, при повреждени­ях мозжечка растущей опухолью компенсация на­столько совершенна, что клиническая симптоматика появляется при гибели большей части мозжечка. Бо­лее успешно компенсация функций реализуется при медленно растущем патологическом процессе в моло­дом возрасте.

Так, известно, что Луи Пастер в молодости пере­нес кровоизлияние в мозг, приведшее к значительно­му разрушению коры правого полушария его мозга. Однако это не помешало Пастеру сохранить и развить свои ментальные способности и выполнить выдающи­еся работы в области биологии.

В другом известном случае после четырехкратной операции по поводу опухоли мозга у 12-летнего ре­бенка практически была удалена большая часть лево­го полушария мозжечка. Сразу после каждой опера­ции у ребенка возникали нарушения двигательной сферы, речи и других функций мозга. Однако доволь­но быстро эти нарушения компенсировались.

Компенсаторные возможности мозга с возрастом уменьшаются, это обусловлено ослаблением лабильно­сти в формировании новых функциональных связей.

Свойства центральной нервной системы,

Обеспечивающие механизмы компенсации

Нарушенных функций

Физиологические механизмы компенсации наруше­ний функций образований ЦНС базируются на специ­фических свойствах нейронов подкорковых и корко­вых структур мозга.

К этим свойствам относятся:

— полифункциональность каждого из элементов
нервной системы;

— полисенсорность нейронов;

— относительная специализация нейронов отдель­
ных областей мозга;

— локализация функций в коре;

— параллельная (одновременная) обработка разно-
сенсорной информации;

— способность к саморегуляции, самоорганизации;

— доминантный механизм;

 

— рефлекторный принцип функционирования;

— обратная связь;

— избыточность структурная и функциональная;

— надежность;

— функциональная асимметрия;

— принцип общего конечного пути;

— способность нервных элементов к синхрониза­
ции активности;

— пластичность нервных центров и отдельных ней­
ронов;

— принцип иррадиации и концентрации активно­
сти;

— интегративность нервной системы.

Полифункциональность.Основная функция не­рвной системы заключается в сборе, переработке, хра­нении, воспроизведении и передаче информации с целью организации интеллектуальной, поведенческой деятельности, регуляции функционирования органов, систем органов и обеспечения их взаимодействия.

Многие из перечисленных функций реализуются уже на субнейронном уровне. Так, микротрубочки, синапс, дендриты, мембрана нейронов обладают спо­собностью выполнять все информационные функции нервной системы: восприятие, обработку, хранение, многократное воспроизведение и передачу информа­ции. В этом и заключается основной принцип функ­ционирования нервной системы — принцип полифун­кциональности .

Полифункциональность присуща большинству структур центральной нервной системы. Например, раздражение одной и той же структуры бледного шара разной частотой импульсов может вызывать либо дви­гательную, либо вегетативную реакцию. Сенсомотор-ная кора способна воспринимать сигналы кожной, зрительной, слуховой и других видов рецепции. В

ответ на эти сигналы в сенсомоторной коре формиру­ются реакции, которые обычно возникают при нор­мальной деятельности коркового конца зрительного, слухового или других анализаторов.

Следовательно, благодаря полифункциональности одна и та же функция может быть выполнена разны­ми структурами мозга. Этот принципиальный момент свидетельствует о практически безграничных возмож­ностях компенсации функции в центральной нервной системе.

Свойства полифункциональности нервных центров тесно связаны со свойством полисенсорностиней­ронов.

Полисенсорность — это способность одного нейро­на реагировать на сигналы разных афферентных сис­тем. Нейрофизиологи выделяют нейроны моносенсор­ные, реагирующие только на один вид сигналов, би-сенсорные — — реагирующие на два разных сигнала, например, некоторые нейроны зрительной коры мо­гут реагировать на зрительные и слуховые раздраже­ния. Наконец, в коре мозга имеются нейроны, кото­рые реагируют на три и более вида сигналов. Эти ней­роны называются полисенсорными.

Помимо способности реагировать на раздражения разных сенсорных систем, нейроны отдельных облас­тей мозга способны реагировать только на одну ха­рактеристику сенсорного раздражения, например на определенную частоту звука или только на один цвет. Такие нейроны называются мономодальными.

Мономодальные нейроны обладают высокой изби­рательностью и высокой чувствительностью к опре­деленным видам раздражений, т.е. эти нейроны яв­ляются специализированными.Локализуются специ­ализированные нейроны в зонах первичных проек-

ций анализаторов. Такими зонами являются первич­ные области зрительной, слуховой, кожной и других зон коры.

Преимущественное расположение моносенсорных нейронов определяет локализацию функцийв коре. В истории изучения локализации функций в коре го­ловного мозга можно выделить два представления: по одному из них моторные и сенсорные функции пред­ставлены строго локальными участками, поврежде­ние которых должно навсегда исключать ту или иную функцию. Противоположное ему представление обо­сновывало эквипотенциалъностъкоры в реализации сенсорики и моторики.

В итоге многолетних исследований центральной нервной системы сформировалось компромиссное представление. В настоящее время можно считать установленным, что локализация функций в коре определяется прежде всего моносенсорными нейрона­ми, имеющими наименьшие пороги чувствительнос­ти на свои адекватные раздражения. Однако рядом с этими нейронами всегда имеются полисенсорные ней­роны, которые обеспечивают взаимодействие локаль­ной структуры с другими структурами мозга, а тем самым — возможность образования временной связи, компенсацию нарушений функций своей структуры и структур, с нею связанных.

В тех случаях, когда нейрон реагирует на два при­знака одного и того же сенсорного стимула, например, на два цвета зрительного раздражения или на два тона слухового, эти нейроны относят к бимодальным. Ней­роны, реагирующие на три и более признака одного сенсорного канала, называются полимодальными.

Полимодальные нейроны обеспечивают внутриси­стемную компенсацию нарушенных функций.

Параллельно с этим возможен и другой механизм компенсации — за счет способности мономодальных нейронов становиться би- и полимодальными.

В опытах с регистрацией активности отдельных ней­ронов показано, что мономодальные нейроны слухо­вой коры, реагирующие на тон с частотой 1 000 Гц, при подаче тона с частотой 500 Гц вначале не реагиро­вали на этот сигнал, а после ряда сочетаний тона 500 Гц с внеклеточной деполяризацией мономодального ней­рона через микроэлектрод, последний обучался реаги­ровать и на тон 500 Гц. Следовательно, нейрон стано­вился бимодальным и за -счет этого мог компенсиро­вать нарушения, вызываемые гибелью нейронов, спо­собных отвечать на сигналы с частотой 500 Гц.

Принципиально такой же механизм временной свя­зи лежит в основе обучения моносенсорных нейронов реагировать на стимулы разной сенсорности, т.е. на сигналы разных анализаторных систем. В этом слу­чае речь идет о межанализаторной, межсистемной компенсации.

В коре мозга нет такой зоны, которая была бы свя­зана с реализацией только одной функции. В разных отделах мозга имеется разное количество полисенсор­ных и полимодальных нейронов. Наибольшее коли­чество таких нейронов находится в ассоциативных и во вторичных, третичных зонах коркового конца ана­лизаторов. Значительная часть нейронов моторной коры (около 40%) также является полисенсорной, они реагируют на раздражения кожи, на звук, свет. В 17 поле зрительной коры к полисенсорным относится около 15% нейронов, а в 18-19 полях той же коры таких нейронов более 60%. В коленчатых телах на звуковое и световое раздражение реагирует до 70% нейронов, а на раздражение кожи — 24% . Свойством полисенсорности обладают также нейроны неспеци-

фических ядер таламуса, красного ядра среднего моз­га, хвостатого ядра, скорлупы, ядер слуховой систе­мы ствола мозга, ретикулярной формации.

Число полисенсорных нейронов в структурах моз­га меняется в зависимости от функционального со­стояния нервной системы и от выполняемой в дан­ный момент времени задачи. Так, в период обучения с участием зрительного и моторного анализаторов число полисенсорных нейронов в этих зонах коры возрастает. Следовательно, направленное обучение создает условия увеличения полисенсорных нейронов и, тем самым, компенсаторные возможности нервной системы возрастают.

Наличие полисенсорных нейронов, увеличение их числа при функциональных нагрузках на нервную систему определяют динамические возможности ком­пенсации ее структур при различного рода дисфунк­циях.

Для клинической медицины важно также, что не­которые нейроны коры мозга в результате обучения способны становиться полисенсорными, т.е. если до применения сочетания условного и безусловного сти­мулов нейрон реагировал только на безусловный сти­мул, то после ряда сочетаний этот нейрон становится способным реагировать и на условный стимул.

Полимодальность и полисенсорность позволяют нейрону одновременно воспринимать раздражения от разных анализаторов или, если от одного анализато­ра, то воспринимать одновременно сигналы с разны­ми его характеристиками. Одновременное параллель­ное восприятие сигналов предполагает и одновремен­ную параллельную их обработку. Об этом свидетель­ствуют условнорефлекторные эксперименты, в кото­рых показано, что в результате выработки условного рефлекса на одновременный комплекс сигналов,

предъявляемых разным анализаторам (например, слу­ховому и зрительному), его можно вызвать любым от­дельным сигналом этого комплекса.

Полифункциональность и полисенсорность связа­ны с другим свойством функционирования мозга -его надежностью. Надежность обеспечивается, поми­мо полисенсорности и полифункциональности, таки­ми механизмами, как избыточность, модульность, ко-оперативность.

Избыточность, как элемент обеспечения надежно­сти функционирования мозга, достигается разными способами. Наиболее распространенным является ре­зервирование элементов. У человека в коре постоян­но активны только доли процента нейронов, но их достаточно для поддержания тонуса коры, необходи­мого для реализации ее деятельности. При наруше­нии функционирования коры количество фоновоак-тивных нейронов в ней значительно увеличивается.

Избыточность элементов в ЦНС обеспечивает со­хранение функций ее структур даже при поврежде­нии значительной их части. Например, удаление зна­чительной части зрительной коры не приводит к на­рушениям зрения. Однополушарное повреждение структур лимбической системы не вызывает специ­фических для лимбической системы клинических симптомов. Доказательством того, что нервная систе­ма имеет большие резервы, являются следующие при­меры. Глазодвигательный нерв нормально реализует свои функции регуляции движений глазного яблока при сохранности в его ядре всего 45% нейронов. От­водящий нерв нормально иннервирует свою мышцу при сохранности 38% нейронов его ядра, а лицевой нерв выполняет свои функции всего при 10%-ной со­хранности числа нейронов, расположенных в ядре этого нерва.

Высокая надежность в нервной системе обусловле­на также множеством связей ее структур, большим количеством синапсов на нейронах. Так, нейроны мозжечка имеют на своем теле и дендритах до 60 тыс. синапсов, пирамидные нейроны двигательной коры — до 10 тыс., альфа-мотонейроны спинного мозга — до 6 тыс. синапсов.

Резервирование проявляется множеством путей ре­ализации сигнала; так, дублирующийся двигательный сигнал, идущий из коры к мотонейронам спинного мозга, может достигнуть их не только от пирамидных нейронов 4 поля коры, но и от добавочной моторной зоны, из других проекционных полей, из базальных ганглиев, красного ядра, ретикулярной формации и других структур. Следовательно, повреждение мотор­ной коры не должно приводить к полному выпадению двигательной информации к мотонейронам спинного мозга.

Следовательно, помимо резервирования, надеж­ность нервной системы достигается дублированием, что позволяет оперативно вводить, по мере надобнос­ти, дополнительные элементы, чтобы реализовать ту или иную функцию. Примером такого дублирования может служить многоканальная передача информа­ции, например в зрительном анализаторе.

Когда надежность функционирования мозга не обес­печивается за счет дублирования и резервирования, включается механизм вероятностного участия ней­ронов в реализации заданной функции. Вероятност­ный механизм создает оперативную избыточность уча­стия нервных клеток различных модулей для орга­низации той или иной реакции. Вероятностный прин­цип функционирования нервной системы заключает­ся в том, что нейроны действуют не изолированно, а в популяции. Естественно, единое состояние всех ней-

ронов популяции при приходе в нее сигнала невоз­можно. Участие отдельного нейрона в организации реакции обусловлено его состоянием (порог возбуди­мости, генерализация импульса и т.д.). В связи с этим участие в реакции может быть реализовано или нет, т.е. оно вероятностно.

Модульность — это принцип структурно-функци­ональной организации коры мозга, который заклю­чается в том, что в одном нейронном модуле осуще­ствляется локальная переработка информации от ре­цепторов одной модальности. Различают два вида мо­дулей: микромодули и макромодули. Микромодули в соматосенсорной коре представляют собой объедине­ние 5-6 нейронов, среди которых имеются пирамид­ные нейроны, их апикальные дендриты образуют ден­дритный пучок. Между дендритами этого пучка име­ют место не только синаптические связи, но и элект­ротонические контакты. Последние обеспечивают син­хронность работы нейронов микромодуля, что повы­шает надежность передачи информации.

В микромодуле представлены также звездчатые клетки. Они имеют синапсы на пирамидных нейро­нах своего модуля и контакты от восходящих таламо-кортикальных волокон. Некоторые звездчатые клет­ки посылают аксоны вдоль поверхности коры, созда­вая таким образом условия для передачи информа­ции от одного модуля коры к другому и образуя тор­мозное окружение вокруг активного модуля.

Микромодули объединяются в макромодули — вер­тикально ориентированные колонки (по Маунткаслу), их диаметр достигает 500-1 000 мкм. Маунткасл на­шел, что при погружении микроэлектрода перпенди­кулярно поверхности коры все регистрируемые при этом нейроны реагируют на раздражение одной сен-сорности (например, на свет).

При погружении микроэлектрода под углом к по­верхности коры на его пути встречались нейроны раз­ной сенсорности, т.е. реагирующие на разные сигна­лы (например, на свет, звук).

Считается, что в этом случае микроэлектрод прони­зывает соседние колонки и регистрирует нейроны раз­ной сенсорности. На основании исследований Ма-унткасла и др. признается моносенсорность, моно­функциональность колонки.

Такое заключение противоречит принципу поли-сенсорности нейронов. В одном модуле должны быть как нейроны моносенсорные или мономодальные, так и нейроны полисенсорные, в противном случае резко снижается информационная надежность нервной си­стемы, ее пластичность, а значит, и: способность к образованию новых функциональных компенсаторных связей.

В зрительной коре имеет место чередование коло­нок, нейроны которых реагируют на зрительные сти­мулы либо только правого, либо только левого глаза. Следовательно, в зрительной коре обоих полушарий мозга имеются глазодоминантные колонки, т.е. ко­лонки, реагирующие на стимуляцию одного глаза.

В слуховой коре выделяются колонки, способные дифференцировать сигналы, идущие от обоих ушей, и колонки, не способные к такой дифференциации.

В сенсомоторной коре рядом расположенные ко­лонки выполняют разнонаправленные реакции: на­пример, одни из них возбуждают мотонейроны спин­ного мозга, другие — тормозят их.

Модульный принцип структурно-функциональной организации работы мозга является проявлением ко­оперативного характера функционирования нейронов мозга. Кооперативность позволяет нейронам модуля участвовать в реализации функции по вероятностно-

му типу, что создает возможность относительной вза­имозаменяемости нейронов, и, тем самым, повышает надежность нервной деятельности. В результате фун­кционирование системы становится малозависящим от состояния отдельной нервной клетки. С другой сто­роны, подвижная структура таких рабочих единиц, формируемых вероятностным участием в них нервных клеток, обусловливает большую гибкость межнейрон­ных связей и легкость их перестроек, которые опре­деляют свойства пластичности, характерные для выс­ших отделов мозга.

Кооперативность дает возможность структуре вы­полнять функции, не присущие отдельным ее элемен­там. Так, отдельный нейрон мозга не способен к обу­чению, но, находясь в сети нейронов, он приобретает такую способность.

Кооперативность позволяет реализовывать механиз­мы саморегуляции и самоорганизации, присущие не­рвной системе с самых ранних этапов ее организации.

Саморегуляция — свойство структур нервной си­стемы автоматически устанавливать и поддерживать на определенном уровне свое функционирование. Ос­новным механизмом саморегуляции является меха­низм обратной связи. Этот механизм хорошо иллюс­трируется на примере поддерживающей ревербера­ции при межполушарном развитии эпилептического судорожного состояния. Обратная связь в нервной системе имеет либо усиливающее, либо тормозное, либо чисто информационное значение о результатах деятельности, реакции системы, куда был адресован сигнал.

Обратная связь упорядочивает, суживает множе­ство вариантов прохождения сигнала, создавая тор­мозное окружение пути возбуждения из неактивных нейронов.

Тесно связан с саморегуляцией нервной системы механизм ее самоорганизации. Самоорганизующие­ся системы вообще имеют ряд особенностей, которые присущи и ЦНС:

— множество входов;

— множество выходов;

— высокий уровень сложности взаимодействия сво­
их элементов;

— большое количество функционирующих элемен­
тов;

— наличие вероятностных и жестких детермини­
рованных связей;

— наличие функции переходных состояний;

— множество функций;

— наличие выходной функции с обратной связью.
Благодаря принципу самоорганизации компенса­
ция функций в нервной системе обеспечивается пу­
тем изменения весов функционирования связей, фор­
мированием новых связей на основе включения в ак­
тивность потенциальных синапсов, использованием
накопленного опыта данного индивида.

Развитие нервной системы в фило- и онтогенезе приводит к непрерывному усложнению взаимодей­ствия ее систем. Чем больше форм, видов, число ус­ловных рефлексов, организуемых в онтогенезе, тем больше связей устанавливается между структурами нервной системы.

Увеличение количества функциональных связей ме­жду структурами нервной системы имеет решающее значение, так как в этом случае возрастает число вари­антов прохождения сигналов, значительно расширя­ются возможности компенсации нарушенных функции.

Благодаря самоорганизации развитие клинических признаков патологии нервной системы на определен­ном этапе не проявляется.

Самоорганизация приводит к качественным изме­нениям взаимодействия систем, что позволяет реали­зовать нарушаемую патологией функцию. Здесь нема­ловажно то, что нервная система, помимо возможно­сти большого выбора путей для достижения цели, спо­собна избирательно усиливать или ослаблять сигналы.

В первом случае, при усилении сигнала, обеспечи­вается надежная передача информации при частич­ной морфологической сохранности структуры.

Во втором случае, при ослаблении сигнала, появляет­ся возможность снизить помеху, идущую от других ис­точников. Так как нервная система способна к избира­тельной фильтрации нужного сигнала, то это позволя­ет ей, выделив нужный, но слабый сигнал, во-первых, прямо усилить его, а во-вторых, дать ему преимущест­во при прохождении к воспринимающей структуре за счет снижения силы ненужных, мешающих сигналов.

Компенсаторные возможности нервной системы связаны также со специфической локализацией фун­кций в коре мозга, которая не является абсолютной. Прежде всего каждый корковый конец анализатора имеет первичные, вторичные и третичные поля.

Первичные поля коры соответствуют архитектони­ческим полям коры, в которых оканчиваются сенсор­ные проекционные пути. Эти зоны связаны с перифе­рическими рецептирующими системами наиболее пря­мыми путями, они имеют четкую соматотопическую локализацию, в них осуществляется качественный анализ приходящих специфических сигналов. Пора­жение этих зон ведет к элементарным расстройствам чувствительности.

Вторичные поля коры находятся вблизи первич­ных. Во вторичных полях, связанных с рецептирую­щими системами прямо и опосредованно, продолжа-

ется обработка сигнала, определяется его биологичес­кая значимость, устанавливаются связи с другими анализаторами и с исполнительной, чаще с двигатель­ной системой. Поражение этой зоны приводит к рас­стройствам специфических для данного анализатора памяти и восприятия.

Третичные, или ассоциативные, зоны располага­ются в областях взаимного перекрытия анализаторов и занимают у человека большую часть коркового пред­ставительства данного анализатора.

Нейронные объединения этих зон наиболее адап­тированы для установления связи с другими областя­ми мозга, а тем самым наиболее приспособлены к ре­ализации компенсаторных процессов. Поражения ас­социативных областей не ведут к расстройствам спе­цифических функций анализаторов, а проявляются в наиболее сложных формах аналитико-синтетической деятельности (гнозиса, праксиса, речи, целенаправ­ленного поведения), связанных с функцией данного анализатора.

Структурная локализация функций предполагает, что мозг имеет детерминированные пути, системы, реализующие проведение сигнала, организацию той или иной реакции и т.д. Однако помимо жестко де­терминированных связей в мозту реализуются функ­циональные связи, развивающиеся в онтогенезе.

Чем более упрочены, закреплены связи между структурами мозга в процессе индивидуального раз­вития, тем труднее использование компенсаторных возможностей при патологиях.

На основе принципа структурности реализуется механизм иерархичности. Он заключается не столько в соподчинении, сколько в организации компенсатор­ных процессов. Каждая вышележащая структура уча­ствует в реализации функций нижележащей, но де-

лает это тогда, когда нижележащая структура за­трудняется в выполнении своих функций.

Структуры мозга при обучении, при дисфункции одной из них не локализуют возбуждение в своих гра­ницах, а позволяют ему широко распространяться по мозгу — принцип иррадиации.

Иррадиация состояния активности распространя­ется в другие структуры мозга как по прямым свя­зям, так и по опосредованным путям. Возникновение иррадиации при гипофункции структуры, участвую­щей в реализации того или иного процесса, позволяет найти пути компенсации гипофункции и реализовать нужную реакцию.

Нахождение нового пути закрепляется по рефлек­торному принципу и заканчивается концентрацией активности в определенных структурах, заинтересо­ванных в выполнении реакции.

С концентрацией активности в определенных струк­турах мозга тесно связаны конвергентность и прин­цип общего конечного пути. Этот принцип реализу­ется на отдельном нейроне и на системном уровне. В первом случае информация в нейроне собирается на дендритах, соме нейрона, а передается преимуществен­но через аксон. Информация из нейрона может быть передана не только через аксон, но и через дендрит­ные синапсы. Информация через аксон подается в нейроны других структур мозга, а через синапсы ден-дритов только на соседние нейроны.

Наличие общего конечного пути позволяет нервной системе иметь разные варианты достижения нужного эффекта через разные структуры, имеющие выход на один и тот же конечный путь.

Трудности компенсаций, отмечаемые в более стар­ших возрастах, обусловлены не тем, что резервы моз­га исчерпаны, а тем, что сформировано большое ко-

личество оптимальных путей реализации функции, которые хотя и задеиствуются в случае патологии, но из-за нее же и не могут быть реализованы. Чаще при патологии требуется формирование новых путей реа­лизации той или иной функции.

В основе формирования новых путей, новых функ­ций структуры мозга лежит следующий принцип его функционирования — принцип пластичности.

Пластичность позволяет нервной системе под воз­действием различных стимулов осуществлять реорга­низацию связей для целей сохранения основной фун­кции или для реализации новой функции.

Пластичность позволяет нервным центрам реали­зовать функции, которые ранее им не были присущи, но благодаря имеющимся и потенциальным связям эти центры становятся способными участвовать в ком­пенсации нарушенных в других структурах функций. Полифункциональные структуры обладают больши­ми возможностями пластичности. В связи с этим не­специфические системы мозга, ассоциативные струк­туры, вторичные зоны проекций анализаторов, как имеющие значительное число полифункциональных элементов, более способны к пластичности, чем зоны первичных проекций анализаторов. Четким приме­ром пластичности нервных центров является класси­ческий опыт П.К. Анохина с изменением связей цен­тров диафрагмального и плечевого нервов.

В этом опыте были перере

Frontiers | Интерфейсы мозг-компьютер на основе fNIRS: обзор

Введение

Система интерфейса мозг-компьютер (BCI) предоставляет своим пользователям каналы управления, которые не зависят от выходных каналов мозга (то есть периферической нервной системы и мышц) (Wolpaw et al., 2002). Такие системы могут использоваться как средство связи и восстановления двигательных функций (через нейропротезы) для людей с двигательными нарушениями, такими как боковой амиотрофический склероз (БАС) и травмы спинного мозга, и / или людей, находящихся в постоянном запертом состоянии ( ЛИС).Его также можно использовать в качестве инструмента нейрореабилитации для улучшения двигательных и / или когнитивных функций таких людей.

Типичная система BCI состоит из пяти этапов (см. Рисунок 1): получение сигналов мозга, предварительная обработка, выделение / выбор признаков, классификация и интерфейс приложения. На первом этапе получения мозгового сигнала подходящие сигналы получают с использованием соответствующего метода визуализации мозга. Поскольку полученные сигналы обычно слабые и содержат шумы (физиологические и инструментальные) и артефакты, необходима предварительная обработка, которая является вторым этапом.На третьем этапе извлекаются некоторые полезные данные, так называемые «характеристики». Эти особенности на четвертом этапе классифицируются с помощью подходящего классификатора. Наконец, на пятом этапе классифицированные сигналы передаются на компьютер или другие внешние устройства для генерации требуемых команд управления для устройств. В приложениях нейробиоуправления желательно отображение активности мозга в реальном времени, что позволяет саморегулировать функции мозга. На рисунке 1 представлена ​​схема (гибридной) функциональной ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS) и электроэнцефалографии (ЭЭГ) BCI.

Рис. 1. Схема гибридного fNIRS-EEG BCI .

Было использовано несколько модальностей для получения сигналов мозга, включая ЭЭГ (Wolpaw et al., 2002; Turnip et al., 2011; Turnip and Hong, 2012; Wang et al., 2012; Hwang et al., 2013; Kleih and Kubler, 2013; Ko, Sim, 2013; Hammer et al., 2014; Kim et al., 2014; Soekadar et al., 2014), магнитоэнцефалографии (МЭГ) (Mellinger et al., 2007; Buch et al., 2008; Sardouie and Shamsollahi, 2012), функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) (Weiskopf et al., 2004; ЛаКонт, 2011; van der Heiden et al., 2014) и fNIRS (Ferrari et al., 1985, 2004; Kato et al., 1993; Hu et al., 2013; Bhutta et al., 2014; Rea et al., 2014; Santosa et al., 2014). Среди них относительно новый метод fNIRS, который использует свет ближнего инфракрасного диапазона (обычно с длиной волны 650 ~ 1000 нм) для измерения изменений концентрации оксигенированного гемоглобина (HbO) и деоксигенированного гемоглобина (HbR) (Villringer et al., 1993; Hoshi et al., 1994; Hoshi and Tamura, 1997; Villringer and Chance, 1997; Boas et al., 2004а, б; Хонг и Нгуен, 2014). Его основные преимущества — относительно низкая стоимость, портативность, безопасность, низкий уровень шума (по сравнению с фМРТ) и простота использования. В отличие от ЭЭГ и МЭГ, его данные не сильно подвержены электрическому шуму, поскольку это метод оптической визуализации. fNIRS измеряет изменения кровотока в локальной капиллярной сети, вызванные срабатыванием нейронов. Поскольку гемоглобин является переносчиком кислорода, изменения уровней концентрации HbO и HbR после активации нейронов могут быть связаны с соответствующими импульсами нейронов.В fNIRS используются пары излучатель-детектор ближнего инфракрасного диапазона (NI), работающие с двумя или более длинами волн. Свет NI, излучаемый в кожу головы, распространяется через ткани мозга, вызывая многократное рассеяние фотонов. Некоторые из этих фотонов выходят из головы после прохождения кортикальной области мозга, в которой хромофоры (то есть HbO и HbR) меняются во времени. Эти возбужденные фотоны затем обнаруживаются с помощью стратегически расположенных детекторов. Поскольку HbO и HbR имеют разные коэффициенты поглощения для разных длин волн света NI, соотношение между интенсивностью выходящего фотона и интенсивностью падающего фотона можно использовать для расчета изменений концентраций HbO и HbR [Δ c HbO ( t ) и Δ c HbR ( t )] вдоль пути фотонов, применяя модифицированный закон Бера-Ламбертса (Delpy et al., 1988).

Принцип измерения fNIRS, впервые описанный Джобсисом (1977), применялся для изучения церебральной гемодинамики более двух десятилетий, хотя его ИМК используется всего несколько лет назад. Первым исследованием, которое продемонстрировало возможность применения fNIRS для BCI, было Coyle et al. (2004). Они попросили испытуемых представить двигательные образы непрерывного сжатия и выпуска мягкого мяча. Основываясь на пороге активности Δ c HbO ( t ), они определили, активирован ли мозг или находится в состоянии покоя.

В 2007 году три исследования продемонстрировали возможность управления выходом fNIRS BCI: Coyle et al. (2007) использовали специально созданную систему fNIRS (названную Mindswitch) для тестирования управления включением-выключением. Их протокол состоял из двух вариантов, попеременно представленных испытуемым: когда желаемый вариант был выделен, испытуемый выполнял двигательные образы сжатия и выпуска мягкого мяча для усиления сигналов HbO в моторной коре и, таким образом, мысленно выражал свой выбор . Сигналы во время воображения движения были классифицированы по сравнению с сигналами в период покоя со средней точностью более 80%.Sitaram et al. (2007) показали, что образцы сигналов fNIRS во время выполнения движения и изображений были различимы с точностью 80% (или выше) с использованием опорных векторных машин (SVM) и скрытой марковской модели (HMM). С другой стороны, первое исследование пациентов с БАС было проведено Naito et al. (2007): 40 пациентов с БАС (17 из них были полностью заблокированы) попросили закодировать свой ответ на несколько вопросов как «да» или «нет». Их попросили ответить «да», выполнив мысленный расчет, музыкальные образы и другие подобные задания, и ответить «нет», оставаясь расслабленными.Затем мгновенные амплитуда и фаза сигналов интенсивности света использовались в качестве характеристик для классификатора квадратичного дискриминантного анализа, который успешно декодировал ответы 70% пациентов с БАС, которые не были полностью заблокированы. Однако для полностью заблокированных пациентов с БАС метод работал только у 40% субъектов (с точностью классификации около 80%).

В 2008 г. Utsugi et al. (2008) показали возможность контроля «стоп-сигнал». Они измерили средние пространственно-временные значения Δ c HbO ( t ) и Δ c HbR ( t ), полученные в результате мысленных расчетов.Bauernfeind et al. (2008) разработали систему fNIRS и сообщили, что изменения Δ c HbO ( t ) и Δ c HbR ( t ) наблюдались во время мысленных арифметических задач над префронтальной корой. Измеренные сигналы были относительно стабильными у 13 испытуемых. Исходя из этого, авторы предложили его применение в BCI.

В 2009 году Луу и Чау (2009) продемонстрировали возможности декодирования предпочтений с использованием сигналов fNIRS, полученных из префронтальной коры.Девять испытуемых попросили мысленно оценить два представленных напитка и решить, какой из них они предпочитают. Вместо того, чтобы использовать конкретное действие для выбора предпочтительного напитка, они использовали прямые нейронные корреляты при принятии решений. Точность декодирования этого предпочтения с использованием непосредственно сигналов интенсивности света и линейного дискриминантного анализа (LDA) составила около 80%. В том же году Tai и Chau (2009) показали возможность разработки BCI классификации fNIRS-сигналов из задач по наведению эмоций.Испытуемые выполнили несколько испытаний с заданиями на индукцию положительных и отрицательных эмоций, и оптимальные характеристики были выбраны с использованием генетического алгоритма. Затем LDA и SVM использовались для классификации различных наборов функций со средней точностью от 75 до 94%. С 2009 года несколько исследований успешно продемонстрировали использование fNIRS для эффективного BCI. Хотя ИМК на основе ЭЭГ являются наиболее распространенными неинвазивными версиями, тенденция к использованию fNIRS для ИМК постоянно увеличивается.

Приобретение мозгового сигнала

BCI использует сигналы мозга для сбора информации о намерениях пользователя.Первым шагом в разработке системы fNIRS-BCI является получение подходящих сигналов мозга. Две наиболее распространенные области мозга — это первичная моторная кора и префронтальная кора. Сигналы, соответствующие задачам моторного исполнения и воображения движения, поступают из моторной коры; тогда как те, которые соответствуют мысленной арифметике, мысленному счету, музыкальным образам, образам ландшафта и т. д., получены из префронтальной коры. Хотя в этих двух областях использовалось несколько различных конфигураций эмиттер-детектор, расстояние эмиттер-детектор обычно сохраняется в определенном диапазоне, поскольку оно играет важную роль в измерении fNIRS.Например, увеличение расстояния эмиттер-детектор соответствует увеличению глубины визуализации (McCormick et al., 1992). Для измерения сигналов гемодинамического ответа от корковых областей было предложено расстояние между излучателем и детектором около 3 см (Gagnon et al., 2012). Расстояние менее 1 см может содержать вклад только скин-слоя, тогда как расстояние более 5 см может приводить к слабым и, следовательно, непригодным для использования сигналам (Gratton et al., 2006). Типичная конфигурация излучатель-детектор на голове и пути, по которым свет достигает двух детекторов, показаны на Рисунке 2.Подходящее количество пар излучатель / детектор для адекватного выделения нейронной активности варьируется в зависимости от типа сигналов мозга, которые используются для цели BCI. Для префронтальной коры 3 излучателей и 8 детекторов может быть достаточно для адекватного приема большинства сигналов мозга, соответствующих префронтальным задачам (Луу и Чау, 2009; Power et al., 2010, 2011, 2012a, b; Khan et al., 2014; Naseer et al., 2014). Для деятельности мозга, соответствующей задачам моторной коры, 6 излучателей и 6 детекторов могут покрывать всю моторную кору.В предыдущих исследованиях для обнаружения активности моторной коры применялись 4 излучателя и 4 детектора (Sitaram et al., 2007), 6 излучателей и 6 детекторов (Naseer and Hong, 2013), 5 излучателей и 4 детектора.

Рис. 2. Пример пар эмиттер-детектор, показывающий траектории света в форме банана .

Активность моторной коры

Действия первичной моторной коры — хороший выбор для применения fNIRS-BCI, поскольку они являются естественным средством обеспечения BCI-контроля над внешними устройствами.Более того, они также могут быть полезны с точки зрения нейрореабилитации. Двумя наиболее часто приобретаемыми видами деятельности моторной коры являются моторное исполнение и моторное воображение.

Моторное исполнение

Задача моторного исполнения означает движение части тела для активации моторной коры головного мозга, что включает развитие мышечного напряжения посредством мышечных действий. Поскольку двигательное выполнение включает сокращение мышц, на ИМК, основанные на двигательном выполнении, влияет проприоцептивная обратная связь от сокращающихся мышц, и, следовательно, модуляция нейронов может происходить не только от центральной нервной системы.Несколько двигательных задач, включая постукивание пальцами (Cui et al., 2010a, b; Seo et al., 2012), постукивание руками (Hai et al., 2013; Khan et al., 2014), поднятие рук (Shin and Jeong, 2014), разгибание колена (Shin and Jeong, 2014) и захват / захват руками (Nagaoka et al., 2010; Fazli et al., 2012) использовались в предыдущих исследованиях.

Моторные изображения

Моторные образы можно определить как скрытый когнитивный процесс кинестетического воображения движения части собственного тела без задействования мышечного напряжения, сокращения или сгибания.Поскольку основная цель BCI — сформировать путь общения для людей с ограниченными двигательными возможностями, воображение движения является одной из наиболее часто используемых задач в fNIRS-BCI. Задачи по воображению движения включают в себя воображение сжатия мягкого мяча (Coyle et al., 2004, 2007; Stangl et al., 2013), скрытые образы простой или сложной последовательности постукивания пальцами (Sitaram et al., 2007; Holper and Wolf, 2011), воображение постукивания ногами (Kaiser et al., 2014), воображение захвата / захвата руками (Nagaoka et al., 2010; Fazli et al., 2012; Kaiser et al., 2014), воображение сгибания запястья (Naseer, Hong, 2013), воображение сгибания и разгибания локтя (Mihara et al., 2013), а также сгибание и разгибание определенных пальцев (Mihara et al., 2013) ). В отличие от задач двигательного исполнения, сигналы воображения движения свободны от проприоцептивной обратной связи.

Активность префронтальной коры

Действия в префронтальной коре также являются хорошим выбором для fNIRS-BCI, поскольку они связаны с меньшими артефактами движения и ослаблением сигнала из-за проскальзывания волосков.Кроме того, они, вероятно, будут более эффективными в случае нарушения двигательной функции. Учитывая эти преимущества, в большинстве исследований использовались префронтальные активности, показывающие многообещающие результаты (Naito et al., 2007; Bauernfeind et al., 2008, 2011; Utsugi et al., 2008; Luu and Chau, 2009; Power et al., 2010). , 2011, 2012a, b; Abibullaev et al., 2011; Falk et al., 2011; Tanaka, Katura, 2011; Абибуллаев, Ан, 2012; Adhika et al., 2012; Chan et al., 2012; Hu et al. ., 2012; Moghimi et al., 2012; Sagara, Kido, 2012; Faress, Chau, 2013; Power and Chau, 2013; Stangl et al., 2013; Hwang et al., 2014; Naseer et al., 2014; Шудло и Чау, 2014; Hong et al., 2015). Некоторые из часто используемых префронтальных действий для fNIRS-BCI — это мысленная арифметика, музыкальные образы, мысленный счет и образы ландшафта.

Ментальная арифметика

Ментальная арифметика (иногда называемая мысленным вычислением) означает выполнение скрытых вычислений с использованием мозга без какой-либо помощи в виде бумаги, ручки, калькулятора, компьютера и т. Д. Она активирует префронтальную кору. Поскольку он не связан с движением тела, он широко используется для fNIRS-BCI.Ряд исследований успешно продемонстрировали его выполнимость в качестве умственной задачи для BCI (Naito et al., 2007; Bauernfeind et al., 2008, 2011; Utsugi et al., 2008; Power et al., 2010, 2011, 2012a, б; Adhika et al., 2012; Sagara, Kido, 2012; Power and Chau, 2013; Stangl et al., 2013; Hwang et al., 2014; Naseer et al., 2014; Hong et al., 2015). Ментальная арифметика подразумевает умножение в уме (Hwang et al., 2014) или другие арифметические задачи. Однако наиболее часто используемая в уме арифметика — это обратное вычитание, которое включает вычитание небольшого числа (например, двузначного числа) из большого числа (например, трехзначного числа) с последующим вычитанием случайного числа. небольшое число из результата предыдущего вычитания (например,g., 450-15, 435-10, 425-19 и др.) (Power et al., 2010; Hwang et al., 2014; Naseer et al., 2014).

Музыкальные образы

Музыкальные образы (также называемые мысленным пением) состоят из организации и анализа музыки в мозгу без каких-либо внешних слуховых стимулов. Naito et al. (2007), Power et al. (2010), Фальк и др. (2011), Power et al. (2011), Chan et al. (2012) и Hwang et al. (2014) успешно продемонстрировали музыкальные образы как деятельность мозга, которая может быть эффективно использована для fNIRS-BCI.

Прочие префронтальные активности

Было показано, что помимо мысленных вычислений и музыкальных образов, различные другие задачи в префронтальной коре хорошо работают. К ним относятся мысленный счет (Naito et al., 2007; Khan et al., 2014), изображения ландшафта (Naito et al., 2007), мысленное написание символов (Hwang et al., 2014), вращение объекта (Abibullaev et al. , 2011; Абибуллаев, Ан, 2012; Faress, Chau, 2013; Hwang et al., 2014), задачи обнаружения изменений (Tanaka, Katura, 2011), задачи лабиринта (Misawa et al., 2012), а также задания по наведению эмоций (Tai and Chau, 2009; Moghimi et al., 2012). Некоторые исследования продемонстрировали прямое декодирование нейронных коррелятов, соответствующих субъективным предпочтениям (Luu and Chau, 2009), обману (Hu et al., 2012), визуальным стимулам (Faress and Chau, 2013) и другим (Ayaz et al., 2009). , 2012).

Наилучший выбор оптимальных умственных действий для повышения точности классификации остается открытым вопросом. Hwang et al. (2014) оценили использование различных комбинаций умственных задач для BCI.Эти задачи включали в себя двигательные образы (образы правой и левой руки и образы ног), мысленное пение, мысленную арифметику (умножение и вычитание), мысленное вращение и мысленное написание символов. Из 28 различных протестированных комбинаций комбинации мысленного арифметического / мысленного вращения и мысленного арифметического / воображаемого движения правой руки дали наилучшие результаты классификации LDA с использованием средних значений концентрации гемоглобина. Префронтальные активности использовались более чем в половине исследований fNIRS-BCI, в первую очередь благодаря простоте применения fNIRS в префронтальной области.Однако выбор действия зависит от конкретного приложения fNIRS-BCI. Например, в целях нейрореабилитации конечностей желательно использовать двигательную активность коры головного мозга.

Предварительная обработка

Полученные сигналы fNIRS могут содержать различные шумы, которые можно разделить на инструментальный шум, экспериментальную ошибку и физиологический шум. Поскольку инструментальный шум и экспериментальная ошибка не связаны с деятельностью мозга, лучше удалить их перед преобразованием необработанных сигналов оптической плотности в изменения концентрации HbO и HbR с помощью модифицированного закона Бера-Ламберта (Huppert et al., 2009).

Удаление инструментального шума

Инструментальный шум — это шум сигналов fNIRS, присутствующий в оборудовании или вызванный окружающей средой (например, инструментальное ухудшение). Обычно это (постоянные) высокие частоты. Такие высокие частоты могут быть легко удалены с помощью фильтра нижних частот (например, 3 ~ 5 Гц частоты среза). Кроме того, сводя к минимуму вариации внешнего освещения, можно значительно снизить шум прибора.

Устранение экспериментальных ошибок

Экспериментальные ошибки включают артефакты движения, такие как движения головы, которые вызывают перемещение оптодов из назначенных позиций.Это может вызвать резкое изменение интенсивности света, что приведет к возникновению шума, напоминающего шип. В литературе было предложено несколько методов коррекции артефактов движения; метод на основе фильтрации Винера (Izzetoglu et al., 2005), пространственная фильтрация на основе собственных векторов (то есть фильтрация на основе анализа основных компонентов (PCA)) (Zhang et al., 2005), методы на основе вейвлет-анализа (Sato et al., 2006; Power et al., 2010), фильтры типа Савицки-Голея (Hai et al., 2013; Shin, Jeong, 2014) и другие (Cui et al., 2010а, б; Fekete et al., 2011; Купер и др., 2012). См. Cooper et al. (2012) для тщательного сравнения различных методов.

Физиологический шум

Физиологические шумы включают шумы, связанные с сердцебиением (1 ~ 1,5 Гц), дыханием (0,2 ~ 0,5 Гц), волнами Майера (~ 0,1 Гц), которые связаны с колебаниями артериального давления (Boas et al., 2004a, b; Zhang et al. al., 2005; Franceschini et al., 2006; Huppert et al., 2009). Для их удаления использовалось несколько методов, включая полосовую фильтрацию, адаптивную фильтрацию, PCA и анализ независимых компонентов (ICA).

Полосовая фильтрация

Поскольку диапазоны частот вышеупомянутых физиологических сигналов обычно известны, полосовой фильтр может быть эффективным средством. Некоторые исследования fNIRS-BCI показали многообещающие результаты с использованием простой низкочастотной, высокочастотной или полосовой фильтрации для удаления физиологических шумов (Coyle et al., 2004, 2007; Naito et al., 2007; Sitaram et al., 2007; Bauernfeind et al., 2008; Luu, Chau, 2009; Power et al., 2010, 2011; Hu et al., 2012; Liu et al., 2013; Hong et al., 2015).

В литературе сообщалось о различных частотах среза для полосовой фильтрации: например, Luu and Chau (2009), Power et al. (2011), Hu et al. (2012) и Tomita et al. (2014) использовали полосы частот 0,01 ~ 0,8 Гц, 0,1 ~ 0,5 Гц, 0,01 ~ 0,2 Гц и 0,1 ~ 0,5 Гц соответственно. В общем, полоса 0,1 ~ 0,4 Гц может эффективно удалять большую часть физиологических шумов, включая сердцебиение и волны Майера, без устранения сигнала fNIRS, вызванного задачей с периодом 10 с.Типы полосовой фильтрации включают фильтры Баттерворта (Luu, Chau, 2009; Naseer, Hong, 2013; Naseer et al., 2014), эллиптические фильтры (Hu et al., 2012) и фильтры Чебышева (Sitaram et al. , 2007; Power et al., 2012b). Однако об абсолютных преимуществах одного метода фильтрации перед другими пока не сообщалось.

Расширенные методы фильтрации

Полосовая фильтрация не может использоваться для фильтрации физиологических шумов, частоты которых перекрываются с полосой сигнала гемодинамического ответа, например, из-за дыхания.Поэтому другие методы, такие как адаптивная фильтрация (Zhang et al., 2007; Hu et al., 2010; Aqil et al., 2012a, b; Kamran, Hong, 2013, 2014), PCA (Zhang et al., 2005 ) и ICA (Kohno et al., 2007; Santosa et al., 2013) также использовались для удаления физиологического шума. Чтобы учесть физиологические шумы, в регрессионную модель можно добавить дополнительные элементы, связанные с шумом. В дополнение к моделированию канонического функционального ответа, может быть включен ряд с адаптивными амплитудами и фазовыми компонентами, чтобы смоделировать определенный вклад физиологического шума от сердцебиения, дыхания и артериального давления.Подход на основе модели авторегрессионного скользящего среднего с экзогенными сигналами (ARMAX), включающий физиологические сигналы в качестве экзогенных сигналов, может использоваться для прогнозирования состояния мозга во время конкретной когнитивной задачи. Сигнал fNIRS на каждом канале можно рассматривать как выход линейной комбинации различных компонентов. Компоненты включают динамические характеристики изменений HbO и HbR в конкретной области мозга (влияние текущих / предыдущих стимулов), физиологические сигналы, колебания базовой линии и другие шумы.

ICA и PCA

ICA может отделять физиологические шумы от смешанных сигналов, позволяя восстановить исходные гемодинамические сигналы. Независимые компоненты (IC), связанные с физиологическими сигналами, можно идентифицировать по их спектральной плотности. Выделение основного IC, связанного с исходной гемодинамической реакцией, дает сигнал без физиологического шума. Hu et al. (2011) и Santosa et al. (2013) использовали ICA для отделения физиологического шума от исходных сигналов.Затем исходный гемодинамический ответ был реконструирован с использованием всех IC (с весами, полученными из их значений t ), а также первичного IC. Они применили предложенный метод к задаче мысленной арифметики и сравнили результаты с результатами обычного метода фильтрации нижних частот, обнаружив, что метод ICA превосходит метод фильтрации нижних частот. Funane et al. (2014) использовали ICA для оценки вкладов сигналов от мелких и глубоких слоев ткани с помощью оптодов с большим расстоянием между ними.Они предположили, что длина оптического пути в мелком слое не изменилась, но она линейно увеличивалась с увеличением расстояния эмиттер-детектор. Реконструкция сигналов глубокого и мелкого слоев была выполнена путем суммирования всех ИС, которые были взвешены по соотношению глубоких и мелких вкладов в соответствии с расстоянием эмиттер-детектор.

PCA можно использовать для удаления физиологических шумов (аналогично случаю удаления артефактов движения), поскольку систематические колебания ковариантны среди измерений fNIRS из разных каналов.Соответственно, уменьшение такой ковариации отфильтровывает систематические физиологические шумы из сигналов. Однако производительность PCA во многом зависит от количества каналов и количества удаляемых собственных векторов (Cooper et al., 2012), и, следовательно, PCA не рекомендуется для удаления физиологического шума, когда количество каналов невелико. Кроме того, применение ICA в реальном времени для удаления физиологического шума все еще исследуется (можно изучить подход с подвижным окном для вычисления ИС).Отныне из-за того, что подход ICA не работает в реальном времени, методы полосовой фильтрации по-прежнему доминируют (Mihara et al., 2012, 2013; Kober et al., 2014).

На сигналы fNIRS также влияет кровоток в коже и другие вклады от поверхностных тканей (Kohno et al., 2007; Takahashi et al., 2011; Кирилина и др., 2012, 2013; Sato et al., 2013) . Было показано, что удаление этих артефактов из мозговых сигналов возможно с помощью нескольких различных методов: использования дополнительных детекторов ближнего действия (Saager and Berger, 2005; Luu and Chau, 2009; Saager et al., 2011), адаптивная фильтрация (Zhang et al., 2009), статистическое параметрическое отображение (SPM), в котором артефакты включаются в модель в качестве регрессоров (Tachtsidis et al., 2010), и ICA (Kohno et al., 2007 ; Funane et al., 2014). Kohno et al. (2007) выявили, что пространственное распределение одной из ИК напрямую связано с кровотоком в коже, что было снова подтверждено лазерным доплеровским тканевым расходомером крови. Funane et al. (2014), с другой стороны, использовали ICA для разделения изменений поглощения в глубоких и неглубоких тканях (из-за кожи головы и кожи) с использованием нескольких расстояний между излучателем и детектором.Zhang et al. (2007, 2009) использовали адаптивный фильтр для оценки глобальных помех в сигналах, измеренных на коротких расстояниях между излучателем и детектором. Затем эта глобальная помеха была удалена из сигналов цели, измеренных на больших расстояниях между детекторами излучателей.

Извлечение / выбор признаков

После предварительной обработки данных различные виды активности мозга классифицируются на основе определенных характеристик. В fNIRS-BCI, хотя некоторые особенности извлекаются непосредственно из обнаруженных сигналов интенсивности света (Naito et al., 2007; Луу и Чау, 2009; Power et al., 2010, 2011), большинство из них извлекается из гемодинамических сигналов. Причина этого в том, что HbO, HbR, общий гемоглобин (HbT) и церебральный кислородный обмен (COE = HbO — HbR) предоставляют больше возможностей для выбора соответствующих характеристик. Выбор оптимального набора признаков для классификации важен для хорошей классификации. Необходимо выбрать такие признаки, которые имеют сходство с определенным классом и отличия от других классов. Различные комбинации таких характеристик предоставляют необходимую дискриминационную информацию для классификации.

Эвристические методы

После удаления шума форма гемодинамического сигнала обычно четкая. Наблюдая за гемодинамическими сигналами, возникающими в результате различных действий, можно определить различия в сигналах: пиковая амплитуда, среднее значение, дисперсия, наклон, асимметрия, эксцесс и т. Д. Затем их можно использовать в качестве признаков для классификации различных сигналов. Наиболее часто используемыми характеристиками для различения различных активностей для fNIRS-BCI являются среднее значение сигнала (Coyle et al., 2004, 2007; Ситарам и др., 2007; Луу и Чау, 2009; Power et al., 2010; Холпер и Вольф, 2011; Fazli et al., 2012; Moghimi et al., 2012; Фаресс и Чау, 2013; Насир и Хонг, 2013; Naseer et al., 2014; Hong et al., 2015), наклон сигнала (Power et al., 2011, 2012a, b; Hai et al., 2013; Naseer, Hong, 2013; Power and Chau, 2013; Schudlo, Chau, 2014; Hong et al., 2013; ., 2015), дисперсия сигнала (Tai, Chau, 2009; Holper, Wolf, 2011), амплитуда (Naito et al., 2007; Cui et al., 2010b; Bauernfeind et al., 2011; Stangl et al., 2013), асимметрия (Tai and Chau, 2009; Holper and Wolf, 2011), эксцесс (Tai and Chau, 2009; Holper, Wolf, 2011) и пересечение нуля (Tai and Chau, 2009).

Коэффициенты фильтра

В некоторых исследованиях fNIRS-BCI предлагалось использовать коэффициенты фильтра (в качестве классификационных признаков), полученные с помощью фильтрации Калмана (Abdelnour and Huppert, 2009), рекурсивной оценки методом наименьших квадратов (Aqil et al., 2012a) и вейвлет-преобразования (Khoa and Nakagawa , 2008; Абибуллаев и др., 2011; Абибуллаев, Ан, 2012). Они предположили, что разная активность мозга будет давать разные коэффициенты фильтра, по которым можно классифицировать разные сигналы. Было показано, что этот метод работает хорошо, хотя не было продемонстрировано значительного улучшения точности классификации по сравнению с эвристическими методами.

Генетические алгоритмы

Генетические алгоритмы — это метод оптимизации, который используется для выбора наиболее эффективных функций из набора. Power et al. (2012a) использовали генетический алгоритм для выбора признаков, используя LDA в качестве функции приспособленности.Дополнительные сведения о генетических алгоритмах см. В Pernkopf and O’Leary (2001) и Nicolas-Alonso and Gomez-Gil (2012).

Хотя выбор функции также зависит от индивидуальных занятий, в fNIRS-BCI часто используются средние значения и значения наклона HbO, HbR или HbT. Почти половина исследований fNIRS-BCI использовали либо среднее значение, либо значение наклона сигнала в качестве одной из характеристик для классификации. Было показано, что HbO работает более надежно, чем HbR и HbT, для оценки связанной с задачей корковой активации (Mihara et al., 2012; Насир и Хонг, 2013; Naseer et al., 2014). Plichta et al. (2006) показали, что надежность и стабильность во времени сигналов HbO при повторном тестировании выше, чем у сигналов HbR. По указанным выше причинам извлечение признаков с использованием сигналов HbO больше подходит для классификации в fNIRS-BCI.

Методы классификации

Методы классификации используются для идентификации различных сигналов мозга, генерируемых пользователем. Эти идентифицированные сигналы затем преобразуются в команды управления для целей интерфейса приложения.В большинстве существующих fNIRS-BCI такая идентификация выполняется с использованием методов классификации, позволяющих различать различные сигналы мозга на основе соответствующих характеристик. Алгоритмы классификации, откалиброванные пользователями посредством контролируемого обучения на этапе обучения, способны обнаруживать паттерны сигналов мозга на этапе тестирования. Некоторые из часто используемых методов классификации в fNIRS-BCI — это LDA, SVM, HMM и искусственные нейронные сети (ИНС).

LDA

LDA — это наиболее часто используемая классификация в исследованиях fNIRS-BCI (см. Рисунок 3).Он использует дискриминантную гиперплоскость (ы) для разделения данных, представляющих два или более классов. Благодаря своей простоте и низким вычислительным требованиям, он хорошо подходит для онлайн-систем BCI. Неудивительно, что он использовался в ряде исследований fNIRS-BCI. В LDA разделяющая гиперплоскость находится путем поиска такой проекции данных путем максимизации расстояния между средними значениями двух классов и минимизации межклассовой дисперсии. LDA предполагает нормальное распределение данных вместе с равной ковариационной матрицей для обоих классов (Lotte et al., 2007). Алгоритм LDA пытается найти вектор v в пространстве признаков таким образом, чтобы два проецируемых класса 1 и 2 в направлении v могли быть хорошо отделены друг от друга, сохраняя при этом небольшую дисперсию для каждого (см. Рисунок 4). Этого можно достичь, максимизируя критерий Фишера:

J (v) = vTSbvvTSwv (1)

, где S b и S w — это матрицы разброса между классами и внутри классов, определенные как:

Sb = (m1 − m2) (m1 − m2) T, (2)

Sw = ∑xn∈ C1 (xn —

Фактов о мощности и емкости памяти человеческого мозга

Неизмеримая вместимость человеческого мозга:

Самая сложная живая структура во Вселенной — это человеческий мозг.Способность хранения и обработки памяти человеческого мозга различается у людей из-за нескольких внутренних и внешних факторов. Выступая в качестве центральной части центральной нервной системы, этот главный орган отвечает за сбор и обработку различных типов сенсорных и других данных. Он также служит источником интеллекта и местом для хранения аудио, визуальной и другой информации.

Удивительно, но в мозгу более чем достаточно места для хранения неизмеримого количества информации.Каждый день вы вступаете в контакт с различными объектами и получаете информацию с помощью осязания, зрения, слуха, обоняния и вкуса. Все это хранится ежедневно, большая часть выходит за рамки временного хранения и становится частью постоянной памяти человеческого мозга.

Как работает память человеческого мозга:

Философам и исследователям всегда было любопытно узнать о природе, работе и сбоях памяти. Память, во многом помогающая нам стать настоящими людьми, считается одним из самых неуловимых и наименее понятных атрибутов человека.

Чтобы иметь представление о природе памяти человеческого мозга, вы можете рассматривать его как нейронный суперкомпьютер, обладающий огромной скоростью и мощностью. Здесь важно отметить, что память — это не что-то ограниченное или ограниченное определенной частью мозга, это процесс, охватывающий весь мозг, с участием различных компонентов и областей, работающих в сочетании друг с другом. Другими словами, разные части мозга, такие как зрительная кора, моторная кора и языковая область, используются для создания разных типов воспоминаний.В то же время элементы памяти, такие как слова, эмоции, звуки и образы, закодированы в своих соответствующих областях происхождения. И когда необходимо вызвать конкретный тип памяти, нейронные паттерны, участвующие в исходном кодировании, снова активируются.

Кодирование, хранение и извлечение из памяти:

Психологи определяют память как умственный процесс кодирования, хранения и извлечения различного рода информации. Они также составляют три основных этапа, связанных с созданием и вызовом памяти.На первом этапе, известном как кодирование или регистрация, информация принимается и обрабатывается. Ваше тело использует определенные физические и химические раздражители, чтобы воспринимать информацию из окружающего вас мира. Второй этап, называемый хранением, включает в себя создание постоянной записи данных, которые были получены, обработаны или усвоены ранее. Этап поиска также называется воспоминанием или отзывом. На этом этапе записанные данные вызываются для использования в действии или процессе. Иногда информацию можно получить довольно легко и быстро, а в других случаях это может стать очень сложной задачей.Также может произойти потеря памяти, состояние, известное как забывчивость.

Странные факты о человеческой памяти

Как и сам орган, обработка, сохранение и вызов памяти мозгом полна удивительных фактов и загадок. Некоторые из поразительных фактов человеческой памяти перечислены ниже. Просто прочтите их и обогатите свои знания о своем уме.

  • Сталкивались ли вы когда-нибудь с ситуацией, когда вы входили в комнату и сразу же забывали причину, по которой вы туда зашли? Это один из странных провалов памяти, вызванных дверными проемами, т.е.е. когда вы проходите через разные дверные проемы.

  • Преходящая глобальная амнезия — редкое заболевание, характеризующееся затуманенностью мозга и временной потерей памяти.

  • Это один из замечательных фактов памяти, что она начинает работать, когда развивающийся плод достигает возраста двадцати недель в утробе матери!

  • Существует два типа памяти, а именно кратковременная и долговременная, и, прежде чем стать частью долговременной памяти, информация должна сначала пройти через кратковременную память.

  • Кратковременная память у человека может длиться не более получаса.

  • Существует ряд факторов, которые влияют на память и дают ей соответствующее название, например, зрительная память, слуховая память и т. Д.

  • Ученые обнаружили, что сон — важная вещь для здоровой памяти, поскольку он способствует хранению и извлечению долговременной памяти.

Факты о памяти человеческого мозга — вы должны знать

  • Часть мозга, которая напрямую связана с обонянием и играет важную роль в формировании новых воспоминаний, называется гиппокампом.

  • Кофеин — стимулятор центральной нервной системы, который, как говорят, повышает умственную активность, но не может поддерживать память.

  • Вы с удивлением заметите, что старение не оказывает прямого влияния на память, а потеря памяти происходит просто потому, что вы используете ее меньше с возрастом.

  • Знаете ли вы, что травматический опыт может заново изобрести, исказить, усугубить или создать воспоминания, известные как «ложные воспоминания»?

  • Как и в случае с любым другим органом тела, мозгу необходимы адекватные упражнения для правильного функционирования памяти, т.е.е. усердное мышление будет способствовать постоянному хранению информации. Это потому, что мышление помогает в создании более сильной связи между нейронами.

  • Тело покойного Теда Уильямса, легенды бейсбола, было сохранено в одном из морозильников Alcor головой вниз, так что, если уровень ультра-холодной жидкости упадет, голова останется в нем.

Открытый урок «Мозг человека» 10 кл.

Говорящий.

T: Посмотрите видео и поставьте галочку напротив
заявления, упомянутые в
видео:

T: Игра «Магия»
Коробка ».
Вытащите вопросы и
ответь им. Обсудить возможности
человеческий
мозг.

S1: Что делает мозг
контроль?

(Мозг контролирует температуру тела, кровь
давление, пульс и
дыхание.)

S2: ​​Что делает информация
это ручка?

(обрабатывает всю информацию о
окружающий мир от наших органов чувств (зрение, слух, вкус, осязание,
запах).

S3: Когда он обрабатывает наши
физический
движение
? (Он обрабатывает наше физическое движение, когда
ходить, говорить, стоять или
сидя.)

S4: Что насчет мышления и
сновидение?

(Это позволяет нам думать и
мечта.)

S5: Какие из этих
возможности вы считаете наиболее
важный?
(думаю возможность
переживать эмоции — самое важное, потому что если бы мы не могли
это мы были бы как роботы.Было бы не так много смысла
жизнь, если бы мы не могли испытать радость и
печаль.)

S6: Какие из этих
способности, которые вы хотели бы улучшить в себе? Зачем?
(
Я бы хотел улучшить свой
способность понимать языки. Если бы я мог понять каждый
язык в мире, что было бы потрясающе. Я бы смог
говорить с кем угодно и где угодно.)

S7: Какие два
половинки мозга? За что отвечает каждое полушарие
для
? (Левая и правая
полушарие.Каждое полушарие отвечает за противоположную сторону
мозг.)

S8: Что каждый
контроль полушария?
(Левое полушарие
управляет логикой и анализом, а правое полушарие управляет
воображение и эмоции.)

пр.
рабочий

Т:
У нас 2 группы и я даю
задачи для каждой группы.

1
gr:
Задача 1-й группы:
поговорим о контроле и координации человеческого мозга, главном
части мозга и их обязанности.Задание для 2 группы
говорить о возможностях
мозг.

Предлагается
ответы:

S1: Центральная нервная
система
.

S2: Мозг очень сложен.
орган с множеством разных

Далее идет
меньший
мозжечок, контролирующий
баланс,

S3: The
таламус

Наконец, там
крошечный гипофиз
сальник
, который
производит

S4: Части человека
мозг

мозг состоит из головного мозга, ствола мозга
и

S5: Передний мозг состоит из
головного мозга, таламуса и
Гипоталамус.

The
головной мозг
разделен на две половины.
Эти половинки — левое и правое полушария.

S6: Средний
Мозг

задняя
Мозг

The
мозжечок
отвечает за поддержание
равновесие,

2гр: Задание для
2
группа
должна поговорить о рабочих
и функции мозга.

Предлагается
ответы:

S1: Что за мозг
является?

Почему мозг
важный?

Можете ли вы жить без
мозг?

S2:
Зачем нужен
мозг
?

Как устроен наш мозг
Работа?

S3:
Какая часть мозга
управляет счастьем?

Счастье относится к
общее самочувствие или

Что такое мозг
работа?

S4: Что происходит в вашем
мозг, когда ты устал?

В какое время
мозг активнее?

S5: Могут ли люди иметь правое или левое полушарие?
умный?

Как устроен мозг
расти?

S6:
Относится ли размер головы к
интеллект?

Насколько большим может быть человек
мозг получить?

Технологии мозга: новейшие изобретения

Ученые из различных учреждений работают над технологиями, которые позволяют людям видеть, слышать и двигать протезами, подключаясь к нейронам мозга.

Сейчас мы находимся на пути к возможности восстановить зрение и слух людям, лишенным этих чувств.

Как и развитие Интернета, это изменение происходит поэтапно.

Также, как и Интернет, Военное Агентство перспективных исследовательских проектов (DARPA) играет ведущую роль в этих усилиях.

«Мы создаем широкополосный модем для мозга», — сказал Healthline Мэтт Энгл, генеральный директор Paradromics Inc.

Вместе с пятью университетскими исследовательскими группами его компания получила в прошлом месяце контракт с DARPA на разработку «нейронного интерфейса высокого разрешения», который в конечном итоге может привести к новым способам восстановления чувств.

Конечная цель программы DARPA — разработка нейронных интерфейсов, которые позволили бы мозгу напрямую связываться с компьютерами и наоборот.

Ученые, работающие над этой новой программой, попытаются создать интерфейсы, способные поддерживать двустороннюю связь с более чем 1 миллионом нейронов.

Взаимодействие с таким количеством нейронов невелико по сравнению с 86 миллиардами нейронов в среднем человеческом мозге. Тем не менее, это все еще считается большим, учитывая современные технологические возможности.

Программа может дать исследователям достаточно глубокое понимание функционирования мозга, чтобы открыть дверь для новых сенсорных методов лечения.

«Если вы сегодня потеряете глаз, вы не сможете его вырастить заново или восстановить соединение зрительного нерва. Это действительно далеко, более 20 лет, — сказал Энгл. «Но вы можете функционально восстановить зрение, подключив мозг к компьютеру с камерой. Это заслуживает доверия «.

И вот что они делают.

Испытания на животных методов лечения, разработанных Paradromic — компанией, создающей нейронные интерфейсы для передовых методов протезирования, — должны начаться в следующем году.Первые испытания на людях состоятся не раньше 2021 года.

Paradromics работает над имплантатом, который соединит мозг с микропроцессорами.

Имплант будет использовать пучок из 10 000 проводов, каждая из которых меньше человеческого волоса при 20 микронах в диаметре, чтобы напрямую подключаться к тому, что кто-то думает или говорит.

Эхуд Исакофф, доктор наук, директор Института нейробиологии Калифорнийского университета в Беркли Хелен Уиллс, пытается сделать эту технологию возможной.

Учреждение в Калифорнийском университете в Беркли получило один из грантов DARPA на разработку способа чтения и взаимодействия с нейронами в зрительной части мозга, который поможет человеку с ампутированной конечностью управлять протезом.

Чтобы «прочитать» эти нейроны, ученые использовали бы миниатюрный микроскоп, который мог наблюдать за миллионом нейронов одновременно.

Чтобы «писать» им, они имитировали нормальную активность мозга с помощью оптогенетики, которая включает проецирование световых паттернов на определенные нейроны, чтобы повлиять на их поведение.

Микроскоп, говорит Исакофф, «уменьшен от системы размером с комнату до чего-то размером с кубик сахара. Довольно захватывающе.

В конце концов, технология могла бы сделать возможной разработку системы, которая посылает сенсорные данные непосредственно в мозг с камеры или массива датчиков, что приведет к тому, что Исакофф называет «протезами будущего».

Однако до любого протезирования новые технологии продолжат прорыв в нашем понимании того, как работает мозг.

На протяжении десятилетий изучение мозга означало регистрацию сенсорного ввода и поведения отдельных клеток или группы клеток, сказал Исакофф Healthline.

Затем оптогенетика, разработанная в начале 2000-х, позволила «воспроизвести» наблюдаемые закономерности в мозгу, чтобы попытаться определить, какие паттерны управляют восприятием или поведением.

Но эти методы все еще разрабатываются до такой степени, что они смогут воздействовать на достаточное количество нейронов, чтобы изменить восприятие или поведение.

Несмотря на цель DARPA по охвату 1 миллиона нейронов, точное количество нейронов все еще не ясно.

«Сколько нейронов нужно наблюдать и контролировать, чтобы уловить восприятие? Мы не знаем, — сказал Исакофф. «Если мы сможем увеличить число нейронов с сотен до миллиона, будем ли мы« там »? Достаточно ли читать или писать в одной части мозга, или вам нужно делать это [во всех известных местах для участия в данном поведении]? »

Новая разрабатываемая технология в большей степени связана с возможностью задавать и, надеюсь, отвечать на эти вопросы о том, как восстановить зрение или осязание.

Другие исследовательские проекты продолжаются в этой области без грантов DARPA.

Kernel в Лос-Анджелесе, Neuralink Илона Маска, Facebook и другие стартапы и технологические гиганты работают над интерфейсами мозг-компьютер.

И ряд университетских команд быстро прогрессируют.

Но у DARPA есть история успеха с «технологиями, которые достигли определенного уровня, но их нужно вытолкнуть из гнезда», — сказал Энгл, приведя в качестве примера беспилотные автомобили.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.