что дает синхронизация полушарий мозга
Левшество
Ваш малыш делает первые попытки нарисовать что-либо и берет карандаш в левую руку…
Чтобы разобраться и определить, к какому феномену можно отнести особенность Вашего ребенка, ответьте на вопрос: какая рука, глаз, ухо являются ведущими у Вас и членов Вашей семьи?
Если левая, то не стоит беспокоиться. В данном случае мы имеем дело с генетическим или же естественным левшеством.
Левшество (генетическое) – это проявление устойчивой характеристики, специфического типа организации нервной системы человека; не просто предпочтение левой руки, а совершенно иное распределение функций между полушариями головного мозга, которое задано с рождения.
Уникальный, ранимый, творческий ребенок-левша совершенно иначе воспринимает действительность, нежели правша.
Трудности у ребенка-левши начинают проявляться достаточно рано, а обостряются с вхождением в учебную деятельность (у многих это совпадает с поступления в школу) :
Левшество (вынужденное) или компенсаторная леворукость по внешним признакам неотличимо для обывателя от генетического типа феномена, однако его формирование у ребенка вызвано рядом причин:
Из-за усиленной нагрузки на правое полушарие, которое «вынужденно» выполняет функции левого, возникает симптом «обкрадывания». Его показателями выступают:
В отличие от левшества, компенсаторная леворукость приводит не к трудностям, а к задержке психического и речевого развития (ЗПР, ЗРР), минимальной мозговой дисфункции (ММД).
Способы синхронизировать полушария мозга
Поместив рядом человеческий мозг и половину целого ядра грецкого ореха, можно заметить определенное сходство. Две половины ореха похожи на мозг. Оба полушария связаны сложной нейронной сетью, мозолевым телом, обеспечивающим их взаимную связь, способность действовать синхронно.
Полушария головного мозга, как любой парный орган в организме человека, не являются ни полностью идентичными, ни симметричными. Собственно, речь идет не о 2-х половинах большого мозга, как это представляется многим, а о 2-х половинах т.н. конечного мозга, самой «молодой» его части. Поверхность полушария образована мозговой корой, имеющей типичный сероватый цвет. Она состоит из извилин, разделенных бороздками. Благодаря этому увеличивается также функциональная поверхность мозговой коры.
Определение специализации полушарий
Уже в XIX веке ученые обнаружили, что черепно-мозговая травма в некоторых местах левого полушария связана с нарушением речевой способности. Значительный вклад в теорию функциональной специализации полушарий в 1960-х годах внес нейробиолог Роджер У. Сперри, получивший Нобелевскую премию.
Сперри работал с эпилептическими пациентами. Чтобы предотвратить распространение эпилептических приступов из одного полушария в другое, он пересек мозолистое тело пациента. Эпилептические приступы исчезли, человек смог вернуться к нормальной жизни. В то же время, однако, после такой процедуры наблюдалось «особое поведение». Благодаря этому Сперри достиг теории синхронизации работы полушарий головного мозга. Следует отметить, что эта процедура в некоторых случаях проводится до сегодняшнего дня, но с помощью современных технологий, и удаляется лишь небольшая часть мозолистого тела.
За что отвечает каждое полушарие?
Левое полушарие в основном связано с такими функциями, как аналитическое мышление, математические способности, речевые навыки, научное мышление, письмо, подсчет, двигательные реакции, понятие времени и т.д. Правое отвечает за целостное мышление, интуицию, слух, творчество, музыку и искусство, дневной сон.
Более поздние исследования показали, что мозг не столь дихотомический, как первоначально предполагалось. Оба полушария способны синхронизироваться, хотя иногда из-за пластичности нейронов одна часть при необходимости (при повреждении) может брать на себя функцию другой. Например, математические способности усиливаются, когда оба полушария совершают совместную работу, функционируют одновременно (благодаря соединению функций через мозолистое тело).
К примеру, левое полушарие специализируется на захвате звуков, составляющих слова, работает над составом слов, но не имеет монополии на обработку языка. Правое полушарие более чувствительно к эмоциональным аспектам речи, переводит ритм речи, который носит интонацию и акцент. Если два полушария мозга работают одновременно, то человек может охватывать намного больше информации. Такие «сверхспособности» можно развивать с помощью специальных техник.
Что обеспечит сотрудничество полушарий мозга?
Если полушария работают не должным образом, не дополняют функции друг о друга, мозг потребляет гораздо больше энергии (которую иначе потребляло бы тело), следовательно, быстрее появляется усталость в процессе обучения, человек не может концентрировать внимание. Согласно современным знаниям, дислексия вызывается неправильной связью между левым и правым полушарием, между передней и задней частью мозга. Левое полушарие связано с правой частью тела (контролирует ее) и наоборот. Синхронизация двух полушарий мозга обеспечивает его оптимальное использование. Этой способностью хорошо владеют, например, жонглеры, пианисты, йоги.
При подключении правого и левого полушарий в равной мере, человеческий взгляд на мир, получение и использование информации было бы гармоничным, максимально эффективным.
Существует множество различных упражнений и даже онлайн-приложений для синхронизации мозговых полушарий. Также важна регулярная медитация, тренировка внимательности, которая тесно связана с перегруппировкой мозга на частоту α-волн.
Медитация
Медитативные техники усиливают способность контролировать мысли, эмоции; кроме того, человек получает все преимущества α-волн. Основной принцип состоит в сосредоточении на конкретном предмете (дыхании, представлении цветов). На другие мысли, появляющиеся во время медитации, важно не обращать внимания. Предмет медитации служит якорем, к которому человек возвращается при потере внимания. Через определенный промежуток времени усиленные умственные, духовные способности перенесутся в обычную бодрствующую жизнь.
Умственная тренировка
Медитация с визуализацией – это эффективное упражнение для работы двух полушарий мозга, потому что расслабленное состояние поддерживает визуальное и интуитивное мышление. То, что вы можете себе представить, способно реализоваться. Все, что вы видите в материальном мире, сначала возникает в воображении.
То же самое относится к различным жизненным ситуациям. Если вы можете себе представить, как ситуация может решиться, вы способны переместить ее в этом направлении. При этих медитациях вы не пытаетесь подавить свои мысли и образы, но, напротив, смотрите на них, общаетесь с самим собой, представляете некоторые конкретные ситуации, действия.
К представлениям попытайтесь привлечь как можно больше чувств (зрение, слух, вкус, обоняние, прикосновение), эмоций. Если хотите найти решение ситуации, подумайте об этом в расслабленном состоянии. Вы можете придумать оригинальное решение, которое обычно не пришло бы в голову. Может случиться так, что в этот момент вы не придумаете ничего конкретного, но дадите мозгу задание, и решение возникнет позже.
При представлении в мозгу вовлекаются области, подключаемые при переживании ситуации в реальном времени. Медитацию, связанную с визуализацией, часто используют спортсмены в рамках тренинга по умственному обучению и перед соревнованием. Хороший конкретный пример – теннисист Новак Джокович, применяющий и описывающий эти методы в книге «Serve to Win».
Mindfulness (майндфулнесс)
Техника mindfulness (внимательность, осознанность) очень полезна, она быстро расслабляет тело, успокаивает ум. Техника основана на принципе классической медитации, простых упражнениях йоги, настоящем моменте и информации из современной психологии (работа с эмоциями, стрессом). Предметом медитации здесь являются, помимо дыхания, ощущения в отдельных частях тела. Это превосходный способ снижения стресса, стимулирующий ясное творческое мышление. Эффект на развитие мозговой деятельности подтверждается рядом исследований.
Дэвид Геллес (журналист и лектор по майндфулнесс) в своей книге «Mindfull work: How Meditation is Changing Business from the Inside Out» описывает положительное воздействие медитации и тренировки осознанности в таких крупных компаниях, как Ford, Google, General Mills и др. В программах майндфулнесс участвует, как высшее руководство, так и заинтересованные рядовые сотрудники. Первое преимущество тренинга – общая удовлетворенность сотрудников, более эффективное и менее эмоциональное принятие решений, снижение стресса, повышение творчества, производительности работы. За такие эффекты, согласно специалистам, отвечает именно синхронизация полушарий мозга.
Тренировки для синхронизации мозговых полушарий
Гимнастика, способствующая синхронизации (объединению функций) полушарий мозга, улучшает координацию движений, повышает концентрацию внимания, интеллект, способность к обучению. Ее польза также состоит в устранении беспокойства и агрессии.
Перекрестные движения
Локоть левой руки касается колена правой ноги, локоть правой руки – колена левой ноги (учитывайте тот факт, что сначала может не получиться). Повторите 20 раз. Хорошо делать это упражнение ежедневно. С перекрестными движениями может справиться даже ребенок, но целесообразно комбинировать их с однонаправленными движениями (правая рука – правая нога, левая рука – левая нога, повтор – 10 раз). Заканчивать занятие следует всегда перекрестным движением.
Соединенные пальцы
Поместите пальцы обеих рук друг к другу верхними суставами и в течение минуты представляйте букву X (большой палец левой руки с большим пальцем правой руки, указательный палец правой руки с указательным пальцем левой руки и т.д.). Левая рука представляет правое полушарие, правая – левое. Использование метода X заставляет полушария сотрудничать.
Хлопанье в ладони
Занятие подходит для детей и взрослых. В парах или каждый сам (например, напротив стены) следует хлопать в ладони перекрестно и параллельно. Заканчивается упражнение всегда перекрестным хлопаньем.
Лежачая восьмерка
Карандашом или фломастером нарисуйте максимально большую восьмерку на бумаге A3 или A4. Чем большую восьмерку нарисуете, тем лучше; в ходе работы используйте следующий путь:
Во время тренировки не наклоняйте голову, совершайте глазами вращения, повторяющие движения рук. Упражнение помогает улучшить координацию рук, глаз, синхронизировать оба полушария мозга.
Игривое рисование (двойной рисунок)
В каждой руке держите по карандашу или фломастеру (фломастер лучше скользит по бумаге), обеими руками одновременно рисуйте фигуры, лица, символы – любые рисунки (дом, солнце, дерево).
Слон (восьмерки ушами)
Слегка расставьте ноги, согните их, вытяните одну руку в сторону, наклоните к ней голову (ухо прикасается к плечу этой руки). Глазами следите за протянутыми пальцами вытянутой руки. Пишите в воздухе максимально большие лежачие восьмерки. Начинайте от центра, продолжайте вправо или влево вверх. Поменяйте руки, повторите 10 раз в каждую сторону. Альтернатива: вместо восьмерки пишите буквы (слова).
Кобра
Лягте на живот, согнутые руки лежат ладонями на полу под плечами, ноги вытянутые. При выдохе поднимите голову, упритесь в вытянутые руки (положение кобры). Дышите свободно. Через 5-10 секунд медленно вернитесь в начальную позицию. Положите лоб на пол, некоторое время отдохните. Повторите 4 раза.
Поместите правую (левую) руку на левое (правое) плечо над лопаткой, вдохните. При выдохе поверните голову влево (вправо), оглянитесь назад через плечо, поверните голову назад. При следующем выдохе поворачивайте голову на другую сторону плеча, с вдохом вернитесь в начальную позицию. Затем голову наклоните к груди, оказывая нагрузку на мышцы шеи. Повторите 4 раза.
«Колпак мышления»
Это упражнение для синхронизации полушарий мозга можно выполнять 2-мя способами.
Жонглирование 3-мя шарами
При жонглировании посмотрите мимо шаров, не концентрируйте на них внимание, иначе не поймаете. При этом упражнении работают два полушария мозга, преодолевается хватательный рефлекс, тем самым, освобождается ум. Тренировка устраняет блокировки тела.
Параллелизм
Возьмите лист бумаги, в каждую руку карандаш. Обеими руками одновременно рисуйте зеркальные фигуры – цифры, буквы, фигуры… Если поначалу трудно, помогайте себе инструкциями вслух – рисую вниз, рисую вправо…
Барабаньте обеими руками, каждой рукой создавая разный ритм.
Поглаживание живота, постукивание на темени
Правой рукой поглаживайте живот по часовой стрелке, левой рукой постукивайте по верхней части головы (при легких постукиваниях усиливается мышление, активируется синхронизация мозга). Поменяйте руки, повторите.
Описывание кругов
Поднятой правой ногой описывайте круги по часовой стрелке. Левой рукой описывайте круги против часовой стрелки. Оба движения делайте одновременно.
Тренировки для детей
Следующие упражнения выполняются группой детей; занятия подходят для детского садика.
Ноги – руки
Цель: поддержка развития синхронизации мозговых полушарий, моторических навыков, ритмических чувств.
Дети стоят в кругу. Инструкция: какая нога начинает упражнение, туда посылается сигнал. Воспитатель передает сигнал: топает левой ногой, затем правой. Сигнал следует по кругу влево, каждый ребенок начинает с левой ноги, затем топает правой.
Танец
Цель: поддержка развития синхронизации мозговых полушарий.
Дети стоят в кругу. Делают 4 шага вперед. На первом шаге хлопают в ладони. Точно так же при возвращении в начальную позицию – 4 шага назад, на 1-м шаге – хлопок в ладони.
Зевание
Обычное зевание способно давать мозгу больше, чем кажется. Оно поддерживает баланс многих энергетических систем в теле, расслабляет область черепа, дыхание, улучшает восприятие.
Заключение
Благодаря синхронизации левого и правого полушария, обучение становится более простым, эффективным, быстрым, человек может воспринимать и запоминать больше информации, а главное – все это делать без стресса. Уже через неделю тренировок происходит перелом стереотипа, что обучение сложное. Вместо этого вы сможете удивиться осознанию того, что оно легкое, податливое.
Научная электронная библиотека
1.3. Психологические исследования в области межполушарных дихотомий
Согласно одному из центральных положений нейропсихологической теории мозговой организации высших психических функций мозг при реализации любой психической функции работает как парный орган: в осуществлении любой психической функции всегда задействованы оба полушария, каждое из которых выполняет свою роль. (Лурия А.Р., 1969, 1973; Мосидзе В.М., 1986; Хомская Е.Д., 1987, 1996).
Мозг представляет собой сложную, иерархически организованную систему, состоящую из отдельных компонентов (мозговых структур), объединенных жесткими и гибкими звеньями. Удельный вес последних существенно нарастает в ходе индивидуального развития (Бехтерева Н.П., 1971).
Развитие мозга идет в направлении дифференциации и специализации его элементов с их последующей пластичной функциональной интеграцией (Дубровинская Н.В., Фарбер Д.А., 1996). «Согласно современным представлениям, сложившимся в науках о мозге, закономерности межполушарного взаимодействия (и межполушарной асимметрии как его частного случая) относятся к важнейшим, фундаментальным основам работы мозга как парного органа. Они характеризуют системные интегративные свойства работы мозга как единой системы, единого мозгового субстрата психических процессов» (Выготский Л.С., 1983).
Значительная доля в исследованиях функциональной межполушарной асимметрии головного мозга отводится выявлению межполушарных дихотомий.
Способности к формально-логическим операциям традиционно связываются с функционированием левого полушария (Симерницкая Э.Г., 1978; Брагина Н.Н., Доброхотова Т.А., 1988; Хомская Е.Д., 1988).
При пространственно-зрительном анализе стимула преобладающим оказывается правое полушарие, а при анализе семантических черт доминирует левое полушарие, особенно его затылочная область (Будохоска В. и др., 1990).
Исследования нейрофизиологов, проведенные в последнее время, показали, что к анализу вербальной информации левое и правое полушария подходят по-разному. В левом полушарии анализ проходит по фонологическому принципу: через звуковой анализ и синтез, а правое полушарие воспринимает слово целиком, через гештальт. При этом лексикон правого полушария формируется не сразу и имеет свои особенности: вероятно, он меньше, в нем имеются не только целостные образы слов, но и отдельных выражений, фраз. Это относится как к устной, так и к письменной речи.
В последние 5-10 лет появились данные о том, что преобладание одного из полушарий по ряду функций не абсолютно, что в каждом полушарии заложены как лингвистические, так и пространственные способности, однако весьма различается степень их выраженности. Таким образом, способности к восприятию речи у правого полушария ненамного меньше, чем у левого, но способности к устной речи весьма ограничены. «Немое» правое полушарие обладает и некоторыми способностями к письменной речи. В литературе описан случай, когда больной с расщепленным мозгом по просьбе нейропсихолога мог левой рукой собрать из букв разрезной азбуки некоторые слова, но не мог назвать их. Можно предположить, что у левшей эта способность правого полушария более выражена, чем у праворуких. С этим, видимо, связан феномен «зеркального письма», наблюдающийся у 85% леворуких детей.
Сторонники теории о связи сознания с языком считали, что оно расположено в левом полушарии, а правому полушарию оставляли только бессознательное мышление, сходное с работой компьютера. Однако, вероятно, оба полушария равноценны по уровню мышления, но одно из них «говорящее», а второе «немое».
Детальный анализ, проведенный в одной из работ Сперри, показал, что отдельное правое полушарие воспринимает, думает, обучается, принимает решения, только делает это бессловесно. Правое полушарие хорошо понимает устные инструкции, читает графически представленные слова. Оно способно накапливать опыт, вспоминать те задания текста, которые оно «видело» или «ощущало» при тестировании несколько дней или недель тому назад.
Наличие такого множества концепций в отношении право-левых дихотомий, порой противоречивых, свидетельствует, очевидно, о весьма тонкой специфической морфофункциональной организации левого и правого полушарий головного мозга человека. Проявление той или иной функции в нормальных условиях отражает не только специфику участия каждого из полушарий, но связано с их интегративной деятельностью. Оно является результатом взаимодополняющего сотрудничества правого и левого полушарий, выполняющих неравнозначную роль на определенных стадиях обработки информации.
Межполушарная организация психических процессов носит динамический характер: роль каждого полушария может изменяться в зависимости от задач деятельности, структуры ее организации, сформированности в онтогенезе. При этом у человека направление и степень выраженности функциональной асимметрии мозга во многом зависит от вида и качества обучения (Кураев Г.А., 1982; Брагина Н.Н., Доброхотова Т.А., 1994; Ермаков П.Н., 1988).
Таким образом, каждое полушарие вносит свой вклад, играет свою собственную роль в реализации высших психических функций. Анализ практически любого психического процесса позволяет выделить компоненты, обеспечиваемые структурами, как левого, так и правого полушария.
В психофизиологической и психологической литературе проблема функциональной межполушарной асимметрии головного мозга человека в последние годы все больше обсуждается в связи с ее непосредственным отношением к проблеме «мозг и сознание» (Спрингер С., Дейч Г., 1983; Брагина Н.Н., Доброхотова Т.А., 1988; Симонов П.В., 1990, 1994).
Вопрос о совместной работе левого и правого полушарий в осуществлении сложных форм психической деятельности человека имеет в настоящее время большое теоретическое и практическое значение. В теоретическом плане выявление закономерности работы интактного мозга расширили не только естественнонаучное понимание кортикальных процессов, но и философское осмысление принципа симметрии-асимметрии (Доброхотова Т.А., Брагина Н.Н., 1986).
В практическом направлении проблема функциональной межполушарной асимметрии мозга в настоящее время все более привлекает внимание психологов и психофизиологов с точки зрения взаимосвязи функциональной межполушарной асимметрии головного мозга с особенностями психического склада человека, его адаптивных возможностей, особенностей обучения и общения, развития творческих способностей личности (Ермаков П.Н., 1988; Москвин В.А., 1990, 1999; Ахутина Т.В. и другие, 1996).
Нейроинтерфейсы: как наука ставит людей на ноги
Нейроинтерфейсы: как наука ставит людей на ноги
Роботизированный экзоскелет, управляемый нейроинтерфейсом.
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: В СМИ часто можно услышать о проектах, которые помогают парализованным людям взаимодействовать с окружающим миром. Но в этой статье мы поговорим о не менее интересной, но более обойдённой вниманием теме — о нейроинтерфейсах, помогающих людям с параличом конечностей восстанавливать самостоятельную двигательную активность.
Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021
Эта работа опубликована в номинации «Своя работа» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.
Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.
Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.
Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Более 5 миллионов человек в мире страдают от разной формы параличей, основные причины которых — инсульт (34%) и повреждение спинного мозга (24%).
Инсульт в настоящее время является одной из основных причин инвалидизации населения. В России ежегодно регистрируется более 450 000 инсультов, и инвалидами становятся 70–80% выживших после инсульта, причём примерно 20–30% из них нуждаются в постоянном постороннем уходе.
За последние 70 лет количество больных с травмой спинного мозга возросло в 200 раз, и в России подобные повреждения ежегодно получают более 8 000 человек. Чаще всего это приводит к неспособности больного самостоятельно передвигаться и обеспечивать свои основные потребности. В результате использования инвалидной коляски уменьшается физическая активность, что провоцирует развитие ряда заболеваний: болезни сердца, остеопороз, пролежни. Поэтому идет активный поиск альтернативных методов восстановления способности двигаться. Одной из самых новых разработок в этом направлении является нейроинтерфейс.
Нейроинтерфейс (он же интерфейс «мозг-компьютер», ИМК) — система, позволяющая передавать сигналы мозга напрямую на внешнее устройство (это может быть инвалидная коляска, экзоскелет, компьютер и др.), фактически управлять «силой мысли» (рис. 1).
В «Биомолекуле» можно более подробно прочитать про историю развития нейрокомпьютерных технологий, а также про современный проект Neuralink Илона Маска [1], [2].
Рисунок 1. Схема работы ИМК.
адаптировано по материалам сайта Tritriwulansari
Методы регистрации сигналов мозга
Первое звено в схеме работы ИМК — это получение сигнала от мозга. Для этого используют следующие методы:
Сейчас в ИМК для получения информации об электрической активности мозга наиболее часто применяют ЭЭГ, так как она имеет высокое временное разрешение (электроды позволяют считывать немедленную активность отдельных участков мозга), относительно дешева, портативна и не представляет риска для пользователей. ИМК, основанные на ЭЭГ, состоят из набора сенсоров, улавливающих ЭЭГ-сигналы от различных областей мозга. Однако качество сигналов ЭЭГ ухудшается из-за того, что сигнал проходит через скальп, череп, а также множество других слоев, что создает шум.
Для уменьшения шума и улучшения качества записи прибегают к инвазивным способам — имплантированию внутрь черепа набора микроэлектродов [3]. Это подразумевает значительный риск для здоровья, из-за чего их редко задействуют в экспериментальной практике. В исследованиях ИМК существуют два инвазивных подхода: электрокортикография (ЭКоГ), при которой электроды располагаются на поверхности коры головного мозга, и интракортикальная запись нейронной активности — когда датчики имплантируют в кору (рис. 2). Такие решения в настоящее время применяют крайне редко, только в исключительных случаях: либо когда пациенту и так предстоит операция на мозге, либо когда это единственный шанс на возвращение возможности взаимодействовать с окружающим миром.
Рисунок 2. Схема расположения электродов для ЭЭГ, ЭКоГ и интракортикальных микроэлектродов.
Сенсомоторный ритм и моторная кора
Как мы уже говорили, цель ИМК — улавливание намерения пользователя посредством регистрации его мозговой активности. При регистрации мозговой активности с помощью ЭЭГ мы получаем графическое изображение сложного колебательного электрического процесса, в котором можно выделить ряд определённых ритмов, которые отличаются между собой по амплитуде и частоте: альфа, бета, дельта, мю и другие. Сейчас нас интересует мю-ритм, так как именно на его основе работают нейроинтерфейсы, используемые в нейрореабилитации движений.
Мю-ритм, или сенсомоторный ритм (СМР), имеет частоту 8–13 Гц и регистрируется над моторной областью коры головного мозга, расположенной в задней части прецентральной извилины (рис. 3). Подавление мю-ритма происходит тогда, когда человек совершает какое-либо движение или воображает выполнение движения — это называется десинхронизацией, связанной с событием (event-related desynchronization, ERD). Это происходит потому, что нейроны, которые до этого возбуждались синхронно, приобретают индивидуальные, не похожие друг на друга паттерны возбуждения. При этом человек может тренироваться в воображении движений, и со временем подавление мю-ритма при этом становится всё более выраженным, что используют при обучении управлению ИМК.
Для моторной коры характерна топическая организация. Это значит, что каждому участку коры соответствует определённый участок тела, который она контролирует. На рисунке 3 изображен гомункулус Пенфилда, части тела которого пропорциональны зонам мозга, в которых они представлены. Как видно из рисунка, представительства верхних и нижних конечностей находятся достаточно далеко друг от друга, благодаря чему возможно раздельное распознавание нейроинтерфейсом воображения движений рук и ног.
Рисунок 3. Соматосенсорный и моторный гомункулус.
адаптировано по материалам сайта BioNinja
Обратите внимание, что представительство нижних конечностей в моторной коре значительно меньше представительства верхних. Это легко объяснимо наличием мелкой моторики рук: мозгу нужно контролировать множество отдельных мышц пальцев. У ног же, наоборот, мало мышц, которыми нужно управлять, и они более крупные. К тому же видно, что представительство нижних конечностей попадает в межполушарную щель, что затрудняет распознавание сигналов ЭЭГ, генерируемых при воображении движений разных групп мышц ног. Поэтому использование ИМК для ног вызывает определённые сложности, и большинство существующих научных работ по нейрореабилитации с помощью ИМК посвящено именно верхним конечностям, так как с их воображением проще работать. В лаборатории физиологии движений Института физиологии им. И.П. Павлова РАН, где работает автор, проводят исследования, направленные на изучение процессов реабилитации нижних конечностей, а также на возможность применения при этом чрескожной электростимуляции спинного мозга (ЧЭССМ) и специальных практик, помогающих увеличить эффективность управления ИМК [4].
Как эффективно воображать движения
Известны следующие особенности воображения движений, которые повышают его эффективность:
Кроме того, нами было показано, что эффективность воображения движений зависит от личностных характеристик человека [15].
Для эксперимента было набрано 44 человека с ведущей правой рукой. Все они проходили тестирование по опроснику Кеттелла, который определяет 16 основных индивидуальных особенностей. Далее испытуемые управляли ИМК, основанном на воображении движений рук. Оказалось, что при воображении движений правой руки успешнее экспрессивные чувствительные экстраверты, а при воображении движений левой руки — практичные, сдержанные, скептичные и не очень общительные люди.
Мы предполагаем, что это можно объяснить разным уровнем содержания дофамина в правом и левом полушариях, а также разницей в способах кодирования информации о движениях [16]. Более подробно об этом можно прочитать в статье, опубликованной автором и коллегами в журнале «Доклады Академии наук» [15]. Знание личных психологических параметров пользователя ИМК может помочь в разработке индивидуальных тренингов и методов подготовки перед управлением нейроинтерфейсами.
Зачем же нужно воображение движений и работа с нейроинтерфейсами? Как это может помочь людям с нарушениями движений? Разберём эти вопросы на примере двух самых распространенных причин двигательных расстройств — инсульта и травмы спинного мозга.
Механизмы нейропластичности
При инсульте происходит острое нарушение кровоснабжения головного мозга (либо в результате закупоривания сосуда тромбом — ишемический инсульт, либо в результате кровоизлияния — геморрагический). Так как вместе с кровью к нейронам перестаёт поступать всё, что необходимо им для жизнедеятельности, участки мозга, где остановилось кровообращение, отмирают. И если это зоны, отвечающие за двигательную активность — например, моторная область коры, то у больного возникает гемипарез, снижение силы мышц одной стороны тела, или гемиплегия, полный паралич половины тела.
Восстановление двигательной функции осуществляется в основном за счет механизмов нейропластичности — способности мозга изменяться под действием опыта: устанавливать новые связи между нейронами, разрушать старые и ненужные, восстанавливать утраченные после повреждения. В данных процессах принимают участие не только нейроны, но и клетки нейроглии, а также сосудистая система [17]. Также изменяется активность синапсов и их количество [18]. Для активации данных механизмов в медицине применяется двигательная реабилитация. Однако у пациентов с параличом или высокой степенью пареза осуществление реальных движений невозможно, поэтому прибегают к тренировкам с ИМК, основанном на воображении движений. При представлении движений активируются те же зоны мозга, которые также участвуют в подготовке реального действия и в его совершении, вследствие чего такая нейрореабилитация становится реальной [19].
Благодаря таким реабилитационным тренировкам происходит перестройка нейронов вокруг повреждённой области: увеличивается объём серого вещества в двигательной зоне мозга, а соседние участки берут на себя утраченные функции [20]. Двигательные области неповреждённого полушария также участвуют в этом процессе.
Эффективность этих занятий может быть повышена за счёт использования биологической обратной связи — зрительной или тактильной — когда пациент видит на экране монитора, насколько хорошо он справляется с заданием (воображением движения конечности), или когда он чувствует вибрацию от специального прибора при успешном выполнении задачи.
Также существуют системы, дающие двигательную обратную связь: например, когда человек воображает движение правой ноги, приводя её в движение специальным механизмом. По такому принципу работает система «Биокин» (ООО «Косима»), разработанная под руководством Герасименко Ю.П. (Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН) (рис. 4) [21]. Она включает в себя обратную связь, функциональную электростимуляцию (ФЭС) и чрескожную электростимуляцию спинного мозга (ЧЭССМ), что делает её высокоэффективным инструментом в области нейрореабилитации нижних конечностей [22].
Рисунок 4. Биокин. Комплекс для нейрореабилитации нижних конечностей, основанный на применении ИМК с обратной связью, ФЭС (функциональной электростимуляции) и ЧЭССМ (чрескожной электростимуляции спинного мозга).
Такие системы позволяют замкнуть сенсомоторную петлю: от посылаемого мозгом эфферентного (исходящего) сигнала двигательной активности к афферентному (приходящему) сигналу о сенсорной обратной связи (рис. 5) [23].
Рисунок 5. Нейропластичность, вызываемая использованием ИМК, основанном на воображении движений. При повреждении моторных областей коры реальное движение становится невыполнимым, поэтому для активации процессов нейропластичности остаётся только возможность воображения движений. Использование ИМК со зрительной и тактильной обратной связью обеспечивает усиление этих процессов.
Данный механизм реабилитации может объяснить концепция пластичности Хебба: при одновременной активации двух связанных друг с другом нейронов усиливается их синаптическое взаимодействие, что приводит к более надёжному контакту между ними (рис. 6). Если предположить, что передача сигнала от моторной коры головного мозга к мышцам конечностей была нарушена из-за инсульта или травмы, то одновременная активация сенсорной и моторной коры может усиливать ранее неактивные контакты между нейронами за счет пластичности и таким образом вести к восстановлению двигательной функции конечностей [24].
Рисунок 6. Механизм пластичности Хебба. Усиление синаптического взаимодействия между двумя нейронами происходит из-за повторяющейся стимуляции постсинаптической клетки пресинаптической клеткой.
Рисунок 7. Образование новый нейронных связей в области повреждения спинного мозга (ПСМ).
При восстановлении двигательной функции после травмы спинного мозга задействованы те же механизмы нейропластичности. При таком повреждении часть нервных волокон, в том числе двигательных, оказывается прервана, что вызывает паралич конечностей, а часть сохраняет свою целостность. Благодаря этому при проведении нейрореабилитации существует возможность активации процессов нейропластичности: неповреждённые волокна образуют синаптические связи с двигательными нейронами (мотонейронами), которые, в свою очередь, передают сигнал мышцам (рис. 7) [25].
Для увеличения эффективности нейрореабилитации при помощи ИМК часто дополнительно используют функциональную электростимуляцию мышц (ФЭС). Она обеспечивает сокращение мышцы в тот момент, когда пользователь воображает движение с участием этой мышцы (рис. 8) [26]. Это приводит к усилению нейропластичности по механизму Хебба: происходит одновременная активация моторных областей головного мозга, передающих сигнал мотонейронам спинного мозга, и чувствительных нейронов, активируемых сокращающейся под влиянием ФЭС мышцей, что замыкает сенсомоторную петлю.
Рисунок 8. Система ИМК-ФЭС. При воображении движений сигнал из моторной коры обрабатывается компьютером (ПК) и передаётся к прибору функциональной электростимуляции (ФЭС), который вызывает сокращение соответствующей мышцы. Далее сигнал от мышцы передается в сенсорную кору, обеспечивая обратную связь.
Электростимуляция спинного мозга
В последние годы большую эффективность в нейрореабилитации после повреждения спинного мозга показала его электростимуляция (ЭССМ). Спинной мозг имеет два утолщения: в области шеи и поясницы, что соответствует месту выхода из них корешков двигательных нейронов верхних и нижних конечностей. В поясничном утолщении спинного мозга находятся специализированные нейронные сети, обеспечивающие автоматический процесс шагания (генераторы шагательных движений, ГШД). Иными словами, если наложить на твердую оболочку спинного мозга в месте поясничного утолщения электроды, подающие ток определенной амплитуды и частоты, можно вызвать непроизвольные шагательные движения даже у людей с параличом нижних конечностей [27]. Однако такой способ требует хирургического вмешательства, так что существует риск развития послеоперационных осложнений.
В настоящее время наиболее безопасной и безболезненной считается чрескожная электростимуляция спинного мозга (ЧЭССМ). На видео 1 (Edgerton Lab, University of California) можно видеть, как вызываются непроизвольные шагательные движения ног при облегченном положении больного, с подвешенными на рамах-качелях ногами [28].
Видео 1. Непроизвольная ходьба при чрескожной электростимуляции спинного мозга.
При использовании ЧЭССМ появляется вопрос правильного расположения стимулирующих электродов. Если при установке инвазивных электродов во время операции хорошо различимы сегменты и корешки спинного мозга, то при установке накожных электродов могут возникнуть затруднения с нахождением нужного участка. Данную задачу решают с помощью подачи одиночных импульсов на электрод и регистрации рефлекторных мышечных ответов — ведь каждому сегменту спинного мозга соответствуют строго определённые группы мышц.
Также существует проблема недостаточной амплитуды посылаемых импульсов — из-за дегенеративных процессов при повреждении спинного мозга требуется большая амплитуда стимуляции для получения нужного ответа. Однако это чревато получением ожогов. В нашей лаборатории было создано оптимальное устройство для неинвазивной электрической стимуляции спинного мозга [29].
Кроме того, была разработана система, детектирующая фазы шагательного цикла в онлайн-режиме и стимулирующая спинной мозг согласно этим фазам [30]. Во время ходьбы в разные моменты напрягаются разные мышцы, и под определёнными углами сгибаются суставы, что можно регистрировать специальными приборами — акселерометрами и гироскопами. Обе ноги движутся скоординировано, и на основании положения одной ноги можно предсказать положение другой. Принцип работы системы следующий: пациенту с гемипарезом на здоровую ногу накладываются датчики движения, которые передают сигнал к прибору для ЧЭССМ. Он, в свою очередь, стимулирует в определённые моменты времени группы мотонейронов спинного мозга, отвечающих за движение мышц-сгибателей и разгибателей ноги, что способствует нормализации ходьбы и восстановлению движения пораженной конечности.
Успехи современной нейрореабилитации
Самым масштабным исследованием в области нейрореабилитации с использованием ИМК, основанного на воображении движений, является работа Donati с соавторами, опубликованная в Nature в 2016 году [31]. В этом исследовании приняли участие восемь человек с параличом нижних конечностей, вызванным повреждением спинного мозга. Для них была разработана специальная система реабилитации, включающая в себя шесть этапов с увеличивающейся сложностью, и с каждым пациентом было проведено около 255 (!) сессий в течение года.
Первый этап включал в себя глубокое погружение в среду виртуальной реальности, во время которого испытуемый управлял перемещением своего аватара (компьютерного персонажа), воображая движение нижних конечностей в положении сидя. Затем пациент делал то же самое, только в положении стоя, с опорой на специальный стол. Во время третьего этапа проходили тренировки на беговой дорожке: испытуемый ходил с использованием прибора, поддерживающего вес тела (Lokomat). На четвёртом этапе осуществлялось движение ног уже в воздухе, а не по беговой дорожке. На пятом этапе пациент тренировался на беговой дорожке с помощью роботизированной системы, поддерживающей конечности и контролируемой ИМК. И на заключительной стадии испытуемый ходил в экзоскелете, управляемом ИМК: экзоскелет делал шаг, когда человек представлял себе движение соответствующей ноги. Во время всех тренингов испытуемые получали тактильную обратную связь — вибрацию, которая подавалась на предплечье, когда виртуальная или роботизированная нога с той же стороны касалась земли. Схему эксперимента вы можете увидеть на рисунке 9, а сам процесс реабилитации — на видео 2.
Рисунок 9. Схема эксперимента, включающая в себя шесть этапов: 1 — ИМК + виртуальная реальность (ВР) в положении сидя; 2 — ИМК + ВР в положении стоя; 3 — ходьба по беговой дорожке с поддержанием веса тела; 4 — движение ног в воздухе; 5 — ходьба по беговой дорожке с помощью роботизированной системы, контролируемой ИМК; 6 — ходьба в экзоскелете, управляемом ИМК. Обозначения: ЭЭГ — электроэнцефалография; ЭМГ — электромиография, регистрирующая активность мышц; Такт. — тактильная обратная связь.
Видео 2. Процесс проведения эксперимента.
Через 12 месяцев тренировок по этой системе у всех восьми пациентов повысились показатели по тактильным ощущениям, а также восстановился свободный контроль ключевых мышц нижних конечностей. В результате был виден заметный прогресс в их способности ходить. Многие пациенты смогли ходить при помощи вспомогательных приборов. Кроме этого, у всех пациентов было отмечено значительное повышение эмоциональной стабильности и оценки качества жизни, а также снизился уровень депрессивности и увеличилась самооценка. Улучшились состояние кожи и функция пищеварительной системы, что связано, по-видимому, с нормализацией активности симпатической и парасимпатической систем. Дело в том, что вдоль позвоночника расположены узлы вегетативной нервной системы, которая регулирует работу внутренних органов. Они повреждаются при травмировании спинного мозга, что вызывает нарушение деятельности пищеварительной системы, которая в свою очередь влияет на состояние кожи посредством выделения сигнальных молекул, в том числе и провоспалительных [32], [33].
Неврологическое восстановление было связано с механизмами пластичности как на уровне спинного мозга, так и на уровне сенсомоторной коры. Кортикальная и спинномозговая пластичность изменяет нейронные связи в сохранившейся области спинного мозга при помощи моторных и сенсорных связей (рис. 10).
Рисунок 10. Пластичность спинного мозга (СМ) и коры головного мозга, осуществляющаяся с помощью моторных (красных) и сенсорных (синих) связей.
Заключение
Современная наука в области нейрореабилитации стремительно развивается и достигает удивительных результатов — в буквальном смысле ставит на ноги людей, ранее прикованных к кровати или инвалидной коляске. Появляются новые, более эффективные способы регистрации сигналов мозга; использование ИМК дополняется использованием обратной связи, ФЭС и ЧЭССМ; углубляются знания о механизмах нейропластичности; проводятся масштабные исследования в области разработки техник нейрореабилитации. Однако остается проблема доступности данных методов. Они очень дорогостоящие и доступны только в определённых клиниках; далеко не каждый может себе их позволить. В нашей лаборатории ведётся разработка нейрореабилитационных систем, которые просты в применении и по цене доступны для закупок в государственных бюджетных больницах.
Благодарности
Автор выражает благодарность своему научному руководителю Бобровой Елене Вадимовне, заведующему лабораторией Герасименко Юрию Петровичу и безвременно покинувшему нас в прошлом году Александру Алексеевичу Фролову (01.11.1943–10.06.2020) — одному из ведущих российских исследователей в области ИМК.