prod-1737-diplommakarovaitog

1
ГОУ Гимназия №1505
«Московская городская педагогическая гимназия-лаборатория»
Диплом.
Метод биологической обратной связи.
автор: ученик 10 класса «Б»
Макаров Иван
Руководитель: Ноздрачева Анна Николаевна
Москва
2014
2
I Введение
II. Обратные связи в функциональных системах.
1. Понятие системы.
2. Обратная связь.
III. Метод Биологической обратной связи (БОС).
1. История создания метода.
2. Механизм биологической обратной связи и виды.
IV. Исследование возможности контролировать параметры голоса с
помощью визуализации звука при отсутствии слуха.
V.
Список литературы.
3
Введение.
Тема моего диплома - «Метод биологической обратной связи». Это интересная
тема, данный метод появился в середине ХХ века, а сейчас все больше развивается и все
больше людей начинают им пользоваться.
Организм человека – это целостная система, в которой регулируется деятельность
всех физиологических систем, их слаженность в работе, сохраняется стабильность
внутренней среды. Обратная связь - механизм, использующийся в работе организма для
поддержания оптимального состояния внутренней среды (гомеостаза). Обратная связь
неотъемлемая часть организма, без обратной связи в организме были бы невозможны
никакие действия, например, направленные движения. Обратная связь сообщает в
центральную нервную систему о состоянии управляемого процесса, после чего происходит
корректировка. Таким образом, обратная связь сообщает нам о том, какое расстояние до
книги, которая лежит на столе, когда мы тянемся, чтобы взять ее.
Биологическая обратная связь – методика, основанная на получении пациентом
информации о протекании основных физиологических процессов. Эти знания позволяют
обучиться контролю над процессами и тем самым появляется возможность управлять ими.
Человечество в ходе своего развития искало возможности сохранять и укреплять здоровье
индивидуумов без лекарств. Искусством управлять собой могли овладеть немногие, на это
уходили годы тренировок. В настоящее время, благодаря научно-техническому прогрессу
создан метод биологической обратной связи (БОС). С помощью этого метода возможность
управлять собой открывается для всех. Это достаточно молодой метод, активное его
изучение началось в конце 50-ых годов ХХ века. Можно сказать, в основе этого метода лежит
контроль над физиологическими реакциями посредством получения информации об этих
реакциях.
Сфера
применения
БОС
технологий
разделяется
на
клиническую
и
неклиническую. Подробнее эти сферы мы рассмотрим во второй главе.
Целью работы является создание научно-популярного текста на уровне 10 класса,
в котором бы описывалась обратная связь и метод БОС. В своей работе я постараюсь
объяснить данный метод, воспроизвести его на доступном примере и провести эксперимент,
в котором по проверке гипотезы о возможности использования этого метода для более
удобного проживания людей с отсутствием слуха.
Задача работы - создать описания прохождения обратной связи в организме живых
существ, рассказ о методе биологической связи, его создании и работе. Провести
эксперимент, в котором попытаемся воспроизвести метод БОС, и проверить гипотезу: «С
4
помощью визуализации звука можно контролировать параметры голоса, издаваемых звуков, в
условии отсутствия слуха».
1. Обратные связи в функциональных системах.
В изучаемом методе биологической обратной связи используются такие понятия,
как система и обратная связь, для того чтобы лучше понять метод биологической обратной
связи нужно рассмотреть роль обратной связи в организме как в системе.
1.1 Понятие системы. Биологические системы.
Для начала определимся с понятием «Система». Система в классическом
понимании - совокупность элементов, взаимодействующих друг с другом и зависящих в
своем функционировании друг от друга. Можно выделить следующие виды систем:
- детерминированные системы – системы, конечные состояния которых зависят
от проявленных на них воздействий.
- вероятностные системы – системы, конечные результат системы случайным
образом зависит от воздействия на систему.
- открытая система – система, которая находится в постоянном контакте с
внешней средой, то есть обменивается веществом, энергией, информацией.
- замкнутая система – система, которая обменивается с внешней средой энергией
и информацией, но следует отметить, что в замкнутых системах не происходит обмена
веществом с внешней средой.
- изолированная система – система, которая не обменивается со внешней средой
ни информацией, ни энергией, ни веществом.
Кроме того системы подразделяют на:
 стационарные системы – это системы, основной особенностью которых
является способность сохранения постоянства внутренних характеристик при изменяющейся
внешней среде, также они способны переходить из одного состояния в другое.
Нестационарные
системы – это системы, противоположные стационарным.
Параметры такой системы меняются во времени. Мы говорим о значительных изменениях в
системе в конкретном интервале времени, например, процесс старения;
квазистационарные системы –
это системы, изменения в которых носят
колебательный характер. Данные системы поддерживают свои параметры на уровне
колебаний около некоего значения. Амплитуда колебаний может варьироваться от
5
незначительной до большой. Процессы в данных системах распространяются быстро, и ее
состояние не успевает значительно измениться, т.е. можно говорить об устойчивости
системы. Под устойчивостью системы, в данном случае, мы понимаем способность системы
сохранять свое состояние при внешнем воздействии на нее.
Как мы уже говорили выше, деятельность систем регулируется при помощи
обратной связи. С данным понятием мы познакомимся далее.
Биологические системы.
Мы рассмотрели понятие системы, теперь рассмотрим биологическую систему.
Биологическая
система
–
это
совокупность
связанных
элементов
и
процессов,
объединенных в единое целое для достижения биологически значимого результата. Основное
свойство биологической системы – способность приспосабливаться. Биологическая система
– совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. Данные системы
целостные, относительно устойчивы и способны к адаптации к внешней среде. Любая
биологическая система динамическая, в ней постоянно протекает множество процессов.
Данные системы открытые, условие существование их -
обмен энергией, веществом и
информацией как между частями системы (подсистемами), так и с внешней средой.
Устойчивость биологических систем с одной стороны и способность их переходу из одного
состояния в другое обеспечиваются многообразными механизмами саморегуляции, которые,
как мы уже говорили выше, лежат в основе биологической обратной связи.
Обратимся к понятию обратной связи.
1.2 Понятие обратной связи. Виды обратных связей.1
Обратная связь – это реакция, отзыв, отклик на какое-либо действие или событие.
Это процесс, который демонстрирует человеку, как результат воздействия на систему влияет
на параметры и протекание процессов в изучаемой системе. Обратная связь дает людям
возможность контролировать и анализировать состояние системы и вносить изменения в
процессы управления ею.
1
Описание механизмов биологической обратной связи - http://galactic.org.ua/Prostranstv/p_neiro-pcix-94.htm
ссылка доступна на 15.12.2013
6
Рис. 1. Схема управления с помощью обратной связи.
Различают положительную и отрицательную обратные связи. Их роль различна.
Отрицательные обратные связи помогают обеспечивать состояние стабильности систем.
Положительные обратные связи усиливают отклонения процессов от стабильного идеала.
Рассмотрим их чуть подробнее.
При определенном отклонении от нормы во время проходящих процессах объект
может реагировать на отклонения двояко, то есть сводить отклонения к минимуму с
помощью отрицательной обратной связи или усиливать реакцию с помощью положительной
обратной связи.
В качестве примера отрицательной обратной связи можно привести рост
популяции мышей, это приводит к росту популяции лис, которые питаются мышами. Лисы
начинают более интенсивно поглощать грызунов, тем самым снижая их популяцию. Мы
наблюдаем колебание численности грызунов и хищников в определенных границах.
Таким образом, отрицательная обратная связь помогает поддерживать стабильное
состояние системы, делает систему устойчивой.
Положительная обратная связь – связь, нарушающая устойчивость системы, то
есть в случае изменения определенных параметров, положительная связь используется для
еще большего отклонения параметров от нормы.
Чтобы легче понять суть обратной связи отрицательной и положительной, можно
рассмотреть пример с котелком. Котелок с водой, который висит над огнем, кипит и вода
выплескивается из него на угли, из-за этого огонь гаснет и вода остывает (отрицательная
обратная связь).
7
Котелок с маслом кипит над огнем, когда масло закипает и выплескивается, пламя
разгорается лишь сильней (положительная обратная связь) .
1.3. Обратная связь в биологических системах
Попробуем рассмотреть обратную связь в биологических системах. В данной
работе, мы возьмем человека, как биологическую систему. Гомеостаз (относительное
динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных
физиологических функций биологического организма) будет поддерживаться в организме за
счет обратных связей. Рассмотрим конкретные примеры применения положительной
обратной связи и отрицательной обратной связи.
Отрицательная обратная связь намного чаще встречается в организме и служит
для поддержания гомеостаза. Одним из примеров может являться процесс терморегуляции.
При изменении температуры тела рецепторы в коже и в гипоталамусе регистрируют
изменения и посылают сигнал из мозга, данный сигнал вызывает ответ - повышение
температуры при этом расширяются сосуды кровеносные, и кровообращение увеличивается,
так происходит до тех пор, пока гипоталамус не получает сигнал о том, что достигнут
необходимый результат. Понижение температуры тела, в этом случае сосуды сужаются и
происходит испарение жидкости с поверхности тела, и тело охлаждается.
Положительная обратная связь – дестабилизирующая связь, действует для
организма, нарушая его гомеостаз, переводя его в новое состояние. В некоторых случаях она
может играть отрицательную роль, например, усиливая работу сердца при быстрой
кровопотере. Но существует и полезное воздействие
активируются
ферменты.
Эти
ферменты
во время процесса свертывания
активируются,
и
постепенно
происходит
свертывание крови. Данный процесс происходит, пока не произойдет свертывание крови.
Перейдем к рассмотрению функциональных систем и роли обратной связи в них, для этого
познакомимся с теорией, созданной русским физиологом П.К. Анохиным в середине ХХ
века.
1.4. Функциональные системы.2
Академик П. К. Анохин ввел понятие функциональной системы. Под
функциональной системой он предложил понимать совокупность органов и систем,
формирующихся для достижения приспособительного (полезного) для организма результата.
Можно выделить два типа функциональных систем:
2
Анохин П.К. Узловые вопросы теории функциональной системы. – М.: Наука 1980
8
- первый тип обеспечивает постоянство за счет внутренних ресурсов организма;
- второй тип обеспечивает поддержания гомеостаза за счет изменения поведения,
то есть за счет взаимодействия с внешним миром. Он лежит в основе различных типов
поведения. Примером системы можно назвать особь, а отдельным объектом – ее модель
поведения, которое описывается как результат ее взаимодействия с окружающей средой. При
этом, как только результат достигнут, воздействие прекращается, и организм реализует
следующий поведенческий акт. Исходя из этого, поведение рассматривается с позиции того,
что произойдет – результата.
Модель функциональной системы.
По
концепции
Анохина,
человек
не
может
существовать
отдельно от
окружающего мира. На человека происходит постоянное воздействие внешних факторов,
которое было названо обстановочной афферентацией. Ответная реакция организма на
внешнее и внутреннее раздражение, осуществляемая и контролируемая центральной нервной
системой, называется рефлексом. Понятие «рефлекс» было введено французским ученым Р.
Декартом более 300 лет назад. Все рефлекторные реакции организма на различные
раздражители делятся на две группы: безусловные и условные рефлексы.
Рефлексы связаны с нервной деятельностью человека, предлагаю познакомиться
со структурой нервной системы человека. Для понимания модели необходимо обратиться к
определению терминов.
Нервная система3 – это система, которая регулирует деятельность всех органов и
систем человека. Анатомически нервная система состоит из двух отделов:
Нервная система
3
Центральная
Периферическая
(головной и спинной
мозг)
(черепномозговые и спинномозговые нервы;
нервные узлы, отходящие от головного и спинного
мозга)
Излагается по Сонина Н. И. , Сапин М. Р. Биология 8 класс. Человек — М.: Дрофа , 2008, часть 1 - с. 46 – 76;
с. 100 -122, часть 2 - с. 85-95
9
Центральная нервная система (ЦНС) — это та часть нервной системы, которая
находится внутри черепа и позвоночного столба, она получает нервные импульсы от
рецепторов расположенных по всему телу, регулирует происходящие в организме процессы,
организует и направляет поведение нервных импульсов. ЦНС состоит из головного и
спинного мозга, находящихся внутри полости черепа и позвоночного канала в
спинномозговой жидкости. Главная функция – осуществление простых и сложных
рефлексов.
Периферическая нервная система - часть нервной системы, представленная
нервами, соединяющими ЦНС с сенсорными органами, рецепторами и эффекторами
(мышцами, железами).
Функционально нервная система делится на две части: автотомную и соматическую.
Автономная (вегетативная), отвечает за деятельность внутренних органов, деятельность
желез внутренней и внешней секреции, деятельность кровеносных и лимфатических сосудов.
Соматическая, связывает ЦНС при помощи периферических нервов с кожей, мышцами,
сухожилиями, сенсорными органами.
Нервная система
Соматическая
Автономная
Соматическая система в свою очередь функционально разделяется на сенсорный и
двигательный отдел. Сенсорные и двигательные импульсы передаются по нервам, которые
бывают чисто двигательными, чисто сенсорными, и часто смешанными.
Соматическая
Двигательный отдел
Сенсорный отдел
10
Двигательные нервы – нервы, состоящие из волокон, передающих импульс от
центральной нервной системы мышцам (эфферентные волокна).
Сенсорные нервы - нервы, состоящие из волокон, передающих импульс от
рецептора в центральную нервную систему (афферентные волокна).
Смешанные нервы – нервы, в которых присутствуют волокна разных типов
(афферентные и эфферентные).
В
свою
очередь
автономная
(вегетативная)
система
функционально
подразделяется на симпатическую и парасимпатическую:
Автономная
(вегетативная)
Симпатическая
Симпатическая
Парасимпатическая
нервная
система
осуществляется
симпатическими
спинномозговыми центрами, от этих центров начинаются периферические симпатические
волокна, которые расположены в боковых рогах спинного мозга.
Парасимпатическая нервная система осуществляется крестцовым отделом
спинного мозга (орган малого таза) и в стволе головного мозга (регулируют остальные
органы через специальные нервы).
Далее рассмотрим строение нервное системы на клеточном уровне.
Основой единицей нервной системы является нейроны. Они выполняют функции
восприятия, обработки, хранения и передачи информации. Строение нейрона представлено
на схеме:
11
Нейрон
Отростки
Тело
Дендрит
Аксон
Аксон – длинный мало ветвящийся отросток, по которому импульсы направляются от
тела клетки. Каждая клетка имеет лишь один аксон.
Дендрит – короткий, сильно ветвящийся отросток, по ним нервные импульсы поступают
к телу нервной клетки, у нейрона может быть несколько дендритов.
Нервные волокна аксоны и дендриты нервных клеток по длине иногда во много раз
превосходят размер тела нейрона. Они тянутся от клетки в разные стороны в составе нервов и
называются.
По функции нейроны бывают следующих видов: сенсорные (чувствительные и
вегетативные), эффекторные (двигательные и вегетативные) и вставочные. Так как в нашей работе
мы фокусируемся на функционировании соматической нервной системы, которая в свою очередь
регулирует двигательную активность человека, то далее мы не будем рассматривать нейроны и
рефлексы, относящиеся к вегетативной части нервной системы. Итак, соматическая нервная система
состоит из следующих видов нейронов:
Нейроны
Вставочные
Двигательные
Сенсорные
Двигательный нейрон — нервная клетка, проводящая информацию на эффекторы от
центральной нервной системы, таким образом, вызывая соответствующую реакцию. Двигательные
нейроны задействованы в рефлексах спинного мозга. Они также связаны с головным мозгом
посредством нисходящих спинномозговых каналов. Тела клеток этих трактов лежат в коре головного
мозга, а их аксоны, которые проходят к спинному мозгу, соединяют эти нервные клетки с мозгом
обеспечивая управление произвольно сокращающихся мышц. По строению двигательный нейрон –
12
биполярная клетка, то есть имеет на одном конце дендрит, по которому в клетку попадает импульс от
других нейронов, а на другом конце аксон, по которому импульс передается к эффекторному органу
(мышце).
Сенсорный нейрон- нервная клетка, проводящая информацию от рецепторов в любой
части тела к центральной нервной системе. Их нервные окончания находятся в одиночных
рецепторах и рецепторах органов чувств. По строению сенсорный нейрон чаще всего является
псевдоуниполярной клеткой, у такой клетки оба отростка (аксон и дендрит) сливаются на выходе из
клетки, поэтому кажется, что у такой клетки один отросток. Но потом эти отростки разделяются на
аксон и дендрит. По дендриту к клетке поступает сигнал от рецептора, а по аксону от клетки сигнал
передается дальше к центральной нервной системе.
Вставочный нейрон - нейрон центральной нервной системы, который осуществляет
связь между различными нейронами в рефлекторной дуге. Обычно он имеет множество отростков
(дендритов), которые образуют протяженные цепи и пути внутри головного и спинного мозга.
Между собой нейроны обычно связывает синапс.
Синапс - область связи нервных клеток (нейронов) друг с другом и с клетками
исполнительных органов. Межнейронные синапсы образуются обычно разветвлениями аксона одной
нервной клетки и телом, дендритами или аксоном другой.
Классический путь рефлекса (рефлекторная дуга, рис.2): импульс возникает на
рецепторе, который отвечает на стимул (раздражитель). Затем по афферентному нерву
движется к сенсорному нейрону, который передает информацию в ЦНС.
В спинном мозге он может попасть на восходящее волокно, которое передает
импульсы в вышестоящие центры ЦНС (продолговатый мозг, мозжечок и/или кора головного
мозга), либо пройти через вставочный интернейрон, либо переключиться непосредственно на
двигательный нейрон спинного мозга (коленный рефлекс).
Двигательный нейрон соматической нервной системы или исполнительный
нейрон вегетативной нервной системы, передает импульс из ЦНС на эффектор. Отсюда
импульс попадает на эффекторы – мышцы или железы, реагирующие на импульс
исполнительного нейрона.
13
Рецептор
Сенсорный нейрон
ЦНС
Двигательный нейрон
Эффектор
Рис. 2. Рефлекторная дуга.
Бывают несущественные (неосознаваемые) воздействия внешнего мира на человека, бывают
те, которые вызывают ответные реакции. Эти ответные реакции носят направление
ориентировочного характера.
Вероятнее всего, процесс сравнения результата и идеала, находящегося в ЦНС,
осуществляется с помощью сознания, из-за этого возникают определенные мысли, которые
влекут за собой решение и выработку, конкретного плана поведения. П.К. Анохин ввел
понятие акцептора результата действия. Он представляет собой психологический механизм
предвидения и оценки результатов действия в функциональных системах. При его наличии и
наличии программы действия, которую делает сознание, начинается исполнение действия.
При этом постоянно происходит информация о выполнении поставленной цели (обратная
связь).
Обратная афферентация (обратная связь) – используется для формирования
установки по отношению к определенному действию, которое выполняет наш организм.
Информация проходит через эмоциональную сферу, которые влияют на характер установки,
если эмоции позитивные, действие прекращается или продолжается с целью получения
удовольствия или выполнения определенного процесса (его завершения), если же эмоции
негативны, то программа меняется определенным образом.
Нервная система осуществляет координацию движений с помощью обратной
связи. У людей, у которых нарушена чувствительность мышц, движения без обратной связи
становятся некоординированными, а ЦНС перестает контролировать движения.
14
Обратная связь сообщает нам о каждом действии, например, сейчас, видя красное
подчеркивание на мониторе, я понимаю, что допустил опечатку.
Рефлекторное кольцо – элементарная функциональная система, включающая
рефлекторную дугу и афферентные пути, обеспечивающие обратную связь (красным
цветом), с помощью них ЦНС
информацию о результате рефлекторного акта. В
рефлекторном кольце есть дополнительные звенья в виде рецепторов эффектора,
афферентного
нейрона
и
системы
вставочных
нейронов,
передающих
вторичные
афферентные импульсы в ЦНС.
После прохождения реакции по этому пути проходит обратная связь, которая
проверяет результат действия, то есть посылает сигналы, которые сравнивают результат с
идеалом, который находится в ЦНС, после этого сигнал может пойти по тому же пути, что и
первый раз. То есть от рецепторов, какого-либо органа до эффекторов (рис.3).
Рис. 3. Схема рефлекторного кольца.
Рассматривая сложные рефлексы, включающие в себя рефлекторное кольцо, а не
рефлекторную дугу, мы можем наблюдать, что в результате рефлекторного акта срабатывает
эффектор (например, мышца). Результат этой реакции анализируется
ЦНС, после чего
вносятся определенные исправления или продолжается стабильная работа той или иной
мышцы (данный механизм отображен на моей схеме красными стрелками. Попробуем
рассмотреть это на примере. Для этого нам понадобиться рассмотреть сгибательный и
перекрестный разгибательный рефлексы, для того, чтобы понять работу простых рефлексов,
а затем мы обратимся к рефлексу, в котором присутствует обратная связь.
15
Примером4 может служить защитный рефлекс у человека (сгибательный,
перекрестно разгибательный, рис. 4). Рецепторы данной рефлекторной дуги находятся в
кожном покрове конечности или части тела, реагирует данный рецептор на болевое
раздражение. При раздражении рецептора одной конечности сигнал проходит на сенсорный
нейрон, в составе сенсорного волокна. Отсюда аксон сенсорного нейрона проходит в
спинной мозг. Сигнал попадает на четыре интернейрона, по аксонам, которых сигналы
попадают на следующий интернейрон. Затем сигналы попадают на два интернейрона правой
конечности два интернейрона левой конечности. Один интернейрон каждой из конечностей
является тормозным, а другой возбуждающим. Далее через двигательный нейрон, который
находится в двигательном волокне, сигнал попадает на эффектор. В результате этого одна
конечность сгибается, а другая выпрямляется. Если сигнал пришел с левой ноги, то в
спинном мозге, пройдя все интернейроны, сигнал пойдет на мышцу разгибатель левой ноги
расслабиться, а мышце сгибателя сократиться, на правой же ноге произойдет все наоборот.
Данный сигнал проходит и на ту конечность, откуда пришло раздражение и на конечность
противоположенную ей.
Этот рефлекс очень важен для ходьбы. Мозг посылает сигнал о желании сделать
шаг и происходят торможение мышцы сгибателя левой ноги, возбуждение мышцы
разгибателя и торможение мышцы разгибателя, и возбуждение мышцы разгибателя на
противоположной конечности. Мы делаем шаг. Это происходит за счет включения в
рефлекторную дугу возбуждающих и тормозящих интернейронов. Этот рефлекс имеет
большое значение для шагательной ритмики, поскольку позволяет координировать
попеременную активацию мышц противоположных конечностей
4
Блум Ф., Лейзерсон А., Хофстедтер Л. Мозг разум поведение - М .: Мир, 1988 г.
16
Рис.4. Рефлекторная дуга сгибательного рефлекса. 1. Черные – тормозные
интернейроны;
красные
возбуждающие.
2.
Двигательные
нейроны.
3.Эффекторы
расслабленных мышц сгибателя и разгибателя. 4. Эффекторы сокращенных мышц сгибателя
и разгибателя.
Исходя из этой информации, рассмотрим более сложный рефлекс. При ходьбе
(шагании) мы наблюдаем похожие сокращения, сигналы проходят через спинной мозг, а
оттуда в головной мозг, который передает сигналы назад в спинной мозг, так, если кончик
стопы неожиданно натыкается на препятствие, то движение временно останавливается.
Сигнал проходят от рецептора так же, как в перекрестном разгибательном рефлексе, но в
спинном мозге сигнал уходят в головной мозг и возвращаются на эффектор. Затем
последовательно осуществляется подъем стопы и перемещение ее вперед так, чтобы
оказаться над препятствием. Это называют рефлексом спотыкания. В данном случае сигнал
проходит через головной мозг, происходит корректировка движения.
Другим примером обратной связи может являться движение человека за книгой,
которая лежит на столе. В данном случае наши глаза, которые следят за движением руки до
книги, воспринимают информацию о расстоянии до книги. Далее мозг, снова посылает
сигнал о том, что надо продолжать движение, при этом постоянно получая обратную связь.
Так продолжается до тех пор, пока необходимая операция, в данном случае книга в руке, не
выполнена.
17
.2. Метод БОС.5
2.1.История создания метода.
Обратная связь - механизм, использующийся в работе организма для
поддержания оптимального состояния внутренней среды (гомеостаза). Обратная связь
неотъемлемая часть организма, без обратной связи в организме были бы невозможны
никакие действия, например, направленные движения. Обратная связь сообщает в
центральную нервную систему о состоянии управляемого процесса, после чего происходит
корректировка. Таким образом, обратная связь сообщает нам о том, какое расстояние до
книги, которая лежит на столе, когда мы тянемся, чтобы взять ее.
Эдмунд Джекобсон – первый ученый, разработавший методику, основанную на
БОС, в 1920 году. Ученый был сильно ограничен не совершенностью своей аппаратуры. С
помощью электродов, отображавших мышечное напряжение, он измерял и примерял данные
измерения для выработки навыка соматической релаксации, данный метод получил широкое
применение в настоящее время.
Мы знаем, что напрячь скелетные мышцы, не вызывает больших сложностей,
человек легко сжимает кулак, приседает, для выполнения этих действий не требуется
дополнительной аппаратуры. Сложнее управлять, например, трапециевидной мышцей. Для
этого требуются тренировки. Скоростью же сердцебиения могут управлять единицы. Итак,
мы понимаем, что управлять скелетными мышцами возможно и чем выше тренированность
организма, тем больше возможности, а для управления реакциями внутренних органов
необходимы длительные тренировки.
5
Вартанов Т. С., Сметанкин А. А. Очерк истории развития биологической обратной связи как метода
медицинской реабилитации - СПб.: ЗАО «Биосвязь», 2008
18
Рис. 5. Схематическое изображение метода биологической обратной связи6
Французский физиолог, анатом и врач Биша Мари Франсуа Ксавье подразделил
нервную систему на анимальную и вегетативную (автономную). Об этом мы говорили выше.
Он отметил, что есть разница в «цереброспинальной нервной системой большого мозга и
спинного мозга» (ЦНС), которые управляют скелетными реакциями. С двух сторон от
спинного мозга проходят «малые мозги» (цепи ганглиев), управляющие эмоциями с одной
стороны и реакциями, происходящими в организме с другой стороны. Он ввел термин
вегетативная и считал, что она независима от ЦНС.
Позже, в 1932 году американский физиолого Уолтер Кэннон, изучавший процессы
внутренней саморегуляции человека, пришел к выводу, что различные нервные волокна
автономной системы возбуждаются одновременно и не способны к тонким реакциям,
которые происходят в ЦНС.
В классической физиологии есть низшая форма обучения – обуславливание
(условные рефлексы, например, желудочный сок при виде еды у павловских собак).
Подкреплением в данной форме является безусловный стимул, на который реагирует
организм, такой реакции надо обучить, по этому возможности метода ограничены.
6 Лечение методом биологической обратной связи (БОС) - http://lpu.gaz.ru/bos.aspx ссылка доступна на
6 .04.2014
19
Высшая форма, ее считают ответственной за сознательное поведение, называют
методом ошибок и проб, в психологии известны опыты, в которых крыс сажали в коробку и
вживляли им электроды в так называемые центры удовольствия, помещали кнопку,
возбуждающую эти датчики в клетку, крыса находила кнопку, нажимала на нее, получая
удовольствие. Подкрепление при данной форме подкрепление может усиливать любую
реакцию, которая была перед ним.
Долго время считалось, что единственной возможной формой обучения является
обусловливание.
Мы понимаем, что резервы человеческого организма до конца не исследованы и
не исчерпаны. И дальнейшее их изучение и оптимальное использование лежит на стыке
изучения психологических и физиологических возможностей. В конце 50 годов ХХ века,
основываясь на учении о рефлексах И.М. Сеченова и И.П.Павлова, а также других трудах в
этой области возник новый метод биологической обратной связи (БОС). Это очень
перспективное направление в развитии психофизиологии.
Основное положение БОС – информация о собственном состоянии позволяет
испытуемому обучиться саморегуляции. Этот метод позволяет нам активизировать наши
возможности для достижения поставленной цели.
Н.Е. Миллер, физиолог из США, обучал этих больных регулировать давление. Во
время данных исследований у ученого был один случай, у молодого человека были
парализованы нижние конечности, а владеть костылями он не мог из-за постуральной
гипотонии, то есть, когда его поднимали в вертикальное положение, его давление падало так
резко, что он не мог сохранять данное положение. Целью Н.Е. Миллера было научить
повышать артериальное давление с помощью «инструментального обучения». На руке у
больного была манжета, контролирующая минимальное давление. При превышении
давлении, раздавался звуковой сигнал, который значил, что задание выполняется успешно.
Задание усложнялось, таким образом, больной научился находиться в вертикальном
положении, а затем ходить на костылях. Благодаря данной методике больной научился
ходить, опираясь на костыли.
По Н.Е. Миллеру, при инструментальном обучении, непрерывно измеряется
физиологический параметр, в случае его изменения пациенту подается сигнал. Пациент
обязательно должен хотеть добиться результат, который обозначил перед ним инструктор.
Можно сказать о том, что первые опыты по произвольному регулированию
висцеральных (внутренних) реакций проводились в России. В 1855 году испытуемые И. Р.
Тарханова повышали свое ЧСС (частота сердечных сокращений), при этом сам профессор
20
подавал сигнал об ударе пульса, в данных исследованиях была задействована скелетная
мускулатура, более того, И. Р. Тарханов установил, что висцеральные процессы лучше
контролируются людьми, умеющими управлять группами мышц, управлять которыми могут
немногие (шевелить ушами). Данный эксперимент не относится к эксперименту по переводу
непроизвольных реакций в произвольные.
В 1955 году М.И. Лисина защитила кандидатскую диссертацию, в которой
доказывала возможность превращение непроизвольных реакций в произвольные. В ее
исследованиях испытуемого учили произвольно сужать или расширять кровеносные сосуды.
Испытуемому подавалась информации о состоянии его сосудов с помощью звука, то есть
когда сосуды расширялись высота звука понижалась, а когда сужались – повышалась. После
этих тренировок, испытуемые могли сами сужать или расширять сосуды, отвечая на
словесную инструкцию исследователя.
Непосредственно термин биологическая обратная связь ввели психофизиологи из
США. Дж. Басмаджан занимался тем, что с помощью электрода, который снимал показания
активности мышечного волокна, усилителя и осциллографа, который отображал кривую
активности (визуальная обратная связь),
преобразовывал сигнал в звук и подавал на
громкоговоритель (звуковая обратная связь), вместе с электрической активностью менялась с
громкость звука. В результате испытуемые учились напрягать и расслаблять отдельное
мышечное волокно в нужном ритме.
В 1969 году появилось первое общество Биологической обратной связи.
В середине 60-ых годов Элмер Грин и его жена Алиса Грин воспроизвели
методику Дж. Басмаджана, у больных с тревожностью учили изменять кровоток пальцев, для
чего постоянно измеряли температуру кончиков его пальцев. В ходе исследования одному
больному мигренью лучше. После выясняется, что кровоток в кончиках отображает
циркуляцию крови во всем организме. Приступ мигрени связывают с изменением уровня
кровотока в мозгу, из данного эксперимента становится ясно, что возможно регулировать
уровень кровотока в организме, следовательно, возможно таким образом лечить мигрень.
Появляются работы по применению БОС в лечении разных заболеваний, таких
как эпилепсия, тревожное состояние, сердечная аритмия и другие.
Изучение биологической обратной связи активно происходит и в России.
Выпускается литература по этому методу. В 1996 году было организовано общество
биологической обратной связи.
Итак, с помощью биологической обратной связи уже долго лечат.
21
2.2. Виды БОС и применение метода БОС.
Сфера
применения
БОС
технологий
разделяется
на
клиническую
и
неклиническую.
Когда мы говорим о неклинической сфере применения БОС, то в первую очередь
отмечаем использование метода, в целях повышения эффективности деятельности в учебе,
работе, спорте. Мы говорим о любой деятельности, которая требует длительных и
постоянных усилий, большой ответственности. БОС-методы применяются в педагогике, с их
помощью можно повысить эффективность обучения, развивать творческие способность.
Клиническая
воздействиями
при
сфера
данного
различных
метода
хронических
воссоединяется
заболеваниях
с
терапевтическими
(нарушение
внимания,
гиперактивность, эпилепсия, гипертоническая болезнь и т.д.) БОС терапия используется как
метод предотвращения болезней и психических расстройств.
Кроме того, БОС используется в лечении двигательных расстройств, при травмах
и заболеваниях опорно-двигательного аппарата, используя этот метод можно формировать
правильную осанку у детей и подростков. После травм и. в случаях с неправильной осанкой,
можно говорить о снижении подвижности мышц, их тонуса, понижения возбудимости, а как
следствие ухудшение работоспособности и выносливости.
Во время лечения с помощью метода БОС, человек получает информацию о
работе органов и систем, обработанную с помощью специальной аппаратуры. БОСпроцедура представляет собой постоянную визуализацию показателей и «подкреплением» с
помощью игровых, мультимедийных приемов, в данной области значений. Иными словами,
на мониторе человек видит проходящие в нем внутренние процессы. Таким образом человек
учится регулировать некоторые функции, например, ЧСС и дыхание, напряжение мышц,
кровенаполнение сосудов и тд. За время данной терапии возможно повлиять на
физиологические показатели, то есть, уровень тонической активации той системы, чью
активность отражает показатель. К примеру, с помощью данного метода возможно научиться
понижать и повышать температуру кончиков пальцев, что приведет к снижению спазма в
периферических сосудах.
22
Рис. 6. Метод лечения мигрени с помощью Биологической обратной связи.7
Самый распространенный вид биологической обратной связи – ЭМГ БОС.
Обратная связь – электромиографический сигнал, отображающий мышечную активность.
Метод активно используется при корректировке мышечных отклонений. Так же применяется
для коррекции походки, заживление парезов и излечении параличей, существует еще много
болезней, которые лечатся с помощью данного вида.
ЭМГ БОС так же применяют при хронических головных болей, фантомных болей.
Данный вид используют для релаксации мышц и таким образом лечат неврозы.
Еще одна сфера, в которой применяется данный метод - профилактика развития
паталогических изменений. Это необходимо в ряде профессий, например, данный метод
помогает подобрать правильную позу сидения за компьютером, напрягать только
определенные группы мышц, необходимые в этот момент, а затем расслаблять их.
Следующий популярный вид БОС – температурный. Температура кожи
соответствует интенсивности периферического кровотока, по этому, с помощью данного
метода активно лечат заболевания сосудов. При лечении мигрени (болезнь, во время которой
происходит спазм сосуда, а затем его расширение, что приводит к головным болям). Во время
данной процедуры происходит нагревание кончиков пальцев и снижения температуры лба.
Эффект – нормализуется мозговое кровообращение.
С помощью данного метода проводится купирование фантомных болей, в
оставшейся части конечности уменьшается кровоток. Целью терапии в этом случае является
7 3D технологии и новые возможности БОС (Биологической Обратной Связи) - http://www.3dliga.ru/3d-newstehnologyinewvozmpgnosti.html ссылка доступна на 6 .04.2014
23
формирование у пациента навыка привычно и бессознательно поддерживать стандартную
температуру в культе.
Еще один вид – БОС кожно-гальванической реакции. Параметр, который
измеряется сопротивление кожи электрическому току. Данный метод отражает активность
потовых желез, соответственно, активность симпатического отдела вегетативной нервной
системы, симпатическая активация отражает уровень эмоционального возбуждения. КГР
БОС используется при лечении неврозов.
Данный вид так же активно используется для оптимизации какой-либо
физической или умственной деятельности.
ЧСС (чистота сердечных сокращений) БОС – еще один метод, применяющийся
для снижения уровня тревожности, при выступлениях, каких либо фобий.
ЭГГ БОС – используется для лечения эпилептических припадков и лечении
эпилепсии. Во время процедуры предусматривается контроль корковых потенциалов, что
позволяет снизить количество припадков и их интенсивность.
Данный метод используют при старческом слабоумии, так как из-за слабого
кровообращения
в голове, спектр перемещается на низкую частоту, а данный метод
позволяет поддерживать на одной частоте. Данный метод активно используется для того,
чтобы освободиться от зависимостей и нейтрализовать некоторые пагубные последствия.
В данный момент во многих странах мира БОС, динамично развивается и
становится одним из направлений современной медицины. Затраты на воспроизведение
данных методов достаточно малы, при этом большая вероятность получения результата. Так
же данный метод очень популярен у врачей практиков.
3. Исследование возможности контролировать
параметры голоса с помощью визуализации звука при
отсутствии слуха.
3.1 Постановка задачи.
24
В организме присутствует огромное количество обратных связей. Некоторые
заболевания человека связаны с нарушением обратных связей. Данные заболевания могут
лечиться с помощью метода БОС, который будет заменять обратные связи. Примером такого
заболевания может служить глухонемота. Она бывает 2 типов: врожденная и приобретенная в
раннем возрасте, проблема таких людей заключается в том, что их связки не нарушены, но
при этом они не могут говорить,
так как не слышат себя, и не могут контролировать
произносимые звуки. Отталкиваясь от этого была сформулирована гипотеза, что с помощью
визуализации звука можно обучаться контролировать параметры голоса и издаваемых звуков,
при отсутствии слуха.
Целью настоящего исследования было проверить возможность обучения контроля
громкости голоса с использованием метода визуализации при отсутствии возможности
контроля с помощью слуха.
3.2 Объекты и методы.
Исследуя голос испытуемого, читающего один и тот же короткий текст. Задачей
испытуемого было поддерживать одинаковый уровень громкости.
Анализ проводился с помощью программы Audacity. Измерялась средняя
громкость произносимых звуков (в вольтах).
Измерение проводилось в трех режимах:

обычный – без наушников и визуализации

в наушниках с громкой музыкой, которая не давала возможность слышать
свой голос

в наушниках с громкой музыкой, но с визуализацией на дорожке
программы Audacity

3.3
в наушниках, без визуализации.
Результаты и обсуждение.
В ходе эксперимента было проведено три серии записей, они были сделаны в
разные дни.
В конце каждой серии повторялась запись во втором режиме для того, чтобы
проверить, происходит ли обучение контроля за громкостью.
Пример записи показан на рисунке 7.
25
Рис. 7. Запись серии эксперимента в программе Audacity.
Результаты измерения громкости показаны в таблице 1
Режим
1 серия
(в)±0,05
2 серия (в)
±0,05
3 серия
(в)±0,05
без наушников
0.15
0.2
0.25
в наушниках
0.5
0.4
0.45
в наушниках и с визуализацией
0.3
0.2
0.25
в наушниках №2
0.3
0.25
0.25
Табл.1.
Из таблицы видно, что при отключении контроля со стороны слуха громкость
голоса увеличивается, что соответствует бытовому опыту общения со слабослышащими
людьми: они обычно говорят громче. Визуализация уровня звука позволяет достоверно
понизить громкость, практически доведя ее до уровня контрольной. Последний эксперимент
показывает что этот опыт, видимо, можно закрепить. На короткое время испытуемый
запоминает опыт контроля громкости. Однако через длительное время, в следующей серии
26
этот опыт оказывается утерянным. Небходимо, видимо, проводить более длительные
тренировки для закрепления навыка.
Заключение.
В ходе работы были выполнены поставленные задачи. Удалось доказать, что с
помощью визуализации голоса возможно контролировать громкость голоса, а так же что
после занятий с визуализацией, человек может говорить с определенной громкостью,
примерно равной громкости человека, говорящего без наушников.
27
Список литературы.
1. Блум Ф., Лейзерсон А., Хофстедтер Л. Мозг разум поведение - М .: Мир, 1988 г.
2. Анохин П.К. Узловые вопросы теории функциональной системы. – М.: Наука 1980
3. Вартанов Т. С., Сметанкин А. А. Очерк истории развития биологической обратной
связи как метода медицинской реабилитации - СПб.: ЗАО «Биосвязь», 2008
4. Макаров И. М. реферат «Роль двигательных рефлексов в организации движения
человека» - ссылка доступна на 15.12.2013 .
5. Описание
механизмов
биологической
обратной
связи
-
http://galactic.org.ua/Prostranstv/p_neiro-pcix-94.htm ссылка доступна на 15.12.2013
6. Словарь
терминов,
энциклопедия
терминов
-
Интернет
портал
(сайт)
http://dic.academic.ru/ ссылка доступна на 15.12.2013
7. 3D
технологии
и
новые
возможности
БОС
(Биологической
Обратной
Связи)
-
http://www.3dliga.ru/3d-news-tehnologyinewvozmpgnosti.html ссылка доступна на 6 .04.2014
8. Лечение методом биологической обратной связи (БОС) - http://lpu.gaz.ru/bos.aspx
ссылка доступна на 6 .04.2014