Способ определения закономерностей функционирования динамических церебральных структур

Изобретение относится к медицине, а именно к диагностике. Определяют функциональное состояние церебральных структур по выраженности межполушарной функциональной асимметрии, для чего определяют время реакций, осуществляемых правой и левой рукой. Определяют частоту и время нажатия на кнопки, а также время переноса пальцев на другие кнопки, рассчитывают время формирования моторных программ Tfmpr в каждом из полушарий мозга по оригинальной формуле. По разнице показателей Tfmpr левого и правого полушарий мозга определяют выраженность межполушарной функциональной асимметрии. При этом продолжительность времени тестирования устанавливают, например, 50 или 100 с и регистрируют частоту временных параметров движения в течение четко определенных промежутков времени, например каждые 10 или 20 с. Способ позволяет повысить точность определения функционального состояния степени межполушарной функциональной асимметрии мозга, оценить скорость формирования моторных программ в ЦНС и выявить закономерности функционирования динамических церебральных структур под влиянием психоэмоциональной установки на осуществление максимального числа двигательных реакций в течение определенного периода времени. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области медицины и касается исследований организма человека, а именно: определения показателей функционального состояния центральной нервной системы (ЦНС), изучения закономерностей функционирования формирующих моторные программы структур и перестроек в алгоритмах работы информационно-аналитических церебральных центрах мозга.

Научный интерес к изучению закономерностей функционирования динамических церебральных структур мозга человека и выявлению выраженности различий в алгоритмах обработки информации между правым и левым полушариями мозга необходим для изучения изменений в показателях межполушарной функциональной асимметрии мозга и скорости формирования моторных программ. Это обусловлено выраженными различиями в функционировании полушарий мозга, заключающимися в том, что левое полушарие решает задачи по логическим алгоритмам, а правое полушарие - преимущественно симультанным методом с анализом целостного перцептивного образа объекта (С.Спрингер и Г.Дейч. Левый мозг, правый мозг. М.: Мир, 1983).

Известны методы и устройства для определения функционального состояния динамических церебральных структур ЦНС человека по патентам РФ №1311709, №1436992 и №1445694.

Суждение о межполушарной функциональной асимметрии мозга и, следовательно, о доминировании активности и свойственного тому или иному полушарию мозга алгоритма анализа поступающей информации составляется исследователем по данным оценки показателей возбудимости и лабильности центров зрительного анализатора, получаемых при тестировании по способу, описанному, например, в патенте РФ №1311709 (Н.Д.Овчинников. Методика количественной оценки межполушарной функциональной асимметрии мозга. Ж. "Физиология человека", 1997, №6).

Известно также использование метода хронорефлексометрии для определения функционального состояния различных структур ЦНС с оценкой времени реакций на сенсорные раздражители. В исследованиях закономерностей реакций организма с использованием метода хронорефлексометрии суждения основывают на данных определения так называемых сенсорного и моторного компонентов двигательных реакций. При этом под сенсорным компонентом реакции понимают время от начала предъявления сигнала, например включение светового раздражителя (лампочки), до момента перерыва электрической цепи при мышечном движении. Под моторным компонентом принято понимать время, затрачиваемое на перенос руки с одной на другую кнопку (Пашина А.Х., Швырков В.Б. О сокращении времени реакции при обучении // Теория функциональных систем в физиологии и психологии. М.: Наука, 1978 - с.347-357).

Известные способы и устройства для определения функционального состояния ЦНС человека обладают рядом недостатков, ограничивающих возможности их использования для составления обоснованного суждения о времени формирования моторных программ, тонкие особенности изменений показателей активности правого и левого полушарий мозга с недостаточной информативностью отражают закономерности функционирования динамических церебральных структур организма человека при значительных информационных и психоэмоциональных нагрузках.

В качестве прототипа изобретения избран известный способ определения межполушарной функциональной асимметрии ЦНС человека по заявке №98106955/14 по МКИ: А61В 5/16 (решением ВНИИГПЭ признан изобретением, и заявка опубликована в БИ №3, 27.01.2000 г.), заключающийся в том, что для определения межполушарной функциональной асимметрии, а следовательно, и для обоснования суждения о доминировании того или иного алгоритма функционирования информационно-аналитических структур ЦНС регистрируют время реакции на предъявление стимула в правое или левое полуполе зрения и особенности функционального состояния определяют по данным асимметрии при сравнительной оценки времени двигательной реакции, причем регистрацию времени реакции при предъявлении светового стимула в правое полуполе зрения осуществляют левой рукой, а при предъявлении в левое полуполе зрения - правой рукой; при этом световые стимулы в правое и левое полуополя зрения предъявляют в случайной очередности и через неопределенные промежутки времени.

Однако полученные при тестировании по избранному в качестве прототипа способу оценки функционального состояния ЦНС не позволяют составить обоснованное суждение о механизмах формирования моторных программ в каждом из полушарий мозга и о психофизиологических закономерностях функционирования динамических информационно-аналитических структур ЦНС.

Предложение по совершенствованию методики тестирования функционального состояния ЦНС с выявлением закономерностей изменений межцентральных взаимоотношений между отдельными центрами правого и левого полушарий мозга основано на научных данных об обусловленности моторных программ на осуществление двигательных актов при подключении подкорковых мозговых центров того из полушарий, из которого управляются мышцы движущейся руки (Брагина Н.Н., Доброхотова Т.А. "Сенсорная асимметрия" - в кн. "Функциональная асимметрия человека", М.: Медицина, 1981).

Предлагаемый в настоящей заявке на изобретение способ определения закономерностей функционирования динамических церебральных структур основан на современных научных данных о закономерностях функционирования ЦНС человека, касающихся взаимоотношений между нейрональными центрами моторной зоны коры больших полушарий и подкорковыми центрами, регилирующими мышечный тонус.

Для оценки времени формирования моторных программ в ЦНС и определения функциональной асимметрии мозга предлагается использовать теппинг-тест, позволяющий оценивать силу нервной системы. Теппинг-тест позволяет определять не только скорость формирования моторных программ, но и силу нервных процессов по данным изменений скорости формирования моторных программ во времени при установке на поддержание максимального темпа движений кисти. Испытуемым в соответствии с методикой предлагается волевым усилием поддерживать максимальный темп движений в течение определенного периода времени. Методика теппинг-тест при многократном выполнении определенных движений в течение определенных интервалов времени позволяет составить суждение о лабильности нервных процессов, силе и выносливости нервной системы. Поскольку величина суммации возбуждения определяется количеством повторений раздражения, сильная нервная система оказывается более выносливой. При установках на многократное воспроизведение команд на двигательные реакции время формирования моторных программ у слабых произойдет быстрее, чем у сильных (Физиология человека: Учебник для вузов физической культуры и факультетов физического воспитания для вузов / Под общ. ред. В.И.Тхоревского. - М.: Физкультура, образование и наука, 2001).

Закономерности деятельности динамических церебральных структур во многом продолжают оставаться неясными. Известно, что динамические церебральные структуры, обеспечиващие формирование последовательных команд на отдельные элементы движения, включают в себя центры моторной зоны прецентральной извилины головного мозга коры, подкорковые центры, обеспечивающие регуляцию активности корковых образований, и нисходящие к нейронам передних рогов спинного мозга управляющие системы. Согласованная деятельность всех церебральных структур обеспечивает сложно-координированную деятельность с сокращением мышц-синергистов при одновременном реципрокном расслаблении мышц-антагонистов. Четкая согласованность активности центров моторной зоны коры больших полушарий и подкорковых эмоциорегулирующих систем обеспечивает формирование сложных моторных программ. На временные параметры моторных программ оказывают влияние сложность формируемой программы и активность эмоциорегулирующих подкорковых центров мозга. Известно, что чем сложнее двигательная задача, тем больше тренировочного времени приходится тратить на ее отработку и запись в долговременной памяти. Стимул к действию (драйв) и скорость формирования моторной программы во многом определяются активностью подкорковых мотивационных центров и ассоциативной коры. Моторные программы с командами на сокращение и расслабление соответствующих мышц передаются через нейроны спинного мозга к скелетным мышцам для реализации (Психофизиология. СПб.: Питер. 2007; Физиология человека. М.: Мир, 1996. / перевод с англ. / под редакцией Р.Шмидта и Г.Тевса).

Время формирования моторных программ во многом зависит от интенсивности подкорковых эмоциорегулирующих структур, однако точные количественные закономерности этого влияния до настоящего времени не вполне ясны, и для уточнения этих межцентральных взаимоотношений предлагается способ тестирования.

Для получения информации о характере взаимоотношений между отдельными элементами динамических церебральных структур предлагается испытуемому с максимально возможной скоростью выполнять двигательные реакции - нажимать кнопки на специальном пульте. При этом испытуемому предлагается осуществлять движение правой или левой рукой и по времени реакции испытуемого судят о параметрах формирования моторных программ, степени межполушарной функциональной асимметрии мозга и доминирующих алгоритмах функционирования информационно-аналитических структур ЦНС. При этом движения, осуществляемые правой или левой руками, отражают процессы в динамических церебральных структурах, в том числе формирование моторных программ в левом или правом полушариях мозга.

Способ исследования взаимоотношений элементов динамических церебральных структур, в том числе при определении скорости формирования моторных программ и степени межполушарной асимметрии, осуществляют следующим образом.

Перед испытуемым находится пульт управления с двумя группами по 2 кнопочных контакта (сенсорные или подпружиненные кнопочные контакты) для регистрации времени ответных реакций, осуществляемых правой или левой руками. Перед тестированием испытуемому задается предварительная вербальная инструкция о необходимости нажимать в период обследования, например в течение 50 или 100 с, на кнопки с максимально возможной частотой. При этом с помощью миллисекундомеров регистрируют частоту нажатий, время нажатия кнопок и время переноса пальцев на другие кнопки. В процессе обследования уточняются данные о сенсорном и моторном компонентах двигательных реакций. У исследователя появляются достаточные основания считать, что измеряемое по описанному способу время формирования моторных программ отражает функциональное состояние одного из полушарий мозга. По показателям времени нажатия кнопок и времени переноса рук с одних кнопок на другие может быть определено время формирования центрального программного компонента двигательных реакций, общие закономерности функционирования динамических церебральных структур, показатели межполушарной функциональной асимметрии и, следовательно, доминирующий у обследуемого алгоритм функционирования информационно-аналитических структур ЦНС.

Показатели темпа двигательных реакций фиксируются в течение определенных промежутков времени, например в течение каждых 10 или 20 с. При анализе рассматриваются соотношения установленных показателей за каждый период измерения. За исходный показатель принимают частоту движений за первый период тестирования, например 10 или 20 с. О закономерностях взаимоотношений динамических церебральных структур, скорости формирования моторных программ и силе нервных процессов можно судить по характеру изменений показателей во времени. Например, при сравнении показателей темпа двигательных реакций от исходного показателя в начале тестирования особенности реакций ЦНС и текущее функциональное состояние испытуемого могут быть отнесены к одному из следующих типов:

1. Сильная нервная система, характерирующаяся максимальным темпом движений с нарастанием в первые 10-20 с; в последующем темп может стабильно сохраняться на уровне выше исходного. Такие изменения свойственны сильному типу нервной системы.

2. Средняя сила нервной системы, характеризующаяся высоким темпом движений с постепенным замедленным снижением к концу тестирования. Этот вариант свидетельствует о наличии у испытуемого средней силы нервной системы.

3. Слабая нервная система характеризуется быстрым снижением показателей после короткого времени поддержания максимального темпа двигательных реакций.

При анализе регистрируют продолжительность времени тестирования - Т, частоту двигательных реакций за каждый период наблюдения - n, время пребывания контактов (сенсорных или подпружиненных кнопок) в нажатом состоянии - Tcns и время двигательных реакций при переносе пальцев рук с одних контактов на другие - Tmot. Время формирования моторных программ в ЦНС человека - Tfmpr - рассчитывают по формуле для правой и левой руки и соответственно для левого и правого полушарий мозга, отдельно по формуле:

Tfmpr=(Т-Tmot)/n=Tcns/n,

где Tfmpr - время формирования моторных программ в ЦНС,

n - количество двигательных реакций за определенный период тестирования,

Tcns - время на формирование моторных программ для обеспечения n двигательных реакций в центральных звеньях динамических церебральных структур,

Tmot - время на осуществление n двигательных реакций за установленный период тестирования.

Результаты испытаний эффективности предложенного способа тестирования с определением времени формирования моторных программ и определением межполушарной функциональной асимметрии мозга приведены в таблице.

Таблица Результаты исследований скорости формирования моторных программ в ЦНС по данным определения времени центрального программного времени и времени двигательных реакций у студентов (выписка из протокола научных исследований)
Период тестирования, С	Длит-ть, с	Левое полушарие мозга	Правое полушарие	Показат.функц. асимметрии
Число нажатий, n	Т на 1 нажатие, с	Tmot, С	Tfmpr с	Динамика, %	Число нажатий, n	Т на 1 нажатие, с	Tmot,с	Tfmprc	Динамика, %
1-10	10	32	0.3125	0.125	0.1875	100	28	0.35714	0.128	0.2291	100	0.04164
11-20	10	31	0.32258	0.128	0.1946	103.8	27	0.37037	0.133	0.2374	103.6	0.04279
21-30	10	29	0.34483	0.133	0.2118	108.9	26	0.38462	0.136	0.2486	104.7	0.03679
31-40	10	26	0.38462	0.136	0.2486	117.4	22	0.45455	0.141	0.3135	126.1	0.06493
41-50	10	23	0.43478	0.141	0.2938	118.2	21	0.47619	0.144	0.3322	105.9	0.03841
М:	10	28	0.35986	0.133	0.2273	109.6	24.8	0.40857	0.136	0.2722	108.1	0.04491
Обозначения: Tfmpr - время формирования моторных программ в ЦНС, n - количество двигательных реакций за определенный период тестирования, Tcns - время на формирование моторных программ для обеспечения n двигательных реакций в центральных звеньях динамических церебральных структур, Tmot - время на осуществление n двигательных реакций за установленный период тестирования.

Из данных таблицы видно, что предложенный способ оценки состояния ЦНС человека с регистрацией времени реакций рукой, управляемой из определенного полушария мозга, позволяет добиться поставленной цели - повысить точность определения функционального состояния степени межполушарной функциональной асимметрии мозга, оценить скорость формирования моторных программ в ЦНС и выявить закономерности функционирования динамических церебральных структур под влиянием психоэмоциональной установки на осуществление максимального числа двигательных реакций в течение определенного периода времени.

Описанный способ выявления закономерностей функционирования динамических церебральных структур, в том числе: скорости формирования моторных программ, изменений показателей межполушарной функциональной асимметрии и степени влияния психологических установок на продуктивность деятельности, апробирован в исследованиях Педагогического института физической культуры с участием студентов Московского городского педагогического университета. Анализ экспериментальных данных, полученных при обследовании студентов, свидетельствует о высокой их информативности относительно прогностической оценки успешности предстоящей деятельности. Из полученных в ходе исследований данных следует также, что у испытуемых юношей выявляются различные скорости формирования моторных программ в правом и левом полушариях мозга, при этом высокая функциональная активность левого полушария мозга обычно превышает активность при формировании моторных команд в правом полушарии.

Предлагаемый способ оценки функционального состояния ЦНС человека может быть использован в физиологических и психофизиологических исследованиях трудового процесса, при изучении закономерностей функционирования информационно-аналитических структур мозга в случаях резкого возрастания напряженности деятельности, при изучении эффекта воздействия на людей неблагоприятных факторов жизнедеятельности. Достоверные данные об изменениях времени формирования моторных программ под влиянием физических упражнений (тренировочного процесса) и различных неблагоприятных факторов внешней среды позволяют специалистам составить более точное представление о закономерностях функционирования структур мозга человека и научно обосновать методы повышения эффективности деятельности организма человека при высоких физических и психоэмоциональных нагрузках. Предложенный способ тестирования позволяет получать достоверную информацию о изменениях активности динамических церебральных структур, доминировании того или иного алгоритма функционирования информационно-аналитических и моторно-программирующих систем мозга.

Предложенный способ тестирования с определением закономерностей функционирования важнейших структур мозга человека по критериям мировой новизны, полезности и технической осуществимости удовлетворяет требованиям, предъявляемым к патентам на изобретение.

В использовании данного изобретения могут быть заинтересованы различные научно-исследовательские учреждения РАН, РАМН, Олимпийского комитета РФ, специалисты спортивных клубов и других организаций, занимающихся изучением механизмов деятельности мозга в процессе трудовой, интеллектуальной, спортивной или иной деятельности человека, изучением влияния неблагоприятных факторов условий жизнедеятельности, в том числе монотонии и гиподинамии и др.

1. Способ определения функционального состояния церебральных структур по выраженности межполушарной функциональной асимметрии, включающий определение времени реакций, осуществляемых правой и левой рукой, отличающийся тем, что определяют частоту и время нажатия на кнопки, а также время переноса пальцев на другие кнопки, рассчитывают время формирования моторных программ Tfmpr в каждом из полушарий мозга по формуле

Tfmpr=(T-Tmot)/n,

где Т - продолжительность времени одного периода тестирования, например 10 с или 20 с;

n - количество двигательных реакций за определенный период тестирования;

Tmot - время на осуществление двигательных реакций за период тестирования; и по разнице показателей Tfmpr левого и правого полушарий мозга определяют выраженность межполушарной функциональной асимметрии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, продолжительность времени тестирования устанавливают, например, 50 или 100 с и регистрируют частоту временных параметров движения в течение четко определенных промежутков времени, например каждые 10 или 20 с.