Биоуправление в медицине и физической культуре. Проф. С.Н. Кучкин.
Информация взята с сайта "Теория и практика физической культуры"
Профессор
С.Н. Кучкин
Волгоградская государственная академия физической культуры, Волгоград
Ключевые слова: биоуправление, медицина, физическая культура, обратная связь, метод биологической обратной связи, практика биоуправления, перспективы реализации.
БИОУПРАВЛЕНИЕ И ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ
Дальнейшее повышение резервных возможностей человеческо го организма лежит в сфере интеграции его психических и физиологи ческих возможностей, что может послужить основой таких достижений личности, которые далеко выходят за пределы наших представлений о возможностях Homo sapiens.
В этом плане весьма перспективным является развитие определенного направления в психофизиологии, в частности прием введения каналов срочной информации о состоянии изучаемого объекта в виде биологических обратных связей (БОС), который получил международное признание (Biofeedback - биоуправление).
Основная концепция БОС сводится к тому, что информация о собственном функциональном состоянии позволяет пациенту, спортсмену, оператору обучиться саморегуляции и модификации исследуемой и регулируемой физиологической функции. Из этого следует, что БОС приобретают большую ценность как метод активизации состояния функциональных систем организма (И.Г. Чугаев, К.А. Лисицина, 1991). При этом, если осуществляется мониторинг (непрерывный контроль) показателя какой-либо функции, следует говорить о БОС, а если эта информация используется с целью изменения состояния человека, более целесообразно использовать термин "биоуправление с БОС" или, как чаще встречается в отечественной литературе, "адаптивное биоуправление с БОС" (Н.В. Черниговская и др., 1975, 1978, 1982, 1983; Э.М. Сохадзе и др., 1985; Н.Н. Василевский, 1989, и др.).
Биоуправление и теория функциональных систем. С точки зрения теории функциональных систем академика П.К. Анохина, обратные связи представляют собой сложное функциональное образование, включающее сигналы с периферии от результатов действия и его параметров, параметров функционирования систем и гомеостаза и оценку этих сигналов в аппарате сличения - акцепторе результата действия. Оценка осуществляется в нейрональных структурах путем сравнения полученных сигналов с эталонами (моделями), хранящимися в кратковременной или оперативной памяти. При этом происходят явления согласования (при сравнении с эталоном) или рассогласования (при несовпадении), а следовательно, закрепления данной функциональ ной системы или ее переформирования (Е.П. Ильин, 1983).
Виды обратных связей. Выделяют внешнюю обратную связь (с дистантных сенсорных систем - слуховой, зрительной, тактильной) и внутреннюю (с проприоцептивной, интероцептивной). Обратную связь (ОС), действие которой приводит к увеличению выходного сигнала при неизменном сигнале на входе, называют положительной, вызывающую уменьшение - отрицательной. В целом ОС доставляет регуляторам сигналы о результате управляющего воздействия. Обратная связь может быть срочной и отставленной. Первая поступает по ходу деятельности, вторая сообщает о результатах несколько позже.
Существует специфическая биоритмологическая адекватность и сопряженность паттерна подаваемых сигналов обратной связи. Н.Н. Василевский, З.А. Алексанян (1981), И.М. Киселев (1984) обнаружили так называемый адаптивный диапазон с секундными и декасекундны ми периодами. Этот диапазон примечателен тем, что посредством его обеспечиваются разнообразные межсистемные взаимодействия, необходимые для ассоциативного регулирования функций в процессе адаптации. Причем биоэффекты управления с обратной связью более выражены, если исходное состояние человека дестабилизировано. Это повышает чувствительность к различным воздействиям (Н.П. Бехтерева, 1980).
Очень важно, чтобы поступающая к человеку по каналам обратной связи информация не требовала дополнительной обработки _ перекодирования, т.е. перевода ее из одной системы понятий в другую или одних символов и знаков - в другие, что затрудняет управление действиями (Б.Ф. Ломов, 1989).
Метод БОС. Метод БОС, зародившийся на стыке медицины, биологии и техники, в настоящее время представляет собой успешно развивающееся направление науки и практики. Это _ современный немедикаментозный метод совершенствования нормальных, здоровых и коррекции нарушенных или неоптимально работающих функций организма, основанный на целенаправленной активизации резервных возможностей организма.
Процесс саморегуляции и самоконтроля функционального состояния (ФС) человека эффективнее осуществляется на основе биоуправления с приемами введения БОС, обеспечивающей дополнительный сенсорный контроль над физиологическими процессами с выработкой навыков ассоциативного регулирования. Показана возможность регулирования сердечного ритма, АД, сосудистого тонуса, температу ры кожи, моторных реакций желудочно-кишечного тракта, нервных процессов (Л.Г. Дикая, Б.Н. Митрофанов, 1989; В.А. Глазкова, 1986; Ф.Ф. Водоватов, 1989).
В медицине метод БОС-терапии имеет основные признаки:
- непрерывный мониторинг исследуемых физиологических процессов;
- представление пациенту сенсорной обратной связи регулируемой функции в реальном времени (on line);
- инструкции, мотивирующие пациента (E. Richter-Heinrich, N.E. Miller, 1982).
В спорте метод БОС наиболее успешно зарекомендовал себя в процессе обучения движениям, происходящем успешнее, если человек видит результаты совершаемых им действий, если к нему поступает информация о параметрах движений. Наибольший вклад в теорию управления движениями в спорте сделали В.С. Фарфель (1975) и его школа.
Jellyes S. (1974), рассматривая значение БОС в обучении, выделяет:
- БОС как ощущение различного уровня;
- БОС как ответ, когда испытуемый усваивает тот вид оперантного ответа, реакция которого подкрепляется;
- БОС как осознавание внутренних процессов. Благодаря перцептуальной дифференции БОС могут способствовать переходу в план обычно неосознаваемых интеро- и проприорецептивных процессов;
- БОС как обратная передача. При оперантном обучении БОС используются тогда, когда не было никакой предыдущей связи между регулируемым физиологическим процессом и регуляционной деятельностью.
Значение биоуправления . В настоящее время метод БОС и биоуправление используются для решения самых различных задач: от изучения функциональных механизмов контроля и регуляции физиологических систем организма, обучения до попыток изменить характер поведенческих реакций (J. Rozenfeld et al., 1969; В.В. Парин, Р.М. Баевский, 1966; С.А. Бугаев, А.Ю. Водяной, 1992, и др.). Весьма эффективно использование методологии биоуправления для повышения человеком точности самооценки уровня и динамики физиологических сдвигов, что может иметь важное значение и в клинике, и при обучении различным приемам психорегулирующей тренировки, приемам релаксации, повышению физической кондиции, реабилитации после травм и др. (W. Green, 1985; Т.А. Айвазян, 1988; А.А. Верещагин, 1988; А.М. Соколов, А.М. Абрамов, 1991, и др.).
Ряд авторов (Gans D.S., 1985; А.М. Гончаренко, Т.М. Талейснак, В.М. Шахнорович,1985; Ytnry J.P., 1989) предлагают использовать в качестве антистрессовой терапии специальный тренинг, основанный на БОС и направленный на умение контролировать собственные эмоции, соматическое напряжение.
Наиболее важной конечной целью обучения человека биоуправлению является произвольное изменение в нужном направлении различных физиологических функций и параметров или на основе контроля за ними введения параметров деятельности человека в необходимое русло. К сожалению, в таком сложном виде человеческой деятельности, как спорт, принципы биоуправления еще мало используются (кроме обучения движениям и использования спорттестеров для контроля ЧСС) для сознательного контроля самими занимающимися различных параметров физиологических сдвигов и направленного изменения собственного функционального состояния. В таком случае спортсмен выключается из управления тренировочным процессом (Е.А. Разумовский, 1993).
ПРАКТИКА БИОУПРАВЛЕНИЯ
Остановимся теперь на аспектах практическо го использования БОС и приемов биоуправления с БОС в практике.
Биоуправление дыханием. В работах И.С. Бреслава (1975), одного из пионеров исследования произвольной регуляции дыхания, показано, что введение визуальной обратной связи о величине дыхательного объема, который по инструкции должен быть испытуемым удвоен, тут же приводит к точному выполнению задания, несмотря на сдвиги в гомеостазе _ снижение РА СО2. Без обратной связи эта процедура выполняется куда менее успешно.
Если изменить задание и инструктировать испытуемого о достижении сниженного РА СО2 до 5 об.%, то это великолепно получается при визуальной БОС по РА СО2 и выполняется со значительной ошибкой без обратной связи.
Однако после соответствующей тренировки испытуемый запоминает дыхательные ощущения и выполняет даже более трудные задания - повышение РА СО2 уже без БОС.
Следовательно, дыхательные ощущения тренируемы, что успешно осуществляется с включением визуальной БОС.
Оперантное обучение. В классических опытах И. Миллера (1968, 1970) по оперантному обучению изучали применение такого сложного для произволь ного контроля параметра, как изменение АД крысами. Экспериментальные крысы получали БОС "вознаграждение" путем электрического раздражения эмоциогенных зон мозга (по типу опытов Олдса), когда они повышали или понижали АД и чему они вскоре обучались в отличие от контрольных животных. Получалось это и с повышением и понижением ЧСС, но не получалось с изменением перистальтики кишечника.
Опыты с оперантным обучением показали, что подкрепление в виде БОС может быть мощным инструментом целенаправленного изменения поведения для получения соответствующего полезного приспособительного результата.
Биоуправление в физической культуре и спорте. Как же происходит освоение биоуправления с БОС в спортивной практике? Надо заметить, что в этом плане пока заметного прогресса, особенно в отечественном спорте, не наблюдается.
Очевидно, исследования значения оперативной обратной связи (срочной информации) при обучении разнообразным движениям, сделанные школой В.С. Фарфеля ("Управление движениями в спорте".- М.: ФиС, 1975), к сожалению, не были продолжены.
В качестве вполне освоенного метода БОС следует считать использование пульсометрии в оценке тяжести нагрузки, ее энергетического режима, границ ЧСС, в которых укладываются различные нагрузки, и т.д. За рубежом широко распространены различные спорттестеры с индикацией как визуальной, цифровой, так и звуковой. Хороших отечествен ных приборов пока нет.
Приведем несколько примеров использования БОС по ЧСС в тренировке. Так, если в дистанцион ной тренировке контроль ведется в заданной ЧСС, то спорттестер устанавливается на нее и дает соответствующие сигналы. Если такового нет, то в тренировке по секундомеру (ручной, "бегущая стрелка") через определенные промежутки времени пальпатор но осуществляется контроль реальной ЧСС и делается соответствующая корректировка.
В интервальной тренировке, где определены требования к величине ЧСС на высоте нагрузки и в конце фазы восстановления, БОС по ЧСС просто необходима. Некоторые разновидности сочетаний темповой и интервальной тренировок также требуют использования оперативной информации по ЧСС.
Одним из важнейших моментов в тренировке является повышение точности ощущений спортсменом как общесоматических, двигательных, так и вегетативных функций, т.е. оперантное обучение.
Общеизвестно, что сама тренировка, построенная на многочисленных обратных связях в виде сообщений результатов деятельности, замечаний, коррекции ошибок и т.д., способствует повышению точности ощущений спортсменов. Наиболее точно спортсмены оценивают конечные результаты деятельности. Так, пловцы разного уровня подготовлен ности допускают ошибку в оценке результатов проплывания дистанции, тем меньшую, чем выше их квалификация. Это вполне понятно. Но в любом случае, если спортсмена тренировать к таким ощущениям, то успех их улучшения, как говорится, гарантирован.
Приведем результаты специальных исследова ний изучения способности человека оценивать величины различных дыхательных параметров в условиях физических нагрузок. Как известно, основными показателями паттерна дыхания являются величины дыхательного объема и продолжительность дыхательного цикла. В нашей лаборатории И.Н. Солопов и А.Н. Красильников показали, что человек гораздо менее точно оценивает малые величины дыхательного объема (около 10 и 25% от ЖЕЛ), чем большие (90% от ЖЕЛ). Введение БОС эту способность значительно улучшает. Точно то же происходит и с оценкой величины других двигательных параметров.
При мышечных нагрузках точность БОС от исследования к исследованию повышается. Причем способность к самооценке величин различных физиологических показателей может служить определен ным измерителем состояния спортсмена. Показатели ошибок самооценки, стабилизировавшись на уровне 3-7% после тяжелых нагрузок, вызывающих утомление, значительно ухудшаются, а потом, после снижения нагрузок, вновь устанавливаются на прежнем уровне.
Находившиеся под нашим наблюдением высококвалифицированные пловцы из сборной России (заслуженный тренер СССР В.Б. Авдиенко) могли очень точно оценивать не только величину ЧССmax при различных нагрузках, но и величину пульс-суммы восстановления (ЧСС0-10+ ЧСС30-40+ ЧСС60-70), величину лактата и другие показатели. Это позволяло тренеру порой давать такие, казалось бы, немыслимые задания, как проплыть отрезок дистанции на пульс-сумме 65, 70, 75 уд/мин или на лактате 4, 6, 8 мМ/л, и спортсмены точно выполняли задание. Таким образом, обучение спортсменов навыкам биоуправления по различным каналам БОС переводило тренировочный процесс в идеально управляемый и более эффективный.
Биоуправление гомеостазом . Приведем результаты еще одного эксперимента, посвященного исследованию управляемого гомеостаза при мышечной работе. Суть его заключалась в том, что с помощью произвольного снижения уровня вентиляции мы добивались моделирования одновременно гиперкапнии, гипоксемии и некоторой ацидемии, что создавало эффект выполнения более тяжелой нагрузки. Исследования были проведены в лаборатории дыхания Института физиологии им. И.П. Павлова в Ленинграде с использованием комплексной спирографической установки с автоматической подачей газовых смесей (И.С. Бреслав и др., 1969).
Управление вентиляцией осуществлялось испытуемыми с помощью инструментальной обратной связи - информации о текущем уровне вентиляции. Этот показатель получали с помощью аналоговой машины МН-10, преобразовывавшей отношение Vт к общей продолжительности дыхательного цикла (Тт) в соответствующий электрический сигнал, который регистрировался графически и индицировался одновременно на экран осциллографа в виде отклонения луча. Установка сконструирована в той же лаборатории (И.С. Бреслав и др., 1984). Передвижные метки на экране осциллографа позволяли задавать испытуемому тот или иной уровень вентиляции.
Таким образом, испытуемый мог непрерывно сравнивать фактическую величину легочной вентиляции (по величине потока) с заданной и соответственно регулировать свои дыхательные движения, чтобы достичь требуемого уровня.
Произвольное снижение вентиляции (ПСВ) осуществлялось на 1/3 от исходного уровня, зарегистрированного на данной мощности работы. Введение БОС по величине дыхательного потока приводило к тому, что от опыта к опыту испытуемые добивались все лучшего выполнения задания.
Реальная вентиляция при ПСВ была значительно ниже, чем в контрольных исследованиях, что вызывало после окончания работы "вспышку" вентиляции наподобие феномена Линдгарда. На высоте нагрузок повышающейся мощности отчетливо фиксировались альвеолярная гипоксия и артериаль ная гипоксемия, гиперкапния и ацидоз (С.Н. Кучкин, 1980, 1983). Таким образом, ПСВ с БОС о текущем уровне вентиляции может моделировать необходимые гомеостатические сдвиги в сторону создания необходимых изменений во внутренней среде организма тренирующего характера.
Гиповентиляционная тренировка после предварительного обучения может быть легко осуществлена в естественных условиях тренировки. Так, легкоатлеты используют специальное диафрагмирова ние дыхания (дыхание с узким отверстием в загубнике), футболисты - специальные жилеты с повышенным эластическим сопротивлением (С.Н. Кучкин, И.Н. Солопов и др., 1996), пловцы - дыхание с соотношением двигательных циклов 1: 3, 1:5, 1:7 и т.д.
Такие воздействия оказывают высокий тренирующий эффект, что нашло подтверждение на практике.
ПУТИ ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДА БИОУПРАВЛЕНИЯ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
Для реализации метода биоуправления необходимы специальные устройства, которые должны удовлетворять двум основным требованиям:
- достаточно точному измерению управляемо го или оцениваемого параметра;
- звуковому, визуальному, тактильному или иному отображению величины измеренного параметра в цифровом или аналоговом виде.
В связи с этим встает весьма важная проблема технического обеспечения реализации метода биоуправления с обратной связью. Готовых приборов для реализации метода биоуправления крайне мало или они недоступны широкому кругу потребителей.
Решение данной проблемы может осуществляться двумя путями:
- путем разработки блоков преобразования и вывода информации для аудио- или визуального мониторинга, подключающихся к выходу серийных промышленных измерительных приборов;
- путем разработки специализированных приборов, позволяющих измерять величину того или иного параметра с приемлемой точностью, преобразовывать и выводить эту информацию для аудио- или визуального контроля.
Информация по каналу обратной связи может выводиться либо в аналоговом виде (звуковые сигналы, дифференцированные по силе или тону, световые линейки и т.п.), либо в цифровом виде на дисплее.
Нами ведется разработка устройств для биоуправления в обоих направлениях. Разработано несколько вариантов световых аналоговых линеек для мониторинга величины и динамики параметров дыхательной функции, температуры тела и др. Разработано несколько модификаций специализирован ных приборов для биоуправления по параметрам внешнего дыхания с выводом информации на цифровое табло (приборы биоуправления дыхательны ми параметрами "АЛЬТАИР", "АЛЬФА", позволяющие измерять и отображать на табло текущий уровень легочной вентиляции, дыхательного объема и частоты дыхания).
Проектируются модельные устройства для изготовления приборов и технических средств с БОС:
- измеритель объема легочной вентиляции (датчик-турбинка, трубка Флейша, индикация цифровая);
- измеритель частоты движений (индикация цифровая);
- биолокационная безынерционная рамка на микроподшипниках;
- измеритель кожного сопротивления с цифровой индикацией;
- измеритель длительности фаз дыхательного цикла с цифровой индикацией;
- миотонометр с цифровой индикацией.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, использование биоуправления с БОС позволяет решать самые различные задачи диагностического, терапевтического и тренирующего характера, что в целом может способствовать расширению резервных возможностей человеческого организма в различных ситуациях медицины и спорта.
Литература
1. Бреслав И.С. Произвольная регуляция дыхания.- Л.: Наука, 1975.
2. Научно-техническая революция: Сб. науч. трудов /Под ред. акад. АМН СССР К.В. Судакова.- М., 1989.
3. Черниговская Н.В. Адаптивное биоуправление в неврологии.- Л.: Медицина, 1978.
4. Черниговская Н.В., Мовсисянц С.А., Тимофеева А.Н. Клиническое значение адаптивного биоуправления.- Л.: Медицина, 1982.