Сегодня уже ни у кого нет сомнений в том, что жизнедеятельность человеческого организма тесно связана с электромагнитными процессами. Нервные клетки несут электрические заряды, по нервным волокнам непрерывно проходят электрические импульсы, то сильные, то слабые. Пример напряженной электромагнитной активности представляет собой работа мозга. В мозгу непрерывно совершаются электромагнитные процессы. Если на лоб и затылок наложить металлические пластины, соединенные через усилитель с регистрирующим прибором, то можно зафиксировать непрерывные электромагнитные колебания коры головного мозга. При этом их ритм, форма и интенсивность находятся в прямой зависимости от состояния человека.
В результате многочисленных экспериментов ученых, исследовавших работу мозга, получены весьма любопытные данные об электромагнитных колебаниях. В мозгу сидящего спокойно с закрытыми глазами, не думающего ни о чем человека совершается около 10 колебаний в секунду. Когда же человек открывает глаза, мозговые волны исчезают и вновь появляются, когда глаза закрыты. Интересно и другое: когда, например, человек засыпает, ритм колебаний замедляется. По характеру колебаний можно весьма точно определить момент начала и конца сновидения.
При заболеваниях мозга характер электромагнитных колебаний меняется особенно резко. Все это лишний раз доказывает, что мозговые клетки находятся в состоянии постоянной активности и большие количества их "колеблются" вместе, подобно скрипкам огромного оркестра.
Предполагают, что электромагнитные колебания не просто сопутствуют работе мозга, а являются важнейшим моментом всей его жизнедеятельности. Поступающие в мозг нервные импульсы не идут проторенными путями, а меняют всю картину распределения колебаний в коре больших полушарий.
Характер электромагнитной активности мозга меняется с возрастом в течение всей жизни и обучения. При этом следует подчеркнуть, что каждому ощущению, каждой мысли отнюдь не соответствует свое собственное, определенное колебание. О чем думает человек, по форме электромагнитных колебаний ученые еще не научились определять.
Какие функции выполняют электромагнитные процессы в мозгу, мы также пока не знаем. Но они отчетливо показывают, что материальной основой нашего мышления являются электромагнитные процессы в наиболее высокоорганизованной материи, которую создала природа на нашей планете. Эта мысль подтверждается сегодня многочисленными примерами из жизни и практики.
Мы пока еще не знаем конкретно, каков механизм восприятия магнитных полей мозгом. Но современная биофизика уже достаточно исследовала многие вопросы, связанные с электромагнитными колебаниями и, в частности, с явлением передачи мыслей на расстояние.
Лаборант надел на голову испытуемого легкий венок, свитый из тончайших металлических пластинок, а на правую руку - такой же легкий браслет.
От Вас требуется только одно,- пояснил он,- думать и только думать...
О том, как Ваша рука, скажем, сжимает какой-либо предмет.
Начали! - последовала команда, и лаборант включил установку.
Странное дело, человек не нажимал никаких кнопок, не поворачивал ручек, а лишь мысленно представлял движение кисти своей руки. И железная "рука", приводимая в движение с помощью гидравлических и электрических устройств, в точности повторила мысленный приказ человека, подчиняясь его воле.
Как же действует это чудо автоматики? Работа такой "руки" основана на биотоках организма, т. е. токах, вырабатываемых в нервных клетках. Когда человек двигает рукой или ногой, в его мышцах возникают биотоки. Но человек может по своему желанию вызвать появление биотоков в мышце и регулировать их силу, не производя никаких движений. Достаточно лишь сигнала, приказа мозга: "Пусть мышцы сократятся". И обязательно возникает биоток определенной мощности.
Первая модель искусственной руки, управляемой биотоками, была создана в 1957 году. В последующие годы модель совершенствовалась. Участники проходившего в Москве 1-го Международного конгресса Федерации по автоматическому управлению стали очевидцами такой необычной картины. Пятнадцатилетний мальчик, лишившийся кисти руки, взял искусственной рукой кусок мела и написал на доске отчетливым почерком: "Привет участникам конгресса!" Кисть протеза, которой были выведены приветственные слова, казалась живой. Она сжималась и разжималась. Ее движениями управляли мышечные биотоки.
Искусственная рука дает возможность выполнять работу, которая под силу искусному мастеру. С ее помощью можно работать напильником и молотком, печатать на пишущей машинке, управлять мотоциклом и автомобилем. Ученые хотят, чтобы искусственная рука не только обрела большую силу и возможность воспроизводить движения пальцев, но и могла различать горячее и холодное, влажное и сухое, гладкое и шероховатое. В Центральном научно-исследовательском институте протезирования и протезостроения изготовлен макет руки с чувствительными к давлению датчиками, укрепленными на кончиках пальцев. Советский инженер А. Шнейдер разработал еще более совершенный протез руки, который способен посылать нервной системе сигналы о силе сжатия пальцев.
Для координации двигательных функций биоэлектрической руки в последнее время начинают использовать различные логические и вычислительные устройства. В протез закладываются программы различных движений, так что ряд сложных движений может осуществляться от одной команды.
Искусственные руки окажутся полезными не только инвалидам, но и здоровым людям, особенно шоферам, летчикам, космонавтам.
Биотоки можно усилить, после чего их можно передавать на большие расстояния по проводам и радио. Следовательно, искусственные руки будут работать там, где небезопасно или в тех местах, куда человеку не попасть. Искусственная рука, управляемая желаниями человека, может совершать сложные манипуляции с микроскопически малыми объектами под микроскопом, проникать в зоны атомных установок, не боясь повышенной радиации. Манипуляторы, управляемые биотоками, могут спуститься на дно морское и, получая биоэлектрические импульсы сквозь многометровую водную толщу, исследовать морское дно. С помощью мощных металлических захватов можно подготовить к подъему затонувший корабль. Контроль за действием стальных "рук" будет осуществлять подводный телеглаз. Все, что происходит в глубинах моря, можно будет увидеть на экране телевизора.
В процессах управления можно использовать биотоки различных мышц человека. Так, например, биотоки сердечной мышцы успешно управляют рентгеновским аппаратом, в результате чего можно получить снимок сердца в любой момент его сокращения. Они могут управлять и подачей хлороформа оперируемому.
Лицевые мышцы, расположенные в непосредственной близости от мозговых центров и обладающие малой массой (чем меньше масса мышцы, тем быстрей мышца срабатывает), можно подключить к вспомогательной тормозной системе автомобиля, срабатывающей в случае аварийной остановки.
Для аварийной, т. е. всегда неожиданной, остановки автомобиля больше всего подходят мышцы бровей. К обычным очкам водителя прикрепляются стальные пружины, к концам которых подведены серебряные контакты, прижатые к надбровным дугам. Проводники от контактов соединены с дифференциальным усилителем на транзисторах. Выходной сигнал с усилителя подается на мультивибратор, в цепи которого стоит быстродействующее реле. Последнее передает возбуждение контактору мощного электромагнита, установленного на педали тормоза автомобиля. В момент возникновения опасной ситуации водителю достаточно нахмурить брови, и машина остановится.
В настоящее время изучается возможность создания прибора, который мог бы преобразовывать движения глазного яблока человека в импульсы, командующие органами управления различными объектами. Для этих же целей можно приспособить и чувствительные нервные окончания, расположенные на поверхности тела человека.
Биоэлектрический метод открывает принципиальную возможность управлять технической системой, не двигая рукой, не напрягая мышц, не произнося ни слова. Человеку достаточно только пожелать, и неодушевленная материя подчинится невысказанному желанию.
Перед нами модель кольцевой электрической железной дороги, по которой бойко бегает маленький локомотивчик с вагончиком. В кресле у модели сидит человек. Стоит ему лишь подумать о том, чтобы поезд двинулся, как тот послушно пускается в путь. Стоит мысленно приказать, чтобы поезд остановился, и тот выполняет и эту команду. По желанию человека поезд меняет скорость движения. Все это не сказка, а быль. Модель такой игрушечной железной дороги построена инженерами Центрального научно-исследовательского института протезирования и протезостроения. Устройство, работающее на принципах биоточного управления, снимает один сигнал с мышц, сгибающих кисть, а другой - с мышц, которые ее разгибают.
Ученые, работающие в области биоэлектрических систем управления, делают попытки сравнить их с современными электронно-вычислительными машинами. Когда мы рисуем или пишем,- говорят ученые,- наша рука движется по определенной программе. В реализации этой программы могут одновременно участвовать десятки мышц, причем в волокнах каждой из них циркулируют текущие из мозга потоки импульсов. Мы следим глазами за тем, как движется рука или карандаш в нашей руке, и в мозг поступают потоки отдельных биоэлектрических импульсов, сигнализирующих о том, как выполняется заданная программа. Мозг сравнивает программу с ее реализацией и непрерывно отдает команды, обеспечивающие правильное движение руки.
Примерно по такой же схеме работают многие современные электронно-вычислительные машины. В каждой такой машине есть узел управления, который преобразует заданную человеком программу в совокупность импульсов, и устройства обратной связи, которые информируют узел управления о том, как реализуется программа. В узле управления заданная программа непрерывно сравнивается с ее реализацией. Потоки импульсов, постоянных по величине, но переменных по частоте, циркулируют по цепям управления. Такие системы называют замкнутыми или системами с обратной связью.
Конечно, сравнение электронной машины с мозгом, устройства обратной связи с нервными клетками, исполнительных двигателей с мышцами, автомата с живым организмом носит внешний, чисто условный характер. И вместе с тем именно кибернетический подход к природе, именно подобные аналогии послужили источником идеи биоэлектрического управления. Не случайно в системах биоэлектрического управления используют различные логические и вычислительные устройства.
Проблема биоэлектрического управления будет окончательно решена тогда, когда цепь, передающая информацию от человека к техническому устройству, будет сведена к минимуму звеньев. Биоэлектрическая система воздействия человека на механизмы будет, по прогнозам ученых, в ближайшее время применяться в управлении тракторами, прокатными станами, экскаваторами, станками, кранами и т. п.
Все это, конечно,- прогнозы на будущее. Насколько они реальны, покажет жизнь. Удивительную картину использования биоэлектрической техники в будущем нарисовал крупный советский специалист в области автоматического управления академик А. П. Благонравов. Он говорил, что уже вполне конкретно стоит вопрос о создании такого робота, который будет нашим двойником и по нашему желанию будет собирать для нас минералы на Марсе, или, скажем, поздравлять с победой нового чемпиона в Рио-де-Жанейро, в то время как мы сами будем находиться в Москве. Причем речь идет не о простом механическом роботе, способном выполнять заданную программу. Речь идет о создании такого робота, который будет повиноваться вашей мысли. Это не мистика, не фантастика!
Пока это в будущем. Но первые шаги на пути к этому чудесному будущему уже сделаны.
Успехи ученых в создании "умных", наделенных искусственным интеллектом роботов, позволят в самое ближайшее время решить многие научные и производственные проблемы и, в частности, осуществить переход на более высокий уровень автоматизации - к гибким производственным комплексам, цехам и заводам-автоматам - прообразам техники будущего.
Биотоки мозга при различных заболеваниях
А. Ф. Макарченко и Н. Л. Горбач отметили значительное разнообразие электроэнцефалографических картин при рассеянном склерозе и, следовательно, отсутствие какойлибо специфичности изменений биотоков мозга при этом заболевании. Доминировали значительная дезорганизация и десинхронизация аритма, нередко с усилением как быстрых компонентов ЭЭГ, так и с замедлениями и появлением 0волн. Аволны наблюдались лишь у одной больной с давностью заболевания около 20 лет и с выраженной симптоматикой поражения головного мозга.
С точки зрения понимания изменений основной ритмики в ЭЭГ при патологическом нарушении корковоподкорковых взаимоотношений представляет определенный интерес состояние биоэлектрических явлений в коре головного мозга при хронической форме энцефалитов, в частности при эпидемическом энцефалите.
Между характером нарушений ЭЭГ и клиническими проявлениями эпидемического энцефалита имеется определенная связь. Так, при акинетической форме паркинсонизма электрическая активность понижается, а при гиперкинетическои повышается.
Исследование колебаний биоэлектрических потенциалов у больных с акинетической формой паркинсонизма обнаружило общее ослабление электрической активности коры мозга, аритм по частоте не превышает 8-10 колебаний в секунду. Его амплитуда неравномерна, отмечаются частые перерывы до 2,5 секунд. Во всех отведениях регистрируются медленные волны, которые при освещении глаз либо не изменяются либо несколько учащаются.
В литературе имеются интересные данные об изменениях электрической активности мозга и при таком общем инфекционном заболевании, как ревматизм, характеризуемый широко распространенным поражением соединительной ткани.
Первое исследование в этой области проведено Ниманом на 20 больных. Несмотря на то, что за малым исключением у всех больных наблюдалась клинически благоприятно протекающая форма ревматизма (легкие артриты, кардиты со спонтанным улучшением впоследствии) без значительных психических и неврологических проявлений, у 14 из них была обнаружена явная электроэнцефалографическая патология, аритм был ослаблен, иногда отсутствовал, доминировали билатеральные медленные д и в волны; в отдельных случаях отмечалась тенденция к уплощению, сглаживанию кривой биотоков; в одном случае регистрировались локализованные острые волны При серийном обследовании ЭЭГ в процессе выздоровления у половины больных наблюдалась нормализация ЭЭГ с уменьшением медленных колебаний и появлением а ритма. Автор отмечает лишь слабую корреляцию между тяжестью соматической ревматической симптоматики и степенью патологичности, в половине случаев при клиническом улучшении ЭЭГ нормализовались очень медленно и недостаточно, что, по мнению автора, свидетельствует о наличии хронического су клинического последействия.
М. Г. Астапенко из 20 обследованных больных неспецифическим инфекционным полиартритом обнаружила 18 нарушение ЭЭГ в виде угнетения аритма или явлений дизаритмии; иногда появлялись также и медленные патологически Дволны. И. А. Бронзов изучал биоэлектрическую активность мозга у 40 больных острым и подострым ревматическим полиартритом и ревмокардитом. Автор считает, что острые формы ревматизма характеризуются доминированием аритма высокой амплитуды. Переход процесса в фазу подострого течения характеризуется снижением уровня электрической активности, главным образом за счет снижения амплитуды и процентного содержания аритма. По наблюдениям Бронзова, динамика ЭЭГ имеет определенное прогностическое значение, указывая в ряде случаев на последующее благоприятное или неблагоприятное затяжное течение заболевания.
Электроэнцефалографические исследования при церебральном ревматизме в отечественной литературе впервые представлены работами М. М. Модель и Т. П. Симеон. Они приводят четыре наблюдения, в которых у больных с различными формами ревматического поражения головного мозга на ЭЭГ были обнаружены диффузные изменения в виде тахиритмий, слабо выраженных Дволн, отдельных пикообразных потенциалов.
Нервы пронизывают все тело и благодаря им организм выступает как единое целое. Стоит перерезать нерв, ведущий к какой-либо мышце, и она становится парализованной, подобно тому, как перестает работать цилиндр мотора, если порвать провод, передающий импульсы тока запальной свече.
В школе нам рассказывали об опытах Гальвани по возбуждению нервных окончаний лапок лягушки. Все видели, что при подключении тока к определенным точкам, лапки лягушки начинают сокращаться. Это подтверждает предположение о том, что нервный импульс имеет электрическую природу. Фактически передаваемый волокнами нервный импульс представляет собой кратковременный электрический импульс.
После этих опытов нервы стали воображать электрическими проводами, предающими сигналы от мозга ко всем органам. Современные исследования показали, что это не совсем верно. Нерв – не электрический провод, а, скорее, релейная линия. Поступающий сигнал передается только соседним участкам линии, где он усиливается, а затем передается дальше, снова усиливается, и снова передается, пока не достигает конечной точки. Благодаря этому сигнал может быть передан без ослабления на значительные расстояния, несмотря на естественное затухание в канале передачи.
Тело нейрона не отличается от других клеток ни своими размерами, ни другими особенностями. Однако нейрон, в отличие от других клеток, имеет не только клеточное тело – он рассылает для исследования отдаленных частей организма дендриты (отростки). Отростки распространяются на небольшие расстояния. Один только аксон, диаметром менее 0,01 мм, отходит от нейрона на громадные расстояния, измеряемые сантиметрами и даже метрами. Все нейроны ЦНС собраны вместе в головном и спинном мозге и образуют серое вещество.
Механизм работы аксона до конца не понят. Его можно упрощенно представить себе как длинную цилиндрическую трубку с поверхностной мембраной, разделяющей два водных раствора разного химического состава и разной концентрации. Мембрана подобна стенке с большим количеством полуоткрытых дверей, сквозь которые ионы растворов могут протискиваться только с большим трудом. Самое удивительное в том, что электрическое поле "притворяет эти дверцы", а с его ослаблением они открываются шире. В состоянии бездействия внутри аксона находится избыток ионов калия; снаружи – ионов натрия. Отрицательные ионы сконцентрированы главным образом на внутренней поверхности мембраны, и поэтому она заряжена отрицательно, а наружная поверхность – положительно.
При раздражении нерва происходит частичная деполяризация мембраны (уменьшение зарядов на ее поверхностях), что ведет к снижению электрического поля внутри нее. В конце концов происходит местная деполяризация мембраны. Так возникает нервный импульс. Собственно говоря, это импульс напряжения, вызванный протеканием тока через мембрану. В этот момент "приоткрываются дверцы" для калиевых ионов. Проходя на поверхность аксона, они постепенно восстанавливают то напряжение (около 0,05 В), которое было у невозбужденного нерва.
При деполяризации участка мембраны появляется электрический ток, направленный от неактивных пока участков мембраны к деполяризованному участку. В результате возникает новый деполяризированный участок, который, в свою очередь, возбуждает процессы в соседнем участке и т.д. Самовоспроизводящееся состояние деполяризации начинает распространяться по неровному волокну, не затухая, со скоростью около 120 м/с. Это и есть скорость движения нервного импульса. Нетрудно сосчитать, что импульс от мозга до кончика пальцев па ноге у человека, ростом два метра, дойдет меньше, чем за одну миллисекунду.
Ионы натрия и калия, смещенные при прохождении импульса со своих насиженных мест, постепенно возвращаются обратно непосредственно сквозь стенку за счет химических процессов, механизм которых пока еще до конца не выяснен.
Вызывает восхищенное удивление, что все поведение высших животных, все творческие усилия человеческого мозга основаны, в конечном счете, на этих чрезвычайно слабых токах и тончайших, микроскопических химических реакциях.
Мозговые волны
В мозге непрерывно совершаются электрические процессы. Если на лоб и затылок наложить металлические пластины, соединенные через усилитель с регистрирующим прибором, то можно зафиксировать непрерывные электрические колебания коры головного мозга. Их ритм, форма и интенсивность существенно зависят от состояния человека. В мозге сидящего спокойно с закрытыми глазами, не думающего ни о чем человека совершается около 10 колебаний в секунду. Когда человек открывает глаза, появляются более быстрые нерегулярные колебания. Когда человек засыпает, ритм волн замедляется, а амплитуда их нарастает. Во время сновидения характер колебаний несколько изменяется, что позволяет довольно точно определить.момент начала и конца сновидения.
При заболеваниях мозга характер электрических колебаний меняется особенно резко. Так, патологические колебания при эпилепсии могут служить верным признаком заболевания. Все это доказывает, что мозговые клетки находятся в состоянии постоянной активности, и большие количества их колеблются вместе и одновременно, подобно музыкальным инструментам большого оркестра.
Поступающие в мозг нервные импульсы не идут проторенными путями, а меняют свою картину распределения колебаний в коре больших полушарий. Характер электрической активности мозга меняется с возрастом в течение всей жизни и обучения. Надо полагать, что электрические колебания не просто сопутствуют работе мозга, как шум – движению автомобиля, а являются существеннейшим моментом всей его жизнедеятельности. У ЭВМ, способной выполнять отдельные функции мозга даже лучше, чем он сам, именно электромагнитные процессы определяют всю работу.
Нужно подчеркнуть, что каждому ощущению, каждой мысли отнюдь не соответствует свое собственное, определенное колебание. О чем думает человек, по форме электрических колебаний определить нельзя. Какие функции выполняют эти процессы в мозге, мы пока не знаем, но они отчетливо показывают, что материальной основой мышления являются электрохимические процессы превращения энергии и информации.
Мозг как электрохимическая система излучает электромагнитные волны и имеет собственное электромагнитное поле. Он использует комбинированный способ передачи сообщений, как в самом мозге, так и ко всем другим органам тела. Каждое сообщение дублируется, передается в электрической и химической формах, которые могут переходить одна в другую. Сообщения передаются в виде электрического сигнала вдоль аксона клетки мозга, а потом переходят в химическую форму, достигая синапса – точки соединения с другой клеткой.
Для того чтобы отправить сообщение, мозг должен выработать электрический сигнал. Для этого в мозге должна быть своя "электростанция". Такая "электростанция" действительно существует, хотя и не выделена отдельным объектом. Каждая клетка вырабатывает свою часть энергии. Общая мощность "электростанции" нашего мозга около 25 Вт. Этой электроэнергии достаточно, чтобы создать электромагнитное поле необходимой силы. Мы можем применить формулы квантовой физики и высчитать, на какие расстояния может простираться сформированный нашим мозгом энергетический импульс.
Мозговой "электростанции" необходимо "топливо", в качестве которого мозг использует кислород и другие продукты быстрого горения, добываемые из пищи. Большая часть энергии нашего организма уходит на поддержание работы мозга.
Параметры электромагнитного поля мозга непрерывно изменяются, что сопровождается изменением частоты его излучения. Установлено, что в каждый момент человеческий мозг "работает" в определенном диапазоне частот. Частоты, на которых работает наш мозг в различных состояниях бодрствования и сна, сейчас хорошо изучены. Мы можем зафиксировать их с помощью элекгроэнцефалографа и получить электроэнцефалограмму мозга (далее – ЭЭГ).
Основных частот (их называют также ритмами мозга) четыре.
- 1. В активном состоянии бодрствования наш мозг функционирует в ритме от 13 до 25 Гц. Это так называемое бета-состояние.
- 2. Идеальное для обучения состояние "расслабленного внимания" наступает при частоте от 8 до 12 Гц. Это так называемое альфа-состояние.
- 3. Ранние стадии сна наступают при частоте от 4 до 7 Гц. Это так называемое тета-состояние, при котором мозг перерабатывает полученную за день информацию.
- 4. Глубокий сон (от 0,5 до 3 Гц) – дельта-состояние.
В результате экспериментов обнаружено, что мы можем намного быстрее и эффективнее обучаться, когда наш мозг находится в состоянии "расслабленного внимания ". В это состояние можно погрузиться с помощью определенных типов медитации, слушая расслабляющую, успокоительную музыку.
Опытным путем подбирались ритмы, способствующие возникновению "расслабленного внимания". Особенно хорошо мозг реагирует на музыкальные ритмы в стиле "барокко". Темп этого стиля близок к длине волны мозга, который излучается в состоянии "расслабленной готовности". Книга, читаемая под музыку "барокко", легко "вплывает" в наше подсознание, мы запоминаем ее текст без усилий.
Глубокие уровни сознания и запоминания достигаются в состояниях "альфа" и "тета", которые характеризуются субъективными ощущениями расслабленности. Именно в альфа- и тета- состояниях достигается наиболее высокий уровень концентрации творческих способностей. Как можно достичь этого состояния? Тысячи людей делают это при помощи ежедневной медитации или расслабляющих упражнений. О медитации мы будем говорить отдельно. Это особенное состояние человека, когда его мозг открыт и настроен на восприятие определенных энергоинформационных полей. Из древних эзотерических книг следует, что в состоянии медитации совершаются великие подвиги постижения истины. Научиться медитировать означает научиться учиться.
Медитацией в классах заниматься неудобно. В это состояние каждый человек входит в своем режиме и в наиболее подходящих именно для него условиях. В классах определенные состояния достигаются с помощью специально подобранной музыки. Воздействие некоторых музыкальных произведений может дать те же результаты гораздо быстрее и проще. Американский профессор В. Уэбб, проводивший длительные исследования по подбору музыки для обучения, пришел к выводу, что определенные типы музыкального ритма помогают расслабить тело, успокоить дыхание, угомонить болтовню бета-ритмов и привести мозг в состояние расслабленного внимания, в котором человек исключительно восприимчив к новой информации.
Правильно подобранный ритм музыкальных произведений помогает нам запоминать сообщения. Телевизионная реклама доказывают это ежедневно. Исследователи обнаружили, что для усвоения различной информации требуется различная музыка, но в большинстве случаев, как уже говорилось, предпочтительнее музыкальные фрагменты в стиле "барокко". Преподаватели, понимающие, что нужно мозгу, в обязательном порядке используют музыку на учебных занятиях. Музыкальное сопровождение является неотъемлемой частью всех систем ускоренного обучения.
Что же касается людей, выбравших самостоятельное обучение, то смысл приведенного выше утверждения прост: включите правильную музыку, когда собираетесь повторить выученный материал, и вы вспомните его гораздо легче.
Наш мозг работает максимально, когда мы засыпаем, и это объясняет ЭЭГ мозга: мозг "просматривает" фотографии основных событий дня. Исследователи полагают, что именно в этом состоянии мозг анализирует и "рассылает" информацию на сохранение в различные ячейки памяти.
Важно подчеркнуть, что в каждый момент наш мозг работает на определенной частоте. Все другие также присутствуют, но с меньшей интенсивностью. Кроме основных частот (несущих) мозг генерирует и вспомогательные частоты (поднесущие), а также их многочисленные гармоники. Для эффективного обучения нужно избирать частоту, на которой наиболее эффективно происходит восприятие, понимание и удержание новой информации. Для этого мозгу нужно максимально "настроиться". Вот почему обучение, в котором мы хотим добиться успеха, должно начинаться с релаксации.
- – используйте "расслабленное внимание": это именно то состояние мозга, которое особенно эффективно дли обучения;
- – если вы находитесь в бодрствующем состоянии – выступаете перед людьми или работаете над интересующей вас проблемой, – ваш мозг, вероятнее всего, работает в ритме от 13 до 25 Гц (бета-уровень); это состояние не является лучшим для стимуляции долгосрочной памяти;
- – идеальная для подсознания активность мозга происходит на частоте от 8 до 12 Гц. Это альфа-уровень, состояние расслабленного внимания, которое максимально способствует усвоению фактов и усиливает память.
Нервы пронизывают все тело и благодаря им организм выступает как единое целое. Стоит перерезать нерв, ведущий к какой-либо мышце, и она становится парализованной, подобно тому, как перестает работать цилиндр мотора, если порвать провод, передающий импульсы тока запальной свече.
В школе нам рассказывали об опытах Гальвани по возбуждению нервных окончаний лапок лягушки. Было установлено, что при подключении тока к определенным точкам, лапки лягушки начинают сокращаться. Это подтвердило предположение о том, что нервный импульс имеет электрическую природу. Фактически, передаваемый волокнами нервный импульс представляет собой кратковременный электрический импульс.
Нервы стали представлять электрическими проводами, предающими сигналы от мозга ко всем органам. Современные Исследования показали, что это не совсем верно. Нерв - не электрический провод, а скорее напоминает релейную линию. Поступающий сигнал передается только соседним участкам линии, где он усиливается, а затем передается дальше, снова усиливается, и снова передается, пока не достигает конечной точки. Благодаря этому сигнал может быть передан без ослабления на значительные расстояния, несмотря на естественное затухание в канале передачи.
Тело нейрона не отличается от других клеток ни своими размерами, ни другими особенностями. Однако нейрон, в отличие от других клеток, имеет не только клеточное тело, - он рассылает для исследования отдаленных частей организма дендриты (см. рис. 6.5). Они распространяется на небольшие расстояния. Один только аксон, диаметром менее 0,01 миллиметра, отходит от нейрона на громадные расстояния, измеряемые сантиметрами и даже метрами. Все нейроны центральной нервной системы собраны вместе в головном и спинном мозге, образуют серое вещество.
Механизм работы аксона до конца не понят. Его можно упрощенно представить себе как длинную цилиндрическую трубку с поверхностной мембраной, разделяющей два водных раствора разного химического состава и разной концентрации. Мембрана подобна стенке с большим количеством полуоткрытых дверей, сквозь которые ионы растворов могут протискиваться только с большим трудом. Самое удивительное в том, что электрическое поле "притворяет эти дверцы", а с его ослаблением они открываются шире. В состоянии бездействии внутри аксона находится избыток ионов калия; снаружи - ионов натрия. Отрицательные ионы сконцентрированы главным образом на внутренней поверхности мембраны и поэтому она заряжена отрицательно, а наружная поверхность - положительно.
При раздражении нерва происходит частичная деполяризация мембраны (уменьшении зарядов на ее поверхностях), что ведет к снижению электрического поля внутри нее. В конце концов происходит местная деполяризация мембраны. Так возникает нервный импульс. Собственно говоря, это импульс напряжения, вызванный протеканием тока через мембрану. В этот момент "приоткрываются дверцы" для калиевых ионов. Проходя на поверхность аксона, они постепенно восстанавливают то напряжение (около 0,05 вольта), которое был у невозбужденного нерва.
При деполяризации участка мембраны появляется электрический ток, направленный от неактивных пока участков мембраны к деполяризованному участку. В результате возникает новый деполяризированный участок, который, в свою очередь, возбуждает процессы в соседнем участке и т. д. Самовоспроизводящееся состояние деполяризации начинает распространятся по неровному волокну, не затухая, со скоростью около 120 метров в секунду. Это и есть скорость движения нервного импульса.
Ионы натрия и калия, смещенные при прохождении импульса со своих насиженных мест, постепенно возвращаются обратно непосредственно сквозь стенку за счет химических процессов, механизм которых пока еще до конца не выяснен.
Вызывает восхищенное удивление, что все поведение высших животных, все творческие усилия человеческого мозга основаны в конечном счете на этих чрезвычайно слабых токах и тончайших, микроскопических химических реакциях.
Возможности использования телеметрии для записи биотоков мозга человека и животных, находящихся в космическом полете (У. Эйди)
Я очень коротко расскажу о работе, которую мы проделали за последние три года. Мы хотели проверить возможность записи электроэнцефалограмм (ЭЭГ) человека и животных во время космического полета (включая этапы разгона при подъеме и торможения при спуске). В этом докладе я коснусь четырех вопросов: 1) разработка методов вживления электродов для записи биотоков глубоко расположенных структур мозга; 2) разработка специальной аппаратуры для записи ЭЭГ и для тренировки животных; 3) специальная проверка на центрифуге и вибростенде при одновременной записи биотоков; 4) анализ полученных в полете данных с целью минимизации требований к телеметрической аппаратуре.
Мы проверяли методы вживления электродов в глубокие области мозга и часто сравнивали между собой различные типы электродов на одном и том же мозге. В одни участки мозга мы вводили жесткие электроды, представлявшие собой металлический стержень, из кончика которого была выведена тонкая проволочка. В симметрично расположенные участки мозга вводились тонкие проволочки без стержней. Записи, полученные с помощью этих электродов при проверке объекта на вибростенде и центрифуге, сравнивали между собой. Для определения повреждений мы исследовали эти участки мозга под микроскопом.
Участки мозга, наиболее чувствительные к изменениям физического и психического состояния, расположены в височной области. Исследования проводились на кошках, макаках и в последнее время - на шимпанзе. Мы вводили электроды в различные поверхностные и глубокие участки мозга, но большая часть моего сообщения относится к реакциям глубоких областей височных долей мозга. Часто спрашивают, возможно ли введение электродов в мозг без повреждения его при проверке объекта на вибростенде и центрифуге. Мы изучали влияние повторных испытаний на центрифуге (ускорения 8 g - 10 g) и на вибростенде. Через несколько месяцев после последнего испытания у таких животных не отмечалось более сильной реакции глии по ходу электрода, чем у животных, не проходивших проверок. Таким образом, довольно распространенное мнение о том, что при тряске электроды разрезают участки мозга, имеющего желеобразную консистенцию, не подтвердилось. Как бы то ни было, мозг не ведет себя подобным образом. Это мы проверяли много раз и в различных условиях.
На фиг. 1 изображена обезьяна (макак), привязанная к сидению центрифуги. К каждой из двух небольших пробок подходят провода от 18 электродов, которые связаны с усилительной системой при помощи специального кабеля, разработанного для управляемых снарядов и предназначенного для передачи очень малых сигналов. Конструкция кабеля позволяет минимизировать опасную статическую нагрузку на него. Между внутренней и внешней плетеными оболочками кабеля находится слой алюминиевой пудры, благодаря чему любые его изгибы не приводят к повреждениям проводов.
Подобным же образом мы произвели недавно вживление электродов в мозг шимпанзе. Трехлетний самец шимпанзе заранее был приучен к сиденью центрифуги. На его голове было укреплено обычное устройство с пробками. Этому предшествовала более чем годовая подготовительная работа. Мы использовали стереотаксический атлас, при помощи которого можно с точностью до 1 мм попасть в любую область мозга, зная вес тела и, конечно, размер головы. Это был, насколько мне известно, первый шимпанзе, которому ввели электроды и записали биотоки мозга.
Используемая аппаратура
Несколько лет назад мы разработали усилитель, удовлетворяющий нашим требованиям. Этот усилитель для снятия ЭЭГ очень устойчив и имеет коэффициент усиления около 40000. Все чувствительные к изменениям температуры элементы помещены в блок из сплава магния. После сборки и проверки усилитель помещается в оболочку из резины с эпоксидным наполнителем. Этот блок (при работе с максимальным коэффициентом усиления) выдержал испытания на вибростенде при частотах 2-5 кгц и ускорениях до 25 g. Усилитель имеет резонансный пик при 750 гц, но это не отражается на его рабочих характеристиках. Усилитель очень устойчив и способен выдержать любые внешние воздействия. Им можно даже забивать гвозди, и это не отражается на его нормальной работе.
На следующих этапах работы (сравнительно недавно) мы сконструировали микроминиатюрный усилитель, помещающийся в электроде, прикрепляемом к коже головы (фиг. 2 и 3). Эта конструкция предназначена в первую очередь для исследований человека в космическом полете. Трехкаскадный усилитель на транзисторах укреплен между двумя слоями нейлона. Размеры прибора - менее 12 мм по диаметру и по высоте. Он помещается в эпоксидную или силастиковую пластмассовую оболочку, к которой прикрепляется электрод-датчик, используемый для записи ЭЭГ. Сверху прибор окружает головка из нержавеющей стали, играющая роль экрана. Сигналы принимаются с его нижней стороны и поступают через слой губчатого вещества, пропитанного электродной пастой. Прикрепление к коже головы производится при помощи пробковой прокладки.
Для специалистов по электронике могу сообщить, что входное сопротивление усилителя составляло 150 ком. Два таких прибора, включенные в дифференциальную схему, имеют входное сопротивление 300 ком. Выходное сопротивление прибора лишь 1500 ом, в связи с чем прибор очень устойчив к возмущениям, возникающим от сотрясения кабеля при повороте головы человека или животного. Коэффициент усиления прибора равен примерно 100, что обеспечивает выходные сигналы порядка нескольких милливольт. Эти сигналы могут поступать непосредственно на генераторы поднесущей частоты, используемые при телеизмерениях.
При опытах с центрифугой мы разработали специальную тренировочную панель. Подобная панель была приспособлена ранее на базе Военно-воздушных сил Холломан для опытов с шимпанзе. На трех небольших экранах, расположенных в передней части панели, одновременно появляются различные символы. Обезьяна узнает какой-то определенный символ, надавливает на него и получает в награду вкусную пилюлю. Отличие нашей панели от панели, использованной на базе Холломан, состоит в том, что у нас возможно несколько миллионов неповторяющихся комбинаций символов. Дело в том, что шимпанзе - очень высокоразвитая обезьяна, которая может быстро запомнить ограниченную последовательность символов, после чего она уделяет им очень мало внимания.
Для телеизмерений мы пользовались стандартным генератором поднесущей системы УИЗО (управляемый импульсами запросчик-ответчик). Это было удобно для нашей лабораторной работы, так как мы могли одновременно использовать стандартный прибор для регистрации данных на магнитной ленте. Запись велась на двух дорожках, причем на каждой из них регистрировались данные от 14 каналов телепередачи (фиг. 4). Хотя прибор накладывает некоторые ограничения на полосу частот и амплитуду сигналов, система в целом получается достаточно гибкой. Она имеет ценные преимущества при некоторых вычислениях, когда сигналы с головок, установленных на нескольких каналах, могут использоваться для задач, решаемых обычно при получении сигналов от различных записывающих устройств.
Результаты испытаний
Для опытов с людьми и животными мы использовали большую центрифугу, развивающую ускорения до 10 g. С помощью этой центрифуги мы имитировали 14-дневный орбитальный полет обезьян в ракете "Атлас", в котором они самостоятельно питались на основе выработанного умения распознавать образы. В конце "полета" ускорения были близки к тем, которые наблюдаются при торможении ракеты.
В опытах с кошками при возрастании поперечного ускорения до 8 g наблюдалось резкое увеличение числа регулярно возникающих ритмических разрядов в височной области. Это явление исчезало, когда ускорение неизменно поддерживалось на величине 8 g. Когда ускорение начинает уменьшаться, оно возникает вновь, затухая при переходе центрифуги к вращению с постоянным ускорением. При таком увеличении продольных ускорений, когда животное теряет сознание, наблюдается весьма необычный разряд импульсов, напоминающий по форме эпилептический. Он возникает в глубоких областях височных долей мозга, распространяется на другие отделы и сопровождается движениями мышц и другими признаками эпилептического припадка. В некоторых случаях он не сопровождается двигательными реакциями, но, конечно, в это время полностью или в значительной степени пропадают все навыки животного по распознаванию образов.
В опытах с обезьянами при увеличении продольных ускорений наблюдались подобные же явления. Животное находилось в бессознательном состоянии, записываемые сигналы затухали. При резком уменьшении ускорения вновь появлялись судорожные разряды, после чего сознание восстанавливалось (фиг. 5).
Два года назад мы начали исследование действия вибрации на обезьяну, одетую в костюм из пенопласта, в котором поддерживалось определенное давление. В последнее время мы используем иные методы, причем обезьяна прикрепляется к сиденью, напоминающему кресло космонавта.
При частоте вибрации около 10 гц появляются сдвиги ритмов электрической активности мозга. Когда мы заметили их впервые, то решили, что это просто артефакты. Но эти сдвиги наблюдались на определенных резонансных частотах и исчезали на других, причем они были разными для различных областей мозга и в разное время. Недавно мы обнаружили, что эти явления исчезают при гибели или усыплении животного. Ясно, что это не артефакты, а нечто, указывающее на существенную аномалию ритмов, вызванную вибрацией. Остаточных явлений после этого испытания мы не замечали. Животные, которых подвергали проверке на вибростенде 2 года назад (фиг. 6), находятся в отличном состоянии.
Для того чтобы выяснить, насколько целесообразной может оказаться запись ЭЭГ при длительном космическом полете для регистрации, скажем, циклов сон - бодрствование, мы непрерывно записывали сигналы из поверхностных и глубоких участков мозга у шимпанзе, находящегося в разных состояниях - от состояния бодрствования до наступления дремоты, сопровождающегося опусканием век и мочеиспусканием. В начале сна наблюдалось регулярное увеличение амплитуды волн. Не надо быть знатоком ЭЭГ, чтобы различить, спит или пробуждается животное, так как регулярное возникновение волн с большой амплитудой дает, как мы называем, "игольчатую" запись. Когда животное просыпается, садится и смотрит вокруг, ЭЭГ приобретает совершенно иной характер (фиг. 7).
Итак, можно с уверенностью сказать, что имеется уже одна область, в которой ЭЭГ может дать денную информацию. Есть основания думать, что при длительной невесомости возможно нарушение циклов сон - бодрствование. Известно, что дельфины спят очень мало. Вероятно, что так же мало спал бы человек, если бы он находился в состоянии невесомости без одежды и при температурном равновесии с окружающей средой. Нам кажется, что все это стоит дальнейшего изучения.
Методы уменьшения избыточности информации
Наконец, мы переходим к вопросу об уменьшении избыточности информации, содержащейся в данных, полученных при помощи телеизмерений. Если бы мы смогли устранить необходимость телепередачи большого количества необработанных данных, то это было бы весьма выгодно как для самого эксперимента, так и для уменьшения ошибок в полученных данных. В одной из наших лабораторий мы работаем над выбором наиболее подходящей формы для записи данных и над методом их обработки с целью уменьшения избыточности. Информация от приборов, находящихся в этой лаборатории, может поступать непосредственно на вход большой вычислительной машины IBM 7090. Я хотел бы охарактеризовать тип задач, которые можно решать с помощью таких машин, так как это помогает понять важность совместной работы биологов и инженеров. Я неизлечим от желания "делать все самому", но тем не менее должен сказать, что именно та информация, которую мы можем получить из записей биотоков мозга, полученных при решении животным задачи распознавания, ясно показывает, насколько важен наш союз с инженерами.
В типичных ЭЭГ животного, записанных при решении им задачи распознавания символа (для получения пищи), по характеру волн мозга четко различаются период "перед распознаванием" и период "распознавания". Все наши ЭЭГ, кроме одной, записаны из глубоких участков мозга, и лишь одна запись сделана из зрительной зоны коры. Для того чтобы по возможности просто проанализировать наши записи и установить природу этих волновых процессов, мы воспользовались методом автокорреляционного анализа. Вычисления показали существенное различие между ЭЭГ в период "перед распознаванием" и в период "распознавания". Мы были поражены, обнаружив, что на основе этого анализа мы можем отличить правильные действия животного от неправильных.
Например, можно построить взаимно-корреляционную функцию фазы колебаний в различных участках мозга. Я не буду останавливаться здесь на том, как мы измеряли фазу. Для правильных реакций животного эта корреляционная функция имеет один вид, а для неправильных - другой. Мы сравнивали результаты по различным дням обучения и обнаружили, что взаимно-корреляционные функции совпадают для всех случаев правильных реакций животного, а также для всех неправильных реакций, причем между первыми и последними имеется существенное отличие. Это очень интересное применение метода, хорошо известного математикам и инженерам, использующим его для решения проблем вибрации управляемых снарядов и т. п. Теперь этот метод занял определенное место в анализе ЭЭГ.
Мы использовали значительно более сложный метод анализа, который позволил нам определить взаимно-корреляционные функции по амплитуде и фазе во всем спектре частот. Этот метод анализа, который также был разработан для исследования вибраций ракет, позволяет, например, определить корреляцию фазы колебаний в двух участках мозга на частотах от 2 до 20 гц. Мы обнаружили, что при правильной реакции животного эти колебания на частотах 2-12 гц сдвинуты по фазе на +30°. При неправильной реакции животного в фазовом угле происходят существенные изменения, причем на частоте 5 гц происходит сдвиг фазы с +90° до -90°. Мы наблюдали подобные явления у разных животных и в различных ситуациях, и нас просто поражало постоянство различия в сдвиге фаз при неправильных и правильных реакциях.
Мы использовали также математический метод, разработанный для анализа показаний магнитометра, находящегося на спутнике Земли. Изменения магнитного поля Земли производят очень малую фазовую модуляцию синусоидального выходного сигнала. Если бы магнитное поле Земли было постоянным, то никакой модуляции не происходило бы и на выходе прибора была бы идеальная синусоида.
Мы использовали этот метод для анализа ЭЭГ, полученных при распознавании животным определенного символа (для получения пищи). Записанные при этом колебания имеют почти стабильную частоту. Полученный результат можно представить как модуляцию некоторой "центральной частоты" порядка 5,5 гц. Эта частота появляется только в моменты наибольшего внимания животного.
Я знаю, что в цели настоящей конференции не входит подробное обсуждение вопроса об обработке полученных данных, и лишь подчеркну, что подобные методы обработки позволяют получить очень ценную информацию из весьма сложных записей.
Обсуждение доклада
Корсон. Одинаково ли влияет вибрация на электрическую активность всех участков мозга? Нельзя ли исследовать эту активность, применяя некоторые успокаивающие средства, например фенотиазин или какие-либо препараты, расслабляющие мышцы?
Эйди. В первую очередь нас интересуют источники тех резко выраженных изменений, которые мы наблюдаем в ЭЭГ. Их, по-видимому, следует искать в двух системах: мышечно-суставной и вестибулярной.
К областям мозга, максимально реагирующим на внешние возмущения, относятся ретикулярная система ствола мозга, некоторые первичные чувствительные области и височная доля. В этих областях ритмы, наблюдаемые при решении животным какой-либо задачи с целью получения пищи, наиболее заметны. Зрительная зона коры действует даже тогда, когда глаза животного завязаны. Для исключения фактора зрительной стимуляции мы проводили несколько опытов с обезьянами, у которых были завязаны глаза. Таким образом, имеются некоторые определенные области мозга, проявляющие наибольшую чувствительность. Однако о путях возникновения этой активности мы ничего не знаем.
Дельгадо. Не ясно, что было признано лучшим: стержневые или гибкие электроды? Второй вопрос: в какой области мозга наблюдается наиболее медленное восстановление ритма по окончании действия ускорения? Я думаю, что, говоря о височной доле, вы в основном имеете в виду аммонов рог.
Эйди. Очень интересно, что именно аммонов рог особенно медленно приходит в нормальное состояние после действия длительных ускорений. На это уходит от 30 сек до 1 мин, а для миндалины - еще больше - 2-3 мин.
Относительно качества электродов я могу сказать, что, тщательно изучив множество ЭЭГ, зарегистрированных при испытаниях на центрифуге, мы не нашли различия в кривых, полученных с помощью гибких и с помощью стержневых электродов.
При гистологическом изучении было обнаружено, что стержневые электроды не вызывали серьезных повреждений в месте их ввода в мозг. Мы не обнаружили существенных различий между глубокими (ниже 10-15 мм) участками мозга животных, испытывавшихся на центрифуге, и других животных, не проходивших эти испытания. Возможно, что при ускорениях, создававшихся в наших опытах, мозг ведет себя как вязкая жидкость, в котором перемещаются лишь самые поверхностные слои. Я не знаю, так ли все это, но мы считаем такое предположение правильным.
Маккей. Были ли расположены электроды перпендикулярно к направлению ускорения?
Эйди. Нет, они были расположены произвольно.
Мак-Каллок. Каков был метод вычисления корреляционных функций сдвига по фазе?
Эйди. Мы применяли метод взаимно-корреляционного анализа. Первоначально использовался механический коррелятор. Затем мы производили запись на магнитной ленте и использовали магнитный коррелятор. В последнее время мы используем вычислительную машину с очень большой программой, составленной для исследования вибраций ракет. Мы получаем авто- и взаимно-корреляционные функции и соответствующие спектральные плотности.
Интересен следующий факт, хотя он, возможно, расстраивает наши планы. Если взять записи 4 каналов ЭЭГ на отрезке времени 200 сек и прерывать запись каждого канала 167 раз в 1 сек, то мы получим сравнительно небольшое количество данных. Однако вычислительной машине IBM7090 при соответствующей программе нужно 90 мин для исследования этих данных. Это не является, строго говоря, уплотнением данных.
