Файл: Психологияспорта.pdf

159
МЕТОДЫ СПОРТИВНОЙ ПСИХОФИЗИОЛОГИИ
длительности выдоха. Некоторые исследователи считали дыхание объективным индикатором лжи, другие использовали в изучении эмоциональных процессов. В настоящее время дыхание обычно используют в дополнение к другим психофизиологическим мето- дам для анализа артефактов. Дыхание часто измеряют по изме- нениям объема грудной клетки и живота при каждом вдохе. На обоих этих участках прикрепляют датчик натяжения. Его растяги- вание регистрируется на полиграфе как изменение электрического сопротивления.
Некоторые исследователи регистрируют дыхание как пока- затель общего обмена веществ. Во многих исследованиях было показано, что частота и объем вдыхаемого воздуха резко умень- шается при трансцендентальной медитации или общем расслабле- нии. Также в ряде исследований было показано, что с помощью дыхания, например, гипервентиляции легких, можно изменять, а именно, повышать, частоту сердечных сокращений. Эту особен- ность, в свою очередь, активно используют в тренингах БОС, где необходимо уметь быстро переходить из состояния возбуждения в состояние расслабления и наоборот. Данный метод активно ис- пользуется в спортивной практике для того, чтобы научить спор- тсменов лучше контролировать свое функциональное состояние на каждом этапе тренировки и соревнований, лучше справляться с психоэмоциональным напряжением и стрессом, корректировать уже существующие функциональные системы для достижения наибольшей результативности своей деятельности.
ЭКГ
Электрокардиография (ЭКГ) — метод регистрации и иссле- дования электрических процессов, связанных с сокращением сер- дечной мышцы. Данный метод был открыт У. Эйнтховеном в 1903 году
9
. В клинической практике используются различные способы отведения для регистрации ЭКГ, электроды могут накладываться как на грудную клетку, так и на руки или ноги. В психофизиоло- гии ЭКГ обычно используется для измерения частоты сокраще- ний желудочков, то есть для измерения всех интервалов между последовательными комплексами QRS (электрическими зарядами, связанными с сокращениями желудочков).
9
Rangaraj M. Rangayyan, Biomedical signal analysis // A Case-Study Approach,
University of Calgary. Calgary, Alberta, Canada.

160
ГЛАВА 5. СПОРТИВНАЯ ПСИХОФИЗИОЛОГИЯ
Средняя частота сокращений сердца в покое у здорового взрослого человека составляет около 70 ударов в минуту. Вели- чины средней частоты ниже 60 уд /мин (брадикардия) и выше 100 уд /мин (тахикардия) обычно считаются признаками какой-либо патологии в сердечно-сосудистой системе. Во время физической нагрузки сердечный ритм может учащаться до 200 уд /мин с после- дующим постепенным возвратом его к исходному уровню после окончания нагрузки. Интенсивная тренировка может привести к изменению свойств сердечной мышцы, и для снабжения мускула- туры кислородом сердцу уже не нужно будет так сильно учащать свой ритм. Несмотря на то, что у атлета минутный объем сердца остается неизменным, частота сердечных сокращений и в покое, и при физической нагрузке может быть значительно меньше, чем у обычного человека
10
Метод кардиоинтервалографии, основанный на анализе ин- тервалов между ударами сердца, был предложен Р.М. Баевским
11
Он позволяет определить состояние вегетативного гомеостаза по степени преобладания симпатического или парасимпатического типа регуляции вегетативной нервной системы и оценить напря- жение регуляторных систем организма при повышенной физиче- ской нагрузке. Как известно, при низких возможностях приспо- собления происходит усиление активации симпатического звена, что в свою очередь является признаком больших энергозатрат ре- гуляторных систем организма на поддержание гомеостаза. В зави- симости от напряжения регуляторных систем, обычно выделяют ваготонический, нормотонический и симпатикотонический типы реагирования организма на физическую нагрузку, которые опреде- ляются преобладанием того или иного отдела вегетативной нерв- ной системы. В исследовании Р.М. Баевского
12
было установлено, что у более квалифицированных спортсменов чаще встречается нормотонический тип реагирования.
10
Хэссет Дж. Введение в психофизиологию. — М.: Мир, 1981.
11
Баевский Р.М., Иванов Г.Г., Чирейкин Л.В., Гаврилушкин А.П., Дов га лев- ский П.Я., Кукушкин Ю.А., Миронова Т.Ф., Прилуцкий Д.А., Семенов Ю.Н., Фе- доров В.Ф., Флейшман А.Н., Медведев М.М. Анализ вариабельности сер дечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем: Мето- дические рекомендации // Вестник аритмологии. — 2001. — №24. — С.65-87.
12
Баевский Р.М. Анализ вариабельности сердечного ритма: история и философия, теория и практика. Клиническая информатика и телемедицина,
2004. — Т.1. — №1. — С.54-64.

161
МЕТОДЫ СПОРТИВНОЙ ПСИХОФИЗИОЛОГИИ
5.1.2. Методы исследования ЦНС
ЭЭГ в спорте
Электроэнцефалография — метод исследования деятельности головного мозга человека. Он основан на суммарной регистрации биоэлектрической активности отдельных зон, областей и долей мозга. Электрическая активность мозга мала и выражается в мил- лионных долях вольта. Поэтому ее можно зарегистрировать лишь при помощи специальных высокочувствительных приборов и уси- лителей, которые называются электроэнцефалографами. Регистра- ция ЭЭГ осуществляется путем наложения на голову специальных датчиков (электродов), которые соединяют проводами с входом аппарата. Важно обеспечить хороший контакт электрода с поверх- ностью кожи головы, а также низкое и постоянное сопротивление между ними. Для этого используют специальные пасты и раство- ры. На выходе получается графическое изображение колебаний разности биоэлектрических потенциалов работающего мозга.
ЭЭГ — сложная кривая, состоящая из волн различных частот и амплитуд. В зависимости от частоты ЭЭГ различают волны, обо- значаемые греческими буквами «альфа», «бета», «дельта» и др. ЭЭГ совершенно безвредно и безболезненно. Согласно существующей точке зрения, ритмы ЭЭГ отражают возбудительные и тормозные постсинаптические процессы в телах и дендритах нейронов раз- личных генераторных систем (корковых, подкорковых). ЭЭГ при- меняется в современной нейрофизиологии, а также в неврологии и психиатрии.
Основным препятствием развития использования ЭЭГ для исследований в спорте являются методические трудности реги- страции электрической активности мозга при движениях. В этих условиях возможны различные артефакты как физического, так и биологического происхождения. Поэтому при постановке по- добных исследований встает необходимость особенно строгого соблюдения определенных методических условий, которые имеют решающее значение в осуществлении успешной регистрации ЭЭГ.
Также одним из препятствий развития ЭЭГ для исследований в об- ласти спорта является отсутствие надежных критериев для оценки
ЭЭГ в процессе мышечной деятельности. Причинами этого явля- ются, как сложность самой регистрации ЭЭГ во время двигатель- ной активности, так и проблема дальнейшего анализа, требующего использования сложных вычислительных методов.

162
ГЛАВА 5. СПОРТИВНАЯ ПСИХОФИЗИОЛОГИЯ
Далее будут рассмотрены основные артефакты, учет которых необходим при проведении ЭЭГ исследований в спорте, а также приведены некоторые методические схемы применения ЭЭГ в спорте.
Мышечные наводки
Сокращение мышц вызывает миогенный потенциал, который является главным источником ЭЭГ артефактов. Занятия спортом подразумевают наличие частых и интенсивных мышечных сокра- щений. Электромиограмма (ЭМГ) — запись мышечной активности характеризуется амплитудой порядка 100-1000 мкВ, значительно большей, чем амплитуда ЭЭГ (10-100 мкВ). Таким образом, мы- шечная активность может перекрыть мозговую. Эта проблема из- вестна уже давно, еще при исследовании пациентов, больных эпи- лепсией, было обнаружено, что мышечные спайки могут скрывать эпилептическую активность мозга.
Что же можно сделать, чтобы за мышечной активностью увидеть работу мозга? К счастью, ЭМГ и ЭЭГ сигналы доволь- но хорошо различимые по морфологии, спектральному составу и пространственному распределению по мозгу. ЭМГ состоит из серий разрядов моторной единицы с частотой от 20 до 1000 Гц, в зависимости от того, сколько мышечных волокон включено и какова сила их сокращения. Однако максимальная мощность сиг- нала приходится на диапазон от 50 до 150 Гц. ЭЭГ сигнал покры- вает гораздо больший диапазон, с зоной максимального изучения
1-30 Гц. Таким образом, если исследователя интересует мозговая активность около 15 Гц, то вполне можно использовать фильтр вы- соких частот. Также мышечные артефакты имеют тенденцию про- являться на определенных электродах — обычно височных, Т3 и
Т4. Артефакты в этих местах отражают движения и напряжение челюсти. Фронтальные электроды отражают мышечные наводки от нахмуривания, затылочные — от напряжения шеи. Один из способов избавиться от мышечных наводок — просто исключить части ЭЭГ с наводками из анализа. Однако в том случае, когда мышечных наводок много, такой метод неприменим. Существуют методы математической отстройки от этих артефактов, такие как, например, метод независимых компонент (ICA). Использование этих методов очень перспективно в спортивной психофизиологии.
О них будет рассказано подробнее ниже.

163
МЕТОДЫ СПОРТИВНОЙ ПСИХОФИЗИОЛОГИИ
Кожные артефакты
Выделение молочной кислоты и поваренной соли из пото- вых желез на коже головы приводит к изменению проводимости кожи, что влияет на амплитуду ЭЭГ сигнала. Если эти изменения различны под референтным и активным электродами, тогда на записи мы видим большие колебания базовой линии. Эти арте- факты обычно имеют низкую частоту (<1 Гц) и поэтому их легко отличить от мозговой активности, которая обычно интересует ис- следователей. В этом случае можно использовать фильтр низких частот. Тем не менее, желательно при записи стараться не допу- скать потения, проводить эксперименты в хорошо проветривае- мых помещениях.
Артефакты движения электродов
Любой, даже небольшой сдвиг электрода с места, на кото- рое он был поставлен, может повлечь сильное увеличение сопро- тивления между поверхностью электрода и кожей головы, что, в свою очередь, сильно изменит сигнал ЭЭГ. Эта проблема особен- но актуальна в спорте, где движения человека неизбежны. Чтобы избежать движения электродов, следует их крепить с особенной тщательностью. Сейчас уже существуют специальные пасты для крепления электродов (также применяемые в клинике для иссле- дования эпилепсии и сна). Также следует пользоваться специаль- ными шапками или эластичными бинтами.
1>

164
ГЛАВА 5. СПОРТИВНАЯ ПСИХОФИЗИОЛОГИЯ
В спорте нагрузка на зрительный анализатор высокая, поэтому и моргания достаточно редки.
Артефакты дыхания
Артефакты дыхания происходят от ритмических движений тела, сопровождающих вдох и выдох. Обычно они подобны высо- коамплитудным волнам с частотой дельта-ритма. Частота дыха- ния увеличивается при увеличении аэробных нагрузок в спорте.
Обычно параллельно с ЭЭГ также пишется и дыхание, что по- зволяет потом отстроиться от артефактов, связанных с этим про- цессом.
Электрическая наводка
Электрическая наводка от окружающих предметов обычно удаляется с помощью встроенной процедуры ослабления синфаз- ного сигнала. Однако если возникает существенное расхождение по сопротивлению между поверхностью головы и отдельными электродами, то электрическая наводка проявляется на ЭЭГ. В
России она наиболее заметна на частоте 50 Гц. Для минимизации электрической наводки используется экранирование. Активное экранирование может быть рекомендовано при работе в окруже- нии серьезных электромагнитных помех, например, в машине на соревнованиях Формулы 1.
Ограничение движений
Ограничение движений, которое обычно подразумевает под собой ЭЭГ-исследование, не является артефактом как таковым, но представляет собой существенное препятствие для массового ис- пользования ЭЭГ в спорте. Так, обычно электроды (или шапочка, на которой они крепятся) должны быть соединены проводами с усилителем. Это существенно сужает диапазон возможных дви- жений, не говоря уже о том, что движение самих проводов являет- ся источником наводок на ЭЭГ сигнал. Однако сейчас уже появи- лись портативные ЭЭГ устройства, так называемые «холтеры». В этом случае электроды соединены с записывающей коробочкой, которая крепится прямо на теле самого обследуемого человека
(на поясе, например). Эта система позволяет записывать данные в удалении от основной платформы на специальную флеш-карту.
Потом данные могут быть считаны и обработаны на основной системе. Данные разработки являются перспективными для при- менения в спорте.

165
МЕТОДЫ СПОРТИВНОЙ ПСИХОФИЗИОЛОГИИ
Компьютерные методы
отстройки от артефактов
Современные математические разработки и компьютерные технологии позволяют определить артефактную активность на
ЭЭГ, а также эффективно от нее «отстроиться», а именно вычесть артефактную активность из ЭЭГ сигнала, выделить мозговой сиг- нал. Использование этих методов очень перспективно в исследо- ваниях спортивной деятельности.
В 1995 году А.Г. Белл и Т.Г. Сейновский
15
предложили ис- пользовать технологию ICA (методо независымых компонент) для решения проблемы удаления глазодвигательных артефактов.
Они показали, что ICA алгоритм может быть использован для от- деления ЭЭГ активности от миографических, окулографических и кардиографических артефактов и для нахождения независимых компонент ЭЭГ и ВП данных. Аналогичные алгоритмы были по- лучены другими исследователями
1617
, которые использовали их для удаления многообразных артефактов (включая ОКГ, МГ, ЭКГ сигналы и помехи питающей сети) из ЭЭГ данных. Существуют и другие методы отстройки от артефактов — метод главных ком- понент, регрессионный анализ. Однако технология ICA имеет ряд преимуществ перед ними. ICA технология разделяет ЭЭГ данные и присутствующие в записи артефакты на независимые компо- ненты, базируясь исключительно на характеристиках сигналов
ЭЭГ отведений, не требуя дополнительных каналов регистрации данных для записи “в чистом виде” артефактов каждого типа. ICA технология после коррекции артефактов позволяет использовать все исходные данные в противовес другим методам, дающим су- щественное уменьшение объема входных данных. В отличие от регрессионных методов, ICA технология эффективно устраняет артефакты и сохраняет данные ЭЭГ активности в сигналах всех отведений, включая отведения, пространственно расположенные в непосредственной близости к источникам артефактов.
Как было показано выше, существует множество проблем использования ЭЭГ в спорте, во время движений и выполнения
15
Bell A.J., Sejnowski T.J. An information maximisation approach to blind se- paration and blind deconvolution, Neural Computation. — 1995. — Vol.7. — №6. —
P.1129-1159.
16
Girolami M. An Alternative Perspective on Adaptive Independent Component
Analysis Algorithms // Neural Computation. — 1998. — Vol.10(8). — P.2103-2114).
17
Te-Won Lee. Introduction to Independent Component Analysis. — 1998.

166
ГЛАВА 5. СПОРТИВНАЯ ПСИХОФИЗИОЛОГИЯ
спортивных действий. Однако потенциально все эти проблемы можно решить. Следующий раздел будет посвящен тому, как мож- но грамотно спланировать эксперименты, чтобы минимизировать влияния артефактной активности.
Исследование до и /или после
Один из способов минимизации артефактов, связанных с вы- полнением спортивного действия — это исследование мозговых процессов непосредственно до или после этого события, то есть до и /или после соревнований, выполнения физической активности, важного элемента действия.
По документам первое применение ЭЭГ в спорте произошло в начале 50х годов прошлого века. Это были исследования бок- серов
18
. ЭЭГ у боксеров регистрировалась до и после поединка.
Также ЭЭГ боксеров сопоставлялась с ЭЭГ обычных людей.
Хорошую модель для исследования мозговой активности представляет собой изучение механизма прицеливания у стрел- ков, лучников и гольфистов. Период прицеливания обычно проис- ходит с минимальными движениями и предельной концентрацией на цели, что позволяет избежать артефактов движения и записать мозговую активность, связанную с наведением на цель
19
В этих исследованиях сопоставлялась ЭЭГ новичков и про- фессионалов, а также ЭЭГ при хорошем и плохом выстреле. Бы- ли выявлены предикторы хорошего и плохого выстрелов, а также тренированности.
Воображаемое действие
Ряд исследований показали, что при воображении какого- либо действия и при его реальном совершении активируются сход- ные структуры мозга. В частности, в исследованиях с применением
18
Ravina A. Presse Med. — 1952. — Vol.60. — P.1575; Busse E.W., Silver- man A.J. Journal Am. Med. Assoc. — 1952. — Vol.149. — P.1522-1525.
19
Landers D.M., PetruzzelloS.J. , Salazar W., CrewsD.J., Kubitz K.A., Gannon T.L.,
Han M. Med. Sci. Sports Exerc. — 1991. — Vol.23. — P.123-129; Salazar W., Landers
D.M., Petruzzello S.J., Han M., Crews D.J., Kubitz K.A. Res. Q. Exerc. Sport. —
1990. — Vol.61. — P.351-359; Babiloni C., Del Percio C., Iacoboni M., InfarinatoF.,
LizioR., Marzano N., Crespi G., Dassù F., Pirritano M., Gallamini M., Eusebi F. Journal
Physiol. — 2008. — Vol.586. — P.131-139; Crews D.J., Landers D.M. Med. Sci. Sports
Exerc. — 1993. — Vol.25. — P.116-126; Doppelmayr M., FinkenzellerT., SausengP.
Neuropsychologia. — 2008. — Vol.46. — P.1463-1467; Hillman C.H., Apparies R.J.,
JanelleC.M., Hatfi eld B.D. Biol. Psychol. — 2000. — Vol.52. — P.71-83; Konttinen N.,
Lyytinen H. Journal Sports Sci. — 1993. — Vol.11. — P.257-266.