Abstract

VARIABILITY OF BIOELECTRIC ACTIVITY OF BRAIN AT VARIOUS CONDITIONS OF ATHLETES

T.V. Popova, Dr. Biol., professor

Yu.I. Koryukalov, post-graduate

O.G. Kourova, Ph. D., associate professor

The Southern-Ural state university, Chelyabinsk

Key words: electroencephalography, alpha-activity, athletes, local loadings, cognitive tests, functional conditions.

The results of the carried out research have revealed the distinctions in the organization of the condition of rest and activity at persons with different degree of physical preparedness. The analysis of the bioelectric activity registered in the condition of rest, at physical loading and intellectual activity has revealed the leading role of the right hemisphere at the athletes. it is possible to explain the well-expressed alpha-activity at the athletes at open eyes more by the effective organization of the condition of rest, developed skills for relaxation out of muscular activity. It is typical, that at local work there was observed the increase in the amplitude of alpha-rate at the decrease in its frequency with the synchronization of activity.

ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ МОЗГА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СОСТОЯНИЯХ СПОРТСМЕНОВ

Доктор биологических наук, профессор Т.В. Попова
Аспирант Ю.И. Корюкалов
Кандидат биологических наук, доцент О.Г. Коурова

Южно-Уральский государственный университет, Челябинск

Ключевые слова: электроэнцефалография, альфа-активность, спортсмены, локальные нагрузки, когнитивные тесты, функциональные состояния.

Введение. Экспериментальные нейрофизиологические исследования колебательных биоэлектрических процессов проекционных и ассоциативных зон и их пространственно-временные отношения у человека во время выполнения произвольных движений дали реальную возможность подойти к анализу центральных механизмов функциональных взаимодействий, складывающихся на системном уровне при двигательной деятельности [8].

А. И. Ройтбак и Ц. М. Дедабришвили [11] показали при активном отдыхе депрессию медленных ритмов электроэнцефалограммы на стороне, ведающей утомленными мышцами. Ш. А. Чахнашвили и А. С. Мелия [13] рассматривают такую депрессию альфа-ритма при мышечной деятельности не как результат процессов в моторных центрах, а как результат общей ориентировочной реакции.

Существуют данные об усилении медленноволновой активности при выполнении двигательных действий и утомлении. Медленные колебания, отражающие состояние готовности к двигательному акту, были обнаружены рядом авторов в сенсомоторной области коры [9]. Ученые [8] отмечали изменение ритмичности корковых биопотенциалов, характеризующееся появлением медленных ритмов, совпадающих по частоте с ритмом выполнения движений.

На организацию различных функциональных состояний влияет физическая тренированность. В литературе имеется достаточно сведений относительно параметров электроэнцефалограмм у спортсменов в состоянии покоя [2, 12], другие функциональные состояния у спортсменов исследованы недостаточно.

Понимание особенностей различных функциональных состояний у спортсменов необходимо для научного обоснования разработки средств коррекции этих состояний в спортивной подготовке.

Цель настоящего исследования состояла в изучении особенностей показателей электрической активности мозга при различных функциональных состояниях у спортсменов ациклических видов спорта (рукопашный бой, бокс, кикбоксинг).

Методика исследования. Испытуемыми являлись студенты ЮУрГУ в возрасте от 17 до 22 лет (всего 21 человек). Группу наблюдения (I) составили спортсмены, занимающиеся ациклическими видами спорта (I разряд - МC); контрольную (КГ) - испытуемые того же возраста и пола, не занимающиеся спортом (II группа).

При помощи прибора Нейрон-Спектр (Нейрософт, Россия) осуществляли многоканальную регистрацию ЭЭГ с 8 чашечных электродов, соединенных с ушными электродами и локализованных в соответствии с системой 10 - 20. Производили несколько функциональных проб: фоновая запись (ФЗ), закрывание глаз (ЗГ), открывание глаз (ОГ), ритмическая фотостимуляция (РФС), выполнение локальной нагрузки поочередно правой и левой рукой на эргографе до утомления (отказа от работы) и фоновая запись восстановительного периода после каждой нагрузки, а также решение когнитивной задачи по составлению слов из одного шаблонного слова. Частота квантования ЭЭГ составляла 250 Гц. Компьютерная электроэнцефалография включала спектральный и корреляционный анализы, осуществляемые по программному обеспечению фирмы разработчика.

Результаты исследований и их обсуждение. Анализ биоэлектрической активности мозга выявил определенные различия у спортсменов и испытуемых контрольной группы (КГ). Так, почти у всех спортсменов на электроэнцефалограммах отмечена альфа-активность в покое при открытых глазах в отличие от испытуемых КГ, у которых она выявлялась лишь в 2/

3 случаев. У спортсменов амплитуда и индекс альфаритма в среднем были на 25-30 % больше, а межполушарная асимметрия по амплитуде меньше, чем у не занимающихся спортом. Доминирующая частота в обеих группах составила 10 - 10,5 Гц. Анализ спектра альфа-активности у спортсменов выявил ее доминирование, кроме затылочных, в лобно-центральных отделах, особенно часто в центральных отведениях правого полушария. У испытуемых же КГ альфа-активность прослеживается в основном лишь в затылочных областях; у большей части испытуемых она также преобладает в правом полушарии.

При фоновой записи только у испытуемых группы наблюдения выявлена активность в тета-диапазоне с частотой 6 Гц в центральных и лобно-центральных областях правого полушария.

Амплитуда высокочастотного бета-ритма (20-35 Гц) у спортсменов была на 10-15 % больше. В отношении доминирующих отведений можно отметить, что, во-первых, у спортсменов наблюдается доминирование низкочастотного бета-ритма в лобно-центральных отведениях в отличие от центрально-затылочных у испытуемых КГ. Во-вторых, как низкочастотная, так и высокочастотная бета-активность у спортсменов в большинстве случаев преобладает в правом полушарии.

При сравнении амплитуд низкочастотной и высокочастотной активности выявлена следующая закономерность: у подавляющего большинства испытуемых обеих групп амплитуда низкочастотного бета-ритма была больше в правом полушарии, а высокочастотного - в левом, а амплитуда низкочастотного бета-ритма была меньше амплитуды высокочастотного.

В пробе с закрытыми глазами (ЗГ) отличия между группами по многим ЭЭГ-показателям сглаживаются. Можно отметить, что у спортсменов при этом альфа-активность доминирует в лобных отделах в отличие от испытуемых КГ.

У спортсменов в пробе с ЗГ выражен рост спектральной мощности тета-ритма с доминированием, как и при ОГ, в лобных и центральных отделах не только левого, но и правого полушария.

Данные при фотостимуляции показывают, что процесс усвоения ритма у спортсменов выражен лучше, чем у испытуемых КГ, при этом в реакции синхронизации с заданным ритмом у них в большей степени задействованы центральные области коры в отличие от затылочных отделов у последних.

Биоэлектрическая активность мозга при выполнении локальной нагрузки, выполняемой поочередно правой и левой рукой, практически у всех испытуемых характеризовалась ростом индекса альфа-ритма, который был большим при выполнении пробы второй рукой. Средняя доминирующая частота альфаактивности варьировалась в обеих группах от 8 до 9 Гц. Наибольший рост спектральной мощности волн альфа-диапазона отмечался в центральных и лобноцентральных отведениях с преобладанием в полушарии, противоположном работающей руке, по выделенным отведениям отмечалась синхронизация биоэлектрической активности. Характерно, что время выполнения локальной нагрузки до утомления у спортсменов в среднем было на 15-30 с больше, чем у нетренированных. Непосредственно перед отказом от работы у всех испытуемых отмечалась депрессия альфа-ритма.

Анализ тета-активности выявил фазы перехода доминирующей частоты из альфа-диапазона в тетадиапазон и обратно с увеличением мощности тетаритма. Такой переход совпадает с первыми субъективными признаками утомления и составляет в среднем 50 % от общего времени выполнения нагрузки.

Индекс тета-ритма в период выполнения локальной нагрузки растет в среднем до 20 % без существенных отличий между испытуемыми обеих групп. Доминирующая же частота тета-диапазона была ниже у спортсменов (5,5-6,5 Гц), чем у испытуемых КГ (6,5 - 7 Гц).

В восстановительном периоде наблюдались обратные переходы доминирующей медленной активности с тета-диапазона в альфа-диапазон. Так, основной пик спектральной мощности тета-ритма переходит в среднечастотную область альфа-диапазона (8-10 Гц). Альфа-активность наиболее проявлена в восстановительном периоде в левом полушарии во фронтально-окципитальном направлении у спортсменов и центрально-затылочном - у не занимающихся спортом. Бета-активность выражена в полушарии, противоположном работающей руке, в лобных и затылочных отведениях.

Рост активности высокочастотного бета-ритма у 50 % испытуемых КГ при выполнении локальной нагрузки наблюдался в левом полушарии, у остальных - в правом. У спортсменов в большинстве случаев рост бета-активности отмечается в правом полушарии. В восстановительном периоде бета-активность у большинства испытуемых КГ доминирует в левом полушарии, а у спортсменов - в правом.

Анализ биоэлектрической активности при умственной нагрузке выявил определенные отличия от физической нагрузки в характере изменений электроэнцефалограмм испытуемых. У большинства (80 %) испытуемых КГ наблюдался незначительный рост (на 10-20 %) индекса альфа-ритма с доминированием во фронтальных и затылочных отведениях обоих полушарий и височного - в левом. У спортсменов индекс изменялся разнонаправленно (от +5 до -10 %) с преобладанием в лобных и затылочных отведениях левой и височной областей правого полушария.

Спектральный анализ выявил вариативность доминирующей частоты альфа-активности у испытуемых КГ с 9 до 11 Гц, при этом доминирующая частота при когнитивной пробе у большинства совпадает с таковой при фоновой записи в покое.

Изменения тета-активности в целом были аналогичны таковым при локальной нагрузке. Отличия заключались в появлении волн тета-диапазана в височно-теменных отведениях. Мощность альфа- и тета-активности в обеих группах при когнитивной нагрузке была существенно ниже таковой при локальной работе, выполняемой до утомления.

Показатели бета-активности у испытуемых КГ при выполнении когнитивного задания свидетельствуют о росте индекса низкочастотного бета-ритма на 10-15 % в лобно-центральных и лобно-теменных отделах левого полушария и высокочастотного бета-ритма на 20-60 % в лобно-височных отделах того же полушария.

У большинства же спортсменов отмечалось снижение индекса как низкочастотного, так и высокочастотного бета-ритма на 10-20 % почти по всем отведениям, кроме фронтальных областей левого полушария и височного правого полушария, где отмечен рост его индекса. Мощность спектра бета-ритма у спортсменов при когнитивной нагрузке не отличалась от таковой при локальной, а у испытуемых КГ она была выше, чем при выполнении локальной нагрузки. Результативность данного теста у спортсменов была высокой.

Данная картина энцефалографических показателей отражает особенности пространственно-временных характеристик биоэлектрической активности мозга у спортсменов, характеризующихся незначительным узколокализованным ростом бета-активности фронтально-височных областей правого полушария с выделением специфической особенности правого полушария и его фронтально-височных областей в решении вербально-конструкторских задач.

Таким образом, результаты проведенного исследования выявляют определенные различия в организации как состояния покоя, так и деятельности у лиц с разной степенью физической тренированности. Анализ электроэнцефалограмм, зарегистрированных в состоянии покоя, при физической нагрузке и умственной активности, выявил ведущую роль правого полушария у спортсменов. У нетренированных юношей межполушарные отношения были различными при разных функциональных состояниях.

Можно предположить, что у спортсменов лучше развит уровень пространственного поля, или пирамидно-стриарный [3], в организации движений. Хорошо выраженную альфа-активность при открытых глазах можно объяснить более эффективной организацией у них состояния покоя выработанными навыками к расслаблению внемышечной активности. Этим можно объяснить доминирование альфа-ритма в лобных, центральных и затылочных отведениях у спортсменов и преимущественно в затылочных - у нетренированных. Генерализацию альфа-ритма отмечали у лиц, практикующих методы психофизической регуляции и релаксации [4, 5, 10].

Представляет интерес совпадение локализации альфа- и тета-активности, что подтверждает мнение авторов [14, 15] об их единой природе с периодическими изменениями частоты этих колебаний во времени. Результаты же анализа бета-активности предполагают самостоятельную функцию низко- и высокочастотного бета-ритма в организации различных функциональных состояний.

Характерно, что при локальной работе наблюдалось увеличение амплитуды альфа-ритма при снижении его частоты с синхронизацией активности, а при развитии утомления выявлена депрессия альфа-ритма. А. И. Ройтбак и Ц. М. Дедабришвили [11] показали при активном отдыхе депрессию медленных ритмов электроэнцефалограммы на стороне, ведающей утомленными мышцами. Наблюдаемое при утомлении замедление мозговой ритмики в результате утомления при локальной нагрузке можно рассматривать с позиции теории возвратного торможения в цепи нейронов коры П. Андерсена и И. Экклса [14].

При умственной нагрузке рост альфа-ритма был меньшим, чем при физической, при этом его доминирование распространялось и на лобные, и на затылочные, и на височные области. Мощность спектра тета-ритма также была меньшей. Отличие спортсменов заключалось в снижении индекса бета-ритма по всем отведениям, кроме лобных левого и височных правого полушария, а у нетренированных - рост бетаиндекса во всех отведениях, преимущественно в левом полушарии. Эти данные можно трактовать в пользу большей роли образного мышления, связанного с необходимостью идеомоторных тренировок у спортсменов.

Таким образом, организация состояния покоя, двигательной и умственной активности у спортсменов и нетренированных юношей включает в себя разные механизмы, что нужно учитывать при использовании обучающих методик, например право- или левополушарной ориентации.

1. Анохин А. П. Источники индивидуальной изменчивости электроэнцефалограммы человека // Индивидуально-психологические различия и биоэлектрическая активность мозга человека. - М.: Наука, 1988, с. 149-176.

2. Баёва Н. А., Тристан В. Г. Значение "ведущей" репрезентативной сенсорной системы для успешности прохождения ЭЭГ-БОС-тренинга // Биоупровление в медицине и спорте: Матер IV Всерос. конф. и 8-9 апреля 2002 г. - Омск: ИМББ СО РАМН, СибГАФК, 2002, с. 43 - 45.

3. Бернштейн Н. А. Очерки по физиологии движений и физиологии активности. - М.: Медицина,1966. - 349 с.

4. Горев А. С., Семенова О. А. Влияние индивидуальных особенностей ЦНС на эффективность формирования релаксационных навыков при использовании биологической обратной связи у детей 9-10 лет // Физиология человека, 2003, т. 29, № 4, с. 54 - 61.

5. Горев А. С. Влияние кратковременной релаксации на организацию биоэлектрической активности мозга в состоянии спокойного бодрствования у младших школьников // Физиология человека. 2004, т. 30. № 5, с. 34.

6. Иваницкий А. М., Подклетова И. М., Таратынова Г. М. Исследование динамики внутрикоркового взаимодействия в процессе мыслительной деятельности // Журн. высш. нервн. деят. 1990, т. 40, № 2, с. 230-237.

7. Изнак А. Ф. Модуляция сенсо-моторной деятельности человека на фоне альфа-ритма ЭЭГ // Проблемы развития науч. иссл. в обл. псих. здоровья / МЗ СССР, АМН СССР. 1989, с. 3-24.

8. Ливанов М. Н., Хризман Т. П. Пространственно-временная организация биопотенциалов мозга у человека // Естественнонаучные основы психологии / Под. ред. А. А. Смирнова, А. Р. Лурия, В. Д. Небылицына. - М.: Педагогика, 1978, с. 206 - 233.

9. Новикова Л. А. Электроэнцефалография и ее использование для изучения функционального состояния мозга // Естественнонаучные основы психологии / Под. ред. А. А. Смирнова, А. Р. Лурия, В. Д. Небылицына. - М.: Педагогика, 1978, с. 155 - 177.

10. Попова Т. В., Корюкалов Ю. И., Марокко Д. А. Функциональные системы организма, обеспечивающие локальную работу мышц. Науч. Тр. I съезда физиологов СНГ. 2005, т. 1, с.122.

11. Ройтбак А. И., Дедабришвили Ц. М. О механизме "активного отдыха" (феномена Сеченова). // "Докл. АН СССР". 1959, т. 124, № 4, с. 957.

12. Тристан В. Г., Фрис Н. А., Крикуха Ю. А. Обоснование метода релаксации при нейробиоуправлении // Биоупровление в медицине и спорте: Материалы I Всероссийской конференции 26 - 27 апреля 1999 года. - Омск: ИМБК СО РАМН, СибГАФК, 1999, с. 64 - 66.

13. Чахнашвили Ш. А., Мелия А. С. Изменение электрической активности коры головного мозга при работе, утомлении и в период восстановления. // Материалы 7-й науч. конф. по вопросам морфол., физиол. и биохим. мышечной деятельности. М., 1962, с. 298.

14. Andersen P., Andersoon S. A. Physiological basis of the alpha rhythm. N. Y.: Appleton Century Crofts. 1968. - 235 p.

15. Gath I., Lehmann D., Bar-On. E. Fuzzy clustering of the EEG signal and vigilance performance // Intern. J. Neuroscience. - 1983. V. 20, № 3-4. - P. 303-312.

16. Gastaut H. The brain stem and cerebral electrogenesis in relation to consciousness // Brain Mechanisms and Consciousness. - Paris, 1954. - P. 249-283.

17. Lehmann D. Fluctuation of functional state: EEG patterns, and perceptual and cognitive strategies // Functional states of the brain: their determinants / M. Koukkou et al. (Eds.). - Elsevier: Amsterdam. - 1980. - P. 189 - 202.

18. Jung T.-P., Makeig S., Stensmo M. et al. Estimating alertness from the EEG power spectrum // IEEE Trans. Biomed. Eng. - 1997. - V. 44, № 1. - P. 60-69.