Система управления нейрореактивностью мозга у спортсменов параолимпийцев

Всем известно, что инвалидизация общества на сегодняшний день составляет примерно 10 %. Больные с незрелым или поврежденным мозгом появляется в результате дизонтогенеза (нарушение развития, начиная с рождения) или в результате развития заболеваний нервной системы (травмы и инфекции). На первый план у этих больных выступают медицинские мероприятия, а именно фармакотерапия, хирургия и физиотерапия. Но после этих медицинских мероприятий, обязательно восстановительное лечение и собственно реабилитация, которая подразделяется на медицинскую, педагогическую и социальную. После медицинской реабилитации лицам с ограниченными возможностями можно уже приступать к занятиям физической культурой и спортом (схема № 1).

Паралимпийское движение является сейчас важной составной частью реинтеграции людей с ограниченными возможностями в жизнь современного общества, повышение их социального статуса. Физкультурой и спортом занимаются не только инвалиды-колясочники с последствиями травм спинного мозга. С 1976 г. к спортсменам со спинными травмами присоединились спортсмены других групп повреждений – инвалиды по зрению и люди, перенесшие ампутацию конечностей.

В 1978 г. была создана Международная ассоциация спорта и физической культуры для лиц с церебральным параличом (СП-ИСРА), за ней в 1981 г. последовала Международная федерация спорта слепых (ИБСА), а в 1986 г. – Международная спортивная федерация для лиц с нарушением интеллекта (ИНАС ФИД). В 1982 г. появился орган, который способствовал расширению Паралимпийских игр, – Международный Координационный Комитет Всемирной Организации спорта инвалидов.

Сейчас инвалидам предлагаются в основном социально-технические средства реабилитации (коляски, пандусы, юридическая и финансовая помощь), которые помогают им приспособиться к имеющимся условиям жизни. В дополнении к этому нужна комплексная медико-педагогическая система реабилитации. Нужна система, которая помогала бы этим детям преодолевать путь от домашней кровати (или комнаты в интернате) до спортивного зала и золотых медалей на соревнованиях. Нужна новая система реабилитации.

Причем задачу можно ставить более масштабно. Можно не только поддерживать и развивать сохранные функции организма и закладывать их как основу для спортивных достижений. В науке появляется все больше данных о том, что нервная система способна к регенерации и, этим процессом можно управлять.

Одним из последних научных достижений в изучении мозга человека является открытие особого свойства мозга – пластичности. Пластичность мозга - это способность мозга изменять свою структуру и функцию под влиянием длительных внешних воздействий или стимулов (зрительных, слуховых, двигательных). Смысл пластичности в том, что функции незрелых или погибших нервных клеток берут на себя оставшиеся в живых соседние клетки, которые увеличиваются в размерах, миелинизируются, формируется новый спраутинг, а также новые связи (синапсы), компенсируя утраченные функции.

В 2007 году российский врач С.Ю. Мышляев получил диплом от Российской Академии Естественных наук (РАЕН) на научное открытии № 339 “Явление восстановления структурно-функциональной зрелости мозга в онтогенезе”. Формула открытия такова: «Установлено неизвестное ранее явление восстановления структурно-функциональной организации мозга человека в онтогенезе, заключающееся в том, что при структурно-функциональных нарушениях нервной системы, проявляющееся двигательными, поведенческими или речевыми нарушениями, наблюдается ликвидация дефектов с восстановлением нарушенных или несформированных функций под воздействием  специальных дозированных, длительных, постоянно возрастающих, многократно повторяющихся, онтогенетически ориентированных физических, психических и речевых нагрузок (урок, интенсив, до отказа патологических функций) на грани переносимости их организмом человека, включающих физические нагрузки в виде гимнастических и общефизкультурных занятий в статическом режиме с отягощениями; эмоциональные нагрузки в виде психотерапевтических и психокоррекционных занятий с моделированием драмы и трагедии; речевые нагрузки в виде логопедических и фонопедических занятий с прослушиванием и пропеванием длительных громких звуков вербального и невербального характера, обусловленное пространственно-временной синхронизацией электрической активности мозга (эффект разжигания мозга или «киндлинг» эффект), приводящей к стимуляции адаптивно-компенсаторных процессов в нервной ткани и управлению регенерацией нейронов (нейропластичность), заканчивающейся адаптацией и новой нейрореактивностью, а также качественно новым (единым) двигательным, поведенческим и речевым стереотипом».

Таким образом доказано, что нервная система с помощью нагрузки восстанавливаются, у человека меняется адаптация и нейрореактивность. Это метод «дозированного нагружения» способствует развитию новых двигательных умений, навыков и способностей, которые так необходимы в состязательном процессе, а именно в процессе физической тренировки и на спортивных  соревнованиях.
 
К началу ХХI в. стало ясно, что уже фактически сформировалась новая область знаний - нейронауки, в которой исследования проводятся с привлечением идей и методов теории управления. Чтобы охарактеризовать предмет кибернетической физики, следует описать классы рассматриваемых моделей объектов управления, целей управления и допустимых алгоритмов управления, а чтобы охарактеризовать её методологию, необходимо описать основные методы построения алгоритмов управления и типы получаемых результатов.

Так как эффективность восстановительных мероприятий у больных с выраженными двигательными дефектами составляет около 80 %, научно-технических отдел реабилитационного центра совместно с кафедрой медико-биологических основ физической культуры КФУ, приступил к автоматизации данного реабилитационого процесса. На сегодняшний день получен патент на полезную модель № 105162 «Устройство для восстановления функций мозга с применением физизической нагрузки».

Различные устройства для осуществления производственных процессов в живых или неживых объектах, в которых осуществляется регулирование определенных физических величин по заданным законам управления, называются объектами регулирования. Проектирование систем автоматического регулирования начинается с детального изучения свойств и характеристик объектов регулирования. Формальная постановка любой задачи управления начинается с выбора модели управляемой сложных системы и цели управления.

Отличие технических (традиционных) систем от живых (био-психо-коммуникатиных) систем, которым является человек с его нервной системой,  состоит в том, что в них явно отличаются механизм воздействия на вход и выход системы. При сравнении живых и неживых систем процесс приспособления к нагрузкам (адаптация) можно смоделировать следующим образом (табл. № 2).

В первом случае, т.е. у неживых систем (машины, компьютеры) происходит усовершенствование «железа» (замена деталей и конструкций) или регулировка сигнала на выходе. Ключевым в этом случае является воздействие на структуру. Во втором случае, т.е. у живых систем (животные, человек) происходит усовершенствование «памяти» (замена знаний и навыков) или регулировка сигнала на входе.

Ключевым в этом случае является воздействие на функцию. Процесс адаптации начинается с изменения реактивности всей нервной  системы. Нейрореактивность проявляется в изменении основного ритма мозга или его биоэлектической активности, которая регистрируется на электроэнцефалограмме или ЭЭГ (как говорил И.П.Павлов – Нобелевскй Лауреат от 1904 г. - на энграмме).

Надо сказать, что при устойчивых электродинамических состояниях нервной системы (т.е. при естественном созревании мозга человека или возрастной гиперплазии нервной ткани) отмечается четкая закономерность: медленные волны сменяются на быстрые. Алгоритм или динамика формирования ритма ЭЭГ (частотно-амплитудная характеристика)  у младенца в процессе его взросления такова:


В книге «Особенности деятельности мозга ребенка»  A.Peiper (1956) привел многочисленные доказательства отсутствия функционирования у грудного ребенка не только коры, но и ближайших к ней подкорковых образований. У плода определяется неустойчивый ритм с частотой до 1,5 – 2 колебаний в сек.

У новорожденного уже может регистрироваться относительно стабильный дельта-ритм (0,5 – 3 кол/сек), у дошкольников уже преобладает тета-ритм (4 – 7 кол/сек), у взрослых – альфа-ритм (8 – 13 кол/сек) или при возбуждении бета-ритм (14 – 30 кол/сек). Таким образом, общей тенденцией «созревания и развития» биоэлектрической активности головного мозга является чётко очерченный «электродинамический путь» от медленных ритмов к более быстрым.

Следует отметить, что регистрируемые ритмы являются результатом возбуждения мозга (возмущения в нервной ткани) и интерференции (накладывания друг на друга) биоэлектрических (электромагнитных) волн различных частот, исходящих из различных отделов (этажей).

Каждый уровень или мозговой центр, так же как и отдельные нейронные группы (ансамбли), в него входящие, имеют свою частотную характеристику. Волны, исходящие от мозговых центров и отдельных функциональных нейрональных групп интерферируют, определяя общую частотно-амплитудную характеристику ЭЭГ человека.


При неустойчивых электродинамических состояниях нервной системы (т.е. при реабилитации больных с проблемами нервной системы, психики и речи или восстановительной регенерации нервной ткани) также отмечается четкая закономерность: быстрые волны сначала сменяются на медленные, а затем вновь на быстрые.

С нейрофизиологической точки зрения в результате системной активации генетического аппарата нейронов  или направленной структурной адаптации происходит последовательное раздражение определенных структур мозга или уровней (этажи мозга), а иногда вплоть до выпадения функций. С электрофизиологической точки зрения в ЦНС формирутся доминанта с последующей деафферентацией.

Чрезмерное напряжение на мембране нейронов того или иного анализатора, которое формируется из-за генерации импульсных токов в периферическом конце анализатора (мышцы, глаза, уши) приводит к активным электрическим процессам, вплоть до фазы рефрактерности, что характеризует синтез аминокислот в ядре нервной клетки. С клинической точки зрения происходит обострение основного заболевания и иногда даже прибавление новых (скрытых или неразвернутых) симптомов, вплоть до состояния, аналогичного острому или подострому энцефалиту (воспаление серого вещества мозга), лейкоэнцефалиту (воспаление белого вещества мозга) с гидроцефалией или кистообразованием, а также миелиту (воспаление белого и серого вещества спинного мозга).

При выраженных или стойких неврологических и (или) психиатрических и (или) логопедических дефектах могут возникать признаки локального отека головного или спинного мозга с симптомами, подобными энцефало-миело-поли-невриту или панэнцефалиту. Чем тяжелее состояние больного, тем более выражена фаза обострения, а значит температурные реакции и признаки иммунодефицита, которые отражают процесс репаративного воспаления в самом мозге.

Алгоритм или динамика ритма ЭЭГ в процессе реабилитации такова:


Иными словами – сначала разрушение или возвращение в исходное состояние, а потом восстановление до возрастной нормы.

Основной особенностью реабилитационной тренировки является создание оптимального уровня напряжения (с учетом клинических особенностей  и стадии заболевания). Используемый раздражитель или нагрузки формируют реабилитационный потенциал, способствующий развитию качественно нового уровня организации движения и (или) поведения и (или) речи.

Стимуляционно-активирующий фактор (афферентная атака) ведет к глубинной позитивной перестройке организма и формирует новые нейронные конструкции в мозге. Весь характер волнового процесса в цикле реабилитации дает основание для управления регенерацией. Со времен Гиппократа известно, что все болезни проходят через обострение. Если они хронические, то их переводят в острую или активную фазу. Результаты исследований подчеркивают, что патогенное значение стресса (дозированной нагрузки) необоснованно преувеличивается, заслоняя от внимания исследователей его функцию как важного звена адаптации.

Обострение в виде выраженных клинических проявления доказывает, что нарушение ЭДС не может однозначно трактоваться в качестве патогенного начала, и допускает возможность эустресса как сложившегося в процессе эволюции необходимого неспецифического звена более сложного целостного механизма приспособления к окружающей среде, т.е. в его положительном для организма значения.

С позиции нейрокибернетики электрические сигналы, генерируемые с периферического конца двигательного, зрительного и слухового анализатора («входные параметры») афферентным путём поступают в мозг. В процессе многократно повторяющихся дозированных нагрузок у человека с повреждённым (незрелым) мозгом электродинамическая система переходит в неустойчивое состояние.

При интенсивной тренировке и тренинге «до отказа патологических функций» на ЭЭГ возникает эффект гиперсинхронизация, вплоть до пароксизмальных реакций. Пластичность лежит в основе временной и пространственной суммации действия раздражителей на нервную систему. Наглядным примером такого возбуждения и генерации электрического сигнала является так называемый киндлинг-эффект («разжигание», «раскачка» или «разгон»). Этот феномен заключается в том,  многократные дозированные упражнения не вызывают видимой реакции, а с течением времени приводят к повышению возбудимости нервной ткани, гиперсинхронизации биоритмов, а иногда и к судорожной готовности всего мозга.

В клинической картине могут возникать симптомы, характеризующие  обострение основного заболевания с последующим восстановлением утраченных (несформированных) функций. Время завершения переходного процесса (ре-адаптация к нагрузкам) определяется снижением значения амплитуды  на ЭЭГ  («выходные параметры»).  Только таким образом, у человека может исчезнуть инвалидность и установиться новый (единый) двигательный, эмоциональный, речевой режим деятельности.