Возрастная психофизиология. Нескучные лекции

Знание нюансов этих психофизиологических процессов – суперсила не только для ученого, это суперсила и для родителей, педагогов. Знание и понимание психофизиологических процессов организма помогает подобрать ключи к обучению и воспитанию, учитывая не только возраст, но и «модельные особенности»: например, почему мальчикам часто нужно больше движения для усвоения материала, а девочки раньше включают режим «социального интеллекта».

Но как провести диагностику психофизиологического состояния? Например, как оценить, созрела ли уже лимбическая система ребенка для поступления в школу? Психофизиологическое развитие же не процессор, который можно протестировать бенчмарком. Ученые подглядывают за этим через «окна» поведенческих тестов: способен ли ребенок удержать внимание на задаче дольше 15 минут? Может ли он распознать эмоции на лицах других людей? Как реагирует на неудачу – плачем или попыткой решить задачу иначе? Если да, то лимбическая система, как центр эмоций и мотивации, скорее всего готова к школьному марафону.

Со взрослыми все еще сложнее. Их мозг уже «собран», и часто нужно просто проверить, не зависли ли какие-то процессы? Для этого психофизиологи используют целый арсенал: от ЭЭГ, которая считывает «мозговые волны», до тестов на скорость реакции и вариабельность сердечного ритма. Стресс, кстати, может тормозить психофизиологическую систему сильнее, чем вирус работу компьютера.

Например, если префронтальная кора взрослого легко переключается между задачами, а миндалина не устраивает панику при виде дедлайна – можно ставить галочку «психофизиологическая зрелость: стабильная версия».

Короче говоря, если бы воспитание и обучение были компьютерной игрой, то возрастная психофизиология была бы читами к ней, как говорят подростки. И эти читы – инструменты оценки психофизиологического развития и состояний – легальны, одобрены научным сообществом и невероятно полезны!

В психофизиологии существуют методы исследования, позволяющие получить объективные данные о развитии человека.

Методы оценки функциональных показателейвключают широкий спектр исследований.

С момента открытия Луиджи Гальвани «живого электричества» в экспериментах на лягушках, изучение электрической активности остается ключевым подходом в исследовании нервной системы.

Биографическая справка: Луиджи Гальвани (1737–1798) – итальянский врач, анатом и физиолог, один из основателей учения об электричестве. Родился в Болонье, где всю жизнь преподавал медицину в местном университете. Наиболее известен своими pioneering экспериментами по изучению мышечного сокращения под воздействием электричества. В 1780-х годах, проводя опыты с препарированными лапками лягушки, обнаружил явление сокращения мышц при контакте с металлами, которое назвал «животным электричеством». Это открытие заложило основы электрофизиологии и вдохновило Алессандро Вольту на создание первого химического источника тока – вольтова столба. Термин «гальванизм» увековечил его имя в истории науки.

Электрическая активность– основной процесс в нервной системе, обеспечивающий генерацию потенциалов действия и покоя, работу нейронных ансамблей и всего мозга.

Сегодня одним из главных методов является электроэнцефалография(ЭЭГ), которая через наблюдение за ритмами электрической активности мозга позволяет оценивать его функциональное состояние.

ЭЭГ – метод регистрации и анализа суммарной биоэлектрической активности, регистрируемой с поверхности черепа и из глубинных структур.

Условия регистрации: ЭЭГ записывается с помощью электродов, наложенных на кожу головы, соединенных с усилительной аппаратурой.

Международная федерация электроэнцефалографии приняла систему «10-20», где точки расположения электродов определяются путем определенных  измерений черепа (например, расстояние между переносицей и затылочным бугром).

Области обозначаются буквами:

F – лобная (frontalis);

O – затылочная (occipitalis);

P – теменная (parietalis);

T – височная (temporalis);

C – центральная борозда (centralis).

Нечётные номера соответствуют левому полушарию, чётные – правому. CZ обозначает вершину черепа.

ЭЭГ фиксирует как структурные, так и обратимые изменения в мозге.

Основные ритмы:

Альфа-ритм(8–13 Гц, 5–100 мкВ): регистрируется в затылочной и теменной областях в состоянии покоя.

Бета-ритм(14–30 Гц, 2–20 мкВ): связан с концентрацией внимания, локализуется в прецентральной и фронтальной коре.

Гамма-ритм(35–200 Гц, 2 мкВ): участвует в сенсорных и когнитивных процессах.

Дельта-ритм(0.5–4 Гц, 20–200 мкВ): проявляется во сне.

Тета-ритм (4–7 Гц, 5–100 мкВ): характерен для медленного сна и умственной нагрузки.

Мю-, каппа-, тау-ритмыотносятся к альфа-диапазону.

Сигма-ритм(14–17 Гц, 5–200 мкВ): возникает при переходе от дремоты к медленному сну.

Между тем, методы анализа ЭЭГ делятся на:

– клинический (визуальный): используется для диагностики. Специалист оценивает соответствие ЭЭГ норме, степень отклонений, признаки очаговых поражений мозга и их локализацию.

– статистический: основан на предположении о стационарности фоновой ЭЭГ. Этот метод позволяет определить ведущее полушарие для конкретной деятельности и выявить устойчивую межполушарную асимметрию.

Современные технологии позволяют получать функциональные томограммы мозга с помощью магнитоэнцефалографии(МЭГ). Этот метод визуализирует магнитные поля, возникающие вследствие электрической активности нейронов. По сравнению с ЭЭГ, МЭГ обладает преимуществом бесконтактной регистрации, но ограничивается фиксацией только корковых полей, тогда как ЭЭГ видны сигналы из всех мозговых структур.

Искусственные срезы мозга стали возможны благодаря внедрению позитронно-эмиссионной томографии(ПЭТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ). ПЭТ использует ультракороткоживущие позитроноизлучающие изотопы-«красители», позволяя измерять региональный мозговой кровоток и метаболизм глюкозы/кислорода в конкретных участках мозга.

К методам непрямой регистрации функционального состояния ЦНС относятся измерения вегетативных показателей, например, кожно-гальванической реакции(КГР). Эта методика применяется в работе полиграфа («детектора лжи»), где фиксируются изменения КГР, сердечного ритма и дыхания. На основе этих данных специалисты делают выводы о достоверности показаний. Обмануть полиграф крайне сложно, поскольку физиологические реакции, такие, как потоотделение при волнении, контролируются вегетативной нервной системой и не поддаются сознательному управлению.

Помимо КГР, полиграф регистрирует показатели сердечно-сосудистой системы через электрокардиографию (ЭКГ). Изменения на ЭКГ отражают не только работу сердца, но и опосредованно – функциональную активность мозга. В процессе записи отслеживаются пульс, артериальное давление и другие параметры кардиоваскулярной системы, что обеспечивает комплексную оценку психофизиологического состояния.

Окулографияпредставляет собой метод фиксации движений глаз. Выделяют несколько базовых типов глазодвигательной активности:

– тремор (мелкие высокочастотные колебания амплитудой 20-40 угловых секунд);

– дрейф (плавные медленные смещения глазного яблока);

– микросаккады (быстрые движения длительностью 10-20 мс с амплитудой 2-50 угловых минут);

– макросаккады (произвольные скачки взора амплитудой от 40 угловых минут до 60 градусов при зрительном обследовании объектов);

– прослеживающие движения (плавное сопровождение движущегося объекта взглядом).

Электроокулография(ЭОГ) – методика регистрации глазодвигательной активности, основанная на измерении корнеоретинального потенциала. При повороте глазного яблока изменяется пространственное расположение электрических полюсов, что фиксируется прибором. Графическое отображение этих изменений формирует электроокулограмму.

Движения глаз, особенно вертикальные смещения и мигательные реакции, создают выраженные артефакты на (ЭЭГ). Поэтому проведение ЭЭГ-исследований без параллельной регистрации электроокулограммы в психофизиологической практике считается методически некорректным. Современные протоколы нейрофизиологических исследований обязательно включают ЭОГ-мониторинг для фильтрации ошибок и обеспечения чистоты получаемых данных.

Представьте себе, что вы в кофейне, а за соседним столиком сидит тот самый субъект с идеальной прожаркой эспрессо и томным взглядом. Как определить, является ли ваше присутствие в его поле зрения стимулом, вызывающим положительную вегетативную реакцию, или же он просто любуется узором на своей чашке?

Давайте проведем небольшой… скажем так, естественно-научный эксперимент.

Вместо того чтобы ронять салфетку или невзначай спросить «не занят ли этот стул?», действуйте как профессионал. Вежливо предложите ему поучаствовать в исследовании «восприятия визуальных стимулов у современного городского жителя». Звучит солидно и не вызывает подозрений, если, конечно, он не выпускник психфака.

Покажите ему серию изображений: ваши фото вперемешку с фотографиями котиков, пиццы, Шерлока Холмса и других условно приятных объектов. Важно: ваши фото должны быть разных лет и ракурсов – для чистоты эксперимента.

Какие параметры и помощью какого методы мы можем изучить в ходе этого эксперимента?

С помощью окулографии мы можем отследить, как бегают его зрачки. Задержался на вашем фото дольше, чем на пицце? Отлично. Биологический интерес обнаружен.

Благодаря ЭЭГ мы можем проанализировать: нет ли в его мозге всплеска альфа-ритмов при виде вашего изображения. Если есть – его подсознание уже рисует вас в романтическом контексте.

А КГР нам даст понимание о состоянии его рук и отследить потливость ладоней. О! При вашем фото стрелка зашкаливает? Либо вы ему нравитесь, либо он вспомнил, что не выключил утюг. Но это уже детали.

Если по всем параметрам испытуемый демонстрирует статистически значимое отклонение от нормы при предъявлении вашего изображения – поздравляем! Гипотеза «он мой парень» подтверждена. Если же нет – не отчаивайтесь. Возможно, он просто голоден и всё его внимание захватила пицца на столе. Повторите эксперимент после того, как он съест круассан.

Кстати, когда будете проводить этот эксперимент, помните о том, что автор данной книги не несет ответственности за странные взгляды бариста и внезапное желание испытуемого вызвать скорую помощь при виде человека с электродами.

В арсенале психофизиологов есть и другие методы. Проследить изменения психофизиологического состояния можно не только инструментально и в моменте.

Одним из ключевых методов возрастной психофизиологии выступает метод поперечных срезов, позволяющий охватить исследованиями широкий возрастной диапазон в сжатые сроки.

Данный подход обеспечивает сопоставление характеристик людей разного возраста и формирование социально-возрастной картины реакций на конкретные теоретические положения. Возраст испытуемых служит основной опорной точкой, однако метод требует тщательного уравнивания выборок по множеству параметров, включая наиболее значимый – биологический возраст.

На практике у крупной группы детей разного возраста измеряют ключевые показатели: соматометрические (рост, вес, окружность головы и грудной клетки) и физиометрические (сила мышц кисти и спины, жизненная емкость легких, ЧСС и др.). Затем эти показатели усредняют по возрастно-половым группам для создания стандартов анатомо-физиологических параметров развития.

Метод индивидуального прослеживания , он же – лонгитюдный или метод продольных срезов, предполагает длительное изучение одних и тех же испытуемых для отслеживания динамики изменений. Этот подход был внедрен в возрастную физиологию В. М. Бехтеревым.

Биографическая справка:Владимир Михайлович Бехтерев (1857–1927) – выдающийся русский психиатр, невропатолог и физиолог, основатель Петербургского научно-исследовательского психоневрологического института. Основоположник рефлексологии и создатель теории связи психических процессов с физиологическими механизмами.

В таких исследованиях часто моделируются психические процессы, состояния и виды деятельности, например: мыслительной, а также отслеживаются электрофизиологические показатели. Цель – выявление общих закономерностей созревания и возрастных особенностей функционирования физиологических систем как предпосылок психического развития.

Также существуют дифференциально-диагностические эмпирические исследования. Например, независимое изучение психологических и физиологических аспектов с последующим комплексным анализом на определенном этапе. В качестве иллюстрации можно привести сравнение биоэлектрической активности мозга у детей, обучающихся по стандартной программе и по программе, стимулирующей психическое развитие.

Периодическая оценка психофизиологических функций в обеих группах позволяет оценить влияние дополнительного обучения на биологическое и психологическое созревание. Фактически это формирующий эксперимент с контрольной и экспериментальной группами.

Карта нервной системы

Давайте поговорим о серьезном с умным и важным видом. Поговорим о том, что вообще представляет из себя нервная система человека.

Нервная системапредставляет собой комплекс структур организма, обеспечивающих интеграцию деятельности всех органов и систем, функционирование организма как единого целого и его постоянное взаимодействие с внешней средой. Она реагирует на внешние и внутренние стимулы, воспринимая информацию из окружающей среды, анализируя и перерабатывая её. На основе обработанных данных нервная система формирует ответные реакции и координирует функции организма.

Структурной основой нервной системы является нервная ткань, состоящая из нейронов и глиальных клеток, а также оболочек спинного и головного мозга. Основной функциональной единицей выступает нейрон с его отростками, обладающий высокой возбудимостью и способностью к быстрому проведению нервных импульсов.

Если представить наш организм как сложноустроенное государство, то нервная система – это его армия связи. И, как любая уважающая себя армия, она имеет четкую иерархию.

Центральная нервная система(ЦНС) – это своеобразный генеральный штаб. Его резиденция надежно упрятана за крепчайшими костями черепа и позвоночника – это самое охраняемое здание в организме. В нем, в виде головного и спинного мозга, заседает высшее командование – скопления нейронов. Они не выносят суеты, принимают судьбоносные решения: «поднять руку!», «бежать!», «запомнить этот стих!» и рассылают приказы во все уголки тела.

Периферическая нервная система(ПНС) – это армия связистов, курьеров и полевых агентов.

Это они обеспечивают бесперебойную связь между штабом и самыми отдаленными провинциями организма – будь то мизинец на ноге или кончик языка.

Нервы– это провода и оптоволокно, по которым бегут передавать сообщения.

Нервные узлы(ганглии) – это местные узлы связи, которые могут решать простые задачи на месте, не отвлекая генералов из штаба.

А нервные сплетения– это крупные коммутационные хабы, где информация распределяется и перенаправляется.

Работа кипит круглосуточно: связь идет в обе стороны. Наши рецепторы, словно полевые агенты постоянно докладывают в штаб ЦНС разную важную информацию: «Палец обжегся о кружку!». Штаб молниеносно анализирует данные и тут же посылает приказ: «Немедленно одернуть руку!». И все это – за доли секунды.

Когда маленький ребенок виртуозно жонглирует ложкой, кашей и одновременно смотрит мультики, вспомните, что  это результат безупречной работы внутреннего штаба центральной нервной системы и его бесчисленных связистов периферической нервной системы, которые работают без перерывов на обед.

Периферическая нервная система – крутая! У нее есть целых два отдела:

афферентный (чувствительный), передающий возбуждение от рецепторов к ЦНС;

эфферентный (двигательный), проводящий импульсы от ЦНС к исполнительным органам (мышцам, железам, сосудам).

Сенсорные рецепторы– специализированные образования, способные воспринимать и трансформировать энергию внешних стимулов. Органы чувств представляют собой комплексы рецепторов и вспомогательных структур, формирующих периферические отделы сенсорных систем.

Соматическая нервная система– часть ПНС, управляющая деятельностью произвольной (поперечнополосатой) мускулатуры.

Вегетативная (автономная) нервная системарегулирует работу внутренних органов, иннервируя гладкую мускулатуру и контролируя обменные процессы в организме.

Симпатическая нервная системапредставляет собой отдел вегетативной нервной системы, деятельность которой направлена на интенсификацию энергетического обмена в органах и тканях.

Парасимпатическая нервная система– это часть вегетативной нервной системы, функционирование которой ориентировано на снижение энергетического и усиление пластического обмена в органах и тканях.

Метасимпатическая нервная система является компонентом вегетативной нервной системы, обеспечивающей собственные механизмы регуляции функций некоторых органов.

Нервная система совместно с эндокринной системой осуществляет взаимосвязанную регуляцию деятельности всего организма и его реакций на изменения условий внутренней и внешней среды.

Клеточный состав нервной системы включает нейроны, нейросекреторные и глиальные клетки.

Нейрон– структурная единица нервной системы, специализированная для передачи информации.

Для нейрона характерны специфическая форма и способность наружной мембраны генерировать нервные импульсы. Нейрон имеет синапс, служащий для передачи информации между нейронами. Каждый нейрон состоит из тела и отходящих от него отростков: аксонов и дендритов.

Тело нейрона (сома, перикарион) содержит ядро с хромосомами, рибосомы, осуществляющие биосинтез белка, аппарат Гольджи, ответственный за транспорт веществ и химическую модификацию продуктов органелл.

Важно отметить: нервные клетки не восстанавливаются только в одном случае – при полном разрушении тела нейрона (сомы), когда гибнет вся клетка вместе с аксонами и дендритами.

Аксон– крупное волокно, отходящее от тела клетки, оканчивающееся разветвлениями – дендритами.

Длина аксонов варьирует от нескольких миллиметров до одного метра.

Самые длинные аксоны, до 1,2 м. – у человека и свыше 30 м. – у кита, принадлежат мотонейронам спинного мозга и сенсорным нейронам, идущим к конечностям. Самые короткие и тонкие аксоны, составляющие всего лишь доли миллиметра, диаметром 0,1–0,2 мкм., характерны для интернейронов коры головного мозга, обеспечивающих локальную обработку информации.

Совокупность аксонов образует связи между центральной и периферической нервной системой.

Некоторые нервные клетки обладают способностью к нейросекреции – это специализированные нейроны, вырабатывающие и выделяющие в жидкие среды организма биологически активные вещества (нейрогормоны), которые разносятся кровотоком и влияют на различные органы и системы.

По количеству отростков нейроны классифицируются на:

– униполярные (один отросток);

– биполярные (два отростка);

– мультиполярные (три и более отростков).

Сигнал, генерируемый нейроном и передаваемый по аксону, представляет собой электрический импульс, осуществляющий межклеточную коммуникацию. Электрические импульсы между нейронами можно представить как переговоры между связистами с помощью азбуки Морзе: “Первый-первый! Я-второй, как слышно?” Другой нейрон отвечает: “Второй, Вас понял! Сигнал принят, передаю дальше!”.

Шифром Морзе, этот диалог выглядит примерно так:

Первый нейрон:

· – – · · / · – – · · / – – – – / – – · – – · / – – – / · · · · / · – · / – · – · · / – · · · / – · – · / · · – · · / – · – – / – · · · / · – – – / – · / · – · · / – – – / · – · / · – · · · / · · · – · / · – / – · · – / · · · / – · – – · / – – – / · – · · · / · / · – – · / · · · · · / – – – – – / · – · · /

Второй нейрон:

· – – · · / – · – · · / – – – – / – – · – – · / – – – / · · · · / – – – / · – · / · · · · / · · – · · / – · – – / – – – / · – · / – · · · / · – · · / · · · · / – · – · · / – · · · / · – · · / – · – · / · – · · · / · · – · / · – / – · · – / · · · / – · – – · / – – – / · – · · · / · / · – – · / – · – · · / · – · · / · – / – · · · / · · · · / – · – – · / · · · / · · · · · /

И каждый нейрон получает связи от сотен и тысяч других нейронов, формируя сложные сети взаимодействий. Вся деятельность мозга основана на передаче информации по этим нейронным цепям.

Совокупность всех связей между нейронами нервной системы называется коннектомом. Это не просто набор соединений, а комплексная карта нейронных взаимосвязей. В то время как у червей коннектомы относительно стандартны, у людей они уникальны и индивидуальны. Изучением коннектомов занимается коннектомика.

Биографическая справка:Себастьян Сеунг (род. 1968) – американский нейробиолог корейского происхождения, профессор Принстонского университета. Автор популярной книги «Коннектом. Как мозг делает нас тем, кто мы есть» (2012), пионер в области исследования нейронных связей.

Нейрон покрыт плазматической мембраной (плазмалеммой), состоящей из трёх слоёв: двух липидных и одного белкового. Белковые компоненты полностью или частично погружены в липидный матрикс. Оба компонента находятся в жидком состоянии.

Термин «синапс» (от греч. synapsis– соединение, связь) был впервые введен английским физиологом Ч. Шеррингтоном в 1897 году для обозначения функциональных контактов между нейронами.

Биографическая справка: Чарльз Скотт Шеррингтон (1857–1952) – британский учёный, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1932 года. Основоположник современной нейрофизиологии, автор фундаментальных работ по интегративной деятельности нервной системы.

Синапсы отличаются по структуре, функциональному назначению, механизму передачи сигнала и локализации. По способу проведения импульса выделяют два основных типа: химические и электрические.

Здесь, как и в человеческом обществе, есть два принципиально разных способа передать сообщение: быстро прошептать на ухо или отправить официальное письмо с курьером.

Электрический синапс– это узкий канал для шептаний. Представьте двух соседей, живущих в очень-очень тесных квартирах. Щель между их мембранами всего 5 нанометров – это в 4000 раз тоньше человеческого волоса! Чтобы поболтать, они даже не кричат – они прорыли между собой крошечные канальцы-трубочки – коннексоны, через которые электрический импульс перепрыгивает мгновенно, как искра. Это быстрый, но примитивный чат: «Тревога! Передай дальше!». Только скорость и никаких лишних движений.

Химический синапссравним с  отправкой письма с курьером. Здесь дистанция приличнее – целых 20-50 нм. Это как жить в разных домах. Чтобы передать сигнал, нейрон-отправитель,который является пресинаптическим,  не может просто крикнуть – ему нужно упаковать сообщение в химический конверт – нейромедиатор, который хранится в пузырьках-везикулах в специальном почтовом отделении – синаптической бляшке.

Когда приходит «письмо» – электрический импульс, пузырьки вскрываются, и медиатор-курьер переплывает щель. На другой стороне его ждет нейрон-получатель , называемый постсинаптическим, у которого на мембране есть специальные «уши» – хемочувствительные каналы. Они не понимают язык электричества, зато отлично считывают химические послания. Получив сообщение, они открываются и запускают новый импульс.

Кстати, общаться нейроны могут буквально чем угодно:

– аксон с дендритом – весьма классический телефонный звонок «начальник – подчиненный»;

– аксон с аксоном – это когда один курьер перехватывает другого и шепчет: «Не неси письмо, я уже все передал!» и происходит торможение сигнала;

– дендрит с дендритом, связь между – соседские сплетни между жильцами одного подъезда;

– аксон с телом клетки – прямое обращение к главному офису, минуя все промежуточные инстанции.

Мозг человека, словно гигантский мегаполис с разными видами связи: где-то быстрая, но примитивная «рация», а где-то – сложная, но точная «почтовая служба» с химическими курьерами. И все это работает, чтобы вы сейчас могли прочитать этот текст и улыбнуться.