Обратная связь в регуляции функциональных состояний
Теоретические и экспериментальные исследования в области физиологии представляют биологическую обратную связь как процесс саморегуляции поведенческих и физиологических функций.
Гомеостаз. Термин «гомеостаз» был предложен В.Кенноиом в 1932 году. Он обозначает координацию физиологических процессов, поддерживающих большинство устойчивых состояний организма и предполагает наличие равновесия, устойчивого состояния и стабильности большинства физиологических систем. Таким образом, гомеостаз определяет динамическое постоянство внутренней среды и ее колебания в допустимых пределах. Хорошо известны биологические константы, при которых возможно полноценное существование организма: температура тела, кровяное давление, концентрация глюкозы и кислорода в крови и другие. Организм человека — открытая система, причем внешние воздействия постоянно дестабилизируют внутреннюю
112
\
среду, нарушая ее постоянство, столь необходимое для полноценной жизнедеятельности. Тем не менее гомеостаз поддерживается благодаря сложным скоординированным механизмам саморегуляции, среди которых важную роль играет обратная связь.
Биологическая обратная связь.В живых организмах саморегуляция опосредуется механизмами обратной связи. Термин «обратная связь» впервые был использован в технике для описания автоматического управления машинами и механизмами. Любая система, поведение которой основано на принципе обратной связи обладает тремя основными свойствами: 1) генерирует движение к цели по определенному пути, 2) обнаруживает ошибку путем сравнения реального действия с правильным путем, 3) использует сигнал об ошибке для изменения направления действия.
В здоровом организме информация о результатах деятельности какого-либо органа (нервного центра, железы, мышцы) всегда тем или иным способом возвращается к нему обратно. На основе этого производятся изменения и корректировки первоначальной деятельности. Тем самым создается петля «обратной связи». Этот механизм действует практически на всех уровнях организации живого организма, начиная от петель обратной связи, ответственных за изменение скорости протекания самых элементарных биохимических реакций, до крайне сложных видов поведенческой деятельности. Причем самым существенным моментом в структурной организации обратной связи является наличие определенной информации о результате или характеристиках протекания того или иного процесса, с тем, чтобы иметь возможность изменить его в полезном для организма направлении.
Обратная связь (афферентация) является важнейшим звеном функциональных систем всех уровней организации. Другими словами, ее значение далеко выходит за рамки регуляции гомеостаза. Она выступает как важнейший механизм саморегуляции поведения и деятельности животных и человека (Анохин, 1978). При этом основной интерес представляют собой те реципрокные, регулятор-ные, опосредованные мозгом взаимодействия между моторным механизмом и рецептором, в которых обратная связь от рецептора управляет моторным ответом и сама регулируется им. Фундаментальные свойства этого взаимодействия для живых организмов — ди-
113
намичность, замкнутость контура управления и непрерывность действия. Однако, анализ обратной связи в таком плане в значительной степени — предмет будущих исследований.
Искусственная обратная связь.Важная особенность обратной связи заключается в том, что ее можно рассматривать как метод регуляции функциональных состояний организма и управления деятельностью человека, причем первый из аспектов больше связан с психофизиологией, второй — с психологией труда и эргономикой. Суть в том, что при помощи специально сконструированных приборов информация о функциональном состоянии человека или результатах его деятельности регистрируется, преобразуется в доступную для восприятия форму и посылается обратно. Анализируя «вернувшуюся» информацию, человек принимает решение о дальнейших шагах в своем поведении, будь это управление состоянием организма или выполнение производственной задачи. Иными словами, при помощи специальной аппаратуры создается искусственная петля «обратной связи», с помощью которой человек способен сознательно регулировать многие функции своего организма, начиная от изменения скорости протекания элементарных психофизиологических реакций до крайне сложных видов деятельности. Самым существенным при организации аппаратурной обратной связи является обеспечение конкретной, доступной человеку информации о результате или характеристиках протекания того или иного процесса, чтобы у человека была возможность изменить его в любом, но лучше в полезном организму, направлении.
Имеются многочисленные данные, говорящие о том, что при наличии соответствующей информации, на основе обратной связи человек может науч7<1ться изменять такие функции своего организма, которые ранее считались недоступными для произвольной регуляции и осознанного контроля.
!." ч 3.5.1. Виды искусственной обратной связи в психофизиологии
Электромиографическая(ЭМГ) обратная связь. Этот тип связи основан на использовании миографа — прибора, улавливающего и усиливающего электрические импульсы, возникающие при мышечном напряжении. Миограф регистрирует уровень мышечной активности и преобразует эту активность в сигналы, доступные для вос-
114
приятия человека, пропорционально силе мышечного напряжения. В зависимости от типа прибора обратная связь с человеком осуществляется при помощи световых или звуковых сигналов. В первых исследованиях, например, изменялась освещенность комнаты: чем больше человек напрягал свои мышцы, тем ярче светили лампочки, и наоборот. Задавшись целью снизить уровень мышечного напряжения, человек в оценке результатов своих усилий ориентируется на изменения освещенности. Таким образом, он воспринимает эти сенсорные раздражители как информацию, необходимую ему для изменения степени мышечного напряжения, для релаксации.
Температурная обратная связь. Использование температурной связи основано на том факте, что периферическая температура кожи отражает степень сужения или расширения кровеносных сосудов. Когда периферические кровеносные сосуды расширены, ток крови через них увеличивается и кожа становится более теплой. Измеряя температуру в конечностях, можно определить степень сужения кровеносных сосудов и так как их сужение и расширение регулируется симпатическим отделом автономной нервной системы, можно тем самым косвенно оценить степень симпатической активности.
Аппаратура для температурной обратной связи состоит из датчика и обрабатывающего устройства. Как и при регистрации мышечного напряжения, доступные для восприятия стимулы говорят человеку о температуре кожи пропорционально ее изменениям.
Электроэнцефалографическая (ЭЭГ) обратная связь. Описание метода регистрации ЭЭГ дано в главе 2. При изучении обратной связи такого типа, ЭЭГ записывается обычным способом, однако предварительно определяются частотные и амплитудные характеристики контролируемых показателей испытуемого (как правило, альфа-ритма или тета-ритма) и по их величине настраивается «окно» звуковой обратной связи. Человек получает обратную связь в виде звука, когда амплитуда и частота соответствующих ритмов находятся в пределах установленного индивидуального диапазона. Как показывают многочисленные опыты, человек может относительно быстро овладеть умением настраивать собственную электрическую активность в соответствии с заданными параметрами.
115
Было показано также, что биологическая обратная связь может быть использована не только для поддержания и увеличения альф а-активности на ЭЭГ по всей поверхности головного мозга, но и при изменении межполушарных соотношений по показателям альфа-ритма. Так, испытуемым предлагалось попытаться определить наличие асимметрии в собственной биоэлектрической активности мозга и добиться усиления ее выраженности с помощью биологической обратной связи. Испытуемые, ориентируясь на звуковой сигнал, информирующий их о степени преобладания альфа-ритма в правом полушарии, по инструкции произвольно поддерживали то или иное состояние ЭЭГ-асимметрии. У большинства испытуемых асимметрия менялась только за счет относительного увеличения или уменьшения альфа-ритма при сохранении исходной тенденции к доминированию альфа-ритма справа. Есть данные, что некоторые люди способны различать характер и степень выраженности собственной ЭЭГ-асимметрии.
Благоприятным фактором для регуляции альфа-ритма оказалось отсутствие критико-аналитического отношения к среде и к себе. Было также отмечено, что те испытуемые, которые хорошо представляют себе, что такое образы и сновидения, т.е. чьи образные компоненты мышления выражены достаточно ярко, обучаются особенно эффективно усиливать альфа-ритм. Именно эти субъекты обнаруживают большие способности к медитации и интуитивному постижению проблемы.
Электрокожная(ЭК) обратная связь. Основу для этого варианта обратной связи составляет электрическая активность кожи (см. гл.2). Наиболее часто встречающимся индикатором обратной связи служат преобразованные в доступную для восприятия форму сопротивление и проводимость кожи. Поскольку изменение электрических характеристик кожи является функцией симпатической нервной системы, то с помощью ЭК человек обучается регулировать уровень активации симпатического отдела вегетативной нервной системы.
Комплексная обратная связь основана на сочетании двух или более видов обратной связи из числа описанных выше, например, одновременно с ЭЭГ-обратной связью можно применять ЭМГ-об-ратную связь. Последнее позволяет человеку более дифференци-
1J6
рованно и эффективно осуществлять регуляцию соответствующих психофизиологических показателей и функциональных состояний организма.
3.5.2. Значение обратной связи в организации поведения «
Значение обратной связи особенно ярко иллюстрируют исследования с отставлением информации о результатах выполнения действия.
Задержка обратной связи.Впервые этот экспериментальный прием использовал американский исследователь В.Ли. С помощью двойного звукозаписывающего устройства он фиксировал речь испытуемого и подавал ее обратно с помощью электрического преобразователя через наушники, которые препятствовали непосредственному восприятию испытуемым своей речи. Такая система позволяла создавать задержки между речевыми движениями испытуемого и звуковой обратной связью от этих движений. Задержки около 0,2 с вызывали у испытуемых радикальное нарушение речи — заикание, паузы, ошибки и в ряде случаев полное ее прекращение. Эти факты убедительно свидетельствуют, насколько важно человеку для правильного проговаривания слышать свою собственную речь.
Описаны эффекты задержек обратной связи и для других видов деятельности человека, таких как письмо, рисование, пение, управление позой и движениями головы и др. Показано, что задержка сенсорной обратной связи снижает организацию и эффективность всех движений тела, при этом наблюдается ухудшение точностных, временных и интегративных характеристик всех сенсомоторных механизмов. Так, в частности, уже после нескольких минут участия в экспериментах с звуковой задержкой профессиональные музыканты (пианисты, скрипачи, виолончелисты, флейтисты) полностью отказывались от участия в дальнейших экспериментах, поскольку они сразу обнаруживали, что подобный эксперимент разрушает навыки игры. В различных экспериментах с применением компьютера было показано, что задержка зрительной обратной связи от движений глаз ухудшает все виды глазодвигательной активности при прослеживании.
117
V
Значение обратной связи в организации движения.Можно утверждать, следовательно, что независимо от того, какие нейронные механизмы участвуют в процессах формирования двигательного навыка, тот факт, что даже небольшие нарушения нормальных временных и/или пространственных параметров обратной связи вызывают существенное ухудшение двигательных навыков, моторной деятельности и обучения, позволяет предположить наличие тесных взаимосвязей между периферическим мотосенсорным и центральными механизмами регуляции динамики движений, (см. раздел 3 глава 10).
Терапевтическое значение искусственной обратной связи.Проблема биологической обратной связи является одной из наиболее важных при изучении взаимодействия психики и тела. Как экспериментальный метод искусственная обратная связь позволяет изучать, какими способами мозг человека «дирижирует» различными функциями системы «психика-тело». Существуют и терапевтические аспекты применения искусственной обратной связи, когда, опираясь на получаемую информацию, человек стремится улучшить свое функциональное состояние.
Одним из условий успешности применения обратной связи в клинике является степень когнитивного пере структурирования воспринимаемой человеком внешней и внутренней информации, в результате которого он начинает более дифференцированно оценивать способы взаимодействия мозга и тела.
Имеются многочисленные данные, говорящие о том, что при наличии соответствующей информации на основе обратной связи человек может научиться изменять такие функции своего организма, которые ранее считались недоступными для сознательного контроля, например, степень мышечного напряжения, величину альфа-ритма, температуру кожного покрова, сердечную деятельность и др. Практическое применение обратной связи непосредственно связано с регуляцией состояния избыточного напряжения симпатического отдела вегетативной нервной системы с целью снижения его нежелательных для организма последствий.
*н\ку> ' . ■-■■■ •'■'■ ■■':■■ '■' г> Глава четвертая '''■■'■■!-'- '■-■- <■ ■''''■■ ■• 1 '■'■'
1j ■'] 4. Психофизиология > ' :
эмоционально-потребностной сферы
В целостной поведенческой реакции любого живого организма потребности, мотивации и эмоции выступают в неразрывном единстве, однако и содержательно, и экспериментально их можно разделить, так как они отражают активность, хотя и тесно взаимодействующих, но специализированных отделов ЦНС, с одной стороны, и выполняют разные функции в обеспечении поведения, с другой.
4.1. Психофизиология потребностей i - о
- ■'* : 4.1.1. Определение и классификация потребностей - ''■'■'> '*
Потребности — форма связи организма с внешним миром и источник его активности. Именно потребности, являясь внутренними сущностными силами организма, побуждают его к разным формам активности (деятельности), необходимым для сохранения и развития индивида и рода в целом. Потребности живых существ чрезвычайно разнообразны. Существуют разные подходы к их классификации, однако большинство исследователей выделяют три типа потребностей: биологические, социальные и идеальные.
Биологические потребности. В своих первичных биологических формах потребность выступает как нужда, испытываемая организмом в чем-то, находящемся во внешней среде, и необходимом для его жизнедеятельности. Биологические потребности обусловлены необходимостью поддерживать постоянство внутренней среды организма. Побуждаемая ими активность всегда направлена на достижение оптимального уровня функционирования основных жизненных процессов, на достижение полезного, приспособительного результата (Анохин, 1968). Эта активность возобновляется при отклонении параметров внутренней среды от оптимального уровня и прекращается при его достижении.
Биологические потребности (в пище, воде, безопасности и т.д.) свойственны как человеку, так и животным. Однако большинство
119
потребностей у животных носит инстинктивный характер. Инстинкты можно рассматривать как функциональные системы, в которых генетически «предопределены» не только свойства внешних предметов (или живых существ), способных удовлетворить эти потребности, но и основные последовательности (схемы, программы) поведенческих актов, приводящих к достижению полезного результата.
Биологические потребности человека отличаются от аналогичных потребностей животных. Основное отличие лежит, прежде всего, в уровне социализации биологических потребностей человека, которые могут существенно видоизменяться под влиянием социокультурных факторов. Так, например, социализация пищевой потребности породила высоко ценимое искусство кулинарии и эстетизации процесса потребления пищи. Известно также, что в некоторых случаях люди способны подавлять в себе биологические потребности (пищевую, половую и т.д.), руководствуясь целями высшего порядка.
Потребности, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность организма, хорошо известны — это потребности в пище, воде, оптимальных экологических условиях (содержание кислорода в воздухе, атмосферное давление, температура окружающей среды и т.п.). Особое место в этом ряду занимает потребность в безопасности. Неудовлетворенность этой потребности рождает такие ощущения, как тревога и страх.
Социальные и идеальные потребности.Физиология высшей нервной деятельности подходит к определению природы и состава социальных и идеальных потребностей, опираясь на представления о существовании врожденной, безусловнорефлекторной основы поведения, имеющей универсальный характер и проявляющейся в поведении как высших животных, так и человека (Симонов, 1973).
Социальные потребности (зоосоциальные у животных) в качестве первоосновы включают следующие их виды: 1) потребность принадлежать к определенной социальной группе; 2) потребность занимать в этой группе определенное положение в соответствии с субъективным представлением индивида об иерархии этой группы; 3) потребность следовать поведенческим образцам, принятым в данной группе. Они направлены на обеспечение взаимодействия индивида с другими представителями своего вида.
120
Идеальные потребности составляют биологически обусловленную основу для саморазвития индивида. В эту группу включаются: 1) потребность в новизне; 2) потребность в компетентности; 3) потребность преодоления.
Потребность в новизне лежит в основе ориентировочно-исследовательской деятельности индивида и обеспечивает ему возможность активного познания окружающего мира. Две группы факторов имеют отношение к актуализации этой потребности: дефицит активации, который побуждает к поиску новых стимулов (сложных и изменчивых), и дефицит информации, который заставляет искать пути снижения неопределенности.
При описании потребностной сферы человека иногда как особый вид потребности выделяется информационная потребность, которая представляет собой не «сенсорный голод» как таковой, а потребность в разнообразной стимуляции. Неудовлетворенность информационной потребности может привести к нарушениям не только психического равновесия человека, но и жизнедеятельности его организма.
Так, например, в экспериментах по полной сенсорной изоляции здорового человека погружают в специальную ванну, которая позволяет практически полностью изолировать его от сенсорных раздражителей различных модальностей (акустических, зрительных, тактильных и др.). Через некоторое время (у каждого человека оно различно) люди начинают испытывать психический дискомфорт (потеря ощущения своего тела, галлюцинации, кошмары), который может привести к нервному срыву.
Простая монотонная стимуляция рецепторов (например, монотонный звук) лишь на короткое время улучшает состояние. Однако, если те же стимулы предъявлять не ритмически, а в случайном порядке, самочувствие человека улучшается. При неизменности параметров стимула вводится момент неопределенности и с ним возможность прогноза, несущего определенный смысл или информацию. Это способствует нормализации психического состояния человека. Таким образом, информационная потребность, хотя и относится к идеальным потребностям, у человека приобретает витальную или жизненную значимость.
121
. Одной из природных предпосылок обучения является потребность в компетентности, тонкие физиологические механизмы которой пока неизвестны. Она проявляется в стремлении повторять одио и то же действие до полного успеха его исполнения, и обнаруживается в поведении высших животных и нередко маленьких детей. Адаптивный смысл этой потребности очевиден: ее удовлетворение создает основу для овладения инструментальными навыками, т.е. основу для обучения в самом широком смысле этого слова.
Потребность преодоления («рефлекс свободы» по определению И. П. Павлова) возникает при наличии реального препятствия и детерминирована стремлением живого существа преодолеть это препятствие. Рефлекс свободы ярче всего выражен у диких животных, стимулом для его актуализации служит какое-либо ограничение (препятствие), а безусловным подкреплением является преодоление этого препятствия. Адаптивное значение этой потребности в первую очередь связано с побуждением животного к расширению среды обитания, и, в конечном счете, к улучшению условий для выживания вида.
Сточки зрения эволюционной физиологии, перечисленные социальные и идеальные потребности должны иметь свое представительство и в мотивационно-потребностной сфере человека. В ходе индивидуального развития базисные потребности социализируются, включаются в личностный контекст и приобретают качественно новое содержание, становясь мотивами деятельности.
■ 4.1.2. Психофизиологические механизмы возникновения потребностей
'' Физиологические условия возникновения потребностей — проблема недостаточно разработанная, и некоторая определенность в настоящее время существует только в отношении таких витальных потребностей, как потребность в пище и воде. С точки зрения психологии, голод и жажда — это гомеостатические влечения — драйвы, направленные на получение организмом достаточного для обеспечения выживания количества воды и пищи. Эти драйвы относятся к врожденным и не требуют специального научения, однако в течение жизни могут модифицироваться разнообразными влияниями среды.
122
Природа чувстваголода. Энергетический баланс у людей поддерживается при условии соответствия поступления энергии ее расходу на мышечную работу, химические процессы (рост и восстановление тканей) и потерю тепла. Отсутствие пищи вызывает чувство голода, которое инициирует поведение, направленное на поиск пищи. При каких физиологических условиях возникает чувство голода? Первоначально предполагалось, что чувство голода возникает в результате сокращений пустого желудка, которые могут восприниматься механорецепторами, находящимися в стенках желудка.
По современным представлениям решающую роль в этом играет растворенная в крови глюкоза. В норме, независимо от качества потребляемой пищи, концентрация глюкозы в крови поддерживается в пределах от 0,8 до 1,0 г/л. В промежуточном мозге, печени, стенках сосудов кровеносной системы находятся хеморе-цепторы, реагирующие на концентрацию глюкозы в крови, так называемые — глюкорецепторы. Реагируя на снижение содержания глюкозы в крови, они способствуют возникновению чувства голода. Предполагается, что чувство голода может также возникать в результате нехватки в организме продуктов обмена белков и жиров.
Кроме этого, определенную роль в возникновении голода могут играть текущие условия жизнедеятельности. Известно, что при снижении температуры окружающей среды, у теплокровных животных возрастает потребление нищи, причем в количестве обратно пропорциональном имеющейся температуре. Таким образом, внутренние терморецепторы могут служить источником стимуляции, который способствует возникновению ощущения голода.
Наряду с физиологическими существуют и психологические факторы, регулирующие возникновение чувства голода. Режим питания, включающий ритмичность потребления пищи, длительность интервалов между приемами пищи, ее качественный состав и количество, безусловно, влияют на возникновение ощущения голода.
Стремление к определенной пище называют аппетитом. Он может возникать при ощущении голода и вне его (например, при виде или описании особо вкусного блюда). Специфический аппетит может отражать реальный дефицит какого-либо компонента в составе пищи, например, тяга к соленой пище может возникать в ре-
123
зультате потери организмом значительного количества соли. Однако подобная связь прослеживается не всегда. Предпочтение одних видов пищи и отвращение к другим определяются индивидуальным опытом воспитания человека и культурными традициями.
Процесс поглощения пищи обычно прекращается задолго до того, как в результате ее переваривания исчезает дефицит энергии, вызвавший чувство голода и побудивший начать поглощение пищи. Сумма процессов, заставляющих завершить этот акт, называется насыщением. Ощущение сытости всегда сопровождается снятием напряжения (поскольку сопряжено с активацией парасимпатической системы) и положительными эмоциями, следовательно, оно представляет собой нечто большее, нежели простое исчезновение голода.
Природа чувства жажды.Тело взрослого человека содержит приблизительно 75% воды. При потере количества воды, превышающей 0,5% массы тела (около 350 мл у человека, имеющего вес тела 70 кг) возникает чувство жажды. Жажда — общее ощущение, основанное на комбинированном действии рецепторов многих типов, расположенных как на периферии, так и в головном мозге. Основные нервные структуры, ответственные за регуляцию водно-солевого баланса, находятся в промежуточном мозге, главным образом в гипоталамусе. В его передних отделах расположены так называемые ос-морецепторы, которые активируются при повышении внутриклеточной концентрации солей, т.е. когда клетки теряют воду. Осморецеп-торы называют рецепторами жажды, вызываемой дефицитом воды в клетках. Кроме них, в формировании ощущения жажды могут принимать участие и другие факторы, например, рецепторы полости рта и глотки (создающие ощущение сухости), рецепторы растяжения в стенках крупных вен и другие. Важно подчеркнуть, что адаптация к ощущению жажды отсутствует, поэтому единственное средство ее устранения — потребление воды.
Биохимические корреляты потребности в ощущениях.По некоторым данным, потребность в дополнительной стимуляции может определяться некоторыми биохимическими особенностями человека. Так, например, в известных исследованиях американского психолога М. Закермана (Zuckerman, 1984) изучалась тенденция человека к поиску новых переживаний, стремление к физиче-
124
скому и социальному риску. Эту склонность определяют как «поиск ощущений». С помощью специального опросника можно оценить потребности человека в новизне, сильных и острых ощущениях. Установлено, что индивидуальный уровень потребности в ощущениях имеет свои биохимические предпосылки. Степень потребности в ощущениях отрицательно связана с уровнем следующих биохимических показателей: моноаминооксидазы (МАО), эндорфинов и половых гормонов.
Функция моноаминооксидазы состоит в контроле и ограничении уровня некоторых медиаторов, в частности, норадреналина и дофамина. Эти медиаторы обеспечивают функционирование нейронов катехоламиноэргической системы, имеющей отношение к регуляции эмоциональных состояний индивида. Если содержание МАО в нейронах оказывается сниженным (по сравнению с нормой), ослабляется биохимический контроль за действием указанных медиаторов. Эндорфины, продуцируемые в мозге биологически активные вещества, снижают болевую чувствительность и успокаивающе влияют на психику человека. Половые гормоны (андроге-ны и эстрогены) связаны с процессами маскулинизации и феминизации.
Другими словами, индивиды, у которых меньше продуцируется в организме МАО, эндорфинов и половых гормонов, с большей вероятностью будут склонны' к формированию поведения, выражающегося в поиске сильной дополнительной стимуляции. Закер-ман высказал предположение, что поиск ощущений связан с необходимостью обеспечить оптимальный уровень активации в катехоламиноэргической системе. Поэтому индивиды с низким уровнем продукции катехоламинов будут, по-видимому, искать сильных ощущений, чтобы поднять активность этой системы до оптимального уровня.
Этот пример дает основания полагать, что со временем могут быть обнаружены биохимические особенности, создающие условия для формирования некоторых не только витальных, но и идеальных потребностей человека. Однако нельзя упускать из виду, что корреляция как метод анализа не дает основания для оценки причинно-следственных отношений. В принципе нельзя исключить того, что перечисленные биохимические особенности сами
125
возникают как следствие поведения, направленного на поиск ощущений, которое формируется в результате действия каких-либо других, неизвестных в настоящее время (может быть и социальных) факторов.