Проблемы определения функциональных состояний

Нередко функциональное состояние (ФС) определяется как фо­новая активность ЦНС, в условиях которой осуществляется та или иная деятельность. Однако это определение нельзя считать доста­точным. Во-первых, оно носит слишком общий характер и не учи­тывает структурно- функциональную неоднородность ЦНС. Во-вто­рых, вводя в качестве критерия «условия осуществления деятель­ности», оно сужает круг функциональных состояний организма че­ловека, исключая из их числа все состояния, которые непосредст­венно не связаны с деятельностью (например, сон или медитация). Кроме того, обобщенность этого определения не позволяет вы-

явить основания, п^. которым можно проводить дифференциацию различных функциональных состояний организма.

3.1.1. Разные подходы к определению ФС

Комплексный подход.Появление возможности множественной регистрации психофизиологических индикаторов (ЭЭГ, ЧСС, ЭМГ, дыхательных движений и др.) привели к пониманию функциональных состояний как комплекса поведенческих проявлений, сопровожда­ющих различные аспекты человеческой деятельности и поведения. С позиций системного подхода, ФС представляет собой результат дина­мического взаимодействия организма с внешней средой и отражает состояние «организованного» целого. По этой логике под функцио­нальным состоянием понимается интегральный комплекс наличных характеристик тех качеств и свойств организма человека, которые прямо или косвенно определяют его деятельность.

Итак, функциональное состояние — это системный ответ орга­низма, обеспечивающий его адекватность требованиям деятельно­сти. Таким образом, изменение ФС представляет собой смену одно­го комплекса реакций другим, причем все эти реакции взаимосвяза­ны между собой и обеспечивают более или менее адекватное по­ведение организма в окружающей среде. Согласно этой логике, ди­агностика функциональных состояний связана с задачей распозна­вания многомерного вектора, компонентами которого являются различные физиологические показатели и реакции.

Понятно, что увеличение числа компонент этого вектора, т.е. привлечение к анализу все большего числа показателей и реакций, а также их всевозможных комбинаций, приводит к еще большей дробности и затрудненности анализа функционального состояния. Однако положительным является то, что каждое ФС при этом ха­рактеризуется своим собственным уникальным сочетанием показа­телей и реакций (однозначным многомерным вектором). В то же время никакой набор показателей, пусть даже строго упорядочен­ный и уникальный, не позволяет выявить сущность конкретного функционального состояния, поскольку всегда оказывается лишь внешним описанием и перечислением, лишенным содержательной характеристики наиболее значимой для понимания сути ФС.

74

Эргономический подход.Сюда же примыкает эргономическое определение ФС как такого состояния организма человека, которое оценивается по результатам трудовой и профессиональной деятель­ности. И именно результаты подобной деятельности рассматри­ваются как наиболее интегральный показатель функционального состояния. При этом снижение результативности деятельности рас­сматривается как признак ухудшения ФС.

Согласно этой логике, здесь выделяют два класса функцио­нальных состояний:

1) состояние адекватной мобилизации, когда все системы организ­ма работают оптимально и соответствуют требованиям деятельности;

2) состояние динамического рассогласования, при котором раз­личные системы организма: а) не полностью обеспечивают его де­ятельность; б) или эти системы работают на излишне высоком уров­не траты энергетических ресурсов.

В первом случае имеется в виду «оперативный покой» — осо­бое состояние готовности к деятельности, при котором организм человека за короткий отрезок времени способен перейти в раз­личные формы физиологической активности для выполнения кон­кретной деятельности. Состояние оперативного покоя сопровож­дается повышением тонуса нервных центров, особенно тех, кото­рые имеют отношение к построению движений, связанных с пред­полагаемыми трудовыми действиями и операциями, а также напря­жением некоторых вегетативных функций.

Во втором случае речь идет о так называемых экстремальных со­стояниях (реактивные пограничные или патологические состояния).

Конечно, между состоянием оперативного покоя и экстремаль­ными состояниями существует немало других состояний типа: уто­мления, теплового напряжения, водного истощения и т.п.

Подобный способ оценки ФС, безусловно, полезен при реше­нии задач повышения эффективности труда. Кроме того, он позво­ляет прогнозировать развитие нежелательных ФС, таких, как мо-нотония, стресс или высокая степень утомления. Однако, как уже было сказано выше, такой подход не позволяет подойти к решению проблемы механизмов формирования и смены ФС.

Психофизиологический подходк определению функциональ­ных состояний опирается на представление о существовании мо-

дулирующих систем мозга. Согласно этому подходу акцент делает­ся на функциональной специализации двух систем организма. В это число входят:

1} ретикулярная формация ствола мозга, способная оказывать как возбуждающее, так и тормозное влияние на вышележащие от­делы мозга;

2) лимбическая система, ответственная за эмоциональные со­стояния человека.

Обе модулирующие системы, будучи тесно связаны с высшими отделами коры больших полушарий, образуют особую функцио­нальную систему, имеющую несколько уровней реагирования: фи­зиологический, поведенческий, психологический (субъективный). В соответствии с этой логикой функциональное состояние мож­но рассматривать как результат активности объединенной функци­ональной системы.

Таким образом, в психофизиологии функциональное состояние выступает как результат взаимодействия модулирующих систем мозга и высших отделов коры больших полушарий, который опре­деляет текущую форму жизненной активности индивида.

Это определение дает основание проводить границу между раз-ными функциональными состояниями не только по поведенческим проявлениям, эффективности деятельности или результатам поли­графической регистрации, но также и по уровню активности мо­дулирующих систем мозга.

Уровень бодрствованияявляется внешним проявлением актив­ности нервных центров. Это понятие характеризует интенсивность поведения. Все поведенческие проявления в первом приближе­нии можно рассматривать как континуум (или одномерную шка­лу), обусловленный колебаниями возбуждения модулирующих си­стем мозга. Принято считать, что между сном и состоянием край­него возбуждения имеется непрерьгоный ряд изменений уровня бодр­ствования, вызываемых изменениями уровней активности нервных центров. Максимальная эффективность деятельности соответст­вует оптимальному уровню бодрствования (Блок, 1970).

Итак, предположительно изменения в функционировании нер­вных процессов образуют одномерную шкалу, нижняя граница ко­торой — состояние сна, верхняя — состояние очень сильного воз-

76

буждения типа ярости. Допускается, что между этими полюсами су­ществует целый ряд уровней бодрствования, составляющих диапа­зон интенсивности поведения. Изменения уровней бодрствования вызывают изменения тонуса нервных центров: всякая нервная ак­тивация должна выражаться в усилении бодрствования.

Схема, описывающая линейный континуум уровней бодрствова­ния, требует, однако, двух важных уточнений. Во-первых, установ­лено, что активность нервных центров во время сна далеко не всегда минимальна. Как будет показано ниже, в некоторые периоды ноч­ного сна организм человека обнаруживает высокое напряжение фи­зиологических функций. Вероятно, следует признать, что между раз­ными ФС существуют качественные отличия, не сводимые только к различиям в уровнях активации. Во-вторых, представление о по­следовательном увеличении уровней бодрствования не предполагает, что приспособительные возможности организма возрастают также монотонно. Начиная с какого-то достаточно высокого уровня бодр­ствования, большинство действий, нарушается, таким образом, эффе­ктивность выполняемой деятельности связана с уровнем бодрство­вания обратной U-образной зависимостью.

Теоретически можно предположить, что для каждого типа адап­тивного поведения существует оптимальный уровень бодрствова­ния и соответствующего ему функционального состояния, на фо­не которых человек добивается наиболее высоких результатов. Следует отметить, что не существует количественной меры для фи­ксации уровня бодрствования, т.е. нельзя напрямую измерить уро­вень бодрствования, как, например, измеряют температуру тела. Переход от одного уровня бодрствования к другому оценивается эм­пирически на основе наблюдения и количественной оценки различ­ных физиологических показателей.

Нейрохимический подходк определению функциональных со­стояний опирается на представление о сильной зависимости пси­хического состояния человека (его настроений и переживаний) от биохимического состава внутренней среды организма. Предпола­гается, что в мозге человека существует особый механизм, регу­лирующий функциональное состояние через изменение уровня ак­тивности медиаторных систем мозга, а также баланса их активно­сти (Данилова, 1992). Устойчивое равновесие активности медиа-

77

/

торных систем дает представление о среднем уровне активации или функциональном состоянии, при котором реализуется данное поведение. Разным типам поведения соответствуют различные ба­лансы активности медиаторных систем мозга.

3.1.2. Нейрофизиологические механизмы регуляции бодрствования

Изменения уровней бодрствования связаны с изменениями тону­са соответствующих нервных центров, при этом можно выделить несколько уровней регуляции бодрствования: клеточный, отдельных мозговых центров, модулирующих систем и мозга как целого.

Нейронные механизмы.На нейронном уровне регуляция функ­циональных состояний осуществляется с помощью особой катего­рии нейронов, именуемых модуляторными. Существуют две кате­гории модуляторных нейронов: активирующего и инактивирую-щего типа. Первые увеличивают активность синапсов, соединяю­щих чувствительные и исполнительные нейроны, вторые снижа­ют эффективность синапсов, прерывая путь передачи информации от афферентных к эфферентным нейронам. Кроме того, нейроны-модуляторы различаются по степени генерализованности своего действия. Переход к бессознательному состоянию, например, при засыпании можно определить как выключение активирующих ней­ронов-модуляторов генерализованного типа и включение инакти-вирующих нейронов-модуляторов.

В эволюции нейроны-модуляторы объединились в ансамбли и се­ти, сосредоточенные на уровне ретикулярной формации ствола моз­га и неспецифического таламуса, образуя активирующую и инак-тивирующую системы.

Модулирующие системы.Совокупность модулирующих систем образует особый блок, который регулирует тонус коры и подкор­ковых структур, оптимизирует уровень бодрствования в отноше­нии выполняемой деятельности и обусловливает адекватный выбор поведения в соответствии с актуализированной потребностью.

Важнейший участок регуляторного блока— ретикулярная фор­мация мозга, представляющая сеть из нервных клеток в средней ча­сти ствола. Со всех сторон ретикулярная формация окружена сен­сорными путями, которые отдают ей часть афферентной импуль-

78

\

сации. Благодаря этому любое сенсорное возбуждение повышает уровень активации ретикулярной формации, и активация по восхо­дящим путям распространяется вверх к коре больших полушарий. Экспериментально показано, что раздражение, вживленных в ре­тикулярную формацию электродов, приводит к пробуждению спя­щего животного.

Еще одно важное звено регуляции функциональных состояний связано с работой таламуса. Зрительный бугор, или таламус, — отдел промежуточного мозга, который выполняет роль коллекто­ра сенсорной информации, так как в него поступает информация от всех органов чувств. По некоторым данным в центре таламуса находится «водитель ритма» — морф о-функциональное образо­вание, отвечающее за генерацию ритмической активности и рас­пространяющее синхронизирующие влияния на обширные области коры. Ядра неспецифического таламуса образуют диффузную про­екционную таламическую систему, которая оказывает на кору воз­буждающие и тормозные влияния. Эти влияния по сравнению с эф­фектами возбуждения ствола мозга имеют более ограниченный ха­рактер и захватывают относительно небольшие участки коры.

Таким образом, при раздражении таламуса возникает реакция ак­тивации в коре головного мозга. Эта реакция отчетливо видна в те­кущей электроэнцефалограмме: она сравнительно кратковремен-на и локализована. В отличие о^ реакции активации, вызываемой ретикулярной формацией ствола мозга, которая считается генера­лизованной реакцией активации, эффекты возбуждения неспеци­фического таламуса называют локальной активацией.

Таблица 3.1. Основные различия в эффектах активации ствола мозга и таламуса

Характеристики реакции	ЭЭГ активация ствола мозга	ЭЭГ активация таламуса
Область распространения	Генерализованная	Локальная
Тип реакции	Тоническая	Фазическая
Временная динамика	Медленно угасающая	Быстро угасающая

79

Следовательно, передача эстафеты активирующих влияний с уровня ретикулярной формации ствола мозга на уровень талами-ческой системы означает переход от генерализованной активации коры к локальной. Первая отвечает за глобальные сдвиги общего уровня бодрствования. Вторая отвечает за селективное, т.е. из­бирательное сосредоточение внимания (см. раздел 3, глава 6).

В регуляции уровня бодрствования и обеспечении избиратель­ной активации той или иной формы поведения, направленного на удовлетворение потребностей, принимает участие лимбическая си­стема мозга, имеющая как активирующие, так и тормозящие по­ведение отделы (см. раздел 2, глава 4).

По имеющимся представлениям, к регуляции функциональных со­стояний имеет также отношение стриопаллидарная система — ком­плекс нервных центров, именуемых также базальными ганглиями. По мнению Н.Ф.Суворова и О.П.Таирова (1985), ведущая роль в форми­ровании избирательной активации неокортекса принадлежит стрио-паллидарной системе, которая сама находится под контролем коры. Эта система отвечает за распределение активационных ресурсов моз­га при организации восприятия и действия. При этом стриопалли­дарная система работает как адаптивно настраиваемый фильтр, изби­рательно регулирующий по нисходящей системе связей мышечный тонус (иерархию движений) и избирательность сенсорного внимания.

Регуляция активации, которая осуществляется стриопаллидарной си­стемой, находится в соответствии с уровнем и характером мотивацион-ного возбуждения, а также результатом обработки информации, осуще­ствляемой корой мозга. Б результате взаимодействия стриопаллидар­ной системы, таламуса и коры достигается наиболее адекватное распре­деление активации по структурам мозга, которое и обеспечивает из­бирательное реагирование на значимые стимулы (Суворов, Таиров, 1985).

Регуляция функциональных состояний на уровне целого мозга. Важнейшим регулятором уровня бодрствования в целом, а также вни­мания как избирательного процесса, служат передние отделы коры больших полушарий — фронтальные зоны. Именно эти структуры по нисходящим кортико-ретикулярным путям модулирует в нужном на­правлении активность таламуса и ствола мозга. Включение в этот процесс фронтальных зон с их нисходящими путями позволяет гово­рить о существовании своеобразного замкнутого контура регуляции.

80

Исходно ретикулярная формация ствола мозга, возбуждаясь под дей­ствием внешних стимулов, активизирует неспецифический таламус и кору больших полушарий, а та, в свою очередь, благодаря нисхо­дящим проводящим путям может или снизить активность ретикуляр­ной формации ствола и таламуса или, напротив, увеличить, в зависи­мости от того, что требуется в данный момент времени. Таким обра­зом, можно говорить о существовании регулируемой или управля­емой корковой активации, за счет которой кора больших полушарий может настраивать собственный уровень возбудимости соответст­венно задачам текущей жизнедеятельности.

3.1.3. Методы диагностики функциональных состояний

Физиологические методы диагностики функциональных состо­яний представляют собой особый класс методических приемов и связанных с ними показателей, по которым можно надежно и объ­ективно судить о текущем состоянии организма и его изменениях. Детальный анализ методов психофизиологии был представлен в главе 2. Рассмотрим специфику их использования при диагности­ке функциональных состояний.

ЭЭГ показатели ФС.Изменения параметров электрической ак­тивности мозга традиционно используются в качестве непосредст­венного индикатора динамики уровня активации (рис 3.1). Различ­ным уровням бодрствования соответствуют характерные измене­ния спектрального состава ЭЭГ. Для спокойного бодрствования типично преобладание альфа-ритма, степень выраженности кото­рого еще более увеличивается при закрытых глазах. При откры­вании глаз и повышении уровня бодрствования наступает явление блокады альфа-ритма, которое проявляется в десинхрогшзации ЭЭГ и появлении бета-активности. Для активного бодрствования харак­терна десинхронизированная ЭЭГ с преобладанием высокочастот­ных составляющих бета- и гамма-ритмов. При эмоциональном на­пряжении и умственной активности в ЭЭГ может появляться и уси­ливаться тета-ритм. В состоянии утомления начинает более от­четливо проявляться медленноволновая активность в тета- и дель­та-полосах. По мере возрастания утомления продолжительность этих периодов увеличивается и возникает картина «гиперсинхро-

81

низации» ЭЭГ. Дельта-ритм также наиболее характерен для оп­
ределенной стадии сна (см. главу 3, раздел 3.2 ). /

Сверх­возбуждение

^^AJWVV

Эмоция

N

Активное бодрствование

Диффузное бодрствование

А

а— ритм

Сон

Д— ритм

I

Рис. 3.1 Динамика ЭЭГ в зависимости от уровней бодрствования.

I — уровни бодрствования. II — динамика ритмов ЭЭГ при разных уровнях бодрствования. А — пробуждение ото сна. Б — пробуждение внимания. В — пробуждение эмоций. Прямой линией обозначено возрастание уровней бодрствования в пределах континнума. Пунктирной линией обозначена динамика эффективности деятельности в зависимости от уровня бодрствования (по В.Блоку, 1970).

Пространственно-временная организация биоэлектрической актив­ности мозга и ее динамика тесно связаны с особенностями функцио­нального состояния мозга, поэтому наряду с оценкой отдельных ритми­ческих составляющих ЭЭГ используются характеристики их простран­ственно-временных отношений, в частности, показатели когерентно­сти (см. главу 2). Средний уровень когерентности может быть опреде­лен для отдельных частотных диапазонов (например, альфа или бета) и для двух спектров мощности по всем частотам взятым вместе. Уста­новлено, что средний уровень когерентности, вычисленный для сим­метричных точек в разных полушариях или для двух точек в одном по­лушарии, при неизменном функциональном состоянии оказывается ин­дивидуально устойчивым и сохраняет свое значение через несколько дней и месяцев. Хорошим показателем нормального состояния мозга является также средний уровень когерентности по отдельным спект­ральным составляющим (дельта, тета, альфа и бета).

82

Изменения ФС у здорового человека, как правило, сопровож­даются переструктурированием пространственно-временных со­отношений биотоков мозга, при этом связи между одними участка­ми мозга или спектральными составляющими могут ослабевать, а между другими усиливаться. Однако, как показывают результаты корреляционного анализа, при общей мобилизационной готовно­сти или с увеличением сложности выполняемого задания интенсив­ность большинства межрегиональных связей может возрастать.

Изучение ФС с помощью ПЭТ-томографин,С помощью ПЭТ было обнаружено, что так называемое состояние спокойного бодр­ствования оказывается довольно активным процессом с точки зре­ния мозговой организации.

Установлено, что в каждой зоне мозга можно зафиксировать оп­ределенный свойственный только ей уровень медленно меняющей­ся базовой активности, называемый постоянным потенциалом. Сверхмедленные физиологические процессы представляют собой комплекс, состоящий из этого постоянного устойчивого потенциа­ла, а также медленных физиологических колебаний разной длитель­ности. Постоянный потенциал может колебаться, но только в пре­делах определенного оптимального диапазона, различного для раз­ных участков мозга. В совокупности постоянные потенциалы игра­ют решающую роль в функционировании нормального мозга. В том случае, когда постоянный потенциал какой-либо зоны мозга стано­вится или слишком высоким или слишком низким, выходя тем са­мым за пределы своего оптимального диапазона, функциональные .возможности этой зоны существенно ухудшаются (Бехтерева, 1999).

Динамика вегетативных показателей. При диагностике функцио­нальных состояний с успехом применяются показатели сердечно-сосу­дистой, мышечной, дыхательной, выделительной и других систем орга­низма.

Например, частота сердечных сокращений, сила сокращений сердца, минутный объем сердца, артериальное давление, регио­нальный кровоток закономерным образом меняются при изме­нении функциональных состояний, прежде всего на фоне боль­ших физических нагрузок. При интенсивной работе минутный объ­ем может увеличиться почти в десять раз: с 3 — 5л до 25 — 30 л, зна­чимо возрастает частота сердечных сокращений и кровоток в ске­летных мышцах, может увеличиваться и кровяное давление.

83

Однако в отсутствие физических нагрузок изменения тех же по­казателей неоднозначны. Другими словами, при одних и тех же внеш­них раздражителях можно наблюдать противоположные по напра­влению изменения в показателях работы сердечно-сосудистой си­стемы. Эти факты имеют свое закономерное объяснение.

Регуляция гемодинамики (ударного и минутного объема крови, артериального давления, распределения крови по организму) осу­ществляется с помощью симпатического и парасимпатического отделов нервной системы. Оба отдела в свою очередь находятся под контролем высшего вегетативного центра организма — гипотала­муса и ряда других подкорковых структур. Поэтому изменения в состоянии симпатического и парасимпатического отделов имеют системный характер, т.е. закономерным образом проявляются в со­стоянии большинства органов и систем.

Ниже приведены некоторые специфические реакции, за которые ответственны симпатическая и парасимпатическая нервная системы.

Таблица 3.2