Біопотенціали нервової системи

Вступ

Кожна людина в конкретних умовах життєдіяльності відповідає на різноманітні подразники різною фізіологічною реакцією. В основному ця індивідуальність залежить від психофізіологічних властивостей людини. До них належать нервово-емоційна стійкість, врівноваженість нервових процесів, розумова та фізична працездатність і витривалість тощо.

Останніми десятиріччями посилився інтерес до вивчення ритмічної організації процесів в організмі людини в умовах норми і патології. Це пов’язано з вивченням часової організації функцій організму для діагностичних цілей, а також для оптимізації функціонального стану організму, застосування лікувальних і профілактичних засобів впливу на нього з урахуванням циклічної організації фізіологічних процесів.

Ритмічність біологічних процесів є фундаментальною властивістю всього живого і становить основу організації життя. Організація процесів у часі має таке саме важливе значення, як і просторова організація, але перша вивчена менше. Ритмічні біологічні зміни спостерігаються на всіх рівнях біосистеми, в тому числі і на молекулярному.

Тема: «Біопотенціали нервової системи».

1. Психофізіологічні властивості людини

Врівноваженість нервових процесів — це баланс сили збудження і сили гальмування. Показниками таких властивостей є значення позитивних і гальмівних умовно-рефлекторних реакцій, певна кількість помилок (або правильних рішень) на позитивний і гальмівний сигнали, сталість фону умовно-рефлекторної діяльності та ін. [5, с. 74]. Психологи цей баланс визначають за допомогою тестів, які враховують диференціювання сили, відстані, часу. Якщо виключити відповідний сигнальний контроль і визначити результат, більший за встановлений, судять про переважання збудження, менший — про переважання гальмування. Але це теж фізіологічна методика, тому що вимірюються фізіологічні показники: зусилля м’язів, амплітуди рухів, часу. У результаті ретельнішого вивчення врівноваженості встановлено, що баланс пов’язаний з рівнем активації в стані спокою. Він вищий у людей з врівноваженістю нервових процесів і нижчий, якщо переважають збудження і гальмування.

Рухомість нервових процесів — визначається швидкістю функціонування нервових процесів і складається з таких показників:

швидкість виникнення нервового процесу;
швидкість руху нервового процесу (іррадіація і концентрація);
швидкість зникнення нервового процесу;
швидкість заміни одного нервового процесу іншим;
швидкість утворення умовного рефлексу;
легкість переробки сигнального значення умовних подразників і стереотипів [5, с. 75].

Хоча переробку умовних рефлексів дотепер використовують у фізіологічних дослідженнях, встановлено, що цей складний феномен ВНД визначається не тільки легкістю переходу збудження в гальмування і навпаки, а й міцністю утворення умовних зв’язків (тобто швидкістю згасання сліду), інтенсивністю подразнення, впливом другої сигнальної системи та ін. І. П. Павлов вважав, що переробка умовних подразників є складним випробуванням для організму і важко піддається аналізу. З огляду на те, що швидкість розвитку нервового процесу і швидкість його зникнення є основою функціональної рухомості (лабільності), встановлено три основних методичних підходи до її вивчення:

визначення швидкості збудження і гальмування;
визначення швидкості зникнення збудження і гальмування;
визначення максимальної частоти генерації нервових імпульсів [5, с. 76].

У методах, які застосовуються для вивчення функціональної рухомості, використовують зміну позитивного сигналу, який викликає збудження, на гальмівний, що викликає протилежний процес або реакцію, і навпаки. Одним із напрямків визначення рухомості нервових процесів є використання різноманітних коректурних проб, де за критерій оцінки беруть швидкість переробки інформації. Окремо потрібно розглянути так званий феномен порційності — міжаналізаторного розходження діапазонів властивостей нервової системи, що зустрічається у людей у 15–20 % випадків і породжує у дослідників сумніви стосовно використання їх як стійких біологічно зумовлених якостей індивідуальності (Ю. Л. Майдиков, 1998). Згідно з П. К. Анохіним (1966), кожний методичний підхід формує своєрідну функціональну систему або комплекс функціональних систем, які по-різному включають окремі частини мозку. Динаміка виконання методики кожного разу відображатиме окремі зони мозку або їхні взаємозв’язки. Тому виникла потреба пошуку загальних властивостей нервової системи, які б визначали загальні динамічні особливості роботи мозку [1, с. 80]. З огляду на зазначене потрібно враховувати такі три рівні властивостей нервової системи:

— загальні мозкові властивості, які характеризують функціональну інтеграцію нервових процесів і повністю охоплюють людський мозок;

— властивості нервової системи, які виявляються в особливостях інтеграції нервових процесів у великих і малих блоках мозку (лобних структурах, аналізаторах та ін.);

— властивості нервової системи, які виявляються в особливостях інтеграції нервових процесів в окремих морфологічних компонентах (нейронах) [1, с. 80].

Факторний аналіз електрофізіологічних показників підтвердив наявність загально мозкових значень біоелектричної активності. У людей слабкого типу під час тестування переважає електрична активність лівої півкулі, а в людей з високими показниками сили фокус максимальної активності поперемінно переміщується то в ліву, то в праву півкулю. Властивості нервової системи позначаються на психічному стані людини, динаміці її діяльності, впливають на особливості вегетативного реагування в тих чи інших умовах, визначають психофізіологічні прояви. Так, І. П. Павлов зазначав, що най витривалішими до життєвих навантажень є люди сангвіністичного типу. Він наголошував, що поняття витривалості означає не тільки властивості нервової системи, а й витривалість інших органів і систем. У процесі дослідження властивостей ВНД встановлено відмінність індивідів за рівнем адаптивності. За характером протікання адаптивних процесів людей можна поділити на “спринтерів” (процеси швидко розвиваються, інтенсивно протікають, однак адаптивні зрушення короткочасні) і “стаєрів” (процеси розвиваються повільно, не дуже інтенсивні, але тривало зберігають адаптивні зміни), причому “стаєри” краще адаптуються до нових умов існування [1, с. 81].

2. Ритмічність біологічних процесів — фундаментальна властивість організації життя

Біоритмічними називаються явища живої природи, які періодично повторюються. До природних ритмів належать ті, що виникли під впливом обертання Землі відносно Сонця, Місяця і зірок. Кожний із цих факторів утворює на Землі періоди; перший з них називається сонячною добою, другий — місячною, третій — зоряною. Сонячна доба дорівнює 24 години, супроводжується змінами світла і темряви. Місячна доба становить 24,8 години, збігається з морськими припливами і відпливами [4, с. 173].

До складних факторів, що спричинюють ритми, можна зарахувати зміну сезонів року, які специфічно впливають на стан організму, зокрема, на його реактивність, стійкість до різних факторів, рівень обміну речовин, спрямованість обмінних реакцій, ендокринних порушень. Найсильніше на організм впливає сонячне випромінювання, яке ритмічно змінюється. Потужні потоки енергії, які викидаються під час спалаху, досягають Землі, різко змінюють стан магнітного поля іоносфери планети, впливають на поширення радіохвиль, змінюють погоду тощо [4, с. 173].

З підвищенням сонячної активності змінюється збудливість нервової системи організму. “Приймальним пунктом” магнітних збуджень є безпосередньо мозок, але при цьому загострюються судинні захворювання, частішають інфаркти міокарда, психічні розлади [4, с. 174]. Існує поняття хронобіологічної норми як відображення сукупності психофізіологічних показників організму, що характеризують його стан. З хронобіологічної точки зору існує закон хвилеподібності адаптаційного процесу, згідно з яким на будь-якій стадії (специфічній і неспецифічній) цей процес протікає у коливальному (хвилеподібному) режимі.

Часова організація біосистеми — не просто комплекс біоритмів організму. Вона характеризується механізмами регуляції, зв’язками із зовнішнім середовищем і взаємодією між ритмами. Схематично вона містить такі компоненти:

блок регуляції часової організації;
блок, який сприймає сигнали регуляції;
блок, який виконує ефекторні (робочі) функції;
блок, який зв’язує часову організацію біосистеми із зовнішнім середовищем та іншими біосистемами [4, с. 174].

З позицій взаємодії організму і середовища розрізняють два типи коливальних процесів:

— адаптивні ритми, або біоритми — коливання з періодами, які близькі до основних геофізичних циклів; їх роль полягає в адаптації організму до періодичних змін навколишнього середовища;

— фізіологічні, або робочі, ритми — коливання, які відображають часовий компонент діяльності фізіологічних систем організму [4, с. 174].

В організмі людини існує понад 100 біологічних ритмів, які відображають різні фізіологічні і психофізіологічні процеси.

Вирізняють біологічні ритми на всіх рівнях біосистеми: клітинному, органному, на рівні всього організму і навіть популяції.

Вивчення біологічних ритмів організму людини — складне завдання, бо для цього необхідно усунути вплив усіх зовнішніх факторів, які заважають рухові внутрішнього “годинника” людини. При дослідженнях добової періодики біоритмів встановлено різні закономірності функцій окремих органів і систем. Найменший відрізок часу, на який може реагувати мозок і нервова система людини, становить 0,5–0,8 с. Скорочення серця відбуваються з інтервалом 0,8 с. Такий самий темп мають рухи рук і ніг під час ходьби. Інтервал часу 0,5–0,7 с відповідає швидкості реагування слухового і зорового аналізаторів. Добові біоритми людини мають таку властивість, що максимум і мінімум активності різних біологічних процесів не збігаються в часі. Максимум температури тіла і артеріального тиску спостерігається о18 годині, маси тіла — о 20, хвилинного об’єму дихання — о 13, лейкоцитів крові — о 23 годині. Особливо важливе значення має характер періодичних змін температури тіла, тому що від цього, а також від ритму дихання залежить рівень обміну речовин [2, с. 209].

Встановлено, що і підвищення, і зниження температури тіла впливає на перебудову фізіологічних ритмів. Працездатність системи кровообігу вдвічі на день знижується (о 13 і 21 годині). У цей час небажані великі навантаження, вплив високої температури і киснева недостатність, прискорення. Після 12 години падає загальна активність, у кров з печінки менше надходить глюкози, гальмуються реакції. З 14 години стан і самопочуття поступово поліпшуються і близько 16.00 відбувається фізіологічне піднесення. У цей час можна переносити значні фізичні навантаження, але психічна активність зменшується. Підвищується чутливість до болю. Після 18.00 підвищується артеріальний тиск, посилюється психофізіологічна напруженість організму, посилюється агресія. Психічний стан стабілізується лише після 20.00 [2, с. 210].

У нічний час падає загальний тонус людини. Між другою і четвертою годинами погіршується пам’ять, спостерігається гальмування рухів, збільшується кількість помилок при виконанні розумової роботи, зменшується здатність виявляти максимальні м’язові зусилля. Знижується частота серцевих скорочень і дихання, падає рівень оксигенації крові. Таким чином, кожна система і кожний орган людини мають свій час найбільшої і найменшої активності, що необхідно враховувати, оцінюючи психофізіологічний стан.

Рушійною силою для добових ритмів є чергування світла і темряви. Однак для біологічних коливальних систем це може бути зміна будь-яких факторів середовища.

До мікроритмів людини (менше однієї години) належать коливання біопотенціалів у нервовій системі, зміни біохімічних реакцій, коливання активності клітинних органел, окремих органів (серцевий м’яз) тощо. Тобто “водії” таких ритмів автономні стосовно цілісного організму [1, с. 96].

Мезоритми (півторагодинний цикл) — чергування стадій сну. Макроритми (більше одного місяця) — це багаторічні ритми, наприклад, зміни фізіологічних і психічних показників організму людини з періодом близько трьох років або 5–7 років [1, с. 96].

Діапазон тривалих періодів — це довгострокові варіації сонячної активності. Вони не спричинюють біоритмічних змін в організмі людей протягом одного покоління [1, с. 97].

У людини виявлено фазові співвідношення між найважливішими ритмами функцій окремих фізіологічних систем організму (синхронізація). В експериментах, які проводились в ізоляції і темряві, суб’єктивна оцінка стану була вищою тоді, коли фізіологічні функції збігались за фазою. Виникала синхронізація біологічних ритмів людини. Коли ж фізіологічні функції не збігалися за фазою, функціональний стан погіршувався. Такий стан людини можна спостерігати під час трансконтинентальних перельотів. Він характеризується тим, що протягом певного часу погіршується самопочуття: спостерігається стомленість, нездужання, бажання спати вдень тощо. Найвиразніше такі симптоми спостерігаються при перельоті зі сходу на захід. Це відбувається тому, що внаслідок перетину меридіанів порушується відповідність внутрішнього “годинника” організму людини з місцевим часом, чого не буває при перельотах з півночі на південь або навпаки у межах одного часового поясу. Таке порушення синхронізації фізіологічних функцій дістало назву дисинхрозу. При дисинхрозі організм у нових умовах деякий час продовжує функціонувати, як і раніше, а потім поступово починає звикати до нового добового розпорядку. Відбувається синхронізація біологічного часу з місцевим, астрономічним. Це відбувається протягом двох тижнів. Завдяки пристосуванню до ритмічно змінюваних умов зовнішнього середовища в організмі людини відбувається психофізіологічна підготовка до активної діяльності навіть тоді, коли організм перебуває у стані сну [1, с. 98].

І навпаки, організм людини в такому стані готується до сну задовго до засинання. Підготовка організму людини до стану неспання і спокою супроводжується порушенням реакцій організму на фізичні і розумові навантаження, що виявляється в змінах працездатності. Дисинхроз поділяють на такі види:

— внутрішній, який виникає при порушеннях узгодження ритмів у середині організму. Наприклад, порушення ритму харчування стосовно ритмів сну і неспання (звідси поганий настрій, самопочуття, роздратованість, відсутність апетиту, безсоння тощо);

— зовнішній, який виникає при порушенні синхронізації біоритмів і фаз зовнішнього середовища (зміна часових поясів). Дисинхроз може бути також гострий і хронічний, явний і прихований, загальний і частковий. Так, швидке переміщення через велику кількість часових поясів призводить до гострого дисинхрозу, а багаторазове — до хронічного. Тому, скажімо, для льотчиків існують певні норми польотів зі зміною часових поясів [1, с. 99].

Розглянемо нейрофізіологічні механізми формування біоритмів. Так, поширена теорія єдиного біологічного “годинника” базується на сприйнятті зміни світла. Інформація про освітленість поширюється по зорових нервах і окремих нервових волокнах до гіпоталамуса. Це підтверджено електрофізіологічними експериментами. До механізму сприйняття світла залучається епіфіз, який секрету є гормон мелатонін. Він бере участь у регулюванні рівня статевих гормонів, а також кортикоїдів, які мають чітку добову періодику діяльності [6, с. 281].

В результаті залучення цих систем виникають зміни вегетативних процесів, які регулюються як деякими ядрами гіпоталамуса, так і залозами внутрішньої секреції під контролем гіпофіза. Прихильники теорії єдиного біологічного “годинника”, який включає гіпофіз, епіфіз та інші залози внутрішньої секреції, ґрунтуються у своїх міркуваннях на дослідженнях, проведених на сліпих людях, у яких не виражені добові біоритми в гіпофізі і епіфізі, від яких ці ритми залежать [6, с. 281].

Згідно з іншими уявленнями, єдиного біологічного “годинника” немає. Під дією численних факторів, які по-різному діють, виникають коливання в системах, органах, тканинах. Однією з ланок, що зв’язує зовнішні датчики і внутрішній біологічний “годинник”, може бути вода. Вона міститься в усіх клітинах організму як необхідна їх складова. Виявлено, що склад молекул води в організмі змінюється під впливом різноманітних гео- і геліофізичних факторів, залежно від яких порушується структура молекулярних кооперацій, які набувають при цьому різноманітних біофізичних властивостей. Від мінливості властивостей тканин — у міжклітинній речовині і всередині клітин — може залежати швидкість протікання і характер ферментативних процесів, метаболізму, проникливості мембран [6, с. 282].

У цілому наведені теоретичні уявлення можуть суміщатися. Біоритми багато в чому генетично зумовлені. Зв’язок окремих ритмів із зовнішніми факторами може бути прямим і опосередкованим, більш або менш міцним. Іноді фактори зовнішнього середовища є лише тригерами, під дією яких запускається певна ритмічна діяльність.

Встановлено, що вплив кори головного мозку на біоритми людини дуже обмежений. Навіть у разі відсутності обох півкуль періодичність різних фізіологічних процесів, наприклад сон — неспання, зберігається. Тому центр керування біоритмами, мабуть, розміщується на нижчих рівнях. Крім єдиного біологічного “годинника” вирізняють і периферійні “годинники”, які у своїй діяльності не пов’язані ні з центральним, ні з гомеостатичним “годинниками”.

Роль головного метронома в них можуть виконувати надниркові залози. Вони утворюють добовий ритм вироблення адреналіну і норадреналіну. Основною особливістю периферійних “годинників” є те, що вони дають змогу тривалий час зберігати послідовність фаз певного фізіологічного ритму при порушеннях чергування світла і темряви. Зміна фаз ритму у цьому разі свідчитиме про прямий або побічний вплив гіпоталамуса на периферійні “годинники”. Важливо зазначити, що в роботі периферійних “годинників” час від часу може брати участь і центральний “годинник”, який по нейрон-них шляхах здійснюватиме регуляцію ритму з гіпоталамуса. У цьому разі розташування центру біологічного “годинника” людини може змінюватися. Те, що в іншому часовому поясі хід біологічного “годинника” перебудовується, свідчить про його умовно-рефлекторну регуляцію. Найсуттєвішими для організму є зовнішні впливи, які пов’язані з активністю Сонця [6, с. 284].

Відомо, що клітинна енергетична станція оточена двійчастою мембраною. Енергія, яка утворюється в процесі клітинного дихання, потребує використання вуглеводів, жирних кислот, амінокислот. Процес перетворення цих речовин відбувається за участю електрично заряджених частинок — іонів. У процесі біологічного окислення беруть участь іони і електрони (вони мають негативний заряд). На останньому етапі утворюється вода і вуглекислий газ. Якщо з якоїсь причини на цьому етапі не вистачає атомів кисню, то вільний водень накопичується у вигляді позитивно заряджених іонів. У цьому разі подальший процес біологічного окислення закінчується і настає енергетична криза клітини. Збудження клітини від зовнішнього подразника відбувається лише тоді, коли вона розташована у середовищі, де є іони кальцію, які забезпечують мембрані вибіркову проникливість для іонів натрію і калію. Чим більше іонів кальцію в організмі, тим більший поріг клітинного збудження.

Таким чином, кальцій відіграє певну роль у нормальному функціонуванні нервової системи, а отже і в характері нервових процесів. Якщо такий електрохімічний генератор є в кожній клітині, то він реалізується і в цілому організмі. Під дією потоку заряджених Сонцем частинок у магнітній оболонці Землі виникають електромагнітні процеси (магнітні бурі), які впливають на організм людини як на електрично заряджену біосистему. Цей вплив має назву геофізичного.

Метеопроцеси (перепади атмосферного тиску, температури, вологості) залежать від геофізичного впливу і таким чином змінюють психофізіологічний стан людини. Дія зовнішнього електромагнітного поля позначається на нервовій регуляції, серцево-судинній та ін. Підвищується зсідання крові, посилюється тромбоутворення, кров стає в’язкішою. Це змінює мозковий кровотік, призводить до порушення функцій півкуль, появи агресії, тривоги, різноманітних нервових розладів [6, с. 286].

Особливо несприятливий стан організму розвивається у хворих людей. За даними роботи швидкої допомоги, у дні підвищеної сонячної активності на 20 % збільшується кількість інфарктів міокарда, інсультів та інших загострень. Здоровий організм здатний включати в ці періоди компенсаторні механізми адаптації, тому негативні процеси у здорових людей не проявляються.

Висновки

Отже, в кожної людини протягом життя відбувається постійне чергування, ритмічні зміни сприятливих, нейтральних і критичних періодів. Знання цих процесів може бути корисним для нормалізації функціонального стану організму, його підготовки до певної діяльності, реалізації розумових, фізичних і творчих здібностей.

Список використаних джерел

Кокун О. М. Психофізіологія: Навч. посібник. — К.: Центр навчальної літератури, 2006. — 181 с.
Кучеров І. С. Фізіологія людини: Навч. посіб. для природн. фак. пед. ін-тів. — К. : Вища шк., 1981. — 408 с.
Основы физиологии функциональных систем / Под ред. К. В. Судакова. — М.: Медицина, 1993. — 272 с.
Посібник з фізіології : учбовий посібник / Ред. В. Г. Шевчук. — Вінниця : Нова книга, 2005. — 564 с.
Сидоренко П. І. Анатомія та фізіологія людини: підручник для студентів вищих медичних навчальних закладів І-ІІ рівнів акредитації. — К. : Медицина, 2009. — 199, с.
Физиология человека / Под ред. Е. Б. Бабского, В. Ц. Глебовского, Г. Ф. Коротько и др. — М.: Медицина, 1984. — 560 с.
Физиология человека: В 3 т.: Пер. с англ. / Под ред. Р. Шмидта, Г. Тевса. — М.: Мир, 1996. — 880 с.
Фомин Н. А. Физиология человека. — М.: Просвещение, 1983. — 320 с.

Освіта та самоосвіта