Амит Кетвала.

Атлетичный мозг. Как нейробиология совершает революцию в спорте и помогает вам добиться высоких результатов



скачать книгу бесплатно

Когда мы собираемся обнаружить какие-либо объекты в поле зрения, наши действия подчинены определенной логике. Исследования показывают, что направление движения глаз зависит от наличия контекстуальных сигналов. Например, глядя на море, мы ищем серферов, а если смотрим на дорогу, то замечаем не асфальт, а машины. У спортсменов все точно так же: они усваивают специальные стратегии зрительного поиска в зависимости от того или иного вида спорта.

В научном журнале Nature были опубликованы результаты исследования, в котором участвовали три бэтсмена-крикетиста. Они отбивали мячи, выстреливаемые специальной пушкой, при этом движения глаз игроков фиксировались с помощью видеокамеры, закрепленной на голове каждого из спортсменов.[13]13
  Land M. F. & Mcleod P. (2000). From eye movements to actions: how batsmen hit the ball // Nature Neuroscience 3(12). 1340–1345. http://dx.doi.org/10.1038/81887.


[Закрыть]
Все трое действовали одинаково: вначале они смотрели на точку подачи, откуда должен был вылететь мяч. Затем они практически сразу переводили взгляд туда, где должен был произойти отскок. После отскока мяча они следили за его движением примерно 200 миллисекунд, которых мозгу хватало, чтобы определить, куда в итоге прилетит мяч.

Бэтсмен, показавший наилучший результат, опережал движение мяча более значительно. У него уходило гораздо меньше времени на то, чтобы спрогнозировать место отскока, чем у наименее успешного игрока, который дольше следил за мячом после вылета из пушки. Этому игроку не удавалось справиться с более быстрыми подачами, потому что, пока он думал, куда полетит мяч, тот уже успевал отскочить от земли.

Для серии экспериментов с участием Криштиану Роналду и Энди Ансы был поставлен еще один опыт. Футболистам на голову надели небольшую конструкцию, состоящую из видеокамеры и двух зеркал, чтобы регистрировать движения их глаз. Затем Ронадлу дали мяч и попросили контролировать его, не позволяя Ансе его отобрать. Пока нападающий Real в течение пяти секунд удерживал мяч, используя резкие обманные движения, финты и приемы, инфракрасная камера фиксировала малейшие движения его глаз. Далее эту запись при помощи специальной программы совместили с видеопотоком с фронтальной камеры и получили точную картину того, куда был направлен взгляд спортсмена в каждый конкретный момент. Результаты поразили ученых.

За восемь секунд Криштиану совершил 13 обманных движений, и, притом что он часто переводил взгляд на мяч, его глаза постоянно контролировали ситуацию, глядя то на соперника, то на окружавшее его пространство, чтобы спланировать дальнейшие действия. Взгляд Роналду перемещался резко, четко и выверенно, в то время как глаза Ансы бегали, по его собственному признанию, «как шарик в ейнтболе».

Криштиану предугадывал дальнейшие движения соперника, следя за его ступнями и бедрами.

«Роналду настоящий специалист по части футбола, – делится впечатлениями от эксперимента спортивный психолог и руководитель эксперимента Зои Уилмхерст. – Если сравнивать с процессом изучения языка, сначала идет наработка базовых выражений, потом усвоение основных грамматических правил (в данном случае навыков владения мячом) и затем использование их на практике, то есть в игре. Со временем, когда накоплен определенный практический опыт, о правилах уже не вспоминаешь».

Зеркальный лабиринт

Мозгу теннисиста, готовящегося принять первую подачу соперника, за полсекунды необходимо успеть совершить три действия. Во-первых, он должен почувствовать приближение объекта, летящего с угрожающе высокой скоростью. Во-вторых, ему необходимо опознать этот объект и определить наиболее вероятную траекторию его движения. И в-третьих, выбрать оптимальный алгоритм ответных действий, для чего попутно нужно преодолеть инстинктивное стремление уклониться от опасного объекта и запустить идеально согласованный процесс реагирования с целью переправить указанный объект через сетку таким образом, чтобы выиграть розыгрыш.

За последние 25 лет мы значительно продвинулись в понимании того, как происходит научение мозга спортсмена подобным навыкам. Это стало возможным благодаря технологии фМРТ (функциональной магнитно-резонансной томографии). Обычная МРТ позволяет оценить состояние суставов и органов или увидеть внутреннюю структуру мозга за счет использования мощного магнитного поля. Функциональная МРТ дает возможность измерить приток крови к отдельным участкам головного мозга практически в реальном времени.

Когда у человека активна та или иная область мозга, находящиеся в ней нейроны усиленно расходуют глюкозу и кислород, что заставляет организм увеличивать приток богатой кислородом крови в эту область. Такая кровь, только что прошедшая через легкие, отличается по своим магнитным свойствам от бедной кислородом, и это отличие как раз и видно на аппарате фМРТ. То есть, если поместить человека в аппарат и дать ему задание, предполагающее некую мыслительную деятельность, можно увидеть участки мозга, которые активируются во время выполнения задания.

Это нельзя назвать прямым наблюдением нейронной активности, поскольку усиление кровотока происходит лишь через пару секунд после собственно возбуждения нервных клеток. Кроме того, изображения, получаемые на аппарате фМРТ, пока недостаточно четкие, чтобы можно было различить объекты в масштабе размера нейронов. Однако на сегодняшний день это наиболее совершенная технология, позволяющая получить наглядное представление о локализации и ходе различных процессов внутри головного мозга.

К технологии фМРТ обратился Брюс Абернети, который в сотрудничестве с коллегами из Университета Брунеля в Лондоне изучал функционирование мозга на примере профессиональных бадминтонистов. Чтобы понять, какие участки отвечают за вероятностное прогнозирование, ученые провели сканирование мозга спортсменов, которым в этот момент демонстрировали короткие видео, снятые во время выполнения различных ударов. Непосредственно перед касанием ракеткой волана видео обрывались, и испытуемым предлагалось определить, в какую часть корта упадет волан. Эксперимент показал, что у опытных игроков наблюдается повышенная мозговая активность в тех участках мозга, которые ответственны за наблюдение и понимание действий других людей.

Согласно одной из возможных интерпретаций полученных результатов, такая активность означает, что мозг достраивает картинку и создает своеобразную «внутреннюю модель», предположение о дальнейшем развитии событий на основании действий соперника. Более опытные спортсмены строят более точные предположения, и эта разница в классе игроков видна не только на площадке, но и на мониторе томографа.

Спустя несколько лет исследователи в том же составе провели аналогичный эксперимент уже с участием футболистов, которым показывали видео с бегущим на них соперником с мячом. Запись останавливали перед тем, как соперник выполнял финт, а испытуемые должны были определить, в какую сторону он двинется. Чем дальше до начала финта останавливали видео, тем больше была разница в степени нейронной активности между полупрофессиональными спортсменами и новичками.

Среди нервных клеток головного мозга существуют так называемые зеркальные нейроны, которые задействованы в подобном способе научения. Их открыли случайно в начале 1990-х.[14]14
  Rizzolatti G. & Craighero L. (2004). The mirror-neuron system // Annual Review of Neuroscience 27 (1). 169–192. doi:10.1146/annurev.neuro.27.070203.144230.


[Закрыть]
Группа итальянских ученых, занимавшихся исследованием головного мозга приматов, обнаружила, что когда макака берет рукой что-то съедобное и когда она видит человека, делающего то же самое, у нее возбуждается одна и та же совокупность нейронов. Позже наличие зеркальных нейронов было подтверждено у человека: выяснилось, что наш мозг демонстрирует одинаковый характер активности как при выполнении определенных действий, так и при наблюдении за выполнением тех же действий другим в режиме видеоигры.

Этим свойством обладают около 20 % нейронов двигательной области коры головного мозга, вместе они и образуют группу зеркальных нейронов. «Все это можно сравнить с моделированием действий другого человека в виртуальной реальности, – рассказывает известный нейробиолог Вилейанур Рамачандран, одним из первых проявивший интерес к изучению зеркальных нейронов после их случайного открытия. – Нейрон как бы принимает чужую точку зрения».[15]15
  Ramachandran V. (ноябрь 2010 г.). The neurons that shaped civilization [Видео-файл]. Источник: https://www.ted.com/talks/ vs_ramachandran_the_neurons_that_shaped_civilization? language=en. Рамачандран идет еще дальше, утверждая, что эволюция системы зеркальных нейронов стала непосредственной причиной внезапного появления у предков человека огромного количества новых умений примерно 75–100 тысяч лет назад. Ученый полагает, что зеркальные нейроны фактически дали толчок развитию человеческой культуры.


[Закрыть]

В другом исследовании – на этот раз в Риме – в центре внимания были баскетболисты.[16]16
  Aglioti S., Cesari P., Romani M., & Urgesi C. (2008). Action anticipation and motor resonance in elite basketball players // Nature Neuroscience 11(9). 1109–1116. http://dx.doi.org/10.1038/nn.2182.


[Закрыть]
Здесь ученые применяли технологию транскраниальной магнитной стимуляции, при которой над различными участками черепа испытуемых проводили магнитную катушку с током. Технология позволяет регистрировать уровень электрической активности в мозге и даже воздействовать на эту активность. В эксперименте участвовали как профессиональные игроки и тренеры, так и спортивные журналисты. Им демонстрировали видеозаписи выполнения свободных бросков. Видео останавливали в самом начале броска и просили испытуемых сказать, попадет мяч в кольцо или нет.

Лучше всех с заданием справились спортсмены, причем зачастую они давали правильный прогноз еще до того, как баскетболист на видео выпускал мяч из рук. У них также наблюдалась характерная активность двигательной области коры. Как мы знаем, эта область контролирует движения тела, но в данном случае она также возбуждалась во время просмотра игроками записей бросков, а наивысшую степень активности она проявляла, когда показывали неудачные броски.

Благодаря зеркальным нейронам мозг профессиональных крикетистов, бейсболистов, футболистов продолжает обучаться, глядя на соперника. Кроме того, профессионалы знают, куда именно нужно смотреть, чтобы получить зрительные подсказки, которые позволяют им с максимальной точностью и скоростью спрогнозировать дальнейшее развитие ситуации и проявить чудеса реакции.

Орлиное зрение

Ко всем спортсменам умение делать прогнозы приходит путем тренировок и накопления опыта, однако у некоторых из них есть изначальные преимущества. Все роботы-футболисты из Плимута были оборудованы одинаковыми видеокамерами; человеческий глаз не камера, глаза не могут быть одинаковыми у всех. В спорте это важно, особенно когда речь идет о прогнозировании полета мяча.

Мы видим предметы благодаря тому, что свет, отраженный от них, попадает на сетчатку – внутреннюю оболочку глазного яблока, имеющую в своем составе слой клеток, именуемых палочками и колбочками. Эти клетки входят в состав зрительного анализатора. Реагируя на свет, они преобразуют его в электрические импульсы, которые по зрительному нерву попадают в мозг. Если сравнивать глаз человека с цифровой камерой, можно сказать, что четкость снимка, сделанного на камеру, зависит от числа пикселей светочувствительной матрицы, в то время как острота зрения точно так же может зависеть от плотности слоя палочек и колбочек сетчатки.

В 1996 г. Дэвид Киршен и Даниэл Лэйби с коллегами проверили остроту зрения у 387 профессиональных бейсболистов, иными словами (продолжая аналогию с цифровой камерой), посчитали число пикселей на светочувствительной матрице человеческого глаза.[17]17
  Laby D., Davidson J., Rosenbaum L., Strasser C., Mellman M., Rosenbaum A. & Kirschen D. (1996). The Visual Function of Professional Baseball Players // American Journal of Ophthalmology 122(4). 476–485. http://dx.doi.org/10.1016/s0002–9394(14)72106–3.


[Закрыть]
По сравнению с обычными людьми, спортсмены показали впечатляющие результаты: оценку «превосходно» получили 58 % бейсболистов и лишь 18 % испытуемых из контрольной группы, не занимавшихся спортом.

В среднем у игроков Высшей бейсбольной лиги США (не считая питчеров, выполняющих подачи) была зафиксирована острота зрения 6/3,35[18]18
  Или 1,8 в десятичной системе, принятой в России и странах СНГ.


[Закрыть]
на правом глазу и 6/3,6[19]19
  1,67 – см. предыдущее примечание.


[Закрыть]
на левом. Эта запись означает, что если бы спортсмен смотрел на предмет с расстояния шести метров, то человеку с нормальным зрением (6/6, или 1,0), чтобы разглядеть предмет с той же четкостью, пришлось бы приблизиться к нему соответственно на 3,35 или на 3,6 метра.

Итак, острота зрения в значительной мере зависит от числа палочек и колбочек в структуре сетчатки глаза, их плотность может варьировать от 100 000 до 324 000 на квадратный миллиметр. Считается, что этот показатель у каждого человека заложен генетически, то есть успех многих именитых спортсменов отчасти обусловлен хорошим зрением, данным от природы. В результате исследования с участием 157 спортсменов-олимпийцев, представлявших различные виды спорта, было установлено, что у представителей таких видов, как стрельба из лука и софтбол, зрение лучше, чем у легкоатлетов и боксеров.[20]20
  В результате исследования с участием 157 спортсменов-олимпийцев… – Laby D., Kirschen D. & Pantall P. (2011). The Visual Function of Olympic-Level Athletes – An Initial Report. Eye & Contact Lens // Science & Clinical Practice 37(3). 116–122. http://dx.doi.org/10.1097/ icl.0b013e31820c5002.


[Закрыть]
Спортсменам без очков и линз, чтобы достичь вершин в спорте, где залогом успеха является отменное зрение, приходится прилагать дополнительные усилия.

Лучшим игрокам в бейсболе благодаря прекрасному зрению гораздо легче получать информацию о траектории движения объектов на площадке. Бейсбольный мяч имеет характерной формы шов, прошитый красной ниткой, что помогает отбивающему (бэттеру) определить направление закрутки подачи, а также предсказать траекторию дальнейшего движения мяча. Острое зрение позволяет бэттеру считывать эту важнейшую информацию на ранних стадиях полета мяча, что дает ему больше времени на принятие решения и успешное отражение подачи. Такая описательная парадигма получила название «аппаратное и программное обеспечение»: острое зрение («аппаратная часть») облегчает процесс идентификации важных деталей, а мозг («программная часть») получает больше данных для прогнозирования последующего полета мяча.[21]21
  Epstein D. The Sports Gene. Другое исследование показало, что у женщин с развитым пространственным зрением темпы роста результативности при выполнении ловли мяча оказались значительно выше, чем у тех, чье ощущение глубины пространства было слабее. То есть более совершенная «аппаратная часть», отвечающая за глубину зрительного восприятия, помогла быстро развить соответствующую интеллектуальную «начинку».


[Закрыть]

Это не значит, что люди с плохим зрением не могут достичь успеха в спорте; просто им необходимо несколько иначе подходить к развитию соответствующих навыков, то есть к апгрейду «программной части». Так, известный крикетист Дон Брэдмен, признанный одним из выдающихся бэтсменов и в целом представителей этого вида спорта, имел зрение хуже среднего, из-за чего его не взяли в армию во время Второй мировой войны. Успех в спорте ему обеспечила игра, в которую он играл сам с собой в детстве, не подозревая, что тем самым он развивал зрительно-моторную координацию. Будущий знаменитый крикетист часами стучал мячом для гольфа по резервуару с водой на заднем дворе дома, отбивая мяч столбиком крикетной калитки. Позднее Брэдмен вспоминал: «Тогда для меня это было просто игрой. Но сейчас я понимаю, что, пожалуй, это было идеальным упражнением на отработку точности удара и прекрасной тренировкой для глаз. Мячик для гольфа отскакивал очень быстро, и я едва успевал изготовиться для того, чтобы отбить его». Брэдмену удалось компенсировать недостаток зрения за счет развития зрительно-моторной координации: он реагировал на бросок гораздо позже, чем другие игроки, но при этом у него получался идеальный прием подачи.

Вместе с тем людям, от природы имеющим острое и хорошее пространственное зрение, как правило, легче дается «апгрейд ПО».

У плимутских роботов разница между аппаратной частью и программным обеспечением состоит именно в этом. Процесс обработки визуальной информации у них является, по выражению Калверхауса, многопоточным. Данные анализируются параллельно по разным аспектам, что ускоряет получение результата. «По одному потоку данные с камеры поступают в буфер, по другим происходит их обработка, – объясняет он. – Есть поток данных о локализации мяча и линий на поле, есть – о местонахождении различных препятствий или других роботов». Человеческий мозг выполняет схожие операции, только по нему трудно определить, где именно заканчивается «аппаратная часть» и начинается «программная».

Единство противоположностей

Угарный газ не имеет ни цвета, ни запаха и опасен для человека. Он связывает кислород крови, нарушая снабжение мозга, в результате нейроны, лишенные кислорода, погибают. В начале 1990-х гг. женщина в возрасте 35 лет, известная только по инициалам Д. Ф., пережила отравление угарным газом, вследствие чего у нее в затылочной доле обоих полушарий головного мозга образовались два одинаковых пораженных участка. История болезни Д. Ф. получила известность среди нейробиологов, поскольку дала возможность ученым выяснить, что процесс обработки визуальной информации у человека тоже разделен на несколько потоков для повышения эффективности, как и у роботов-футболистов.

На первом этапе обработки визуальной информации клетки сетчатки преобразуют свет в нервные импульсы. Формирование визуальной картины окружающего мира происходит в мозгу постепенно. Процесс начинается с нейронов, сосредоточенных в затылочной доле; они отвечают за базовые зрительные образы. По мере достраивания картинки к ним добавляются более сложные признаки.

К примеру, отдельные группы нейронов зрительной коры возбуждаются, когда мы читаем определенные слова. Эти нейроны принимают импульсы от других нейронов, реагирующих на отдельные буквы. В свою очередь нейрон, реагирующий на появление буквы «Н», испускает импульс, получив сигнал от групп нейронов – детекторов признаков, таких как линии и границы. На нижнем уровне визуального анализа находятся нейроны, которые возбуждаются в ответ на простое наличие участков света и тени. При взгляде на черную линию на белом фоне – например, горизонтальную черточку у буквы «Н» – среагирует цепочка таких нейронов нижнего уровня, однако импульсы, исходящие от них, запустят волну последующих импульсов на пути от попадания света на сетчатку до формирования отвлеченных понятий и мыслей.

Обработка зрительной информации на всех уровнях осуществляется по топографическому принципу, когда смежные области пространства, находящегося в поле зрения, активизируют смежные области зрительной коры. Мозг в этом плане можно уподобить интерактивной карте местности. Начиная с элементарных форм и далее вплоть до сложных стимулов, таких как лица и различные предметы, мозг шаг за шагом выстраивает картину окружающего пространства.

Обследование мозга пациентки Д. Ф. выявило, что обработка зрительной информации на высших уровнях идет по двум направлениям: одно отвечает за восприятие, другое – за действия. Эти направления или потоки представлены кластерами специализированных и тесно связанных друг с другом участков мозга. В них поступает информация от первичных детекторов признаков.

Вентральный (нижний) поток ответствен за распознавание предметов, их формы и цвета. Он прочно связан с областью мозга, отвечающей за память. Где-то ближе к началу вентрального потока находятся так называемые «бабушкины клетки», которые возбуждаются только при виде знакомого лица.

Дорсальный (верхний) поток – это домен действий, он специализируется на информации о положении объектов в пространстве и их движении. Его нейроны реагируют на движение по прямой и по окружности. Другие нейроны этого потока возбуждаются различным образом в ответ на то или иное положение глаз, что помогает мозгу понять, как меняется местоположение тела относительно каких-либо предметов.

Нейроны дорсального направления также регистрируют оптический поток, то есть процесс изменения образа предмета по мере его движения. Допустим, если мы видим, что определенный предмет непрерывно увеличивается в размерах, мы понимаем, что он, вероятно, движется прямо на нас, и, скорее всего, в этом случае лучше будет уклониться от него. Разумеется, если мы в данный момент не играем в крикет, потому что тогда мы должны будем либо поймать этот предмет, либо отбить.

Отравление угарным газом привело к необратимому нарушению в функционировании вентрального потока обоих полушарий у пациентки Д. Ф., в результате чего она потеряла способность узнавать предметы. В то же время она могла совершать действия с этими предметами, что было подтверждено в ходе эксперимента с «отправкой письма».

Пациентка легко справилась с просовыванием кусочка картона в косую прорезь, но не смогла выполнить задание, когда ее попросили просто повернуть картонку под тем же углом, под которым была скошена прорезь. Это объяснялось тем, что у Д. Ф. пострадал вентральный поток, ведающий восприятием, в то время как дорсальный поток, связанный с действиями, остался нормальным.

У спортсменов оба потока функционируют совместно.[22]22
  Van der Kamp J., Rivas F., Van Doorn H. & Savelsbergh G. J. P. (2008). Ventral and dorsal contributions in visual anticipation in fast ball sports // International Journal of Sport Psychology 39(2). 100–130.


[Закрыть]
Рассмотрим их взаимодействие на примере тенниса. Вентральный поток собирает информацию для формирования контекста игровой ситуации и поиска оптимального решения до начала розыгрыша. Дорсальный контролирует выполнение удара, в частности силу и сам момент его нанесения. Во время начальной стадии подачи соперника у игрока, готовящегося принять мяч, предположительно задействован в основном вентральный поток, который управляет положением тела и углом наклона ракетки, а также извлекает из памяти известную ему информацию о сопернике. Все это призвано помочь мозгу игрока решить, как именно лучше принять подачу: например, сыграть кроссом или обводящим ударом по линии. Как только соперник выполнил подачу, мгновенно подключается дорсальный поток, контролирующий движения, направленные на успешный прием.

Судя по всему, у новичков либо у людей в непривычных ситуациях основным оказывается вентральный поток. В одном эксперименте группе опытных гольфистов предложили выполнить патт, то есть легким ударом загнать мяч в лунку, сделав при этом замах с неудобной стороны.[23]23
  Johnston A., Benton C. P. & Nishida S. (2003). Golfers may have to overcome a persistent visuospatial illusion // Perception 32, 1151–1154. doi:10.1068/p5056.


[Закрыть]
Рядом с мячом поместили стрелку, указывающую в направлении лунки, но не совсем точно. При выполнении удара с неудобной стороны игроки больше ориентировались на стрелку – соответственно, был активен вентральный поток, которому для определения оптимального варианта действий требовалась опора в виде ситуативной информации. Когда же игрокам разрешили сделать тот же удар со своей обычной, удобной стороны, такого эффекта не наблюдалось. Это значит, что при осуществлении отработанных действий, доведенных до автоматизма, управление берет на себя дорсальный поток.



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9