uzluga.ru
добавить свой файл
Управление образованием исполнительного комитета

Бугульминского муниципального района Республики Татарстан

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение лицей №2


Секция: физика


ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОЛОВНОГО МОЗГА

КАК ОСНОВА ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА


Выполнила: Мамедова Сабина

ученица 11 класса

Научный руководитель: Аминов Р.В.

учитель I квалификационной категории


г. Бугульма

2012

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………….........

с. 3

Глава 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АСПЕКТ ИЗУЧЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ГОЛОВНОГО МОЗГА……………………………………………………


c. 4

§1.1 Строение и физические характеристики головного мозга ….........

с. 4

§1.2 Функционирование головного мозга ………….…………………...

с. 5

Глава 2 ИЗУЧЕНИЕ ЭНЕРГИИ КАК НЕОБХОДИМОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ГОЛОВНОГО МОЗГА ……………………………..


с.7

§2.1 Расчёт суточного энергопотребления организма …...…………….

с.7

§2.2 Удельное энергопотребление и мощность мозга ….………............

с.8

§2.3 Тепловой баланс и регуляция температуры головного мозга…….

с.9

Глава 3 ИЗУЧЕНИЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ГОЛОВНОГО МОЗГА С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ВОЛНОВОЙ ФИЗИКИ ………………………………………...

3.1 Понятие о ритмах мозга …………………………………………….

3.2 Изучение ритмов мозга с помощью протоколов электроэнцефалографических исследований……………………………


с.10

с.10


с.12

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………...

с.14

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ……………………..


с.15




Введение

Мозг является одним из самых важных и в то же время загадочных и малоизученных органов нашего тела. Вся деятельность человека неразрывно связана с его работой.

Актуальность изучаемой темы состоит в том, что изучив подробнее биофизические процессы, протекающие в головном мозге, мы сможем лучше понять принципы его работы, что очень важно как для более полного и рационального использования своих умственных способностей, так и для сохранения психофизического здоровья и своевременного выявления различных отклонений.

Цель: рассмотреть высшую нервную деятельность с точки зрения волновой физики и термодинамики, выяснить целесообразность применения закона сохранения энергии к работе головного мозга.

Задачи:

  1. На основе анализа зарубежной и отечественной литературы изучить строение и физические характеристики головного мозга.

  2. Изучить функционирование головного мозга

  3. Произвести расчеты энергии, потребляемой мозгом и телом человека, вычислить удельное энергопотребление и мощность головного мозга.

  4. Изучить влияние различных факторов на деятельность мозга на основе протоколов электроэнцефалографических исследований.

  5. На основе всех расчетов и наблюдений сделать выводы.

Объект исследования: нервный импульс, биоэлектрическая активность головного мозга, энергия, закон сохранения энергии.

Предмет исследования: биофизические процессы в головном мозге, особенности энергоснабжения головного мозга.

Гипотеза: предполагаем, что биоэлектрическая активность мозга индивидуальна для каждого человека и зависит как от внутренних, так и от внешних факторов. Потребляемая мозгом энергия должна либо трансформироваться в другие виды, либо переходить к другим телам.

Теоретическая значимость обусловлена недостаточностью изучения биоэлектрической активности головного мозга и эффективных путей использования энергии головного мозга.

Практическая значимость нашей работы заключается в расчете энергии, потребляемой мозгом и телом человека, удельного энергопотребления и мощности головного мозга, получении навыков расшифровки протоколов электроэнцефалографических исследований.

Глава 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АСПЕКТ ИЗУЧЕНИЯ ГОЛОВНОГО МОЗГА

1.1 Строение и физические характеристики головного мозга

Головной мозг включает 5 отделов: продолговатый мозг, задний мозг (мост и мозжечок, средний мозг, промежуточный мозг), передний мозг (большие полушария). Продолговатый мозг и мост являются продолжением спинного мозга и выполняют рефлекторную и проводящую функции. Задний мозг состоит из мозжечка и варолиева моста, связывающего продолговатый мозг и мозжечок с большими полушариями. Мозжечок регулирует двигательные акты (равновесие, координацию движений, поддержание позы). Средний мозг поддерживает тонус мышц, отвечает за ориентировочные, сторожевые и оборонительные рефлексы. Промежуточный мозг регулирует сложные двигательные рефлексы, работу внутренних органов, осуществляет гуморальную регуляцию (обмен веществ, потребление воды и пищи, поддержание температуры тела). Промежуточный мозг включает: таламус, гипоталамус и эпиталамус. Сверху к нему прилегает эпифиз, снизу – гипофиз. Передний мозг (большие полушария) осуществляет психическую деятельность (память, речь, мышление поведение). [7, 198 c.]

Внутри мозга различают серое вещество, состоящее преимущественно из тел нервных клеток и образующие кору, и белое вещество – нервные волокна, которые формируют проводящие пути, связывающие между собой различные отделы мозга, а также образуют нервы, выходящие за пределы ЦНС и идущие к различным органам. В состав коры входит 1-10 млрд. нервных клеток. Толщина серого вещества составляет всего от 1,3 до 4,5 мм, а его объем – около 600 , то есть 45% от всего объёма головного мозга. Площадь поверхности коры головного мозга около 1700 (от 1400 до 2200 ). В среднем мозг взрослого человека весит 1200-1500 г, примерно 2,5% от общей массы тела [9, 122 c.].

Структурная и функциональная единица нервной ткани головного мозга – нейрон. Основная функция нейронов – обработка информации. В мозгу человека от 5 до 20 млрд. нейронов. Каждый нейрон имеет центральное тело клетки и отростки (дендриты), число которых в разных клетках различно. Только один отросток в клетке длиннее и толще других, он называется аксоном. Дендрит каждой клетки связан с дендритом близлежащей или с аксоном отдалённой клетки [2, 137 c.].


1.2 Функционирование головного мозга

Мембрана живой клетки обычно поляризована. Это объясняется различиями в ионном составе её внутренней и наружной стороны, которые поддерживаются благодаря избирательной проницаемости мембраны для определенных ионов. Когда клетка находится в спокойном (невозбуждённом) состоянии, ионы по разные стороны мембраны создают относительно стабильную разность потенциалов, называемую потенциалом покоя, величина которого для разных клеток колеблется от −70 до −90 мВ. Потенциал мембраны может изменяться под действием различных стимулов, например химических сигналов от соседних клеток. Смещение мембранного потенциала может происходить в отрицательную (гиперполяризация) или положительную (деполяризация) сторону. Мембрана клеток возбудимых тканей (нервной и мышечной) содержит большое количество потенциал - зависимых ионных каналов, способных быстро реагировать на смещение мембранного потенциала. Деполяризация мембраны в первую очередь вызывает открытие потенциал - зависимых натриевых каналов. Когда одновременно открывается достаточно много натриевых каналов, положительно заряженные ионы натрия устремляются через них на внутреннюю сторону мембраны (транспорт идет с затратами энергии). Поток ионов натрия вызывает ещё большее и очень быстрое изменение мембранного потенциала, именуемое потенциалом действия (ПД), который, по сути, является электрическим разрядом. Потенциал действия является физической основой нервных и мышечных импульсов.

Передача информации в мозгу, как и нервной системе в целом, осуществляется посредством нервных импульсов. Они распространяются в направлении от тела нейрона к концевому отделу аксона, который может ветвиться, образуя множество окончаний, контактирующих с другими нейронами через синапс - специализированную зону контакта между нейронами или нейронами и другими возбудимыми образованиями; передача импульсов через синапс опосредована химическими веществами – нейромедиаторами.

В покое нейрон обладает электрическим потенциалом в 70 милливольт (потенциал покоя), при этом внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно по отношению к наружной.

Нервный импульс обычно зарождается в дендритах – тонких ветвящихся отростках нейрона, специализирующихся на получении информации от других нейронов и передаче ее телу нейрона. В окончании аксона, которое образует пресинаптическую часть синапса, содержатся маленькие пузырьки с особым химическим веществом – нейромедиатором. Когда импульс достигает пресинаптической мембраны, происходит высвобождение нейромедиатора в синаптическую щель. Нейромедиатор, выделившийся из пресинаптической мембраны аксона, связывается с рецепторами на дендритах постсинаптического нейрона. С рецепторами на дендритах соединены каналы в полупроницаемой постсинаптической мембране, которые контролируют движение ионов через мембрану. Хотя существуют различные медиаторы, все они оказывают на постсинаптический нейрон либо возбуждающее, либо тормозное действие. Возбуждающее влияние реализуется через усиление потока определенных ионов, главным образом натрия и калия, через мембрану. В результате отрицательный заряд внутренней поверхности уменьшается – происходит деполяризация. Тормозное влияние осуществляется в основном через изменение потока калия и хлоридов, в результате отрицательный заряд внутренней поверхности становится больше, чем в покое, и происходит гиперполяризация [12, 117-121 c.].

Функция нейрона состоит в интеграции всех воздействий, воспринимаемых через синапсы на его теле и дендритах. Поскольку эти влияния могут быть возбуждающими или тормозными и не совпадать по времени, нейрон должен исчислять общий эффект синаптической активности как функцию времени. Если возбуждающее действие преобладает над тормозным и деполяризация мембраны превышает пороговую величину, происходит активация определенной части мембраны нейрона – в области основания его аксона (аксонного бугорка). Здесь в результате открытия каналов для ионов натрия и калия возникает потенциал действия (нервный импульс). Этот потенциал распространяется далее по аксону к его окончанию со скоростью от 0,1 м/с до 100 м/с (чем толще аксон, тем выше скорость проведения). По имеющимся данным амплитуды потенциала действия могут достигать 100мВ, а характерные величины токов в нервных тканях лежат в диапазоне от единиц пикоамперов до единиц наноамперов. Распространение импульса происходит за счёт возникновения локальных токов в аксоне, причем оно происходит сальтаторно (скачкообразно) благодаря наличию т.н. перехватов Ранвье – немиелинезированных участков аксона [1, 214 c.].

Когда потенциал действия достигает окончания аксона, активируется еще один тип ионных каналов, зависящий от разности потенциалов, – кальциевые каналы. По ним кальций входит внутрь аксона, что приводит к мобилизации пузырьков с нейромедиатором, которые приближаются к пресинаптической мембране, сливаются с ней и высвобождают нейромедиатор в синапс. Так происходит передача возбуждения дендритам другого нейрона [11, 504 c.].

Кроме спонтанной электрической активности, в коре головного мозга наблюдаются характерные колебания потенциала, возникающие, как правило, в ответ на какие-либо психологические, мысленные и другие процессы. Это так называемые потенциалы событий (ПС), их амплитуда настолько мала, что обнаружить их можно только после суммирования нескольких последовательных записей. Это означает, что их амплитуда много меньше 1 мкВ, поскольку 1 мкВ легко фиксируется экспериментально.


Глава 2 ИЗУЧЕНИЕ ЭНЕРГИИ КАК НЕОБХОДИМОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ГОЛОВНОГО МОЗГА

2.1 Расчёт суточного энергопотребления организма

В диетологии для расчёта энергетической ценности пищи для удобства пользуются понятием калория. Калория численно равна количеству теплоты, необходимой для нагревания 1 г воды на 1ºC при давлении в 1 атмосферу. Так, с 1956 г. 1 международная калория равна 4,1868 Дж (1 Дж ≈ 0,2388459 калм). [5, 163 c.]

По закону энергетического баланса организма количество энергии, которое должно поступать с пищей (E пищ.), вычисляется по следующей формуле:

Е пищ. = Е осн.об. + Е термо + Е физ.нагр. + Е сддп., где

Е осн.об. - энергия, которую организм расходует на основной обмен;

Е термо – термогенез – получение тепла для поддержания термостабильности организма;

Е физ.нагр. – энергия физической активности (физических нагрузок);

Е сддп. – специфическое динамическое действие пищи - затраты энергии на переваривание, всасывание, транспорт и ассимиляцию нутриентов на уровне клетки.

По формуле Марфина-Джоера затраты на основной обмен (ОО) составляют:

ОО (женщины) = 9,99 * вес (кг) + 6,25 * рост (см) – 4,92 * возраст (лет) – 161

ОО (мужчины) = 9,99 * вес (кг) + 6,25 * рост (см) – 4,92 * возраст (лет) + 5

Полученное число в зависимости от образа жизни необходимо умножить на следующие коэффициенты:

  • Малоподвижный (сидячий) образ жизни: ОО*1,2

  • Небольшая активность (занятия спортом от 1 до 3 раз в неделю): ОО*1,375

  • Активность средняя (спорт от 3 до 5 раз в неделю): ОО * 1, 55

  • Высокая активность (занятия спортом ежедневно): ОО * 1, 725

  • Активность очень высокая (ежедневные активные занятия спортом, например, усиленные тренировки дважды в день, либо тяжёлый физический труд на работе): ОО * 1,9

Согласно статистике (на 2008 год), средний рост российского мужчины равен 176 см, средний вес - 73 кг, женщины - соответственно168 см и 69 кг.

Произведя расчёты по формулам, получаем ОО для среднестатистических мужчины и женщины 30 лет, с учетом затрат на небольшую физическую активность:

ООж= (9,9*69+6,25*168– 4,92*30 - 161)*1,375 ≈ 1958 ккал.

ООм= (9,9*73+6,25*176 – 4,92*30 + 5)*1,375 ≈ 2310 ккал.


2.2 Удельное энергопотребление и мощность мозга

Несмотря на небольшие размеры (около 2% от общей массы тела человека), головной мозг потребляет внушительную долю энергии и кислорода. Так, «отдыхающий» мозг потребляет 9% всей энергии и 20% кислорода, а «думающий» —25% и 33% соответственно.

Среднее значение калорийности рациона человека составляет 3000 ккал. В среднем мозг в сутки потребляет около 20% всей энергии (), что будет составлять 3000 0,2 ≈ 600 ккал. Это означает, что 1 кг мозгового вещества потребляет энергии:


Тело, масса () которого 60 кг (без учета головного мозга) потребляет энергии

в сутки

В среднем 1 кг тела должен при этом использовать энергии :


Таким образом, 1 кг мозга потребляет в 10 раз больше энергии, чем остальные участки тела. Следовательно, мышление требует больших энергетических затрат.

Переведем для удобства расчетов t = 24 часа в секунды, 600ккал в Дж.

Итак, t =


Мощность () деятельности головного мозга:


Таким образом, каждую секунду мозг потребляет 29 Дж энергии (для примера отметим, что мощность среднего сотового телефона составляет примерно 1 – 2 Вт).

Известно, что организм поддерживает энергоснабжение мозга приблизительно на постоянном уровне (около 20% кислорода, содержащегося в крови, расходуется в мозге). При определенных условиях кровоснабжение мозга может возрастать на 50%.

Таким образом, мощность головного мозга при различных условиях жизнедеятельности человека может ориентировочно составлять от 15 Вт до 45 Вт.


2.3 Тепловой баланс и регуляция температуры головного мозга

Согласно закону сохранения энергии, который гласит, что во всех явлениях, происходящих в природе, энергия не возникает и не исчезает, она только превращается из одного вида в другой, при этом её значение сохраняется. Это значит, что высвобождающаяся в головном мозге энергия должна либо там аккумулироваться, либо трансформироваться в другие виды, либо переходить к другим объектам или в другие формы.

Оценим, что может произойти с головным мозгом, если вся потребляемая им в сутки энергия (то есть около 600 ккал) будет переходить в тепло. Этого количества энергии достаточно, чтобы нагреть более 9 литров воды от 36 ºС до кипения. Поскольку мозг на 80% состоит из воды, можно предположить, что его удельная теплоёмкость близка к удельной теплоемкости воды. Это означает, что при отсутствии эффективной теплоотдачи выделяемой в процессе окислительных реакций в головном мозге энергии достаточно, чтобы мозг «закипел» как минимум шесть раз в сутки. Однако этого не происходит.

Пути использования потребляемой головным мозгом энергии.

1. Работа мозга. Только на поддержание необходимых жизненных функций, передачу нервных сигналов и воспроизведение элементарных операций мозг человека в среднем нуждается примерно в 400—500 ккал. Между тем, по самым скромным оценкам, энергетические затраты мозга в активном состоянии возрастают более чем в два раза. Кроме того, интеллектуальная работа непременно сопровождается активизацией нервной системы и под влиянием эмоциональных переживаний энергетические затраты увеличиваются на 10—20% (т.е. возрастают до 440-600 ккал). А непривычно большие интеллектуальные нагрузки вкупе со стрессом, сопровождающим любой экзамен или тестирование, по данным РАМН, повышают энергозатраты мозга на все 30—40% (520-700 ккал). При этом одной из самых энергозатратных операций является концентрация внимания. Человек не в состоянии удержать внимание на неизменно высоком уровне более 20—25 минут, потому что за это время мозг «съест» столько глюкозы, сколько не съел бы и за день относительного покоя.

2. Пополнение энергетических запасов клеток головного мозга. Из физиологии известно, что при остановке кровоснабжения головного мозга, энергетических запасов в его клетках хватает приблизительно на 4 – 10 секунд до полной остановки сознания. [10, 264 c.] Таким образом, для поддержания «сознательной» деятельности мозга в нем имеются энергетические запасы в пределах:


Максимальное время, в течение которого нейроны ещё живут (хотя уже и не в состоянии поддерживать работу сознания), не превышает 8 минут (480 с). Каково при этом потребление энергии нейронами неизвестно, но если даже предположить, что оно такое же, как и при нормальной работе сознания, то максимальные энергетические запасы () мозга равны:


Получается, что энергетические запасы мозга () (постоянно существующие, а не пополняемые) составляют:


от энергии, потребляемой мозгом в сутки.

3. Теплообмен с окружающей средой. В области лица, волосистой части головы, шеи и слизистой носа за счёт проходящих в этих областях крупных кровеносных сосудов и густой сети капилляров идет активная теплоотдача, регулируемая деятельностью гипоталамуса. Кроме того, недавние исследования показали, что немаловажную роль, по-видимому, в процессе охлаждения мозга играет зевание, т.к. приток холодного воздуха резко усиливает теплоотдачу за счёт слизистой рта, а работа задействованных при этом мышц стимулирует кровоснабжение.

Таким образом, закон сохранения энергии успешно выполняется.


Глава 3 ИЗУЧЕНИЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ГОЛОВНОГО МОЗГА С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ВОЛНОВОЙ ФИЗИКИ

3.1 Понятие о ритмах мозга

Электрическую активность головного мозга обычно исследуют методом электроэнцефалографии. При этом анализируются колебания потенциалов коры головного мозга, которые снимаются от кожи волосистой части головы при помощи электродов, которые фиксируют интегральные сигналы от деятельности десятков тысяч нейронов, расположенных под ними. В зависимости от их частот выделяют четыре основных типа мозговых ритмов: альфа-, бета-, дельта- и тета-ритмы.

Альфа-волны – это ритмические осцилляции ЭЭГ, происходящие c частотой от 7,5 до 13 Гц. Они обнаруживаются почти у всех нормальных людей, когда их мозг находится в спокойном бодрствующем состоянии. Наибольшая интенсивность этих волн встречается в затылочной области, но их также можно зарегистрировать в теменной и лобной областях. Амплитуда альфа-волн составляет приблизительно 50 мкВ, при усиленной концентрации внимания может возрастать вдвое. Альфа-ритм исчезает во время сна, а также при открывании глаз («реакция активации»). Реакция активации в затылочной области наиболее выражена при открывании глаз и зрительной стимуляции, а в сейсомоторной – при кинетических раздражениях.

Бета-ритм наблюдается, главным образом, в сигналах, отведённых от лобной части черепа. Имеет более высокую частоту, чем альфа-ритм, но меньшую амплитуду и менее правильную форму кривой. Проявляется не постоянно, а примерно через секундные отрезки времени. Каждый такой период называют бета-веретеном. B норме частота бета-волн составляет от 15 до 30 Гц, но иногда (особенно во время интенсивной умственной деятельности) частота повышается до 50 Гц. Наиболее часто бета-волны встречаются в теменной и лобной областях головы. Их можно подразделить на два типа: бета I и бета II. Бета-волны первого типа имеют частоту, примерно вдвое превышающую частоту альфа-ритма. Как и альфа-ритм, эти волны исчезают и заменяются асинхронными низковольтными волнами при умственной деятельности. Напротив, бета-волны второго типа появляются во время интенсивной активности центральной нервной системы (ЦНС), характерной для стресса. Таким образом, один тип бета активности вызывается умственной активностью, в то время как другой тип этой активности тормозится ею.

Тета-ритм. Полоса частот этого ритма ниже, чем у альфа-ритма. Частота тета-волн составляет 4-8 Гц. Они встречаются в основном в теменной и височной областях у детей, но также могут появляться у некоторых взрослых при эмоциональном стрессе – особенно в периоды разочарования и расстройства.

K дельта-волнам относят все осцилляции ЭЭГ, происходящие c частотой ниже 3,5 Гц. Иногда эти волны появляются повторно c периодом 2–3 с. Их также можно наблюдать при глубоком сне у младенцев или при серьезных органических заболеваниях мозга. Дельта-волны могут возникать в пределах коры головного мозга независимо от активности более глубоких церебральных структур.

Гамма-ритм — колебания потенциалов ЭЭГ в диапазоне от 30 Гц до 120—170 Гц, а по данным некоторых авторов — до 500 Гц. Амплитуда очень низка — ниже 10 мкВ и обратно пропорциональна частоте. В случае если амплитуда гамма-ритма выше 15 мкВ, то ЭЭГ рассматривается как патологическая. Гамма-ритм наблюдается при решении задач, требующих максимального сосредоточенного внимания.

Сигма-ритм — один из основных и наиболее чётко выраженных элементов спонтанной ЭЭГ, регистрируемый в состоянии естественного сна. Спонтанный сигма-ритм имеет частоту от 10 до 16 Гц, но в основном 12—14 Гц. Характерным признаком сигма-ритма является нарастание амплитуды в начале вспышки сигма-ритма и её убывание в конце вспышки. Амплитуда различна, но у взрослых в основном не меньше 50 мкВ. Сигма-ритм появляется в начальной стадии медленного сна, которая следует непосредственно за дремотой. Во время сна с дельта-волнами сигма-ритм возникает редко. В процессе перехода к быстрому сну сигма-ритм наблюдается в ЭЭГ, но полностью блокируется в развитой фазе быстрого сна.

Каппа-ритм (Кеннеди-ритм) — ритм ЭЭГ в полосе частот 8-12 Гц и амплитудой 20-30 мкВ, регистрируемый в височной области. Как и в альфа-ритме колебания в имеют веретёнообразную форму. Каппа-ритм наблюдается при подавлении альфа-ритма в других областях в процессе умственной деятельности.

Мю-ритм — ритм ЭЭГ в полосе частот 7—11 Гц. Представляет собой аркообразные волны, регистрируемые в состоянии бодрствования в центральных и центрально-височных регионах скальпа. Амплитуда различна, но обычно ниже 50 мкВ. Наблюдается у 5—15 % людей. В отличие от α-ритма, μ-ритм активируется во время психической нагрузки и психического напряжения. Выполнение любых движений независимо от их структуры, силовой, временной, пространственных характеристик всегда сопровождается блокированием μ-ритма. Ритм также блокируется мысленным представлением движения, состоянием готовности к движению или тактильной стимуляцией. Мало реагирует на воздействия других раздражений, например, световых и звуковых. Выражен у слепых, компенсирующих потерю зрения развитием тактильного и двигательного исследования среды, у которых он встречается в три раза чаще по сравнению со зрячими.

Тау-ритм (τ-ритм) — ритм ЭЭГ на частоте около 10 Гц. Регистрируется в височной коре и подавляется звуковыми стимулами. [3, 195-203 c.]


3.2 Изучение ритмов мозга с помощью протоколов электроэнцефалографических исследований

Рассмотрим протоколы электроэнцефалографии (ЭЭГ), полученные в ходе обследования двух разных людей.

Протокол №1. ЭЭГ девушки 16 лет (ВСД, сотрясение головного мозга легкой степени, при обследовании отмечалась головная боль).

Зарегистрирован замедленный альфа-ритм со средней амплитудой 14 мкВ (максимальная амплитуда - до 33 мкВ) и доминирующей частотой 8,3 Гц. Над обоими полушариями наблюдаются высоко- и низкочастотные бета-ритмы (14-20Гц и 20-35 Гц соответственно). Реакция активации при открывании глаз отчетливая. Патологических изменений биоэлектрической активности мозга путем фотостимуляции и гипервентиляции вызвать не удалось. Над обоими полушариями выявлены медленные волны дельта- и тета-диапазона (50 мкВ), свидетельствующие о негрубой дисфункции неспецифических срединных структур мозга. В передне-лобном и передне-височном отведениях левого полушария зафиксированы острые волны амплитудой до 190 мкВ. Согласно заключению невропатолога, БЭА мозга пограничная, без грубых отклонений.

Протокол №2. ЭЭГ мужчины 38 лет (имела место открытая черепно-мозговая травма)

Альфа-ритм регулярный, модулированный, частотой 10 Гц и амплитудой до 70мкВ со сглаженным зональным рисунком. Бета-ритм в передних отделах мозга в незначительном количестве. Тета-волны амплитудой до 25 мкВ в незначительном количестве. Реакция на открывание глаз и фотостимуляцию отчетливая. Гипервентиляция на характер фоновой ритмики существенно не влияет. Согласно заключению невропатолога, БЭА мозга в пределах нормы.

Из полученных результатов исследования видно, что характер биоэлектрической активности мозга во многом зависит от психоэмоционального состояния обследуемого (выраженный бета-ритм в протоколе №1 спровоцированный высокой степенью возбудимости нервной системы; регулярный альфа-ритм в протоколе №2), а также его физического здоровья, в частности, наличие травм головы (дельта-волны в первом случае, тета-волны в обоих случаях).


Выводы

  1. Восприятие, обработка и передача информации в головном мозге представляет собой сложный биофизический процесс.

  2. Средний суточный расход энергии для женщин и мужчин, занимающихся сидячей работой, составляет соответственно 1958 ккал и 2310 ккал.

  3. 1 кг мозга потребляет в 10 раз больше энергии, чем остальные участки тела.

  4. Мощность головного мозга при различных условиях жизнедеятельности человека может составлять от 15 Вт до 45 Вт.

  5. Биоэлектрическая активность мозга индивидуальна для каждого человека и во многом зависит от его физического и психоэмоционального состояния.


Заключение

На основе анализа использованной литературы, качественных расчетов энергии, потребляемой мозгом и телом человека, изучения протоколов электроэнцефалографических исследований мы выяснили, что высшая нервная деятельность человека напрямую связана с биофизическими процессами, протекающими в головном мозге. Работа мозга требует больших энергетических затрат: расчеты показали, что 1 кг мозга потребляет в 10 раз больше энергии, чем остальные участки тела. При этом успешно выполняется физический закон сохранения энергии: полученная в процессе окисления органических веществ, потребляемых с пищей, энергия трансформируется в энергию нервных импульсов, затрачивается на работу потенциал-зависимых ионных каналов, а также рассеивается в виде тепла.


Список использованной литературы


  1. Ремизов А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я. Медицинская и биологическая физика. – М.: Дрофа, 2009. – 559 с.: ил.

  2. Коган А.Б., Косицкий Г. И., Кураев Г.А., Чораян О.Г. Физиология человека и животных. – М.: Высшая школа, 1984. – 288 с.: ил.

  3. Буреш Я., Бурешова О., Хьюстон Д.П. Методики и основные эксперименты по изучению мозга и поведения. М.: Высшая школа, 1991.

  4. Лысенков Н.К., Бушкович В.И., Привес М.Г. Учебник нормальной анатомии человека. Л.: Медгиз, 1958, 785 с.

  5. Здоровье женщины: Полная энциклопедия. Сост.И.А.Филиппова. СПб.: ИД ВЕСЬ, 2001.

  6. Макаров В.А.Физиология. Основные законы, формулы, уравнения. М.:ГЭОТАР-МЭД, 2001.

  7. Трайтак Д.И, Клинковская Н.И, Карьенов В.А, Балуев С.И. Биология. Справочные материалы. Учебное пособие для учащихся. – М.: Просвещение, 1983, 208 с., ил.

  8. Полная медицинская энциклопедия .Сост.Е.Незлобина. М.: КРОН-ПРЕСС, 2000.

  9. Резанова Е.А., Антонова И.П. Биология человека (анатомия, физиология и гигиена человека с основами медицинской экологии) / В таблицах и схемах. – «Издат-школа», М., 1998.

  10. Фомин Н.А. Физиология человека: Учеб. пособие для студентов фак. физ. воспитания пед.ин-тов.-М.: Просвещение, 1982. – 320 с., ил.

  11. J.Malmivuo, R.Plonsey. Bioelectromagnetism. Oxford University Press. New York, Oxford. 1995

  12. Hodgkin AL, Huxley AF (1952) A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. J. Physiol. (Lond.)