Синхронизация (нейробиология)

В нейробиологии синхронизацией (от греч. συνχρόνος — одновременный) называют динамический режим, который характеризуется периодической одновременной активацией определенной популяции нейронов, или синхронизацию между локальными колебаниями двух или нескольких популяций нейронов.

Синхронизированная активность в больших популяциях нейронов является главным механизмом образования макроколебаний, или так называемых ритмов, в головном мозге. Известно, что ритмы играют важную роль в процессах передачи и обработки информации в центральной нервной системе (сон, память, внимание, пространственная навигация и т. д.), однако общей теории относительно точного назначения и принципов работы ритмов пока нет.

С другой стороны, чрезмерная локальная синхронизация в некоторых сетях имеет патологические проявления, такие как тремор в болезни Паркинсона, эпилептические припадки, а также некоторые расстройства высшей мозговой функции (шизофрения, аутизм, и т. д.).

Важная роль синхронизации в процессах обработки информации в мозге делает её очень привлекательной темой исследований в медицинской и вычислительной нейронауке. Методы математического моделирования синхронизации (часто заимствованные из физики) в сочетании с доступностью вычислительных мощностей создают благоприятные условия для прогресса в направлении более глубокого и разностороннего понимания этого явления.

Вследствие того, что термин «синхронизация» является довольно распространённым и часто используется в различных отраслях науки, его точное определение может сильно варьировать в зависимости от конкретной сферы применения. В биологическом контексте удобно различать два вида синхронизации:

• локальная синхронизация, синхронизация активности отдельной популяции нейронов, которая приводит к образованию макроколебаний и может становиться заметной в сигнале ЭЭГ

фазовая синхронизация, синхронизация фазы макроколебаний между удалёнными участками мозга или группами нейроновВо всех секциях настоящей статьи, за исключением секции «Математическое моделирование», будем использовать именно вышеприведенное определение термина «фазовая синхронизация».

С другой стороны, в детальном математическом моделировании локальной синхронизации принято использовать термин «фазовая синхронизация» в более абстрактном смысле. А именно, два или несколько осцилляторов фазово синхронизированы, если соответствие их фаз не меняется со временем, или, в наиболее общем определении, зависит по какой-либо функции. Причём амплитуды колебаний вышеупомянутых осцилляторов не обязательно должны быть одинаковы. Такими осцилляторами могут моделироваться как индивидуальные нейроны, так и сети или большие популяции нейронов. В секции «Математическое моделирование» описано несколько типов синхронизации.

Источник: Википедия

Упоминания в литературе

Одной из важных характеристик нейронных процессов Лебедев считает «пространственную синхронизацию биопотенциалов» мозга – понятие, впервые введенное М. Н. Ливановым (Ливанов, 1989). Согласно теоретическим построениям Лебедева, воспринимаемая информация фиксируется и хранится в памяти в виде устойчивых комбинаций из разных фаз когерентных незатухающих волн нейронной активности, возникающих в различных областях мозга (Лебедев, 1985).

Анатолий Воронин, Когнитивный ресурс. Структура, динамика, развитие, 2016

Многие йогатерапевтические алгоритмы основаны на простых динамических связках, в которых осуществляется переход из одного положения тела в другое и обратно, причём это делается синхронно со вдохом и с выдохом. Стандартный пример подобных терапевтических связок – марджариасана и её многочисленные вариации либо динамические варианты ардха-шалабхасаны – примеров может быть множество, общим принципом является синхронизация движения и дыхания. Обычно начинающие, выполняя динамические связки на вдохе-выдохе, привязывают дыхание к движению, что приводит к увеличению частоты дыхания по сравнению с нормальной. Само по себе стойкое учащение дыхания, приводящее к гипервентиляции (особенно выполняемое на протяжении всего занятия), может легко приводить к неблагоприятным изменениям мозгового кровотока и к нарушениям кислородного обеспечения нейронов. Отсюда вытекает важнейший принцип динамических терапевтических комплексов: движение должно происходить в ритме естественного дыхания.

Артём Фролов, Йогатерапия. Хатха-йога как метод реабилитации, 2016

Уже первые результаты сопоставления некоторых дифференциально-психологических и дифференциально-психофизиологических характеристик дали весьма обнадеживающие результаты. Так, многие интеллектуальные и темпераментальные характеристики оказались довольно тесно связанными с интегральными характеристиками биоэлектрической активности мозга человека. Например, скорость психических процессов, играющая важную роль в общем уровне интеллекта, оказалась положительно связанной с уровнем пространственно-временной синхронизации ЭЭГ-процессов или общемозговой лабильностью. Подвижность психических процессов (пластичность), входящая, как известно, в структуру креативности, оказалась положительно связанной с вариабельностью вызванных потенциалов или «стохастичностью нейронных сетей мозга». Характеристики умственной и психомоторной выносливости, определяющие общую работоспособность человека, были отрицательно связаны с общей «мощностью» активированности, по данным энергии медленных ритмов ЭЭГ (Русалов, 1979).

Владимир Русалов, Темперамент в структуре индивидуальности человека. Дифференциально-психофизиологические и психологические исследования, 2012

Нашим научным коллективом разработана установка для регистрации движений глаз на основе скоростной цифровой видеокамеры. Для обеспечения синхронизации компонентов системы, записи данных и их обработки создано оригинальное программное обеспечение. Преимуществом работы с нашей системой является доступ к полному циклу обработки регистрируемых данных, что позволяет быстро и эффективно решать задачи идентификации событий, а также визуально контролировать полученные результаты с помощью синхронного вывода видеозаписи изображения глаза. Также важной является возможность синхронизации регистрации треков движений глаз с внешними устройствами, например, с электроэнцефалографом или полиграфом. Известно, что подобная задача часто возникает при проведении научных или практических исследований и не всегда легко и корректно реализуется на основе решений, предлагаемых производителями айтрекеров.

Коллектив авторов, Айтрекинг в психологической науке и практике, 2015

Синхронизация активности ДЕ играет важную роль при быстрых сокращениях или в начале любого сокращения, так как влияет на скорость развития сокращения. Естественно, что чем больше совпадают сократительные циклы разных ДЕ в начале сокращения мышцы, тем быстрее оно нарастает. Ярко выраженная синхронизация импульсной активности ДЕ обычно наблюдается в начале выполнения быстрых движений, связанных с преодолением значительной внешней нагрузки. Это в существенной степени определяется тем, что в начале импульсации частота разрядов ДЕ выше, чем в дальнейшем.

Руслан Городничев, Физиология силы, 2016

С помощью регулярного использования образов можно сосредоточить внимание на ключевых признаках двигательного навыка, укрепляя их и, тем самым, делая возможным формирование неосознанной перцептивно-двигательной программы, или схемы, в премоторной коре. Согласно данной теории, использование образов помогает усвоению только когнитивных компонентов навыков, таких как синхронизация действий по времени, планирование и определение их последовательности. Приверженцы данного подхода указывают на то, что на начальных стадиях обучение является практически полностью когнитивным.

А. Н. Веракса, Мысленная тренировка в психологической подготовке спортсмена, 2016

При использовании метода повторных усилий («до отказа») вначале сила физиологического раздражителя немаксимальна, в результате чего развитие силы мышц не стимулируется. И только при последних повторениях, когда в результате многократного повторения упражнения развивается утомление, и преодолеваемое сопротивление становится для организма максимальным физиологическим раздражителем, происходит развитие мышечной силы. Объясняется это тем, что с количеством повторений постепенно в работу включается все большее количество ДЕ, и в последних повторениях их число возрастает до максимума. При этом увеличивается частота эффекторных импульсов и наблюдается их синхронизация. Изменяется концентрация усилий, что приводит к росту мышечной силы. Этот метод наиболее целесообразен в подготовке начинающих спортсменов.

О. Е. Ушакова, Физическая подготовка юных метателей диска, 2010

Выносливость в условиях длительной и напряженной заботы обеспечивается рядом компенсаторных механизмов на уровне внутри- и межмышечной координации. На первом уровне это, в частности, выражается в значительном увеличении амплитуды ЭМГ мышц при утомлении. Возрастание электрической активности (ЭА) мышц при утомлении объясняется тем, что сила сокращения каждой из активизированных двигательных единиц (ДЕ) снижается. Утомление локализуется главным образом в быстрых мышечных волокнах, в которых накапливается большое количество лактата. Вследствие этого для поддержания напряжения мышц на прежнем уровне в возбуждение вовлекается большее количество двигательных единиц (Tesch et al„ 1978; Maton, 1981; Верхошанский, 1988). Потенциал действующих и вновь мобилизованных ДЕ суммируется, и общий электрический эффект оказывается повышенным. Причем увеличение количества работающих ДЕ может привести к значительному увеличению общей ЭА только при наличии синхронизации разрядов мотонейронов.

Ирина Суслина, Физиологические аспекты выносливости в спорте, 2012

• возможность применения цепей синхронизации частоты с внешним задающим генератором, обладающим заданными параметрами.

Александр Куличков, Импульсные блоки питания для IBM PC