Рефлекс человека: Безусловные и условные рефлексы — урок. Биология, 8 класс.

14 рефлексов человека, которые поражают ученых, а у нас вызывают чувство неловкости / AdMe

Как все-таки сложно устроен человек. Взять хотя бы наши рефлексы: они даны нам природой, чтобы упростить жизнь, но на практике это часто приводит к чему-то противоположному. Не говоря уже о назначении рефлексов. Вот, например, откуда растут ноги у любопытства, от чего защищает нас лень, почему хочется писать в душе и как нам удается заражать своими эмоциями других людей?

Мы в ADME решили изучить необычные рефлексы, которые лежат в основе нашего поведения и часто, казалось бы, не поддаются логическому объяснению.

14. Все дети плавают под водой с открытым ртом

© pexels

Любой малыш в возрасте до 3–6 месяцев, попав в воду, рефлекторно задерживает дыхание и начинает двигаться. Если при этом вода попадет ему в рот, то голосовая щель и надгортанник сужаются, не давая жидкости попасть в легкие. Дети старше 6 месяцев теряют эти навыки и вынуждены учиться плавать с нуля, если с рождения не освоили это занятие.

Важно: Не рекомендуется самостоятельно учить новорожденного ребенка плавать (даже полагаясь на рефлексы), лучше делать это под присмотром профессионала.

13. Состав слез автоматически меняется в зависимости от того, чем они вызваны

© Crimfants / wikipedia

Если речь идет о слезотечении, то состав слез может быть разным. В одном случае это богатая белком антибактериальная жидкость, которая поддерживает влажность глаз во время моргания или при долгом сидении за компьютером. Во втором случае слезы имеют немного иной состав и выделяются в ответ на внешний раздражитель: например, вы режете лук, вам в глаз попала ресница или вокруг вас много дыма, который и вызывает слезы.

Когда мы плачем из-за эмоционального возбуждения, наши слезы содержат особые гормоны, помогающие организму быстрее пережить стресс и снизить чувство боли.

12. Лень — это защитный механизм, придуманный природой

© Holger Link / unsplash

Рефлекс сопротивления (свободы) — это реакция на любой внешний раздражитель, который в чем-либо ограничивает нас. Известно, что, в отличие от других рефлексов, чем дольше мы ощущаем эти ограничения, тем сильнее наше желание избавиться от них. При этом привыкания к ним не возникает.

Учитывая это, ряд ученых утверждает, что чувство лени — это не порок или вредная привычка, а один из способов внутреннего бойкота, когда организм пытается защитить себя от стрессовой ситуации, ограничивающей в чем-либо его свободное существование.

11. Если много времени проводить в темноте, глаза начнут видеть необычные сгустки света

© Charmed / Spelling Television

Этот рефлекс знаком космонавтам и любителям медитативных практик, и называется он «кино для заключенного». По мнению ученых, вспышки света, которые могут менять цвета и приобретать разные формы, возникают в темноте из-за напряженной психологической обстановки, сильных магнитных полей, химических веществ или из-за механического воздействия на глаза. Никакой магии!

10. Любопытство — это автоматическая функция, которая повышает шансы человека на то, чтобы жить долго и счастливо

© Brunel Johnson / unsplash

Любопытство — это проявление ориентировочного рефлекса: наши органы постоянно получают информацию о мире вокруг нас, а мозг скрупулезно сравнивает новые данные с теми, что получил секунду назад. Как только выявляется значительная разница, запускается ориентировочный рефлекс: мы поворачиваемся навстречу незнакомому звуку или фокусируем взгляд на чем-то новом.

Ориентировочный рефлекс лежит в основе поведения, которое заставляет нас постоянно изучать новое, за что мозг награждает нас и самого себя чувством радости, чем развивает любопытство.

Кстати, нейробиологи отмечают, что особо любопытные люди, которые даже в пожилом возрасте осваивают новые навыки и развивают кругозор, живут дольше и счастливее, потому что постоянно «омолаживают» мозг гормоном радости.

9. Незавершенное действие перезагружает мозг, вводя его в состояние, близкое к медитации

© depositphotos

Выполняя монотонную, рутинную работу, мозг отключается, но «краем глаза» продолжает следить за процессом. Если выполняемое действие окажется незаконченным, мозг на некоторое время входит в состояние, близкое к медитации: он словно перезагружается, удаляя все лишние мысли и пытаясь понять, какую задачу необходимо закончить. При этом новые задачи появляются, но мозг не в состоянии на них до конца сконцентрироваться.

Пример: У вас тревожное чувство, будто вы что-то забыли. Вы не можете сосредоточиться на своих действиях. В итоге вы обнаруживаете, что не закрыли входную дверь, хотя совершенно не помните момент, как вообще вошли в дом, пока разговаривали по телефону.

8. Воспоминания о горшке заставляют писать в душе

© aka Tman / flickr

Если услышать звук текущей воды или ручья, у многих возникает желание «заглянуть в туалет». Ученые считают это проявлением рефлекса, приобретенного в детстве: сидя на горшке или на унитазе, ребенок запоминает звуки, характерные для этого процесса, в том числе звуки смывания воды и мытья рук. А в душе желание справить малую нужду обостряется из-за теплой воды.

7. Сердцебиение замедляется, как только человек окунает лицо в прохладную воду

© Constantine / Warner Bros. Pictures

Все дело в так называемом нырятельном рефлексе млекопитающих: как только поверхность лица соприкасается с холодной водой (ниже 10 градусов), организм переходит в иной режим энергопотребления. Так он увеличивает сопротивляемость давлению и снижает потребление кислорода, считая, что человек готовится к погружению на глубину: замедляется пульс, падает температура тела, сосуды сужаются, происходит отток крови к центру и жизненно важным органам, повышается уровень гемоглобина, а кровь насыщается кислородом.

Кстати, резкое погружение лица в холодную воду — это действенный метод для того, чтобы остановить тахикардию за 1 минуту или уменьшить головную боль при мигрени.

6. Из-за стресса мозг теряет контроль над зрачками

© tokke / reddi

Движения зрачков и подергивания глаз могут быть вызваны усталостью, недосыпанием, чрезмерным употреблением кофеина или лекарственных препаратов. В основе лежит проявление вестибулоокулярного рефлекса, когда мозг пытается получить точную картинку происходящего, но из-за перегрузки или перевозбуждения не может сконцентрироваться.

Как проверить: Если вы прокатитесь на карусели или покружитесь, к примеру, на офисном стуле пару минут, то сразу после остановки ваши зрачки некоторое время будут трястись.

5. Человек краснеет, чтобы сбить собеседника с толку

© Vladimir Godnik / gettyimages

Считается, что покраснение от смущения является частью защитного механизма «бей или беги». Перед этим в ответ на какой-либо раздражитель происходит выброс адреналина: расширяются зрачки, сердце бьется быстрее, и по расширенным сосудам насыщенная кислородом кровь направляется к мышцам. Процесс затрагивает все тело, но сильнее всего покраснения заметны в районе шеи, ушей, верхней части груди и лица.

Наука утверждает, что такая особенность свойственна лишь людям и является средством выражения сожаления или раскаяния, поэтому покраснение можно рассматривать как социальный инстинкт. Видя, что собеседник покраснел, мы в ответ на это временно впадаем в ступор, пытаясь переосмыслить ситуацию и роль собеседника в ней. А те, кто покраснел после того, как показал свою неуклюжесть, и вовсе нравятся нам больше тех, кто сохраняет ровный цвет лица в любой ситуации.

4. Мурашки и озноб — это сигнал о резкой смене эмоций

© pxhere, © pxhere

Когда-то подобное было лишь реакцией на резкую смену температуры: с помощью поднятых волосков тело удерживало слой теплого воздуха вокруг кожи или, наоборот, покрывалось потом, чтобы немного охладиться. По неизвестной причине рефлекс начал срабатывать и при резкой смене настроения: когда что-то пугает нас, мы чувствуем озноб, а от приятной музыки по коже бегут мурашки.

Интересно: На сайте Reddit пользователи собирают материалы, которые вызывают приятные ощущения и мурашки. Например, послушайте самое начало произведения Ханса Циммера: смена громкости и необычные созвучия, возможно, заставят и вас почувствовать нечто подобное.

3. Мозг «заражается» чужими эмоциями, принимая их за свои собственные

© depositphotos

Присмотритесь к маленьким детям: когда родитель грустит, ребенок замечает это и начинает плакать, хотя не понимает причину грусти. Все дело в эмоциональном заражении. Именно поэтому нас так тянет к людям, которые испытывают радость: даже не имея собственного повода для этой эмоции в настоящий момент, мы неосознанно стремимся перенять ее от другого человека, поэтому стараемся быть рядом с ним.

Кстати, способность передавать друг другу настроения и эмоции является врожденной, без нее в том числе было бы невозможно представить такую вовлеченность людей в религии или войны.

2. Глаза человека фиксируются на одной точке, вне зависимости от поворота головы и тела

© It’s Always Sunny in Philadelphia / 20th Century Fox

Как людям удается поворачивать голову влево или вправо, при этом сохраняя фокусировку на предметах? За это тоже отвечает вестибулоокулярный рефлекс, который помогает мозгу стабилизировать изображение.

Между прочим, эта особенность помогает балеринам грациозно оборачиваться по 20–30 раз вокруг своей оси, выполняя фуэте.

1. Взгляд на солнце вызывает чихание

© mcfarlandmo / flickr

Так проявляется световой чихательный рефлекс: каждый четвертый человек, посмотрев на яркий свет или солнце, вдруг начинает чихать. Ученым пока не удалось установить, зачем это нужно, но известно, что подобная особенность передается по наследству.

Расскажите, какими необычными особенностями отличается ваше тело?

Фото на превью aka Tman / flickr

AdMe/Наука/14 рефлексов человека, которые поражают ученых, а у нас вызывают чувство неловкости

когда она действительно опасна? Что делать при приступах рвоты? Когда при рвоте надо обращаться к врачу?

+7 (495) 780-07-71

Колл-центр работает круглосуточно

Скорая помощь
круглосуточно

Автор

Дмитриева Валентина Александровна

Ведущий врач

Терапевт

Рвота – это рефлекторное извержение через рот содержимого желудка, а иногда и двенадцатиперстной кишки.

Рвотный рефлекс является довольно сложным – в нем участвуют различные группы мышц. Управляется он рвотным центром, расположенным в стволе головного мозга. По своей природе рвота – это механизм, с помощью которого организм защищается от отравления. В норме рвота – это реакция на попадание в желудочно-кишечный тракт токсичных веществ или просто того, что невозможно переварить – например, слишком жирной пищи. Поэтому после приступа рвоты человек часто чувствует облегчение: организм очистился.

Однако интоксикация, вызвавшая рвоту, может иметь внутренний источник, то есть быть следствием какой-либо патологии или заболевания. Также возможно, что раздражение нервной системы, приводящее к рвотным спазмам, вообще не связано с состоянием желудка. Это заставляет воспринимать рвоту как весьма серьезный, и даже грозный симптом. Приступ рвоты – это практически всегда достаточный повод, чтобы обратиться к врачу. При повторяющихся приступах к врачу надо обращаться обязательно!

Причины рвоты

В большинстве случаев рвота обусловлена раздражением рецепторов желудка или, говоря медицинским языком, имеет висцеральное происхождение. Причиной чаще всего являются острые или хронические заболевания самого желудка (острое пищевое отравление, гастрит, язва желудка, пищевая аллергия). Также рецепторы желудка могут реагировать и на заболевания других органов – желчного пузыря, матки, сердца (рвота входит в комплекс возможных симптомов инфаркта миокарда).

Рвота может также иметь центральное происхождение, то есть вызываться патологиями центральной нервной системы (головного мозга), такими как менингит, энцефалит, травмы и опухоли головного мозга. Довольно часто рвота наблюдается при мигрени. Проблемы внутреннего уха также могут приводить к рвоте (в этом случае рвота может наблюдаться на фоне головокружения). При чрезмерном раздражении рецепторов внутреннего уха (при укачивании) вырвать может даже здорового человека, особенно при нетренированности вестибулярного аппарата. Иногда рвота обусловлена эмоциональным расстройством (стрессом) или представляет собой реакцию на то, что вызывает предельное отвращение (условнорефлекторная рвота).

Раздражение рвотного центра может быть вызвана токсическими веществами, переносимыми током крови (гематогенно-токсическая рвота). Токсические вещества могут попасть в организм извне (например, хлор или угарный газ – при вдыхании), а могут вырабатываться в самом организме – в результате нарушенной функции печени или почек.

Рвота и другие симптомы

Обычно рвоте предшествует тошнота, ведь, по сути, рвота есть разрешение тошноты, ее логическое завершение. То, что тошнота перешла в рвоту, свидетельствует о тяжести патологического процесса. Рвотные спазмы могут наблюдаться на фоне повышенной температуры, сопровождаться поносом. В рвотных массах помимо остатков пищи, желудочного сока и слизи может присутствовать желчь, кровь, гной.

Многократная, периодически повторяющаяся и неукротимая рвота изнуряет и обезвоживает организм, приводит к нарушению минерального обмена и кислотно-щелочного равновесия.

Понос и рвота

Рвота и температура

Когда рвота пугает

Любой приступ рвоты — опыт весьма неприятный. Даже если с разрешением приступа человек испытывает облегчение, сама рвота воспринимается как событие экстраординарное, которого в норме быть не должно. Потрясение организма, бытовые и социальные неудобства, — всё это делает рвоту процессом иного порядка по сравнению с другими рефлекторными действиями, вроде кашля или чихания. Мы всегда остро реагируем на рвоту (не оставляем ее без внимания), и это правильно.

Однако в некоторых случаях рвота нас тревожит особенно сильно. Такова рвота желчью, рвота с кровью. Родителей беспокоят случаи рвоты у ребенка. Довольно часто наблюдается рвота при беременности, обращая на себя усиленное внимание.

Об этих случаях стоит сказать отдельно:

Рвота желчью

Рвота с кровью

Рвота при беременности

Рвота у ребёнка

Что делать при рвоте

Поскольку приступ рвоты может быть у каждого, полезно знать, как можно предотвратить рвоту, что делать во время и сразу после приступа и в каких случаях обязательно надо обращаться к врачу.

Предвестником рвоты является тошнота. Если вас тошнит, попробуйте открыть окно (увеличить приток кислорода), выпить немного подслащенной жидкости (это успокоит желудок), принять сидячее или лежачее положение (физическая активность усиливает тошноту и рвоту). Можно рассосать таблетку валидола. Если вас укачивает в дороге, возьмите с собой и рассасывайте в пути леденцы. Это поможет предотвратить рвоту.

Что делать во время приступа рвоты

Во время приступа важно исключить попадание рвотных масс в дыхательные пути. Больной во время рвоты ни в коем случае не должен лежать на спине. Не оставляйте без присмотра маленьких детей, если у них может быть рвота. Пожилому или ослабленному человеку необходимо помочь повернуться на бок, головой к краю кровати, поставить перед ним таз.

Что делать после приступа рвоты

После приступа надо промыть рот холодной водой. Если больной сам этого сделать не может, надо смочить кусок марли в содовом растворе и протереть ему рот.

Сразу после приступа можно выпить лишь несколько глотков воды, и то, если в рвотных массах не было крови. Попить как следует можно лишь через 2 часа, а есть – лишь через 6-8 часов после приступа. Пища должна быть диетической, щадящей; лучше всего – каша на воде, рис, нежирный суп.

При повторяющихся приступах рвоты возможно обезвоживание организма. Поэтому необходимо пить специальный раствор, восстанавливающий водно-электролитный и кислотно-щелочной баланс.

Есть вопросы?

Оставьте телефон –
и мы Вам перезвоним

Когда при рвоте необходимо обратиться к врачу?

Рвота – во многих случаях признак того, что организм испытывает серьезные проблемы и нуждается в очищении, а значит, скорее всего, и в лечении. Если болезнь сопровождается рвотой, это обычно свидетельствует о том, что болезнь протекает достаточно тяжело.

Если приступ рвоты был разовым и есть основания считать, что он вызван перееданием, укачиванием, алкогольным отравлением или стрессом, прямой необходимости обращаться к врачу нет. Во всех остальных случаях консультация врача необходима. Особенно, если приступы повторяются на протяжении двух дней и более, а также при наличии сахарного диабета или других хронических заболеваний.

Иногда при рвоте требуется неотложная помощь. Надо вызывать «скорую», если:

• рвота сопровождается постоянной или сильной болью в животе;
• наблюдаются неоднократные приступы рвоты после травмы головы;
• вместе с рвотой наблюдается обезвоживание, сухость во рту, учащение мочеиспускания;
• при ухудшении умственной и функциональной активности у пожилых людей;
• в рвотных массах присутствует кровь (например, примеси в виде «кофейной гущи»).

К какому врачу обращаться при рвоте?

С жалобами на тошноту и рвоту обращаются, как правило, к гастроэнтерологу или врачу общей практики (терапевту, семейному врачу или педиатру). В случае тошноты и рвоты при беременности надо обращаться к гинекологу.

Не занимайтесь самолечением. Обратитесь к нашим специалистам, которые правильно поставят диагноз и назначат лечение.

Оцените, насколько был полезен материал

Спасибо за оценку

 

Вам кэшбэк 10% при покупке подарочного сертификата

Ответы на вопросы пациентов

Здравствуйте! У меня уже 5 день нету аппетита, тошнота, рвота, диарея, как поем, будто все в горле …

Шадрина Ксения Викторовна, Терапевт

Добрый день, данные симптомы могут быть проявлением нескольких заболеваний, как вирусной инфекции, т…

Читать полностью

Прошло 19 дней после незащищенного па,на 18 день началась тошнота по утрам и переодически днём. А во…

Рагимова Зара Эюбовна, Терапевт

Добрый день! Беременность может протекать без симптомов токсикоза в течение всего периода, Вам необх.

..

Читать полностью

Все ответы врачей

Размышление о человеческих рефлексах — Урок

Quick Look

Уровень: 6 (5-8)

Требуемое время: 1 час

(одно 50-минутное занятие плюс 15-минутная подготовка к соответствующему упражнению)

Зависимость от урока:

Люди как роботы

Реакция зрачков и проверка времени реакции

предметных областей: Биология, наука о жизни, наука и техника

Ожидаемые характеристики NGSS:

MS-LS1-8

---

Доля:

TE Информационный бюллетень

Резюме

Студенты узнают о человеческих рефлексах, о том, как наши тела реагируют на раздражители и как некоторые реакции и движения тела контролируются автоматически, без осознанного размышления о движении или реакции. В связанном упражнении учащиеся изучают, как рефлексы работают в человеческом теле, наблюдая за непроизвольным человеческим рефлексом и проверяя время своей реакции с использованием доминирующих и недоминирующих рук. Как только учащиеся поймут, что компоненты схемы «стимул-реакция» являются способом описания человеческих рефлексов и реакций в определенных ситуациях, они связывают эти знания с тем, как можно запрограммировать роботов на выполнение подобных реакций.

Эта учебная программа по инженерному делу соответствует научным стандартам следующего поколения (NGSS).

Инженерное подключение

Биоинженеры и нейробиологи воспринимают человеческие тела как функционирующие управляемые системы, мало чем отличающиеся от роботов. Исследования все чаще показывают, что математические принципы, подобные тем, которые используются в робототехнике, чрезвычайно полезны или даже необходимы для полного понимания человеческого тела. В качестве примера того, как инженеры черпают идеи из человеческих рефлексов, покрасочные роботы предназначены для получения информации от датчиков зрения, чтобы непрерывно перемещать наконечник распылителя робота, чтобы он всегда находился на правильном расстоянии от кузова автомобиля во время покраски.

Цели обучения

После этого урока учащиеся должны уметь:

• Дайте определение рефлексам и приведите примеры человеческого тела.
• Перечислите типичное время реакции человека.
• Объясните разницу между сознательными и автоматическими (бессознательными) реакциями на раздражители.
• Объясните, как цикл «стимул-датчик-координатор-эффектор-реакция» работает у людей и роботов и как инженеры могут применять это понимание при проектировании роботов.

Образовательные стандарты

Каждый урок или занятие TeachEngineering связано с одной или несколькими науками K-12, технологические, инженерные или математические (STEM) образовательные стандарты.

Все более 100 000 стандартов K-12 STEM, включенных в TeachEngineering , собираются, поддерживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.achievementstandards.org).

В ASN стандарты структурированы иерархически: сначала по источнику; напр. по штатам; внутри источника по типу; напр. , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классам, и т.д. .

NGSS: научные стандарты нового поколения — наука

Ожидаемая производительность NGSS
МС-ЛС1-8. Собирайте и синтезируйте информацию, которую сенсорные рецепторы реагируют на раздражители, отправляя сообщения в мозг для немедленного поведения или хранения в виде воспоминаний. (6-8 классы) Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Нажмите, чтобы просмотреть другую учебную программу, соответствующую этому ожидаемому результату
Этот урок посвящен следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Научная и инженерная практика	Основные дисциплинарные идеи	Концепции поперечной резки
Соберите, прочитайте и обобщите информацию из нескольких соответствующих источников и оцените достоверность, точность и возможную предвзятость каждой публикации и используемых методов, а также опишите, как они подтверждаются или не подтверждаются доказательствами. Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!	Каждый сенсорный рецептор реагирует на разные сигналы (электромагнитные, механические, химические), передавая их в виде сигналов, которые по нервным клеткам поступают в мозг. Затем сигналы обрабатываются в мозгу, что приводит к немедленному поведению или воспоминаниям. Соглашение о примирении: Спасибо за ваш отзыв!	Причинно-следственные связи могут использоваться для прогнозирования явлений в природных системах. Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии – Технология

• Студенты будут развивать понимание характеристик и области применения технологии. (Оценки К — 12) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Студенты будут развивать понимание отношений между технологиями и связей между технологиями и другими областями обучения. (Оценки К — 12) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Студенты будут развивать понимание атрибутов дизайна. (Оценки К — 12) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

ГОСТ

Предложите выравнивание, не указанное выше

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Подписаться

Подпишитесь на нашу рассылку новостей, чтобы получать внутреннюю информацию обо всем, что связано с TeachEngineering, например, о новых функциях сайта, обновлениях учебных программ, выпусках видео и многом другом!

PS: Мы никому не передаем личную информацию и электронные письма.

Рабочие листы и вложения

Презентация «Размышление о рефлексах» (pptx)

Презентация «Размышление о рефлексах» (pdf)

Тест по рефлексам человека перед уроком (docx)

Викторина по рефлексам человека перед уроком (pdf)

Ответы на викторину перед уроком по рефлексам человека (docx)

Ответы на викторину перед уроком по рефлексам человека (pdf)

Тест по рефлексам человека и робота после урока (docx)

Тест по рефлексам человека и робота после урока (pdf)

Рефлексы человека и робота. Ответы на викторину после урока (docx)

Рефлексы человека и робота Ответы на викторину после урока (pdf)

Посетите [www.teachengineering.org/lessons/view/umo_ourbodies_lesson03], чтобы распечатать или загрузить.

Больше учебных программ, подобных этому

Высший элементарный урок

Мозг — это компьютер

Студенты узнают о сходстве между человеческим мозгом и его инженерным аналогом, компьютером. Поскольку учащиеся регулярно работают с компьютерами, это сравнение укрепляет их понимание того, как работает мозг, и в чем он схож с работой компьютера.

Мозг — это компьютер

Высший элементарный урок

Что такое датчик?

Студенты получают строгие знания об основных «датчиках» человека в качестве подготовки к сравнению их с некоторыми электронными эквивалентами в соответствующей деятельности. Студенты изучают концепцию «стимул-сенсор-координатор-эффектор-реакция» для описания человеческих и электронных сенсорных процессов.

Что такое датчик?

Высший элементарный урок

Датчики человека и робота

Учащимся предоставляется обширный опыт работы с человеческими «датчиками» (включая информацию об основных пяти чувствах, анатомии датчиков и процессах нервной системы) и их инженерных эквивалентах, что создает основу для трех связанных действий, связанных со звуковыми датчиками на роботах LEGO®.

Датчики человека и робота

Высшая элементарная деятельность

Реакция зрачков и проверка времени реакции

Учащиеся наблюдают и проверяют свои рефлексы, в том числе (непроизвольную) реакцию зрачка и (произвольное) время реакции с использованием доминирующей и недоминантной рук, как способ дальнейшего изучения того, как рефлексы возникают у людей. Используя информацию из соответствующего урока о том, как роботы реагируют на ситуацию…

Реакция зрачков и проверка времени реакции

Предварительные знания

Понимание пяти чувств человеческого тела. Знакомство с роботами LEGO EV3 и программированием блоков LEGO (компьютер).

Хотя это и не требуется, мы предлагаем учащимся пройти предыдущий раздел серии «Люди похожи на роботов», предыдущие уроки и задания этого раздела, прежде чем приступить к этому уроку.

Введение/Мотивация

(Будьте готовы показать учащимся презентацию «Размышления о рефлексах» в формате PowerPoint. Начните с проведения предурочной викторины «Человеческие рефлексы», состоящей из двух вопросов, либо раздав бумажные экземпляры, либо показав слайд 2 с ответами на слайде 3.)

Рефлекс – это непроизвольное движение тела в ответ на что-либо. В некоторых случаях тело реагирует на раздражитель, не отправляя сигнал в мозг. Местные нервы обрабатывают информацию от раздражителя и реагируют на нее автоматически. Рефлексы являются автоматическим защитным механизмом организма.

(Продолжайте представлять учащимся содержимое файла PowerPoint, используя рекомендации и предложения, представленные в разделе «Предыстория урока».)

Предыстория урока и концепции для учителей

Заметки учителя

• Во время обоих занятий проведите этот урок, предоставив учащимся информацию о содержании и подробные объяснения понятий, представленные в презентации «Размышления о рефлексах» (файл PowerPoint), используя рекомендации и предложения, представленные ниже.
• Предварительные/последующие викторины (и ответы) встроены в презентации и , доступные в виде отдельных вложений, поэтому решение о том, как их администрировать, остается за учителем.
• В первый день примеры человеческих рефлексов знакомят учащихся с основами нервной системы и принципом работы некоторых систем в их телах. Затем презентация структуры «стимул-датчик-координатор-эффектор-реакция» помогает учащимся понять феномен рефлексов с системной/инженерной точки зрения, проводя параллели с роботами и датчиками.
• Во второй день начните с обзора ключевых понятий первого дня. Чтобы проиллюстрировать, как инженерная система может имитировать действия человеческого рефлекса, приготовьтесь продемонстрировать программу EV3 с использованием робота LEGO и сенсорного датчика (подготовлено к упражнению «Круто!» «Программирование мозга робота» в этом модуле. В качестве альтернативы просто используйте слайд, чтобы помочь учащимся вспомнить это упражнение. Затем перейдите к соответствующему упражнению «Реакция зрачков и проверка времени реакции» и предложите учащимся выполнить два практических упражнения, чтобы еще больше укрепить свое понимание человеческих рефлексов. Сначала они наблюдают за зрачковым рефлексом, а затем измерьте их «время реакции», используя простую тестовую установку. В заключение проведите тест на реакцию человека и робота после урока.

День 1: Рефлексы человека — Информация в формате PowerPoint (слайды 1–17)

День 2: Рефлексы человека — Информация в формате PowerPoint (слайды 18–22; 15 минут))

• Начните с обзора ключевых понятий предыдущего дня, включая структуру «стимул-сенсор-координатор-эффектор-реакция» ( слайд 18 ).
• Потратьте 10 минут на демонстрацию программы EV3 с использованием робота LEGO (подготовлено для задания «Вот жарко!» Программирование мозга робота 9).0047 в этом разделе или просто обратитесь к изображениям на слайде, чтобы помочь учащимся вспомнить это действие), чтобы проиллюстрировать, как техническая система (компьютер, робот) может имитировать действия человеческого рефлекса ( слайд 19 ).
• Затем выполните соответствующее задание, отведя 35 минут на два упражнения. Завершите урок/упражнение, задав после урока викторину из трех вопросов ( слайд 20 , ответы на слайд 21 ).

Связанные виды деятельности

• Реакция зрачков и проверка времени реакции. Учащиеся получают представление о том, как наши тела реагируют на раздражители и как некоторые реакции и движения тела контролируются автоматически, без сознательного мышления. Пары учащихся наблюдают, проверяют и измеряют свои рефлексы и время реакции.

Словарь/Определения

слуховой: относящийся к слуху.

компьютер: созданное человеком электронное устройство, которое обрабатывает данные, выполняет математические и логические вычисления, отображает графику и помогает вам подключаться к Интернету.

человеческие чувства: Способы, которыми люди воспринимают мир, включая осязание, слух, вкус, обоняние и зрение.

интенсивность: сила или уровень. Для звука интенсивность измеряется в децибелах (дБ), причем более громкие звуки имеют более высокие значения в дБ.

рефлекс: непроизвольное и почти мгновенное движение тела в ответ на раздражитель, в основном для самозащиты и самосохранения.

робот: механическое устройство, которое иногда напоминает человека и способно выполнять множество часто сложных человеческих задач по команде или запрограммировано заранее.

стимул: то, что вызывает реакцию. Множественное число: стимулы

Оценка

Тест перед уроком: Проведите тест из двух вопросов «Человеческие рефлексы» перед уроком (также показанный на слайде 2 в файле PowerPoint), чтобы оценить, насколько учащиеся знают тему до начала урока. Ответы предоставляются отдельным приложением (или на слайде 4).

Тест после урока: Проведите тест из трех вопросов по рефлексам человека и робота (также показан на слайде 20 с ответами на слайде 21) с вопросами, аналогичными тем, что были в тесте перед уроком. Просмотрите ответы учащихся, чтобы оценить их прогресс в понимании.

Рекомендации

Доушен, Стивен. Что такое рефлексы? Последнее обновление: сентябрь 2010 г. Детское здоровье от Nemours. По состоянию на 16 апреля 2013 г. http://kidshealth.org/kid/talk/qa/reflexes.html

Список рефлексов (по алфавиту). Последнее обновление: 3 ноября 2012 г. В Википедии, свободной энциклопедии. По состоянию на 16 апреля 2013 г. http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=List_of_reflexes_(алфавитный)&oldid=521175984

Ментальная хронометрия. Последнее обновление: 2 марта 2013 г. В Википедии, свободной энциклопедии. По состоянию на 16 апреля 2013 г. http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Mental_chronometry&oldid=541675578

Ваше осязание. Чувства, Oracle ThinkQuest. По состоянию на 16 апреля 2013 г. http://library.thinkquest.org/3750/touch/touch.html

.

Авторские права

© 2013 Регенты Университета Колорадо; original © 2012 Кураторы Университета Миссури

Авторы

Марианна Катаньо, Сачин Наир, Чарли Франклин, Сатиш Наир

Программа поддержки

Программа GK-12, Центр вычислительной нейробиологии, Инженерный колледж, Университет Миссури

Благодарности

Эта учебная программа была разработана в рамках гранта Национального научного фонда GK-12, номер DGE 0440524. Однако это содержание не обязательно отражает политику Национального научного фонда, и вы не должны исходить из того, что оно одобрено федеральным правительством.

Последнее изменение: 18 августа 2017 г.

Обновление до сверхчеловеческих рефлексов без ощущения себя роботом

Мы думаем, что дополнительные роботизированные конечности могут стать новой формой усовершенствования человека, улучшая способности людей выполнять задачи, которые они уже могут выполнять, а также расширяя их возможности делать то, что они просто не могут делать с помощью своих естественных человеческих тел. Если бы люди могли легко добавить и управлять третьей рукой, или третьей ногой, или еще несколькими пальцами, они, вероятно, использовали бы их в задачах и действиях, выходящих за рамки упомянутых здесь сценариев, открывая новые модели поведения, которые мы даже не можем себе представить. .

Уровни аугментации человека

Роботизированные конечности прошли долгий путь за последние десятилетия, и некоторые из них уже используются людьми для улучшения своих способностей. Большинство из них управляются с помощью джойстика или другого ручного управления. Например, именно так рабочие на производственных линиях владеют механическими конечностями, которые удерживают компоненты продукта и манипулируют ими. Точно так же хирурги, выполняющие роботизированные операции, сидят за консолью через комнату от пациента. В то время как хирургический робот может иметь четыре руки с разными инструментами, руки хирурга могут управлять только двумя из них одновременно. Можем ли мы дать этим хирургам возможность управлять четырьмя инструментами одновременно?

Роботизированные конечности также используются людьми, перенесшими ампутацию или паралич. Это включает людей в инвалидных колясках с электроприводом управление роботизированной рукой с помощью джойстика кресла, а те, у кого отсутствуют конечности, управляют протезом с помощью оставшихся мышц. Но по-настоящему управляемый разум протез — большая редкость.

Если бы люди могли легко добавить и контролировать третью руку, они, вероятно, использовали бы ее в новых действиях, которые мы даже не можем себе представить.

Пионерами в области протезов, управляемых мозгом, стали люди с тетраплегии, которые часто парализованы ниже шеи. Некоторые из этих людей смело вызвались участвовать в клинических испытаниях мозговых имплантатов, которые позволяют им управлять роботизированной конечностью одной лишь мыслью, отдавая мысленные команды, заставляющие роботизированную руку подносить напиток к их губам или помогая с другими простыми задачами повседневной жизни. Эти системы относятся к категории интерфейсов мозг-машина (ИМТ). Другие добровольцы использовали технологии BMI для управления компьютерными курсорами, позволяя им печатать сообщения, просматривать Интернет и многое другое. Но большинству этих систем ИМТ требуется операция на головном мозге, чтобы вставить нейронный имплантат, и они включают в себя оборудование, которое выступает из черепа, что делает их подходящими только для использования в лаборатории.

Увеличение человеческого тела можно рассматривать как имеющее три уровня. Первый уровень увеличивает существующую характеристику, как, скажем, экзоскелет с электроприводом. дать владельцу суперсилу. Второй уровень дает человеку новую степень свободы, например, возможность двигать третьей рукой или шестым пальцем, но за это приходится платить — например, если дополнительный придаток управляется ножной педалью, пользователь жертвует обычной подвижностью. ноги для управления системой управления. Третий уровень аугментации, технологически наименее зрелый, дает пользователю дополнительную степень свободы, не лишая подвижности любую другую часть тела. Такая система позволит людям нормально использовать свое тело, используя некоторые неиспользуемые нейронные сигналы для управления роботизированной конечностью. Это уровень, который мы изучаем в нашем исследовании.

Расшифровка электрических сигналов мышц

Аугментация человека третьего уровня, возможно, может быть достигнута с помощью инвазивных имплантатов ИМТ, но для повседневного использования нам нужен неинвазивный способ получать команды мозга снаружи черепа. Для многих исследовательских групп это означает полагаться на проверенные временем технология электроэнцефалографии (ЭЭГ), которая использует электроды на коже головы для улавливания сигналов мозга. Наши группы работают над этим подходом, но мы также изучаем другой метод: использование сигналов электромиографии (ЭМГ), производимых мышцами. Мы потратили более десяти лет на изучение того, как электроды ЭМГ на поверхности кожи могут обнаруживать электрические сигналы от мышц, которые мы затем можем расшифровать, чтобы выявить команды, посылаемые спинальными нейронами.

Электрические сигналы — это язык нервной системы. По всему мозгу и периферическим нервам нейрон «загорается», когда внутри клетки накапливается определенное напряжение — несколько десятков милливольт, и оно вызывает передачу потенциала действия вниз по его аксону, высвобождая нейротрансмиттеры в соединениях или синапсах с другими нейронами. , и потенциально запуская эти нейроны по очереди. Когда такие электрические импульсы генерируются моторным нейроном в спинном мозге, они проходят по аксону, который достигает мышцы-мишени, где они пересекают специальные синапсы с отдельными мышечными волокнами и заставляют их сокращаться. Мы можем записывать эти электрические сигналы, которые кодируют намерения пользователя, и использовать их для различных целей управления.

Однако расшифровка отдельных нейронных сигналов на основе того, что можно прочитать с помощью поверхностной ЭМГ, — непростая задача. Типичная мышца получает сигналы от сотен или тысяч спинномозговых нейронов. Более того, каждый аксон разветвляется в мышце и может соединяться с сотней или более отдельных мышечных волокон, распределенных по всей мышце. Поверхностный ЭМГ-электрод улавливает выборку этой какофонии импульсов.

Прорыв в области неинвазивных нейронных интерфейсов произошел два десятилетия назад, когда было обнаружено, что сигналы, улавливаемые ЭМГ высокой плотности, при которой к коже крепятся от десятков до сотен электродов, можно распутать, предоставляя информацию о командах, посылаемых отдельными двигательными нейронами в позвоночнике. Такая информация ранее была получена только с помощью инвазивных электродов в мышцах или нервах. Работая с людьми с ампутированными конечностями в 2017 году, мы показали, что этот подход с ЭМГ высокой плотности потенциально может быть использован для улучшения контроля над протезами конечностей. Наши поверхностные электроды с высокой плотностью обеспечивают хорошую выборку в нескольких местах, что позволяет нам идентифицировать и расшифровывать активность относительно большой части спинномозговых мотонейронов, участвующих в задаче. И теперь мы можем делать это в режиме реального времени, что говорит о том, что мы можем разрабатывать неинвазивные системы ИМТ, основанные на сигналах от спинного мозга.

Типичная мышца получает сигналы от сотен или тысяч спинномозговых нейронов.

Текущая версия нашей системы состоит из двух частей: обучающего модуля и модуля декодирования в реальном времени. Для начала, с прикрепленной к коже сеткой электродов ЭМГ, пользователь выполняет легкие сокращения мышц, и мы передаем записанные сигналы ЭМГ в тренировочный модуль. Этот модуль выполняет сложную задачу идентификации импульсов отдельных двигательных нейронов (также называемых спайками), которые составляют сигналы ЭМГ. Модуль анализирует, как связаны сигналы ЭМГ и предполагаемые нейронные спайки, которые он суммирует в наборе параметров, которые затем можно использовать с гораздо более простым математическим рецептом для преобразования сигналов ЭМГ в последовательности спайков от отдельных нейронов.

Имея эти параметры, модуль декодирования может принимать новые сигналы ЭМГ и извлекать активность отдельных двигательных нейронов в режиме реального времени. Учебный модуль требует большого количества вычислений и будет слишком медленным для самостоятельного управления в реальном времени, но обычно его нужно запускать только один раз каждый раз, когда электродная сетка ЭМГ закрепляется на месте пользователя. Напротив, алгоритм декодирования очень эффективен, с задержками всего несколько миллисекунд, что является хорошим предзнаменованием для возможных автономных носимых систем BMI. Мы подтвердили точность нашей системы, сравнив ее результаты с сигналами, полученными одновременно инвазивными электродами ЭМГ, вставленными в мышцу пользователя.

Использование дополнительной полосы пропускания в нейронных сигналах

Разработка этого метода извлечения сигналов от спинальных двигательных нейронов в режиме реального времени была ключом к нашей настоящей работе по управлению дополнительными роботизированными конечностями. Изучая эти нейронные сигналы, мы заметили, что они, по сути, имеют дополнительную полосу пропускания. Низкочастотная часть сигнала (примерно ниже 7 герц) преобразуется в мышечную силу, но сигнал также содержит компоненты на более высоких частотах, например, в бета-диапазоне от 13 до 30 Гц, которые слишком высоки, чтобы контролировать мышцы и, кажется, не используются. Мы не знаем, почему спинные нейроны посылают эти высокочастотные сигналы; возможно, избыточность является буфером на случай новых условий, требующих адаптации. Какой бы ни была причина, люди развили нервную систему, в которой сигнал, исходящий из спинного мозга, содержит гораздо больше информации, чем необходимо для управления мышцами.

Это открытие заставило нас задуматься о том, что можно сделать с запасными частотами. В частности, мы задавались вопросом, можем ли мы взять эту постороннюю нейронную информацию и использовать ее для управления роботизированной конечностью. Но мы не знали, смогут ли люди добровольно управлять этой частью сигнала отдельно от той части, которую они использовали для управления своими мышцами. Поэтому мы разработали эксперимент, чтобы выяснить это.

В нашем первом эксперименте по проверке концепции добровольцы пытались использовать свои запасные нейронные способности для управления компьютерными курсорами. Установка была простой, хотя нейронный механизм и задействованные алгоритмы были сложными. Каждый доброволец сидел перед экраном, и мы поместили ему на ногу систему ЭМГ с 64 электродами в виде лоскута размером 4 на 10 сантиметров, прикрепленного к их голени поверх бедра. передняя большеберцовая мышца, которая при сокращении сгибает стопу вверх. Большеберцовая мышца была рабочей лошадкой для наших экспериментов: она занимает большую площадь рядом с кожей, а ее мышечные волокна ориентированы вдоль ноги, что в совокупности делает ее идеальной для расшифровки активности спинальных мотонейронов, иннервирующих ее.

Вот некоторые результаты эксперимента, в котором низко- и высокочастотные нейронные сигналы соответственно управляли горизонтальным и вертикальным движением компьютерного курсора. Цветные эллипсы (со знаком плюс в центре) показывают целевые области. На трех верхних диаграммах показаны траектории (каждая начинается в левом нижнем углу), достигнутые для каждой цели в трех испытаниях одним пользователем. Внизу точками обозначены средние позиции, достигнутые в успешных испытаниях. Цветными крестами отмечены средние позиции и диапазон результатов для каждой цели. Источник: M. Bräcklein et al., Journal of Neural Engineering

Мы попросили наших добровольцев напрячь большеберцовую мышцу, удерживая ее в напряжении и напрягая стопу, чтобы предотвратить движение. На протяжении всего эксперимента мы смотрели на вариации извлеченных нейронных сигналов. Мы разделили эти сигналы на низкие частоты, которые контролировали сокращение мышц, и запасные частоты около 20 Гц в бета-диапазоне, и мы связали эти два компонента соответственно с горизонтальным и вертикальным управлением курсором на экране компьютера. Мы просили добровольцев попробовать перемещать курсор по экрану, охватывая все части пространства, но не объясняли, да и не могли им объяснить, как это сделать. Им приходилось полагаться на визуальную обратную связь о положении курсора и позволить своему мозгу понять, как заставить его двигаться.

Примечательно, что, не зная точно, что они делают, эти добровольцы смогли выполнить задание за считанные минуты, водя курсором по экрану, хотя и с дрожью. Начав с одного нервного командного сигнала — сокращения передней большеберцовой мышцы — они научились вырабатывать второй сигнал для управления вертикальным движением компьютерного курсора независимо от мышечного управления (которое направляло горизонтальное движение курсора). Мы были удивлены и взволнованы тем, как легко они сделали этот большой первый шаг к обнаружению канала нейронного контроля, отдельного от естественных двигательных задач. Но мы также увидели, что управление было слишком ограниченным для практического использования. Нашим следующим шагом будет выяснить, можно ли получить более точные сигналы и могут ли люди использовать их для управления роботизированной конечностью, выполняя при этом независимые естественные движения.

Нам также интересно узнать больше о том, как мозг выполняет такие действия, как управление курсором. В недавнем исследовании с использованием варианта задачи с курсором мы одновременно использовали ЭЭГ, чтобы увидеть, что происходит в мозгу пользователя, особенно в области, связанной с произвольным контролем движений. Мы были рады обнаружить, что изменения, происходящие с дополнительными нейронными сигналами бета-диапазона, поступающими в мышцы, были тесно связаны с аналогичными изменениями на уровне мозга. Как уже упоминалось, бета-нейронные сигналы остаются чем-то вроде загадки, поскольку они не играют известной роли в управлении мышцами, и даже неясно, откуда они берутся. Наш результат предполагает, что наши добровольцы учились модулировать мозговую активность, которая посылалась в мышцы в виде бета-сигналов. Это важное открытие помогает нам разгадать потенциальные механизмы, лежащие в основе этих бета-сигналов.

Между тем, мы создали в Имперском колледже Лондона систему для тестирования этих новых технологий с дополнительными роботизированными конечностями, которую мы называем Виртуальная среда с несколькими конечностями, или MUVE. Помимо других возможностей, MUVE позволит пользователям работать с четырьмя легкими носимыми роботами-манипуляторами в сценариях, имитируемых виртуальной реальностью. Мы планируем сделать систему открытой для использования другими исследователями по всему миру.

Следующие шаги в аугментации человека

Подключение нашей технологии управления к манипулятору или другому внешнему устройству — естественный следующий шаг, и мы активно преследуем эту цель. Настоящая проблема, однако, будет заключаться не в подключении оборудования, а в выявлении нескольких источников управления, достаточно точных для выполнения сложных и точных действий с частями тела робота.

Мы также изучаем, как технология повлияет на нейронные процессы людей, которые ее используют. Например, что произойдет после того, как кто-то получит шестимесячный опыт использования дополнительной роботизированной руки? Позволит ли естественная пластичность мозга им адаптироваться и получить более интуитивный контроль? Человек, рожденный с шестипалыми руками, может иметь полностью развитые области мозга, предназначенные для управления дополнительными пальцами, что приводит к исключительным способностям к манипулированию. Может ли пользователь нашей системы со временем развить сопоставимую ловкость? Нам также интересно, какая когнитивная нагрузка будет связана с управлением дополнительной конечностью. Если люди могут направлять такую ​​конечность только тогда, когда они сосредоточены на ней в лабораторных условиях, эта технология может оказаться бесполезной. Однако, если пользователь может случайно использовать дополнительную руку при выполнении повседневных задач, таких как приготовление бутерброда, то это будет означать, что технология подходит для повседневного использования.

Какой бы ни была причина, люди развили нервную систему, в которой сигнал, исходящий из спинного мозга, содержит гораздо больше информации, чем необходимо для управления мышцей.

Другие исследовательские группы занимаются аналогичными вопросами нейронауки с различными типами механизмов контроля. Доменико Праттичиццо и его коллеги из Сиенского университета в Италии продемонстрировали мягкий роботизированный шестой палец, крепящийся на запястье. Это позволяет пользователю с ослабленной в результате удара рукой надежно удерживать предметы. Пользователи надевают шапочку с электродами ЭМГ и посылают команды на палец, поднимая брови. Группа Гарри Асада в Массачусетском технологическом институте экспериментировала со многими типами дополнительных роботизированных конечностей, в том числе с носимым костюмом, который использовал ЭМГ для обнаружения мышечной активности в туловище для управления дополнительными конечностями.

Другие группы экспериментируют с механизмами контроля, включающими ЭЭГ на основе скальпа или нейронные имплантаты.