Трансформация ЭЭГ-осцилляторов пациента в музыкоподобные сигналы при коррекции стресс-индуцированных функциональных состояний

Размещено на http://www.allbest.ru/

Трансформация ЭЭГ-осцилляторов пациента в музыкоподобные сигналы при коррекции стресс-индуцированных функциональных состояний

А.И. Федотчев, А.Т. Бондарь, А.В. Бахчина, В.Н. Григорьева, А.А. Катаев, С.Б. Парин, Г.С. Радченко, С.А. Полевая

Введение

Ключевые слова: нейробиоуправление; ЭЭГ-осцилляторы; трансформация ЭЭГ в музыкоподобные сигналы; коррекция функциональных расстройств.

Цель исследования -- сравнительная оценка эффективности трех вариантов реализации технологии музыкального нейробиоуправления, предусматривающей преобразования текущих значений ЭЭГ-осцилляторов пациента в музыкоподобные сигналы при коррекции стресс-вызванных функциональных состояний.

Материалы и методы. 15 испытуемым-добровольцам, находящимся в состоянии стресса, провели три обследования. В первом обследовании испытуемым предъявляли музыкоподобные сигналы, по тембру напоминающие звуки флейты, которые плавно варьировали по высоте тона и интенсивности в прямой зависимости от текущей амплитуды доминирующего у субъекта спектрального компонента ЭЭГ -- ЭЭГ-осциллятора. В двух других обследованиях такие же преобразования ЭЭГ дополнялись введением музыкальных элементов -- ритма и такта. Использовали объективные (сдвиги мощности альфа-ритма ЭЭГ относительно фона) и субъективные (результаты трех тестов до и после воздействия) критерии эффективности.

Результаты. Под влиянием лечебных процедур отмечено увеличение мощности альфа-ритма ЭЭГ относительно фона, сопровождаемое ростом показателей самочувствия и настроения, снижением степени эмоциональной дезадаптации и уровня стрессированности испытуемых. Наиболее выраженные эффекты выявлены при придании структурированности предъявляемым звуковым сигналам, особенно введением в них ритма 1 Гц.

Заключение. Преобразование текущих значений ЭЭГ-осцилляторов пациента в музыкоподобные сигналы представляется перспективным путем повышения эффективности процедур биоуправления при коррекции разнообразных функциональных расстройств.

В настоящее время в обществе все большее понимание находят идеи превентивной медицины, главная задача которой -- не лечение болезней, а выявление изменений в организме практически здорового человека, способных привести к заболеваниям, и принятие адресных мер, направленных на предотвращение болезней [1]. Современному человеку все больше приходится сталкиваться с разного рода чрезвычайными ситуациями, террористическими актами, вооруженными конфликтами и испытывать непрерывные стрессорные воздействия -- производственные, социальные, психоэмоциональные и пр. [2]. Стресс как хроническое психофизиологическое перенапряжение может провоцировать манифестацию или обострение симптомов болезни, служить одним из факторов риска или усугублять тяжесть ее течения. Повседневный психический стресс является причиной множества широко распространенных серьезных заболеваний, включая гипертоническую болезнь, инсульты, инфаркты, онкопатологию и др. [3]. Все сказанное обусловливает актуальность разработки технологий своевременного устранения стресс-индуцированных функциональных нарушений [4] и создания персонифицированных методов когнитивной реабилитации [5].

В последние десятилетия сформировалась и бурно развивается область медицинских исследований, получившая название «интерфейс “мозг-компьютер”» (ИМК), в рамках которой человек может научиться транслировать свои психические усилия в специфические паттерны электроэнцефалограммы (ЭЭГ) для управления техническими устройствами или коммуникациями с внешней средой напрямую от мозга без участия периферических нервов и мышц [6]. Частным случаем ИМК является нейробиоуправление (НБУ), которое предусматривает не прямое управление внешним устройством, а намеренное использование внешней обратной связи для модуляции физиологического сигнала, присущего мозгу [7]. Хотя ИМК и НБУ широко применяются при коррекции разнообразных функциональных нарушений, в недавних обзорах отмечается недостаточность контролируемых исследований, направленных на выяснение фундаментальных основ [8] и повышение эффективности этих подходов [9].

Ранее нами была представлена оригинальная технология музыкального НБУ, использующая музыкальные воздействия, которые по принципу обратной связи управляются значимыми биоэлектрическими характеристиками мозга индивида -- ЭЭГ-осцилляторами [10]. Полученные позитивные результаты экспериментального тестирования данной технологии позволили сделать заключение о перспективности использования музыкальной обратной связи от ЭЭГ субъекта при коррекции стресс-индуцированных функциональных расстройств. В то же время предпринятое исследование дало возможность выявить два ограничения применения этой технологии. Во-первых, в ней в качестве информационного сигнала обратной связи использовались прерывания музыки, что могло приводить к негативным эмоциональным реакциям и затруднять процесс НБУ. Во-вторых, в разработанной технологии использовались заранее выбранные музыкальные произведения, т.е. остался нерешенным вопрос об их индивидуальном подборе для каждого испытуемого. Этот аспект представляется особенно важным, так как известно, что только предъявление музыки в соответствии с мозговыми ритмами больного через вовлечение механизмов синхронизации и пластичности может приводить к выраженным лечебным эффектам [11].

Данная работа направлена на преодоление отмеченных выше ограничений технологии НБУ для повышения ее эффективности. В ней в качестве сигналов обратной связи использованы не прерывания звучания классических музыкальных произведений, а осуществляемые в режиме реального времени преобразования текущих значений ЭЭГ-осцилляторов в музыкоподобные сигналы, по тембру напоминающие звуки флейты. В одном случае звуковые сигналы плавно варьировали по высоте тона и интенсивности в прямой зависимости от текущей амплитуды ЭЭГ-осциллятора. Еще в двух случаях варьирование звуков флейты по высоте тона и интенсивности дополнялось введением таких музыкальных элементов, как ритм и такт. Экспериментальное тестирование описанных вариантов реализации технологии проведено на одних и тех же испытуемых с использованием объективных (сдвиги мощности альфа-ритма ЭЭГ при воздействии относительно фона) и субъективных (результаты выполнения трех тестов до и после воздействия) критериев.

Цель исследования -- сравнительная оценка эффективности трех предлагаемых вариантов преобразования текущих значений ЭЭГ-осцилляторов пациента в музыкоподобные сигналы при коррекции стресс-вызванных функциональных расстройств.

Материалы и методы. В исследовании приняли участие 15 испытуемых в возрасте от 23 до 55 лет (сотрудников Пущинского научного центра РАН), обратившихся в кабинет психологической разгрузки с жалобами на состояние психоэмоционального напряжения и стресса и добровольно согласившихся на участие в трех обследованиях. Исследование проведено в соответствии с требованиями Хельсинкской декларации (принятой в июне 1964 г. в Хельсинки, Финляндия, и пересмотренной в октябре 2000 г. в Эдинбурге, Шотландия) и одобрено Этическим комитетом Института биофизики клетки РАН. От каждого испытуемого получено информированное согласие.

В начале каждого из трех обследований для оценки психофизиологического состояния испытуемых проводилось их начальное тестирование с помощью трех тестов:

теста САН, в котором испытуемые дают оценку своего текущего самочувствия, активности и настроения [12];

теста УЭД, дающего возможность определять текущий уровень эмоциональной дезадаптации [13];

теста УС, представляющего собой модификацию теста УЭД, разработанную авторами, которая позволяет оценивать уровень стрессированности человека; в данном тесте вместо прилагательных, характеризующих степень эмоциональной дезадаптации, использованы прилагательные, описывающие уровень стресса.

После начального тестирования устанавливали ЭЭГ-датчики (активный электрод -- в отведении Cz, референтный и заземляющий -- на мочках ушей) и наушники (уровень звука 0-40 дБ, частота 100-2000 Гц). Испытуемых просили сидеть спокойно с закрытыми глазами в течение всей процедуры и «слушать» работу собственного мозга. Затем проводили 30-секундную запись фоновой ЭЭГ, в ходе которой с помощью оригинальной модификации динамического спектрального анализа, основанного на быстрых преобразованиях Фурье [14], определяли доминирующую у данного испытуемого узкочастотную (0,4-0,6 Гц) спектральную компоненту в диапазоне альфа-ритма (8-13 Гц) ЭЭГ.

После записи фона на 10 мин включался рабочий режим, где текущая амплитуда выявленного ЭЭГ-осциллятора преобразовывалась в музыкоподобные сигналы, по тембру напоминающие звуки флейты. В первом из трех обследований эти звуковые сигналы плавно варьировали по высоте тона и интенсивности в соответствии с текущей амплитудой ЭЭГ-осциллятора (серия «Флейта»). В двух других обследованиях варьирование звуковых сигналов по высоте тона и интенсивности дополнялось введением таких музыкальных элементов, как ритм и такт. При введении ритма плавное варьирование звуков флейты происходило на фоне слабых щелчков, подаваемых с частотой 1 Гц (серия «Ритм»). В случае введения такта предъявляли звуки флейты, высота тона которых изменялась не плавно, а скачком -- 1 раз в секунду (серия «Такт»).

В конце каждого обследования испытуемых расспрашивали об отмеченных ощущениях и эффектах, а также проводили повторное тестирование с помощью тестов САН, УЭД и УС. Статистическую обработку результатов осуществляли с помощью пакета программ Origin 6.0. Вычисляли средние значения (М), стандартные ошибки (m) и критерий Стьюдента.

Результаты и обсуждение. При оценке ЭЭГ-эффектов коррекционных процедур в каждой из трех серий экспериментов было определено количество испытуемых, у которых в результате воздействий произошло увеличение мощности альфа-ритма ЭЭГ относительно исходного фона.

Выяснилось, что все три варианта технологии характеризуются наличием у большинства пациентов положительных сдвигов выраженности альфа-ритма ЭЭГ относительно фона. Наибольший эффект зарегистрирован в серии «Ритм», где при воздействии прирост мощности альфа-ритма ЭЭГ отмечен в 93% (в 14 из 15 случаев). Соответствующие величины для серий «Такт» и «Флейта» составили 73% (11 из 15) и 60% (9 из 15). Важно подчеркнуть, что в серии «Ритм» у большей части испытуемых (9 из 15, 60%) прирост выраженности альфа-ритма ЭЭГ сохранился и после процедуры. В сериях «Такт» и «Флейта» увеличение мощности ЭЭГ относительно исходного уровня после воздействия отмечалось реже, в 40% (6 из 15) и 33% (5 из 15) случаев соответственно.

При сравнительной оценке изменений психофизиологического состояния испытуемых под влиянием предпринятых процедур для каждой серии экспериментов были проанализированы показатели тестов САН, УЭД и УС, зарегистрированные до и после каждого воздействия (см. таблицу).

Можно видеть, что практически во всех случаях после примененного воздействия наблюдаются позитивные сдвиги показателей относительно исходного уровня. Исключение представляют результаты оценки уровня активности, которые несколько снижаются относительно исходных значений в сериях «Флейта» и «Такт». Значимые позитивные сдвиги показателей зарегистрированы лишь в серии «Ритм», где статистически значимо увеличились оценки самочувствия и настроения, а уровень эмоциональной дезадаптации существенно снизился.

Опрос испытуемых о субъективных ощущениях при проведении лечебных процедур выявил наличие индивидуальных особенностей в их реакциях на предъявляемые необычные звуки. В наибольшей степени это касалось серии «Флейта», где плавно меняющиеся по высоте тона и интенсивности звуки флейты вызывали у многих обследуемых своеобразные неоднозначные ощущения -- от ориентировочных реакций и настороженности до ярких эмоциональных впечатлений. Следует отметить, что такие разнонаправленные индивидуальные реакции на предъявляемые звуки отразились в наличии в серии «Флейта» максимальных стандартных ошибок средних значений всех показателей после воздействия (см. таблицу). В то же время большинство испытуемых отметили, что введение в сериях «Ритм» и «Такт» структурированности в предъявляемые звуковые сигналы способствует повышению их «музыкальности» и более позитивному восприятию.

Таким образом, при музыкоподобных воздействиях, получаемых путем прямой трансформации ЭЭГ субъекта в звуки флейты, происходит увеличение мощности альфа-ритма ЭЭГ относительно фона, сопровождаемое позитивными сдвигами показателей самочувствия и настроения (тест САН), степени эмоциональной дезадаптации (тест УЭД) и уровня стрессированности (тест УС) испытуемых. Наиболее выраженные эффекты отмечены при придании структурированности предъявляемым звуковым сигналам введением в них ритма и такта, что способствует повышению их «музыкальности» и более позитивному восприятию. Особенно эффективным оказалось введение ритма 1 Гц, при котором увеличение мощности альфа-ритма ЭЭГ, как правило, сохраняется и после процедуры, а позитивные сдвиги оценок самочувствия, настроения и уровня эмоциональной дезадаптации достигают уровня значимости.

Согласно современным представлениям, альфа-осцилляции ЭЭГ играют активную роль в когнитивных процессах и саморегуляции состояний, демонстрируя выраженный частотно-зависимый характер. Поэтому любые стратегии нейрональной активации с помощью НБУ, направленные на усиление выраженности альфа-ритма ЭЭГ, должны учитывать индивидуальные частотные характеристики ЭЭГ [15]. Именно это предусмотрено в предпринятом нами исследовании, где прямым преобразованиям подвергаются функционально значимые для индивида узкочастотные спектральные компоненты его биопотенциалов -- альфа-ЭЭГ-осцилляторы.

Важный аспект предпринятого исследования заключается в том, что трансформация ЭЭГ-осцилляторов пациента осуществляется в музыкоподобные сигналы. Как известно, музыка является универсальным атрибутом человеческого общества, способным вызывать сильные эмоции, изменять настроение и помогать в лечении психиатрических и неврологических заболеваний [16]. Воздействуя на основные функции организма, музыка обладает свойством «выражать невыразимое» [17] и способствовать психофизиологическому восстановлению после стресса [18]. Поэтому полученные нами данные об увеличении мощности альфа-ритма ЭЭГ, сопровождаемом позитивными сдвигами психофизиологических показателей, могут свидетельствовать о формировании у пациентов в результате музыкоподобных воздействий так называемого альфа-состояния [19], которое характеризуется общей релаксацией без признаков стресса, тревожности и депрессии.

Примененные в работе три теста, оценивающие изменения показателей после каждого предпринятого воздействия, продемонстрировали согласованные результаты, которые позволили выявить тонкие различия трех вариантов использованной технологии. Так, после предъявления плавно меняющихся по высоте тона и интенсивности звуков флейты, вызывающих у многих обследуемых разнонаправленные реакции, все показатели характеризовались максимальными стандартными ошибками средних значений, а позитивные сдвиги психофизиологических показателей были минимальными. Придание структурированности предъявляемым звуковым сигналам, повышающей их «музыкальность», отразилось в наличии позитивных сдвигов всех показателей, особенно в случае введения ритма. Последнее согласуется с данными литературы о том, что кортикальные ритмы могут адаптироваться к структурированным акустическим сигналам, вследствие чего нейрональные ответы на ритмические воздействия могут демонстрировать селективное усиление на частоте стимуляции [20].

Следует отметить, что хотя результаты предпринятого исследования носят предварительный характер и нуждаются в дальнейшем анализе, они удовлетворяют всем современным требованиям к контролируемым экспериментам [21]. При полной идентичности всех экспериментальных условий единственным отличием трех обследований одних и тех же испытуемых было наличие или отсутствие исследуемого фактора -- введения ритма или такта в музыкоподобные звуковые сигналы.

Как и в ранее проведенном исследовании [10], основу наблюдаемых эффектов составляет взаимодействие музыкоподобных стимулов со значимыми для индивида характеристиками биоэлектрической активности его мозга, создающее оптимальные условия для вовлечения адаптационных и резонансных механизмов деятельности центральной нервной системы в комплексные реакции организма на действие низкоинтенсивных факторов внешней среды. нейробиоуправление музыкальный лечебный

Заключение

Преобразование текущих значений ЭЭГ-осцилляторов пациента в музыкоподобные сигналы представляется перспективным путем повышения эффективности процедур биоуправления при коррекции стресс-вызванных функциональных нарушений.

Финансирование исследования. Работа поддержана Российским гуманитарным научным фондом, гранты РГНФ №№16-06-00133, 14-36-01024 и 15-06-10894.

Конфликт интересов. У авторов нет конфликта интересов.

Литература

1. Полетаев А.Б., Гринько О.В. Превентивная медицина: введение в проблему. Terra Medica 2012; 4: 4-8. .

2. Ушаков И.Б., Бубеев Ю.А., Квасовец С.В., Иванов А.В. Индивидуальные психофизиологические механизмы адаптации при стрессе смертельно опасных ситуаций. Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова 2012; 98(1): 83-94.

3. Runova E.V., Grigoreva V.N., Bakhchina А.V., Parin S.B., Shishalov I.S., Kozhevnikov V.V., Nekrasova M.M., Karatushina D.I., Grigoreva K.А., Polevaya S.А. Vegetative correlates оf conscious representation оf emotional stress. Sovremennye tehnologii v medicine 2013; 5(4): 69-77.

4. Федотчев А.И. Стресс, его последствия для человека и современные нелекарственные подходы к их устранению. Успехи физиологических наук 2009; 40(1): 102-115.

5. Григорьева В.Н. Когнитивная реабилитация -- новое направление медицинской помощи больным с очаговыми поражениями головного мозга. Современные технологии в медицине 2010; 2: 95-99.

6. Каплан А.Я., Кочетова А.Г., Шишкин С.Л., Басюл И.А., Ганин И.П., Васильев А.Н., Либуркина С.П. Экспериментально-теоретические основания и практические реализации технологии «интерфейс мозг-компьютер». Бюллетень сибирской медицины 2013; 12(2): 21-29.

7. Wood G., Kober S.E., Witte M., Neuper C. On the need to better specify the concept of “control” in brain-computer-interfaces/neurofeedback research. Front Syst Neurosci 2014; 8: 171, http://dx.doi.org/10.3389/fnsys.2014.00171.

8. Huster R.J., Mokom Z.N., Enriquez-Geppert S., Herrmann C.S. Brain-computer interfaces for EEG neurofeedback: peculiarities and solutions. Int J Psychophysiol 2014; 91(1): 36-45, http://dx.doi.org/10.1016/j.ijpsycho.2013.08.011.

9. Gruzelier J.H. EEG-neurofeedback for optimising performance. III: a review of methodological and theoretical considerations. Neurosci Biobehav Rev 2014; 44(2): 159-182, http://dx.doi.org/10.1016/j.neubiorev.2014.03.015.

10. Fedotchev A.I., Oh S.J., Semikin G.I. Combination of neurofeedback technique with music therapy for effective correction of stress-induced disorders. Sovremennye tehnologii v medicine 2014; 6(3): 60-63.

11. Mьller W., Haffelder G., Schlotmann A., Schaefers A.T., Teuchert-Noodt G. Amelioration of psychiatric symptoms through exposure to music individually adapted to brain rhythm disorders -- a randomised clinical trial on the basis of fundamental research. Cogn Neuropsychiatry 2014; 19(5): 399-413, http://dx.doi.org/10.1080/13546805.2013.879054.

12. Доскин В.А., Лаврентьева Н.А., Мирошников М.Н., Шарай В.В. Тест дифференцированной самооценки функционального состояния. Вопросы психологии 1973; 6: 141-145.

13. Григорьева В.М., Тхостов А.Ш. Способ оценки эмоционального состояния человека. Патент РФ 2291720 С1. 2007.

14. Федотчев А.И., Бондарь А.Т., Семенов В.С. Нелекарственная коррекция функциональных расстройств у человека. Принцип двойной обратной связи от ЭЭГ осцилляторов пациента. Saarbrucken: LAP Lamberts Academic Publishing; 2010.

15. Bazanova O.M., Vernon D. Interpreting EEG alpha activity. Neurosci Biobehav Rev 2014; 44: 94-110, http://dx.doi.org/10.1016/j.neubiorev.2013.05.007.

16. Koelsch S. Brain correlates of music-evoked emotions. Nat Rev Neurosci 2014; 15(3): 170-180, http://dx.doi.org/10.1038/nrn3666.

17. Волчек О.Д. Значение музыки и семантика ее звуков. М: Фолиум; 2014.

18. Radstaak M., Geurts S.A., Brosschot J.F., Kompier M.A. Music and psychophysiological recovery from stress. Psychosom Med 2014; 76(7): 529-537, http://dx.doi.org/10.1097/PSY.0000000000000094.

19. Frederick J.A. Psychophysics of EEG alpha state discrimination. Conscious Cogn 2012; 21(3): 1345-1354, http://dx.doi.org/10.1016/j.concog.2012.06.009.

20. Smith R., Rathcke T., Cummins F., Overy K., Scott S. Communicative rhythms in brain and behaviour. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 2014; 369(1658): 20130389, http://dx.doi.org/10.1098/rstb.2013.0389.

21. Алексеева М.В., Балиоз Н.В., Муравлева К.Б., Сапина Е.В., Базанова О.М. Использование тренинга произвольного увеличения мощности ЭЭГ в индивидуальном высокочастотном альфа-диапазоне для улучшения когнитивной деятельности. Физиология человека 2012; 38(1): 51-60.

Размещено на Allbest.ru