Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Применение принципа биологической обратной связи в клинической практике

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Системы с биологической обратной связью являются достаточно новым типом систем, в которых человек выступает не только средством принятия решений, но и объектом управления. Человеческий организм сам представляет собой крайне сложную систему, которую невозможно описать ограниченным признаковым пространством, доступным для обработки. В человеческом организме не существует признака, который бы являлся базовым (базовой системы координат), по отношению к которому можно рассматривать остальное признаковое пространство. Все признаки являются взаимосвязанными, неоднозначными, зависящими от внешних условий, состояния организма, предыстории процесса.

Вариантом такой системы с разомкнутой обратной связью является камера инфракрасной пелоидотерапии, предназначенной для лечения опорно-двигательного аппарата человека. Принцип действия инфракрасной пелоидотерапии состоит в замене египетского метода грязелечения с солнечным облучением на искусственное инфракрасное облучение, которое может быть реализовано в помещении [1]. При этом используются инфракрасные излучатели различного спектрального диапазона и специальная отражательная система, обеспечивающая бестеневое поле облучения пациента, что позволяет исключить влияние погоды, времени года и суток на результаты лечения. Система применяется для группового лечения с усредненными параметрами облучениями, определяемыми лечащим врачом в соответствии с характером заболевания, возрастом, полом, весом, накопленным опытом проведения аналогичных манипуляций и т.п.

Целью данной работы является применение принципа биологической обратной связи в клинической практике, для достижения поставленной цели, были выделены следующие задачи:

- рассмотреть теоретические аспекты применения принципа биологической обратной связи в клинической практике;

- проанализировать сезонные изменения эффективности сеансов биологической обратной связи по электроэнцефалограмме.

Объект исследования – биологическая обратная связь.

Предмет исследования - применение принципа биологической обратной связи в клинической практике.

Структура работы состоит из введения, основной части, заключения и списка литературы.

Теоретической и методологической базой данной работы послужили труды российских и зарубежных авторов в области психофизиологии, материалы периодических изданий и сети Интернет.

ГЛАВА 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИНЦИПА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ В КЛИНИЧЕСКОЙ ПРАКТИКЕ

1.1 Сущность метода биологической обратной связи

В психологической науке для описания способностей человека сохранять здоровье и активность в экстремальной ситуации используется различная терминология. Каждый из научных подходов представляет свое определение стрессоустойчивости. Более того, каждый ученый в области изучения этого явления сформулировал свое определение. Одни исследователи определяют стрессоустойчивость как сложную индивидуально-психологическую особенность, то есть относят феномен к характеристикам личности, от которых зависит выживание; другие определяют это явление как «комплексное свойство человека», который имеет необходимую степень адаптации к изменяющимся факторам внешней среды в течение жизни, а также активизации скрытых ресурсов человеческого организма. С понятием «стрессо- устойчивость» обычно связывают высокую психоэмоциональную резистентность и относительную стабильность эмоционального фона, преодоление эмоционального возбуждения при выполнении ответственной деятельности, физическую устойчивость и эффективное решение поставленных задач в экстремальных условиях. Современным методом коррекции психического состояния является метод биологической обратной связи (БОС), используя характеристики электроэнцефалограммы (ЭЭГ)[1].

Основная часть. Способами коррекции уровня стрессоустойчивости могут являться: способы народной медицины (успокаивающий отвар, диета, занятие медитацией или йогой), классические способы медицины - успокоительные препараты, нейролептики, а также психологические методы (аутотренинг, психологические коррекционные программы). Биологическая обратная связь (БОС) - немедикаментозный способ коррекции психического состояния и психосоматических нарушений. БОС основывается на современных представлениях о работе мозга. Данная методика возникла в США в 1950х, целью исследования являлась область психофизиологических реакций человека, повышение его психических и физических возможностей, эмоциональной устойчивости. В России метод БОС начал использоваться в научных лабораториях сравнительно недавно, в основном, преследуя ту же цель. Также возможно использование БОС для психотерапевтической работы, но научных исследований по использованию БОС для психотерапии недостаточно, их результаты носят противоречивый характер[2].

Метод БОС может быть использован для составления коррекционных программ, охватывающих широкий спектр психических и психосоматических проблем. Суть метода заключается в том, что человек, при получении визуализированной информации об изменениях в деятельности любой физиологической системы (сердечно-сосудистой, дыхательной, мышечной) или мозговой деятельности, учится держать под контролем свое психофизиологическое состояние, произвольно контролирует психические свойства и процессы[3]. Например, в исследованиях БОС как основные используют параметры частоты сердечных сокращений, кожно-гальванической реакции, температуру кожи, амплитуду и частоту ритмов электроэнцефалограммы (ЭЭГ).

БОС-тренинг предоставляет возможность получения положительного подкрепления через обратную связь, информируя о развитии навыков самоконтроля, что приносит ощущение удовлетворения, связанное с завершением волевых усилий и умением осознанно управлять своим телом. Чувство беспомощности сменяется ощущением приобретения новых возможностей для управления психикой. Таким образом, БОС-тренинг активно используется для снижения уровня тревожностии, соответственно, формирования требуемого уровня психологической устойчивости. С помощью наблюдений за спектром ЭЭГ человек имеет четкое представление о функционировании своего мозга. Сознательно контролируя частоту ритмов, он учится контролировать собственную тревожность, и с каждой последующей БОС-тренировкой совершенствует приобретенные навыки и переносит их в реальность. По результатам суммы исследований, наблюдается достоверный положительный эффект после однократного сеанса биологической обратной связи. Количество и продолжительность сеансов БОС зависит от рода нарушения в поведенческой или психологической регуляции и возраста человека. БОС-тренинги подходят как взрослым, так и детям. С помощью специализированного компьютерного обеспечения возможно настроить изображения под возраст и интересы любого человека[4].

БОС-терапия проводится с помощью современных приборов и компьютерных программ, разнообразие которых увеличивается и усложняется с каждым годом. В современных центрах коррекции функционального состояния человека возможны сеансы БОС в виде интерактивных игровых миссий. БОС - это безопасный и эффективный метод, который используется не только в научных лабораториях, но и в государственных центрах коррекции функционального состояния человека [5].

1.2 Определение значимых показателей первичной информации для системы с биологической обратной связью

Анализ целого ряда работ, например, [2-5], позволяет сделать вывод о том, что системы с биологической обратной связью оказываются эффективными в кардиологии при лечении детей, взрослых, тренировке летчиков при использовании электрокардиограмм в качестве значимого признака. Использование электроэнцефалограмм позволило успешно решать вопросы лечения эпилепсии [6], а совместное использование ЭКГ И ЭЭГ дало возможность создать систему биоуправления для преодоления патологического двигательного стереотипа [7]. Особо впечатляющие результаты по созданию систем с биологической обратной связью отмечены в психиатрии, например для тренинга при тревожных расстройствах, резидентных к психофармакологии [8]. В тренажерах с биологической обратной связью выделяют однопараметрические и мультипараметрические системы [9], отличающиеся управлением различным числом функциональных показателей и их соотношением. Разработка структур информационных систем с биологической обратной связью в настоящее время находится в состоянии развития, поскольку цели систем разнятся, а признаковое пространство характеризуется неопределенностью и неоднозначностью [10].

Особенностью сложных систем является то обстоятельство, что признаки не одинаково значимы, большинство из них подстраивается под ограниченное число ведущих. Это свойство больших систем позволяет описывать их ограниченным числом значимых признаков или параметров порядка. При этом траектория системы в огромном фазовом пространстве состояний системы проецируется на подпространство меньшей размерности - русло [11]. Русло позволяет судить о системе в целом по этому пространству малой размерности. Система может иметь несколько русел. Подчиненные руслам признаковые пространства являются ведомыми и способствуют самоорганизации сложной системы. Поскольку в зависимости от состояния системы значимость отдельных признаков меняется, используется понятие области джокеров, меняющих степень неопределенности поведения системы [12]. В этой области система может случайным образом менять значимое признаковое пространство, описывающее ее поведение, что влияет на функции системы управления.

В медицинском приложении это особо важно, поскольку речь идет не о массовом использовании однотипных управляющих воздействий, а их приспособлении под конкретного индивидуума, набор признаков и технология воздействия для каждого пациента своя. В частности, для системы инфракрасной (ИК) пелоидотерапии [1] при групповом использовании бальнеологических процедур, оправдано использование усредненных показателей излучения ИК излучателей с дифференциацией для пожилых людей, людей среднего возраста и детей. При индивидуальном подходе к ИК пелоидотерапии необходимо подстраиваться под показатели данного индивидуума, т.е. его массу, возраст, сердечно-сосудистую систему, вид заболевания и т.п. Это делает пациента объектом управления, по считываемым показателям состояния которого должно осуществляться управление распределением интенсивности ИК поля. Для объекта управления необходимо выявить значащие признаки, манипуляция с которыми позволит формировать управляющие воздействия с заданной достоверностью.

Целью работы является определение необходимого числа признаков при воздействии инфракрасного излучения на человека, достаточного для обеспечения возможности управления интенсивностью облучения камерой пелоидотерапии, обеспечивающей комфортности пациента.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

проанализировать реакцию человека на статическое и динамическое инфракрасное излучение;
разработать методику проведения эксперимента для выявления значимых признаков, обеспечивающих

возможность управления процессом биологической обратной связи.

Динамические показатели реакции человека на тепловое воздействие

При взаимодействии инфракрасного излучения с поверхностью кожи часть оптического излучения отражается, часть рассеивается и поглощается. Фотобиологические реакции возникают при поглощении электромагнитной энергии, которая возрастает с уменьшением длины волны. Различные слои кожи по-разному поглощают излучение длины волны. Глубина проникновения возрастает при переходе от ультрафиолетового до оранжевого от 0,7 -0,8 до 2,5 мм, а для красного составляет 20-30 мм. В ближнем инфракрасном диапазоне на длине волны 950 нм проникающая способность достигает максимума и составляет 60-70 мм, в среднем и дальнем инфракрасном диапазонах резко снижается до 0,5-0,1 мм [13]. Коротковолновое инфракрасное излучение предпочтительно для внутреннего прогрева суставов, позвоночника, массажных манипуляций, длинно волновое - для общего прогрева поверхности тела. Процесс взаимодействия излучения различных спектральных диапазонов отличаются существенно. Длинноволновое - передача поверхностной тепловой волны теплопроводностью, коротковолновое - объемное поглощение энергии теплового потока. При покрытии пелоидом участка тела глубинное проникновение излучения через пелоид невозможно.

Происходящее при поглощении энергии ИК излучения образование тепла приводит к локальному повышению температуры облучаемых кожных покровов на 1-2 °С и вызывает местные терморегуляционные реакции поверхностной сосудистой сети. Очевидно, что и отбор тепла за счет переноса крови будет более эффективен при объемном поглощении, поскольку сеть приповерхностных кровеносных сосудов также представляет собой объемное образование. Сосудистая реакция выражается в кратковременном спазме сосудов (до 30 сек), а затем увеличении локального кровотока и возрастании объема циркулирующей в тканях крови.

Важным параметром воздействия является время скрытой реакции на раздражитель - промежуток времени от момента раздражения до реакции на него. Время некоторых рефлекторных реакций имеет следующие значения [14]:

на световое раздражение сетчатки 0,16 - 0,22 сек.
на слуховое раздражение 0,14 - 0,16 сек.
на болевое раздражение тепловое 0,36 - 0,40 сек.
на тепловое контактное раздражение 0,50 - 0,80 сек.
на холодное контактное раздражение 0,35 - 0,45 сек.

Механизм терморегуляции человека как самоуправляющей системы включает две составляющие: физическую и химическую терморегуляции.

Основными видами теплоотдачи являются теплопроводность, конвекция, радиация и испарение.

Теплопроводность внешнего теплового потока во внутренний объем тела ограничена низкой теплопроводностью кожного покрова, а поскольку температура человеческого тела не может превышать 42⁰С, снимаемый тепловой поток незначителен. Данный вид теплоотдачи можно отнести к пассивному методу, поскольку он практически не управляется центральной нервной системой. Измеряемыми показателями теплопроводности могут служить температура поверхностного слоя кожного покрова бесконтактными измерителями температуры, поскольку спектральный коэффициент черноты при максимуме излучения 8-10 мкм близок к единице.

Конвективная теплоотдача в основном обусловлена отбором тепла потоком крови в периферических областях близких к поверхности кожи. Данный вид отбора тепла является активным, управляется центральной нервной системой и проявляется в форме расширения диаметра сосудов до 6 раз и изменения скорости кровотока в 2—20 раз при увеличении теплопроводность ткани [14]. Это позволяет распределять тепловой поток по всей поверхности тела и использовать большой коэффициент черноты и площадь кожного покрова человека для эффективного сброса избытка тепла радиационным излучением. Перераспределение потоков крови в организме может происходить практически без повышения частоты сердечных сокращений, если тепловые потоки незначительные или локальные. При повышении тепловых нагрузок повышается скорость кровотока за счет увеличения частоты сердечных сокращений. Измерение скорости кровотока в крупных сосудах осуществляется доплеровскими методами на ультразвуковых аппаратах, что практически исключает возможность их использование в качестве оперативных средств получения первичных признаков для управления излучением. Использование пульсоксиметров позволяет оперативно получать информацию о частоте сердечных сокращений, однако этот показатель характеризует лишь возможности перекачки крови сердечнососудистой системой, а не только связанный с этим отбор теплового потока с поверхности кожи.

Потоотделение является активным, управляемым центральной нервной системой, эффективным способом теплоотдачи, поскольку для испарения 1 г воды затрачивается 0,58 ккал, а при максимальном потоотделении от тела отводится примерно 870 ккал в час. При повышении температуры в камере пелоидотерапии до 35°С теплоотдача с помощью радиации и конвекции крайне ограничена и температура тела поддерживается на постоянном уровне испарением. Информацию о потоотделении получают обычно кондуктометрическим методом по изменению проводимости кожного покрова, поэтому он может быть рекомендован как средство оперативного контроля инфракрасного облучения.

Из приведенного качественного анализа следует, что частота сердечных сокращений является значимым признаком реакции организма на внешнее инфракрасное воздействие. Реакция сосудистой системы на отбор внешнего теплового потока кровеносной системой и начало работы системы сброса тепла испарением составляет примерно 10 секунд, что можно принять за предварительный показатель реакции на скачкообразное тепловое воздействие. Вторым значимым признаком реакции на плотность мощности инфракрасного излучения можно признать потоотделение, которое представляется проводимостью участка кожи.

Динамические параметры используемых инфракрасных излучателей - определение времени запаздывания и постоянной времени при скачкообразном воздействии при нагреве и остывании излучателя.

Для пелоидотерапии могут использоваться инфракрасные излучатели следующих типов: керамические, трубчатые, ламповые, лазерные. Керамические излучатели мощностью 400-800 Вт генерируют длинноволновое излучение в диапазоне 6-12 мкм и представляют наиболее приемлемый вариант излучателей по критериям надежности и стабильности. Большая масса излучателя приводит к большим значениям времени запаздывания и постоянной времени. Трубчатые воздушные инфракрасные нагреватели мощностью 400-3000 Вт генерируют излучение в спектральном диапазоне 3-8 мкм, также обладают низкими динамическими характеристиками. Ламповые инфракрасные излучатели мощностью 100-300 Вт генерируют коротковолновое инфракрасное излучение в спектральном диапазоне 0,8-3,5 мкм и в связи с малой массой излучающего элемента имеют постоянную времени на уровне единиц секунд, что соизмеримо с динамическими характеристиками человека и значимо для управляющих систем. Углекислотный лазер с длиной волны 10,6 мкм имеют мощность излучения 100-1000 Вт и постоянную времени порядка единиц микросекунд, что существенно превышают динамические характеристики реакции человека, однако стоимость и надежность лазеров существенно превышает стоимость нагревательных инфракрасных излучателей. Динамические характеристики лазеров и ламповых инфракрасных излучателей меньше скрытой реакции вегетативных процессов человека, поэтому они могут быть рекомендованы для управляемых излучателей в системе с биологической обратной связью. В керамических и трубчатых излучателях время перехода из холодного в нагретое стационарное состояние при подаче питающего напряжения составляет единицы минут, поэтому они могут быть рекомендованы для установившихся или фоновых режимов работы облучателей в камере пелоидотерапии.

Реакция человека на П-образное инфракрасное воздействие - определение реакции организма на скачкообразное воздействие инфракрасного излучения и диапазона изменения контролируемых признаков, которые можно использовать как первичную информацию в системе с биологической обратной связью.

Контролируемые показатели: частота сердечных сокращений, сопротивление кожи, температура воздуха (закрытого от излучения датчика) в камере пелоидотерапии, температура поглощающей излучение пластины.

Методика определения передаточной функции человека для частоты сердечных сокращений (ЧСС) и проводимости кожи состоит в определении показателей частоты пульса пульсоксиметром и измерении сопротивления кожи при входе и выходе испытуемого в прогретую камеру пелоидотерапии. Перед входом в камеру испытуемые выдерживаются в течение времени установления стабильных показаний ЧСС. Фиксируется время входа в камеру пелоидотерапии и изменения показателей частоты и сопротивления с периодом, соответствующим теореме Котельникова, до их стабилизации. Выдерживаются стабильные показатели ЧСС и проводимости в течение примерно 100 периодов измерений. Фиксируется время выхода из камеры пелоидотерапии и измеряются показатели до стабилизации ЧСС и сопротивления кожи. По полученным результатам определяются время запаздывания, постоянные времени при нагреве и остывании, диапазоны изменений.

Реакция человека на трапецеидальное инфракрасное воздействие - определение реакции на плавное изменение мощности излучения инфракрасных излучателей до установившего значения ЧСС и проводимости кожи при нагреве и охлаждении.

Испытуемые входят в охлажденную камеру пелоидотерапии, и выдерживается время до стабилизации ЧСС. С фиксацией времени включаются все инфракрасные керамические излучатели, определяется ЧСС и проводимость до стабилизации показателей. Затем с фиксацией времени выключаются керамические излучатели, определяется изменение ЧСС и проводимость до остывания излучателей и стабилизации ЧСС. Нагрев излучателей определяют по температуре поверхности керамики термоэлектрическим датчиком.

Реакция человека на перепады мощности излучения - определение реакции человека на дозированные мощности инфракрасного облучения.

Испытуемые помещаются в непрогретую камеру пелоидотерапии и выдерживаются в течение времени до стабилизации ЧСС и сопротивления кожи. Включается 1/3 излучателей и выдерживается время до стабилизации показателей на данном уровне мощности. Эксперимент повторяется для последовательно для 2/3 и 3/3 мощности излучателей. Выключается группа излучателей до 2/3 мощности и выдерживается время до стабилизации показателей. Эксперимент повторяется для снижения мощности излучения до 1/3 и выключении всех излучателей до стабилизации ЧСС и сопротивления кожи. Данные позволяют судить о реакции организма на нагрев и остывание при одинаковых значениях мощности излучения.

Реакция человека на затухающий гармонический процесс изменения мощности излучения - определение отображения частотой сердечных сокращений и проводимостью кожи изменения мощности инфракрасного облучения в диапазоне управления.

По датчику сопротивления кожи определяется уровень мощности излучения, соответствующий середине активной области диапазона датчика сопротивления. Обеспечивается возможность регулирования мощности быстродействующих излучателей относительного этого уровня в диапазоне примерно четверти общей мощности излучения. Устанавливается данный уровень излучения и выдерживается до стабилизации показаний датчика сопротивления кожи и ЧСС. Для имитации сходящегося процесса используется 8 ламп, которые обеспечивают нечетное количество уровней мощности, например, 9. После включения инерционных керамических излучателей и 4/8 ламповых излучателей должна быть обеспечена середина активной области датчика сопротивления. Испытуемые помещаются в камеру пелоидотерапии, и измеряется ЧСС и сопротивление кожи до установления стационарных значений. С периодом 2 минуты включаются 5/8 ламповых излучателей, фиксируется ЧСС и сопротивление кожи; 6/8; 7/8; 8/8; 7/8; 6/8; 5/8; 4/8; 3/8; 2/8; 1/8; 0/8; 1/8; 2/8; 3/8; 4/8; 5/8; 6/8; 7/8; 6/8; 5/8; 4/8; 3/8; 2/8; 1/8; 2/8; 3/8; 4/8; 5/8; 6/8; 5/8; 4/8; 3/8; 2/8; 3/8; 4/8; 5/8; 4/8; 3/8; 4/8; 4/8; 4/8. Эксперимент повторяется для периода 60, 30, 20 секунд.

Реакция человека на пульсирующее коротковолновое инфракрасное излучение - определение связи ЧСС и сопротивления кожи с импульсным коротковолновым инфракрасным излучением различной периодичности.

Эксперимент проводится в прогретой камере в лежачем положении пациента на кушетке, над которой расположены ламповые инфракрасные источники, излучение которых направлено на позвоночник. Облучение пациента происходит в течение 10 минут с периодом колебаний 5, 10, 20, 30, 60 секунд со скважностью 2. Контроль осуществляется по ЧСС и сопротивлению кожи.

Проведен анализ согласования реакции человека с динамическими характеристиками инфракрасных излучателей и выделены типы излучателей, которые могут быть использованы для реализации систем с биологической обратной связью.

Разработана методика проведения экспериментальных исследований для выявления связи значимых показателей реакции человека с мощностью инфракрасного облучения как обратная задача управления.

ГЛАВА 2 СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЕАНСОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ПО ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАММЕ

2.1 Постановка проблемы

На сегодняшний день одно наиболее перспективных направлений современных исследований и разработок связано с созданием так называемых интерфейсов «мозг - компьютер» (Brain-Computer-Interface), позволяющих человеку управлять внешними устройствами с помощью произвольно генерируемых паттернов активности мозга [1, 2]. Среди проблем, от решения которых во многом зависит будущее этой технологии, - поиск произвольно и устойчиво генерируемых человеком паттернов электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Он ведется в том числе с использованием технологии биологической обратной связи (БОС, biofeedback), в частности биообратной связи на основе ЭЭГ (neurofeedback, NFB). Последняя позволяет оценить не только принципиальную возможность произвольного управления теми или иными паттернами (характеристиками) ЭЭГ, но и возможность человека совершенствовать свои навыки в этом направлении.

Не менее важной является задача установления экзогенных и эндогенных факторов, оказывающих влияние на эффективность нейро-БОС-тренинга. В доступной нам литературе встречаются лишь единичные исследования, посвященные изучению данной проблемы [2]. Тем не менее, практически всеми авторами, изучающими эффекты БОС, отмечается влияние индивидуальных особенностей на эффективность БОС-тренинга [2-6].

В работах Ince N. F и соавторов (2007), а также J. W. Yoon (2009) указывается на зависимость эффективности нейро-БОС-тренинга от функционального состояния организма [7, 8]. Универсальным критерием функционального

состояния организма, его благополучия и одним из важнейших механизмов приспособления к окружающей среде являются биологические ритмы [9-12]. В связи с этим в последние годы существенно возрос научный и практический интерес к проблеме ритмической организации функционального состояния организма, как в норме, так и при патологии [13-17].

Несмотря на прогресс в разработке средств защиты от резких перепадов параметров окружающей среды, у человека обнаруживаются годичные колебания биохимических, физиологических и психофизиологических процессов. Сезонные биоритмы, главным регулятором которых является фотопериодизм, охватывая, по существу, все функции, отражаются на состоянии организма в целом, на здоровье и работоспособности человека [11, 18, 19]. К настоящему времени имеются немногочисленные работы с указанием на зависимость биоэлектрической активности мозга человека от сезонов года [20-24].

Ранее показано, что многократные тренинги ЭЭГ-БОС, направленные на повышение амплитуды альфа-ритма и снижение амплитуды тета-ритма, приводят к позитивным изменениям функционального состояния мозга, что отражается в изменении не только спектров мощности, но и когерентности ЭЭГ, а также в положительных изменениях в когнитивной и эмоциональной сферах [25-27]. Однако в доступной литературе отсутствуют сведения о влиянии цирканнуальных ритмов на эффективность нейро-БОС-тренингов.

В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы явилось изучение эффективности сеансов ЭЭГ-БОС, направленного на увеличение мощности сигнала ЭЭГ в диапазоне альфа-ритма и снижение в диапазоне тета-волн в разные сезонные периоды.

2.2 Материалы и методы исследования

В исследовании приняли участие 15 практически здоровых испытуемых от пяти до одиннадцати лет (средний возраст - 7,10±1,52), для которых были характерны трудности с концентрацией внимания, гиперактивность и эмоциональные проблемы. С детьми проводились тренинги, состоящие из 10 сеансов ЭЭГ-БОС.

Регистрация и анализ ЭЭГ осуществлялись по общепринятой методике с помощью компьютерного телеметрического электроэнцефалографа («Тредекс», Украина). В качестве рабочей программы использовалась EEG Mapping 3 (программист Е.Н. Зинченко). ЭЭГ-потенциалы отводили монополярно от локусов Fp1, Fp2, F7, F8, F3, F4, T3, T4, С3, С4, T5, T6, P3, P4, O1 и O2 в соответствии с международной системой «10-20».

В качестве референтного электрода в каждом случае использовали все электроды, кроме активного, объединенные вместе. Нейтральный (заземляющий) электрод располагали между локусами Fz и Cz. Частоты среза фильтров высоких и низких частот составляли соответственно 1,5 и 35 Гц, частота оцифровки ЭЭГ- сигналов - 250 Гц. Сигналы обрабатывали с помощью быстрых преобразований Фурье; применялось сглаживание по методу Блекмена. Обработка ЭЭГ во время проведения сеансов ЭЭГ-БОС основывалась на использовании цифровых фильтров Баттерворта четвертого порядка.

Во время сеанса ребенок сидел на удобном стуле перед столом, на котором были установлены монитор и аудио колонки. Визуальные сигналы обратной связи предъявлялись с экрана монитора, звуковые - подавались через колонки. Перед тренингом ребенку в максимально доступной форме объясняли зависимость параметров сигналов обратной связи от психологического состояния. Тренинги были направлены на увеличение амплитуды сенсомоторного ритма в частотном диапазоне 8-13 Гц и снижение амплитуды тета-ритма в частотном диапазоне 4-7 Гц. Во всех протоколах сигнал обратной связи изменялся в зависимости от характеристик тренируемых ритмов в локусе С4. Каждый сеанс длился 20-30 минут и включал в себя применение следующих протоколов, чередующихся в случайном порядке:

Регуляция громкости «белого шума» - громкость «белого шума» изменялась обратно пропорционально значению отношения амплитуд сенсомоторного и тета-ритмов: чем больше было данное отношение, тем меньшую громкость имел «белый шум».
Регуляция громкости «белого шума» на фоне музыки - громкость «белого шума» изменялась обратно пропорционально значению отношения амплитуд сенсомоторного и тета-ритмов на фоне музыки фиксированной громкости.
Регуляция громкости музыки - громкость музыки изменялась прямо пропорционально значению отношения амплитуд сенсомоторного и тета-ритмов; чем больше было данное отношение, тем громче звучала музыка.
Регуляция яркости цвета в картинках - яркость отдельных элементов картинок (например, плодов на дереве, солнца, цветов) изменялась прямо пропорционально значению амплитуды сенсомоторного ритма.
Игровой протокол - скорость движения главного игрового персонажа изменялась прямо пропорционально величине отношения амплитуд сенсомоторного и тета-ритмов.
Видеопротокол с использованием мультфильма - яркость изображения и громкость звука мультфильма изменялись прямо пропорционально значению отношения амплитуд сенсомоторного и тета-ритмов.

Как указано выше, в качестве контролируемого параметра при организации обратной связи использовался альфа/тета-индекс. Для его вычисления, а также с целью определения его детальной топографии вычисляли величины отношения спектральной плотности мощности (СПМ) альфа-ритма к спектральной плотности мощности тета-ритма во всех используемых отведениях для исходных (фоновых) записей «Глаза закрыты (1)», «ЭЭГ-БОС» - во время сеанса и «Глаза закрыты (2)» -после сеанса биоуправления. Для сравнения величин отношения спектральной плотности мощности альфа-ритма к спектральной плотности мощности тета-ритма в исходных записях и записях сеанса ЭЭГ-БОС рассчитывали величины коэффициента эффективности ЭЭГ-БОС для всех отведений по формуле:

где К_Эфф - коэффициент эффективности ЭЭГ-БОС, ЭЭГ-БОСа/q - индекс альфа/тета активности, вычисленный в записи сеанса ЭЭГ-БОС, ГЗ1а/9 - индекс альфа/тета активности, вычисленный в фоновой записи ЭЭГ «Глаза закрыты (1)». Для выявления эффектов последействия рассчитывали коэффициент последействия ЭЭГ-БОС для использованных отведений по следующей формуле:

где К_Пд - коэффициент последействия ЭЭГ-БОС, ГЗ₂а/9- индекс альфа/тета активности, вычисленный в повторной записи ЭЭГ «Глаза закрыты (2)», ГЗ^/q - индекс альфа/тета активности, вычисленному в фоновой записи ЭЭГ «Глаза закрыты (1)».

Эти величины биоэлектрической активности мозга приняты для оценки изменений, связанных с влиянием сеанса ЭЭГ-БОС и эффекта его последействия.

В апостериорном режиме спектральные характеристики ЭЭГ анализировали с использованием дисперсионного анализа (ANOVA) в рамках процедуры повторных измерений (Repeated Measures), реализованного в пакете прикладных программ Statistica 10. Предварительно для приближения к нормальному распределению они подвергались log-трансформации. Анализировались текущие значения индекса альфа/тета активности за весь период каждой из проб нейрообратной связи. Наблюдаемые различия считали статистически значимыми при р<0,05.

Настоящее исследование соответствовало этическим принципам Хельсинкской декларации 1964 г. и было одобрено этическим комитетом Крымского федерального университета им. В.И. Вернадского.

2.3 Результаты и обсуждения

С целью выявления влияния фактора сезона года на изменения взаимоотношений ритмической активности регионов неокортекса проведен сравнительный анализ значений коэффициентов эффективности ЭЭГ-БОС (КЭфф), рассчитанных для четырех сезонов года. На рисунке 1 приведены результаты сравнительного анализа эффективности биологической обратной связи по ЭЭГ, зарегистрированной в разные сезоны года.

Рис. 1. Результаты сравнительного анализа коэффициентов эффективности биологической обратной связи по ЭЭГ, зарегистрированной в разные сезоны года. Примечания. Цифрами над столбиками указаны числовые значения уровня значимости различий между соответствующими указанными линиями парами коэффициентов эффективности.

Как видно из рисунка 1 фактор сезонности проявляется в статистически значимых различиях Кэфф, наблюдаемых в локусах F3, Т3 и Fp2. Так, в записях ЭЭГ испытуемых, зарегистрированных в локусе F3 во время сеансов ЭЭГ-БОС осенью Кэфф составил 115,32 %, зимой этот показатель составил 74,87 % (p=0,042). В записях ЭЭГ испытуемых, зарегистрированных в локусе T3 во время сеансов ЭЭГ- БОС в весенний период Кэфф составлял 90,23 %, летом этот показатель составил 122,36 % (p=0,045). В этом локусе статистически значимыми явились различия Кэфф, наблюдаемого летом по сравнению с зафиксированными значениями осенью 102,11 % (p=0,038) и зимой - 77,94 % (p=0,036). В записях ЭЭГ испытуемых, зарегистрированных в локусе Fp2 во время сеансов ЭЭГ-БОС летом Кэфф составлял 122,36 %, зимой этот показатель составил 77,93 % (p=0,036).

Позитивным эффектом ЭЭГ-БОС является наблюдаемое во время регистрации записи последействия ЭЭГ-БОС («Глаза закрыты» 2) сохранение в паттерне ЭЭГ альфа/тета отношения, близкого по амплитуде к записям, регистрируемым в период непосредственно ЭЭГ-БОС. Для оценки влияния фактора сезона года на эффект последействия ЭЭГ-БОС, проведен сравнительный анализ коэффициентов последействия (Кпд), рассчитанных для четырех сезонов года (рис. 2).

Рис. 2. Результаты сравнительного анализа коэффициентов последействия биологической обратной связи по ЭЭГ, зарегистрированной в разные сезоны года Примечания. Цифрами над столбиками указаны числовые значения уровня значимости различий между соответствующими указанными линиями парами коэффициентов последействия

В результате выявлено, что в записях ЭЭГ испытуемых, зарегистрированных в локусе T3 во время сеансов ЭЭГ-БОС в весенний период Кпд составлял 96,46 %, летом этот показатель составил 123,52 % (p=0,028). В этом локусе статистически значимыми явились различия Кпд, наблюдаемого летом по сравнению с зафиксированными значениями осенью 91,18 % (p=0,015). В записях ЭЭГ испытуемых, зарегистрированных в локусе T4 во время сеансов ЭЭГ-БОС весной Кпд составлял 96,90 %, летом этот показатель составил 135,09 % (p=0,044).

Дисперсионный анализ также позволил выявить статистически значимое влияние фактора «сезонность» на эффект последействия ЭЭГ-БОС, наблюдаемый в локусе Т3 (рис. 3).

Рис. 3. Влияние фактора «сезонность» на эффект последействия ЭЭГ-БОС, отмеченный в локусе T3

Из приведенных результатов можно заключить, что от фактора «сезонность» зависят эффекты последействия ЭЭГ-БОС. Как и в случае с результатами анализа влияния этого фактора на показатель К_эфф наиболее чувствительным к сезонным изменениям явился локус Т3.

Таким образом, что эффективность сеансов ЭЭГ-БОС проведенных тревожным детям в возрасте от 5 до 11 лет курса сеансов ЭЭГ-БОС зависит от продолжительности светового дня. Как видно из рисунка 1 наблюдается выраженная тенденция увеличения эффективности сеансов ЭЭГ-БОС в период с весны к лету и тренд снижения, наблюдаемый с лета к зиме.

В соответствии с наблюдаемыми изменениями отношений СПМ альфа- к тета- ритму ЭЭГ, регистрируемой в различные сезоны года отмечается выраженная тенденция к увеличению эффективности ЭЭГ-БОС в большинстве (87,5 %) использованных отведений в период с весны к лету. Статистически значимыми явились различия эффективности ЭЭГ-БОС в темпоральном (Т3) локусе в период увеличения продолжительности светового дня. Во время смены лета к осени более, чем в половине отведений (56,3 %) также наблюдалась тенденция к увеличению эффективности ЭЭГ-БОС, которая ни в одном из отведений не проявила статистически значимых различий. Наиболее существенными явились изменения эффективности ЭЭГ-БОС, наблюдаемые в записях ЭЭГ зимой. В большинстве отведений (81,3 %) наблюдалось существенное снижение эффективности ЭЭГ-БОС. Статистически значимыми явились различия во фронтальном (F3) и темпоральном (T3) отведениях. Исключением явилось наблюдаемое в отведении Fp2 статистически значимое увеличение эффективности ЭЭГ-БОС зимой по сравнению с летним периодом. В результате исследования показано , что эффективность сеансов ЭЭГ-БОС имеет выраженную тенденцию увеличения в период с весны к лету и тренд снижения, наблюдаемый с лета к зиме. Подобная закономерность наблюдалась и в случае изменений эффектов последействия ЭЭГ-БОС.

Предполагается, что в основе механизмов наблюдаемых сезонных различий в эффективности сеансов БОС лежат изменения в течение года светового и температурного режимов. Наблюдаемые в зимний период изменения эффективности сеансов БОС свидетельствуют об адаптивных перестройках ЦНС, происходящих через психоэмоциональное напряжение и развитие охранительного торможения, что проявляется снижением уровня активации головного мозга у испытуемых. Считается, что адаптивные перестройки связаны с фотопериодизмом, происходят в контрастные периоды года и протекают более благоприятно в период уменьшения естественной освещенности по сравнению с периодом увеличения светового дня [28]. В результате исследования параметров биоэлектрической активности головного мозга у школьников в различных условиях естественной освещенности А. В. Грибанов вместе с соавторами пришел к выводу о том , что сенсорная депривация в отдельные периоды года приводит к адаптивным перестройкам ЦНС, неустойчивости корковоподкорковых взаимоотношений, препятствует возможности длительного

сосредоточения на определенных видах деятельности, затрудняет восприятие новой информации и может сопровождаться неадекватными эмоциональными и поведенческими реакциями. По мнению авторов, периоды максимальной и минимальной продолжительности светового дня можно считать более благоприятными для развития головного мозга и формирования познавательной деятельности [28]. Результаты нашего исследования согласуются с этими выводами.

В соответствии с полученными результатами можно полагать , что зима по сравнению с другими сезонами года является неблагоприятным периодом для проведения сеансов звуковой БОС-терапии по альфа/тета-протоколу.

В целом обнаруживается подобная приведенной выше тенденция позитивных изменений в период с весны к лету и тренд снижения, наблюдаемый с лета к зиме.

Выявлено, что эффективность сеансов ЭЭГ-БОС, направленных на увеличение мощности сигнала ЭЭГ в диапазоне альфа-ритма и снижение в диапазоне тета- волн зависит от продолжительности светового дня.
Эффективность сеансов ЭЭГ-БОС имеет выраженную тенденцию увеличения в период с весны к лету и тренд снижения, наблюдаемый с лета к зиме.
Рекомендуется учет фактора продолжительности светового дня для прогноза результативности коррекции психоэмоционального состояния детей методом обратной связи по характеристикам ЭЭГ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведен анализ согласования реакции человека с динамическими характеристиками инфракрасных излучателей и выделены типы излучателей, которые могут быть использованы для реализации систем с биологической обратной связью.

Выявлено, что эффективность сеансов ЭЭГ-БОС, направленных на увеличение мощности сигнала ЭЭГ в диапазоне альфа-ритма и снижение в диапазоне тета- волн зависит от продолжительности светового дня.
Эффективность сеансов ЭЭГ-БОС имеет выраженную тенденцию увеличения в период с весны к лету и тренд снижения, наблюдаемый с лета к зиме.
Рекомендуется учет фактора продолжительности светового дня для прогноза результативности коррекции психоэмоционального состояния детей методом обратной связи по характеристикам ЭЭГ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Daly J. J. Brain-computer interface: current and emerging rehabilitation applications / J. J. Daly, J. E. Huggins // Arch Phys Med Rehabil. -2015.- Vol. 96, No 3.- P. 1-7.doi:10.1016/j.apmr.2015.01.007.
Нейротехнологии: нейро-БОС и интерфейс «мозг - компьютер»: монография / В. Н. Кирой, Д. М. Лазуренко, И. Е. Шепелев, Е. В. Асланян, Н. Р. Миняева, О. М. Бахтин. // Южный федеральный университет. - Ростов-на-Дону: Издательство Южного федерального университета, 2017. - 244 с.
Базанова О. М. Биоуправление в оптимизации музыкальной деятельности / Базанова О. М., Штарк М. Б. // Бюллетень СО РАМН. - 2004. - № 3 (113). - С. 114-122.
Горев А. С. Эффективность БОС-тренинга регуляции функционального состояния в зависимости от индивидуальных психологических характеристик / Горев А. С., Панова Е. Н. // Физиология человека. - 2009. - Т. 35, № 5. - С. 25-31.
Рогожина Н. В. Связь параметров темперамента с эффективностью БОС-альфа-тренинга / Рогожина Н. В. // Тезисы трудов Второй всерос. науч. школы «Нейробиология и новые подходы к искусственному интеллекту и науке о мозге». - Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ. - 2011. - С. 139-143.
Каплан А. Я. ЭЭГ как управляющий сигнал: на пути к биотехнической нейрокоммуникации /

А. Я. Каплан // Биоуправление: теория и практика. - Новосибирск, 2010. - С. 7-19.

Ince N. F. Extraction subject-specific motor imagery time-frequency patterns for single trial EEG classification / N. F. Ince, A. H. Tewfik, S. Arica // Computers in Biology and Medicine. - 2007. - Vol. 37, No 4. - P. 499-509.
Yoon J. W. Adaptive classification for Brain Computer Interface systems using Sequential Monte Carlo sampling / J. W Yoon, St. J. Roberts, M. Dyson, J. Q. Gan // Neural Networks. - 2009. - Vol. 22, No 9. - P. 1286-1294.
Агаджанян Н. А. Биоритмы системы гемостаза при производственных миграциях. / Агаджанян Н. А., Фатеева Н. М., Колпаков В. В. - Москва-Тюмень: Изд-во ТГМА, 1999. - 58 с.
Фатеева Н. М. Биоритмы физиологических функций организма здорового человека в условиях г. Тюмени / Н. М. Фатеева // Проблемы ритмов в естествознании: Матер. Международного симпозиума, Москва, 2004. - С. 451-453.
Гора Е. П. Экология человека / Е. П. Гора - Учебное пособие для вузов. - М.: Дрофа, 2007. - 540 с.
Ежов С. Н. Основные концепции биоритмологии / С. Н. Ежов // Известия Дальневосточного федерального университета. Экономика и управление. - 2008. - № 2. - C. 104-121.
Романов Ю. А. Общие положения теории пространственно-временной организации биологических систем / Ю. А. Романов // Вестн. РАМН. - 2002. - № 6. - С. 13-18.
Хильдебрандт Г. Хронобиология и хрономедицина / Г. Хильдебрандт , М. Мозер , М. Лехофер - М.: Арбения, 2006. - 144 с.
Arraj M. Circadian rhythms in heart rate, motility, and body temperature of wild-type C57 and eNOS knock-out mice under light-dark, free-run, and after time zone transition / M. Arraj, B. Lemmer // Chronobiol. Int. - 2006. - Vol. 23, No 4. - P. 795-812.
Салова Ю.П. Хронобиологические маркеры функционального состояния и процессов утомления спортсменов современные вопросы биомедицины / Ю.П. Салова // Современные вопросы биомедицины. - 2017. - Т. 1, № 1. - С. 57-63.
Янцев А.В. Физиолого-биохимические особенности людей различного хронотипа / А. В. Янцев, А. В. Кириллова, В. Ф. Чехун // Ученые записки Крымского федерального университета имени
И. Вернадского. Биология. Химия. - 2017. - Т. 3 (69), № 1. - С. 73-82.
Исаев А. П. Биологические ритмы сезонных механизмов адаптационно-компенсаторных изменений функционального состояния студентов / А. П. Исаев, Р. У. Гаттаров, В. Б. Моторин // Человек. Спорт. Медицина. - 2009. - № 39 (172). - С. 48-52.
Aguglia A. The role of seasonality and photoperiod on the lethality of suicide attempts: A case-control study / A. Aguglia, G. Serafini, P. Solano, G. Giacomini et al. // J. Affect. Disord. - 2019. - Vol. 1, No 246. - P. 895-901.
Danesi M.A. Seasonal Variations in the Incidence of Photoparoxysmal Response to Stimulation Among Photosensitive Epileptic Patients: Evidence from Repeated EEG Recordings / M. A. Danesi // J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry. - 1988. - Vol. 51, No 6. - Р. 875-877.
Basar E. The Selectively Distributed Theta System: Functions / E. Basar, M. Schumann, O. E. Sakowitz // Int. J. Psychophysiol. - 2001. - Vol. 39, No 2-3. - P. 197-212.
Motta E. Seizure frequency and bioelectric brain activity in epileptic patients in stable and unstable atmospheric pressure and temperature in different seasons of the year - a preliminary report / E. Motta, A. Golba, A. Bal, Z. Kazibutowska, M. Strzala-Orzel // Neurologia i neurochirurgia polska. - 2011. - Vol. 45, No 6. - P. 561-566.
Джос Ю. С. Сезонные изменения биоэлектрической активности головного мозга у детей младшего школьного возраста, проживающих в условиях Севера / Ю. С. Джос, А. В. Грибанов // Вестн. Урал. мед. академ. науки. - 2014. - № 2(48). - С. 25-29.
Сороко С.И. Особенности сезонных перестроек центральных механизмов регуляции у детей- северян с разным уровнем социального риска / С.И. Сороко, В.П. Рожков, С.С. Бекшаев // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. - 2013. - Т. 99, № 12. - С. 1435-1449.
Эйсмонт Е.В. Снижение повышенной тревожности у детей и подростков с помощью нейротерапии: оценка эффективности / Е. В. Эйсмонт, Н. В. Луцюк, В. Б. Павленко // Нейрофизиология / Neurophysiology. - 2011. - T. 43, No 1. - С. 63-72.
Эйсмонт Е.В. Применение технологии ЭЭГ-биоуправления для коррекции психоэмоционального состояния детей / Е. В. Эйсмонт, Т. А. Алиева, Н. В. Луцюк, В. Б. Павленко // Бюллетень сибирской медицины. - 2013. - T. 12, № 2. - С. 175-181.
Куличенко А.М. Изменение когерентности ЭЭГ в результате прохождения курса нейротерапии детьми 5-11 лет / А. М. Куличенко, Е. В. Эйсмонт, В. Б. Павленко // Ученые записки Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского. Биология. Химия - 2018. - Т. 4 (70), № 1. -
43-54.
Грибанов А. В. Изменения параметров биоэлектрической активности головного мозга у школьников-северян 16-17 лет в различных условиях естественной освещенности / А. В. Грибанов, Ю. С. Джос, Н. Н. Рысина // Экология человека - 2013. - № 6. - С. 42-48.