ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

За последние 80 лет или около того наука с большим успехом продвигалась в измерении мозговых волн и связывании их с различными состояниями сознания. Однако многие состояния сознания, как правило, не поддаются категоризации с точки зрения ЭЭГ (ЭЭГ означает электроэнцефалограмма). Но основные состояния мозговых волн и связанные с ними частоты ЭЭГ следующие: высокочастотные бета-волны (18-30 Гц), связанные с сильной фокусировкой внимания и перевозбуждением, низкочастотные бета-волны (12-18 Гц), связанные привычной концентрацией внимания и умеренным возбуждением, альфа-волны (8-12 Гц), связанные с расслаблением и пониженным вниманием, тета-волны (4-8 Гц) связанные с сильным расслаблением и внутренней концентрацией, и дельта-волны (0,5-3 Гц), связанные со сном. Мозговые волны отражаются малыми изменениями электрического потенциала (он измеряется на поверхности кожи головы). Они выражают собой синхронную работу нейронов, расположенных в конкретных областях коры. Также, ЭЭГ не содержит никакой полезной информации о конкретном «содержании» познавательных процессов или мыслей в общем, она показывает явные изменения в состоянии физиологического возбуждения, уровне внимания, и даже в настроении. За последние 40 лет или около того, исследователи показали, что возможно обучение сознательному изменению ЭЭГ, с помощью таких методов, как оперантное обусловливание с помощью биологической обратной связи по ЭЭГ, что может быть очень эффективно при лечении проблем, связанных с расстройкой возбуждения, внимания и аффекта.

Ряд исследований показали эффективность биологической обратной связи по ЭЭГ в лечении гиперактивности, синдрома дефицита внимания и частных проблемах с обучаемостью (Lubar, 1984, Shouse, 1979, Tansey, 1990, Kaiser & Othmer, 2000). Первоначально эти положительные эффекты наблюдались в связи с лечением эпилепсии с использованием усиления сенсомоторного ритма (СМР) (Sterman, 1972,78 и Lubar, Bahler, 1976) (СМР представляет собой мозговую активность, которая появляется в сенсомоторной коре, когда человек находится в состоянии расслабленной внимательности). Одновременное лечение перечисленных проблем не слишком удивительно с учётом, что все они имеют сходные аномалии ЭЭГ. Этими нарушениями являются: большое количество активности на низких частотах (с учётом возраста) и недостаточность среднего уровня активности. Шоуз и Лубар провели первое систематическое исследование биологической обратной связи по ЭЭГ и исследовали ей эффективность при гиперактивности среди людей без данных об эпилепсии (Shouse, Lubar, 1976). Такие тренировки оказались более эффективными, чем исключительно употребление лекарств. Было также отмечено, что благоприятные изменения личности произошли наряду с уходом основных симптомов. Эти изменения включали в себя снижение депрессии, а также повышение самооценки и социальной целесообразности. Впоследствии БОС по ЭЭГ продемонстрировала свою эффективность в лечении таких состояний, как тревога, бессонница, посттравматическое стрессовое расстройство, предменструальный синдром и алкоголизм.

В 1990-е годы, психолог Барри Стерман из управления по делам ветеранов города Сепульведа и школы медицины Калифорнийского университета в Лос-Анжелесе, участвовал в спонсируемом НАСА проекте по измерению активности мозговых волн пилотов реактивных самолётов, которые решали различные задачи с целью определения активности мозговых волн при различных условиях. Ряд испытаний выполнялись для измерения способностей реагирования в широком диапазоне задач (от задач со малым использованием способностей до задач возрастающей сложности с потенциальной перегрузкой). В основном, пилотам ставились относительно легкие задачи или ситуации, которые затем медленно развивались до трудности, лежащей за пределами человеческих способностей нормально реагировать. Стерман обнаружил, что пилоты, которые были в состоянии поддерживать свою альфа-активность во время моделирования полёта показали более высокую точность в выполнении задачи, чем те, чья альфа активность снижалась (Sterman 1994).

Кроме того, он обнаружил, что в ходе управляемой и периодической задачи мозговая активность (в теменных участках) демонстрировала метание между спокойным альфа (состояние внимательной готовности) и альфа-рассинхронизированным, было повышенное низкочастотное бета состояние при реагировании. Бета затем возвращалось в альфа-состояние после прекращения сложных стимулов. Это состояние покоя с альфа волнами оказалось абсолютно необходимо для поддержания наилучшей производительности. Эта альфа-активность, называемая посленагрузочной синхронизацией, представляет собой мгновенную передышку, или отклик удовольствием после успешного завершения задачи (Она исторически была представлена в образе оперативного обуславливания, в которой посленагрузочная синхронизация была впервые определена — отсюда ссылка на наличие нагрузки). Поскольку задачи становились всё более сложными, пилотам требовались более длительные периоды альфа синхронизации прежде чем они могли реагировать на сложные ситуации. Кроме того, по мере уменьшения времени между задачами, что убирало альфа-передышку между задачами, производительность обваливалась. После выполнения сложных задач в течение длительного периода времени, мозговая активность пилотов проявляла всё большую тета-активность — связанную, в данном случае, с нефункциональностью и выгоранием. Таким образом, способность перемежать стрессовые периоды высокого возбуждения с альфа-наградой необходима для того, чтобы поддерживать адекватную производительность и избежать выгорания. Хотя состояние тета, с его фокусом вовнутрь, может быть восстановлением для сверхперегруженного мозга, оно может стать опасным убежищем для активности в тех ситуациях, которые требуют непрерывного внимания и фокусировки.

Последующие исследования показали, что тренировки биологической обратной связью по ЭЭГ могут повысить теменную альфа-активность тем самым повысив устойчивость мозга к усталости за счёт повышения пластичности коры головного мозга (Putman, 2000). Работа Стермана на тему пиковой производительности подразумевает базовый алгоритм обучения:

1) Расширение и укрепление пластичности путём тренировки возможности возбуждения таламуса и установки внимания соответственно обстоятельствам

2) Способствование гладкому переходу между состояниями и поддерживанию соответствующего состояния в случае получения задачи

3) Тренировка цикла переходов ритмов низкий альфа-бета, особенно возможности войти в «готовность» перехода к спокойному альфа-ритму. (Campbell, 1995).

 

ЭЭГ ТРЕНИРОВКИ В ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ ПРОЕКТА «MARS DIRECT»

Все члены второго экипажа лаборатории участвовали в эксперименте с числом тренировочных циклов от одного до трёх, каждый продолжительностью 21 минуту. Тренировки проходили в довольно узких временных пределах в связи с тем, что обучение иногда затрагивало время работы экипажа. Все мы были заняты выходом со станции, техобслуживанием помещений, составлением отчетов и отдельной исследовательской работой. Кроме этого, одной из самых больших проблем для тренировок была довольно «богатая» электромагнитными полями среда, которая, как правило, добавляла артефакты в записи ЭЭГ. Хотя металлические конструкции обеспечивали некоторую защиту от газогенератора который расположен примерно в 50 метрах от модуля, внутри техника создавала достаточно электромагнитного шума, воздействовавшего на ЭЭГ. Электрический водонагреватель и сжигающий туалет были довольно близко к моей каюте, где была неврологическая обратная связь, и вызвали артефакты в 60 Гц. Электрический сжигающий туалет был особенно сильным генератором электромагнитного поля (моя комната была прямо над ванной).

Использовались нейрокибернетические инструменты, содержащие дифференциальный усилитель с коэффициентом усиления сигнала равным 10000. Эта система использовала цифровую фильтрацию для обработки сигнала. Импеданс прибора для каждого из двух входов сигнала был установлен ​​на уровне одного миллиона мегаом. Частота выборки составила 160 выборок в секунду. Необработанный ЭЭГ и три отфильтрованных волновых изображения непрерывно выводились для контроля со стороны терапевта. После цифровой фильтрации сигнал направлялся на другой компьютер, где он соответствующим образом отображался в различных особенностях просматриваемого подопытным видеоряда. Второй экран отображал изменения в виде огней, как в компьютерной игре (названной «Космическая гонка»), где каждый отфильтрованный сигнал отображался стоячим или «скоростным» образом. Размер или перемещение каждого из 3-х изображений изменялась в прямой пропорции к значению амплитуды генерируемой в каждой полосе частот. Когда пороговый критерий был во всех трёх полосах одновременно и наблюдался в течение более чем 0,5 секунды, субъект слышал сигнал. Программное обеспечение нейронной обратной связи было загружено в 2 портативных компьютера (два 486 Compaq с операционной системой Windows 98 в компьютере обратной связи (материал 2002 года – прим. перев.)).

Частота «наградных» волн была 12-15 Гц с одновременным подавлением сигналов 4-7 Гц и 22-30 Гц. Порядок ЭЭГ тренировки был одинаковым для каждого человека. Активный датчик был расположен на C4 согласно Международной системе 10-20. (C4 является центральной правой частью сенсорной моторной коры). Контрольный датчик был помещен на правой мочке с землёй на левой стороне. Эта конфигурация для обучения была выбрана благодаря подтверждённому положительному влиянию на внимание, настроение и бодрость (Kaiser & Othmer 2000).

Средние амплитуды частоты вознаграждения (в микровольтах) в течение тренировки для 5 из 6 участников показаны на рисунке 1. Запись 6 субъекта была, к сожалению, бесполезной из-за артефактов.

1

Наблюдалась чёткая тенденция к увеличению активности в полосе частот вознаграждения для каждого из субъектов. Среднее увеличение амплитуды по группе было 2,26 мкВ за всю тренировку. Стойкое усиление не было отмечено ни в одной из подавляемых частот. Почти все считают тренировку приятным, по крайней мере расслабляющим опытом. Большинство сообщили, что они не ощутили каких-либо заметных изменений в своём уровне реакции или функционирования в течение следующего дня, хотя один из членов отметил небольшое улучшение качества сна. Это не слишком удивительно. Исторически сложилось так, что биологическая обратная связь по ЭЭГ используется для борьбы с существующими патологиями (люди, которые прекрасно себя чувствуют, как правило, не появляются в больницах) и, таким образом, трудно оценить профилактические возможности такой процедуры – в частности в течение коротких временных промежутков, с относительно небольшим числом тренировок. Члены лаборатории проекта «Mars direct» , как правило, высокомотивированные люди, которые не имеют существенных патологий.

 

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ ПО ЭЭГ И ЕЁ ВЛИЯНИЕ НА УЛУЧШЕНИЕ ПРОИЗВОЛЬНОГО ВНИМАНИЯ

Ниже приведены некоторые результаты исследования синдрома дефицита внимания, которое проводилось при институте ЭЭГ в Энсино, штат Калифорния, с использованием биполярного монтажа для тренировок. Группа состояла из 34 мужчин и женщин в возрасте от 7 до 62 лет, лечившихся от различных заболеваний. Изменения способностей концентрации внимания измеряли с помощью непрерывно выполняемого теста (ТВВ – тест вариабильности внимания). Уникальность этого исследования состоит в том, что исследовались только те лица, которым устанавливался биполярный монтаж (в основном межполушарный). Примерно половина исследованных людей имели оценки в пределах нормы по начальным ТВВ. Для участников все процедуры были бесплатными во время проведения теста.

ТВВ представляет собой компьютеризированный тест, в котором на экране представляются объекты двух типов — одни считаются «целевыми», а другие «нецелевыми». Исследуемому давалось указание нажать манипулятор, когда представлялись целевые объекты и воздержаться от нажатия, когда были нецелевые. Цель этого испытания заключается в измерении контроля импульсов и постоянного внимания (Greenberg, 2000). Продолжительность испытания составляла 22,5 минуты. Измерялись время отклика и правильность ответов. ТВВ проводили до тренировок и далее через каждые 20-25 сеансов. Диагностика синдрома дефицита внимания по ТВВ включает учёт стандартного критерия порогового балла, получаемого из соответствующей базы данных с учётом возраста. Акцент был сделан на наблюдении изменений в характеристиках, в частности на импульсивности и невнимательности. При таком подходе мы смогли контролировать изменения в различных аспектах работы мозга. Данные представлены стандартизированным баллом со стандартным отклонением, равным пятнадцати пунктам выше или ниже среднего.

2

Рисунок 2 показывает тенденцию к нормализации дефицита внимания у большинства серьёзно ослабленных лиц, показывающую наибольшую степень улучшения следующие 20 сеансов ЭЭГ тренировок. Значение ниже 85 (одно стандартное отклонение) считается ниже нормального диапазона. Это значение имели около половины из лиц, в приведенном выше примере. Для тех, кто получил <85 по шкале внимательности, улучшение было наиболее существенным ( стандартная средняя оценка до = 69; после = 98, p-значение <0,05).

3

Рисунок 3 также отражает тенденцию к улучшению контроля импульсов у людей с самыми тяжёлыми нарушениями, показавшим наибольшее улучшение при повторном ТВВ после 20 сеансов ЭЭГ тренировок. Как и для внимательности, те, чьи первоначальные баллы были небольшими по шкале импульсивности показали наибольший рост (Имеется в виду стандартная предварительная оценка <85 равная 63,4; последующая = 100,4, р-критерий <0,05).

 

ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ДОЛГОСРОЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЭКСПЕДИЦИЙ

Наше распространение дальше в космос будет чревато непредвиденными трудностями и проблемами. Наука, конечно, указывает на то, что депрессивный или истощённый мозг работает хуже мозга в нормальном состоянии. Антарктические и морские экспедиции свидетельствуют о том, что условия изоляции, закрытости, постоянного риска, отделения от семьи, отсутствия личной жизни и скуки неизбежно оказывают пагубное воздействие на настроение и выполнение задач, а также на отношения между членами экипажа. К счастью, технологии, которые использовались людьми в начале прошлого века были сравнительно простыми и, таким образом, последствия невнимательности и рассеянности, как правило, не были смертельны. Тем не менее, с появлением долгосрочных космических полётов, мы значительно подняли уровень технологической сложности, который, в свою очередь, требует применения более сложных в целом и сложных для внимания стратегий управления. Мы поднимаем ставки значительно, по мере распространения в космическую среду, как показали разные события на борту станции «Мир». Данные полярной деятельности, подводной и орбитальной точно показывают, что интеллектуальные задачи там намного усложняются, по сравнению с обычными условиями. После нескольких месяцев в Антарктиде, 32 из 35 участников показали апатию и снижение внимания. В некоторых случаях, их поведение можно охарактеризовать как беспамятство, когда человек отвлекается от дома и «приходит» далеко, без памяти о том, как он туда попал (Harrison, 2001).

Решение сложнейших задач, которые непременно возникнут, затребует большую работу во всех научных медицинских дисциплинах. Любое долгосрочное путешествие в космосе будет сложнейшим на всех уровнях. Когда группа людей закрыта в относительно небольшом пространстве в течение длительных периодов времени, с угрозой смерти любого из экипажа, то всегда приходится оплачивать это и психологически, и физически. Это будет происходить независимо от того, насколько тщательным будет процесс отбора, насколько качественной будет подготовка или насколько хорошо будет создан космический аппарат. Таким образом, идея заключается в том, чтобы снизить влияние этих неизбежных вредных эффектов на способности человека управлять ситуацией. Обучение методам нейрорегуляции, конечно, (само по себе) не решит полностью проблемы. Но оно, вероятно, поможет поддерживать необходимую пластичность, чтобы качественно улучшить производительность, если исследования на Земле дают для космоса сколько-нибудь подходящую информацию.

ДЖОН ПУТМАН

ССЫЛКИ

Campbell, D. (1995) Toward a Philosophy of Optimum Performance, MegaBrain Report, Vol. 3, No.1

Greenberg, L.M. (1988-2000). TOVA: Test of variables of attention -Professional Guide. In Universal Attention Disorders Inc., Los Alimitos, CA.

Harrison, A.(2001) Spacefaring: The Human Dimension, University of California Press, Berkeley and Los Angeles, California.

Kaiser, D.A., Othmer, S., (2000). Effect of neurofeedback on Variables of Attention in a large multi-center trial. Journal of Neurotherapy, Vol. 4(1), 5-15.

Linden, M., Habib, T.,& Radojevic, V. (1996). A controlled study of the effects of EEG biofeedback on cognition and behavior of children with attention deficit disorders and learning disabilities. Biofeedback and Self regulation, 21, 35-50.

Lubar, J.F., and Shouse, M.N. (1976). EEG and behavioral changes in a hyperactive child concurrent training of the sensory motor rhythm (SMR). A preliminary report. Biofeedback and Self-Regulation, 1, 293-306.

Lubar, J.O., and Lubar, J.F. (1984). Electroencephalographic biofeedback of SMR and beta for the treatment of attention deficit disorders in the clinical setting. Biofeedback and Self -Regulation, 9, 1-23.

Putman, J., (2000). The effects of brief, eyes-open alpha brainwave training with audio and video relaxation induction on the EEG of 77 army reservists. Journal of Neurotherapy, Vol. 4, No. 1, 17-28.

Sterman, M.B., and MacDonald, L.R. (1978). Effects of central cortical EEG feedback training on seizure incidence in poorly controlled epileptics. Epilepsia, 19, 207-222. Sterman, M.B., Mann, C.A., Kaiser, D.A., & Suyenbu, B.Y., (1994). Multiband topographic EEG analysis of a simulated visuomotor aviation task. International Journal of Psychophysiology, 16, 49-56.

Sterman, M.B. (2000). Basic concepts and clinical findings in the treatment of seizuredisorders with EEG operant conditioning. Clinical Electroencephalography, 31,45-55.

Tansey, M.A. (1991). Wechsler WISC-R changes following treatment of learning disabilities via EEG biofeedback training in a private practice setting. Australian Journal of Psychology, 43, 147-153.