Механизмы светомузыкальной стимуляции, управляемой собственными или чужими биопотенциалами мозга и сердца

Введение

Метод аудиовизуальной стимуляции (АВС) в последнее время привлекает повышенное внимание благодаря ряду достоинств: мобильности, простоте реализации, быстроте, многокомпонентности воздействия, способности улучшать функциональное состояние и здоровье человека [1–6]. Недавними исследованиями продемонстрированы возможности использования АВС для совершенствования режимов спортивных тренировок [7–9] и для уточнения дифференцированного диагноза при хронических расстройствах сознания [10]. В попытках выявить механизмы АВС оценена эффективность применения однократного сеанса такой стимуляции для коррекции функционального состояния организма [11], проведено изучение эффектов различных типов АВС [12], в том числе светомузыкальных воздействий, формируемых на основе собственных биоэлектрических процессов человека [13].

Ранее нами был проведен сравнительный анализ эффектов, наблюдаемых при подавлении стресс-индуцированных состояний светомузыкальными воздействиями с наличием и отсутствием управляющих сигналов обратной связи от биопотенциалов мозга и сердца испытуемых [14]. Было установлено, что наиболее выраженные сдвиги объективных и субъективных показателей, в том числе максимальный рост мощности альфа-ритма ЭЭГ относительно фона, положительные эмоциональные реакции и сдвиги функционального состояния организма отмечаются в случаях, когда управление АВС осуществляется непосредственно регистрируемыми собственными электрофизиологическими характеристиками испытуемых. Эти и ранее полученные нами данные [15] позволяют предположить, что выявленные эффекты объясняются вовлечением процессов восприятия и обработки значимых для человека интероцептивных сигналов в механизмы мультисенсорной интеграции, нейропластичности и резонансные механизмы мозга, обеспечивающие нормализацию функционального состояния под влиянием АВС.

Экспериментальная проверка данного предположения может быть проведена в строго контролируемых исследованиях, где в качестве контроля будут выступать светомузыкальные воздействия, управляемые биопотенциалами другого человека. Исключая процессы восприятия и обработки собственных интероцептивных сигналов, такой контроль позволяет более детально анализировать механизмы осуществляемых воздействий.

Цель данной работы заключалась в выявлении механизмов АВС путем сравнительного анализа эффектов, наблюдаемых при предъявлении человеку светомузыкальных воздействий, контролируемых собственными биопотенциалами мозга и сердца (метод closed-loop) или биопотенциалами другого человека.

Материалы и методы

В исследовании приняли участие 30 испытуемых в возрасте от 18 до 23 лет, студентов Национального исследовательского Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, находившихся в состоянии стресса в период экзаменационной сессии.

Испытуемые-добровольцы попарно участвовали в двух экспериментах (обследованиях), которые проводились с интервалом в 1–2 дня. В первом эксперименте светомузыкальные воздействия, предъявляемые каждому испытуемому из пары, формировались на основе собственных биопотенциалов мозга и сердца, а во втором — на основе потенциалов другого испытуемого.

Работа проведена в соответствии с Хельсинкской декларацией (2013) и одобрена Этическим комитетом Национального исследовательского Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского. Каждый участник представил добровольное письменное информированное согласие, подписанное им после разъяснения ему потенциальных рисков и преимуществ, а также характера предстоящего исследования.

В начале каждого эксперимента для оценки психофизиологического состояния испытуемых проводился их опрос и начальное тестирование с помощью двух ранее апробированных [16] тестов: 1) теста САН, в котором испытуемые дают оценку своего текущего самочувствия, активности и настроения; и 2) теста УЭД, позволяющего определять текущий уровень эмоциональной дезадаптации человека.

Испытуемые обследовались парами на двух параллельных экспериментальных установках. После начального тестирования им устанавливали ЭЭГ-датчики (активный электрод — в отведении Cz, референтный и заземляющий — на мочках ушей) и оригинальную систему регистрации электрокардиограммы с онлайн-анализом показателей вариабельности сердечного ритма [17], а также стереонаушники Philips SBC HL140 (Нидерланды) и очки, в затемненные линзы которых были вмонтированы красные светодиоды с мощностью, не превышающей 100 мкВт. Очки и стереонаушники обоих испытуемых подключались к одному из компьютеров. Студентов просили сидеть спокойно с закрытыми глазами в течение всех обследований.

Каждый эксперимент начинался с 30-секундной записи фоновой электрической активности мозга при диапазоне фильтрации ЭЭГ 2–32 Гц и частоте дискретизации сигналов 100 Гц. В ходе записи с помощью оригинальной модификации динамического спектрального анализа, основанного на быстрых преобразованиях Фурье [18], определяли доминирующий у данного испытуемого узкочастотный (0,4–0,6 Гц) спектральный компонент в диапазоне альфа-ритма (8–13 Гц) ЭЭГ.

Затем на установке, к которой были подключены очки и наушники обоих испытуемых, на 10 мин включали рабочий режим, во время которого им предъявляли светомузыкальные воздействия, формируемые на основе биопотенциалов мозга и сердца одного из них. При этом текущая амплитуда выявленного у данного испытуемого ЭЭГ-осциллятора преобразовывалась в музыкоподобные сигналы, по тембру напоминающие звуки флейты и плавно варьирующие по высоте тона (диапазон 100–2000 Гц) и интенсивности (диапазон 0–40 дБ), в прямой зависимости от текущей амплитуды ЭЭГ осциллятора. Эти музыкоподобные стимулы, генерируемые на основе сигнала ЭЭГ, дополнялись слабыми (порядка 10 дБ) звуковыми сигналами, формируемыми системой регистрации электрокардиограммы и соответствующими текущему ритму сердцебиений испытуемого. Одновременно осуществляли светодиодные воздействия в строгом соответствии с текущими значениями нативной ЭЭГ испытуемого. Это достигалось путем нормирования оцифрованных значений ЭЭГ, при котором наибольшая отрицательная величина ЭЭГ-сигнала соответствовала минимальному, а наибольшая положительная величина — максимальному свечению светодиодов.

После стимуляции продолжали регистрацию ЭЭГ и кардиоинтервалов в течение 2 мин для измерения эффектов последействия, а также проводили повторное тестирование и опрашивали испытуемых об их субъективных ощущениях во время сеансов.

Второе обследование было аналогично первому, но испытуемые менялись местами на экспериментальных установках и светомузыкальные воздействия формировались на основе биопотенциалов мозга и сердца второго испытуемого из пары.

При обработке результатов анализировали показатели мощности тета-, альфа- и бета-ритмов ЭЭГ, показатели деятельности сердечно-сосудистой системы и результаты выполнения тестов САН и УЭД.

Для регистрации и анализа кардиоритма использовали технологию событийно-связанной телеметрии ритма сердца [19]. Последовательность R–R-интервалов ЭКГ передавалась на смартфон с миниатюрной сенсорной платформы ZephyrTM HxMTM Smart — Zephyr BIO PACH BH3-M1 (Zephyr Technology, США), закрепленной на грудной клетке испытуемых, по каналу Bluetooth. После обработки данные через каналы GSM транслировались в Интернет на специализированный сервер системы. Алгоритм обработки складывался из следующих этапов: фрагментация полученного R–R-сигнала с временны'м окном 100 с и временны'м сдвигом в 10 с; расчет частотного спектра методом дискретного преобразования Фурье для неравномерных сигналов для полученных окон; деление спектра на диапазоны (VLF — 0,003–0,040 Гц, LF — 0,04–0,15 Гц и HF — 0,15–0,4 Гц) и вычисление на последнем этапе таких производных характеристик, как общая мощность спектра вариабельности ритма сердца (ВРС) и симпатовагусный баланс (индекс вегетативного баланса) — LF/HF. Основное внимание при анализе ВРС уделяли длительности R–R-интервалов, общей мощности спектра ВРС как отражению адаптационного потенциала ЦНС и индексу вегетативного баланса как показателю напряжения регуляторных систем.

Статистическую обработку результатов проводили с помощью пакета программ SigmaPlot 11.0. Для оценки нормальности распределения использовали критерий Шапиро–Уилка. Поскольку все выборки удовлетворяли нормальному распределению в качестве основных характеристик, указывались среднее арифметическое (М) и стандартные ошибки (m). Оценку различий между выборками осуществляли с помощью парного t-критерия Стьюдента, позволяющего определять при воздействии сдвиги (со знаком) показателей относительно фона и оценивать уровни значимости этих сдвигов. Различия считались статистически значимыми при p≤0,05.

Результаты

Оценку ЭЭГ-эффектов проводили путем сопоставления динамик ритмов ЭЭГ до, во время и после каждого типа воздействий (рис. 1). Была установлена разнонаправленная динамика выраженности ритмов ЭЭГ при двух видах стимуляции. Если при светомузыкальных воздействиях, контролируемых собственными биопотенциалами мозга и сердца испытуемых, происходил статистически значимый рост мощности всех ЭЭГ-ритмов, то использование чужих биопотенциалов либо не приводило к изменениям мощности тета- и бета-ритмов, либо, наоборот, статистически значимо снижало выраженность альфа-ритма ЭЭГ.

Рис. 1. Динамика мощности (отн. ед.) тета-, альфа- и бета-ритмов ЭЭГ в экспериментах с использованием светомузыкальных воздействий, управляемых собственными (сплошная линия) или чужими (пунктир) био­потенциалами. Звездочками отмечены статистически значимые (p<0,05) различия показателей во время воздействия относительно фона

Аналогичным способом была проанализирована динамика показателей деятельности сердечно-сосудистой системы (рис. 2). На рисунке видно, что при обоих типах воздействий наблюдается переход организма в низкоэнергетическое состояние со снижением показателей напряжения регуляторных систем: статистически значимо увеличивается длительность кардио­интервалов, снижается индекс вегетативного баланса. Под влиянием воздействий, управляемых чужими биопотенциалами, происходит статистически значимое снижение общей мощности спектра ВРС, свидетельствуя о ригидизации ритма сердца и уменьшении адаптационного потенциала ЦНС.

Рис. 2. Динамика R–R-интервалов, суммарной мощности спектра ВРС (TP) и индекса вегетативного баланса в экспериментах с использованием светомузыкальных воздействий, управляемых собственными (сплошная линия) или чужими (пунктир) биопотенциалами. Звездочками отмечены статистически значимые (p<0,05) отличия показателей во время воздействия относительно фона

Значительные различия наблюдаются также в субъективных реакциях испытуемых на предъявленные воздействия. Были определены сдвиги показателей тестов САН и УЭД под влиянием каждого типа воздействий относительно исходного уровня. Полученные данные представлены в таблице, из которой видно, что под влиянием светомузыкальной стимуляции, основанной на собственных биопотенциалах мозга и сердца, у испытуемых отмечаются статистически значимый рост оценок самочувствия, а также статистически значимое снижение оценок активности и уровня эмоциональной дезадаптации, свидетельствующие о релаксационном эффекте стимуляции. При использовании управляющих сигналов от чужих биопотенциалов значимых изменений тестируемых показателей не выявлено.

Сдвиги показателей в результате светомузыкальных воздействий, управляемых своими и чужими биопотенциалами, и уровень значимости этих сдвигов

Опрос испытуемых о субъективных ощущениях в ходе экспериментов выявил их позитивное отношение к проведенным лечебным сеансам, снижение уровня стресса и улучшение эмоционального состояния. Особенно эмоционально были восприняты эксперименты с использованием управляющих сигналов от собственных биопотенциалов. Большинство испытуемых (23 из 30) оценили такие воздействия как приятные и успокаивающие.

Обсуждение

В предпринятом контролируемом исследовании, где каждый испытуемый являлся источником управляющих сигналов и для себя, и для другого человека, выявлены как общие черты, так и специфические особенности двух типов воздействий. Общими явились реакции сердца на стимуляцию, демонстрирующие снижение напряжения регуляторных систем организма, а также положительные субъективные реакции на проводимые сеансы, снижение уровня стресса и улучшение эмоционального состояния. В основе такой общности лежат, по всей вероятности, механизмы мультисенсорной интеграции [15, 20] и механизмы нейропластичности [21].

Основное различие между реакциями на два типа воздействий проявилось в статистически значимом росте мощности основных ритмов ЭЭГ при использовании собственных биопотенциалов испытуемого и в отсутствии таких эффектов при использовании чужих биопотенциалов. Значимое увеличение выраженности всех ритмов ЭЭГ во время светомузыкальных воздействий, управляемых собственными биопотенциалами испытуемого, прямо указывает на участие резонансных механизмов деятельности мозга в отмеченных эффектах [22]. Согласно современным представлениям о механизмах АВС, совпадение ритмики стимуляции с частотами эндогенных колебательных нейродинамических процессов в ЦНС может приводить к резонансным явлениям и, следовательно, к синхронизации ранее нескоррелированных источников спонтанной ритмики головного мозга [23]. Именно такое совпадение обеспечивается при генерации ритмических светомузыкальных воздействий на основе текущих значений собственных биопотенциалов испытуемого. При использовании управляющих сигналов от чужих биопотенциалов такого совпадения не происходит и наблюдается даже подавление спонтанной ритмики мозга на частоте альфа-ритма ЭЭГ.

Проведенное исследование выявило и другие различия в реакциях на два типа воздействий. Светомузыкальная стимуляция, управляемая собственными биопотенциалами испытуемого, приводит к позитивным сдвигам показателей психологического тестирования и положительно-эмоциональным реакциям на воздействия. При использовании чужих биопотенциалов такие эффекты отсутствуют, а в деятельности сердца происходят перестройки, свидетельствующие о снижении адаптационного потенциала ЦНС.

При объяснении перечисленных различий необходимо иметь в виду, что биопотенциалы мозга и сердца являются источником интероцептивных сигналов, которые, по современным представлениям, играют важную роль в поддержании оптимального физического, эмоционального и психического здоровья человека [24]. Использование интероцептивных сигналов о состоянии собственного организма в процедурах биоуправления с обратной связью считается перспективным направлением современных исследований, требующим углубленного анализа [25]. Полученные нами данные о наличии целого ряда позитивных эффектов при светомузыкальных воздействиях, управляемых собственными биопотенциалами испытуемых, и отсутствие таких эффектов при использовании чужих биопотенциалов дополняют и расширяют эти представления.

Заключение

Применение метода closed-loop [26], предполагающего использование собственных биоэлектрических процессов человека при организации лечебных воздействий, является одним из прогрессивных путей развития биомедицинских технологий [27]. Поэтому уточнение механизмов, обусловливающих эффекты применения собственных или чужих биопотенциалов в качестве фактора онлайн-модуляции светомузыкальной стимуляции, представляется актуальной задачей.

Предпринятое исследование подтвердило и уточнило ранее высказанное предположение [14] об участии механизмов мультисенсорной интеграции, нейропластичности и резонансных механизмов мозга в эффектах светомузыкальной стимуляции, автоматически генерируемой на основе собственных биопотенциалов мозга и сердца испытуемых. Главную роль в позитивных реакциях организма на примененные воздействия играет совместное участие процессов восприятия и обработки значимых для человека интероцептивных сигналов и резонансных механизмов деятельности мозга.

Полученные данные могут быть использованы для разработки эффективных методов персонализированных светомузыкальных воздействий, направленных на своевременное устранение функциональных нарушений и возвращение организма человека к оптимальному состоянию.

Благодарность. Авторы выражают благодарность Дарье Васильевне Бовыкиной, ассистенту кафедры психофизиологии Национального исследовательского Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, за помощь в проведении экспериментальных исследований.

Финансирование исследования. Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, гранты №№18-013-01225, 18-413-520006, 19-013-00095.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.