Использованиее биоэлектрической активности мозга в современных биотехнических системах управления (бтсу)

УДК 612.821.6+616.073.97

© 2012 Л.Н. Гондарева

ИСПОЛЬЗОВАНИЕЕ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ МОЗГА

В СОВРЕМЕННЫХ БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ

Обнаружено, что скоростные характеристики и безошибочность прогноза при «охоте за целью» связаны как с типом нейродинамической структуры ЭЭГ обоих полушарий, так и с особенностями вегетативных и психофизиологических коррелятов деятельности. Высокий уровень альфа-активности необходим для эффективной работы полушарий, при снижении которого на первый план выступают информационные и энергетические характеристики индивида.

Ключевые слова: биотехнические системы управления, нейродинамическая структура, эффективность деятельности.

Анализ тенденций развития экспериментальных исследований и клинического применения биоуправления показал, что наиболее сложной и неоднозначной является электроэнцефалографическая обратная связь. Биоуправление при электроэнцефалографической связи осуществляется с использованием основных нейроритмов ЭЭГ (бета-, альфа-, тета-, дельта-), вызванных потенциалов, медленных волн мозга, нейронной активности. Наибольшую популярность в клиническом и психофизиологическом аспекте приобрели варианты ЭЭГ-тренинга с использованием альфа- и тета-ритмов (при судорожных синдромах, черепно-мозговых травмах, церебральных сосудистых заболеваниях, пограничных состояниях веге-тодистоний и нейроциркуляторных ангиопатий).

Основополагающими работами, показавшими возможность ЭЭГ-тренинга в качестве системы, модифицирующей деятельность церебральных структур и вызывающей психические метаморфозы личности, являются, по-видимому, работы Г. Уолтера [10], Н. Бехтеревой [2] и Н. Василевского [3]. Процедура альфа- и тета-тренинга, приводящая к их оптимальному соотношению на фоне перманентной активации, является альтернативной для многих пристрастий. Сдвиг спектрограммы ЭЭГ в сторону альфа- и тета-ритмов при исходной десин-хронизации ЭЭГ проходит, как правило, на фоне снижения уровня бодрствования, характерного для активации и напряжения [9]. Перераспределения взаимоотношения между нейро-ритмами ЭЭГ можно добиться при висцеральном обучении, используя в качестве сигнала биологической обратной связи параметры кардиоритмограммы или ЭМГ мимических мышц

[4].

Другое направление исследований предусматривает использование биопотенциалов мозга в качестве управляющих сигналов в работе протезов, сложной бытовой техники и различных технологических систем. Наиболее успешно при этих видах биоуправления использовался уровень медленного коркового потенциала [6, 8]. Обнаружилась относительная независимость уровня медленного коркового потенциала от деятельности висцеральных функций, у большинства испытуемых легко вырабатывался навык произвольного контроля уровня потенциала в отсутствие реальных раздражителей при мысленном их представлении. Отмечается переживание острых, положительно окрашенных, мистических образов [10].

Поскольку для объяснения ряда психологических феноменов наиболее адекватно используются представления о цикличности информационных процессов, по которым элементами информационного кода служат фазово-частотные соотношения в паттернах волн, обеспечивающие самоорганизацию колебаний, то целью нашего исследования послужили перестройки нейродинамической структуры ЭЭГ при различных формах ее исходной организации в сочетании с вегетативными и психологическими компонентами во время истинного, ложного и коллективного ложного ЭЭГ-управления в БТСУ «мишень-ракета».

Объем и методы исследований. Обследовано 16 мужчин в возрасте 25-35 лет, относящихся к высокоадаптивному (10 человек) и среднеадаптивному (6 человек) типу. Критерием разделения на типы послужила вероятность взаимного следования альфа-волн в ЭЭГ правого полушария испытуемых в состоянии оперативного и психосенсорного покоя. У высокоадаптивных лиц 0,757+0,020 - 0,834+0,010; у среднеадаптивных 0,571+0,020 - 0,704+0,110 [4].

Управляющим звеном в БТСУ служили огибающие ЭЭГ обоих полушарий, преобразованные в системе и поданные на экран монитора в виде точки со сложной траекторией движения «ракеты». Испытуемому предлагали для «поражения» 50 движущихся по прямой траектории «мишеней». По инструкции испытуемый должен как можно скорее совместить «ракету» с «мишенью». Фиксировали время с момента «пуска» до «поражения цели».

Нейродинамическую структуру ЭЭГ обоих полушарий испытуемых исследовали до биоуправления и через каждые 10 минут во время биоуправления [9]. Для выявления специфических феноменов биоуправления проводили сеансы «ложного» биоуправления (в состоянии психосенсорного покоя, с выключением сигнала обратной связи, с двумя испытуемыми одновременно, без сообщения кто же является истинным оператором).

До и после биоуправления определяли индивидуальное чувство времени, критическую частоту мельканий, математико-статистическую структуру ритма сердца [1,5,7].

Обработку результатов исследования проводили в реальном масштабе времени по программам, разработанным в отделе экологической физиологии НИИЭМ РАМН с использованием персонального компьютера.

Результаты исследования и их обсуждение. Обследование операторов биотехнической системы управления до сеанса выявило отличие нейродинамической структуры ЭЭГ обоих полушарий от среднетиповых показателей как в состоянии психосенсорного, так и в состоянии оперативного покоя. Отмечается неспецифическая активация в коре обоих полушарий, проявляющаяся концентрацией «бета-ядра» в нейродинамической структуре ЭЭГ, наиболее выраженная справа у среднеадаптивных операторов в состоянии оперативного покоя. Ослаблено взаимоотношение нейроритмов с альфа-волнами и альфа-волн между собой (снижение условной вероятности взаимного следования нейроритмов). При переходе из состояния оперативного покоя в состояние психосенсорного покоя усиление альфа-активности и снижение бета-активности в нейродинамическом паттерне ЭЭГ проявляется слабо.

На начальной стадии работы «слежения за целью» и «поражения цели» в нейродинами-ческой структуре ЭЭГ у всех операторов происходит снижение вероятности взаимного следования альфа-волн и следования бета-альфа и тета-альфа друг за другом. Вероятность взаимного следования бета-бета, напротив, возрастает (рис.1). Особенно эти изменения выражены у среднеадаптивных лиц справа.

Рис. 1 . Изменение взаимоотношений основных ритмов ЭЭГ лобно-затылочного отведения обоих полушарий у оператора БТСУ I типа (глаза открыты (А), глаза закрыты (Б); в начале управления (В) и в конце управления (Г)). Толщина линий пропорциональна условной нормированной вероятности взаимного следования нейрорит-

мов в диапазоне 0,05-0,85

На заключительном этапе работы у высокоадаптивных лиц в нейродинамической структуре ЭЭГ восстанавливается функциональное ядро, бета-активность возвращается к исходным типологическим значениям. У среднеадаптивных лиц реконструкция нейродинамической структуры ЭЭГ к концу работы выражена значительно слабее, чем у высокоадаптивных, наблюдается тенденция к формированию функционального тета-ядра в паттерне межкомпонентного взаимоотношения нейроритмов.

Различаются у лиц I и II типа среднескоростные характеристики «поражения цели» и эффективность работы, у высокоадаптивных лиц они значительно выше (табл.1.). При проведении сеанса «ложного» биоуправления, когда испытуемый находится в состоянии психосенсорного покоя и по инструкции воображает «поражение цели», нейродинамическая структура ЭЭГ обоих полушарий остается неизменной в течение всего времени работы, к концу работы паттерны ЭЭГ при истинном и «ложном» биоуправлении не отличаются. Таким образом, истинная и воображаемая работа оказывают на структуру ЭЭГ одинаковое действие (рис. 1,2). Время «поражения цели» удлиняется у высокоадаптивных лиц, резко падает эффективность попадания (поражаются 14 % целей). У среднеадаптивных лиц попадания в цель не наблюдаются (табл.1).

Рис. 2. Изменение взаимоотношений основных ритмов ЭЭГ лобно-затылочного отведения обоих полушарий у оператора I типа при выключенном экране обратной связи (А, Б - глаза открыты, начало и конец управления, В,

Г - глаза закрыты, начало и конец управления)

Во втором случае ложное биоуправление проводили в условиях, когда испытуемый находится в состоянии оперативного покоя, но, как и в первом случае «ложного биоуправления» не видит результатов своей деятельности из-за выключенного экрана монитора, но воображает «поражение цели» на экране. В начале сеанса нейродинамическая структура ЭЭГ обоих полушарий не отличается от таковой при истинном биоуправлении (рис.1,2). К концу сеанса в паттерне межкомпонентного взаимодействия основных нейроритмов ЭЭГ наблюдается усиление связности взаимного следования альфа- и тета-волн друг за другом на фоне снижения вероятности следования бета-бета и альфа-альфа (рис.2), что свидетельствует о снижении неспецифической активации коры, ослаблении готовности к целенаправленной деятельности и развитии функционального напряжения.

Таблица 1

Характеристики скорости и эффективности «поражения цели» высокоадаптивных (I) и среднеадаптивных (II) операторов в состоянии истинного (1), ложного (2,3) и коллективного ложного (4) биоуправления

состояние I

Время пор. (с) % успешности Время пор. (с) % успешности

1 15,3-1,8 96 22,3-5,7 44

2 59,8-12,7 14 Не успевает 0

3 29,5-4,7 11 51,3-8,7 8

4 27,8-3,8 37 38,5-11,3 21

Скоростные характеристики и эффективность «поражения цели» у лиц I типа снижены по сравнению не только с вариантом истинного биоуправления, но и с вариантом «ложного» биоуправления в состоянии психосенсорного покоя. У лиц II типа эти характеристики значительно ухудшаются как по сравнению с состоянием истинного биоуправления, так и по сравнению с состоянием «ложного» биоуправления в состоянии психосенсорного покоя (табл.1).

Третий вариант «ложного» биоуправления: с двумя испытуемыми, но в систему в качестве управляющего сигнала подавали огибающую ЭЭГ обоих полушарий только одного из них, не сообщая им, кого именно. У обоих операторов отмечается к концу сеанса повышение уровня неспецифической активации коры, проявляющееся в экзальтации бета-ритма и формировании функционального «бета-ядра» в паттерне межкомпонентного взаимодействия (повышение вероятности следования бета-бета, альфа-бета и тета-бета) (рис.3).

Скоростные характеристики и эффективность работы истинного оператора в этом случае ниже у лиц I и II типа, чем при истинном биоуправлении с одним оператором (табл. 1).

Из вышеизложенного следует, что информация по контуру БОС об эффективности собственной деятельности играет значительную роль как при сознательном, так и в воображаемом формировании навыка биоуправления БТСУ. По-видимому, в этом случае решающее значение имеет не только направленное изменение структуры ЭЭГ управляющих зон, но и мотивация, которая способствует превращению навыка в целенаправленную деятельность.

Рис. 3. Изменение взаимодействия основных ритмов ЭЭГ лобно-затылочного отведения обоих полушарий у двух операторов 1типа при проведении сеанса «ложного» биоуправления (1 - ложный оператор; 2 - истинный

оператор; АВ - начало, Б, Г - конец

Объективные изменения функционального состояния при исследуемой форме биоуправления выражаются следующим образом.

У всех испытуемых повышается после сеанса длительность индивидуальной минуты, особенно глубокие изменения наблюдаются у лиц II типа (от 58,2 до 81,5 с) по сравнению с таковыми I типа (от 52,2 - 58,3 с. до 59-71,1 с). Субъективное замедление времени связывается, как правило, с отрицательными эмоциями и перегрузкой организма внешней информацией.

Оценка утомления операторов по методу КЧСМ (критическая частота световых мельканий) показала, что у операторов I типа, обладающих максимальной эффективностью работы, наблюдается снижение КЧСМ в первых сеансах биоуправления, что свидетельствует о снижении функционального тонуса и развитии торможения. У операторов II типа, эффективность работы которых невелика, изменений КЧСМ не происходит.

Биоуправление в БТСУ сопровождается увеличением индекса напряжения (ИН) перед сеансом, как у высоко- (от 161,5 до 409,5), так и у среднеадаптивных (до 276,9) операторов. В начале первого сеанса управления наблюдается дальнейшее увеличение ИН до 311,1 -343,6 у высоко- и до 791,7 у среднеадаптивных операторов. К концу первого сеанса биоуправления ИН снижается до 133,3 - 276,9 у высоко- и до 438,9 у среднеадаптивных операторов.

Второй сеанс биоуправления характеризуется снижением ИН во время управления по сравнению с исходными значениями как у высоко- (от 409,5 до 189,3 в начале и до 104,6 в конце), так у среднеадаптивных (от 245,8 до 162,5 в начале и до 94,4 в конце сеанса) операторов.

При проведении контрольных серий в этом случае (открытые и закрытые глаза при отсутствии сигнала обратной связи) колебания индекса напряжения во время биоуправления составляют от 128,1 до 187,5 в начале до 72,6 - 132,5 в конце у высокоадаптивных операторов и от 94,4 1,1,1 в начале до 61,1 - 113,3 в конце у среднеадаптивных.

Известно [4], что простые формы биоуправления (по огибающей ЭМГ и ЭЭГ на стабилизацию и повышение уровня огибающей), а также по кардиоинтервалограмме, оказывают благоприятное действие на функциональное состояние организма. Сложные формы ЭЭГ-управления в первых двух сеансах тренировки вызывают значительное напряжение управления ритмом сердца, как у высоко-, так и у среднеадаптивных операторов. Напряжение не связано с эффективностью биоуправления.

Заключение. Комплексное исследование индивидуальных особенностей саморегуляции мозга при сложной форме вероятностного прогнозирования ситуации в БТСУ «ракета-мишень» показало следующее. Скоростные характеристики и безошибочность прогноза при «охоте за целью» связаны не только с нейродинамическими характеристиками ЭЭГ обоих полушарий испытуемых, но и с различиями вегетативных и психофизиологических коррелятов деятельности. Высокие характеристики скоростного вероятностного прогнозирования ситуации связаны с фазово-частотными параметрами альфа-ритма, что дает возможность предполагать его ведущую роль в формировании субъективной вероятностной модели ситуации и в тактике вероятностного прогнозирования. При снижении фазово-частотных параметров альфа-ритма до определенных значений способность к прогнозированию ситуации либо снижается, либо утрачивается при усложнении задания (воображаемое прогнозирование у лиц II типа). Повышение бета-активности на начальных этапах обучения является, по-видимому, неспецифической реакцией, которая отсутствует при воображаемом обучении, эффективность которого значительно ниже. Способность к согласованной работе полушарий оказывается намного лучше у лиц I типа с высоким уровнем альфа-активности. Межполу-шарная нейродинамика представляет собой высокоэффективный механизм саморегуляции деятельности человека, который обеспечивает реализацию и смену оптимальных режимов в стереотипных и проблемных ситуациях. В рассмотренном нами виде деятельности опыт индивида, его актуальная мотивационная установка срабатывают, когда достигнут необходимый функциональный уровень для реализации (уровень альфа-активности). До этого уровня информационные, мотивационные, энергетические характеристики реакций индивида оказывают лишь моделирующее влияние на нейродинамику мозга в проблемных ситуациях. Связь высших уровней интеграции функциональных контуров саморегуляции, локализованных в лобных долях, под контролем которых находятся более автоматизированные контуры, включающие в себя лимбическую систему, ретикулярную формацию ствола мозга и определяющие в конкретной проблемной ситуации мозаику активации тех или иных нервных структур правого и левого полушария, и является, по-видимому, не только фазово-частотным, но и пространственно-временным субстратом «воображаемого обучения».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Баевский Р.М., Кириллов О.И., Клецкин С.З. Математический анализ изменений сердечного ритма при стрессе. М.: Наука, 1984. 216 с.

2. Бехтерева Н.П. Нейрофизиологические аспекты психической деятельности человека. Л., 1971. 119 с.

3. Василевский Н.Н. Адаптивная саморегуляция функций и ее связь с динамическим управлением эндогенными биоритмами // Журн. эволюц. биох. и физиол. 1973. № 4. С. 374-382.

4. Гондарева Л.Н. Прогнозирование и коррекция состояния человека по биоритмологическим характеристикам физиологических процессов при различных видах деятельности: автореф.дисс...доктора биол.наук. Спб, 1997. 37 с.

5. Горшков С.И., Золина З.М., Мойкин Ю.В. Методики исследования в физиологии труда. М.: Медицина, 1974. 311 с.

6. Kamia I. Conscious control of brain waves // Psichol. Today. 1968. v.1. p. 57-60.

7. Моисеева Н.И., Сысуев В.М. Временная среда и биологические ритмы. Л.: Наука, 1981. с. 127.

8. Rosenfeld I.P., Ruddel A.P., Fox S.S. Operant control of neural events in human // Science. 1969. v.165. p. 821-823.

9. Сороко С.И., Бекшаев С.С., Сидоров Ю.А. Основные типы механизмов саморегуляции мозга. Л.: Наука, 1990. 250 с.

10. Хьюбел Д., Стивенс Ч., Кендел Э. Мозг. М.: Мир, 1984. 280 с.