Введение

Многие факторы современной жизни, такие как стремительное внедрение компьютерных и информационных технологий, необходимость переквалификации и освоения новых профессий, существенное повышение требований к надежности и безопасности деятельности специалиста, оказывают чрезмерную нагрузку на когнитивную сферу человека. В период старения к ним добавляются негативные последствия повседневного стресса [1] и повышенной тревожности [2]. Перечисленные факторы приводят к формированию множественных функциональных расстройств, а при комплексном хроническом воздействии — к отказу защитных систем организма и развитию серьезных болезней. Фармакологическая коррекция таких неблагоприятных функциональных состояний с неизбежностью ухудшает когнитивные функции пациентов и часто сопровождается привыканием и побочными эффектами [3], что делает медикаментозный путь терапии не всегда возможным. Поэтому в связи с актуальностью проблемы активного долголетия крайне востребованными являются нелекарственные средства системного воздействия, направленные на своевременную коррекцию психогенных функциональных нарушений и когнитивную реабилитацию пожилых пациентов.

В настоящее время безусловное лидерство в разработке таких средств принадлежит технологиям нейроинтерфейсов, включая интерфейсы мозг—компьютер (ИМК) и технологии биоуправления с обратной связью (БОС). Общей чертой этих технологий является их высокая персонализация через использование обратной связи от индивидуальных биоэлектрических характеристик пациента при организации лечебных воздействий [4]. Благодаря этому вышеупомянутая линия исследований полностью соответствует стратегическим направлениям развития отечественного здравоохранения, предполагающим переход к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения (Указ Президента РФ №642 от 01.12.16 «О стратегии научно-технологического развития Российской Федерации». http://kremlin.ru/acts/bank/41449). Однако существующие подходы пока недостаточно эффективны и часто подвергаются обоснованной критике [5].

В раннем исследовании [6] авторы настоящей статьи теоретически обосновали подход, предполагающий применение в нейроинтерфейсах музыкальных или музыкоподобных сигналов обратной связи от электроэнцефалограммы (ЭЭГ), что облегчает пациенту их восприятие и способствует увеличению эффективности лечебных воздействий. Этот подход был успешно опробован для коррекции стресс-индуцированных расстройств путем музыкальных воздействий, управляемых ЭЭГ-осцилляторами субъекта [7], а также путем трансформации биопотенциалов головного мозга в музыкоподобные сигналы обратной связи [8].

Цель настоящей работы заключалась в оценке применимости и эффективности двух указанных видов музыкального ЭЭГ-нейроинтерфейса для когнитивной реабилитации пожилых пациентов. Для этого проведен сравнительный анализ эффектов, наблюдаемых у добровольцев пожилого возраста при коррекции неблагоприятных функциональных состояний музыкальными или музыкоподобными воздействиями с наличием и отсутствием (контроль) обратной связи от биопотенциалов головного мозга обследуемых. В качестве контроля использовалось простое прослушивание классической музыки без обратной связи от текущей биоэлектрической активности обследуемых.

Материал и методы

В исследовании приняли участие 17 пациентов (8 женщин и 9 мужчин в возрасте от 55 до 75 лет) — сотрудников Пущинского научного центра РАН, которые обратились в кабинет психологической разгрузки по поводу состояний тревоги и стресса в связи со срочной сдачей отчета и добровольно согласились на участие в трех обследованиях. Исследование было проведено в соответствии с Хельсинкской декларацией (принятой в июне 1964 г. в Хельсинки, Финляндия, и пересмотренной в октябре 2000 г. в Эдинбурге, Шотландия). От каждого пациента было получено информированное согласие.

В начале каждого обследования для оценки психофизиологического состояния пациентов проводилось их начальное тестирование с помощью трех ранее апробированных [9] тестов: 1) теста САН, в котором пациенты дают оценку своего текущего самочувствия, активности и настроения; 2) теста УЭД, дающего возможность определять текущий уровень эмоциональной дезадаптации, и 3) теста УС, представляющего собой модификацию теста УЭД, который позволяет оценивать уровень стрессированности человека.

После начального тестирования устанавливали ЭЭГ-датчики (активный электрод в отведении Cz, референтный и заземляющий — на мочках ушей) и стереонаушники (SBC HL140, «Philips»). Участников исследования просили сидеть спокойно с закрытыми глазами в течение всех обследований.

Каждый эксперимент начинался с 30-секундной записи фоновой электрической активности головного мозга при диапазоне фильтрации ЭЭГ 2—32 Гц и частоте дискретизации сигналов 100 Гц, в ходе которой с помощью оригинальной модификации динамического спектрального анализа, основанного на быстрых преобразованиях Фурье [10], определяли доминирующий у конкретного пациента узкочастотный (0,4—0,6 Гц) спектральный компонент в диапазоне альфа-ритма (8—13 Гц) ЭЭГ.

Дальнейший ход обследования зависел от условий эксперимента, которые для каждого испытуемого чередовались в случайном порядке.

В контрольном эксперименте после регистрации фоновой ЭЭГ включали рабочий режим, где пациентам предъявляли 15-минутную композицию из популярных классических произведений Чайковского, Моцарта, Баха и Шуберта, заранее записанную на жесткий диск компьютера.

В эксперименте с музыкальными воздействиями, управляемыми ЭЭГ-осцилляторами, использовали выявленный в фоне альфа ЭЭГ-осциллятор субъекта. Для этого с помощью специально разработанного программного обеспечения интенсивность звуков классической музыки варьировала в точном соответствии с текущей амплитудой ЭЭ-осциллятора: чем больше его амплитуда, тем больше громкость музыки, и наоборот.

В эксперименте с трансформацией биопотенциалов головного мозга текущая амплитуда выявленного ЭЭГ-осциллятора преобразовывалась в музыкоподобные сигналы. Это достигалось путем нормирования в реальном времени оцифрованных значений амплитуды ЭЭГ-осциллятора, при котором наибольшая отрицательная величина ЭЭГ-сигнала соответствовала минимальной высоте тона и интенсивности, а наибольшая положительная величина — максимальной высоте тона и интенсивности звуков, генерируемых компьютером и по тембру напоминающих звуки флейты. Получаемые звуковые сигналы плавно варьировали по высоте тона (диапазон 100—2000 Гц) и интенсивности (диапазон 0—40 дБ) в прямой зависимости от текущей амплитуды ЭЭГ-осциллятора и дополнялись слабыми щелчками, подаваемыми с частотой 1 Гц.

В конце каждого обследования пациентов расспрашивали об отмеченных ощущениях и эффектах, а также проводили повторное тестирование с помощью тестов САН, УЭД и УС.

Статистическую обработку результатов проводили с помощью пакета программ Сигма-Плот 11.0. Использовали парный t-тест, позволяющий определять сдвиги показателей после воздействия относительно исходных величин и оценивать уровни значимости (p) этих сдвигов.

Результаты

Оценка эффектов в контрольном и двух основных экспериментах была проведена путем сравнения сдвигов основных показателей в результате воздействий (см. таблицу).

Примечание. Жирным шрифтом выделены изменения показателей, достигшие уровня значимости, p<0,05.

Как видно из таблицы, в результате всех трех воздействий мощность альфа-ритма ЭЭГ увеличивалась. Однако достоверный прирост мощности был отмечен только при наличии обратной связи от ЭЭГ и был более значительным в эксперименте с трансформацией ЭЭГ-осциллятора в музыкоподобные сигналы. Кроме того, в результате терапевтических процедур с наличием обратной связи от ЭЭГ значимые позитивные изменения происходили в оценках самочувствия и настроения (тест САН). В результате всех трех воздействий у испытуемых наблюдалось снижение уровней эмоциональной дезадаптации (тест УЭД) и стресса (тест УС). Эти изменения достигли уровня значимости только в экспериментах с наличием обратной связи от ЭЭГ-осциллятора.

Расспрос пациентов о субъективных ощущениях в ходе экспериментов выявил их положительное отношение к проведенным лечебным сеансам, снижение уровня стресса и улучшение эмоционального состояния. Наибольшее число позитивных оценок было получено после экспериментов с трансформацией ЭЭГ-осциллятора в музыкоподобные воздействия, где плавно меняющиеся по высоте тона и интенсивности звуки флейты, дополненные ритмом 1 Гц, приобретали характер своеобразной «музыки мозга».

Обсуждение

Данные настоящего исследования показывают, что при всех видах музыкальных лечебных процедур у пациентов наблюдалось увеличение выраженности альфа-ритма ЭЭГ, сопровождаемое ростом оценок самочувствия и настроения. Это может свидетельствовать о резонансных реакциях головного мозга на ритмические звуковые воздействия и формировании у обследуемых так называемого альфа-состояния [11], которое характеризуется общей релаксацией с отсутствием признаков стресса, тревожности и депрессии.

Наиболее значительные изменения в объективных и субъективных показателях было зарегистрировано при использовании нейроинтерфейсов с наличием обратной связи от ЭЭГ, т.е. в тех случаях, когда управление музыкальными или музыкоподобными стимулами осуществлялось непосредственно регистрируемыми ЭЭГ-характеристиками субъекта. В этих случаях отмечалось значимое увеличение мощности альфа-ритма ЭЭГ по сравнению с фоном, сопровождающееся положительными эмоциональными реакциями и сдвигами в функциональном состоянии пожилых пациентов.

В литературе имеются сведения об успешном использовании нейроинтерфейсов при проведении процедур когнитивной реабилитации пожилых. Так, в недавних работах были продемонстрированы возможности нейроинтерфейсов для улучшения процессов внимания у пожилых людей [12], улучшения интеллектуальных функций [13], активизации когнитивной деятельности [14]. Имеются также единичные указания о перспективности использования нейроинтерфейсов с музыкальной обратной связью от электрофизиологических характеристик пожилых пациентов [15, 16].

Преимущества использованных в настоящем исследовании музыкальных нейроинтерфейсов обусловлены рядом инновационных особенностей. Прежде всего, это применение значимых для пациента узкочастотных (0,4—0,6 Гц) ЭЭГ-осцилляторов вместо заранее заданных, излишне широкочастотных (3—5 Гц) и полифункциональных ЭЭГ-ритмов (тета-, бета-, альфа- и т.д.), что обеспечивает индивидуальную специфичность воздействий. Из литературы известно, что такие воздействия обеспечивают более точное и персонализированное лечение психогенных расстройств [17]. Кроме того, это учет современных представлений о роли интероцептивных сигналов в процессах регуляции состояний человека. Согласно этим представлениям, восприятие интероцептивных ЭЭГ-сигналов обратной связи благодаря динамическому взаимодействию между телом, мозгом и психикой может обеспечивать улучшение физического и психического здоровья человека [18].

Заключение

Предпринятый сравнительный анализ показал, что использование музыкальных нейроинтерфейсов с управляющими сигналами обратной связи от ЭЭГ-осцилляторов пациента приводит к появлению эффектов, значительно превышающих уровень контроля, зарегистрированный при музыкальных воздействиях без обратной связи. Выявленные эффекты, включая максимальный рост мощности альфа-ритма ЭЭГ относительно фона, положительные эмоциональные реакции и сдвиги функционального состояния организма, объясняются вовлечением процессов восприятия и обработки значимых для человека интероцептивных ЭЭГ-сигналов в механизмы нейропластичности и резонансные механизмы головного мозга, обеспечивающие нормализацию функционального состояния под влиянием музыкальных воздействий.

Полученные данные свидетельствуют о применимости и эффективности музыкальных ЭЭГ-нейроинтерфейсов при решении проблемы активного долголетия путем своевременной когнитивной реабилитации пожилых пациентов, устранения функциональных нарушений и возвращения организма к оптимальному состоянию.

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

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — А.Ф., С.Б.П., С.А.П.

Сбор и обработка материала — А.Ф., А.З., О.С.

Статистическая обработка данных — О.С., А.З.

Написание текста — А.Ф., С.А.П.

Редактирование — А.З., С.Б.П., С.А.П.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.