Биения — это объективное физическое явление, возникающее при наложении двух колебательных процессов близкой частоты. В психоакустике различают «бинауральные» и «монауральные», или акустические, биения. Акустические низкочастотные биения проще всего услышать, если 2 электрических сигнала с постоянной, но немного отличающейся частотой (например, 200 и 204 Гц) смешать и подать в звуковой преобразователь (динамик). В результате мы услышим периодическое нарастание и спад громкости звука на разностной частоте (в данном случае 4 Гц). Но если подать те же сигналы раздельно в каждое ухо (с использованием стереонаушников), тогда одно ухо будет слышать тон с частотой 200 Гц, а другое — 204 Гц. В этом случае мы тоже ощутим биения с частотой 4 Гц, но иметь они будут уже иную природу. Такие биения называются бинауральными (ББ), а средняя между каналами частота звуковых колебаний (в данном случае 202 Гц) — производящей, или «несущей» частотой.

Отметим, что словосочетания «бинауральные биения в звуке» или «звук с бинауральными биениями» не совсем корректны, поскольку, во-первых, речь идет не об одном, а о двух звуках, во-вторых, нельзя сказать, что данное явление объективно заложено в этих звуках: человек ощущает ББ не внешними органами чувств (ухо), а «внутри головы». Кроме того, степень восприимчивости к ББ зависит от уровня внимания к ним слушателя [1], а некоторые люди, например, страдающие болезнью Паркинсона, вообще не способны их ощутить [2].

Самая очевидная разница между ББ и монауральными биениями состоит в том, что ББ слышимы только в случае низких несущих частот. Оптимальным для их восприятия считается диапазон от 200 до 900 Гц, хотя, по данным последних исследований [3], отчетливо различаются человеком ББ с несущей частотой вплоть до 1400 Гц. Что касается частоты самих ББ, то они ощущаются в диапазоне от 2 до 35 Гц.

Существует гипотеза, согласно которой ББ могут существенно менять спектр электроэнцефалограммы (ЭЭГ) человека по аналогии с навязыванием ритма при фотостимуляции. Она весьма перспективна, учитывая общепризнанное соответствие традиционных спектральных диапазонов ЭЭГ, таких как дельта (0,5—4 Гц), тета (4—8 Гц), альфа (8—13 Гц), бета (13—30 Гц) и гамма (от 30 Гц и выше), определенным когнитивным функциям [4] и уровню бодрствования. В случае ее справедливости мы имели бы эффективное неинвазивное средство улучшения когнитивных функций и коррекции расстройств сна посредством навязывания при помощи ББ нужного ритма ЭЭГ-активности мозга [5].

Проблема в том, что регистрируемый приборами отклик ЭЭГ на стимуляцию ББ несопоставимо слабее, чем отклик на фотостимуляцию. Кроме того, этот отклик получен только в виде вызванной активности ЭЭГ, т. е. усредненной реакции на множество коротких, до 2 с, стимулов. Что же касается навязывания ритма ЭЭГ (т.е. резонансного отклика ЭЭГ на стимуляцию непрерывными ББ, что, собственно, и требуется для практического применения), то авторам известно единственное исследование [6], показавшее усиление тета-активности ЭЭГ после стимуляции ББ тета-диапазона. Однако последующие публикации [7, 8] не подтвердили этот результат. Найдена также единственная публикация о резонансном отклике на ББ в альфа-диапазоне [9], хотя никому из других исследователей [8, 10] подобного эффекта зафиксировать не удалось. Неудачей закончились и попытки обнаружить навязывание ритма ББ бета-диапазона [8, 10, 11]. Обнадеживает пока только гамма-область ЭЭГ, в которой достоверно было зафиксировано навязывание ритма как ББ, так и монауральными биениями [12].

Что касается влияния ББ на процесс засыпания и последующий сон человека, то имеются работы, в которых методом психологического тестирования [13], а также путем регистрации полисомнограммы [14, 15] получены данные о положительном влиянии ББ на скорость засыпания и качество сна. Если отталкиваться от вышеупомянутой гипотезы навязывания ритма, то засыпанию и поддержанию сна должны способствовать ББ тета- и дельта-диапазона, т. е. от 0,5 до 8 Гц, а также, возможно, их комбинации, поскольку процессы засыпания и сна сопровождаются усилением мощности указанных спектральных полос ЭЭГ. Кроме того, метаанализ [16] показал однозначную эффективность музыки для облегчения процесса засыпания. Поэтому логично предположить, что сочетание правильно подобранной музыки с ББ тета- и дельта-диапазона также может способствовать засыпанию и улучшать сон; хотя в данном случае невозможно определить главенствующий фактор воздействия: музыка сама по себе тоже может обладать релаксирующим эффектом. Интерес к сочетанию с музыкой продиктован, в частности, распространением «капсул сна» для отдыха и психологической разгрузки офисных работников в дневное время, поскольку одним из факторов восстановления в такой «капсуле» является музыка.

Цель данного исследования — проверка гипотезы, что прослушивание музыки, производящей ББ тета- и дельта-диапазонов сокращает время засыпания, определяемое как латентность 2-й стадии сна, а также повышает устойчивость сна.

Экспериментальная группа состояла из 21 студента медицинского университета (13 мужчин и 8 женщин от 18 до 22 лет (M±m: 20,1±0,7 года). Для данного исследования была использована авторская (написанная на заказ) электронная музыкальная композиция, длительностью 20 мин, с наложенными ББ 4 и 2 Гц. Из этого времени звучания первые 19 мин были «запрограммированы» для засыпания, а оставшееся время — для быстрого пробуждения. Каждый испытуемый участвовал в двух опытах, в одном из которых он засыпал под музыку (стимуляция), а в другом — без нее, в тишине (контроль). Порядок опытов контрбалансирован по выборке; при этом в результате случайного выбора у 13 человек из 21 первым по порядку был «контроль». Эксперимент с каждым участником проводили в дневное время, с 13 до 16 ч, с промежутком между двумя опытами не более 15 дней.

Состояние испытуемых перед опытом и после него оценивали при помощи опросника «САН»: самочувствие—активность—настроение [17].

В опытах с музыкой звук подавали через полноразмерные стереонаушники Bose QC-25 (чувствительность 97 Дб, сопротивление 32 Ом, с отключенной системой активного шумоподавления). Громкость звука в каждом опыте подбирали в зоне индивидуального комфорта; она составляла от 55 до 57 Дб уровня звукового давления.

Испытуемый находился в звукоизолированном светозащищенном помещении, при стабильной температуре 24 °C. В течение опыта вели запись с частотой дискретизации 500 Гц 16 каналов ЭЭГ, подключенных по монополярной схеме 10—20, с использованием высоко- и низкочастотного, а также режекторного фильтров (0,5, 35 и 50 Гц соответственно), а также электрокардиограммы (ЭКГ) и электроокулограммы (ЭОГ), при помощи беспроводного аппаратно-программного комплекса «Нейрополиграф 24» (ПО «Нейротех», Таганрог).

После наложения электродов испытуемый располагался на кушетке и первые 15 мин находился в горизонтальном положении. При этом следили, чтобы он не засыпал. Затем давали команду закрыть глаза и 3 мин вели фоновую регистрацию ЭЭГ, ЭКГ и ЭОГ. Далее включали музыку, а спустя 21 мин, по окончании музыки, испытуемого будили (если он заснул) и записывали еще 3 мин фона с закрытыми глазами.

В контрольных опытах схема была идентичной, за исключением того, что звук в наушники не подавали, а испытуемый находился 21 мин в тишине.

Для сравнения параметров сна все полисомнограммы испытуемых были визуально стадированы по критериям Американской ассоциации медицины сна [18] с эпохой анализа 30 с.

С каждым участником было подписано информированное согласие на участие в эксперименте.

Для статистической обработки данных использован пакет Statsoft Statistica 6.0.

На основе данных стадирования для каждого испытуемого в каждом опыте была определена Л.С. Вторая стадия сна не наступила в контрольных опытах у 6 испытуемых из 21, в опытах со стимуляцией — у 3 из 21. В целях дальнейшего использования статистических методов сравнения ЛС для незаснувших испытуемых принималась равной времени опыта, т. е. 21 мин. Для остальных испытуемых среднее значение латентности ± стандартное отклонение составили 8,9±5,8 мин в контроле (15 человек) и 7,9±2,8 мин со стимуляцией (18 человек). Нулевая гипотеза состояла в отсутствии влияния стимула на ЛС.

Для оценки влияния различных факторов, в первую очередь музыки с ББ, а также пола испытуемого и очередности опыта (т.е. что было первым: «контроль» или «стимуляция»), на ЛС был проведен дисперсионный анализ данных с повторными измерениями. Такие факторы, как пол испытуемого, очередность опыта, а также их взаимодействие, не вызвали статистически значимых различий ЛС между опытами со стимуляцией и контрольными. Не вызвал этих различий и фактор наличия музыки (p=0,19), равно как и его взаимодействие с двумя другими факторами (табл. 1).

Дополнительно нулевая гипотеза была проверена при помощи непараметрического критерия зависимых пар Уилкоксона, который также не позволил ее отвергнуть (см. табл. 1).

Для оценки влияния стимула на показатели самочувствия, активности и настроения испытуемых результаты выполнения ими теста САН были проанализированы с помощью 2×3 дисперсионного анализа с повторными измерениями. В качестве зависимых переменных влияния в этом случае брали отношение индексов «С», «А», «Н», полученных после опыта, к их значениям до проведения опыта, как в серии со стимуляцией, так и в контрольной.

Результаты анализа показали отсутствие статистически значимого влияния музыки на субъективную оценку испытуемыми своего состояния (см. табл. 1).

Несмотря на отсутствие статистически значимых отличий между опытами со стимуляцией и контролем по ЛС, отличия общей картины стадирования сна между ними очевидны (рис. 1).

Была выбрана нелинейная логистическая модель, определяемая уравнением Ферхюльста:

Изначально это уравнение описывает один из простейших сценариев роста численности популяции живых существ (P) в зависимости от времени (t), а его коэффициенты соответствуют предельно возможной численности популяции — «A»; скорости роста популяции — «C»; коэффициент «B» связан с отношением начальной и конечной численностей популяции. В нашем случае логично соотнести «P» с числом заснувших испытуемых (находящихся на 2-й и 3-й стадиях сна) к моменту времени t, «А» — с максимально возможным числом заснувших испытуемых в данных условиях опыта; «С» — со скоростью засыпания; «B» — связать с уровнем сонливости испытуемых на начало опыта.

В соответствии с этой моделью на каждой 30-секундной эпохе стадирования в интервале с 1-й по 20-ю минуту подсчитывали суммарное число испытуемых P, находившихся на 2-й или 3-й стадии сна (т.е. количество черных клеток в каждой строке рис. 1). Далее, коэффициенты нелинейной регрессии A, B и C уравнения (*) оценивали по методу наименьших квадратов Левенберга—Марквардта. Результаты оценки приведены в табл. 2.

Гипотеза об уменьшении ЛС при помощи музыки, производящей ББ тета- и дельта-диапазона, в данном исследовании не подтвердилась, хотя результаты пилотного исследования [15] показали достоверное уменьшение ЛС под влиянием монотонного звука с ББ тех же частот. Возможно, это связано с разными экспериментальными протоколами этих двух исследований, в том числе с отличиями стимула.

Что касается положительного влияния использованной в исследовании музыки на устойчивость дневного сна, то оно достоверно подтвердилось. Так, среднее число испытуемых, находившихся на 2-й и 3-й стадиях сна примерно с 10-й по 20-ю минуту опыта, которое определяется коэффициентом A в уравнении (*), составило 15 человек в случае стимуляции против 9 в контрольной серии. Различия скорости засыпания (коэффициент C) оказались не значимы (см. табл. 2), что согласуется с отсутствием достоверных различий латентности сна в опытах со стимуляцией и в контрольных опытах (см. табл. 1).

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (грант № 16−06−01054/17-ОГОН).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflicts of interest.

Сведения об авторах

Шумов Д.Е. — https://orcid.org/0000-0002-5755-5563; e-mail: dmitry-shumov@yandex.ru

Яковенко И.А. — https://orcid.org/0000-0002-0391-7266; e-mail: irinayakovenko@mail.ru

Алипов Н.Н. — https://orcid.org/0000-0002-5874-2934; e-mail: n-alipov@yandex.ru

Бакаева З.В. — https://orcid.org/0000-0001-7795-0897; e-mail: bakaeva_zv@mail.ru

Якунина Е.Б. — https://orcid.org/0000-0002-7962-1971; e-mail: dr.yakunina@gmail.com

Минюк А.Н. — https://orcid.org/0000-0002-1568-7138; e-mail: anminyuk@gmail.com

Винокуров А.В. — https://orcid.org/0000-0001-8271-5920; e-mail: av@privatenap.ru

Дорохов В.Б. — https://orcid.org/0000-0003-3533-9496; e-mail: vbdorokhov@mail.ru

Автор, ответственный за переписку: Шумов Дмитрий Ефимович — e-mail: dmitry-shumov@yandex.ru