Во-вторых, биологическая связь используется для получения новых знаний о механизмах работы мозга. Иногда единственная возможность расшифровать сигналы – спросить у самого мозга, что означает тот или иной сигнал. Получение ответа на «вопрос» (им может быть не только слово, но и электрический стимул и любые другие раздражители) тоже является обратной связью. Классическим примером служат работы Уайлдера Пенфилда, в середине XX века построившего карты функциональной активности мозга с помощью стимуляции отдельных участков и отчета обследуемых о возникающих ощущениях [Wilder Penfield, Theodore Rasmussen, The Cerebral Cortex of Man (Macmillan, 1950)]. В 1978 году Б. Л. Бёрд с соавторами, также с помощью биологической обратной связи, показали зависимость самочувствия испытуемых от преобладающего диапазона мозговой активности [Bird B. L., Newton F. A., Sheer D.E., Ford M. Biofeedback training of 40-Hz EEG in humans. Biofeedback and Self-Regulation, 1978, vol.3, p.1]. Так, при преобладании тета-ритма (частотой 4—8 Гц) испытуемые сообщали о сонливости, неясном, размытом, сказочном восприятии действительности. Учащение мозговой активности, доминирование альфа-активности (8—13 Гц) воспринималось как расслабленное, легкое, мирное состояние. Дальнейшее увеличение частоты мозговой активности, усиление бета-2-ритма (18—30 Гц) воспринималось как энергичное, возбужденное, тревожное состояние. Гамма-ритм с частотой более 40 Гц описывался как внимательное, деловое, исследовательское состояние.
И, наконец, биологическая связь рассматривается как часть интерфейса «человек-компьютер». Его можно использовать не только для воздействия на человека (биологическая обратная связь), но и для управления каким-либо устройством (компьютером, протезом, машиной) – прямая биологическая связь. Развитие технологий «человек-компьютер» зависит от возможности точного и оперативного (в режиме реального времени) декодирования сигналов, возникающих в нашем организме. По всему миру нейрофизиологические лаборатории работают над проблемами однозначного перевода неосознаваемых сигналов организма в машинные команды. Некоторые из разработанных алгоритмов анализа электроэнцефалограммы позволяют более чем в 90 % случаев распознавать желаемую цель на экране монитора и перемещать к ней курсор [Wolpaw JR, Flotzinger D, Pfurtscheller G, and McFarland DJ. Timing of EEG-based cursor control. J. Clin-Neurophysiol, 1997, vol.14, pp. 529—538]. На недавно проходившем в Москве симпозиуме "Современные технологии биоуправления в биологии и медицине" была продемонстрирована возможность управления автомобилем (пока что игрушечным, радиоуправляемым) с помощью детектирования нескольких компонент электроэнцефалограммы.
Не стоит ждать от высоких технологий ни сказочного решения проблем старых, ни невиданного обострения проблем новых. Никакие суперприборы не помогут, если не ясно, а что, собственно, надо найти.
Ряд исследований показал, что субъективные изменения, наблюдающиеся при биоуправлении показателями электроэнцефалограммы, могут быть и результатом внушения, и следствием резкого сокращения притока информации при пользовании приемом расфокусировки хрусталика [Кто хоть раз смотрел на стереокартинки, знает, как это делается]. С помощью ложной обратной связи удалось установить, что приятное чувство расслабления ощущали лишь те испытуемые, которые не только научились изменять альфа-ритм ЭЭГ, но и были заранее нацелены на ожидание приятных эмоций. Эти результаты показывают необходимость использования для регуляции простых, четко связанных с какой-либо функцией показателей. В отличие от ЧСС и кровяного давления, ритмы ЭЭГ – синтетический показатель, не имеющий однозначной трактовки. Мозг "не знает", что такое альфа-ритм.
Другим важным условием для успешного применения БОС является выбор адекватных критериев управления. Однако мой шестилетний опыт работы с различными использующими БОС методиками обнаружил хорошо известную ситуацию, когда в отсутствии стандарта производители дают простор фантазии. Самыми популярными явились три метода оценки эффективности биоуправления. Согласно первому из них, признаком успешности БОС считается любое отклонение параметра управления от усредненных значений (что напоминает старый анекдот о средней температуре по больнице). Во втором методе критерием эффективности БОС является изменение за время тренинга контролируемого параметра на определенную, эмпирически заданную величину (например, более 10 %). В третьем случае эффективным считается отклонение усредненного за небольшой временной интервал (например, 10 с) параметра управления от фоновых значений. Управы из Редмонда на этих производителей нет.
Но отсутствие стандарта – не самое главное. Хуже, что некоторые критерии получены, судя по всему, "потолочным методом" [Метод предполагает нахождение истины путем пристального разглядывания потолка]. Давно известно, что люди отличаются по темпераменту, быстроте и интенсивности реакций и так далее. Например, изменение на 10 % величины артериального давления для одного человека – сущий пустяк (у него без видимой причины давление меняется на 30 мм. рт. ст. за полчаса), для другого – вещь почти невозможная. Как можно равнять всех под одну гребенку? И последняя проблема большинства современных БОС-аппаратов – отсутствие механизма «foolproof». При проведении тренинга не учитывается нежелание людей усложнять себе жизнь. Очень часто можно наблюдать (особенно у маленьких пациентов), как утомленный долгими неудачами – за пять минут так и не научился управлять альфа-ритмом своего мозга, – человек засыпает, и прибор радостно показывает "значительное усиление альфа-активности". Тренинг удался! В ход идут и другие способы – наморщивание лба, та же расфокусировка хрусталика, напряжение всех мышц (если вы когда-либо «нагоняли» температуру, чтобы не пойти в школу, то понимаете, о чем я).
Подозреваю, что именно эти факты и дороговизна коммерческих приборов являются причинами "широкой известности метода в узких кругах" – в нашей стране психотерапевтическое, лечебное применение методов БОС встречается крайне редко. Впрочем, сейчас активно развивается GPL-проект OpenEEG (из серии "Сделай сам"), в рамках которого разрабатываются и программы для БОС.
Использование идеи обратной связи ставит новые проблемы, одна из которых сводится к следующему: как часто должна осуществляться обратная связь, должна ли она быть непрерывной?
Важность этой проблемы обосновал отец кибернетики Норберт Винер, отметивший, что "обратная связь в устройствах управления должна быть ограниченной, коль скоро мы хотим стабилизирующего эффекта. В противном случае, при наличии чрезмерной обратной связи, устройство приходит в самопроизвольные колебания, которые становятся все сильнее и сильнее и в конце концов либо разрушают устройство, либо по меньшей мере делают его практически неуправляемым" [Цит. по: Розет И. М. Психология фантазии. – Мн.: 1991]. Физиологи говорят о количестве информации, пропорциональном частоте ее обновления и «размерности» (определяемой количеством задействованных каналов – органов чувств). При большом объеме информации быстрее наступает утомление и ослабевает внимание.
Подводя итог, можно сказать, что при соблюдении ряда довольно очевидных условий (знать – как, чем и зачем планируется управлять, использовать для управления оптимальное количество информации) у данной технологии вполне оптимистичное будущее. Это разглядели и эксперты проекта TimeLine, предсказывающие появление управляемых с помощью биологической связи [Очевидно, по параметрам работы мозга, так как обратная связь с помощью мускульной передачи давно налажена] компьютеров в массовом пользовании к 2054 году…[www.isrl.uiuc.edu/~chip/projects/timeline/2054veazie.html] Может быть, и увидим.
Обратная связь
Автор: Родион Кудрин
Попробуйте провести карандашом идеально прямую линию, а потом сделайте то же самое с закрытыми глазами. Наверняка получилось хуже.
Связано это с тем, что, закрыв глаза, мы выключаем зрительный контроль результата своих действий, то есть – звено обратной связи. Другими словами, обратная связь позволяет нам получить своевременную информацию о результате совершаемого действия и внести в программу действия необходимые коррективы. Другой пример на ту же тему: снижение устойчивости человека в положении стоя с закрытыми глазами по сравнению с положением стоя с открытыми глазами. В обоих приведенных примерах при отсутствии визуального контроля результат совершаемого действия (проведенная линия или поддержание равновесия) оказывался хуже, чем при использовании зрения. Зрительный анализатор, несомненно, очень важен для человека, поскольку это основной биологический инструмент получения информации об окружающем мире. Но, кроме зрительного, есть еще и слуховой, вестибулярный, обонятельный, вкусовой, тактильный, проприоцептивный [Проприоцептивный анализатор позволяет оценить положение тела в пространстве и частей тела относительно друг друга с помощью рецепторов скелетных мышц, сухожилий и суставов], висцеральный [Висцеральный анализатор воспринимает механические и химические изменения внутренних органов] и болевой анализаторы. Каждый из них используется нами для контроля результата совершаемого действия и коррекции самого действия.
В 30-х годах прошлого века академик П. К. Анохин [Русский физиолог, ученик И. П. Павлова, автор теории функциональных систем] предложил теорию, объясняющую основные принципы управления в биологических системах, обеспечив теоретическую базу для развития современной кибернетики. Одним из ключевых моментов этой теории стало понятие обратной афферентации, которая представляет собой связь между параметрами достигнутого полезного результата и центральными структурами нервной системы. Обратная афферентация по Анохину имеет в своей основе биологическую обратную связь (БОС) в ее современном определении. При этом обратная связь осуществляется между отдельными биологическими показателями, регистрируемыми с помощью рецепторов, и структурами центральной нервной системы, которые выполняют функцию контроля и управления. При несоответствии биологического показателя его нормальному значению центральные структуры корректируют работу соответствующей системы органов.
Биологическая обратная связь (biological feedback) является прежде всего биологическим механизмом контроля качества достигнутого результата. Различают отрицательную и положительную обратную связь. Если повышение значения одного биологического показателя приводит к снижению другого (или наоборот), то имеет местоя отрицательная обратная связь [Например, повышение уровня инсулина в крови снижает концентрацию в ней глюкозы], то есть зависимость между показателями обратно пропорциональная. Это наиболее частый случай обратной связи, характерный для здорового организма. Если повышение значения одного показателя приводит к увеличению другого, а это, в свою очередь, еще больше повышает значение первого показателя, то говорят о положительной обратной связи [Например, повышение активности воспалительного процесса приводит к повышению температуры в очаге воспаления, что, в свою очередь, еще больше увеличивает воспаление]. В этом случае зависимость между показателями прямо пропорциональная, а данный вариант обратной связи характерен для больного организма.
Здесь просматривается аналогия с нечеткой логикой: с одной стороны, человеческий опыт и интуиция в широком смысле этих понятий служат для успешного решения поставленной задачи, а с другой стороны, на каждом этапе выполнения программы действия не требуется соблюдения однозначно сформулированных закономерностей.
Кроме значения БОС как метода контроля функций – это также и метод коррекции функции многих органов (теоретически – любых) с помощью сигналов различной модальности. Изменения того или иного показателя организма человека можно условно отражать с помощью динамических зрительных, слуховых, вибрационных и иных образов. Поэтому в практических целях используются различные варианты БОС. В частности:
• БОС по электромиограмме – функциональное биоуправление тонусом мышц-антагонистов для коррекции нарушений опорно-двигательного аппарата (например, при детском церебральном параличе);
• БОС по реоэнцефалограмме – функциональное биоуправление тонусом сосудов головного мозга (например, при головных болях);
• БОС по электроэнцефалограмме – функциональное биоуправление электрической активностью головного мозга (например, при неврозах).
В качестве метода диагностики состояния опорно-двигательного аппарата и многих анализаторных систем с использованием БОС рассмотрим компьютерную стабилометрию.
Как известно, поддержание вертикального положения человека является динамическим процессом, поскольку при этом наше тело совершает колебательные движения в различных плоскостях с небольшим отклонением от среднего положения. Все характеристики колебательного процесса (амплитуда, частота, направление) являются чувствительными и отражают состояние различных систем, поддерживающих баланс позы. Для исследования функции равновесия московской научно-медицинской фирмой "МБН – Биомеханика" был разработан метод компьютерной стабилометрии, который позволяет оценить вертикальную устойчивость человека и ряд переходных процессов. Метод использует программно-аппаратный комплекс, который включает в себя стабилограф и компьютер со специализированным программным обеспечением. Программный пакет обеспечивает наличие собственной базы данных, автоматизированных функций для сбора и обработки информации, а также возможность получения всех общепринятых параметров по стандартному алгоритму.
Динамометрический прибор представляет собой металлическую плиту 60х40х10 см, в углах которой расположены трехкомпонентные датчики. Второй конец каждого датчика фиксирован на покровной плите. Сигналы от датчиков поступают в электронный блок, где подвергаются обработке, усилению, суммированию. Аналоговый сигнал на выходе содержит в соответствующем масштабе величины каждой составляющей движения и координаты вектора приложения силы. Дальнейшая обработка данных после аналого-цифрового преобразования осуществляется компьютером.
В данном случае обратная связь между пациентом и положением его тела осуществляется по зрительному, проприоцептивному и вестибулярному каналам. Основная система управления балансом позы построена на сигналах, поступающих от мышечных и суставных механорецепторов.
Компьютерная стабилометрия относится к методам диагностики, эффективность которых доказана многочисленными клиническими исследованиями. В настоящее время этот метод с успехом применяется на практике для функциональной диагностики и лечения нарушений опорно-двигательного аппарата, нервной системы, вестибулярного, зрительного, проприоцептивного и других анализаторов организма.
Если у вас сложилось впечатление, что компьютерные методы управления функциями различных органов при помощи БОС являются исключительно диагностическими, то это не так. Подавляющее большинство разновидностей БОС-тренингов проводятся с целью коррекции нарушенной функции, в частности, функциональное биоуправление тонусом мышц по данным электромиографии.
Пациенту на конечность с нарушенной двигательной функцией накладываются электроды: активный – на группу мышц со сниженной функцией, пассивный – в области мышцы-антагониста, заземление – на противоположную конечность или часть тела. Пациент, делая упражнения лечебной гимнастики, может контролировать правильность выполнения упражнения при помощи обратной связи по двум каналам. Во-первых, на экране компьютера он видит нормальную электромиограмму своей работающей мышцы (зрительный канал), а во-вторых, слышит музыку, которая подтверждает правильность выполнения упражнения (слуховой канал). Если тонус работающей мышцы выходит за допустимые границы, определяемые предварительной калибровкой в состоянии покоя, то нормальная электромиограмма меняет цвет и музыка прекращается.
Эффективность функционального биоуправления повышается прямо пропорционально количеству используемых каналов обратной связи. Кроме того, эффективность лечения зависит в большей степени от активного участия пациента, поскольку он должен следить за правильностью выполнения упражнений и сразу же корректировать свои действия при появлении ошибок.
По личному опыту работы с данной методикой могу свидетельствовать, что при регулярных тренингах у детей с ДЦП [Детский церебральный паралич] уже в течение месяца отмечалась заметная положительная динамика с частичным восстановлением нарушенной функции.
По мере совершенствования технологий в сфере IT количество методик БОС-тренингов будет увеличиваться. Причем в каждой конкретной методике, очевидно, будет использоваться большее число каналов отображения той или иной биологической функции и, как следствие, повысится эффективность диагностики и лечения. Это обстоятельство вместе с другими преимуществами БОС, такими, как неинвазивность и, в ряде случаев, возможность самостоятельного тренинга, позволит данному методу занять еще более прочное положение среди методов функциональной диагностики и лечения. С другой стороны, пациентам станет еще сложнее отличить точный и информативный метод диагностики и лечения, отвечающий принципам доказательной медицины, от многочисленных методов, лишь имитирующих эффективность. Остается надеяться, как всегда, на свой жизненный опыт и интуицию.
Синхронизируйся с компьютером!
Автор: Алексей Долецкий
Всех ли устраивает работа собственного организма «по умолчанию»? Конечно, сразу после запуска система, как правило, работает вполне удовлетворительно. Но со временем, особенно работая на пределе возможностей, организм не справляется с перегрузками – появляется раздражительность, постоянная усталость, снижение внимания и памяти, а также другие проявления состояния, которое называется «психоэмоциональный стресс» [Точнее – дистресс. Стрессом можно называть любое воздействие на организм, однако последствием воздействия может быть как увеличение возможностей организма (например, после утренней пробежки), так и их уменьшение (если бежать приходится на работу, с ужасом представляя последствия опоздания)]. Это обычно происходит в ситуации несоответствия физиологических функций человека ритму его физической деятельности.
От значительной части болезней можно избавиться правильным дыханием.
Вольтер
Dum spiro, spero [Пока дышу – надеюсь (лат.)].
Овидий
Страх ли, гнев ли – любое сильное эмоциональное потрясение ведет к "адреналиновой буре" в нашем организме. Адреналин готовит сосуды и мышцы к работе, однако у современного офисно-диванного человека эта подготовка часто пропадает втуне. Мало того, частое приведение органов и систем в состояние "боевой готовности" снижает их ресурс и способствует более быстрому изнашиванию. Раньше это проявляется у людей впечатлительных, способных подолгу переживать и копить в себе раздражение. Повышение артериального давления, головные боли, нарушение сна часто являются следствиями не получающих физического выхода стрессов (пусть и не всегда осознаваемых).
Уже стало страшно? Если да, давайте посмотрим, как с помощью подручных средств изменить это положение вещей, не доводя дело до визита к врачу. Догадываетесь, какое устройство есть у большинства читателей "КТ"?
Биологическая обратная связь (БОС) – способ профилактики стрессов, который словно специально предназначен для людей, чья жизнь неразрывно связана с компьютерами. На современном уровне развития техники оказалось возможным (и зачастую несложным) подключить регистрирующую аппаратуру к компьютеру и показать человеку, как работают его сердце, мозг, легкие. Если значения далеки от идеальных (скажем, к концу богатого на «приятные» общения дня напряжены мышцы, сужены сосуды, повысилось давление) – даже неспециалисту становится понятно, что нужно отдохнуть, расслабиться. А как?
Способов много, но большинство из них имеют два больших недостатка. Первый – не учитывать того, что все мы разные. Есть люди чувствительные, размякающие на банной полке или массажном столе. Есть люди внушаемые, которым не составит труда войти в гипнотический транс или в медитативное состояние. Есть самостоятельные, способные выбрать правильный образ жизни и восстановиться после двух инфарктов. И есть те, кто не умеет прислушиваться к своему организму – их большинство. Такой человек может после работы занять оборону в кресле или на диване, считая свой долг по защите организма от перегрузок выполненным. Уверены ли вы, что вашему организму для счастья нужно именно это? Проверить можно, наблюдая за изменением целевых показателей (таких, как величина артериального давления или ЧСС) на мониторе во время отдыха. И, в случае неэффективности выбранной Вами стратегии восстановления жизненных сил, можно использовать того же самого железного друга для выбора более эффективного способа расслабиться [Это будет называться несколько иначе – "адаптивное биоуправление с обратной связью"]. Причем, если в программе задать оптимальные значения регистрируемого показателя или закономерность его изменения, то задача усложняется – человек учится не просто изменять артериальное давление, мышечное напряжение или что-то еще – он тренируется синхронизировать показатели деятельности своего организма с заложенными в компьютерную программу нормальными значениями [Так, например, навязывание человеку ритма дыхания порядка 0,1 Гц (значения могут несколько отличаться у разных людей) приводит к изменениям в работе сердца, характерным для отсутствия стресса, состояния расслабленности и покоя]. В результате таких тренировок постепенно формируются навыки самоуправления в реальной жизни. В дальнейшем они могут очень пригодиться, не давая человеку выйти из себя, начать нервничать в стрессовой ситуации. Получается, что компьютер может не только отнимать здоровье, но и помогать его восстанавливать.
В настоящее время существует большое количество как отечественных, так и зарубежных программно-аппаратных комплексов БОС. Однако они – отчасти из-за необходимости участия в настройке и работе прошедшего спецподготовку врача или психолога, отчасти из-за цен, – являются прерогативой кабинетов БОС, все чаще появляющихся в больницах, поликлиниках и санаториях.
Но есть и варианты, доступные для желающих заняться собой в свободную минуту дома или во время перерыва на работе. Один из них – программа E-Z Air [1], разрабатываемая канадской компанией Thought Technology под знаком Donationware, что русский человек обычно переводит как «бесплатно».
Программа так приглянулась специалистам по биологической обратной связи, что к ее распространению подключилась Европейская Ассоциация БОС.
Принцип работы E-Z Air очень прост – человек учится правильно дышать, синхронизируя свои дыхательные движения с заданным в программе типом (паттерном) дыхания. Задать можно все временные характеристики дыхания – частоту, соотношение вдоха и выдоха, длительность пауз. Глядя на цветной столбик – поднимающийся, замирающий ненадолго и опускающийся, как поршень (отставить нездоровые ассоциации!), мы делаем соответственно вдох, задержку дыхания и выдох. Просто? Однако чтобы довести ритмичное и правильное дыхание до автоматизма (достигнуть 4-й ступени системы йоги – пранаямы) без помощи обратной связи, «вслепую», часто требуется не один год.
Конечно, с помощью помощника-из-компьютера процесс пойдет быстрее (хотя насколько – зависит только от вас), но все же постепенно. Сначала в программе лучше установить значения, не очень отличающиеся от привычных вам (для этого придется хоть раз посчитать, сколько вдохов за минуту вы делаете). Затем нужно мало-помалу изменять параметры, «навязывая» себе такие их значения, которые характерны для спокойного расслабленного состояния (соотношение вдох/выдох=1/2; приемлемая частота 6—10 раз в минуту, рекомендуемая – 3—4).
И, конечно, не забывать шутливое изречение йогов: "Дышать ртом – все равно что есть носом".
"КТ" – не медицинский журнал, и любая информация, представленная в этих статьях, дана исключительно для ознакомления. Это – не рекомендации. – И.Щ.
Широкое распространение компьютеров и быстрое развитие у них возможностей "делать красиво" привели к «поголовному» увлечению компьютерными играми. Мотивация к этому занятию настолько велика, что ему отдаются многие часы свободного (и не очень) времени. Этот факт лег в основу идеи объединения БОС-тренинга и компьютерной игры под названием "игровое биоуправление" [2]. Человеку предлагают компьютерную игру с соревновательным сюжетом. В отличие от обычных компьютерных игр, победа в этих соревнованиях зависит не от умения пользоваться джойстиком и клавиатурой, а от способности достигать состояния релаксации. А в отличие от других методов БОС, задача игрового биоуправления – не просто регулировать физиологические параметры, а научиться контролировать свои вегетативные реакции [То есть изменения в деятельности внутренних органов в ответ на внешние воздействия (в том числе и стресс), опосредованные нервной системой] в ситуации психоэмоционального стресса, моделью которого служит азартная игра (непросто оставаться спокойным, когда соперник выхватывает победу из-под носа). Похожая задача стояла ранее перед желающими научиться обманывать детектор лжи [Именно из-за принципиальной возможности этого было подорвано доверие к детекторам, регистрирующим вегетативные параметры. Посмотрим, что покажут испытания детекторов на основе технологии Fingerprinting, регистрирующих так называемый "связанный с событием" биоэлектрический потенциал мозга].