Аксенов Д.П., Захаров С.М., Скоморохов А.А.

Аннотация

Актуальность проблемы контроля эффективности адаптивного биоуправления (АБ) обусловлена необходимостью углубленной оценки функций организма, изменяемых в процессе тренинга. Исходя из особенностей контроля эффективности АБ мы предложили классификацию контролируемых параметров (КП). Эта классификация подразделяет КП в зависимости от точки приложения процедуры АБ (управляемые, неуправляемые), по времени проведения по отношению к процедуре АБ (пред-, пост- и внутрипроцедурные), по типу представления информации (параметрические, непараметрические). Для иллюстрации целесообразности данного подхода у здорового пациента была проведена процедура температурного АБ с одновременной регистрацией электроэнцефалограммы, электрокардиограммы, реоэнцефалограммы, данных кожно-гальванической реакции, фотоплетизмографии, дыхательного цикла. Использовались полиграфические анализаторы фирмы Медиком-МТД (Россия, Таганрог). В ходе работы были получены интересные результаты: смена активного полушария в ходе тренинга, формирование отрицательных кросскорреляционных связей между лобными и затылочными долями и изменения некоторых иных неуправляемых показателей. Полученные результаты подробно интерпретируются в статье и позволяют сделать вывод, что контроль различных параметров в ходе процедуры АБ имеет существенную роль не только для определения функционального состояния пациента и эффективности проводимого тренинга, но и может служить материалом для проведения физиологических исследований.

Abstract

The importance of the problem of functional adaptive biocontrol (ABC) efficiency monitoring is pre-conditioned by the necessity of an in-depth estimation of the body functions as they change during a biofeedback training. Proceeding from the particulars of ABC efficiency control, we have suggested a classification of the control variables (CVs) monitored in an ABC procedure. The classification subdivides all control variables according to their involvement in an ABC procedure (controlled/uncontrolled), the stage of their use in an ABC procedure (pre-, post-, and intra-procedural), and the type of their representation (parametric/non-parametric). To illustrate the adequacy of this approach, a healthy person was engaged in a temperature biofeedback-based ABC procedure, with recording of the electroencephalographic, rheoencephalographic, skin galvanic response, photoplethysmographic, and respiratory data using the polygraphic analyzers made by Medicom-MTD, Taganrog, Russia. During the research, the following interesting events were recorded: change of active hemisphere, formation of negative cross-correlations between the forehead and occipital lobes, changes in some uncontrolled variables. The article provides a detailed interpretation of the research results which allow to conclude that monitoring of ABC variables during the procedure is not only essential for determining the person's functional state but also can provide the basis for carrying out physiological investigations.

В настоящее время при выполнении исследований, посвященных определению эффективности метода лечения и реабилитации больных с использованием биологической обратной связи (БОС), используется следующая последовательность действий: определение значения первичного параметра, выполнение процедуры БОС-тренинга, направленной на его стабилизацию и/или улучшение, определение значения того же параметра после проведения курса процедур. Эффективность этого подхода в ряде случаев не вызывает сомнений, однако нередко требуется более углубленная оценка изменения физиологических функций под влиянием БОС-тренинга.

Цель
Усовершенствование системы контроля эффективности процедур адаптивного биоуправления.

Задачи

1. Предложить классификацию контролируемых параметров при выполнении процедур адаптивного биоуправления.

2. Показать возможность физиологической интерпретации изменений данных полиграфического исследования в зависимости от выполнения процедуры адаптивного биоуправления.

Методы исследования

Работа проводилась с использованием реабилитационного психофизиологического комплекса и полиграфического комплекса "Энцефалан" - продукции фирмы "МЕДИКОМ-МТД" (г. Таганрог). Блок пациента комплекса "РЕАКОР" позволяет регистрировать одновременно до 4 электрофизиологических процессов в произвольном сочетании из следующего перечня:

• электрокардиограмма (ЭКГ),
• электромиограмма (ЭМГ),
• электроэнцефалограмма (ЭЭГ),
• реограмма (РЕО),
• фотоплетизмограмма (ФПГ),
• кожно-гальваническая реакция (КГР),
• температура тела (ТТ),
• дыхание (ПГ).

Блок пациента полиграфического комплекса "Энцефалан" позволяет регистрировать одновременно до 6 показателей из представленного списка. Использовалась следующая конфигурация съема данных c использованием комплекса "Энцефалан": ЭЭГ (8 каналов), РЭГ (2 канала), ФПГ (1 канал), ЭКГ (1 канал), КГР (1 канал), ПГ (1 канал) (рис. 1), комплекса "Реакор" - ТТ (1 канал).

Комплексы предназначены как для диагностики, так и для проведения реабилитационных курсов на основе функционального биоуправления с биологической обратной связью (БОС).

Рис. 1. Главное окно представления сигналов комплекса "Энцефалан" и диалоговое окно "О программе".

Классификация контролируемых параметров при выполнении процедур адаптивного биоуправления

Функциональное состояние ЦНС - понятие интегральное. Оно представляет собой результат взаимодействия состояний всех входящих в систему элементов или результат взаимодействия организма как целого со средой и взаимодействия во времени и пространстве всех его элементов между собой [1]. Это обуславливает необходимость как можно более полного контроля функционального состояния нервной системы, а также функций иных органов и систем организма. Данный подход может быть реализован двумя способами. Во-первых, использование регистрации значений дополнительных параметров (не являющихся управляемыми), во-вторых определение значения управляемого параметра в местах, не являющимися точками его регистрации при БОС-тренинге. В качестве примера можно привести многие исследования, в которых были получены данные, свидетельствующие о достоверном изменение неуправляемых параметров после проведения БОС-тренинга. Так, отмечалось [3], что при регуляции испытуемым частоты сердечных сокращений за счет особого ритма дыхания, задаваемого синусоидальной кривой, наряду с положительными изменениями регулируемых параметров наблюдаются улучшения иных показателей, характеризующих состояние сердечно-сосудистой системы. Также большое значение для определения функционального состояния ЦНС имеет определение индекса тренируемого ритма ЭЭГ в нетренируемых областях, - это может не только служить индикатором положительных процессов, но и сигнализировать о необходимости изменения тренируемой области. В качестве нетренируемых параметров, помимо электрофизиологических данных, могут выступать и данные обследования пациента без использования инструментальных методов (неврологический, психический статус и т. д.). Достоверность различий между пред- и постпроцедурными значениями, в этих случаях, как правило, оценивается с использованием непараметрических методов статистического анализа.
Все вышеперечисленные методы контроля являются внепроцедурными, т. е. оценивают некоторые параметры до и после проведения процедуры и/или курса процедур. Новым перспективным направлением контроля качества БОС-тренинга является возможность оценивать динамику неуправляемых параметров во время самой процедуры (внутрипроцедурный метод контроля). Данный подход позволяет не только подтверждать качество проведенного БОС-тренинга, но и проводить физиологические исследования. В литературе уже встречались упоминания об этом виде контроля эффективности БОС-тренинга, так, описываются результаты обработки ЭЭГ при ее ежеминутной регистрации у пациентки во время температурного БОС-тренинга [4]. Однако, можно предположить, что наиболее эффективен тот подход, когда осуществляется непрерывный контроль нетренируемых параметров в ходе БОС-тренинга, особенно это касается ЭЭГ, где могут присутствовать изменения на протяжении относительно короткого промежутка времени.

Приведенные данные позволяют предложить классификацию контролируемых и сравниваемых параметров с целью упорядочивания подхода к оценки эффективности БОС-тренинга.

Классификация контролируемых (сравниваемых) параметров при БОС-тренинге:

Пример физиологической интерпретации данных полиграфического исследования при температурном БОС-тренинге

В качестве примера приведем данные полиграфического обследования здорового пациента во время температурного БОС-тренинга, когда пациенту удалось повысить температуру более чем на 1,5°С - с 29,05 до 30,73°С (рис. 2). Процедура состояла из начального фонового этапа, в рамках которого БОС-тренинг не проводился, и нескольких этапов тренировок, чередующихся отдыхом.

Рис. 2. Динамика изменения температуры при БОС-тренинге. Слева - тренд изменения температуры на этапе фона и тренировки. Справа - гистограммы распределения значений температуры, красный цвет - фон, синий цвет - этап тренировки по повышению температуры.

На первой фазе этапа тренинга, когда температура еще не начала повышаться значимо повышаться, наблюдалось повышение частоты сердечных сокращений (ЧСС) (от 76 до 83 ударов в мин.), некоторое увеличение глубины дыхания, повышение индекса альфа-ритма в теменных областях слева (с 47% до 63,4%) и незначительное снижение справа (с 63,7% до 60,7%). Остальные показатели не претерпевают существенных изменений.

На втором этапе тренинга, когда температура уже начала повышаться, наблюдались следующие изменения неуправляемых параметров: ЧСС составила 80 ударов в минуту, амплитуда систолической волны (АСВ ФПГ) повысилась с 1,54 до 2,65 промили (pm) (тонус резистивных сосудов снизился), реографический индекс по РЭГ слева несколько вырос, но не очень существенно (с 0,147 до 0,153 Ом), альфа-ритм стабилизировался на более высоких значениях по амплитуде (рис. 4).

Рис. 3. Сравнение неуправляемых показателей при исходном фоне (синяя линия) и тренинге на повышение температуры (красная линия).

На втором этапе тренинга, когда температура уже начала повышаться, наблюдались следующие значения неуправляемых параметров: ЧСС составила 80 ударов в минуту, амплитуда систолической волны (АСВ ФПГ) повысилась с 1,54 до 2,65 % (тонус резистивных сосудов снизился), реографический индекс по РЭГ слева несколько вырос, но не очень существенно (с 0,147 до 0,153 Ом), альфа-ритм застабилизировался на более высоких значениях по амплитуде.

Следует отметить, что изменения в абсолютной мощности альфа-активности существенно выше, чем в относительных индексах. В затылочном отведении средний уровень мощности альфа-ритма увеличился с 28 мкВ²/Гц (фон) до 225 (этап повышения температуры), т.е. в 8 раз. Изменения индекса существенно скромнее, потому что и в исходном состоянии альфа-ритм был доминирующим. На этапе отдыха после тренинга была отмечена значимая тенденция возврата показателей к исходному уровню.

На рис. 4 показана временная динамика трендов некоторых физиологических показателей, характеризующих различные системы организма:

• амплитуда систолической волны пальцевой фотоплетизмограммы - АСВ ФПГ;
• мощность альфа-ритма в левом затылочном отведении - "АльфаМ" O1-A1;
• уровень постоянной составляющей в левом теменном отведении - ПС, P3-O1.

Рис. 4. Временная динамика трендов некоторых физиологических показателей во время проведения этапа тренироваки БОС-тренинга на повышение температуры. Отражены этапы исходного фона, 1-го этапа тренировки и отдыха после 1-го этапа тренировки.

Динамика трендов иллюстрирует взаимосогласованное изменение показателей при повышении температуры кисти. Легко заметить, что повышение температуры сопровождается повышением амплитуды систолической волны пальцевой ФПГ (что вполне очевидно, поскольку повышение температуры и возникает за счет изменения кровотока, тонус сосудов уменьшается), резким повышением мощности альфа-ритма (что дополнительно свидетельствует о повышении релаксации при температурном БОС-тренинге), снижением уровня постоянного потенциала головного мозга (уровень постоянных потенциалов головного мозга часто используют в качестве параметра, отражающего изменение метаболической активности). Видно, что достаточно точно совпадают даже фазы изменения этих показателей.

Учитывая, что на ЭЭГ изменения биоэлектрической активности мозга носят достаточно существенный характер, рассмотрим их более подробно.

На рис. 5 показано сравнение мощностных карт в альфа-диапазоне в исходном состоянии (а) и на этапе тренировки на повышение температуры (б). В исходном состоянии наблюдался достаточно невысокий уровень альфа-активности преимущественно в теменных отделах правого полушария.

В процессе БОС-тренинга на повышение температуры наблюдалось резкое увеличение амплитуды и выраженности альфа-активности, повышение альфа-активности касалось всех отделов мозга (особенно для левого полушария), за исключением центральных областей правого полушария.

Изменения биоэлектрической активности мозга достаточно хорошо иллюстрирует кросскорреляционный анализ, который позволяет количественно оценить степень сходства процессов, происходящих в двух точках мозга или их связи.

Функция кросс-корреляции отображалась относительно значений степени связи, т.е., на рисунке представлена только очень тесная связь (от 0,9 до 1).

На этапе исходного фона (рис. 6а) можно видеть четкие положительные связи, равные F3-C3 - 0,99, F3-P3 - 0,97, F3-P4 - 0,9, F4-C4 - 0,96, F4-C3 - 0,93, C3-P3 - 0,98, C3-C4 - 0,97, C3-P4 - 0,95, C4-P4 - 0,99, C4-O2 - 0,98, C4-P3 - 0,93, P3-O1 - 0,98, P3-P4 - 0,93, P3-O2 - 0,92, P4-O2 - 1. Характерна многочисленность значимых связей между соседними отведениями, причем коэффициент значимости сходства связей между лобными и затылочными областями меньше 0,9.

Рис. 4. Временная динамика трендов некоторых физиологических показателей во время проведения этапа тренироваки БОС-тренинга на повышение температуры. Отражены этапы исходного фона, 1-го этапа тренировки и отдыха после 1-го этапа тренировки.

На первом этапе тренинга (когда еще не было значимого повышения температуры) коэффициент кросскорреляции межцентральных связей имел следующие значения (рис. 6 б): F3-F4 - 1, F3-C3 - 0,97, F3-C4 - 0,96, F4-C4 - 0,98, F4-C3 - 0,97, C3-C4 - 0,99, C4-P3 - 0,92, P4-O2 - 0,98, O1-O2 - 0,94. Связи между передними и задними областями "разрываются", а между передними отведениями, наоборот, становятся более устойчивыми, однако часть межполушарных связей остается прежней.

На втором этапе тренинга (при повышении температуры) коэффициент кросскорреляции межцентральных связей имел следующие значения (рис. 6 в): F3-F4 - 1, F3-C3 - 0,98, F3-C4 - 0,99, F3-P4 - -0,92, F3-02 - -0,98, F4-C3 - 0,96, F4-C4 - 0,98, F4-O2 - -0,98, C3-C4 - 0,99, C3-O2 - -0,93, P4-O2 - 0,99. Устанавливаются связи между лобными и затылочными отведениями, имеющие отрицательные значения. При этом альфа-ритм был распределен как показано на рис. 5 б.

На третьем этапе тренинга (при достижении температурной кривой предельного уровня на фоне продолжения попыток повлиять на этот показатель) коэффициент кросскорреляции межцентральных связей имел следующие значения (рис. 6 г): F3-F4 - 1, F3-C3 - 0,99, F3-C4 - 0,99, F3-O1 - -0.97, F3-O2 - -0,98, F4-C3 - 0,99, F4-C4 - 0,99, F4-O1 - -0.98, F4-02 - -0,98, C3-C4 - 1, C3-C4 - 0,94, C3-O1 - -0,93, C3-O2 - -0,94, C4-P3 - 0,99, C4-O1 - -0,96, P4-O1 - 0,99, P4-O2 - 0,98, O1-O2 - 0,99. Отрицательные связи между затылочными и лобными областями достигают максимума своей выраженности - "присоединяется" левая затылочная область.

Рис. 6. Схемы межцентральных связей на этапе исходного фона (а), на первом (б), втором (в) и третьем этапе тренинга (г). Связи с отрицательными коэффициентами кросс-корреляции выделены пунктиром.

На основании полученных данных можно сделать следующие выводы: 1) Общий уровень мощности альфа-ритма при успешном повышении температуры возрастает. 2) В процессе тренинга доминирующим оказывается правое полушарие. 3) В исходном состоянии преобладали короткие и средние внутриполушарные и межполушарные связи с положительным коэффициентом кросс-корреляции, а по мере успешного выполнения задания по повышению температуры наблюдалась существенная перестройка внутриполушарных и межполушарных связей:

• Значимость коротких связей в задних отделах мозга уменьшалась, а в передних отделах мозга возрастала.
• Постепенно формировались значимые устойчивые длинные лобно-затылочные связи с отрицательными значениями коэффициента кросс-корреляции (на рисунках эти связи закрашены штриховкой), - это указывает на то, что волны в затылочных отведениях находятся в противофазе волнам в лобных отведениях.

Попытаемся теперь интерпретировать полученные результаты. Доминирование правого полушария в процессе тренинга, по-видимому, связано с преобладанием образного мышления и использованием эмоциональной компоненты, - именно эти функции относятся к числу "правополушарных". Действительно, для достижения значимых результатов при температурном тренинге важно наиболее ярко представить себе внешнюю обстановку и то внутреннее состояние, которые в реальных условиях способствуют повышению температуры. Интересно, что на описываемом примере полученные результаты наиболее показательны, так как для проведения исследования нами был взят пациент с изначальным преобладанием активности левого полушария.

Формирование устойчивых лобно-затылочных связей, по нашему мнению, зависит от условий проведения БОС-тренинга, а именно от того, с какими индикаторами температуры работает пациент. В нашем случае наиболее важные функции выполнял графический индикатор, что предполагает участие в работе затылочных отделов головного мозга (коркового отдела зрительного анализатора). Таким образом, между затылочными и лобными долями, контролирующими мотивацию поведения и имеющими обширные двусторонние связи с гипоталамусом [2], должны установиться ассоциативные связи, несущие информацию о получаемых изображениях с тем, чтобы было возможно пытаться "управлять" показаниями индикатора. Это также объясняет фазовый сдвиг биоэлектрической активности в затылочных и лобных областях, так как импульсу на то, чтобы дойти от затылочных до лобных областей требуется определенное время, которое и определяет фазовый сдвиг.

Можно приблизительно подсчитать скорость, с которой сигналы передаются от затылочных лобным областям, используя сформированные ассоциативные связи. Данная скорость будет равна отношению расстояния от лобной до затылочной доли к половине периода тех колебаний, которые в основном и определяют выраженность кросскорреляции. Отставание более чем на полфазы представляется нам маловероятным в связи с отсутствием отрицательных связей между затылочными и иными (не лобными) отведениями. В нашем случае скорость составила приблизительно 2 м/с.

Мы не пытаемся утверждать, что данное значение строго адекватно характеристикам нервных волокон, принимающих участие в формировании ассоциативных связей, напротив, по нашему мнению, этот показатель отражает общую скорость передачи возбуждения, включающую в себя как абсолютное значение скорости передачи нервным волокном, так и время возможной межнейрональной задержки возбуждения. К тому же уже встречались работы [5], в которых было показано усиление взаимоотношений лобно-затылочных отделов в ходе различной творческой деятельности. Эти данные также могут подтвердить теорию временного возникновения ассоциативных лобно-затылочных связей при определенной умственной нагрузке.

Как можно видеть на примере рассмотренного внутрипроцедурного контроля эффективности температурного БОС-тренинга по многочисленным неуправляемым параметрам, учитывая значимость полученных результатов, является желательной более углубленная интерпретация механизмов изменения данных параметров и проведение дополнительных исследований в этой области.

Таким образом, представляется возможным сделать вывод, что контроль неуправляемых параметров при БОС-тренинге на повышение температуры, в частности, и при процедурах адаптивного биоуправления, в целом, имеют существенную роль не только для определения функционального состояния пациента и эффективности проводимого тренинга, но и может служить материалом для проведения физиологических исследований, результаты которых, в свою очередь, могут использоваться для разработки более эффективных БОС-процедур.

Литература

1. Нейрофизиологические механизмы в экспертизе трудоспособности/ под ред. А. М. Зимкиной, В. И. Климовой-Черкасовой. - Л.: "Медицина".- 1978.- 280 с.
2. Ониани Т. Н. Интегративные функции лимбической системы// Частная физиология нервной системы. - Л.: "Наука". - 1983.- С. 412-449.
3. Суворов Н. Б., Д. Н. Меницкий, Н. Л. Фролова. Знакопеременный кардиотренинг: практика применения// Биоуправление-3: теория и практика.- Новосибирск.-1998.- С. 69-79.
4. Финкельберг А. Л., Штарк М. Б. О топографическом картировании и полушарных особенностях электрической активности мозга в процессе температурного БОС-тренинга// Биоуправление-2: теория и практика.- Новосибирск.-1993.- С. 87-90.
5. Petsche H. Approaches to verbal, visual and musical creativity by EEG coherence analysis// Int. J. Psycophysiol..- 1996.- Vol. 24, N1-2.- P. 145-159.