Биологическая обратная связь

* Системный анализ и принятие решений Лекция 13 Биологическая обратная связь. Коробов Александр Сергеевич 710-4271 [email protected]

* Что такое биологическая обратная связь (БОС)? Способ получения дополнительной информации о работе организма и его составляющих называется биологической обратной связью Ее практическое использование - биоуправлением с биологической обратной связью. Энциклопедия Британника дает следующее определение: "Биологическая обратная связь - тип поведенческой терапии, которая пытается изменять условнорефлекторные реакции на стресс".

* Что такое биологическая обратная связь? (2) 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 место отрицательная обратная связь, то есть зависимость между показателями обратно пропорциональная. 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. В этом случае зависимость между показателями прямо пропорциональная, а данный вариант обратной связи характерен для больного организма

* Что лежит в основе БОС? Главный психофизический закон (о зависимости между ощущениями и раздражителями) и его дополнение, предложенное Стивенсом: I = K·(S - S0)n, где I - ощущение, K - коэффициент, S - величина стимула, S0 - пороговое значение стимула.

* Что лежит в основе БОС? (2) Мы способны ощущать лишь достаточно сильные, "надпороговые" раздражители. Сигналы от внутренних рецепторов нашего тела обычно таковыми не являются. Но если их усилить - мы начнем воспринимать информацию о работе нашего организма. Многие гипертоники чувствуют высокое давление. Но оказалось, что при одновременном получении сигнала от подпорогового раздражителя и параллельно по сенсорному каналу искусственной обратной связи возникает феномен "прироста интенсивности ощущения". В результате становится возможным чувствовать слабые сигналы о подсознательной работе нашего организма, а при необходимости - и управлять ею.

* Каналы получения обратной связи Зрительный 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) Болевые анализаторы. Каждый из них используется нами для контроля результата совершаемого действия и коррекции самого действия.

* Варианты реализации БОС 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).

* Обратная афферентация 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. 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.

* История изучения БОС В 1957 году Нил Миллер убедительно доказал возможность произвольной регуляции работы внутренних органов с помощью оригинального опыта. Он замыкал показатели работы сердца, желудка и почек на подсоединенные к "центру удовольствия" электроды. В работе использовались обездвиженные (парализованные) крысы, которые могли с помощью изменения целевого показателя добиваться неземного наслаждения. Впервые (из американцев) возможность биоуправления у человека открыл Дж. Камия. В 1958 году он случайно заметил, что если при появлении определенного типа сигналов на ЭЭГ (альфа-активность) перед испытуемым зажигать зеленую лампочку, то альфа-активность возникает чаще. Ему понадобилось больше десяти лет, чтобы осознать важность своего открытия и опубликовать полученные результаты. Фундаментальная база метода БОС в России была создана П. Н. Анохиным, К. М. Быковым и В. Н. Черниговским. Первые результаты по обучению произвольному регулированию просвета кровеносных сосудов получены в 1955 году М. И. Лисиной. В 1983 году приказом Министерства здравоохранения СССР метод биоуправления и его аппаратурное обеспечение разрешены и рекомендованы как способ лечения в детской неврологии.

* Функциональное биоуправление по 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).

* Функциональное биоуправление по электромиографии (2) 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.

* Область применения БОС. Медицина Ассоциация прикладной психофизиологии и биологической обратной связи (AAPB) опубликовала перечень заболеваний, при которых проводились исследования эффективности методик БОС. В этом перечне все исследования (в объеме требований доказательной медицины) уже выполнены для такого недостатка, как недержание мочи. Высок потенциал биоуправления при тревожном расстройстве, гиперактивности с дефицитом внимания, головной боли и гипертонической болезни. Для этих заболеваний эффективность доказана отдельными исследованиями на небольших группах людей или одним большим рандомизированным плацебо-контролируемом исследованием. Еще для более чем трех десятков нозологий данные об эффективности уточняются.

* Область применения БОС. Спорт. Спектр спортивных применений технологии широк - от оптимизации нагрузок и обеспечения пиковой производительности скелетной мускулатуры до обучения расслаблению и восстановлению после нагрузок. Достоинства БОС очевидны - усиление возможностей организма без использования "запрещенных приемов". В качестве примера "спортивных технологий нового поколения" можно привести прибор под названием Sonic Golf. Прибор включает в себя установленные на клюшке датчики движения. При ударе по мячу считываемая с датчиков информация преобразуется в звук, передающийся на наушники игрока, - от тихого, медленно нарастающего, до резкого, громкого - в зависимости от скорости движения клюшки. Также существуют стратегии оптимизации параметров дыхания (используемые преимущественно в легкой атлетике), в основе которых лежит измерение содержания в крови кислорода, углекислого газа, глюкозы и молочной кислоты.

* Область применения БОС. Творчество. Визуальную обратную связь в реальном времени для анализа и улучшения вокальных данных обеспечивает новый программный комплекс, названный ALBERT (Acoustic and Laryngeal Biofeedback Enhancement in Real Time). Он способен объединить любое число вокальных параметров, отображать в реальном времени базовую частоту, дрожание, и коэффициент закрытия гортани. Автоматизированный DJ, использующий для генерации музыки обратную связь с танцующими, был разработан в Hewlett-Packard. Подобное наручным часам устройство отслеживает положение танцующих в пространстве, скорость движения, ЧСС и электрокожное сопротивление и посылает информацию к HP DJ через Bluetooth. HP DJ использует "генетический алгоритм", чтобы создавать наиболее востребованные мелодии. Если фонограмма звучит ужасно, то люди будут бродить по залу или танцевать с меньшим энтузиазмом. Тогда HP DJ пробует улучшать музыку, экспериментируя с различными частотами, ритмами или изменением темпа музыки, стараясь уговорить большее количество людей вернуться на танцпол.

* Область применения БОС. Наука. Новые знания 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, построившего карты функциональной активности мозга с помощью стимуляции отдельных участков и отчета обследуемых о возникающих ощущениях. В 1978 году Б. Л. Бёрд с соавторами, также с помощью биологической обратной связи, показали зависимость самочувствия испытуемых от преобладающего диапазона мозговой активности 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.

* Область применения БОС. Наука. Интерфейс «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. 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.

* Ограничения на использование БОС 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. 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.

* Необходимость выбора адекватных критериев управления Самыми популярными в настоящий момент являются три метода оценки эффективности биоуправления: В первом случае, признаком успешности БОС считается любое отклонение параметра управления от усредненных значений. 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.

* Необходимость выбора адекватных критериев управления (2) 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. Необходимо подходить дифференцировано к каждому пациенту. При проведении тренинга не учитывается нежелание людей усложнять себе жизнь. Очень часто можно наблюдать, 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".

* Обратная связь не должна 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« 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.

* Проблемы перегрузки организма 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).

* Информирование о параметрах с помощью БОС Биологическая обратная связь (БОС) - способ профилактики стрессов. На современном уровне развития техники оказалось возможным 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.

* Обучение организма с помощью БОС Проверить параметры организма во время отдыха можно, наблюдая за изменением целевых показателей (таких, как величина артериального давления или ЧСС) на мониторе во время отдыха. В случае неэффективности выбранной Вами стратегии восстановления жизненных сил, можно использовать БОС 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. 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.

* Некоторые программно-аппаратные комплексы БОС E-Z Air - человек учится правильно дышать, синхронизируя свои дыхательные движения с заданным в программе типом (паттерном) дыхания. Глядя на цветной столбик - поднимающийся, замирающий ненадолго и опускающийся, как поршень (отставить нездоровые ассоциации!), мы делаем соответственно вдох, задержку дыхания и выдох. Чтобы довести ритмичное и правильное дыхание до автоматизма без помощи обратной связи, "вслепую", часто требуется не один год. Гребной канал - человеку предлагают компьютерную игру с соревновательным сюжетом. Победа в этих соревнованиях зависит 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.