Исследователи выяснили, как повысить эффективность обучения при помощи нейрообратной связи

Ученые из Центра нейроэкономики и когнитивных исследований ВШЭ и Лаборатории управления сложными системами Института проблем машиноведения РАН экспериментально обнаружили, чем на самом деле управляет человек, когда сталкивается с задачей самостоятельно повлиять на активность собственного мозга. Сделанное открытие может помочь в разработке немедикаментозных средств лечения эпилепсии, синдрома дефицита внимания и гиперактивности, а также при депрессии. Результаты исследования опубликованы в журнале «Scientific reports».

Мозг человека постоянно электрически активен. Нейроны — маленькие, но очень сложные вычислительные устройства, из которых состоит мозг — обмениваются информацией посредством коротких электрических импульсов. Совокупность огромного числа этих импульсов, распределенных во  времени и возникающих в различных участках головного мозга, порождает колебания электрического потенциала на поверхности головы. Подобно кардиограмме, используя методы регистрации колебаний электрического потенциала по поверхности головы (электроэнцефалограмму),  мы можем судить об активности мозга. По скорости колебаний разделяют несколько типов активности — альфа, бета, гамма, тета и дельта-волны. Их можно регистрировать при помощи электроэнцефалографии, перекодировать в доступную для восприятия форму, например, в яркость компьютерного экрана и предъявлять человеку в режиме реального времени. На этом строятся принципы технологии нейрообратной связи — одного из видов биологической обратной связи, с помощью которой человек может научиться регулировать активность собственного мозга.

Впервые о нейрообратной связи,  как о методе, с помощью которого можно научить человека регулировать электромагнитную активность головного мозга, заговорили в 1960 годы в связи с исследованиями Джозефа Камиа из Чикагского университета. Как показал Камиа, суть этого явления в том, что, с одной стороны, человек, получая обратную связь о своей мозговой активности, учится влиять на эту активность, а с другой стороны, учится определять текущее состояние своей мозговой активности, например, доминирование определенного ритма.

В эксперименте, который провели исследователи Центра нейроэкономики и когнитивных исследований и Института проблем машиноведения РАН, с помощью электроэнцефалографии оценивалась интенсивность альфа-активности мозга (альфа-волны связаны с  умением человека расслабляться, способностью справлять со стрессом, а также усваивать новую информацию). Испытуемые видели информацию о своей альфа активности в виде насыщенности красного цвета экрана монитора и старались мысленно сделать этот цвет наиболее насыщенным.

В исследовании приняли участие 18 человек, 9 из которых (экспериментальная группа) получали реальную обратную связь о своих усилиях, то есть видели ту насыщенность цвета, которая отражала текущий уровень альфа-активности. А контрольная группа получала ложную обратную связь, то есть изменения интенсивности цвета не были связаны с уровнем альфа-активности мозга этих испытуемых.

На протяжении 2 дней обе группы проходили 5 сессий в день, по 2 минуты каждая. Испытуемым не предлагалась никакой стратегии, с помощью которой они могли бы улучшить показатели.

В экспериментальной группе в конце первого дня все испытуемые показали увеличение роста альфа-активности, в начале второго дня показатели альфа-активности были чуть ниже, чем в конце первого, но в течение дня продолжали расти и превышали значения, наблюдаемые в конце первого дня. Два дня тренировки в парадигме нейрообратной связи оказались достаточными для значительного увеличения альфа-мощности. В контрольной группе такого увеличения не наблюдалось.

Альфа-активность нестационарна и появляется в виде особых всплесков, каждый из которых может быть охарактеризован длительностью и амплитудой. Кроме того, важным параметром является число таких всплесков в единицу времени.

«Нам стало интересно, что же меняется во время нейрообратной связи: амплитуда каждого такого всплеска, его длительность или то, насколько часто возникают эти всплески, — поясняет первый автор исследования, старший научный сотрудник Центра нейроэкономики и когнитивных исследований ВШЭ Алексей Осадчий. — С точки зрения нейрофизиологии это три совершенно разных показателя. При увеличении амплитуды растет размер соответствующей популяции нейронов, при росте длительности напрямую включаются кратковременные регуляторные механизмы с обратной связью — они позволяют дольше поддерживать состояние высокой альфа-активности. Повышение же частоты всплесков говорит о том, что под влиянием волевого усилия человека мозг легче входит в состояние, при котором доминирует альфа-ритм».

После того, как экспериментаторы сравнили динамику изменения амплитуды, длительности и частоты появления всплесков в процессе тренировки у всех участников в разные дни, выяснилось, что наиболее значимые изменения претерпевает именно число альфа-всплесков в единицу времени. То есть, обучаясь в парадигме нейрообратной связи, человек учится управлять входом в целевое альфа-состояние — это новые данные в исследованиях механизмов нейрообратной связи.

«Оказалось, что именно частота появления альфа-всплесков — тренируемый показатель, с помощью которого мы можем влиять на альфа-активность в целом, в отличие от амплитуды и длительности, которые, вероятно закодированы на более низком уровне, — подчеркивает Алексей Осадчий. — А это значит, что в терапии и в обучении нам необходимо давать людям обратную связь именно по тому параметру, на который они действительно могут повлиять. В нашем случае — за каждый вход в состояние, за каждый новый всплеск. Желательно, чтобы такое подкрепление человек получал с как можно меньшей задержкой — это то, над чем мы сейчас работаем».

Ученые предполагают, что полученные ими данные справедливы не только для альфа-волн, но и для других типов электромагнитных частот, в ближайшее время сходный эксперимент будет проведен для других типов волн.

Тренировки в парадигме нейрообратной связи  помогают сократить вероятность припадков у больных эпилепсией, снять некоторые проявления СДВГ (синдрома дефицита внимания и гиперактивности) и облегчить состояние человека при депрессии. Кроме того нейрообратная связь как технология помогает спортсменами управлять их психоэмоциональным состоянием. Также она используется при овладении искусством медитации, для улучшения памяти, внимания и повышения способности человека сосредотачиваться. По мнению исследователей, знания о том, какие именно регуляторные механизмы включаются при той или иной форме нейрообратной связи, позволят существенно повысить эффективность этой технологии и открыть доступ к новым, до сих пор неисследованным ресурсам человеческого мозга.
IQ

* В исследовании также принимали участие Михаил Лебедев, старший научный сотрудник в Центре нейроинженерии Департамент нейробиологии, Медицинский Центр Университета Дьюка, Татьяна Шамаева, нейрофизиолог, сотрудница НИИ экспериментальной медицины РАН и Елизавета Окорокова, стажер-исследователь Центра нейроэкономики и когнитивных исследований ВШЭ.

---