Журнал «Компьютерра» № 31 от 28 августа 2007 года

ТЕМА НОМЕРА: Электронная йога

Автор: Алексей Долецкий

Кому не хотелось узнать, как работает организм? Причем не какой-то абстрактный, а свой собственный. Извечное человеческое любопытство заставляет нас прислушиваться к себе: а что там внутри? как оно работает?

До недавнего времени осуществить это желание было невозможно. Во-первых, наш организм, хоть и не является IBM-совместимым, генерирует прерывания (обычно воспринимаемые нами как боль), позволяющие информации о работе периферии достичь нашего сознания только в нештатных ситуациях, когда становится не до любопытства. Во-вторых, созданные к настоящему времени чувствительные датчики и приборы – от кардиографа до томографа – тоже применяются не когда нам хочется, а когда возникнут проблемы со здоровьем. Выхода нет? Есть.

В его основе лежит 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.

Все беды человеческие берут свое начало исключительно в нашей неспособности тихо сидеть в комнате.

Блез Паскаль

Иными словами, 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. Дополнительная стимуляция рецепторов растяжения сосудистой стенки повышенным кровяным давлением заставляет нас ощущать "стук в висках" как при гипертоническом кризе, так и после значительной физической нагрузки. В спокойном состоянии этот же стук можно услышать, усилив чувствительность слухового анализатора с помощью фонендоскопа.

Многие гипертоники чувствуют высокое давление. Но куда лучше было бы почувствовать начинающееся повышение давления и заранее принять меры. Для этого можно ходить с фонендоскопом в ушах (некоторые так и делают). 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. Способ получения дополнительной информации о работе организма и его составляющих называется биологической обратной связью, ее практическое использование – биоуправлением с биологической обратной связью. В литературе обычно и то и другое обозначают аббревиатурой БОС. Энциклопедия Британника дает следующее определение: "Биологическая обратная связь – тип поведенческой терапии, которая пытается изменять условнорефлекторные реакции на стресс".

Простейший БОС-прибор – обычное зеркало, которое дает обратную связь для более точного контроля над движениями, обеспечивающими тщательное бритье или укладку волос.

Разумеется, современные устройства для БОС сложнее зеркала. Главное отличие в том, что для восприятия внешних сигналов о работе какого-либо органа необходимо длительное и многократное сочетание их с внутренним, подпороговым, раздражителем. Например, если повышение кровяного давления человек будет регулярно отслеживать по появлению зрительных, слуховых или тактильных сигналов, он постепенно научится узнавать ощущения, сопровождающие начало подъема давления.

Широко известны методики ЭКГ-БОС и ЭЭГ-БОС. Их соответственно можно представить как электрокардиограф и электроэнцефалограф, подключенные к компьютеру и c помощью специального (то есть отличающегося от используемого в диагностических кабинетах) софта выводящие в режиме реального времени в доступном больному виде количественную информацию о работе исследуемого органа или системы.

Самое главное, что человек может обучаться управлять тем показателем, за которым долго наблюдает. По одной из гипотез, объясняющих принцип действия этого метода, при многократном повторении формируется особый вид рефлексов – условный инструментальный рефлекс [По такому же принципу формируются открытые И. П. Павловым условные рефлексы. Поэтому первое время методику называли инструментальными условными рефлексами].

Такой вид рефлексов может влиять практически на каждый меняющийся показатель работы организма. Чаще всего для этого используется изменение баланса между уже имеющимися, внутренними параметрами. Например, осознанно уменьшая частоту сердечных сокращений (ЧСС), можно произвольно снижать артериальное давление. Слишком низкая частота сердечных сокращений тоже может стать предметом саморегуляции, и тогда, наоборот, учащения сердцебиений можно добиться, понижая кровяное давление.

Есть также ряд изменений психического состояния, которые возникают под влиянием БОС, но не связаны напрямую с регулируемым параметром. Это укрепление уверенности в себе, ощущение внутреннего спокойствия, более глубокая концентрация внимания, уменьшение раздражительности, меньшая концентрация на боли.

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.

Однако общепризнанными пионерами в изучении нового метода стали заокеанские врачи. 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.

Цитата

– Так сердцу не прикажешь, – вздохнула Мария, – Так народ говорит.

– Глупость он говорит, ваш народ, – усмехнулся Калиостро, – Сердце такой же орган, как и иные… И подвластен приказу свыше.

Григорий Горин

Медицина. Страховые организации штата Вирджиния заявили о полной компенсации расходов граждан на лечение гиперактивности с дефицитом внимания с помощью ЭЭГ-БОС. В ряде других штатов страховка покрывает до 80 % затрат на различные виды БОС-тренинга (тогда как лечебные процедуры, не являющиеся методом выбора – т. е. выбором по умолчанию – или имеющие сомнительную эффективность, целиком оплачиваются пациентами).

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.

Спорт. Одно из самых перспективных направлений применения БОС – спорт. Спектр спортивных применений технологии широк – от оптимизации нагрузок и обеспечения пиковой производительности скелетной мускулатуры до обучения расслаблению и вос тановлению 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 [www.yale.edu/opa/newsr/05-03-23-01.all.html]. 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.

Искусство. 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.

Компьютерные игры. The Journey to Wild Divine [Об этой и ряде подобных программ подробнее можно прочитать в статье "Синхронизируйся с компьютером"]. Эта программа позволяет понять, что победа в игре не всегда равняется сумме скорости рефлексов и уровня адреналина. Иногда она достигается спокойствием и расслаблением.

Mindball [www.mindball.se/index.aspx?page=mindball]. В данной игре игроки пытаются управлять шариком с помощью показателей своих энцефалограмм. Выигрывает тот игрок, у которого альфа– и тета-активность, названные в программе "ритмами расслабления", выражены лучше. О цене возможности расслабиться под ласковым взглядом соперника мы лучше умолчим.

Наука. Исследования ведутся в нескольких принципиальных направлениях.

Во-первых, это поиск ситуаций и людей, для которых биоуправление эффективно. Многие исследователи считают, что методика биоуправления более эффективна у людей с низкой внушаемостью, желающих все попробовать самостоятельно, ничего не принимающих на веру. Разработано множество способов повышения способности к релаксации. Это и банальные инструкции "закройте глаза и представьте, что вы находитесь…" с подставлением ситуации по вкусу, и более экзотические, такие как "представление пространства, находящегося между глазами". У некоторых испытуемых, преимущественно женского пола, отмечено усиление способности к самовосприятию при наблюдении за своими реакциями в зеркале. Есть предположения об обратной связи способности к восприятию ряда параметров, например сердечного ритма, с активностью правого полушария мозга, более развитого, как известно, у менее логичной половины человечества.

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.