Технические основы нейрофидбэка

При всей своей кажущейся сложности в основе нейрофидбэка лежат достаточно простые принципы, позволяющие обучать мозг достижению и поддержанию более выгодных и эффективных состояний и способов обработки информации и чувств. Давайте разберемся, каким образом регистрируемая электрическая активность мозга преобразуется в получаемый сигнал обратной связи (фидбэк).

Пороги обратной связи

Одним из основных в нейрофидбэке является понятие порога (пороговой величины – threshold), которое обычно означает величину, которую должен достичь какой-либо параметр ЭЭГ для активации сигнала обратной связи. В самом простом случае – это уровень в микровольтах, относительно которого амплитуда ЭЭГ должна быть выше или ниже. Но помимо уровней амплитуд пороги могут отображать и характеристики взаимосвязанности различных частей мозга, определяемые когерентностью, синхронностью и другими смежными параметрами.

На основе установок порогов программный протокол определяет, какие компоненты мозговой активности будут поощряться, а какие подавляться. Например, при установке порога подавления теты на 7 мкВ обратная связь будет активироваться, когда уровень теты будет опускаться ниже 7 мкВ. И если в качестве обратной связи мы используем воспроизведение видеофайла, то при падении уровня теты ниже 7 мкВ видео начнет воспроизводиться.

Пороги обычно имеют ручные и автоматические настройки. Автоматическая настройка позволяет просто установить целевое значение уровня фидбэка без необходимости определения абсолютных значений тренируемых параметров. Так в случае автоматической установки порога подавления на 70%, целевое значение порога будет автоматически подстраиваться таким образом, чтобы только 30% мозговой активности в тренируемом диапазоне не проходили порог и активировали старт или остановку фидбэка (в зависимости от настроек).

Обычно в приложениях для нейрофидбэка в рамках одной тренировочной сессии можно устанавливать любое количество порогов поощрения и подавления для разных параметров. Но большое количество поощрений и подавлений может значительно ухудшить качество обратной связи и усложнить восприятие тренировочного воздействия на мозг. Например, в случае установки одного порога можно установить целевое значение на 80% и получить достаточно высокую вероятность активации обратной связи. Когда добавляется второй тренировочный параметр, то при установке обоих порогов на 80% вероятность получения обратной связи (одновременного срабатывания порогов) сокращается до 64% (0.8 * 0.8 = 64%). А добавляя третий порог с целевым значением 80%, мы потенциально уменьшаем обратную связь до 51% (0.8 * 0.8 * 0.8).

Подавления и поощрения

Порог подавления в идеале должен тренировать мозг не допускать больших всплесков нежелательной активности. Если в качестве подавляемой активности выступает тета-ритм, то фактически мы тренируемся избавляться от наиболее значительных пиков теты, что уменьшит ее средний уровень и также уменьшит колебания значений тета-ритма. Чувствительность автоматического порога задается настройкой Эпохи (epoch). Эпоха – это количество секунд, которое программа использует для определения абсолютного значения порога, чтобы он соответствовал заданному процентному значению. Пороги со слишком чувствительными автоматическими настройками в действительности не будут выполнять свою задачу. Всякий раз, когда будет происходить скачок тренируемого параметра, абсолютное значение порога будет быстро возрастать и затем медленно возвращаться к исходному значению, так что мозг в действительности может получать позитивный фидбэк в то время как будет производить нежелательную активность. Поэтому в случае порогов подавления необходимо использовать длинные эпохи (обычно 30-60 секунд). Т.о. порог не будет подвержен скачкам, но будет изменяться при реальном снижении или повышении уровня тренируемой активности.

Пороги поощрения имеют другую особенность. У подавляющего большинства тренируемых в ответ на подавление каких-либо определенных диапазонов частот происходит также уменьшение амплитуд и в других диапазонах. Так например, при уменьшении амплитуды теты в течение тренировочной сессии амплитуда беты также обычно падает, даже если для нее установлено поощрение. Тем не менее, в большинстве случаев подавляемая активность падает больше чем поощряемая, приводя к улучшению соотношения между двумя типами активности, что обычно и является критерием эффективности выполняемого тренинга. Именно поэтому для порогов поощрения не рекомендуется устанавливать ручные настройки целевых значений, так как в случае спада уровня поощряемой частоты мозг может перестать получать позитивный фидбэк. Также для порогов поощрения обычно настраиваются более короткие эпохи, порядка 15 с.

Что касается целевых процентов, то здесь все зависит от индивидуальных особенностей восприятия. В случае повышенной тревожности человеку бывает сложно расслабиться, если уровни фидбэка низки. Но если человек склонен уходить в себя, то низкий уровень фидбэка наоборот будет благоприятен, так как будет поддерживать достаточный уровень внимания к тренировочному процессу и не позволит уходить в свои мысли.

В Биоэксплорере есть возможность автоматического переключения режима работы порога с автоматического на ручной при достижении какого-либо значения таймера или другого условия. По примеру Ван Дюзена для порогов подавления я обычно устанавливаю автоматический режим, который по истечению нескольких минут (когда работа мозга более или менее стабилизировалась) автоматически переключается на ручной. В этом случае мозг получает фиксированную цель, относительно которой можно себя тренировать. И чем лучше он это делает, тем выше становится процент получаемой обратной связи.

Задержка фидбэка

Еще одним важным условием для успешной тренировки мозга при помощи нейрофидбэка является небольшое время задержки между моментом возникновения в мозге какого-либо события и моментом получения сигнала обратной связи об этом событии. Чем больше время задержки между двумя этими моментами, тем хуже мозг реагирует на получение обратной связи и соответственно хуже обучается в процессе тренировки. Рекомендуется, чтобы задержка фидбэка не превышала 250 мс.

Как правило, самая большая задержка возникает в полосовом фильтре, поэтому очень важно найти компромисс между точностью фильтра и временем задержки сигнала. На высоких частотах всплески активности имеют меньшую продолжительность, чем на низких, поэтому для того чтобы данные всплески не обрезались, к полосовым фильтрам для бета-частот обычно применяются более жесткие требования в плане времени задержки.

В Биоэксплорере многие элементы имеют настройку “average period”, но следует понимать, что время усреднения также может добавляется к задержке фидбэка, поэтому использовать данную настройку рекомендуется только там, где это не влияет на получение сигнала обратной связи.

Разновидности фидбэка

Визуальный фидбэк обычно бывает двух видов: ориентированный на тренера и на тренируемого (в идеале это все-таки разные люди). В первом случае это, прежде всего, численная  информация и графики, отражающие текущие характеристики процесса тренировки. Во втором – это игровой или видеодисплей обеспечивающий процесс вовлеченности в процесс тренировки. Но иногда эти две категории визуального фидбэка могут быть объединены в одну. Для управления визуальным фидбэком могут использоваться разные методы: старт/остановка воспроизведения, изменение яркости, четкости, увеличения и прочие методы, затрудняющие и облегчающие восприятие визуального материала.

Слуховой фидбэк может быть дискретным либо непрерывным. При использовании дискретного фидбэка в качестве поощрения используется простой одиночный звук, например звон колокольчика. Звук поощрения воспроизводится каждый раз когда активность мозга переходит в целевое состояние. Непрерывный фидбэк может представлять собой как музыкальные композиции, так и отдельные тоны или аккорды, которые меняют громкость или тональность в зависимости от достижения целевых значений активности мозга.

Помимо использования визуального и слухового фидбэка в нейрофидбэке могут использоваться специальные устройства, обеспечивающие тактильный фидбэк, устройства электрической и магнитной стимуляции. В продаже уже есть системы использующие принципы нейрофидбэка для управления радиоуправляемыми игрушками и игровым процессом в играх. Проводятся исследования по воздействию фидбэка на подсознательном уровне.

Также в качестве фидбэка важно иметь возможность анализировать статистические данные результатов проводимых тренировок. По этим данным можно сказать в правильном ли направлении идет тренировочный прогресс, да и видимые на графиках позитивные изменения в активности мозга улучшают дальнейшие результаты из-за психологического аспекта. Но конечно ориентироваться только на численные показатели не стоит. Главным критерием эффективности проводимого тренинга должно быть самочувствие и ощущение позитивных изменений у тренируемого.