БИОФИЗИКА, 2021, том 66, № 2, с. 408-411

БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

УДК 612.821:612.822.3

ПРИНЦИП ЗАМКНУТОЙ ПЕТЛИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ОТ ЭНДОГЕННЫХ

РИТМОВ ЧЕЛОВЕКА В СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ

НЕЙРОБИОУПРАВЛЕНИЯ И АДАПТИВНОЙ НЕЙРОСТИМУЛЯЦИИ

*Институт биофизики клетки РАН - обособленное подразделение ФИЦ «Пущинский научный центр биологических

исследований РАН», 142290, Пущино Московской области, Институтская ул., 3

**Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

, 603950, Нижний Новгород, просп. Гагарина, 23

E-mail: fedotchev@mail.ru

Поступила в редакцию 23.06.2020 г.

После доработки 23.06.2020 г.

Принята к публикации 21.08.2020 г.

Проанализированы особенности реализации принципа замкнутой петли обратной связи от эндо-

генных ритмов человека в двух перспективных технологиях нейроинтерфейсов - нейробиоуправ-

ления и адаптивной нейростимуляции. На примере собственных экспериментальных данных обос-

нованы преимущества адаптивной нейростимуляции - автоматическое замыкание петли обратной

связи от эндогенных ритмов человека и вовлечение процессов восприятия и обработки значимых

для человека интероцептивных сигналов в механизмы деятельности мозга, обеспечивающие норма-

лизацию функционального состояния под влиянием стимуляционных процедур.

Ключевые слова: нейробиоуправление, интерфейс мозг-компьютер, эндогенные ритмы, замкнутая пет-

ля обратной связи, адаптивная нейростимуляция.

DOI: 10.31857/S0006302921010216

сокращений, ритма дыхания и ритмов электроэн-

Принцип замкнутой петли обратной связи

цефалограммы (ЭЭГ). Эти ритмические процес-

(closed-loop feedback) от собственных биоэлек-

сы тесно взаимосвязаны и составляют основу

трических процессов человека позволяет свое-

природной гомеостатической регуляции функ-

временно получать информацию о текущем со-

ций [3], они демонстрируют явления синхрониза-

стоянии организма и учитывать динамику его из-

ции и резонанса и характеризуются высокой чув-

менения в процессе терапевтических процедур

ствительностью к действию внешних факторов

[1]. К настоящему времени данный принцип

[4]. Благодаря этим свойствам, а также за счет

успешно реализован в технологиях нейробио-

ориентации на природные механизмы регуляции

управления, где человеку предъявляются сенсор-

и пластичности мозга, нейроинтерфейсы на ос-

ные стимулы (зрительные, слуховые, тактильные,

нове эндогенных ритмов обладают повышенной

электрические), отражающие информацию о те-

эффективностью.

кущей активности регуляторных нервных струк-

тур, которые лежат в основе его поведения или па-

Так, например, обратная связь от ритма серд-

тологии. Позволяя выявлять причинные взаимо-

цебиений успешно реализована в процедурах

отношения между биоэлектрической активностью

нейробиоуправления для подавления состояний

и поведением, такая обратная связь обеспечивает

тревоги и стресса [5, 6], а также для улучшения

человеку возможность обучения осознанной регу-

эмоционального состояния [7] и выработки на-

ляции собственных функций на основе сенсорной

выка саморегуляции [8]. С помощью процедур

информации об их текущем состоянии [2].

респираторного нейробиоуправления эффектив-

Анализ литературных данных показывает, что

но формируются навыки спокойного диафраг-

наиболее распространенными являются проце-

мального дыхания с замедленным выдохом [9],

дуры нейробиоуправления, использующие сиг-

что приводит к улучшению эмоционального и

налы обратной связи от системообразующих рит-

психологического состояния пациентов [10]. В

мических процессов человека - ритма сердечных

модельных исследованиях показано, что взаимо-

действие эндогенных и экзогенных осцилляций

Сокращениe: ЭЭГ - электроэнцефалограмма.

при нейробиоуправлении по ЭЭГ открывает воз-

408

ПРИНЦИП ЗАМКНУТОЙ ПЕТЛИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

409

можность персонализированного управления

налы преобразуются в музыкальные (электродер-

ритмами мозга, приводя к усилению когнитив-

мальная активность в мелодию, температура ко-

ной деятельности и улучшению самочувствия в

жи

- в музыкальную тональность, частота

целом [11]. Считается, что ЭЭГ-нейробиоуправ-

сердечных сокращений - в звуки барабана, а ды-

ление является эффективным средством трени-

хание - в приятные подсвистывания, напомина-

ровки мозга [12] и совершенствования когнитив-

ющие звуки при выдохе). Компьютерные преоб-

ных функций человека [13].

разования текущих значений ЭЭГ ритмов паци-

ента в музыкоподобные воздействия успешно

Эндогенные ритмы человека могут использо-

использованы в нейроинтерфейсе «Энцефало-

ваться не только как информационный сигнал

фон», предназначенном для коррекции состоя-

обратной связи при нейробиоуправлении, но и

ния пациентов с двигательными расстройствами

для автоматического управления параметрами

[21], а также в интерфейсе «мозг-компьютер»,

лечебных процедур сенсорной стимуляции. Пре-

предложенном для эффективной коррекции эмо-

имущества такого подхода впервые были теорети-

ционального состояния человека [22].

чески обоснованы и экспериментально проде-

монстрированы четверть века назад в работе [14].

В наших исследованиях экспериментально

К настоящему времени принцип автоматическо-

протестированы несколько вариантов адаптив-

го замыкания петли обратной связи от эндоген-

ной нейростимуляции на основе эндогенных рит-

ных ритмов человека реализуется в инновацион-

мов человека. В одном из них обратная связь от

ной технологии адаптивной нейростимуляции, в

ритма дыхания была использована для устране-

которой целенаправленная модификация актив-

ния рисков надежности специалистов высокотех-

ности заинтересованных нервных структур до-

нологичных видов деятельности, у которых в ре-

стигается за счет сенсорной стимуляции с учетом

зультате чрезмерного напряжения малых групп

текущего состояния организма [15].

мышц при интенсивной работе на компьютере

Таким образом, ключевая особенность адап-

формировались стойкие болевые синдромы.

тивной нейростимуляции на основе эндогенных

Установлено, что быстрое снятие болевых син-

ритмов человека заключается в том, что регули-

дромов и сохранение эффектов обезболивания на

ровка параметров лечебного сенсорного воздей-

длительный срок наблюдалось даже при одно-

ствия осуществляется автоматически, без участия

кратном применении электронейростимуляции,

его сознания [16]. К настоящему времени прин-

автоматически управляемой ритмом дыхания па-

цип автоматического управления сенсорными

циента [23].

воздействиями сигналами обратной связи от эн-

догенных ритмов человека успешно реализован в

В другом исследовании была использована об-

многочисленных исследованиях и стал основой

ратная связь от ЭЭГ. Установлено, что предъяв-

нового направления нейрофизиологии - адап-

ление испытуемым, находящимся в состоянии

тивной нейромодуляции [17].

тревоги и стресса, световых ритмических воздей-

ствий, автоматически формируемых в реальном

Так, например, показано, что при комплекс-

времени на основе их ЭЭГ, приводит к достовер-

ных акустических воздействиях, автоматически

ному увеличению мощности ЭЭГ, а также сниже-

управляемых текущими значениями вариабель-

нию уровня эмоциональной дезадаптации и

ности сердечного ритма пациента, наблюдаются

стрессированности пациентов [24].

позитивные релаксационные эффекты [18]. При

предъявлении пациентам акустических воздей-

В наших недавних исследованиях успешно

ствий, автоматически генерируемых путем транс-

апробированы аудио-визуальные воздействия,

формации определенных ритмов ЭЭГ, достигает-

автоматически управляемые двойной обратной

ся эффективное устранение стресс-вызванных

связью от ритмов ЭЭГ и ритма сердцебиений че-

симптомов и улучшение показателей вегетатив-

ловека [25, 26]. Мы исходили из того, что биопо-

ной нервной системы [19].

тенциалы мозга и сердца являются источником

Одним из популярных направлений адаптив-

интероцептивных сигналов, которые играют важ-

ной нейростимуляции является преобразование

ную роль в поддержании оптимального физиче-

текущих физиологических характеристик челове-

ского, эмоционального и психического здоровья

ка в музыку. Ярким примером такого подхода яв-

человека [27, 28], а их использование в процеду-

ляется нейроинтерфейс «Biomusic», предложен-

рах биоуправления с обратной связью является

ный для мониторинга и коррекции функцио-

«дорожной картой» в развитии нейротехнологий

нального состояния человека

[20]. Авторы

[29]. Именно благодаря вовлечению процессов

исходили из того, что физиологические сигналы

восприятия и обработки значимых для человека

вегетативной нервной системы свидетельствуют

интероцептивных сигналов в механизмы мульти-

о функциональном состоянии организма, но их

сенсорной интеграции, нейропластичности и ре-

обычно трудно интерпретировать. В разработан-

зонансные механизмы мозга, в предпринятых

ном нейроинтерфейсе эти физиологические сиг-

нами исследованиях была достигнута эффектив-

БИОФИЗИКА том 66

№ 2

2021

410

ФЕДОТЧЕВ и др.

ная коррекция стресс-индуцированных сдвигов

6. V. Deschodt-Arsac, R. Lalanne, B. Spiluttini, et al.,

функционального состояния.

PLoS One 13 (7), e0201388 (2018).

Таким образом, можно заключить, что прин-

7. P. Lehrer, K. Kaur, A. Sharma, et al., Appl. Psycho-

цип замкнутой петли обратной связи от эндоген-

physiol. Biofeedback,

109

(2020).

DOI:

ных ритмов человека успешно используется как в

10.1007/s10484-020-09466-z

современных технологиях нейробиоуправления,

8. O. Jafarova, K. Mazhirina, E. Sokhadze, and

так и в методах адаптивной нейростимуляции.

M. Shtark, Appl. Psychophysiol. Biofeedback 45 (2),

Перспективы развития этих технологий опреде-

87 (2020).

ляются, главным образом, их высокой персона-

9. A. Zaccaro, A. Piarulli, M. Laurino, et al., Front.

лизацией через использование обратной связи от

Hum. Neurosci. 12, 353 (2018).

собственных ритмических процессов пациента.

10. J. Blum, C. Rockstroh, and F. S. Göritz, Appl. Psycho-

Предпринятый анализ показывает, что сравни-

physiol. Biofeedback

45,

153

(2020).

DOI:

тельно новая технология адаптивной нейрости-

10.1007/s10484-020-09468-x

муляции обладает и дополнительными преиму-

ществами. Во-первых, это вовлечение процессов

11. И. В. Нуйдель, А. В. Колосов, В. А. Демарева и

восприятия и обработки значимых для человека

В. Г. Яхно, Современные технологии в медицине

интероцептивных сигналов в механизмы мульти-

11 (1), 103 (2019).

сенсорной интеграции, нейропластичности и ре-

12. E. Dessy, O. Mairesse, M. van Puyvelde, et al., Front.

зонансные механизмы мозга, обеспечивающие

Hum. Neurosci. 14, 22 (2020).

нормализацию функционального состояния под

13. D. Valeriani, C. Cinel, and R. Poli, Brain Sci. 9 (2), 22

влиянием стимуляционных процедур. Во-вто-

(2019).

рых, это автоматическое, без осознанных усилий

14. А. И. Федотчев, Биофизика 41 (3), 718 (1996).

пациента, управление лечебными сенсорными

воздействиями, дающее возможность использо-

15. T. Oxley and N. Opie, World Neurosurg. 122, 415

вать адаптивную нейростимуляцию для коррек-

(2019).

ции неблагоприятных сдвигов состояния у паци-

16. X. Zhou and J. P. Miller, Neurosurgery 85 (3), E440

ентов с измененным уровнем сознания, пожилых

(2019).

людей и детей.

17. M. C. Lo and A. S. Widge, Int. Rev. Psychiatry 29 (2),

191 (2017).

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

18. B. Yu, M. Funk, J. Hu, and L. Feijs, Behav. Inform.

Technol.

37,

800

(2018).

DOI:

10.1080/

Работа выполнена при финансовой поддержке

0144929X.2018.1484515

Российского фонда фундаментальных исследова-

19. C. L. Tegeler, H. A. Shaltout, S. W. Lee, et al., Glob.

ний, гранты №№ 18-013-01225 и 19-013-00095.

Adv. Health Med. 9, 2164956120923288 (2020).

20. S. Cheung, E. Han, A. Kushki, et al., Front. Neurosci.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

10, 401 (2016).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

21. T.A.Deuel, J.Pampin, J.Sundstrom, and F.Darvas,

интересов.

Front. Hum. Neurosci. 11, 213 (2017).

22. S. K. Ehrlich, K. R. Agres, C. Guan, and G. Cheng,

PLoS One 14 (3), e0213516 (2019).

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

23. A. I. Fedotchev, V. M. Kruk, S. J. Oh, and G. I. Se-

Настоящая работа не содержит описания ис-

mikin, Int. J. Industr. Ergonomics 68, 256 (2018).

следований с использованием людей и животных

24. А. И. Федотчев, Биофизика 64 (2), 358 (2019).

в качестве объектов.

25. А. И. Федотчев, С. Б. Парин, К. Н. Громов и др.,

Журн. высш. нерв. деятельности 69 (2), 187 (2019).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

26. А. И. Федотчев, С. Б. Парин и С. А. Полевая,

1. N. R. Provenza, E. R. Matteson, A. B. Allawala, et al.,

Вестн. РФФИ. Общественные и гуманитарные

Front Neurosci. 13, 152 (2019).

науки, № 1, 144 (2019).

2. R. Sitaram, T. Ros, L. Stoeckel, et al., Nat. Rev. Neu-

27. L. Quadt, H. D. Critchley, and S. N. Garfinkel, Ann.

rosci. 18 (2), 86 (2017).

N. Y. Acad. Sci. 1428 (1), 112 (2018).

3. F. Riganello, V. Prada, A. Soddu, et al., Int. J. Environ.

28. О. Р. Добрушина, Л. А. Добрынина, Г. А. Арина

Res. Public Health, 16 (13), 2336 (2019).

и др., Журн. высш. нерв. деятельности 70 (2), 206

4. S. Haegens and E. Z. Golumbic, Neurosci. Biobehav.

(2020).

Rev. 86, 150 (2018).

29. S. S. Khalsa, R. Adolphs, O. G. Cameron, et al., Biol.

5. V. C. Goessl, J. E. Curtiss, and S. G. Hofmann, Psy-

Psychiatry Cogn. Neurosci. Neuroimaging 3 (6), 501

chol. Med. 47 (15), 2578 (2017).

(2018).

БИОФИЗИКА том 66

№ 2

2021