FALLING ASLEEP PROCESS IN HUMAN LISTENING TO DIFFERENT TYPES OF MONOTONOUS SOUND: A PILOT STUDY



Cite item

Abstract

Development of non-invasive sleep-aid tools requires paying attention to techniques reducing and stabilizing fall-asleep time. Otherwise, all attempts to affect posterior sleep make no sense. The aim of current study was to compare effectiveness of listening through stereo earphones to three types of monotonous sound as one of those techniques. Namely, the sound engendering so-called "binaural beats" (BB), the sound containing ordinary ("monaural") beats (MB) and the sound containing pure tones without beats (imitation, IM) were applied. Methods. Data collected by polysomnographic record (EEG and eye movements) of falling asleep process of 14 subjects during listening to those three sound types then were analyzed to compare the fall-asleep time corresponding to each type. Results. The fall-asleep time during BB-stimulation was less than during IM in 10 subjects from 14; during MB-stimulation - in 5 subjects from 14. The fall-asleep time in BB-stimulation series was significantly (p < 0.05) less than in IM-series. MB-stimulation series contained no significant differences in fall-asleep time from IM-series. Conclusion. Binaural beat stimulation gives rise to the least fall-asleep time beside the sound containing ordinary (monaural) beats as well as monotonous beatless sound.

Full Text

Различные виды биений и их воздействие на человека. Биения - это объективное физическое явление, возникающее при наложении двух колебательных процессов близкой частоты. В психоакустике различают «бинауральные» и «монауральные», или акустические, биения. Акустические низкочастотные биения проще всего услышать, если электрические сигналы немного отличающейся частоты (например, 440 и 434 Гц) с выходов двух генераторов смешать и подать в источник звука (динамик), - мы услышим периодическое нарастание и спад громкости звука на разностной частоте, в данном случае 6 Гц. Эти же сигналы можно одновременно подать в два различных динамика и услышать такие же биения. Здесь место смешивания сигналов - на этапе электрических колебаний или акустических - не влияет на конечный результат. Совсем другое явление наблюдается в случае подачи тех же сигналов раздельно в каждое ухо (с использованием стереонаушников). В этом случае, если одно ухо будет слышать тон с частотой 440 Гц, а другое - тон с частотой 434 Гц, тоже можно ощутить биения с той же частотой 6 Гц, имеющие, однако, иную, внутреннюю природу, связанную с тонкостями слухового восприятия человека. Такие биения называются бинауральными. Человек ощущает их не 47 Ментальная экология Экология человека 2018.05 ушами, а «внутри головы». Бинауральные биения хорошо воспринимаются в диапазоне от 2 до 30 Гц. При меньшей разнице частот между каналами ощущается просто изменение пространственной локализации звука (стереопанорамы), при большей - каждое ухо слышит свой отдельный тон. Что касается несущей частоты (тона, на фоне которого ощущаются биения), то оптимальным для восприятия считается диапазон от 200 до 900 Гц. Наиболее подробно физиология и эффекты бинауральных биений рассмотрены в обзорной статье [8]. Сравнительно редко встречающиеся в природе, биения, однако, свойственны многим технологическим процессам, оказывая таким образом непосредственное влияние на экологическую ситуацию и здоровье человека, в том числе на регуляцию сна и бодрствования. Например, две турбины самолёта, вращающиеся со слегка отличными скоростями, могут вызвать медленные биения, распознаваемые по неприятному ощущению «под ложечкой». Жителям многоквартирных домов могут мешать биения, например, от двух вентиляторов, работающих одновременно, при этом локализовать источник неудобства очень сложно. Но биения приносят пользу, например, в случае точного определения частоты колебаний в электронике или акустике. Предпринимаются также попытки использования этого эффекта для улучшения сна человека. Эффект звуковых биений применяется в различных устройствах светозвуковой стимуляции [11], некоторых программных продуктах, устройствах биологической обратной связи и аудиозаписях психотерапевтической направленности. Несмотря на отдельные обнадеживающие публикации [1, 2, 9], использование звуковых биений для помощи при инсомнии (бессонице) до сих пор мало изучено в научном плане. Главная трудность здесь - это приборная регистрация физиологических изменений. Вызываемый биениями, особенно бинауральными, физиологический отклик весьма слаб [12], поэтому существуют закономерные разногласия по поводу эффективности этой технологии. Да и сами результаты исследований порой противоречивы. Процесс засыпания человека. Общепринятым подходом к лечению инсомнии является сокращение времени засыпания и увеличение времени глубокого сна. При этом первостепенное внимание уделяется именно стадии глубокого (медленноволнового) сна, в связи с его доказанной важностью для восстановления организма. Но воздействие на стадию засыпания является не менее важной задачей, поскольку при наличии проблем с засыпанием попытки скорректировать дальнейший процесс теряют смысл. Процесс засыпания по своей природе многообразен и неустойчив. По современным представлениям, это связано с необходимостью согласования работы разных регуляторных систем мозга. Важным моментом является также циклический характер перехода от бодрствования ко сну, проявляющийся на протяжении всей 1-й стадии сна и заканчивающийся только на 2-й стадии. Гипотеза [4] объясняет эту цикличность наличием двух отдельных подсистем, регулирующих процессы сна/бодрствования, одна из которых связана с ретикулярной активирующей системой и пробуждает мозг, а вторая, наоборот, тормозит активацию. Для исследования механизмов засыпания существуют общепринятые физиологические показатели сонного торможения: электрическая активность мозга (ЭЭГ, вызванные потенциалы) и электроокулограмма (для анализа движения глаз). При развитии сонного торможения обычно происходит снижение энергии всего спектра ЭЭГ. Ряд авторов выделяют в этом процессе ещё дремоту, как отдельное состояние, отличное от бодрствования и сна, и определяют в ней до 7 последовательных стадий. По электрофизиологическим показателям это состояние почти полностью соответствует первой стадии сна. Некоторые авторы на основе показателей ЭЭГ делят первую стадию сна ещё на две подстадии (1-альфа и 1-тета), отличающиеся выраженностью на ЭЭГ альфа- и тета-ритмов. Дальнейшее углубление сна с переходом на 2-ю стадию сопровождается усилением одновременно альфа/бета активности, что соответствует появлению так называемых «сонных веретен» с частотами в диапазоне 12-15 Гц. Поэтому латентность появления «сонных веретён» можно использовать в качестве показателя времени засыпания. Методы На основе анализа предыдущих исследований была поставлена задача сравнить влияние следующих видов стимуляции на процесс засыпания: а) монотонный звук (имитация); б) бинауральные биения; в) мона-уральные биения. В исследовании приняли участие 14 здоровых испытуемых (12 мужчин и 2 женщины) в возрасте от 20 до 32 лет, не страдающие расстройствами сна и нарушениями слуха. С каждым из них было проведено по три опыта во второй половине дня (с 15 до 18 часов). В ходе опыта испытуемый лежал на комфортной кровати в экспериментальной камере с подключенным оборудованием для дистантной регистрации ЭЭГ и движений глаз. Для записи полисомнограммы использовался миниатюрный 8-канальный беспроводной усилитель биопотенциалов (конструкции А. Г. Трощенко). ЭЭГ регистрировалась монополярно с помощью позолоченных чашечковых электродов, фиксируемых клеящим гелем фирмы Natus (США), в отведениях T3, T4, Cz и Oz (согласно международной системе 10-20); электроокулограмма - в двух отведениях с частотой дискретизации 200 Гц. Ещё на двух каналах с частотой дискретизации 1 000 Гц велась параллельная регистрация звука, подававшегося испытуемому в каждое ухо через вакуумные стереонаушники Sennheiser CX-200. Громкость звука подбиралась индивидуально, для обеспечения комфортного прослушивания с возможностью уснуть, и находилась в диапазоне 50-53 дБ звукового давления, при пороге 48 Экология человека 2018.05 Ментальная экология слышимости около 40 дБ. Длительность эксперимента составляла 32 минуты: 1) первая минута - фон; 2) затем 15,5 минуты -воспроизводилась одна из трёх фонограмм (выбранная случайным образом); 3) последующие 15,5 минуты - фон, последействие. Каждая из трёх фонограмм представляла собой 10-секундный зацикленный фрагмент монотонного звука с наложенным «розовым шумом» (частота среза 100 Гц, крутизна - 9 Дб на октаву), воспринимаемого как 4-звучный аккорд. В фонограмме 1 применялись бинауральные биения (ББ), для чего использовалась небольшая расстройка тонов аккорда по каналам: левое ухо (L) - 1) 47,89 Гц; 2) 95,74 Гц; 3) 191,48 Гц; 4) 239,87 Гц; правое ухо (R) - 1) 48,39 Гц; 2) 97,74 Гц; 3) 195,48 Гц; 4) 243,87 Гц, что давало в итоге спектр из четырех ББ: 0,5 Гц; 2 Гц; 4 Гц; 4 Гц (рис. 1А). А озэ 2 57S Б" Ь О X э- 05 f 2 n i i aci OTb би енк й 4 Щ. 4 n Vv- І\ГЛ -vv vW ■дА-' i /у. -A- УЛг* ~v -X, І| w / и 1 Л"-- 4і -V. vaI 4 k 7 1 12 )ec ИЦЕ Я Чі СТ( та, ГЦ 2 )1 “4 2‘ \г 5 -\/W V-wV> 05 1“ 2 lä l lac OTb 1 бі ЄНІ й 4 гц* J. ГД 1 I І S и76 Г w Yv ЛЛ ЛЛ i: '■"v- -“V. Л )! 'A_,_ 1 I' І 1 / 1 4 jVv-4, V u ,.L F t //, 1 1 12 lec ИЦЕ Я Чі СТ( та, ГЦ 2 )1 ъ 5 -w/- Спектральная мощность, дб Q9 0_TL 1 0 1 0 1 Otl г 1 _ /V / і 1 .'■V -'N --V" -V, -J "J3 J*\, V-, V ^ г L J 1-v/ // 4^ '■-V' к 1 1 12 iec 'Ща я чг сто та, ■Ц 2 )1 Ъ 5 Рис. 1. А, Б, В - спектрограммы для звука с бинауральными биениями, монауральными биениями, имитации. Ордината - спектральная мощность звука в децибеллах (дБ), абсцисса - частота (Гц). L - для левого уха, R - для правого уха. 1, 2, 3, 4 - номера тонов в аккорде, с указанием расстройки в спектральных пиках - (0,5; 2, 4, 4) Гц, для А, Б и 0 Гц для В (см. текст). Такая комбинация частот, как несущих, так и биений, была выбрана потому, что она близка к применяемой в аудиозаписях компании Monroe Products, на которые опираются в своих исследованиях некоторые авторы [3, 7, 9] как на средство улучшения сна и когнитивных функций. В фонограмме 2 использовались монауральные биения (МБ), полученные объединением звуков из этих 2 стереоканалов в один моноканал, включая розовый шум. Частоты биений были те же, что и в фонограмме 1, т. е. 0,5 Гц; 2 Гц; 4 Гц; 4 Гц (рис. 1Б). Левое ухо (L) - 1) 47,89 + 48,39 Гц; 2) 95,74 + 97,74 Гц; 3) 191,48 + 195,48 Гц; 4) 239,87 + 243,87 Гц. Правое ухо (R) - 1) 47,89 + 48,39 Гц; 2) 95,74 + 97,74 Гц; 3) 191,48 + 195,48 Гц; 4) 239,87 + 243,87 Гц. В фонограмме 3 в оба уха (и правое R, и левое L) подавался монофонический звук, не содержащий биений, который состоял из розового шума, идентичного шуму фонограммы 2, и чистых тонов с вышеупомянутыми частотами: 1) 48,39 Гц; 2) 96,77 Гц; 3) 193,55 Гц; 4) 241,93 Гц (рис. 1В). Опыты с данным видом звука служили контрольной серией, или имитацией (ИМ). На слух фонограммы всех трех видов были очень похожи, особенно при воспроизведении на небольшой громкости, использовавшейся в опытах, хотя тренированный человек вполне мог их различить. Поэтому некоторые из испытуемых сообщали об отличиях звука в разных опытах, а некоторые - нет. Результаты Все 42 записи, полученные на 14 испытуемых, были стадированы визуально согласно критериям Американской Академии Медицины Сна [6] с эпохой анализа 20 с. При визуальном анализе стадий сна устанавливались программные полосовые фильтры: для ЭЭГ 0,5 - 30 Гц, для ЭОГ - 0,2 - 3 Гц. Для определения момента засыпания в качестве критерия была выбрана первая 20-секундная эпоха, с наличием одного или более сонного веретена (рис. 2), что является основным критерием наступления 2-й стадии сна [6]. Этот показатель далее использовался для сравнения скорости засыпания при предъявлении трех разных фонограмм. Амплитуда, мкв T5, fu л . Л rU/ЦЛ fyu л -50 uV V J v vj 'wgv y ^ V +50 uV ■ A K /U h i Аґ -50 uV vlT \J\^ \ 1V ' Ґ +50 uV f\n ИЛІІ л Д ’ M Ллл A , -50 uV W VW V CD w 4\j ‘Ÿ'fv Vv^ “ y ППь/ІГ V VW Шь'іМ, ac § +50 uV ІЛ 1 сек л мЛ v ^ 1 •50 uV ri/v y и (l) i/v l/|/W 1 r Vй 1 V ^ Ґ v Wf ' 1 u f Рис. 2. Пример первой 20-секундной эпохи 2-й стадии сна с сонными веретенами в отведениях T3 и Cz (выделены жирной линией) Полученные данные для каждого испытуемого отображены в таблице. В случаях, когда 2-я стадия не наступала за время опыта, её латентность (время засыпания) приравнивалась ко времени регистрации, то есть 1 860 с. Видно, что при стимуляции ББ время засыпания по сравнению с ИМ было меньше у 10 испытуемых из 14; при стимуляции МБ - у 5 испытуемых из 14. Сонных веретён не наблюдалось (2-я стадия сна не наступила) - в опытах с ББ - у одного испытуемого, в опытах с МБ - у четырёх, в опытах с ИМ - у трёх (см. таблицу). 49 Ментальная экология Экология человека 2018.05 Сравнение времени засыпания, определяемого по латентности первого сонного веретена, при трёх видах звуковой стимуляции: имитация (ИМ), бинауральные биения (ББ), монауральные биения (МБ) Испытуе мый Латентность первого веретена, с Время засыпания меньше, чем при имитации ИМ ББ МБ ББ МБ 1 1860 729 1860 Да Нет 2 1860 887 1860 Да Нет 3 1173 414 1176 Да Нет 4 816 559 1860 Да Нет 5 582 363 376 Да Да 6 571 415 285 Да Да 7 589 435 1263 Да Нет 8 225 136 78 Да Да 9 227 173 167 Да Да 10 187 175 339 Да Нет 11 1860 1860 1860 Нет Нет 12 637 640 562 Нет Да 13 69 244 80 Нет Нет 14 241 457 284 Нет Нет Достоверность различий времени засыпания испытуемых при ББ и ИМ для всей группы из 14 человек составила 0,957 (р = 0,043) по критерию знаковых рангов Уилкоксона, между выборками ББ и МБ - 0,87 (р = 0,13; достоверных различий нет), между МБ и ИМ - 0,04 (р = 0,96; достоверных различий нет). Для 10 «успешных» испытуемых, у которых время засыпания при стимуляции ББ было меньше, чем при ИМ, средние значения составили: время засыпания при ББ - 429 с; время засыпания при ИМ - 809 с; время засыпания при МБ - 926 с. Обсуждение результатов На основе приведенных цифр можно сделать следующие выводы. 1. Пассивное прослушивание фонограммы, содержащей ББ на частотах 0,5; 2 и 4 Гц, достоверно уменьшает время засыпания (определяемое по наступлению 2-й стадии сна) по сравнению с фонограммой-имитацией аналогичной структуры и громкости, не содержащей биений (с достоверностью 0,957). Время засыпания при прослушивании фонограммы с ББ было меньше у 10 из 14 испытуемых по сравнению с имитацией. В этом случае имело место также наименьшее среднее время засыпания по сравнению с ИМ и МБ. 2. Фонограмма аналогичной структуры и громкости, содержащая МБ тех же частот 0,5; 2 и 4 Гц, оказалась менее эффективной, поскольку только у 5 из 14 испытуемых наблюдалось уменьшение времени засыпания по сравнению с фонограммой-имитацией, а статистически достоверных различий между последними двумя выборками (МБ и ИМ) нет. На рис. 3, где показаны распределения по времени засыпания для каждого из трех видов фонового звука (ББ, МБ и ИМ), можно также отметить некоторые закономерности. А именно, время засыпания примерно до 240 с во всех трех случаях, видимо, соответствует сильной исходной сонливости. В этой части распределений оно практически не зависит от фонового звука. Следующая часть графиков, «плато», в случаях ББ и ИМ соответствует реакции выспавшегося человека. В случае МБ «плато» в данной серии опытов отсутствует. Третья часть, восходящая ветвь, соответствует отсутствию давления сна либо аномальной реакции испытуемого на подаваемый звук. Характерно, что в этой части латентность 2-й стадии сна иногда превышает длительность звукового стимула (930 с), то есть очевидно, что звук мог только препятствовать засыпанию. Статистический анализ полученных экспериментальных данных затруднён в силу очень большого их разброса, математически выражающегося в большой 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Рис. 3. Распределение времени засыпания по выборке 14 испытуемых для трех предъявляемых фонограмм 50 Экология человека 2018.05 Ментальная экология величине стандартного отклонения, а также неоднозначности математической интерпретации случаев, когда испытуемый вообще не засыпал за время опыта (мы считали в этих случаях время засыпания равным времени опыта; пробное дальнейшее его увеличение мало влияло на статистическую значимость различий). Всё это вполне объяснимо большой естественной вариативностью и неустойчивостью параметров процесса засыпания [5, 10].
×

About the authors

D E Shumov

Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology of the Russian Academy of Sciences

Email: dmitry-shumov@yandex.ru

D S Sveshnikov

Medical Institute of Peoples' Friendship University of Russia

V I Torshin

Medical Institute of Peoples' Friendship University of Russia

V B Dorokhov

Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology of the Russian Academy of Sciences

References

  1. Дорохов В. Б., Иваницкий Г. Е., Шумов Д. Е., Щукин Т. Н. Регуляция уровня бодрствования методом бинауральной аудиостимуляции // Сон - окно в мир бодрствования: материалы школы-конференции. Москва, 3-5 окт. 2001 г. М.: ИВНД и НФ РАН, 2001. С. 832.
  2. Abeln V., Kleinert J., Strüder H. K., Schneider S. Brainwave entrainment for better sleep and post-sleep state of young elite soccer players - A pilot study // European Journal of Sport Science. 2014. Vol. 14, N 5. Р. 393-402.
  3. Carter C. Healthcare performance and the effects of the binaural beats on human blood pressure and heart rate // Journal of Hospital Marketing & Public Relations. 2008. Vol. 18, N 2. P. 213-219.
  4. Evans B. M. What does brain damage tell us about the mechanisms of sleep? // J R Soc Med. 2002. Vol. 95, N 12. P. 591-597.
  5. Hobson J. A., Stickgold R. Dreaming and the brain: toward a cognitive neuroscience of conscious states // Behavioral and Brain Sciences. 2000. Vol. 23, N 6. P. 793-842.
  6. Iber C. The AASM Manual for the Scoring of Sleep and Associated Events // Westchester, IL: American Academy of Sleep Medicine, 2007.
  7. Kennerly R. An empirical investigation into the effect of beta frequency binaural beat audio signals on four measures of human memory // Hemi-Sync Journal. 1996. Vol. 14, N 3. P. 1-4.
  8. Oster G. Auditory beats in the brain // Scientific American. 1973. Vol. 229, N 4. P. 94-102.
  9. Rhodes L. Use of the Hemi-Sync super sleep tape with a preschool-aged child // Hemi-Sync Journal. 1993. Vol. 11, N 4.
  10. Santamaria J., Chiappa K. H. The EEG of drowsiness. Demos Publications, 1987.
  11. Tang H. Y., Vitiello M. V., Perlis M., Riegel B. Open-Loop Neurofeedback Audiovisual Stimulation: A Pilot Study of Its Potential for Sleep Induction in Older Adults // Appl Psychophysiol Biofeedback. 2015. Vol. 40, N 3. P. 183-188.
  12. Vernon D., Peryerb G., Loucha J., Shawa M. Tracking EEG changes in response to alpha and beta binaural beats // International Journal of Psychophysiology. 2014. Vol. 93, N 1, P. 134-139.

Copyright (c) 2018 Human Ecology



This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies