THE EFFECT OF OPTICAL STIMULATION WITH ALPHA EEG FREQUENCIES ON HUMAN SENSORIMOTOR ACTIVITY PARAMETERS

Full Text

ВВЕДЕНИЕ
В современном мире человек постоянно подвергается воздействию множества экзогенных факторов, многие из которых обладают ритмическим характером, например, акустические или электромагнитные шумы различных частот. Эти факторы могут оказывать значительное влияние на функциональное состояние организма человека и эффективность различных видов деятельности [1, 2]. Направленность эффекта зависит как от характеристик самого фактора, так и от индивидуальных нейрофизиологических особенностей человека. В условиях ритмической стимуляции люди с разной организацией высшей нервной деятельности способны демонстрировать снижение или повышение результативности, например, сенсомоторной деятельности (СМД), что особенно актуально в производственной, транспортной и спортивной сферах. 
Параметры сенсомоторных реакций (СМР) являются важными индивидуально-типологическими характеристиками человека, отражающими способность быстро и точно обрабатывать информацию и реагировать на внешние стимулы. Простые СМР включают реакцию на одиночный стимул, что позволяет оценить быстроту и стабильность сенсомоторного реагирования. Сложные СМР, такие как реакции выбора, или дифференцировочные реакции (Go/No-go реакции), предполагают более высокий уровень когнитивной обработки поскольку требуют выбора реакции в зависимости от типа стимула или ее торможения на нерелевантный стимул.  
Стандартными показателями СМР являются время реакции - временной интервал от подачи стимула до моторного ответа; показатель вариабельности сенсомоторного реагирования - индивидуальная изменчивость времени реакции, чаще всего определяемая по величине стандартного отклонения; количество опережающих реакций и ошибок.
Время реакции может быть связано с различными личностными характеристиками индивида такими как общий уровень активации нервной системы [3], уровень внимания, личностная и ситуативная тревожность [4, 5].
Показатель вариабельности СМР, наряду с временем реакции, является одной из главных характеристик сенсомоторной деятельности. Показано, что высокая вариабельность связана с более низкой результативностью выполнения сложных когнитивных задач [6]. Полагают, что она косвенно характеризует устойчивость внимания испытуемого [7]. Высокая вариабельность простой двигательной реакции может являться коррелятом ряда психических и соматических расстройств, например, наблюдается при аутизме, синдроме дефицита внимания и гиперактивности [8].
При анализе СМР обычно выделяют премоторный и моторный компоненты. Премоторный компонент отражает преимущественно процессы, связанные с восприятием и анализом стимула, а моторный связывают с реализацией двигательного ответа.
Для дифференцировочных реакций премоторный компонент включает не только детекцию стимула, как в простых СМР, но и дополнительный анализ этого стимула для принятия решения о необходимости действия или игнорирования стимула. Время принятия решения (ВПР) можно рассчитать как разницу между временем простой и дифференцировочной СМР. Результаты собственных исследований и данные литературы свидетельствуют о том, что ВПР имеет существенные индивидуальные различия, которые коррелируют с некоторыми особенностями исходной ЭЭГ человека [9]. 
Временные характеристики СМР определяются не только индивидуально-типологическими особенностями, но и могут изменяться под влиянием различных видов экзогенной стимуляции. Показано, что в этом случае применимы не только методы электрической и магнитной транскраниальной стимуляции [10], непосредственно влияющие на частотные характеристики нейронной активности, но и более простые и доступные методы звуковой [11] или оптической [12] стимуляции, которые, при правильно подобранном частотном воздействии, также могут изменять эндогенную активность нейронных ансамблей, что в свою очередь влияет на показатели СМР. В ряде исследований показано, что ОС на частотах α-диапазона (8-12 Гц) может оказывать разнонаправленные влияния на результативность как сенсомоторной, так и когнитивной деятельности. Это зависит от специфики самой деятельности и от психофизиологических характеристик индивида. С одной стороны, установлено, что такая ОС приводит к повышению пропускной способности и надежности человека-оператора (уменьшению количества ошибок) [13]. С другой стороны, показано, что для некоторых видов деятельности, связанных, например, со временем распознавания зрительных стимулов, ОС и последующие эффекты навязывания ритма в структурах зрительной системы могут иметь негативное влияние на успешность выполнения задания [14].
Исходя из того, что по данным литературы премоторный компонент сложной реакции, главной составляющей которого является ВПР, более подвержен влиянию различных эндогенных и экзогенных факторов, таких как эмоциональное состояние индивида [15], степень утомления [16], сложность сенсомоторного задания [17], различные фармакологические воздействия [18], можно полагать, что именно ВПР будет наиболее чувствительно и к воздействию ОС. Можно также предположить, что характер (направленность) влияния ОС на параметры СМД связан с индивидуальными различиями ВПР. Поэтому для выявления индивидуальных особенностей, обуславливающих различный эффект ОС на параметры СМД, мы выделили группы испытуемых с малым и большим ВПР в обычных условиях без ОС.
Ранее в наших исследованиях было установлено, что разнонаправленное влияние ОС на результативность мнестической деятельности связано с индивидуальными характеристиками фоновой ЭЭГ человека.  Было показано, что у лиц с изначально более низкой спектральной мощностью поддиапазона 10 Гц увеличение эффективности мнестической деятельности (тест n-back) в условиях ОС сопровождалось увеличением спектральной мощности этого поддиапазона [19].
Наряду с традиционно используемыми спектральными показателями исходной ЭЭГ в настоящее время предметом анализа альфа активности часто являются характеристики индивидуального α-пика: его частота (IAF - Individual Alpha Frequency) и амплитуда. В ряде исследований было показано, что IAF может отражать различия индивидов по эффективности рабочей памяти, скорости переработки информации, времени реакции и может изменяться при выполнении когнитивных задач или физических упражнений [20, 21]. 
Связь частоты α-ритма и эффектов ОС может быть рассмотрена в двух аспектах. С одной стороны, нами показано, что под влиянием ОС с частотой 10 Гц изменяется вариабельность простой СМР человека, причем направленность таких изменений зависит от базовых характеристик фоновой ЭЭГ - глубины десинхронизации высокочастотного диапазона α-ритма и IAF исходной ЭЭГ [22]. С другой стороны, в исследованиях установлено, что ОС с частотой α-пика оказывает наибольшее влияние на эндогенную ритмику, а ОС с частотой, выше или ниже ее на несколько герц способна в некоторых случаях оказывать эффект навязывания ритма и, сдвигая частоту работы нейронных ансамблей, влиять на результативность деятельности [23]. Учитывая, что выраженность навязывания ритма зависит от силы стимуляции и разницы между IAF и частотой стимуляции [24], во многих исследованиях авторы выбирают частоту стимуляции IAF±1Гц или IAF±2Гц. При этом IAF±2Гц рассматривается в качестве наиболее подходящего компромиссного значения, дающего достаточный эффект ОС без необходимости использования чрезмерно яркого источника света.
ЦЕЛЬ
Выявить индивидуальные различия влияния ОС с частотой индивидуального α-пика и с частотой, превышающей ее на 2 Гц на параметры сложной сенсомоторной реакции человека.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В исследовании на основе добровольного информированного согласия участвовали 65 испытуемых, мужчины в возрасте 18-23 года, правши с нормальной или скорректированной до нормальной остротой зрения. Исследования одобрены этическим комитетом ПМГМУ им. И.М. Сеченова (Протокол №10-24 от 18.04.2024). Испытуемый находился в затемненной комнате в отсутствии посторонних раздражителей, сидя на расстоянии 70 см от экрана монитора. В качестве сенсомоторной деятельности предлагались два компьютеризированных теста на время простой (ВПДР; 70 предъявлений стимулов) и сложной (Go/No-go, ВСДР; 70 предъявлений целевого стимула и 70 предъявлений нерелевантного стимула) двигательных реакций. В первом случае задача испытуемого заключалась в том, чтобы как можно скорее нажать на определенную кнопку клавиатуры правой рукой при появлении красного круга в центре экрана монитора, стараясь не допускать преждевременных нажатий. Интервал между сигналами составлял от 0,8 до 2,5 сек. При выполнении теста на ВСДР испытуемый должен был реагировать нажатием кнопки только на стимул красного цвета, игнорируя стимул зеленого цвета. 
В обследовании использовали монитор HP 2011x с диагональю 20 дюймов. Для ОС применяли фотостимулятор 7.5*7.5 см, который располагался непосредственно над монитором. При мерцании стимулятора яркость вспышек, измеренная в непосредственной близости от него, составляла 200 lx. 
Сенсомоторный тест на ВПДР оценивали в обычных условиях (ситуация ТЕСТ). ВСДР предъявлялся в трех экспериментальных ситуациях: в обычных условиях (ТЕСТ); при предъявлении стимула в условиях ОС с частотой IAF испытуемого (ТЕСТiaf); в условиях ОС с частотой выше IAF на 2 Hz (ТЕСТiaf+2). 
При обработке результатов тестов определяли среднее ВПДР и ВСДР в мс, а также вариабельность ВСДР (SDвсдр) как стандартное отклонение в трех экспериментальных ситуациях. Для каждого испытуемого высчитывали ВПР (мс) по разнице значений ВСДР и ВПДР в обычных условиях (ситуация ТЕСТ). 
Регистрацию ЭЭГ (17 отведений, монополярно по схеме 10-10: F3, Fz, F4, T3, C3, Cz, C4, T4, P3, Pz, P4, O1, Oz, O2, P5, Poz, P6) проводили на электроэнцефалографе NVX-52 (Россия, ООО Медицинские компьютерные системы, Зеленоград). По данным ЭЭГ, зарегистрированной в исходном состоянии при закрытых глазах в девяти затылочно-теменных отведениях (P3, Pz, P4, O1, Oz, O2, P5, Poz, P6), рассчитывали IAF и амплитуду α-пика путем вычисления значения спектральной плотности мощности ЭЭГ α-диапазона (8-13 Гц) с использованием метода multi-taper, реализованного посредством функции psd_multitaper модуля MNE-python [25].  
Проверку данных на нормальность распределения проводили по тесту Колмогорова–Смирнова. Для представления и анализа результатов использовали методы непараметрической статистики («STATISTICA v.8»). Данные представлены в виде медианы (Me) и интерквартильного размаха [Q1; Q3]. При сравнении результатов обследования испытуемых независимых групп использовали U критерий Манна-Уитни. Изменения показателей в разных ситуациях у испытуемых одной группы оценивали с применением T критерия Вилкоксона. Достоверными считали отличия при p<0.05. 
РЕЗУЛЬТАТЫ
Проведенный анализ по группе испытуемых в целом выявил ряд различий в значениях ВСДР в трех экспериментальных ситуациях. Установлено уменьшение ВСДР в ситуации ТЕСТiaf+2 по сравнению с ситуациями ТЕСТ (Т=666; Z=2,66; р=0,0079) и ТЕСТiaf (Т=565; Z=3,18; р=0,0015). Различия по показателю вариабельности ВСДР по группе испытуемых в целом в трех экспериментальных ситуациях не зарегистрированы (табл.1).  
Обращали на себя внимание существенные индивидуальные различия изменения ВСДР в ситуации ТЕСТiaf+2 по сравнению с другими ситуациями. По сравнению с ситуацией ТЕСТ уменьшение ВСДР составило 5,95 [-2,90; 13,95] мс при индивидуальных вариациях от уменьшения на 30,05 мс, до увеличения на 35,85 мс.
Время принятия решения, составившее в целом по группе 78,05 [65, 90; 89, 65] мс индивидуально варьировало от минимальных 43,3 мс до максимальных 168,8 мс. В соответствии с Q1 и Q3 были выделены две группы испытуемых: с малым (1 группа, 16 человек,) и большим (2-я группа, 16 человек) ВПР. У испытуемых 1 группы ВПР составило 55,3 [49, 13; 61, 10] мс, а у индивидов 2-й группы 105,0 [95, 83; 126, 60] мс. 
Параметры простой и сложной СМД в трех ситуациях обследования у испытуемых выделенных групп представлены в табл. 2.
ВПДР у испытуемых выделенных групп значимо не различалось. ВСДР во всех ситуациях было значимо большим у испытуемых 2-й группы. Направленность изменений ВСДР в условиях ОС у испытуемых выделенных групп была различной. 
У испытуемых 1-й группы ВСДР в условиях ТЕСТiaf было большим, чем в обычных условиях (T=10,0 Z=3,0; p=0,0027) и в условиях ТЕСТiaf+2 (T=29,0; Z=2,02; p=0,0437). В ситуации ТЕСТiaf+2 ВСДР не отличалось от наблюдавшегося в обычных условиях.
У испытуемых 2-й группы в условиях ТЕСТiaf относительно ситуации ТЕСТ значимых изменений ВСДР не обнаружено. В условиях ТЕСТiaf+2 ВСДР было меньше, чем в ситуациях ТЕСТ (T=1,0; Z=3,46; p=0,0005) и ТЕСТiaf (T=25,0; Z=2,22; p=0,0262).
SDвсдр в ситуации ТЕСТ у испытуемых 1-й группы по сравнению с испытуемыми 2-й, было достоверно ниже (табл.2). Значимых изменений этого показателя у испытуемых 1-й группы при выполнении ВСДР в условиях ТЕСТiaf и ТЕСТiaf+2 не зарегистрировано. У испытуемых 2-й группы в условиях ТЕСТiaf+2 имело место достоверное снижение вариабельности ВСДР по сравнению с ситуацией ТЕСТ (T=27,0; Z=2,1; p=0,034).
Таким образом, у лиц с малым ВПР в условиях ТЕСТiaf ВСДР увеличивалось, при этом его вариабельность не изменялась. У лиц с исходно большим ВПР в ситуации ТЕСТiaf+2 уменьшались ВСДР и его вариабельность. 
По частоте IAF испытуемые выделенных групп не различались (10,13 [9, 80; 10, 63] Гц и 10,30 [9, 74; 11, 26] Гц соответственно группам). Амплитуда α-пика была достоверно выше у испытуемых 1-й группы (65,64 [14, 35; 171, 45] мкВ и 14,22 [6, 93; 46, 87] мкВ соответственно группам, U=73,0; Z=2,073; p=0,038).
ОБСУЖДЕНИЕ
    В литературе при анализе характеристик α-пика основное внимание уделяется его частоте, при этом существенно меньшее количество исследований посвящено анализу амплитуды α-пика. Однако амплитуда и частота α-пика по-разному коррелируют с поведенческими показателями [26]. 
    Анализ фоновой ЭЭГ испытуемых установил, что амплитуда α-пика была значимо выше у лиц с исходно малым ВПР. По частоте α-пика испытуемые выделенных групп не различались. Несмотря на то, что существуют работы, свидетельствующие о взаимосвязи IAF и некоторых скоростных характеристик обработки зрительной информации [27], также имеются свидетельства, что непосредственно скорость СМР не зависит от IAF [28].
    В настоящем исследовании применялись два вида ОС. По данным литературы стимуляция с частотой индивидуального α-пика и с частотой, отличающейся от нее на несколько герц, оказывают разное влияние на характеристики α-активности, а также на результативность деятельности [29].
    Также известно, что ОС с частотой IAF дает наибольший прирост амплитуды α-ритма по сравнению с ОС отличающейся от IAF, увеличивая синхронизацию активности ансамблей нейронов, осциллирующих на этой частоте, что может как позитивно, так и негативно влиять на результат сенсомоторной деятельности [23]. 
    Проведенное исследование показало, что у испытуемых с исходно малым временем принятия решения и высокой исходной мощностью α-пика при ОС с частотой IAF наблюдалось увеличение ВСДР. В группе испытуемых с большим ВПР и низкой амплитудой α-пика в этих условиях не только не наблюдалось увеличения ВСДР, но отмечалось некоторое уменьшение времени реакции, не достигавшее, однако, статистически значимого уровня. Эти факты можно объяснить с учетом известной концепции о том, что наибольшей эффективности деятельности соответствует некоторый средний или оптимальный уровень активации («кривая Иоркса-Додсона») [30]. Мощность α-ритма является одним из параметров, отражающих уровень активации коры головного мозга, который обусловлен влиянием комплекса факторов, таких, например, как специфические и неспецифические активирующие влияния, мотивация, эмоциональное состояние, тревожность и другие. Можно полагать, что у испытуемых с малым ВПР и относительно высокой исходной амплитудой α-пика такой оптимальный для СМД уровень активации наблюдался именно при тестировании в обычных условиях. А усиление синхронизации α-ритма при ОС соответствующей частоты приводило к «выходу» из оптимальной зоны и увеличению времени сложной реакции. В то же время у части испытуемых с исходно низкой амплитудой α-пика и большим временем реакции ОС с частотой IAF, способствующая синхронизации α-ритма, сопровождалась уменьшением ВСДР, что и проявлялось в уменьшении медианы, не достигавшим, однако статистически значимого уровня. Можно полагать, что одним из факторов, определяющих характер влияния ОС с частотой IAF на параметры СМД конкретного индивида, является соотношение наблюдаемого во время тестирования и оптимального для деятельности уровня активации коры головного мозга. 
    ОС с частотой, отличающейся от IAF на несколько герц, работает по другому принципу, такая стимуляция может оказывать эффект навязывания ритма и сдвигать частоту осцилляции нейронный сетей. В литературе эффективность такого сдвига объясняется с помощью концепции «языка Арнольда», которая описывает динамические принципы взаимодействия экзогенных ритмов и мозговых осцилляций. Чем ближе частота стимуляции к собственной частоте мозгового ритма и чем выше интенсивность стимуляции, тем сильнее эффект навязывания ритма. Таким образом, для α-ритма эффективность сдвига эндогенных осцилляций прежде всего будет зависеть от силы стимуляции и разницы между IAF и частотой стимуляции [24]. Было показано, что успешное навязывание (IAF±2 Гц), осуществленное с помощью метода транскраниальной электрической стимуляции, может оказывать влияние и на результативность выполнения перцептивной и сенсомоторной деятельности [31]. ОС с частотой, превышающей IAF, также способна вызывать эффект навязывания ритма и оказывать положительное влияние на временные характеристики СМД [23].
    Результат настоящего исследования в целом согласуется с этими данными литературы и подтверждает возможность увеличения скорости сложной СМР путем применения ОС с частотой IAF+2 Гц. Однако в нашем исследовании было установлено, что уменьшение времени реакции в ситуации ОС с частотой IAF+2Гц по сравнению с обычными условиями наблюдалось у испытуемых с исходно большим ВПР и низкой амплитудой α-пика. В той же ситуации у испытуемых с малым ВПР и относительно высокой амплитудой α-пика изменений времени сложной сенсомоторной реакции не выявлено. 
    В литературе приводятся данные о том, что чем шире альфа-кривая в состоянии покоя (и, вероятно, ниже амплитуда α-пика), тем выше эффекты модуляции, направленные на смещение собственной частоты в сторону быстрых ритмов [29]. Можно полагать, что ОС с частотой IAF+2Гц в большей мере увеличивает частоту α-ритма при навязывании у испытуемых с низкой амплитудой α-пика. С другой стороны, известны количественные закономерности обработки информации человеком, рассчитанные на основе интегральной модели деятельности мозга, одним из основных нейрофизиологических параметров которой является частота доминирующего α-ритма [32]. Согласно этим представлениям у лиц с исходно низкой амплитудой α-пика (и исходно высоким ВПР) уменьшение времени сложной реакции, по-видимому, происходит за счет более выраженного эффекта навязывания ритма, когда ОС с частотой IAF+2Гц увеличивает частоту активности нейронных ансамблей, что способствует уменьшению ВСДР и его вариабельности. В отличие от них, у испытуемых с высокой исходной амплитудой α-пика и низким ВПР подобная стимуляция не оказывала выраженного эффекта на время реакции относительно выполнения теста без ОС.
    Таким образом, настоящее исследование показало, что ОС с частотой, превышающей IAF на 2Гц, способна уменьшать время сложной реакции и его вариативность, в то время как ОС с частотой IAF не оказывало выраженного положительного эффекта на скоростные характеристики СМД, а у части испытуемых могло приводить к снижению результата. В целом можно сделать вывод, что при применении ОС с частотами α-диапазона необходимо учитывать индивидуальные характеристики исходной ЭЭГ человека. Исходя из полученных результатов, наиболее эффективно использование ОС с частотой IAF+2Гц у лиц с исходно большим ВПР, которые характеризуются низкой амплитудой индивидуального α-пика.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
    В настоящем исследовании применялись два вида оптической стимуляции - с частотой индивидуального α-пика ЭЭГ и с частотой выше индивидуального α-пика на 2 Гц. Установлено, что оптическая стимуляция с частотой индивидуального α-пика +2 Гц снижает время сложной двигательной реакции. У лиц с разным исходным временем принятия решения изменения временных параметров сложной двигательной реакции в условиях оптической стимуляции с указанными частотами α-диапазона различны. При этом у лиц с исходно низким временем принятия решения амплитуда α-пика была значимо выше, чем у испытуемых с большим временем принятия решения. Показано, что оптическая стимуляция с частотой индивидуального α-пика может оказывать негативный эффект на результативность сенсомоторной деятельности лиц с исходно низким временем принятия решения. У испытуемых с исходно высоким временем принятия решения в ситуации оптической стимуляции с частотой выше индивидуального α-пика на 2 Гц снижались время сложной двигательной реакции и вариабельность выполнения теста относительно его результата в условиях отсутствия стимуляции. По частоте α-пика испытуемые выделенных групп не различались. Таким образом установлено, что время принятия решения связано с исходными характеристиками ЭЭГ и, в первую очередь с амплитудой индивидуального α-пика, что, в свою очередь, может служить объяснением разнонаправленности эффектов влияния оптической стимуляции с частотами α-диапазона на временные параметры сенсомоторных реакций человека. При этом результаты исследования позволяют говорить о принципиально различном влиянии на временные параметры сенсомоторной деятельности двух исследуемых видов оптической стимуляции α-диапазона.

About the authors

Nikolay Alekseevich Karatygin

Email: karatygin_na@academpharm.ru

Irina Ivanovna Korobeinikova

Author for correspondence.
Email: i_korobeinikova@mail.ru
Russian Federation

Margarita Andreevna Tsyganova

Email: oplatchikova_m_a@staff.sechenov.ru

Yana Andreevna Venerina

Email: y.a.venerina@yandex.ru

Tamara Dzhebrailovna Dzhebrailova

Email: dzhebrailova@mail.ru

References

Supplementary files