Способ управления функциональным состоянием человека

 

Изобретение относится к области медицины, а именно к нейрофизиологии.

Способ позволяет управлять функциональным состоянием человека. Для этого осуществляют воздействие сенсорным сигналом, который модулирован частотами электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Предварительно регистрируют ЭЭГ в стандартных отведениях у человека, находящегося в функциональном состоянии, которое предполагается у него же воспроизводить, рассчитывают ее спектральную плотность, выделяют по всем отведениям кластеры локальных спектральных максимумов, лежащих в пределах частотных интервалов шириной 0,1-0,4 Гц, рассчитывают среднюю частоту и суммарную амплитуду каждого кластера и формируют модулирующий сигнал в виде последовательности периодических составляющих, частоты которых равны рассчитанным, а длительности генерации пропорциональны суммарным амплитудам. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области психофизиологии, точнее к способам оценки, целенаправленного изменения и поддержания желательного функционального состояния (ФС) человека. Оно может быть использовано для снижения его утомляемости, повышения устойчивости к стрессовым нагрузкам, улучшения засыпания и сна, повышения работоспособности, обучаемости и других возможностей человека.

Известно, что ФС относительно устойчивое состояние, характеризующееся совокупностью психофизиологических показателей человека, своеобразный "фон", на котором (или относительно которого) осуществляются конкретные виды деятельности труд, обучение, творчество, отдых.

Оптимальная настройка ФС на какую-либо деятельность резко повышает ее эффективность.

Одним из главных показателей текущего ФС человека являются спектральные характеристики биопотенциалов его мозга (электроэнцефалограммы ЭЭГ), отражающие, в частности, энергию различных периодических составляющих ЭЭГ.

Известны способы воздействия на ФС человека с помощью световых и звуковых стимулов, организованных с учетом характеристик ЭЭГ. Однако эти способы не позволяют эффективно управлять ФС, так как имеют один или несколько из перечисленных ниже недостатков: а) используют характеристики ЭЭГ, усредненные по множеству людей; б) не учитывают степень выраженности (амплитуду, энергию) различных периодических составляющих частотного спектра ЭЭГ; в) используют для воздействия на ФС звук и/или свет, частота модуляции которых, лежащая в диапазоне ЭЭГ (0,5-30 Гц), при переходе от одной частоты к другой меняется непрерывное г) не учитывают существенную разницу характеристик ЭЭГ, отводимых от разных точек над корой головного мозга.

Однако установлено, что каждый человек имеет свою индивидуальную, неповторимую картину ЭЭГ. Поэтому воздействие на ФС по усредненным характеристикам мало эффективно. Локальные частотные максимумы спектра ЭЭГ могут отличаться по амплитуде в десятки раз (фиг. 1), и неучет этого также снижает эффект воздействия на ФС. Установлено, что спектры ЭЭГ для качественно разных ФС (например, спокойного бодрствования, расслабления и сна) имеют выраженные локальные максимумы, отличающиеся всего на единицы или даже доли Гц (фиг. 1, 2 и 3). Поэтому при непрерывном изменении частоты модуляции звука и/или света (так же, как и при действии по усредненным характеристикам) возникают противоречивые по своему эффекту воздействия на ФС, нейтрализующие друг друга или даже дающие эффект, противоположный желаемому. Спектральные характеристики ЭЭГ в одном и том же ФС, но в разных отведениях значительно отличаются, что выражается, например, в распределении и количестве локальных максимумов ( фиг. 2). Поэтому спектральные характеристики ЭЭГ в одном-двух отведениях могут дать искаженную картину частот и энергии доминирующих периодических составляющих интегральной активности мозга в данном ФС.

Способ воздействия на ФС человека с помощью световых и звуковых стимулов, организованных с учетом усредненных характеристик ЭЭГ, реализован в устройстве "lQ-9110" фирмы INNERQUEST СО. США.

Это устройство генерирует набор из 22 программ, каждая из которых представляет собой последовательность периодических сигналов, модулирующих звук и/или свет. Модулирующие сигналы воспроизводят усредненные по множеству людей частотные спектры ЭЭГ в различных ФС, причем переход от одной частоты модуляции к другой осуществляется путем непрерывного изменения частоты, а энергия периодических составляющих не учитывается. Таким образом, способ, реализованный в этом устройстве, обладает по крайней мере тремя из указанных выше недостатков.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности управления ФС человека за счет устранения описанных недостатков.

Поставленная цель достигается индивидуальным управлением ФС конкретного человека (индивида) на основе характеристик спектральной плотности его собственных ЭЭГ, предварительно зарегистрированных в желаемом им ФС. При этом используется многоканальное отведение ЭЭГ для получения интегральной характеристики активности целого мозга в данном ФС (спектрального ЭЭГ-портрета ФС).

Способ состоит из последовательности операций, которая разбивается на 3 этапа: построение ЭЭГ-портрета ФС; синтез по этому портрету модели модулирующей (управляющей) последовательности периодических сигналов; использование последней для индуцирования желаемого ФС.

Сначала индивид с помощью отработанных методик (аудио-визуальной стимуляции, массажа, физических упражнений, медитационной техники, фармакологических и иных воздействий, в том числе известных только самому индивиду) вводится или же спонтанно попадает в желательное для него ФС - активацию, глубокое расслабление, медитацию, сон и т. п. Критерии желательности ФС могут быть либо субъективными самооценка и отчет индивида, либо объективными качество выполнения тестов, значение некоторого показателя.

При достижении желаемого ФС регистрируют ЭЭГ в 8-10 отведениях ( лобных слева Fs и справа Fd, центральных Cs и Cd, теменных Ps и Pd, затылочных Оs и Od, височно-теменно-затылочных -ТРОs и TPOd). Затем с помощью обычного компьютерного спектрального анализа получают характеристики спектральной плотности S для всех отведений ЭЭГ. На фиг. 1 показаны характеристики S индивида NN в отведении Fs для трех ФС начальной фазы сна (1), глубокого расслабления (2) и спокойного бодрствования ( покоя) с закрытыми глазами (3).

По всем отведениям ЭЭГ на кривых S определяют частоты и амплитуды локальных максимумов. На фиг. 1 выделен один из таких максимумов кривой S сна на частоте 5,2 Гц и с амплитудой 1,73 мкВ/Гц.

Дальнейшие шаги в построении ЭЭГпортрета ФС основаны на обнаруженном авторами явлении кластеризации локальных максимумов кривых S для разных отведений ЭЭГ. Оно состоит в объединении максимумов в компактные группы, лежащие в узком частотном интервале 0,1-0,4 ц. Образование таких кластеров может служить признаком вхождения центральной нервной системы в относительно устойчивое ФС, так как в переходных состояниях кластеры расплываются.

Фиг. 2 иллюстрирует это явление для ФС покоя (А) и начальной фазы сна (В). В одной строке расположены максимумы 5 отведения ЭЭГ, указанного слева в той же строке. Видно, что подавляющее большинство максимумов объединяется в кластеры каждый из них обведен замкнутой кривой.

Кластеризация позволяет: а) найти компактную характеристику, отражающую интегральную электрическую активность мозга в определенном ФС ЭЭГ-портрет ФС, б) найти простую процедуру построения ЭЭГ-портрета.

В ЭЭГ-портрете ФС каждому кластеру ставятся в соответствие 2 значения: средняя частота (fm) и суммарная амплитуда ((ΣAi)) всех его максимумов (i=1, 2.n, где п число максимумов в кластере). Набор пар (fm,ΣAi)j, (j=1, 2.m, где m общее число кластеров) образует ЭЭГ-портрет данного ФС. Он отражает спектральный состав и суммарную энергию каждой из основных периодических составляющих ЭЭГ в данном ФС.

На фиг. 3 показаны построенные таким образом ЭЭГ-портреты четырех ФС индивида NN: 1 активация после физической нагрузки и душа, 2 покой с закрытыми глазами, 3 глубокое расслабление, 4 сон (начальная фаза).

Кластеризация, обеспечивая сохранение положения максимумов на частотной шкале при суммировании кривых S для различных отведений ЭЭГ дает возможность получения достаточно точного ЭЭГ-портрета ФС (P) в виде суммы: P = ΣSr (r=1, 2,l), где l число отведений). Это значительно упрощает вычисления, делая ненужным обсчет кривых S для отдельных отведений. Однако данные, приведенные ниже, получены с помощью более строгой процедуры вычисления fm и ΣAi максимумов каждого кластера.

Если на фиг. 3 шкалу спектральной плотности S заменить шкалой длительности (Т) генерации периодических составляющих, то те же "линейчатые спектры" ЭЭГ-портретов ФС становятся моделями модулирующих (управляющих) воздействий для индуцирования соответствующих ФС. Модулирующее воздействие - последовательность чередующихся периодических составляющих, частоты которых равны частотам основных составляющих ЭЭГ, а длительности их генерации пропорциональны энергиям (значениям S) последних.

Из полного ЭЭГ-портрета каждого ФС (фиг. 3) выделяют 8-12 доминирующих составляющих, чтобы общее время генерации модулирующего воздействия было бы приемлемым (15-30 мин) и каждая составляющая оказала бы влияние (время генерации не менее 20с).

Таблица 1 содержит по 10 основных составляющих (в порядке убывания их амплитуды) ЭЭГ-портретов четырех ФС индивида NN (фиг. 3).

Эти же 10 составляющих, генерируемых в том же порядке, как они расположены в таблице, образуют модулирующую последовательность для индуцирования указанных ФС. Очередность генерации может быть и иной.

Длительность генерации Т каждой составляющей определяется соотношением: Т к·ΣAi,, где к const. Значения к выбраны так, чтобы общее время генерации каждой из четырех модулирующих последовательностей составляло 15мин.

С помощью стандартной аппаратуры (низкочастотных генераторов, частотомеров, фото- и фоностимуляторов, синтезаторов, компьютеров) синтезируют модулирующие последовательности с найденными параметрами и фиксируют их на магнитной ленте или в виде программы для компьютера. Затем модулируют ими акустический шумовой или гармонический сигнал, источник света или другие источники энергии, воздействующие на человека.

Использование предлагаемого способа управления ФС человека обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: а) устраняет противоречивые по результатам действия на ФС или неэффективные периодические составляющие модулирующего воздействия, б) обеспечивает прицельный ввод индивида в желаемое ФС за счет точной настройки на частоты и энергию основных периодических составляющих электрической активности его мозга в этом состоянии, что ускоряет наступление, углубляет и удлиняет проявление желаемого ФС, делая его более устойчивыми в) дает возможность формировать объективные и информативные спектральные ЭЭГ-портреты желаемых ФС индивида и индивидуальные библиотеки модулирующих (управляющих) последовательностей или программ для получения набора желаемых ФС; г) облегчает поддержание желаемого ФС путем повторения управляющего воздействия; д) позволяет фиксировать ЭЭГ-портрет и облегчать наступление желаемого ФС, в которое индивид мог попасть спонтанно.

Д О П О Л Н Е Н И Е Следует подчеркнуть, что авторы заявки придерживаются наиболее широко распространенного определения ФС как "фоновой активности нервных центров, при которой реализуется та или иная конкретная деятельность человека" (Н. Н. Данилова. Психофизиологическая диагностика функциональных состояний. М. 1992, с.3).

Что касается соотношения понятий "ФС" и "уровень бодрствования", то подобно большинству исследователей авторы рассматривают уровень бодрствования как одно из поведенческих проявлений ФС (там же, с.6).

Это значит, что сначала меняется ФС центральной нервной системы ( ЦНС) человека и как следствие его поведение, например, уровень бодрствования.

Предлагаемый здесь способ направлен на управление ФС, прежде всего ЦНС, что в целостном организме влечет за собой управление ФС человека как целого.

Пример 1 Управление активацией. Использовали ЭЭГ-портрет функционального состояние физических упражнений и холодного душа) испытуемого В. для синтеза управляющей последовательности сигналов, снимающей у него состояние усталости после рабочего дня.

Управляющая последовательность состояла из 8 периодических сигналов (таблица 2, столбцы 2 и 3) с частотами, равными частотам локальных максимумов спектра ЭЭГ (см. описание). Длительность действия (Ti) каждого сигнала была пропорциональна амплитуде (Ai) этих максимумов и определялась соотношением: Ti=k·Ai, где к = 900/ΣAi (к -коэффициент, выбираемый так, чтобы общее время действия всей последовательности составляло бы 15мин 900с).

Эти периодические сигналы в порядке от низшей частоты к высшей модулировали по амплитуде акустический шум, имевший равномерную частотную характеристику в полосе от 50Гц до 10КГц.

При прослушивании у В. сидящего в кресле, возникало с трудом преодолимое желание мышечной активности в такт со звучащими сигналами. Возникали кивки головой, раскачивания вперед-назад, повороты и наклоны тела влево и вправо, похлопывания руками и т. п. При этом углублялось дыхание, учащался пульс. В конце прослушивания хотелось потянуться и встряхнуться, тонус повышался, "тяжесть" в голове исчезала. Для получения ярко выраженного эффекта активации В. выполнял комплекс физических упражнений в ритме (или через такт) сигналов управляющей последовательности. Работоспособность полностью восстанавливалась.

Пример 2. Управление релаксацией (расслаблением). Испытуемый А. характеризовался повышенной возбудимостью нервной системы с выраженными вегетативными дисфункциями (приступы тахикардии до 100 ударов в минуту), для купирования которых приходилось использовать седативные препараты.

Описанным в заявке способом у А. был получен ЭЭГ-портрет его состояния глубокой релаксации, в соответствии с которым была синтезирована управляющая последовательность (таблица, столбцы 4 и 5).

Для снижения возбудимости центральной нервной системы А. рекомендовали прослушивать эту последовательность при появлении вегетативной симптоматики, а также профилактически не реже одного раза в день.

Получен выраженный положительный эффект. При появлении тахикардии звуковое воздействие обеспечивало снижение частоты пульса, что позволило А. отказаться от применения медикаментозных средств. Результатом регулярного прослушивания был общий седативный эффект.

Пример 3. Управление засыпанием. Испытуемый Г. страдал бессонницей (трудностями засыпания). После сеанса релаксации и засыпания был получен ЭЭГ-портрет этих состояний у Г. и синтезирована управляющая последовательность ( таблица, столбцы 6 и 7). Испытуемому рекомендовали прослушивать ее перед сном, что сразу дало положительный результат.

Если ранее Г. засыпал только через 1-2 часа после отхода ко сну, то прослушивание программы сократило это время до 10-15 мин (даже до окончания звучания управляющей последовательности).

Важно отметить, что попытки использования устройства "IQ-9110", реализующего иной способ воздействия на ФС (см. выше), ни в одном из трех приведенных примеров не дали положительного результата. ТТТ1

Формула изобретения

1. Способ управления функциональным состоянием человека, включающий сенсорные воздействия, модулированнные сигналами с частотами электроэнцефалограммы, отличающийся тем, что для формирования модулирующего сигнала предварительно регистрируют в стандартных отведениях электроэнцелофалограмму человека, находящегося в функциональном состоянии, которое впоследствии предполагают у него же воспроизводить, рассчитывают ее спектральную плотность, выделяют по всем отведениям кластеры локальных спектральных максимумов, лежащих в пределах частотных интервалов шириной 0,1-0,4 Гц, рассчитывают среднюю частоту и суммарную амплитуду каждого кластера и формируют модулирующий сигнал в виде последовательности периодических составляющих, частоты которых равны рассчитанным, а длительности генерации пропорциональны суммарным амплитудам.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для различных функциональных состояний индивида формируют набор модулирующих сигналов, который фиксируют на носителях информации и используют для индуцирования и поддержания избираемых им состояний.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5