Физика/4. Применение физических методов в медицине

К.б.н. Калашникова Л.Е., Топиха В.В.

Национальный технический университет Украины «КПИ», Киев, Украина,

Эффективность влияния сложных аудио сигналов на электрические характеристики бетта ритма

головного мозга человека

За последние десятилетие накопились данные, указывающие на широкий спектр влияния музыки на когнитивную деятельность человека [1, 2, 6]. Получены результаты, свидетельствующие об улучшении кратковременной памяти, вербального и невербального интеллекта после сеансов прослушивания классических музыкальных композиций. Изучается влияние музыки на качество выполняемой человеком операторской деятельности. В литературе, посвященной этой области исследований обычно отсутствуют сведения о мощностных и тональных характеристиках изучаемых композиций. Как правило, указывается только название музыкального произведения и авторство. Исследования по обнаружению позитивных влияний музыки на когнитивную сферу человека часто ведутся методом проб и ошибок, учитывая при этом только качественные изменения в состоянии обследуемых и без попыток понять психофизиологические механизмы восприятия музыки. Однако в большинстве подобных исследований очень мало внимания уделяется непосредственному подбору прослушиваемых образцов [3, 4, 8].

Так как влияние музыки на человека опосредовано ее действием на центральные механизмы регуляции мыслительной функции, то такое влияние проявляется в изменении картины биоэлектрической активности головного мозга. Как известно, существует четыре основных формы электрической активности коры головного мозга, среди которых так называемый бетта ритм головного мозга со следующими амплитудно-частотными характеристиками (частотный диапазон - от 14 до 30 Гц и напряжением 5—30 мкВ) присущий состоянию активного бодрствования [1, 7]. Наиболее сильно этот ритм выражен в лобных областях, но при различных видах интенсивной деятельности резко усиливается и распространяется на другие области мозга. Так [3, 4, 8], выраженность β-ритма возрастает при предъявлении нового неожиданного стимула, в ситуации внимания, при умственном напряжении, эмоциональном возбуждении.

Таким образом выше изложенное и определило указанные цель и задачи данной работы.

Целью настоящего исследования является изучение функциональной системной организации структур мозга как нейрофизиологической основы формирования центральных механизмов пространственно-гностической деятельности. Задачей работы было проанализировать амплитудно-частотные характеристики прослушиваемых аудио-сигналов и особенности их влияния на пространственное распределение бетта-волновой активности головного мозга человека.

Методика эксперимента

При проведении исследований по стимуляции ценральной нервной системы человека сложными аудиосигналами, было задействовано 5 аудио-стимулов разного компонентно-структурного состава. С помощью программного обеспечения Matlab были проанализированы спектры частот для каждой из композиций, используемых в эксперименте. На основе этих данных установлено, что каждая из пяти композиций имеет свои характерные частоты с наибольшей амплитудой по отношению ко всему спектру. Согласно данным анализом аудио сигналы были разделены на следующие три группы: низкие частоты (НЧ) в диапазоне от 20 Гц до 300 Гц, средние частоты (СЧ) - от 300 Гц до 3 кГц и высокие частоты (ВЧ) - от 3 кГц до 20 кГц, в соответствии с диапазоном частот воспринимаются человеческим ухом.

Согласно такому делению было установлено, что первая композиция имеет наибольший вклад НЧ; вторая - ВЧ; третья - высокий вклад СЧ и ВЧ; четвертая - не имеет выраженных ВЧ, но существенно выражены СЧ; пятая - уже имеет вклад всех диапазонов, но с преобладанием СЧ.

На добровольном согласии, в соответствии с правилам биоэтики, которые регламентированы международными документами, в исследовании принимали участие 30 добровольцев. Все обследованные были праворукими и не имели специального музыкального образования. Исследование влияния аудио-сигналов на электрическую активность коры головного мозга проводили методом электроэнцефалографии (ЭЭГ) с помощью компьютерного электроэнцефалографа марки «Neuroscope-416» с использованием серебряных чашечково электродов, расположенных в отведениях, локализация которых определялась в соответствии с международной системы «10-20». Статистическая обработка данных ЭЭГ проводилась по U-критерию Уилкоксона-Мана-Уитни, для малых выборок медико-биологических данных [5]. На рисунке 1 представлена блок-схема проведения эксперимента.

А

.

Б.

Рис.1. Блок-схема регистрации ЭЭГ: А –схема наложения электродов.

Б.-Схема регистрации электрических сигналов мозга.

Исследования проводились в специально подготовленном помещении (заглушенной комнате). Сигнал подавался на вакуумные наушники с источником звука служил mp3-плеэр «SanDisc Sansa».

Результаты эксперимента

Установлено, что аудио сигнал с выраженными средними частотами, вызвал статистически достоверные изменение средних значений электрических характеристик бетта-ритма, таких как частота, амплитуда и вклад бетта-ритма в мощность ЭЭГ у 84 % участников эксперимента. Таким аудиосигналами были музыкальные композиции «Little Walter - Blue Light» и «Parov Stelar – Catgroove».

Первая композиция «Little Walter - Blue Light» имеет выраженный диапазон средних частот, что выраженных высоких частот почти не наблюдается. Проанализировав парметры аудио файла «Parov Stelar - Catgroove» можно сделать вывод, что он имеет выраженный диапазон сердних частот, и слабо выраженные высокие частоты.

Спектральный анализ частот исследуемого аудио-сигнала «Parov Stelar – Catgroove» представлен на рис 2.

Рис.2. Частотный анализ аудио-сигнала 5, композиция «Parov Stelar – Catgroove».. А. Частотная характеристика аудио-сигнала 5. Б. Распределение частот в аудио-стимуле 5: НЧ –низкие чистоты; ВЧ-высокие частоты; СЧ- средние частоты.

Для анализа аудио-сигнала и его влияния на электрические сигналы мозга было выделены 3 паттерна ЭЭГ и соответствующие им отрезки музыкального ряда. Анализ аудио-отрезков композиции «Parov Stelar – Catgroove».свидетельствует, что в каждом из них доминировали средние частоты. Исследуемые отрезки аудио файлов вызывали изменения спектральной мощности ЭЭГ. Как пример рассмотрим паттерн аудиосигнала 5 - При прослушивании отрезка аудио сигнала 5, на ЭЭГ фиксировали уменьшение амплитуды бетта ритма электрического сигнала на 15%, на фоне роста основной частоты бетта-ритма на 20 % относительно таковых средних характеристик фоновой записи ЭЭГ . При влиянии музыкальной композиции «Parov Stelar – Catgroove» наблюдалось изменение зонального распределения бетта-ритма и распространению его без выраженной ассиметрии по неокортексу человека. Для распределения бетта –ритма наблюдается незначительная его асимметрия, которая составила 1,2% .(Рис.3).

А.Б.

Рис.3. Пример записи ЭЭГ. Графическое представление записи электрических сигналов мозга из всех отведений и зональное распределение бетта-ритма по неокортексу человека. А. Паттерн фоновой ЭЭГ. Б. Паттерн ЭЭГ на фоне аудио-стимула.

Таким образом, можно сделать вывод что представленные в работе результаты свидетельствуют о возможности модулирования мозговой деятельность человека с целью повышения сосредоточенности при выполнения операторской функции и повышения внимания человека в процессе слежения за значимыми для него сигналами.

Литература

1. Афтанас Л. И., Рева Н. В., Варламов А. А. и др. Анализ вызванной синхронизации и десинхронизации ЭЭГ при эмоциональной активации у человека: временные и топографические характеристики // Журнал высшей нервной деятельности. —2003. —Т. 53. — № 4. —C. 485–494.

2. Базанова О.М. Электроэнцефалографические альфа-корреляты музыкальных способностей // Функциональная диагностика. —2005. —№ 1. —С. 62–70.

3.Кунавин М.А. Пространственно-временная организация биоэлектрической активности мозга студентов при прослушивании музыки разной эмоциональной окрашенности / М.А. Кунавин // Актуальные проблемы физиологии человека на севере: материалы I региональной молодежной научно-практической конференции. - Архангельск, 2010. — С. 62-64.

4. Кунавин М.А. Пространственно-временная организация биоэлектрической активности мозга мужчин при прослушивании музыки разной эмоциональной окрашенности / М.А. Кунавин // X Всероссийская молодежная научная конференция Института физиологии Коми УроРАН: материалы конференции. - Архангельск, 2011. — С. 118-121.

5. Зенков Л.Р. Клиническая электроэнцефалография (с элементами эпилептологии). Руководство для врачей / Л.Р.Зенков. – 4-е изд. – М. : МЕД-прессинформ, 2011. – 368 с.6.

6. Фудин Н.А., Тараканов О.П., Классина С.Я. Музыка как средство улучшения функционального состояния студентов перед экзаменами // Физиология человека. —1996— Т. 22. —№ З. —С. 99-107.

7. Jensen O., Goel P., Kopell N., Pohja M., Hari R., Ermentroutf B. On the human sensorimotor-cortex beta rhythm: Sources and modeling // NeuroImage. — 2005. — №. 26. — Р. 347 – 355

8. Jung-Beeman M., Bowden E. M., Haberman J., Frymiare J. L. et al. Neural activity when people solve verbal problems with insight // PLoS Biology. — 2004. —№ 4. — P. 0500–0510.