Исследователи использовали интерфейс «мозг – компьютер» с демонстрацией на мониторе реакций мозга человека, чтобы узнать, возможно ли моментально и без тренировок снизить уровень умственной усталости. Оказалось, что возможно, но ненадолго. Такая методика может помочь водителям, пилотам и диспетчерам дольше поддерживать высокую концентрацию. Исследования поддержаны грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ). Статья ученых опубликована в журнале Nonlinear Dynamics.
Экспериментальная установка: a) испытуемый выполняет визуальное задание, которое включает восприятие и первичную обработку информации. Сигналы ЭЭГ регистрируются в теменной и затылочной областях и обрабатываются в режиме реального времени. Обратная связь осуществляется через аудиосигнал, информирующий испытуемого о состоянии когнитивного утомления; б) расположение пяти записывающих электродов на коже головы.
Известно, что человек быстро устает при выполнении монотонных и однообразных заданий в течение долгого времени. Результаты исследований активности головного мозга говорят о том, что наряду с общей усталостью наблюдается снижение эффективности работы сенсорных систем головного мозга: зрительной, слуховой и других. Это происходит из-за того, что мозг непрерывно обрабатывает поступающую в него информацию и концентрируется на решении поставленных задач. Такое состояние известно как когнитивное утомление.
Когнитивное утомление – одна из причин снижения уровня концентрации внимания во время выполнения задач в условиях высокой нагрузки на мозг, поэтому очень важно минимизировать его воздействие на людей. В первую очередь, это касается тех, чья профессия связана с необходимостью обрабатывать большие объемы сенсорной информации и поддерживать высокую концентрацию в течение долгого времени: водителей, пилотов, диспетчеров.
Исследователи из Саратовского государственного технического университета (СГТУ) и Технического университета Мадрида провели эксперимент, в котором попытались выяснить, возможно ли снизить уровень когнитивного утомления моментально и без тренировок.
Для этих целей ученые использовали интерфейс «мозг – компьютер» с биологической обратной связью – технологией, которая позволяет испытуемым обучаться, наблюдая сигналы собственного мозга. Перед участниками эксперимента поставили простую задачу – классифицировать неоднозначные изображения, выбирая один из двух возможных вариантов. Изображения показывались на экране монитора в течение короткого промежутка времени, ~1 сек. За это время испытуемый должен был принять решение и нажать на соответствующую кнопку на джойстике. Всего эксперимент длился около 40 минут, в течение которых было показано 300 изображений. Во время эксперимента регистрировали электрическую активность мозга в затылочной и теменной коре, на основании которой определяли амплитуду нейронного отклика – показатель, напрямую связанный с эффективностью работы зрительной сенсорной системы.
В начале эксперимента участников разделили на две группы. Первая, контрольная, дважды приняла участие в эксперименте без обратной связи. Вторая группа, экспериментальная, прошла первый эксперимент без обратной связи, а второй – с ее использованием. Оказалось, что в отсутствие биологической обратной связи в обеих группах амплитуда нейронного отклика меняется периодически: то увеличивается, то уменьшается. График зависимости при этом напоминает волну. Это говорит о том, что нейроны, задействованные в восприятии и обработке визуальной информации, могут эффективно работать без перерыва в течение ограниченного промежутка времени (тогда наблюдается повышение амплитуды), после чего им требуется время на восстановление (амплитуда снижается). Ученые предложили реализовать обратную связь через аудиосигнал, информирующий испытуемого о снижении амплитуды нейронной активности.
Включив обратную связь в экспериментальной группе, ученые обнаружили, что средняя длина интервалов с высокой амплитудой нейронного отклика увеличивается примерно в полтора раза. При этом абсолютное значение амплитуды в течение этого интервала уменьшается по сравнению с экспериментом без обратной связи. По словам ученых, увеличение когнитивного ресурса должно сопровождаться изменениями структуры мозга, которые, согласно результатам ранее опубликованных работ, происходят после нескольких недель тренировок. В проведенном исследовании показано, что существует моментальный эффект биологической обратной связи на когнитивный ресурс.
«Полученные нами результаты свидетельствуют о том, что присутствует моментальный эффект биологической обратной связи: увеличивается время непрерывной работы нейронов области мозга, отвечающей за распознавание визуальной информации. Мы предполагаем, что для поддержания способности эффективно обрабатывать информацию в течение долгого времени мозг регулирует число нейронов, вовлекаемых в этот процесс. Если биологической обратной связи нет, в обработку сразу вовлекается большое число нейронов, и амплитуда нейронного отклика резко возрастает и затем начинает уменьшаться. Когда биологическая обратная связь включается, информация обрабатывается меньшим (оптимальным) числом нейронов, средняя амплитуда отклика при этом уменьшается, а время непрерывной работы увеличивается», – говорит автор работы, доктор физико-математических наук, профессор Александр Храмов.
Текст: РНФ
Maksimenko, V.A., Hramov, A.E., Grubov, V.V. et al. Nonlinear Dyn (2018). https://doi.org/10.1007/s11071-018-4668-1
