В качестве примера "спортивных технологий нового поколения" можно привести прибор под названием Sonic Golf [www.yale.edu/opa/newsr/05-03-23-01.all.html]. Прибор включает в себя установленные на клюшке датчики движения. При ударе по мячу считываемая с датчиков информация преобразуется в звук, передающийся на наушники игрока, – от тихого, медленно нарастающего, до резкого, громкого – в зависимости от скорости движения клюшки.
Также существуют стратегии оптимизации параметров дыхания (используемые преимущественно в легкой атлетике), в основе которых лежит измерение содержания в крови кислорода, углекислого газа, глюкозы и молочной кислоты.
Искусство. Визуальную обратную связь в реальном времени для анализа и улучшения вокальных данных обеспечивает новый программный комплекс, названный ALBERT (Acoustic and Laryngeal Biofeedback Enhancement in Real Time). Он способен объединить любое число вокальных параметров, отображать в реальном времени базовую частоту, дрожание, и коэффициент закрытия гортани.
Автоматизированный DJ, использующий для генерации музыки обратную связь с танцующими, был разработан в Hewlett-Packard. Подобное наручным часам устройство отслеживает положение танцующих в пространстве, скорость движения, ЧСС и электрокожное сопротивление и посылает информацию к HP DJ через Bluetooth. HP DJ использует "генетический алгоритм", чтобы создавать наиболее востребованные мелодии. Если фонограмма звучит ужасно, то люди будут бродить по залу или танцевать с меньшим энтузиазмом. Тогда HP DJ пробует улучшать музыку, экспериментируя с различными частотами, ритмами или изменением темпа музыки, стараясь уговорить большее количество людей вернуться на танцпол.
Компьютерные игры. The Journey to Wild Divine [Об этой и ряде подобных программ подробнее можно прочитать в статье "Синхронизируйся с компьютером"]. Эта программа позволяет понять, что победа в игре не всегда равняется сумме скорости рефлексов и уровня адреналина. Иногда она достигается спокойствием и расслаблением.
Mindball [www.mindball.se/index.aspx?page=mindball]. В данной игре игроки пытаются управлять шариком с помощью показателей своих энцефалограмм. Выигрывает тот игрок, у которого альфа– и тета-активность, названные в программе "ритмами расслабления", выражены лучше. О цене возможности расслабиться под ласковым взглядом соперника мы лучше умолчим.
Наука. Исследования ведутся в нескольких принципиальных направлениях.
Во-первых, это поиск ситуаций и людей, для которых биоуправление эффективно. Многие исследователи считают, что методика биоуправления более эффективна у людей с низкой внушаемостью, желающих все попробовать самостоятельно, ничего не принимающих на веру. Разработано множество способов повышения способности к релаксации. Это и банальные инструкции "закройте глаза и представьте, что вы находитесь…" с подставлением ситуации по вкусу, и более экзотические, такие как "представление пространства, находящегося между глазами". У некоторых испытуемых, преимущественно женского пола, отмечено усиление способности к самовосприятию при наблюдении за своими реакциями в зеркале. Есть предположения об обратной связи способности к восприятию ряда параметров, например сердечного ритма, с активностью правого полушария мозга, более развитого, как известно, у менее логичной половины человечества.
Во-вторых, биологическая связь используется для получения новых знаний о механизмах работы мозга. Иногда единственная возможность расшифровать сигналы – спросить у самого мозга, что означает тот или иной сигнал. Получение ответа на «вопрос» (им может быть не только слово, но и электрический стимул и любые другие раздражители) тоже является обратной связью. Классическим примером служат работы Уайлдера Пенфилда, в середине XX века построившего карты функциональной активности мозга с помощью стимуляции отдельных участков и отчета обследуемых о возникающих ощущениях [Wilder Penfield, Theodore Rasmussen, The Cerebral Cortex of Man (Macmillan, 1950)]. В 1978 году Б. Л. Бёрд с соавторами, также с помощью биологической обратной связи, показали зависимость самочувствия испытуемых от преобладающего диапазона мозговой активности [Bird B. L., Newton F. A., Sheer D.E., Ford M. Biofeedback training of 40-Hz EEG in humans. Biofeedback and Self-Regulation, 1978, vol.3, p.1]. Так, при преобладании тета-ритма (частотой 4—8 Гц) испытуемые сообщали о сонливости, неясном, размытом, сказочном восприятии действительности. Учащение мозговой активности, доминирование альфа-активности (8—13 Гц) воспринималось как расслабленное, легкое, мирное состояние. Дальнейшее увеличение частоты мозговой активности, усиление бета-2-ритма (18—30 Гц) воспринималось как энергичное, возбужденное, тревожное состояние. Гамма-ритм с частотой более 40 Гц описывался как внимательное, деловое, исследовательское состояние.
И, наконец, биологическая связь рассматривается как часть интерфейса «человек-компьютер». Его можно использовать не только для воздействия на человека (биологическая обратная связь), но и для управления каким-либо устройством (компьютером, протезом, машиной) – прямая биологическая связь. Развитие технологий «человек-компьютер» зависит от возможности точного и оперативного (в режиме реального времени) декодирования сигналов, возникающих в нашем организме. По всему миру нейрофизиологические лаборатории работают над проблемами однозначного перевода неосознаваемых сигналов организма в машинные команды. Некоторые из разработанных алгоритмов анализа электроэнцефалограммы позволяют более чем в 90 % случаев распознавать желаемую цель на экране монитора и перемещать к ней курсор [Wolpaw JR, Flotzinger D, Pfurtscheller G, and McFarland DJ. Timing of EEG-based cursor control. J. Clin-Neurophysiol, 1997, vol.14, pp. 529—538]. На недавно проходившем в Москве симпозиуме "Современные технологии биоуправления в биологии и медицине" была продемонстрирована возможность управления автомобилем (пока что игрушечным, радиоуправляемым) с помощью детектирования нескольких компонент электроэнцефалограммы.
ОднакоНе стоит ждать от высоких технологий ни сказочного решения проблем старых, ни невиданного обострения проблем новых. Никакие суперприборы не помогут, если не ясно, а что, собственно, надо найти.
Ряд исследований показал, что субъективные изменения, наблюдающиеся при биоуправлении показателями электроэнцефалограммы, могут быть и результатом внушения, и следствием резкого сокращения притока информации при пользовании приемом расфокусировки хрусталика [Кто хоть раз смотрел на стереокартинки, знает, как это делается]. С помощью ложной обратной связи удалось установить, что приятное чувство расслабления ощущали лишь те испытуемые, которые не только научились изменять альфа-ритм ЭЭГ, но и были заранее нацелены на ожидание приятных эмоций. Эти результаты показывают необходимость использования для регуляции простых, четко связанных с какой-либо функцией показателей. В отличие от ЧСС и кровяного давления, ритмы ЭЭГ – синтетический показатель, не имеющий однозначной трактовки. Мозг "не знает", что такое альфа-ритм.
Другим важным условием для успешного применения БОС является выбор адекватных критериев управления. Однако мой шестилетний опыт работы с различными использующими БОС методиками обнаружил хорошо известную ситуацию, когда в отсутствии стандарта производители дают простор фантазии. Самыми популярными явились три метода оценки эффективности биоуправления. Согласно первому из них, признаком успешности БОС считается любое отклонение параметра управления от усредненных значений (что напоминает старый анекдот о средней температуре по больнице). Во втором методе критерием эффективности БОС является изменение за время тренинга контролируемого параметра на определенную, эмпирически заданную величину (например, более 10 %). В третьем случае эффективным считается отклонение усредненного за небольшой временной интервал (например, 10 с) параметра управления от фоновых значений. Управы из Редмонда на этих производителей нет.
Но отсутствие стандарта – не самое главное. Хуже, что некоторые критерии получены, судя по всему, "потолочным методом" [Метод предполагает нахождение истины путем пристального разглядывания потолка]. Давно известно, что люди отличаются по темпераменту, быстроте и интенсивности реакций и так далее. Например, изменение на 10 % величины артериального давления для одного человека – сущий пустяк (у него без видимой причины давление меняется на 30 мм. рт. ст. за полчаса), для другого – вещь почти невозможная. Как можно равнять всех под одну гребенку? И последняя проблема большинства современных БОС-аппаратов – отсутствие механизма «foolproof». При проведении тренинга не учитывается нежелание людей усложнять себе жизнь. Очень часто можно наблюдать (особенно у маленьких пациентов), как утомленный долгими неудачами – за пять минут так и не научился управлять альфа-ритмом своего мозга, – человек засыпает, и прибор радостно показывает "значительное усиление альфа-активности". Тренинг удался! В ход идут и другие способы – наморщивание лба, та же расфокусировка хрусталика, напряжение всех мышц (если вы когда-либо «нагоняли» температуру, чтобы не пойти в школу, то понимаете, о чем я).
Подозреваю, что именно эти факты и дороговизна коммерческих приборов являются причинами "широкой известности метода в узких кругах" – в нашей стране психотерапевтическое, лечебное применение методов БОС встречается крайне редко. Впрочем, сейчас активно развивается GPL-проект OpenEEG (из серии "Сделай сам"), в рамках которого разрабатываются и программы для БОС.
Все хорошо в меруИспользование идеи обратной связи ставит новые проблемы, одна из которых сводится к следующему: как часто должна осуществляться обратная связь, должна ли она быть непрерывной?
Важность этой проблемы обосновал отец кибернетики Норберт Винер, отметивший, что "обратная связь в устройствах управления должна быть ограниченной, коль скоро мы хотим стабилизирующего эффекта. В противном случае, при наличии чрезмерной обратной связи, устройство приходит в самопроизвольные колебания, которые становятся все сильнее и сильнее и в конце концов либо разрушают устройство, либо по меньшей мере делают его практически неуправляемым" [Цит. по: Розет И. М. Психология фантазии. – Мн.: 1991]. Физиологи говорят о количестве информации, пропорциональном частоте ее обновления и «размерности» (определяемой количеством задействованных каналов – органов чувств). При большом объеме информации быстрее наступает утомление и ослабевает внимание.
Подводя итог, можно сказать, что при соблюдении ряда довольно очевидных условий (знать – как, чем и зачем планируется управлять, использовать для управления оптимальное количество информации) у данной технологии вполне оптимистичное будущее. Это разглядели и эксперты проекта TimeLine, предсказывающие появление управляемых с помощью биологической связи [Очевидно, по параметрам работы мозга, так как обратная связь с помощью мускульной передачи давно налажена] компьютеров в массовом пользовании к 2054 году…[www.isrl.uiuc.edu/~chip/projects/timeline/2054veazie.html] Может быть, и увидим.
Обратная связь
Автор: Родион Кудрин
Попробуйте провести карандашом идеально прямую линию, а потом сделайте то же самое с закрытыми глазами. Наверняка получилось хуже.
Связано это с тем, что, закрыв глаза, мы выключаем зрительный контроль результата своих действий, то есть – звено обратной связи. Другими словами, обратная связь позволяет нам получить своевременную информацию о результате совершаемого действия и внести в программу действия необходимые коррективы. Другой пример на ту же тему: снижение устойчивости человека в положении стоя с закрытыми глазами по сравнению с положением стоя с открытыми глазами. В обоих приведенных примерах при отсутствии визуального контроля результат совершаемого действия (проведенная линия или поддержание равновесия) оказывался хуже, чем при использовании зрения. Зрительный анализатор, несомненно, очень важен для человека, поскольку это основной биологический инструмент получения информации об окружающем мире. Но, кроме зрительного, есть еще и слуховой, вестибулярный, обонятельный, вкусовой, тактильный, проприоцептивный [Проприоцептивный анализатор позволяет оценить положение тела в пространстве и частей тела относительно друг друга с помощью рецепторов скелетных мышц, сухожилий и суставов], висцеральный [Висцеральный анализатор воспринимает механические и химические изменения внутренних органов] и болевой анализаторы. Каждый из них используется нами для контроля результата совершаемого действия и коррекции самого действия.
Обратная афферентацияВ 30-х годах прошлого века академик П. К. Анохин [Русский физиолог, ученик И. П. Павлова, автор теории функциональных систем] предложил теорию, объясняющую основные принципы управления в биологических системах, обеспечив теоретическую базу для развития современной кибернетики. Одним из ключевых моментов этой теории стало понятие обратной афферентации, которая представляет собой связь между параметрами достигнутого полезного результата и центральными структурами нервной системы. Обратная афферентация по Анохину имеет в своей основе биологическую обратную связь (БОС) в ее современном определении. При этом обратная связь осуществляется между отдельными биологическими показателями, регистрируемыми с помощью рецепторов, и структурами центральной нервной системы, которые выполняют функцию контроля и управления. При несоответствии биологического показателя его нормальному значению центральные структуры корректируют работу соответствующей системы органов.
FeedbackБиологическая обратная связь (biological feedback) является прежде всего биологическим механизмом контроля качества достигнутого результата. Различают отрицательную и положительную обратную связь. Если повышение значения одного биологического показателя приводит к снижению другого (или наоборот), то имеет местоя отрицательная обратная связь [Например, повышение уровня инсулина в крови снижает концентрацию в ней глюкозы], то есть зависимость между показателями обратно пропорциональная. Это наиболее частый случай обратной связи, характерный для здорового организма. Если повышение значения одного показателя приводит к увеличению другого, а это, в свою очередь, еще больше повышает значение первого показателя, то говорят о положительной обратной связи [Например, повышение активности воспалительного процесса приводит к повышению температуры в очаге воспаления, что, в свою очередь, еще больше увеличивает воспаление]. В этом случае зависимость между показателями прямо пропорциональная, а данный вариант обратной связи характерен для больного организма.
Здесь просматривается аналогия с нечеткой логикой: с одной стороны, человеческий опыт и интуиция в широком смысле этих понятий служат для успешного решения поставленной задачи, а с другой стороны, на каждом этапе выполнения программы действия не требуется соблюдения однозначно сформулированных закономерностей.
Кроме значения БОС как метода контроля функций – это также и метод коррекции функции многих органов (теоретически – любых) с помощью сигналов различной модальности. Изменения того или иного показателя организма человека можно условно отражать с помощью динамических зрительных, слуховых, вибрационных и иных образов. Поэтому в практических целях используются различные варианты БОС. В частности:
• БОС по электромиограмме – функциональное биоуправление тонусом мышц-антагонистов для коррекции нарушений опорно-двигательного аппарата (например, при детском церебральном параличе);
• БОС по реоэнцефалограмме – функциональное биоуправление тонусом сосудов головного мозга (например, при головных болях);
• БОС по электроэнцефалограмме – функциональное биоуправление электрической активностью головного мозга (например, при неврозах).
Компьютерная стабилометрияВ качестве метода диагностики состояния опорно-двигательного аппарата и многих анализаторных систем с использованием БОС рассмотрим компьютерную стабилометрию.
Как известно, поддержание вертикального положения человека является динамическим процессом, поскольку при этом наше тело совершает колебательные движения в различных плоскостях с небольшим отклонением от среднего положения. Все характеристики колебательного процесса (амплитуда, частота, направление) являются чувствительными и отражают состояние различных систем, поддерживающих баланс позы. Для исследования функции равновесия московской научно-медицинской фирмой "МБН – Биомеханика" был разработан метод компьютерной стабилометрии, который позволяет оценить вертикальную устойчивость человека и ряд переходных процессов. Метод использует программно-аппаратный комплекс, который включает в себя стабилограф и компьютер со специализированным программным обеспечением. Программный пакет обеспечивает наличие собственной базы данных, автоматизированных функций для сбора и обработки информации, а также возможность получения всех общепринятых параметров по стандартному алгоритму.
Динамометрический прибор представляет собой металлическую плиту 60х40х10 см, в углах которой расположены трехкомпонентные датчики. Второй конец каждого датчика фиксирован на покровной плите. Сигналы от датчиков поступают в электронный блок, где подвергаются обработке, усилению, суммированию. Аналоговый сигнал на выходе содержит в соответствующем масштабе величины каждой составляющей движения и координаты вектора приложения силы. Дальнейшая обработка данных после аналого-цифрового преобразования осуществляется компьютером.
В данном случае обратная связь между пациентом и положением его тела осуществляется по зрительному, проприоцептивному и вестибулярному каналам. Основная система управления балансом позы построена на сигналах, поступающих от мышечных и суставных механорецепторов.