Изменение частотной модуляции электроэнцефалографической активности в условиях воображаемого и реального движения конечностями

Введение. Изучение электроэнцефалографической активности как маркера происходящих в мозге когнитивных процессов традиционно делает упор на анализе в частотной области, рассматривая ритмы электроэнцефалограммы (ЭЭГ) как потенциальные носители требуемой для исследования информации. В тоже время, анализ эффектов частотной модуляции ЭЭГ требует совершенствования подходов в области цифровой обработки сигналов. Учитывая, что частотная модуляции ЭЭГ так же как и амплитудная может являться маркером ряда состояний, перспективным представляется разработка метода детекции этого феномена и оценка с его помощью ряда показателей динамики мозга, связанных с системами биологической обратной связи.

Цель. Оценить феномены частотной модуляции при выполнении пользователем задач, связанных с управлением внешними устройствами на основе интерфейса мозг–компьютер, реализованных на феноменах электрической активности, возникающей в районе моторной коры.

Материалы и методы. Для получения данных была сформирована группа из тридцати добровольцев обоих полов в возрасте от 17 до 23 лет. Участники эксперимента должны были выполнить четыре команды и повторить их в неизвестном для них порядке, заданным программой. Эксперимент проводился двумя способами: физически и мысленно. То есть при первом способе каждая команда соответствовала определенному движению человека, при втором — те же команды выполнялись воображаемо, движение представлялось мысленно. Команда считалась успешно исполненной, если добровольцу удавалось повторить и удержать заданное программой положение в течение двух секунд.

Результаты. На основе разработанного метода оценки частотной модуляции ЭЭГ проведено исследование динамики электрической активности мозга в диапазоне 9–12 Гц в условиях выполнения пользователем реального и воображаемого движения. Сравнительный анализ показал, что различия во многом касаются только состояния, когда испытуемый не достигал цели. При этом в большей степени различия затрагивали эксперименты, где испытуемый должен был производить реальные, а не воображаемые движения. Возникновение значимых различий между низко- и высокочастотными модуляциями связано с невозможностью для пользователя сгенерировать требуемую команду, что он может увидеть, по механизму биологической обратной связи. Установлено, что чем большее число высокочастотных перестроек наблюдается на ЭЭГ, тем меньшее число низкочастотных перестроек происходит на этой же эпохе анализа.

Выводы. Полученные результаты существенно расширяют представления о механизмах частотной модуляции ЭЭГ. В целом методики и алгоритмы, лежащие в основе анализа, позволившего их выявить, могут быть использованы для решения широкого класса задач, связанных с обработкой ЭЭГ-сигналов, включая совершенствование методов детекции по ЭЭГ ошибок пользователя при управлении устройствами интерфейса мозг–компьютер.