Отклик человека на стимуляцию звуковыми биениями: неоднозначные данные современных исследований

Бинауральные и монауральные звуковые биения

Биения – это объективное физическое явление, возникающее при наложении двух колебательных процессов близкой частоты. В психоакустике различают «бинауральные» и «монауральные», или акустические, биения. Акустические низкочастотные биения проще всего услышать, если электрические сигналы немного отличающейся частоты (например, 440 и 434 Гц) с выходов двух генераторов смешать и подать в источник звука (динамик), – мы услышим периодическое нарастание и спад громкости звука на разностной частоте, в данном случае 6 Гц. Эти же сигналы можно одновременно подать в два различных динамика и услышать такие же биения. Здесь место смешивания сигналов – на этапе электрических колебаний или акустических – не влияет на конечный результат.

В природе биения встречаются редко, поскольку ей не свойственны устойчивые чистые тоны. Тем не менее, в механических устройствах они присутствуют в изобилии. Например, две турбины самолёта, вращающие со слегка отличными скоростями, могут вызвать очень мощные биения, часто распознаваемые только по тянущему ощущению «под ложечкой». Акустические инженеры способны отфильтровать свист турбин, но медленные биения подавить очень сложно. С другой стороны, биения приносят пользу, например, в случае точного определения частот. Электронщики смешивают для этого сигналы с тестируемого и эталонного генераторов и смотрят частоту биений. Другое применение биений — настройка фортепиано. Обычно настройщик первым делом прослушивает биения, производимые камертоном 440 Гц и нотой ля первой октавы, и натягивает или ослабляет соответствующую струну, чтобы убрать биения. Затем он нажимает клавишу ля и клавишу нижней ноты ре и регулирует струну последней ноты, пока биения не будут слышны с частотой 10 Гц. Эта частота получается в результате взаимодействия второй гармоники струны ля (2 х 440 = 880 Гц) и 3-й гармоники струны ре (3 х 290 = 870 Гц). Таким образом, клавиша за клавишей, настраивается весь инструмент. В теории, это может сделать даже человек, лишённый музыкального слуха.

Совсем другое явление наблюдается в случае подачи тех же сигналов раздельно в каждое ухо (с использованием стереонаушников). В этом случае, если одно ухо будет слышать тон с частотой 440 Гц, а другое – тон с частотой 434 Гц, то биения тоже ощущаются, и с той же частотой 6 Гц, но имеют они иную природу, связанную с тонкостями слухового восприятия человека. Такие биения называются бинауральными. Человек ощущает их не ушами, а «внутри головы».

Самая очевидная разница между бинауральными и монауральными биениями состоит в том, что бинауральные биения слышимы только в случае низких производящих, или «несущих» частот. Лучше всего они воспринимаются в случае несущей частоты в районе 440 Гц; с повышением её различимость биений падает, и в районе 1000 Гц они пропадают. Бинауральные биения различимы в диапазоне от 2 до 35 Гц (Licklider et al., 1950). При меньшей разнице частот между каналами ощущается просто изменение пространственной локализации звука (стереопанорамы), при большей – каждое ухо слышит свой отдельный тон. Что касается несущей частоты (тона, на фоне которого ощущаются биения), то оптимальным для восприятия считается диапазон от 200 до 900 Гц. Хотя, здесь значение имеют условия эксперимента, в частности, громкость звука и тип стереонаушников, поэтому некоторые исследователи сообщают о различимости бинауральных биений на фоне несущих вплоть до 1500 Гц.

Еще одним отличительным качеством бинауральных биений является их низкая амплитуда. Например, монауральные биения, полученные наложением двух звуков одинаковой интенсивности, будут иметь амплитуду от нуля до удвоенной амплитуды одиночной волны. Бинауральные же биения ощущаются только как слабая модуляция по громкости одиночной волны. Оценка глубины этой модуляции даёт результат около 3 дБ, или примерно десятую долю от громкости шёпота (Oster, 1973). Для несущих частот в районе 440 Гц испытуемому на распознавание бинауральных биений требуется 2-3 секунды.

Впервые бинауральные биения были открыты немецким исследователем Г.В. Дофе (Dove, 1841 – в то время еще не существовало четкого разделения на научные специальности) и в дальнейшем описаны Томпсоном (Thompson, 1877).

Нейрофизиология ощущения биений в звуке

Считается, что человек воспринимает звуковой стимул, когда периферические компоненты слуховых путей (уши, кохлеарные ядра и внутренние волосковые клетки) посредством механо-электрической передачи преобразуют звуковое давление в нейронные потенциалы действия. Это первый уровень обработки звука перед тем как звуковые сигналы будут закодированы (или скорее, перекодированы) первичной слуховой корой. Далее звуковая информация обрабатывается рядом подкорковых структур: звуковые нервные волокна объединяются в вестибулокохлеарный нерв и входят в кохлеарное ядро в стволе мозга, где снова ветвятся. Эти ветви образуют синапсы с различными подтипами нейронов: сферическими пушистыми клетками, глобулярными (состоящими из шариков) пушистыми клетками и звездчатыми клетками, которые различаются своими временными и спектральными свойствами. Информация затем передаётся либо в нижние холмики через ответвления звездчатых клеток и клеток спинного кохлеарного ядра, либо окружным путём в верхние оливарные ядра. По этому же пути идут ответвления пушистых клеток антеровентрального кохлеарного ядра. Верхнеоливарные ядра обрабатывают информацию, поступающую от правого и левого уха, а также дополнительные сигналы, помогающие определить положение источника звука. Правый и левый нижние холмики связаны через спайку, которая обеспечивает бинауральное взаимодействие внутри восходящего пути и состоит из множества меньших ядер, главным из которых является центральное. В этом месте происходит обработка монауральных характеристик звука, таких как амплитудная модуляция, за счёт височного объединяющего окна между нижними холмиками и звуковой корой. Отсюда сигнал идёт в ядро медиального коленчатого тела, расположенное в таламусе, где таламические нервные окончания связываются со слуховой корой, распложено в височных долях.

Нейрофизиологическая обработка монауральных и бинауральных биений немного отличается. Эту разницу подчеркивает, например, Драганова с соавторами (Draganova et al., 2008), упоминая монауральные биения как «периферические», поскольку они образуются на кохлеарном уровне, а бинауральные как «центральные», поскольку их ощущение является следствием центрального взаимодействия, наиболее вероятное место которого – верхнеоливарные ядра. Монауральные биения слышны, когда наложенные тоны предъявляются в оба уха одновременно, что определяется кохлеарным ядром, и далее эта информация уже передаётся в ствол мозга и слуховую кору. В отличие от этого, бинауральные биения ощущаются, когда эти самые тоны близкой высоты предъявляются в уши раздельно. Нейроны верхнеоливарного комплекса в стволе головного мозга, чувствительные к сдвигу фазы между сигналами от правого и левого уха, генерируют потенциалы действия с частотой, соответствующей этой разнице фаз, что и даёт эффект «бинауральных биений». Таким образом, ощущение бинауральных биений, по-видимому, есть следствие главного нейронного механизма, обеспечивающего локализацию звука, то есть, синхронной активности слуховых нервов (Moore, 1997). В настоящий момент в этих процессах признано участие слуховой коры и ствола головного мозга. Так, в исследованиях на животных была установлена первичная роль нейронов верхней оливы ствола головного мозга, первого ядра восходящей ретикулярной системы, в котором сходятся слуховые пути билатерального восприятия звука (Wernick, Starr, 1968; Spitzer, Semple, 1998). Кроме того, эти исследования установили отклик на бинауральные биения нижнего холмика среднего мозга (Kuwada et al., 1979; McAlpine et al., 1996).

Что касается механизмов ощущения бинауральных биений людьми, то в магнитоэцефалографических исследованиях были выявлены устойчивые отклики на них различных задних, передних и височных отделов коры головного мозга, в том числе, слуховой коры (Karino et al., 2004, 2006; Pratt et al., 2010). Кроме того, (Karino et al., 2006) сообщили о преимущественной активации как правой, так и левой височных долей, местонахождении слуховой коры, в ответ на бинауральные биения тета-диапазона (4 Гц и 6.6 Гц). Позже (Pratt et al., 2010) определили нахождение источника колебаний в ответ на бинауральные дельта- (3 Гц) и тета- (6 Гц) биения в левой височной доле мозга. Оба исследования подтверждают сделанное ранее предположение, что височные доли являются наиболее податливой зоной коры головного мозга (Bear, 1979). Другие источники (Draganova et al., 2008) предположили участие в генерации бинауральных биений медиальной средней оливы и верхнего холмика.

Нейронные корреляты же обычных, акустических, биений, в отличие от бинауральных, присутствуют в кохлеарном ядре, первичном ретрансляторе слуховых путей (Draganova et al., 2008). Интересно, что изначально результаты исследований вызванных потенциалов ЭЭГ предполагали сходное участие коры в обработке как акустических, так и бинауральных биений (Pratt et al., 2010). Но современные исследования показывают, что бинауральные биения ощущаются благодаря сложению звуковых сигналов от обоих ушей в верхней оливе и нижнем холмике, в результате чего происходит нейроэлектрический разряд, поднимающийся вдоль ствола мозга в слуховую кору.

Исследования психофизиологических эффектов звуковых биений

Противоречивым аспектом исследований бинауральных биений является возможное усиление с их помощью ритмической активности мозга в заданной полосе частот. Причина живучести этой гипотезы – в её заманчивости, учитывая общепризнанное соответствие традиционных частотных полос ЭЭГ, таких как тета (4–7 Гц), альфа (8–12 Гц), бета (13–30 Гц) и гамма (30–100 + Гц), определённым когнитивным функциям (см. обзор Herrmann et al., 2016).

Альфа-зона интересна ввиду появления всё новых данных, свидетельствующих, что альфа-активность является не просто сопровождением «холостого хода» коры мозга, но также и показателем её «нейроэфективности» (Vernon et al., 2009). Это следует из работ, показавших положительную корреляцию уровня интеллекта испытуемых с уровнем альфа-активности (Anokhin & Vogel, 1996; Jausovec, 1996; Doppelmayr et al., 2005), а также, что увеличение мощности альфа-ЭЭГ, даваемое тренировкой с применением биологической обратной связи (Hanslmayr et al., 2005) и ритмической транскраниальной магнитной стимуляцией (Klimesch et al., 2003) приводит к улучшению результатов в тестах на внимательность (в большинстве этих работ делались попытки нормализовать ЭЭГ пациентов с расстройствами внимания (см. например Lubar et al., 1995a, 1995b).

Также интересна бета-область, поскольку исследования биологической обратной связи показали связь усиления этой зоны спектра с улучшением результатов в тестах на внимательность, как в клинической (Fuchs et al., 2003; Monastra et al., 2006), так и здоровой выборке испытуемых (Rasey et al., 1996; Egner & Gruzelier, 2004). Кроме того, в исследовании (Saleh et al., 2010) продемонстрировано увеличение мощности сигнала в области 12-30 Гц при сосредоточении испытуемых на подаваемом стимуле и планировании отклика. Все эти исследования поддерживают интерес к бинауральным биениям как возможному средству изменения ЭЭГ-активности, которое нормализует или улучшает когнитивные функции человека. Но наличие частотно-ведомого отклика в соответствующих областях ЭЭГ-спектра пока не доказано.

Таким образом, в случае её подтверждения, мы имели бы эффективное неинвазивное средство воздействия на эти функции с помощью модуляции или резонансного захвата колебаний ЭЭГ (Huang and Charyton, 2008). Дело в том, что для «раскачки» этих колебаний, во всяком случае, нижнего их диапазона, мы не можем использовать обычный звук, поскольку диапазон слухового восприятия человека начинается примерно с 20 Гц. Хороший отклик на заданной частоте ЭЭГ дают световая и магнитная стимуляция, но они не очень подходят для использования в процессе повседневной жизни человека. А использование звуковых биений, в том числе бинауральных, позволило бы обойти эти препятствия (см. обзор Vernon, 2009).

Подобные идеи были порождены разрозненными эмпирическими данными, но проверка их привела к весьма неоднозначным результатам, как в психологических тестах на когнитивные функции, так и в чисто физиологических измерениях.

Когнитивные эффекты стимуляции звуковыми биениями

Сначала рассмотрим использование биений в звуке для управления когнитивными процессами, связанными, например, с настроением или ощущением боли. Исследования, в которых показан статистически значимый их эффект, зачастую слабы, а их результаты не подтверждаются в дальнейшем. Кроме того, практически не обсуждаются вероятные механизмы, за счёт которых мог бы быть получен такой эффект. Возможно, это обусловлено природой самого стимула, т.е. тем, что воздействие биений, особенно бинауральных, трудно приборной зарегистрировать, а значит, большинство исследований не опираются на неопровержимые данные типа ЭЭГ или МЭГ. Другая причина, возможно, состоит в отсутствии стандартизированного методологического подхода.

Память

Опубликовано 2 исследования по влиянию бинауральных биений тета-диапазона на память, результаты которых противоположны. В первом случае (Wahbeh et al., 2007b) исследовалась вербальная память с помощью теста Рея на слухоречевое заучивание. Этот тест отражает как рабочую, так и долгосрочную память. Испытуемых просили повторить список из 15 несвязанных между собой слов с нескольких попыток. Они выяснили, что прослушивание бинауральных биений с частотой 7 гц непрерывно на протяжении 30 минут снижает уровень краткосрочной (рабочей) вербальной памяти по сравнению с контролем. В другом исследовании (Ortiz et al., 2008) наоборот, 15-минутная стимуляция 5-гц бинауральными биениями дважды в день на протяжении 15 дней привела к значительному увеличению количества запомненных слов по 2-й шкале памяти Векслера, по сравнению со стимуляцией 13-гц бинауральными биениями и с белым шумом (последний рассматривался в качестве контроля). 2-я шкала памяти Векслера характеризует различные функции рабочей и долгосрочной памяти посредством набора особых тестов. В данном случае использовался тест на немедленное вспоминание списков слов.

Под конец можно упомянуть более раннюю и не всеми цитируемую публикацию (Kennerly, 1996), в которой описан опыт с применением аудиопродукции института Монро, содержащей бинауральные биения бета-диапазона. Данная работа показала увеличение производительности в задачах, связанных с запоминанием слов, рабочей памятью и исполнительными функциями.

Творческие способности

Творческие способности обычно увязываются с т.н. дивергентным (т.е. творческим, когда требуется быстро сделать наилучший выбор из широкого ряда имеющихся возможностей) мышлением, в противоположность конвергентному (логическому). Дивергентное мышление  связано с генерацией множества решений поставленной задачи, в то время как конвергентное ставит целью поиск единственно правильного решения (Guilford, 1967). Недавние исследования свидетельствуют о положительном влиянии бинауральных биений альфа (10 гц) и гамма (40 гц) диапазонов на творческое мышление. Явление исследовалось при помощи задач на дивергентное (задача на применение) и на конвергентное мышление (задача на отдаленные ассоциации), также учитывалась корреляция результатов с частотой спонтанных миганий глаз, маркером уровня дофамина в мозге. В задаче на применение (дивергентное мышление) испытуемым предлагается вспомнить столько способов использования определённых домашних предметов, сколько они способны. Результат оценивает 4 показателя: оригинальность, беглость, гибкость и глубину проработки. В задаче на отдалённые ассоциации (конвергентное мышление) от участников требуется назвать единственное составное слово, соответствующее трём кажущимся несвязанными словам. Кроме того, участников просили заполнить опросник психометрической шкалы сопоставления положительных и отрицательных эмоций. Стимулы в виде биений подавались на протяжении 3-х минут перед выполнением заданий. Результат показал, что оба вида биений (10 и 40 гц) влияют на результаты дивергентных, но не влияют на результаты конвергентных тестов. Авторами отмечено, что испытуемые с низкой частотой спонтанных миганий показали улучшение от бинауральной стимуляции с частотой альфа-ритма, но испытуемые с высокой частотой спонтанных миганий показали либо отсутствие значимых отличий, либо ухудшение по сравнению с контролем, в случае альфа- и гамма- бинауральной стимуляции. В данном исследовании звук накладывался на белый шум, что рекомендовано для усиления эффекта бинауральных биений (Reedijk, 2013).

Внимание

Кеннел в своём пилотном исследовании изучал возможность применения бинауральных биений для повышения внимательности у детей и подростков с синдромом дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ) (Kennel et al., 2010). СДВГ – нейропсихическое расстройство, связанное с нарушением развития детей и подростков. Основные его проявления – невнимательность, гиперактивность и импульсивность, разной степени тяжести (Barkley, 2005). Испытуемым предлагалось 3 раза в неделю на протяжении 3-х недель прослушивать либо коммерческую аудиозапись, состоящую из бинауральных биений, наложенных на звуки природы, либо запись розового шума (имитацию), обе длительностью 20 минут. Для оценки изменений внимания по времени использовались тест переменных внимания (TOVA) и детские тесты цветового шлейфа 1 и 2 (CCTT 1, 2). В этом исследовании стимуляция бинауральными биениями не оказала существенного влияния на уровень внимания, хотя по субъективным отзывам испытуемых, им во время исследования было легче сосредотачиваться. (Kennel et al. 2010). К сожалению, в данной работе не указаны параметры сигнала звуковой стимуляции, что является одним из главных её недостатков.

Уровни тревожности, настроения и бдительности под воздействием звуковых биений

Тревожность

Обычно выделяют два вида тревожности: реактивную, или ситуативную тревожность, представляющую из себя временную реакцию на определённое событие или ситуацию, и личностную тревожность, присутствующую постоянно как особенность данного человека, независимо от ситуации (Emmelkamp & Ehring, 2014). В одном интересном исследовании (Padmanabhan et al., 2005) бинауральные биения использовались для снижения предоперационной тревожности. Тревожность оценивалась по опроснику состояния и свойства тревожности (STA-I), а аудиозапись стимула или плацебо воспроизводилась с компакт-диск проигрывателя. Запись стимула содержала бинауральные биения дельта-диапазона. По заключению авторов, индекс тревожности, оцененный по STA-I после прослушивания, уменьшился в экспериментальной группе на 26,3%, по сравнению с результатом до него, в то время как в плацебо-группе он снизился только на 11,1%. Аналогичный подход использовал Уиланд с сотрудниками. Он предъявлял либо звуки природы (плацебо), либо звуки природы с наложенными бинауральными биениями 10 гц (Weiland et al., 2011). Стимул подавался в течение 20 минут; также, испытуемым предлагалось заполнить опросник состояния и свойства тревожности. В данном исследовании было зафиксировано значительное снижение индекса тревожности после прослушивания у пациентов из экспериментальной группы, в то время как в плацебо-группе снижения не произошло. Лескварнек с сотрудниками для снижения уровня тревожности у испытуемых с лёгкими тревожными расстройствами использовал коммерческую аудиозапись с бинауральными биениями тета/дельта диапазона длительностью 30 минут, которую необходимо было прослушивать ежедневно на протяжении 1 месяца, с оценкой уровня тревожности до и после прослушивания по STAI-I (Le Scouarnec et al., 2001), По заключению авторов, уровень личностной тревожности испытуемых снизился, хотя это снижение не было статистически значимым. В более позднем исследовании (Wahbeh et al., 2007a) испытуемые, получавшие стимуляцию бинауральными биениями дельта-диапазона по 30 минут в день на протяжении 60 дней, продемонстрировали уже значимое снижение индекса личностной тревожности, оцененного по STA-I.

Настроение

Настроение – это состояние ума или предоминирующее чувство человека в данный момент. (McNair et al., 2011). Оно зачастую зависит от внешних факторов. В некоторых исследованиях делались попытки повлиять на настроение с помощью прослушивания бинауральных биений. Например, для этой цели использовались бинауральные биения тета- (7 гц) и дельта (до 4 гц) диапазонов (Wahbeh et al., 2007a,b). Аудиозаписи прослушивались либо ежедневно на протяжении 60 дней (с дельта-частотами), либо однократно в течение 30 минут (с тета-частотой). Изменение настроения отслеживалось при помощи опросника классификации настроений (POMS), заполнявшегося до и после прослушивания. POMS представляет собой опросник из 65 пунктов, имеющий общую шкалу настроения и 6 подшкал: напряжение – тревожность, депрессия – подавленность, усталость – инертность, агрессия – враждебность, сила – активность и запутанность – недоумение (McNair et al., 2011). Исследователи отметили снижение общей неуравновешенности состояния испытуемых, а также снижение по шкалам напряжения, тревожности, запутанности и усталости – после прослушивания дельта-бинауральных биений, по сравнению с контролем. Однако, по шкалам депрессии и силы было зафиксировано увеличение (Wahbeh et al., 2007a). Во втором исследовании, после 30 минут прослушивания бинауральных биений тета-диапазона, наблюдалось увеличение по шкале депрессии по сравнению с контролем (Wahbeh et al., 2007b). В аналогичном исследовании (Lane et al., 1998) после стимуляции бинауральными биениями бета-диапазона (16 и 24 гц) было отмечено снижение по шкале депрессии POMS, относительно стимуляции тета/дельта-диапазона (1,5 и 4 гц); – соответственно, авторы сделали вывод, что бинауральные биения бета-диапазона более позитивно влияют на настроение.

Бдительность

Этот термин широко используется в психологии; он означает способность поддерживать фокус внимания и оставаться в присутствии по отношению к внешним стимулам на протяжении длительного периода времени (Warm et al. 2008). Поэтому тесты на бдительность обычно связаны с обработкой монотонных сенсорных стимулов. В недавней работе (Goodin et al., 2012) смотрели влияние бинауральных биений на бдительность и черты характера, оцениваемые согласно пятифакторной модели. Пятифакторная модель личности (McCrae & John, 1992) определяет пять черт: невротизм (Н), экстравертность (Э), открытость (О), компромиссность (К), и сварливость (С). Испытуемые прослушивали бинауральные биения тета (7 гц) и бета (16 гц) диапазонов во время выполнения задачи на бдительность, когда от них требовалось нажатием клавиши реагировать на предъявление на экране компьютера целевого стимула (цифры или буквы) среди случайной последовательности. При этом на протяжении всего эксперимента велась запись ЭЭГ, а бинауральные биения предъявлялись в течение в общей сложности четырёх минут, во время выполнения задачи. Между эпохами стимуляции вместо биений предъявлялся белый шум. По гипотезе авторов, основанной на предыдущих исследованиях (Lane et al., 1998), бинауральные биения бета-диапазона должны поддерживать или повышать уровень бдительности, определяемый по времени реакции при выполнении задачи. На этом же основании они предположили, что черты личности О и С более восприимчивы к резонансному воздействию в области тета и бета-частотных биений, а испытуемые с более высоким рейтингом в категории К должны продемонстрировать более высокую мощность бета-волн в левых височных и центральных отведениях ЭЭГ. Кроме того, оптимизм внушало ещё одно исследование (Stough et al., 2001), которое установило корреляцию между чертами О и С и мощностью ритмов тета и бета диапазонов, навязанных с помощью светостимуляции. Однако, предположения (Goodin et al., 2012) не подтвердились, ни в отношении бдительности, ни в отношении черт характера. Одной из возможных причин, по предположению авторов, могло быть слишком короткое время воздействия стимула, не позволившее последнему вызвать сколько-нибудь заметные изменения уровня бдительности или спектра ЭЭГ.

Таким образом, (Goodin et al., 2012) опровергают вышеупомянутый положительный ответ (Lane et al., 1998) на вопрос о влиянии бинауральных биений на бдительность и настроение. В работе (Lane et al., 1998) бинауральные биения бета (16 и 24 гц) и тета/дельта (1,5 и 4 гц) диапазонов прослушивались в течение 30 минут во время выполнения психомоторного теста на бдительность (PVT). Выяснилось, что биения бета-диапазона меньше связаны с отрицательным настроением (см. выше) и улучшают результат выполнения теста на бдительность. То есть, по результатам тестирования были зафиксированы статистически значимые изменения, хотя необходимо отметить, что здесь стимул немного отличался от исследования (Goodin et al., 2012): несмотря на одинаковые частоты бинауральных биений, последние были наложены на розовый шум и имели другие, более низкие несущие частоты. Возможно, это объясняет разный результат этих в остальном схожих экспериментов, поскольку имеются данные, что более низкие несущие частоты, равно как и частоты биений, оказывают более выраженный эффект (Pratt et al., 2010). Также, свою роль, возможно, сыграл и розовый шум, улучшавший различение биений мозгом (Reedijk et al., 2013).

Нейрофизиологические эффекты стимуляции звуковыми биениями

Здесь следует сразу разграничить такие виды отклика ЭЭГ на стимуляцию как вызванная активность (ВА) и частотно-ведомый отклик (ЧВО). Первый термин интересен больше с чисто научной точки зрения, поскольку отражает механизмы возникновения бинауральных биений в мозге. Второй же больше интересен в плане практического применения, поскольку отражает процесс перераспределения энергии электрических колебаний в мозге между различными областями спектра.

Что касается ЧВО, то работ, где изучалось бы влияние на него бинауральных звуковых биений, удивительно мало, а те, что есть, зачастую расходятся в выводах. Так, опубликовано единственное исследование (Brady & Stevens, 2000), показавшее усиление колебательной тета-активности ЭЭГ после стимуляции бинауральными биениями тета-диапазона. Тем не менее, последующие публикации его не подтвердили (Stevens et al., 2003; Wahbeh et al., 2007a; Gao et al., 2014).

Подобным образом, имеется единственная и мало цитируемая публикация о частотно-ведомом отклике ЭЭГ на бинауральные биения в альфа-диапазоне (Kasprzak 2011), хотя никому из других исследователей (Gao et al., 2014; Vernon et al., 2014) подобного эффекта добиться не удалось. Неудачей закончились также попытки обнаружить отклик на бинауральные биения бета-диапазона (Goodin et al., 2012; Gao et al., 2014; Vernon et al., 2014).

Однако в области гамма-спектра ЭЭГ отклик (но не частотно-ведомый!) был зафиксирован как на бинауральные (Lavallee et al., 2011, Ross et al., 2014) так и акустические биения (Ross et al., 2014). В последнем случае эффект подтверждён интракраниальными измерениями (Becher et al., 2015), однако использовался более чувствительный метод регистрации - магнитоэнцефалография. Интересно наблюдение (Ross et al., 2014), что любые из исследованного ими диапазона бинауральных биений дают отклик в гамма-области МЭГ.

Что касается вызванной активности, то здесь согласия больше, хотя бывают и расхождения. Так, Иоанну (Ioannou et al. 2015) сумел зафиксировать вызванную активность на бинауральные биения альфа-диапазона, при неудаче в гамма-диапазоне; что, тем не менее, ранее удалось Драгановой с сотрудниками (Draganova et al. 2008), а также (Ross et al., 2014).

Подчеркнём, что на данный момент, практически нет достоверных данных о наличии резонансного частотно-ведомого отклика ЭЭГ в альфа- и бета-областях, наиболее перспективных с точки зрения практического использования. Также не ясно временное поведение отклика ЭЭГ на бинауральные биения в других областях спектра, где он установлен, хотя эта информация была бы полезной при формировании эффективных протоколов использования бинауральных биений в будущем. Например, зарегистрирован вызванный потенциал при усреднении реакции на многократную короткую (1000 мс) стимуляцию бинауральными биениями 6,6 Гц (Karino et al., 2004), хотя отклика на стимуляцию близкой частотой 7 Гц в течение 2 минут (Goodin et al., 2012), и даже до 30 мин (Wahbeh et al., 2007a), обнаружено не было. То есть, не понятно, почему удаётся уловить вызванную активность при усреднении коротких стимулов бинауральными биениями (1-2 сек), но с ростом времени предъявления отклик пропадает. Возможно, здесь мы имеем дело с привыканием мозга к монотонному стимулу, что ведет к ослаблению реакции на него. Такой вывод логичен, по аналогии с ослаблением реакции, установленным при исследовании вызванных слуховых потенциалов (например, Barry et al., 1992). Но видимо, привыкание происходит достаточно быстро, поскольку уменьшение времени стимула, перемежающегося с отдыхом, до 1 минуты, всё равно не позволило увидеть частотно-ведомый отклик на стимуляцию 10 и 20 Гц (Vernon et al., 2014).

Другие перспективные области клинического применения

Помимо ЭЭГ и когнитивных тестов, стимуляция бинауральными биениями исследовалась и в других клинически применимых областях. Так, было выяснено, что она усиливает парасимпатическую активацию и субъективное чувство расслабления (McConnell et al., 2014), влияет на вариабельность сердечного ритма (Palaniappan et al., 2015) а также снижает уровень предоперационного стресса (Padmanabhan et al., 2005). Эти эффекты достигались стимуляцией соответственно тета-, альфа-, и дельта-частотами соответственно. Кроме того, в недавнем подробном обзоре (Chaieb et al., 2015) сделан вывод о благотворном влиянии стимуляции бинауральными биениями на уровень тревожности. Обобщая все эти данные, можно сказать, что бинауральные биения могли бы быть средством не только изменения ритмической активности мозга, но и влияния на автономные функции организма, со всеми вытекающими клиническими применениями, в числе которых лечение гипертензии, расстройств сна, тревожности и др.

Тем не менее, как видно из вышеописанного, имеющиеся на сегодняшний день данные не позволяют однозначно принять эту гипотезу. Причина наблюдаемых противоречий может крыться в разных экспериментальных протоколах, в том числе, разной длительности стимулов, разном наборе использовавшихся биений и их несущих частот, разном уровне внимания испытуемых по отношению к стимулу (Schwarz, Taylor, 2005), а также сильных отличиях индивидуальной реакции на этот стимул (Reedijk et al., 2015). Кроме того, в ряде случаев доверие к результатам снижается из-за недостаточного контроля условий постановки эксперимента, недостаточно полного описания экспериментального протокола, а также отсутствия данных о ритмической активности мозга в процессе тестирования когнитивных функций. То есть, исследования, в которых стимуляция различными видами биений сопровождается полноценными электрофизиологическими замерами, до сих пор являются редкостью (Chaieb et al., 2015). Это относится не только к мониторингу ЭЭГ, но также и других автономных функций, например, электрокардиограммы, дыхания, оксиметрии и т.п., хотя очевидно, что без выяснения степени влияния бинауральных биений на эти параметры ни о каком клиническом применении речи быть не может.

Словарь

Ссылки

Anokhin, A., Vogel, F., 1996. EEG alpha rhythm frequency and intelligence in normal adults. Intelligence 23 (1–14).

Barkley RA. Attention-Deficit Hyperactivity Disorder: A Handbook for Diagnosis and Treatment. Third ed. New York, NY: The Guilford Press (2005).

Barry, R.J., Cocker, K.I., Anderson, J.W., Gordon, E., Rennie, C., 1992. Does the N100 evoked potential really habituate? Evidence from a paradigm appropriate to a clinical setting. International Journal of Psychophysiology 13 (1), 9–16.

Becher, A. K., Höhne, M., Axmacher, N., Chaieb, L., Elger, C. E., and Fell, J. (2015). Intracranial electroencephalography power and phase synchronization changes during monaural and binaural beat stimulation. Eur. J. Neurosci. 41, 254–263. doi: 10.1111/ejn.12760

Brady, B., and Stevens, L. (2000). Binaural-beat induced theta EEG activity and hypnotic susceptibility. Am. J. Clin. Hypn. 43, 53–69. doi: 10.1080/00029157.2000.10404255

Chaieb, L., Wilpert, E. C., Reber, T. P., and Fell, J. (2015). Auditory beat stimulation and its effects on cognition and mood states. Front. Psychiatry 6:70. doi: 10.3389/fpsyt.2015.00070

Doppelmayr, M., Klimesch, W., Hodlmoser, K., Sauseng, P., Gruber, W., 2005. Intelligence related upper alpha desynchronisation in a semantic memory task. Brain Research Bulletin 66, 171–177.

Dove, H. W. (1841). über die combination der eindrücke beider ohren und beider augen zu einem eindruck. Monat. Ber. Akad. 41, 251–252.

Draganova, R., Ross, B., Wollbrink, A., and Pantev, C. (2008). Cortical steadystate responses to central and peripheral auditory beats. Cereb. Cortex 18, 1193–1200. doi: 10.1093/cercor/bhm153

Egner, T., Gruzelier, J., 2003. Ecological validity of neurofeedback: modulation of slow wave EEG enhances musical performance. NeuroReport 14 (9), 1221–1224.

Emmelkamp P, Ehring T. The Wiley Handbook of Anxiety Disorders. (2014). Available from: http://sci-hub.tw/http://eu.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-111877535X.html

Fuchs, T., Birbaumer, N., Lutzenberger, W., Gruzelier, J.H., Kaiser, J., 2003. Neurofeedback treatment for attention-deficit/hyperactivity disorder in children: a comparison with methylphenidate. Applied Psychophysiology and Biofeedback 28 (1), 1–12.

Gao, X., Cao, H., Ming, D., Qi, H., Wang, X., Wang, X., et al. (2014). Analysis of EEG activity in response to binaural beats with different frequencies. Int. J. Psychophysiol. 94, 399–406. doi: 10.1016/j.ijpsycho.2014.10.010

Goodin P, Ciorciari J, Baker K, Carey A-M, Carrey A-M, Harper M, et al. A high-density EEG investigation into steady state binaural beat stimulation. PLoS One (2012) 7(4):e34789. doi:10.1371/journal.pone.0034789

Guilford J.P. The Nature of Human Intelligence. New York, NY: McGraw-Hill (1967).

Hanslmayr, S., Sauseng, P., Doppelmayr, M., Schabus, M., Klimesch, W., 2005. Increasing individual upper alpha power by neurofeedback improves cognitive performance in human subjects. Applied Psychophysiology and Biofeedback 30 (1), 1–10.

Herrmann, C. S., Strüber, D., Helfrich, R. F., and Engel, A. K. (2016). EEG oscillations: from correlation to causality. Int. J. Psychophysiol. 103, 12–21. doi: 10.1016/j.ijpsycho.2015.02.003

Huang, T. L., and Charyton, C. (2008). A comprehensive review of the psychological effects of brainwave entrainment. Altern. Ther. Health Med. 14, 38–50.

Ioannou, C. I., Pereda, E., Lindsen, J. P., and Bhattacharya, J. (2015). Electrical brain responses to an auditory illusion and the impact of musical expertise. PLoS One 10:e0129486. doi: 10.1371/journal.pone.0129486

Jausovec, N., 1996. Differences in EEG alpha activity related to giftedness. Intelligence 23, 159–173.

Karino, S., Yumoto, M., Itoh, K., Uno, A., Matsuda, M., Yamakawa, K., Sekimoto, M., Kaneko, Y., Kaga, K., 2004. Magnetoencephalographic study of human auditory steady-state responses to binaural beat. International Congress Series 1270, 169–172.

Karino, S., Yumoto, M., Itoh, K., Uno, A., Yamakawa, K., Sekimoto, S., et al. (2006). Neuromagnetic responses to binaural beat in human cerebral cortex. J. Neurophysiol. 96, 1927–1938. doi: 10.1152/jn.00859.2005

Kasprzak, C. Influence of Binaural Beats on EEG Signal. ACTA PHYSICA POLONICA A Vol. 119 6-A (2011) 986-990

Kennel S, Taylor AG, Lyon D, Bourguignon C. Pilot feasibility study of binaural auditory beats for reducing symptoms of inattention in children and adolescents with attention-deficit/hyperactivity disorder. J Pediatr Nurs (2010) 25(1):3–11. doi:10.1016/j.pedn.2008.06.010

Kennerly, R. (1996). An empirical investigation into the effect of beta frequency binaural beat audio signals on four measures of human memory. Hemi-Synch J. 14, 1–4.

Klimesch, W., Sauseng, P., Gerloff, C., 2003. Enhancing cognitive performance with repetitive transcranial magnetic stimulation at human individual alpha frequency. European Journal of Neuroscience 17 (5), 1129–1133.

Kuwada, S., Yin, T. C., and Wickesberg, R. E. (1979). Response of cat inferior colliculus neurons to binaural beat stimuli: possible mechanisms for sound localization. Science 206, 586–588. doi: 10.1126/science.493964

Lane JD, Kasian SJ, Owens JE, Marsh GR. Binaural auditory beats affect vigilance performance and mood. Physiol Behav (1998) 63(2):249–52. doi:10.1016/S0031-9384(97)00436-8

Lavallee, C. F., Koren, S. A., and Persinger, M. A. (2011). A quantitative electroencephalographic study of meditation and binaural beat entrainment. J. Altern. Complement. Med. 17, 351–355. doi: 10.1089/acm.20 09.0691

Le Scouarnec RP, Poirier RM, Owens JE, Gauthier J, Taylor AG, Foresman PA. Use of binaural beat tapes for treatment of anxiety: a pilot study of tape preference and outcomes. Altern Ther Health Med (2001) 7(1):58–63.

Licklider JCR, Webster JC, Hedlun JM. On the frequency limits of binaural beats. J Acoust Soc Am (1950) 22(4):468–73. doi:10.1121/1.1906629

Lubar, J.F., Swartwood, M.O., Swartwood, J.N., O'Donnell, P.H., 1995a. Evaluation of the effectiveness of EEG neurofeedback training for ADHD in a clinical setting as measured by changes in T.O.V.A. scores, behavioural ratings, and WISC-R performance. Biofeedback and Self-Regulation 20 (1), 83–99.

Lubar, J.F., Swartwood, M.O., Swartwood, J.N., Timmerman, D.L., 1995b. Quantitative EEG and auditory event related potentials in the evaluation of attention deficit/hyperactivity disorder: Effects of methylphenidate and implications for neurofeedback training. Journal of Psychoeducational Assessment 143–160.

McAlpine, D., Jiang, D., and Palmer, A. R. (1996). Interaural delay sensitivity and the classification of low best-frequency binaural responses in the inferior colliculus of the guinea pig. Hear. Res. 97, 136–152. doi: 10.1016/0378-5955(96)00068-8

McConnell, P. A., Froeliger, B., Garland, E. L., Ives, J. C., and Sforzo, G. A. (2014). Auditory driving of the autonomic nervous system: listening to thetafrequency binaural beats post-exercise increases parasympathetic activation and sympathetic withdrawal. Front. Psychol. 5:1248. doi: 10.3389/fpsyg.2014.01248

McCrae RR, John OP. An introduction to the five-factor model and its applications. J Pers (1992) 60(2):175–215. doi:10.1111/j.1467-6494.1992.tb00970.x

McNair DM, Heuchert JP. Profile of Mood States, 2nd EditionTM (POMS 2TM), JvR Psychometrics Assessment Catalogue. (2011). Available from: http://sci-hub.tw/http://catalogue.jvrpsychometrics.co.za/profile-of-mood-states/

Monastra, V.J., Lynn, S.L., Linden,M., Lubar, J.F., Gruzelier, J., La Vaque, T.J., 2006. Electroencephalographic biofeedback in the treatment of attention-deficit/hyperactivity disorder. Journal of Neurotherapy 9 (4), 5–34.

Moore, B. C. J. (1997). An Introduction to the Psychology of Hearing. San Diego, CA: Academic Press.

Ortiz T, Martínez AM, Fernández A, Maestu F, Campo P, Hornero R, et al. Impact of auditory stimulation at a frequency of 5 Hz in verbal memory. Actas Esp Psiquiatr (2008) 36(6):307–13.

Oster G. Auditory beats in the brain. Sci Am (1973) 229(4):94–102. doi:10.1038/scientificamerican1073-94

Padmanabhan R, Hildreth AJ, Laws D. A prospective, randomised, controlled study examining binaural beat audio and pre-operative anxiety in patients undergoing general anaesthesia for day case surgery. Anaesthesia (2005) 60(9):874–7. doi:10.1111/j.1365-2044.2005.04287.x

Palaniappan, R., Phon-Amnuaisuk, S., and Eswaran, C. (2015). On the binaural brain entrainment indicating lower heart rate variability. Int. J. Cardiol. 190, 262–263. doi: 10.1016/j.ijcard.2015.04.175

Pratt H, Starr A, Michalewski HJ, Dimitrijevic A, Bleich N, Mittelman N. A comparison of auditory evoked potentials to acoustic beats and to binaural beats. Hear Res (2010) 262(1–2):34–44. doi:10.1016/j.heares.2010.01.013

Rasey, H.W., Lubar, J.F., McIntyre, A., Zoffuto, A.C., Abbott, P.L., 1996. EEG Biofeedback for the enhancement of attentional processing in normal college students. Journal of Neurotherapy 1 (3), 15–21.

Reedijk SA, Bolders A, Hommel B. The impact of binaural beats on creativity. Front Hum Neurosci (2013) 7:786. doi:10.3389/fnhum.2013.00786

Reedijk, S. A., Bolders, A., Colzato, L. S., and Hommel, B. (2015). Eliminating the attentional blink through binaural beats: a case for tailored cognitive enhancement. Front. Psychiatry 6:82. doi: 10.3389/fpsyt.2015.00082

Ross, B., Miyazaki, T., Thompson, J., Jamali, S., and Fujioka, T. (2014). Human cortical responses to slow and fast binaural beats reveal multiple mechanisms of binaural hearing. J. Neurophysiol. 112, 1871–1884. doi: 10.1152/jn. 00224.2014

Saleh, M., Reimer, J., Penn, R., Ojakangas, C.L., Hatsopoulos, N.G., 2010. Fast and slow oscillations in human primary motor cortex predict oncoming behaviourally relevant cues. Neuron 65, 461–471.

Schwarz, D. W., and Taylor, P. (2005). Human auditory steady state responses to binaural and monaural beats. Clin. Neurophysiol. 116, 658–668. doi: 10.1016/j.clinph.2004.09.014

Spitzer, M. W., and Semple, M. N. (1998). Transformation of binaural response properties in the ascending auditory pathway: influence of time-varying interaural phase disparity. J. Neurophysiol. 80, 3062–3076.

Stevens, L., Haga, Z., Queen, B., Brady, B., Adams, D., Gilbert, J., et al. (2003). Binaural beat induced theta EEG activity and hypnotic susceptibility: contradictory results and technical considerations. Am. J. Clin. Hypn. 45, 295–309. doi: 10.1080/00029157.2003.10403543

Stough C, Donaldson C, Scarlata B, Ciorciari J. Psychophysiological correlates of the NEO PI-R openness, agreeableness and conscientiousness: preliminary results. Int J Psychophysiol (2001) 41(1):87–91. doi:10.1016/S0167-8760(00)00176-8

Thompson, S. P. (1877). XXXVI. On binaural audition. Lond. Edinb. Dubl. Philos. Mag. J. Sci. 4, 274–276. doi: 10.1080/14786447708639338

Vernon D, Peryer G, Louch J, Shaw M. Tracking EEG changes in response to alpha and beta binaural beats. International Journal of Psychophysiology 93 (2014) 134–139

Vernon, D. Human Potential: Exploring Techniques Used to Enhance Human Performance. London: Routledge. (2009).

Wahbeh H, Calabrese C, Zwickey H. Binaural beat technology in humans: a pilot study to assess psychologic and physiologic effects. J Altern Complement Med (2007a) 13(1):25–32. doi:10.1089/acm.2006.6196

Wahbeh H, Calabrese C, Zwickey H, Zajdel D. Binaural beat technology in humans: a pilot study to assess neuropsychologic, physiologic, and electroencephalographic effects. J Altern Complement Med (2007b) 13(2):199–206. doi:10.1089/acm.2006.6196

Warm JS, Parasuraman R, Matthews G. Vigilance requires hard mental work and is stressful. Hum Factors (2008) 50(3):433–41. doi:10.1518/001872008X312152

Weiland TJ, Jelinek GA, Macarow KE, Samartzis P, Brown DM, Grierson EM, et al. Original sound compositions reduce anxiety in emergency department patients: a randomised controlled trial. Med J Aust (2011) 195(11–12):694–8. doi:10.5694/mja10.10662

Wernick, J. S., and Starr, A. (1968). Binaural interaction in the superior olivary complex of the cat: an analysis of field potentials evoked by binaural-beat stimuli. J. Neurophysiol. 31, 428–441.