Нижегородские учёные рассказали, как работает цифровой тренажер для мозга

На голове электроды, голени зажаты прищепками с проводами. Ещё — наушники и очки. Очки надеты на закрытые глаза. Открывать глаза нельзя до завершения процесса. Глазам предназначено зрительное воздействие. Это стимуляция мозга. Его отклик услышу как музыку — музыку своего мозга.

Цветомузыка ума

Я нахожусь в лаборатории, где предмет изучения — святая святых, человеческий мозг. Такими исследованиями занимаются учёные ННГУ им. Лобачевского на кафедре психофизиологии факультета социальных наук. Здесь исследуют электрическую активность мозга и его отклики на различные сенсорные (связанные с чувствами и органами чувств) сигналы.

Основы этого направления были заложены в 1970‑е — 90‑е годы в институте прикладной математики и кибернетики — НИИ ПМК. Там исследовались механизмы кодирования и распознавания информации в сенсорных системах человека. На базе этих исследований и была создана в ННГУ кафедра психофизиологии.

Как обычно в лабораториях ННГУ, сначала немного теории. Мозг, в основном, состоит из нервных клеток, которые называются нейроны. Эти клетки общаются между собой и передают информацию. Важное качество мозга — нейропластичность. Благодаря этому свойству, нейроны и нейронные сети могут изменяться под воздействием нового опыта, в том числе восстанавливать или формировать новые связи и новые режимы, утраченные в результате повреждения. Нейронные связи охотно поддаются тренировке. Это база для любой прогрессивной творческой функции и для восстановления, в случае необходимости, функций мозга.

«Сейчас проведу стимуляцию, которая должна, с одной стороны, стимулировать нейропластичность, с другой стороны, даст мне дополнительную информацию об особенностях работы вашего мозга», — объясняет происходящее Софья Полевая, заведующая кафедрой психофизиологии.

В частности, например, при нарушении каких-то речевых функций важно спровоцировать процесс нейропластичности для того, чтобы мозг восстановил работу тех нейронных сетей, которые должны обслуживать эти функции. Для этого и проводится стимуляция, это называется «кормить нейроны». Благодаря этой стимуляции будет усилен кровоток, и нейроны, которые раньше молчали, получат питание и смогут включиться в работу. Благодаря зрительной стимуляции перед закрытыми глазами разворачивается мерцание, похожее на северное сияние в масштабах одного мозга, а в наушниках звучит подобие музыки. Это своего рода пение ума, которое строится из ритмов мозга. Все вместе работает в пользу активности мозга.

Цветомузыкальное представление начинается. Перед глазами сменяют друг друга цветные пятна. Красота-то какая! Особенно хорош нежно-голубой цвет ранневесеннего неба, который в обычной жизни и не припомнишь. При этом в наушниках звучат непрерывные потоки мелодичных звуков, восходящие и нисходящие, примерно, как в музыкальной гамме, только атональные, вне привычной гармонической логики. Но мне нравится. Своя атональность слух не режет.

Стимуляция продолжается пять-семь минут. Концерт окончен, подводим итог. Мне показывают графики, которые иллюстрируют происходящее в голове: мозг продемонстрировал высокую пластичность и генераторные возможности, которые обеспечивают творческие процессы и мышление.

Цифровая тренировка

Психофизиология исследует связи между мозгом, разумом и телом. Ученые разрабатывают технологии, которые позволяют точно измерять эти взаимодействия. За мозг отвечает электроэнцефалография, за разум — когнитивный тренажер. Об этом подробнее.

На кафедре психофизиологии разрабатывают методы, которые позволяют получать информацию о человеке в условиях его повседневной жизни (а не в лаборатории, например). Этим целям служит когнитивная web-платформа «Когнитом», на которую через интернет можно зайти с компьютера из любой точки земного шара и проводить там различные измерения. Например, с помощью этой платформы можно оценить когнитивные способности и действия человека. Это восприятие и анализ информации, внимание, память и речь. Причем оценить объективно и точно, по скорости принятия решений, количеству и качеству ошибок. Более того, в платформе есть специальный тренажер, который позволяет так же точно оценивать работоспособность мозга, а если что не так — натренировать нужные функции. Это и есть когнитивный тренажер.

Где это может пригодиться? Применений — множество. Например, с помощью web-платформы можно узнать, насколько ребенок готов к школе, а если у него дефицит внимания, то можно «натренировать» мозг, как мускул. Психофизиологи говорят: «Сформировать новые нейросети».

«Это настоящий когнитивный фитнес, — объясняет автор исследования Софья Полевая. — Однажды нужно было помочь мальчику, у которого были проблемы с функцией внимания, как бы «завести» его мозг. Ему назначала тесты на этой web-платформе, он дома их выполнял, исходя из результатов, я назначала новые тесты, и функции внимания у него восстановились».

Во времена пандемии, когда больные COVID-19 лежали в «красной зоне», тренажер пригодился для реабилитации. С этим заболеванием неминуемо связаны проблемы с мозгом, и в больнице Приволжского окружного медицинского центра пациенты «красной зоны» на планшетах выходили на «Когнитом» и выполняли необходимые упражнения. И это обеспечивало поддержку когнитивных функций.

Во время тестов можно отслеживать телеметрию ритма сердца, чтобы определить эмоциональное состояние людей и энергозатраты организма, которые необходимы для поддержания когнитивных процессов. Сейчас целая команда ученых работает над созданием модели, которая поможет увидеть, в норме ли человек или в стадии нервного истощения — «выгорел» и работает «на честном слове и на одном крыле». Это будет своего рода калькулятор эмоционального выгорания. Реабилитацию же можно пройти все на том же когнитивном тренажере.

«Когнитом» работает как конструктор. Это значит, что программы диагностики и тренировки настраиваются под разные целевые функции человека с разными особенностями. Любому, кто заходит на платформу, можно создать свой тест.

Зона особого внимания — четыре патологии, при которых страдает работа мозга. Это последствия инсульта, наркозависимость, а также детские СДВГ (синдром дефицита внимания и гиперактивности) и аутизм. Такие разные, казалось бы, патологии.

«Карта нарушений разная, но всякий раз речь идет о нарушениях в обработке информации, в работе нейронных сетей, обес­печивающих восприятие, внимание, принятие решений, — объясняет Софья Полевая. — Поэтому все эти пациенты — наша целевая группа».

Чем в этих случаях полезен «Когнитом»? Благодаря цифровому картированию базовых функций тренажер обнаруживает нарушения в работе нейронных сетей. Подстраиваясь под конкретное состояние человека, платформа позволяет выбирать именно те упражнения, которые человеку необходимы.

Это звучит как открытие, которое просто перевернет мир. Человек прямо из дома выходит на платформу, проходит какие-то тесты, формируется цифровая карта его когнитивных процессов. В зависимости от того, какие процессы отклоняются от оптимальных, выбираются упражнения (тесты), возвращающие процессы к норме. Чем не лечебная физкультура, только для мозга? Без таблеток, без физиотерапии.

«За этим будущее», — считают ученые.

Мышка, не подведи

Давайте же, скорей, попробуем, что это за тренировка. Усаживаюсь перед большим экраном, на который будут выводиться тесты, и получаю в руки компьютерную мышку. Процедура регистрации на платформе в качестве испытуемой занимает считаные минуты. Теперь нужно выбрать тест. Сперва — один из самых простых.

На экране будут появляться слова, обозначающие цвет. Например, «красный». Нажимать нужно только тогда, когда цвет букв соответствует смыслу слова. То есть если слово «красный» написано буквами красного цвета, жму. Не совпадает цвет и смысл слова — пропускаю.

«Здесь нет никаких сложностей, как компьютерных в играх, — объясняет Софья Полевая. — Выполняя каждое задание, вы «включаете» нейронные сети, обрабатывающие признаки, с помощью которых принимаются решения. Когда мозг работает, он «подкармливает» нейроны, которые включены в активность. И даже если мы просто заставляем мозг активироваться, то уже работаем ему в плюс».

Но кроме обобщенного плюса мы включаем конкретные когнитивные модули: вербальный (потому что «достаем» из слова образ), зрительный (потому что обрабатываем зрительный сигнал, активируем цветовое зрение), модуль мышления (сопоставляем эти образы), модуль принятия решений (решаем, жать или не жать) и моторный модуль (действие с мышкой).

Это комплексное включение ресурсов мозга, плюс его тренировка и оценка эффективности одновременно.

Поехали! На экране появляются обещанные слова. Пять-восемь минут — все задания выполнены, платформа подсчитывает результаты. Диаграмма, появившаяся на экране, вполне комплиментарна: ни одной ошибки. Мозг идеально справился с этой задачей. Еще одна проба — мозг вновь идеально выполняет задания. Увеличивая сложность, мы находим задачу, которую выполняю с ошибками. Поле для тренировок найдено.

Все, что здесь происходит, можно сравнить с компьютером. В компьютере разделяют «хард» (его обобщенная железная начинка, микросхемы и провода) и «софт» (программы, оживляющие это «железо»). «Хард» мозга — как раз сами нейроны и связи между ними. Когнитивный же тренажер — из области «софта».

«Все метрики по оценке когнитивных процессов примерно такие же, как при оценке качества искусственных нейронных сетей, — продолжает аналогии Софья Александровна. — Там ведь тоже есть распознавание признаков. Нейронные сети распознают образы, и наши сети распознают образы. Мы используем одни и те же параметры для оценки качества работы этих нейронных сетей. Поэтому то, что мы сделали, наиболее близко к взаимодействию с искусственным интеллектом».

В исследованиях приняли участие более 40 тысяч человек. Опубликованы статьи в авторитетных научных журналах. Следующий шаг — клиническая практика.

Светлана Кукина