Динамика формирования навыка моторного воображения при использовании интерфейса «мозг – компьютер» с мультимодальной обратной связью

EDN: PYKXWD

¹ Введение. В настоящее время возникающие вследствие патологий центральной неровной системы когнитивные и моторные нарушения являются значимой проблемой в области здравоохранения и приводят к ухудшению трудоспособности и качества жизни пациентов [1, 2]. Перспективным направлением профилактики и терапии подобных нарушений является использование технологии ИМК – интерфейсов «мозг – компьютер» (или прямой нейронный интерфейс, мозговой интерфейс), адаптирующей процесс реабилитации с учетом индивидуальных особенностей человека. Один из вариантов ключевого элемента реализации подобных реабилитационных ИМК – осуществление воображаемых движений, задействующих нейронные сети, ассоциированных с осуществлением сенсомоторных и когнитивных функций, но не требующих физических движений. Такой подход способствует нейропластичности головного мозга и особенно эффективен в начальный период реабилитации, когда выполнение реальных движений для пациента может быть затруднительным или невозможным [3–5]. Биологическая обратная связь в данном случае направлена на развитие саморегуляции у пациентов [6, 7]. Так, взаимодействуя с программно-аппаратным комплексом, пациент учится осознанно воспроизводить паттерны мозговой активности, направленные на управление ИМК. Это особенно важно в рамках реабилитационных мероприятий, поскольку развитие таких навыков требует наряду с формированием моторной реакции и понимания собственного ментального состояния. Расхождение между объективными показателями моторной активности и субъективным состоянием может свидетельствовать о недостаточном осознанном контроле восстанавливаемых функций, и анализ связей между объективным и субъективным состояниями пациентов представляет интерес в рамках совершенствования программ реабилитации их когнитивных и моторных нарушений с использованием ИМК [3].

Ранее нами была разработана новая технология, воплощенная в виде прототипа реабилитационного программно-аппаратного комплекса с ИМК, использующая воображаемые движения в составе визуальной и вибротактильной биологической обратной связи для задач коррекции различных когнитивных и моторных нарушений [3, 8]. Однако вопросы формирования навыков моторного воображения у пациентов в контексте их вовлечения в интерактивную реабилитацию на основе ИМК остаются недостаточно изученными, в то время как это может являться важным лимитирующим фактором для клинической эффективности.

Цель – оценить динамику формирования навыка моторного воображения при использовании ИМК с визуальной и вибротактильной биологической обратной связью.

Материал и методы. Исследование проведено в соответствии с принципами Хельсинкской декларации и получило одобрение независимого этического комитета ФГБУ «НМИЦ терапии и профилактической медицины» Минздрава России (выписка из протокола 06-05/25 от 15.10.2025). Информированное согласие получено от всех участников исследования.

В пилотное исследование включены 10 здоровых добровольцев в возрасте 29–34 лет. Все участвующие испытуемые были правшами.

Проведен многодневный эксперимент, направленный на оценку динамики формирования навыков воображаемых движений при регулярной тренировке в условиях мультимодальной биологической обратной связи. В рамках протокола использовали 2 канала обратной связи: визуальный и вибротактильный. Визуальная обратная связь представлена анимацией сгибающейся ладони на экране, активируемой при успешном распознавании движения. Вибротак-тильная обратная связь осуществлялась с помощью вибростимулятора, расположенного на ладони соответствующей руки испытуемого. Такое сочетание модальностей способствовало более эффективной интеграции сенсорных потоков и усилению нейронного представления воображаемого движения, что, в свою очередь, поддерживало формирование устойчивых моторных образов и сохраняло активное участие испытуемого на протяжении каждой сессии. Эксперимент длился 5 дней, и в каждом из них проводили 1 реабилитационную сессию, включавшую задания на воображение движений левой и правой рук. Такой дизайн позволил проследить постепенную адаптацию к условиям тренировки, стабилизацию стратегий выполнения задания и изменение качества генерируемых моторных образов на протяжении всего периода наблюдения.

Регистрацию электроэнцефалограмм (ЭЭГ) производили на протяжении всей экспериментальной сессии. Детектирование моментов воображаемых движений осуществляли в режиме реального времени с использованием классификатора на основе анализа паттернов ЭЭГ-активности, описанных в наших предшествующих работах [3].

Перед началом эксперимента выполняли калибровку глазодвигательной активности и запись фоновой ЭЭГ в течение 60 сек. Затем испытуемый адаптировался к распознаванию воображаемых движений, мысленно выполняя сжатие ладоней соответствующей руки. Эксперимент включал задания на воображение движений обеих рук. Основная часть эксперимента включала мысленное выполнение движений, при успешном распознавании которых предъявлялась биологическая обратная связь (визуальная и/ или вибротактильная). Общая продолжительность 1 сессии составляла приблизительно 30 мин.

При обработке экспериментальных данных оценивали успешность распознавания воображаемых движений левой и правой рук на протяжении 5 экспериментальных сессий. Успешность отражала долю эффективно выполненных проб воображения, где каждая из них представляла собой 10-секундный интервал, в течение которого испытуемый должен был сформировать устойчивый моторный образ движения заданной руки. Если воображаемое действие достигало необходимого уровня выраженности и соответствовало целевому ЭЭГ-паттерну, то алгоритм классификации фиксировал успешное распознавание.

Для оценки влияния фактора экспериментальной сессии на успешность распознавания воображаемых движений применялся дисперсионный анализ с повторными измерениями (repeated measures ANalysis Of VAriance – RM ANOVA) отдельно для каждой руки, размер эффекта оценивали с помощью частичной эты-квадрат (partial η squared – η_p ² ). Уровень статистической значимости был установлен как p <0,05.

Данные представлены в виде среднего значения и его стандартной ошибки.

Результаты. На рисунке представлена динамика успешности распознавания воображаемых движений левой и правой рук на протяжении 5 экспериментальных сессий. RM ANOVA выявил статистически значимое влияние фактора сессии на успешность распознавания воображаемых движений как для правой руки ( p =0,003, η_p ² =0,35), так и для левой руки ( p <0,001, η_p ² =0,41). Динамика успешности распознавания воображаемых движений показывает четкую U -образную траекторию обучения для обеих рук. В 1-й сессии показатели успешности распознавания воображаемых движений находятся на достаточно высоком уровне: примерно 80% для правой руки и приблизительно 76% – для левой. Ко 2-й сессии успешность распознавания воображаемых движений несколько снижается, а к 3-й достигает минимальных значений: примерно 71% для правой руки и приблизительно 66% – для левой. С 4-й сессии успешность распознавания воображаемых движений начинает постепенно восстанавливаться. Однако наиболее выраженный рост наблюдается между 4-й и 5-й сессиями: успешность распознавания воображаемых движений правой руки увеличивается более чем на 10%, а левой – почти на 20%, достигая максимальных значений за весь период эксперимента (приблизительно 85 и 90% соответственно).

Обсуждение. Эффект «провисания» точности распознавания воображаемых движений в середине эксперимента является типичным в обучающих протоколах и отражает адаптационный этап, когда испытуемый перестраивает внутреннюю стратегию формирования моторного образа. На этом этапе человек переходит от более поверхностного интуитивного воображения к более структурированному специфичному моторному образу, что временно снижает стабильность выполнения задачи. Это утверждение согласуется с данными исследований, в которых показано, что обучение управлению ИМК – навык, требующий практики и адаптации, а перестройка нейронных паттернов может влиять на стабильность сигнала [9, 10].

Повышение успешности с 4-го дня эксперимента отражает формирование устойчивых воспроизводимых нейронных паттернов, соответствующих воображаемым движениям, и улучшение согласованности между моторным образом и алгоритмом его распознавания. Долгосрочные тренировки с биологической обратной связью действительно способствуют

Зависимость успешности распознавания воображаемых движений левой и правой рук в ходе 5 дней экспериментальных сессий формированию таких устойчивых навыков саморегуляции [11, 12].

Интересен выраженный асимметричный эффект между руками. В течение первых 4 сессий успешность воображения правой руки стабильно выше, что было ожидаемо, поскольку испытуемые были правшами; моторные представления правой руки более привычны и хорошо закреплены нейронно. Это подтверждается исследованиями, демонстрирующими, что у правшей двигательные представления правой (доминантной) руки вызывают более сильную и ла-терализованную активацию сенсомоторных ритмов, что теоретически может облегчать их распознавание [13]. Однако к 5-й сессии ситуация меняется – успешность левой руки становится выше, чем правой. Возможно, это характеризует компенсационный эффект: испытуемый, замечая, что воображение движений левой руки дается труднее, начинает уделять ей больше внимания и усилий. Такая перераспределенная концентрация и повышенный контроль приводят к резкому росту успешности распознавания воображаемых движений именно по линии левой руки.

Таким образом, полученные данные демонстрируют характерную для процесса обучения траекторию: начальный высокий уровень, затем снижение в период перестройки стратегии и последующее значительное улучшение качества выполнения задания. Показатели 5-й сессии подтверждают, что многодневный тренировочный протокол эффективно способствует укреплению навыков моторного воображения, стабилизации нейронных представлений и улучшению взаимодействия между пользователем и системой распознавания.

Заключение. Динамика формирования навыка моторного воображения при использовании ИМК с визуальной и вибротактильной биологической обратной связью характеризуется U -образной траекторией с достижением макимальных значений к 5-му дню обучения. Проведенное исследование продемонстрировало эффективность многодневного (в нашем случае – 5-дневного) тренировочного протокола с мультимодальной биологической обратной связью для формирования устойчивого навыка моторного воображения. Выявленная динамика обучения отражает закономерный процесс адаптации и перестройки когнитивных стратегий испытуемых. Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации реабилитационных протоколов на основе ИМК, в частности для определения минимально необходимой длительности тренировочного курса и прогнозирования динамики восстановления пациентов.

Вклад авторов. Авторы внесли эквивалентный вклад в написание статьи.