Введение

Нейронные колебания в диапазоне частот 8–12 Гц, или альфа-ритм, – это нейронные колебания в диапазоне частот 8–12 Гц, предположительно возникающие в результате синхронной и когерентной (в фазе или конструктивной) электрической активности таламических пейсмекерных клеток у человека. Исторически они также известны как "волны Бергера" в честь Ганса Бергера, который впервые описал их при изобретении ЭЭГ в 1924 году. Альфа-волны – один из типов мозговых волн, регистрируемых электрофизиологическими и смежными методами, такими как электроэнцефалография (ЭЭГ) или магнитоэнцефалография (МЭГ), и могут быть количественно оценены с помощью количественной электроэнцефалографии (qEEG). Наиболее выраженно они регистрируются в затылочных долях во время бодрствующего расслабления с закрытыми глазами и были первыми мозговыми ритмами, зарегистрированными у людей. Альфа-волны ослабевают при открытых глазах и во сне, но усиливаются при сонливости. Затылочные альфа-волны при закрытых глазах являются самыми сильными сигналами ЭЭГ мозга. Ранее считалось, что альфа-волны отражают активность зрительной коры в состоянии покоя. Однако более поздние исследования показывают, что они могут подавлять активность областей коры, которые не используются, или, альтернативно, играть активную роль в координации и коммуникации нейронных сетей. Их ингибирующий эффект или роль во внимании связаны с направлением распространения: волны, распространяющиеся сверху вниз и назад, являются ингибирующими, а волны, распространяющиеся снизу вверх и вперед, способствуют процессам визуального внимания. Альфа-подобный вариант, называемый мю-волной, можно обнаружить над первичной моторной корой.

Возможные типы и происхождение

Некоторые исследователи предполагают, что существует как минимум две формы альфа-волн, которые могут выполнять различные функции в цикле бодрствования и сна. Альфа-волны присутствуют на разных стадиях цикла бодрствования и сна. Наиболее изучена их активность в состоянии расслабленного психического состояния, когда испытуемый находится в покое с закрытыми глазами, но не испытывает усталости или сонливости. Эта альфа-активность локализуется в затылочной доле, хотя высказываются предположения о ее таламическом происхождении. Ряд анализов показывают, что кортикальный альфа опережает таламический (пульвинарный) альфа, что усложняет общепринятые теории о таламическом пейсмейкере. Halgren, M и др. обнаружили, что альфа-активность распространяется в нервной системе от коры к таламусу и от областей высшего порядка к областям низшего порядка. Экспериментальные и вычислительные модели, разработанные Traub RD и др., предполагают кортикальное, специфичное для определенного слоя (ламина) и подтипа основных нейронов, происхождение визуального альфа-ритма. На основании обследования пациентов с врожденными дефектами зрения было установлено, что для формирования корректного паттерна активности ЭЭГ необходимо наличие эффективного и полноценного зрительного пути. Эта волна начинает появляться примерно в четыре месяца, и ее первоначальная частота составляет 4 волны в секунду. Зрелая альфа-волна с частотой 10 волн в секунду окончательно формируется к 3 годам. Второе проявление активности альфа-волн наблюдается во время фазы быстрого сна. В отличие от альфа-активности в состоянии бодрствования, эта форма локализуется во фронтально-центральных областях мозга. Функциональная роль альфа-активности во время фазы быстрого сна до конца не выяснена. В настоящее время существуют аргументы в пользу того, что альфа-паттерны являются нормальной составляющей фазы быстрого сна, а также в пользу того, что они свидетельствуют о периоде частичного пробуждения. Предполагается, что эта альфа-активность обратно пропорциональна давлению фазы быстрого сна. Долгое время считалось, что альфа-волны указывают на период бодрствования во время сна. Это связывалось с исследованиями, в которых участники сообщали о невосстановляющем сне и ЭЭГ-записи демонстрировали высокий уровень вторжения альфа-волн в сон. Это явление известно как вторжение альфа-волн. Однако, возможно, что эти объяснения вводят в заблуждение, поскольку они фокусируются исключительно на альфа-волнах, генерируемых в затылочной доле.

Медитация

Медитация осознанности показала увеличение мощности альфа-волн как у здоровых испытуемых, так и у пациентов. Практикующие Трансцендентальную Медитацию продемонстрировали уменьшение частоты альфа-волн на один Герц относительно контрольной группы.

Вторжение Альфа-волн

Внедрение альфа-волн происходит, когда альфа-волны появляются во время не-REM-сна, в то время как ожидается дельта-активность. Предполагается, что это явление связано с фибромиалгией, при которой повышенная фазическая альфа-активность во сне коррелирует с клиническими проявлениями фибромиалгии, такими как большая продолжительность болевого синдрома. Тем не менее, внедрение альфа-волн не имеет значимой связи с какими-либо серьезными расстройствами сна, включая синдром хронической усталости и большую депрессию. Однако оно часто встречается у пациентов, страдающих хронической усталостью, и может усиливать последствия других нарушений сна.

Прогноз ошибок

Вслед за этим моментом потери концентрации, недавнее исследование показало, что альфа-волны могут использоваться для предсказания ошибок. В ходе исследования с помощью МЭГ было зафиксировано увеличение активности альфа-мозговых волн до 25% непосредственно перед совершением ошибок. Исследование основывалось на логичном предположении: альфа-волны свидетельствуют о состоянии покоя, а ошибки часто возникают, когда человек действует автоматически, "на автопилоте", не сосредотачиваясь на выполняемой задаче. После того, как испытуемый замечал ошибку, наблюдалось снижение активности альфа-волн, поскольку он начинал уделять задаче больше внимания. Авторы исследования надеются, что это будет способствовать применению беспроводных ЭЭГ-технологий для мониторинга активности альфа-волн и оценки уровня внимания сотрудников в сферах с повышенным риском, таких как управление воздушным движением.

Обработка визуальной информации в памяти

Исследование показало, что появление альфа-ритма с открытыми глазами может быть предиктором обработки визуальной информации в рабочей памяти. Было показано, что момент возникновения альфа-активности зависит от типа стимула, хранящегося в памяти, и количества визуальных характеристик (цвет, форма и т.д.), которые необходимо запомнить. Авторы предполагают, что появление альфа-ритма с открытыми глазами может указывать на временное подавление обработки визуальной информации в первичной зрительной коре в моменты, когда испытуемый анализирует изображение в зрительной памяти. В эти моменты информация обрабатывается в ассоциативных областях зрительной коры (области hV4, V3v, VO1, VO2).

Визуальное обучение

Одно исследование предполагает, что "парадигма визуального мерцания для синхронизации с индивидуальным ритмом мозга (то есть пиковой альфа-частотой)" может приводить к более быстрому визуальному обучению, сохраняющемуся на следующий день после тренировки. В частности, синхронизация существенно ускоряла обучение в задаче дискриминации – обнаружению целей на фоне шума или распознаванию радиальных и концентрических узоров, встроенных в помехи – по сравнению с синхронизацией, не соответствующей индивидуальной альфа-частоте.

История

Альфа-волны были открыты немецким неврологом Хансом Бергером, изобретателем ЭЭГ. Альфа-волны были одними из первых волн, задокументированных Бергером, наряду с бета-волнами, и он проявлял интерес к "альфа-блокаде" – процессу, при котором альфа-волны уменьшаются, а бета-волны увеличиваются при открывании глаз испытуемым. Это различие принесло альфа-волне альтернативное название "волны Бергера". Бергер вдохновлялся работами украинского физиолога Владимира Правдича Неминского, который использовал струнный гальванометр для создания фотографии электрической активности мозга собаки. Используя схожие методы, Бергер подтвердил существование электрической активности в человеческом мозге. Сначала он делал это, подвергая пациентов с повреждениями черепа стимуляции и измеряя электрическую активность их мозга. Позже он отказался от метода стимуляции и начал измерять естественные ритмические электрические циклы в мозге. Первый задокументированный им естественный ритм стал известен как альфа-волна. Бергер был очень скрупулёзным и внимательным при сборе данных, но, несмотря на свой гений, не чувствовал себя достаточно уверенно, чтобы опубликовать свои открытия, по крайней мере, пять лет спустя. В 1929 году он опубликовал свои первые результаты об альфа-волнах в журнале Archiv für Psychiatrie. Первоначально его высмеивали за технику ЭЭГ и последующие открытия альфа- и бета-волн. Его техника и результаты не получили широкого признания в психологическом сообществе до 1937 года, когда он получил одобрение известного физиолога лорда Адриана, который проявлял особый интерес к альфа-волнам. Альфа-волны вновь привлекли внимание в начале 1960-х и 1970-х годов с созданием теории биологической обратной связи, связанной с мозговыми волнами (см. ниже). Такая биологическая обратная связь, известная как нейрофидбек, в отношении альфа-волн представляет собой сознательное вызывание альфа-мозговых волн испытуемым. Два исследователя из США изучали эту концепцию в рамках не связанных между собой экспериментов. Джо Камия из Чикагского университета обнаружил, что некоторые люди обладают сознательной способностью распознавать, когда они генерируют альфа-волны, и могут увеличивать свою альфа-активность. Эти люди были мотивированы системой вознаграждений, предложенной Камией. Вторым основоположником биологической обратной связи является Барри Стерман из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Он работал с мониторингом мозговых волн у кошек и обнаружил, что когда кошек обучали подавлять двигательные реакции, они выделяли SMR-волны, или му-волны, которые похожи на альфа-волны. Используя систему вознаграждений, он обучил этих кошек легче входить в это состояние. Позже к нему обратились военно-воздушные силы США с просьбой протестировать влияние авиационного топлива, которое, как известно, вызывает судороги у людей. Стерман протестировал влияние этого топлива на ранее обученных кошек и обнаружил, что они обладают большей устойчивостью к судорогам, чем необученные кошки. Биологическая обратная связь на основе альфа-волн вызвала интерес благодаря некоторым успехам в подавлении судорог и лечении депрессии у людей. Альфа-волны вновь привлекли внимание в связи с инженерным подходом к научно-фантастической задаче психокинеза, то есть контролю движения физического объекта с использованием энергии, исходящей из человеческого мозга. В 1988 году альфа-ритм ЭЭГ был использован в эксперименте по созданию интерфейса "мозг-компьютер" для управления движением физического объекта – робота. Это был первый эксперимент, демонстрирующий контроль над физическим объектом, роботом, с помощью ЭЭГ.