نوروفیدبک یک تکنیک ارتقاء انسانی است که هدف آن ارائه بهبودهای شناختی در متغیرهای روانشناختی مانند حافظه، توجه، سرعت پردازش یا عملکردهای اجرایی است. در اینجا، ما تکنیکهای بازخورد عصبی و بیوفیدبک را توصیف میکنیم، علمی که پشت یکی از معتبرترین پروتکلها وجود دارد، روندهای جدید در رویکردهای مدرن تحتتأثیر پیشرفتهای رابطهای مغز و کامپیوتر، و برخی موارد استفاده و نتایج علمی را بررسی میکنیم.
نوروفیدبک یا بازخورد EEG برای بهبود شناختی چیست؟
نوروفیدبک یا بازخورد EEG یک تکنیک ارتقای انسانی است که هدف نهایی آن در راستای جمعیت عمومی، بهینهسازی عملکرد مغز برای دستیابی به بهبودهای شناختی در متغیرهای روانشناختی مانند حافظه، توجه، سرعت پردازش یا عملکردهای اجرایی است. در این تکنیک آموزش مغز، الگوهای خاص مغزی، بهعنوانمثال، الگوهایی که با عملکرد شناختی مرتبط هستند، بهصورت لحظهای با استفاده از الکتروانسفالوگرام (EEG) نظارت میشوند و به کاربر بهصورت صوتی یا بصری، با استفاده از صفحهنمایش کامپیوتر، بازخورد داده میشود. بدین ترتیب، کاربر میتواند یاد بگیرد که تا حدی برخی الگوهای فعالیت مغزی مرتبط با عملکرد شناختی را شکل دهد و در نتیجه به بهبود شناختی دست یابد.
نوروفیدبک یک تخصص از مجموعهای وسیعتر از تکنیکها به نام بیوفیدبک است که هدف آن دستیابی به یک درجه کنترل بر متغیرهای فیزیولوژیکی مانند ضربان قلب، تنفس، هدایت الکتریکی پوست و غیره است. زمانی که متغیر فیزیولوژیکی موردنظر “فعالیت امواج مغزی” (EEG) باشد، به آن بیوفیدبک EEG یا بازخورد عصبی گفته میشود. صرفنظر از متغیر (عصبی) فیزیولوژیکی، همه اینها یک اصل عملکردی مشترک دارند: یک فرد نیاز دارد تا سیگنال بازخوردی درباره متغیرهای فیزیولوژیکی (پنهان) خود در زمان واقعی دریافت کند تا از طریق شرطیسازی عملی یادگیری/کنترل را ترویج دهد.
بازخورد عصبی یا بیوفیدبک EEG چگونه کار میکند؟ علم پشت آن
اصل یا مدل بازخورد عصبی ساده است و عملکرد آن در شکل قبلی نشان داده شده است. بااینحال، در ادبیات علوماعصاب چندین پروتکل مختلف وجود دارد که بسته به الگوهای مغزی انتخاب شده متفاوت هستند. در زیر، ما بر روی یکی از معتبرترین پروتکلها برای بهبود شناختی تمرکز خواهیم کرد: افزایش تنظیم باند آلفای خاص شرکتکننده. این بدان معناست که پیادهسازی بازخورد عصبی، فعالیت در باند آلفا را بهصورت آنی رمزگشایی میکند که برای هر شرکتکننده کالیبره شده و در نواحی پشتی سرانجام میشود. سپس بازخورد مناسب به کاربر ارائه میشود و او تشویق میشود که سطوح فعالیت خود را افزایش دهد.
آلفا، عملکرد شناختی و نوروپلاستیسیته
مغز، که بخشی از سیستم عصبی مرکزی است، وظیفه کنترل عملکردهای شناختی ما مانند توجه، حافظه کاری و عملکردهای اجرایی را بر عهده دارد. تکنیکهای ثبت فعالیت امواج مغزی مانند EEG که به طور رایج در محیطهای بالینی و تحقیقاتی استفاده میشود، امکان مطالعه و شناسایی الگوهای فعالیت مغزی مرتبط با عملکردهای شناختی را فراهم کرده است.
یکی از الگوهای مغزی که تا به امروز به طور گستردهای موردمطالعه قرار گرفته، فعالیت آلفا است. آلفا فرکانس غالب در EEG انسانی است که برای اولینبار در دهه ۱۹۲۰ ثبت شد. این ریتم با یک “قله” در تحلیل طیفی در محدوده فرکانسی (۸-۱۲ هرتز) مشخص میشود (شکل ۲) و در طول آرامش بیداری با چشمان بسته غالب است که بهترین مشاهده آن در نواحی پشتسری است. ریتم آلفای پاریتو – اکسیپیتال با باز شدن چشم، محرکهای بصری و افزایش توجه کاهش مییابد. همچنین به وظایف حرکتی و به تقاضاهای شناختی مختلفی مانند وظایف توجه و حافظه پاسخ میدهد.
تحقیقات علوم اعصاب فرضیههایی را مطرح کردهاند که ارتباط علی بین فعالیت آلفا و عملکرد شناختی را برقرار میسازد. یکی از این فرضیهها پیشنهاد میکند که آلفا با عملکرد شناختی مرتبط است و به طور فعال اطلاعات نامربوط به وظیفه در حال اجرا را مهار میکند. این موضوع به طور تجربی مورد بررسی قرار گرفته و افزایش فعالیت آلفا (از طریق نوروفیدبک) بهبودهای شناختی در حافظه کاری، توجه و تواناییهای بینایی – فضایی را نشان داده است.
فرضیه دیگری که مکمل فرضیه قبلی است، این است که این تکنیکها ممکن است تغییرات نوروپلاستیک را از طریق یادگیری خودتنظیمی فعالیت آلفا القا کنند. پلاستیسیته یک مکانیزم سازگاری عصبی است که توانایی مغز برای بازآرایی در طول زندگی را منعکس میکند و در سطوح مختلف (ساختاری، عملکردی، مولکولی و سلولی) رخ میدهد. این موضوع بر فعالیت و عملکرد ناحیهای که تغییر را ایجاد میکند تأثیر دارد. حداقل سه روش برای تولید تغییرات نوروپلاستیک مرتبط با عملکرد شناختی شناخته شده است: با داروها، با تحریک الکتریکی (مانند تحریک مغناطیسی فرا جمجمهای) یا از طریق یادگیری یک وظیفه. تغییراتی که توسط این آخرین فرایند تولید میشوند، مانند آنچه که رویکردهای نوروفیدبک ترویج میدهند، درونزا و طبیعی برای انسانها هستند، بنابراین پتانسیل تثبیتشدن در طول زمان را دارند. علاوه بر این، مطالعات تحقیقاتی نوروفیدبک هیچ عوارض جانبی نشان ندادهاند.
نوروفیدبک مدرن در مقابل کلاسیک برای تقویت شناختی
توانایی خودتنظیمی فعالیت الکتریکی مغز در انسان برای اولینبار در دهه ۱۹۶۰ باهدف قراردادن نوسانات آلفا در مکانهای اکسیپیتال نشان داده شد. اگرچه رویکردهای نوروفیدبک کلاسیک برای دههها در تحقیقات و عملکرد بالینی مورداستفاده قرار گرفتهاند، پیشرفتهای علمی و فناوری مدرن به دلیل پیشرفتهای بزرگ در زمینه رابطهای مغز و کامپیوتر معرفی شدهاند.
این پیشرفتها عمدتاً در استفاده از تجهیزات EEG باکیفیت بالا و الگوریتمهای پردازش سیگنال پیشرفته (از نظر فیلترکردن مصنوعات و رمزگشایی بر اساس تکنیکهای هوش مصنوعی) است که در زمینه خاص نوروفیدبک، امکان انطباق آموزش آنلاین را با موضوع خاص و لحظه استفاده از فناوری (شکل ۳).
۱. فن آوری کسب EEG
طیف گستردهای از سیستمهای ثبت EEG موجود است که از تجهیزات بسیار قابلاعتماد تحقیقاتی/درجه پزشکی تا پوشیدنیهای ارزانقیمت با قابلیت اطمینان پایین را شامل میشود. مهم است که این تجهیزات: ۱) برای اندازهگیری دقیق الگوهای مغزی موردعلاقه، یک سیگنال باکیفیت بالا را ارائه دهند. ۲) دارای تعداد کافی حسگر EEG است که بهخوبی روی پوست سر توزیع شدهاند تا تکنیکهای فیلترکردن مصنوعات را امکانپذیر کند.
رویکرد کلاسیک: تجهیزات کمهزینه با سنسورهای بسیار کم، حتی یک یا دو سنسور که ممکن است کیفیت الگوهای مغز رمزگشایی شده را به خطر بیندازد.
رویکرد مدرن: رویکردهای مدرن از تکنیکهای اکتساب EEG باکیفیت بالا با تعداد مناسب حسگرهای توزیع شده در مناطق موردنظر مغز سود میبرند. در رویکرد مدرن، بسته به نیاز میتوان بین چندین نوع تجهیزات تمایز قائل شد: تجهیزات EEG خشک، سیستمهای باکیفیت بالا اما کاربرپسند و بهینهسازی شده برای کاربردهای دنیای واقعی یا تجهیزات با پوشش بالا، مانند کلاهک EEG. هر دو به یک اندازه برای نوروفیدبک مبتنی بر BCI مناسب هستند.
فیلترکردن آرتیفکتها
آرتیفکتهای EEG تمام سیگنالهای الکتریکی هستند که منبع غیرعصبی دارند؛ اما هنوز توسط تجهیزات EEG ثبت میشوند و با فعالیت واقعی مغز ترکیب میشوند. این موضوع شناسایی الگوهای مغزی موردنظر در زمان واقعی را پیچیده میکند و ممکن است اثربخشی درمان بیوفیدبک EEG را تحتتأثیر قرار دهد.
رویکرد کلاسیک: برخی از رویکردها هیچ فیلترگذاری انجام نمیدهند که ممکن است اثربخشی آموزش نوروفیدبک را تحتتأثیر قرار دهد؛ یا از رویکردهای سادهای استفاده میکنند؛ مانند متوقف کردن فیدبک در حین تشخیص آرتیفکت چشم که در نتیجه زمان مؤثر آموزش نوروفیدبک را کاهش میدهد.
رویکرد مدرن: انواع مختلفی از آرتیفکتها وجود دارند که با موج آلفا تداخل دارند. یکی از آرتیفکتهای EEG که بیشتر اتفاق میافتد، پلکزدن است. این آرتیفکتها الگوی فضایی ثابتی دارند و میتوان آنها را با استفاده از تکنیکهای جداسازی منبع کور فیلتر کرد که کیفیت سیگنال را بهبود میبخشد و زمان مؤثر فیدبک را افزایش میدهد (شکل ۴).
متغیر بودن الگوهای مغزی در بین و درون افراد
بهخوبی شناخته شده است که الگوهای مغزی EEG، بهویژه فعالیت آلفا، دارای متغیر بودن بالایی در بین افراد هستند. این متغیر بودن حتی در جمعیتهای بالینی تشدید میشود؛ بهعنوانمثال، مطالعات EEG الگوهای مغزی متمایزی را در برخی از جمعیتهای بالینی مانند ADHD نشان دادهاند (شکل ۵).
علاوه بر این، فعالیت آلفا دارای متغیر بودن بالایی درونفردی نیز هست. این فعالیت میتواند در بین جلسات آموزشی به دلیل تغییرات در وضعیت شناختی/عاطفی تغییر کند. در زمینه نوروفیدبک، این فعالیت همچنین میتواند به دلیل فرایند خودتنظیمی که هدف آن تقویت آن در بین جلسات بیوفیدبک EEG است، تغییر کند (شکل ۶).
رویکرد کلاسیک: برخی از رویکردهای کلاسیک به این متغیر بودن فعالیت آلفا توجه نمیکنند و باند آلفا را بهعنوان یک بازه ثابت در باند فرکانسی [۸-۱۲] هرتز در نظر میگیرند. درحالیکه در تعریف آلفا به این شکل برای جمعیت عمومی متوسط توافق وجود دارد، اما باید به متغیر بودن بالای فردی نیز توجه شود.
رویکرد مدرن: رویکردهای مدرن الگوهای مغزی را به یک موضوع خاص تطبیق میدهند و معمولاً قبل از آموزش آنلاین یک مرحله کالیبراسیون را اجرا میکنند. بهویژه، یکروند وجود دارد که باند آلفا را بهعنوان یک اندازه وابسته به فرکانس اوج آلفا که به آن فرکانس آلفای فردی (IAF) گفته میشود، در نظر میگیرد؛ بنابراین، باند آلفا میتواند بهعنوان بازه (IAF-2، IAF+2) هرتز تعیین شود (شکل ۲). علاوه بر این، پایهگذاری برای آموزش آنلاین باید در ابتدای هر جلسه آموزشی دوباره محاسبه شود تا متغیر بودن بین جلسات (درونفردی) را در نظر بگیرد.
نوروفیدبک رابط مغز و کامپیوتر در عمل
ابتدا، فعالیت خام EEG ثبت میشود: شکل بالا سمت چپ رسانه، EEG ثبتشده در پنج حسگر الکتریکی واقع در ناحیه پاریتو – اکسیپیتال را نشان میدهد. این فعالیت با استفاده از تبدیل فوریه کوتاهمدت به دامنه فرکانسی تبدیل میشود، بهویژه در آخرین ثانیه EEG (رنگ خاکستری). این اطلاعات فرکانسی بهعنوان طیف قدرت در بازه [۰-۳۰] هرتز نمایش داده میشود، جایی که ناحیه خاکستری قدرت آلفای بالایی را نشان میدهد (رسانه مرکز بالا). توزیع توپولوژیکی مقادیر قدرت آلفای بالای لحظهای در تمام سطح سر نیز نمایش داده میشود (رسانه بالا سمت راست). مقادیر آلفای بالای لحظهای (میانگینگیری شده در مکانهای پاریتو – اکسیپیتال) سپس میتوانند به یک مقیاس رنگی نگاشته شوند با استفاده از تنظیمات بهدستآمده در یک مرحله کالیبراسیون اولیه که متغیر بودن بین و درون افراد را مشخص میکند. رسانه مرکز، ارزش بازخورد زمانی را نشان میدهد که مستقیماً به یک مقیاس رنگی ترجمه میشود، درحالیکه رسانه پایین، بازخورد بصری نهایی را که شرکتکننده دریافت میکند، نشان میدهد.
کاربردها
در زیر برخی از نتایج علمی یک رویکرد مدرن نوروفیدبک در سلامت روان که به بهبود شناختی معطوف است، گزارش شده است. این نتایج شامل جمعیت عمومی، افرادی که از اختلال افسردگی عمده رنج میبرند و کودکان مبتلا به ADHD میشود. این نتایج میتوانند به خواننده نمای کلی از نتایجی که میتوان انتظار داشت در سطح الکتروفیزیولوژیکی و شناختی پس از استفاده از چنین فناوری ارائه دهند، بدهند.
بیماران مبتلا به اختلال افسردگی عمده
مطالعه کنترلشده. گروه آزمایشی (n=40) هشت جلسه نوروفیدبک را تکمیل کرد و با یک گروه کنترل غیر مداخلهای (n=20) مقایسه شد. در سطح الکتروفیزیولوژیکی، تنها گروه آزمایشی افزایش معناداری (در مطالعه پیش/پس) در فعالیت آلفای خاص فرد نشان داد، با افزایش میانگین ۲۵%. نتیجه اصلی ارزیابی شناختی، افزایش معنادار برای گروه آزمایشی فقط در آزمون PASAT بود: کاهش ۲۴% در خطاها و کاهش ۱۵% در زمان اجرا. این نشان میدهد که حافظه کاری و سرعت پردازش برای بیماران مبتلا به افسردگی بهبودیافته و در نتیجه علائم شناختی کاهشیافته است.
کودکان مبتلا به اختلال نقص توجه و بیشفعالی (ADHD)
مطالعه اکتشافی و بدون کنترل. کودکان مبتلا به ADHD (n=20) هجده جلسه نوروفیدبک انجام دادند. در سطح الکتروفیزیولوژیکی، افزایش معناداری (قبل/بعد از مطالعه) در فعالیت آلفای خاص هر فرد مشاهده شد، با افزایش میانگین ۱۳%. علاوه بر این، روند بین جلسات در باندهای فرکانسی مختلف تحلیل شد و افزایش در آلفا و کاهش فعالیت فرکانس پایین مشاهده شد (توجه داشته باشید که کودکان ADHD معمولاً نشاندهنده اضافه فعالیت فرکانس پایین هستند).
ارزیابی شناختی نشان داد که ۱۶% و ۱۰% افزایش در پاسخهای صحیح در آزمون ترتیب حروف و اعداد WISC-IV وجود دارد که نشاندهنده بهبود حافظه کاری و توجه پایدار است. در نهایت، والدین گزارش کردند که فرزندانشان از نظر نقص توجه و بیشفعالی/تکانشوری بهبود بالینی داشتهاند (تقریباً ۹ امتیاز در هر دو) که با مقیاسهای ارزیابی والدین کانرز (CPRS-R) اندازهگیری شده است.
جمعیت عمومی
مطالعه کنترلشده. گروه آزمایشی(n=6) پنج جلسه نوروفیدبک (در روزهای متوالی) را تکمیل کرد و با یک گروه کنترل غیرمداخلهای (n=6) مقایسه شد. نمونه شامل دانشجویان دانشگاه با میانگین سنی ۲۵ و ۲۷ سال بود. هیچ ضبط EEG در گروه کنترل انجام نشد. در سطح الکتروفیزیولوژیکی، گروه آزمایشی افزایش معناداری (قبل/بعد از مطالعه) در فعالیت آلفای خاص هر فرد نشان داد، با افزایش میانگین ۶۵%. گروه آزمایشی همچنین افزایش معناداری (۱۲%) در تعداد کلمات به یاد سپرده شده در آزمون دامنه مفهومی نشان داد که بدین معناست که بهبودی در حافظه کاری وجود دارد.
جمعیت عمومی، مطالعه کنترل شده با دارونما در یک جلسه
مطالعه دو سوکور و کنترل شده با دارونما. گروه تجربی (n=10) تنها یک جلسه آموزشی دریافت کرد و با گروه کنترل دارونما (n=9) مقایسه شد. نمونه شامل دانشجویان دانشگاه با میانگین سنی ۲۶ و ۲۴ سال بود. در سطح الکتروفیزیولوژیکی، تنها گروه تجربی افزایش فعالیت آلفای خاص افراد (به طور میانگین ۱۳%) و همچنین افزایش عدم همزمانی در حین اجرای یک وظیفه شناختی (فعالیت فازی، ۱۶%) را نشان داد. در سطح رفتاری، تفاوت معناداری بین دو گروه وجود نداشت که نشان میدهد یک جلسه آموزشی بهتنهایی کافی نیست تا به بهبود شناختی دست یابد (اگرچه تغییرات الکتروفیزیولوژیکی قبلاً مشهود بودند).
جمعیت عمومی، تأثیرات بر عملکرد شناختی و ذهنآگاهی
مطالعه کنترل شده. این مطالعه بر ارزیابی تأثیرات بر عملکرد شناختی و مقیاس ذهنآگاهی تمرکز داشت. گروه تجربی (n=27) شش جلسه آموزشی انجام داد و با گروه کنترل غیر مداخلهای (n=23) مقایسه شد. میانگین سن به ترتیب ۳۷ و ۳۵ سال بود. در سطح الکتروفیزیولوژیکی، تنها گروه تجربی افزایش معناداری (مطالعه قبل/بعد) در فعالیت آلفای خاص افراد نشان داد، با افزایش میانگین ۳۱%. نتیجه اصلی ارزیابی شناختی، بهبود معنادار تنها برای گروه تجربی در آزمون PASAT بود: کاهش ۵۵% در پاسخهای نادرست و ۵% در زمان اجرا. علاوه بر این، گروه تجربی افزایش در مقیاس ذهنآگاهی را نشان داد: افزایش ۱۲ امتیازی در متغیر کلی FMQ و ۶ امتیاز در MAAS. افزایش در ریتم آلفا (مطالعه پیشوپس از) برای گروه آزمایشی (نقطه سیاه) و گروه کنترل (نقطه سفید) نشاندادهشده است که نسبت به اولین اندازهگیری نرمالسازی شده است.
جمعیت عمومی، نتایج خارج از آزمایشگاه
ارزیابی تکنیک خارج از آزمایشگاه (بدون گروه کنترل). ۵۹ شرکتکننده پنج جلسه آموزشی را گذراندند، با جلسات ارزیابی شناختی پیشوپس از آموزش در روزهای اول و آخر. تحلیل بهبود پیشوپس از پارامتر آموزشدیده نشاندهنده افزایش معناداری با میانگین افزایش ۴۰.۲% بود. ارزیابی شناختی افزایش معناداری را در آزمون PASAT نشان داد (افزایش ۵۵.۶% در تعداد کلمات به یادآوری شده و کاهش ۸% در زمان اجرا) که بدین ترتیب بهبود در حافظه کاری را پیشنهاد میکند.
نتیجهگیریها
استفاده از نوروفیدبک مدرن مبتنی بر فناوری رابط مغز و کامپیوتر (BCI) میتواند از یک سو درک بهتری از اثرات نوروفیدبک در سطح الکتروفیزیولوژیکی ارائه دهد. نتایج فوقالذکر به طور مداوم افزایش در الگوهای مغزی خاص هر فرد را نشان میدهند که در ادبیات علوم اعصاب با عملکرد شناختی به دلیل مکانیزمهای بازدارنده مغز همبستگی دارد.
از سوی دیگر، به دلیل این رویکرد علمی – فناوری که در آن تمام پارامترهای آموزشی بر اساس الگوریتمهای کامپیوتری محاسبه میشوند و مطابق با الگوهای مغزی خاص هر فرد در زمان استفاده از فناوری عمل میکنند، میتوان انتظار داشت که قابلیت اطمینان بیشتری در نتایج شناختی وجود داشته باشد. اگرچه آزمایشهای بالینی با نمونههای جمعیتی بزرگتر و شرایط کنترل دقیقتر لازم است، بهبودهای عمومی شناختی به طور مداوم حاصل شدهاند، بهویژه در حافظه کاری، توجه و سرعت پردازش. این نتایج مثبت نشان میدهند که این درمان نوآورانه بیوفیدبک EEG مدرن گزینهای قدرتمند و مکمل برای درمان شناختی برای افرادی است که میخواهند عملکردهای شناختی خود را حفظ و تقویت کنند. درمانهای نوروفیدبک مبتنی بر BCI نشان دادهاند که مؤثرتر هستند و تغییرات نورپلاستیک القا شده برای مدتزمان طولانیتری حفظ میشوند.
