Способ повышения скорости реакции человека на внешние визуальные стимулы Российский патент 2024 года по МПК A61N2/02 A61B5/16 A61B5/369 

Изобретение относится к области медицины, касается способа повышения скорости реакции человека на внешние визуальные стимулы, которое может быть использовано для изменения состояния людей, для достижения ими большей концентрации на внешних визуальных стимулах, ведущей к ускорению реакции в ответ на них, например, для повышения внимания операторов рутинных задач, компенсации замедления реакции людей пожилого возраста, при разработке эффективных методик тренировки спортсменов, в том числе, кибер-спортсменов.

Скорость реакции человека на внешний стимул является суммарным показателем его когнитивной и моторной активности. Реакция на стимул может варьироваться и зависит не только от индивидуальных параметров, но и от готовности человека, то есть его состояния в момент ожидания стимула. Способность повлиять на активацию функциональных центров мозга при помощи транскраниального магнитного стимулятора (ТМС) открывает возможность для человека к ускоренному реагированию на внешний стимул. Предварительная активация дорсолатеральной префронтальной коры, участвующей в исполнительных функциях, оказывает влияние на когнитивные процессы, увеличивая концентрацию. В подобном состоянии повышенной концентрации, человек способен быстрее принимать решение, реагируя на внешние стимулы. Генерация состояния повышенной концентрации может быть полезна в терапии различных эмоциональных, когнитивных и психических расстройств, например, синдром дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ).

Известен способ лечения задержки речевого развития у детей с использованием ТМС (RU 2675737 С1, A61N2/04, A61N2/00, опубл. 24.12.2018 г.), включающий проведение транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) головного мозга. Дополнительно воздействуют на правую дорзолатеральную префронтальную кору с частотой 0,3-0,7 Гц в виде 15-25 пачек по 10-15 импульсов в пачке с интервалом между пачками 1 секунда и мощностью 25-30 % от мощности магнитного стимулятора. Воздействуют на левую дорзолатеральную префронтальную кору с частотой 3-5 Гц в виде 25-35 пачек по 10-15 импульсов в пачке с интервалом между пачками 5 секунд и мощностью 25-30 % от мощности магнитного стимулятора. Воздействуют на место проекции нижней лобной извилины левого полушария головного мозга - зону Брока, с частотой 3-5 Гц в виде 65-75 пачек по 10-15 импульсов в пачке с интервалом между пачками 5 секунд и мощностью 25-30 % от мощности магнитного стимулятора. Воздействуют на место проекции верхней височной извилины левого полушария головного мозга - зону Вернике, с частотой 3-5 Гц в виде 25-35 пачек по 10-15 импульсов в пачке с интервалом между пачками 5 секунд и мощностью 25-30 % от мощности магнитного стимулятора. Способ является эффективным и безопасным для лечения задержки речевого развития у детей, увеличивает скорость развития речи и расширения лексикона, повышает познавательный интерес и обеспечивает безопасность стимулирующего воздействия.

Недостатком способа является отсутствие методики выбора индивидуальных для каждого случая характеристик стимуляции (таких как мощность), а также отсутствие навигационной системы, благодаря которой осуществляется контроль за положением индуктора в процессе длительного сеанса стимуляции, что позволяет обеспечить точечное, фокусное воздействие ТМС. Кроме этого, в способе используется более низкая частота стимуляции –0,3-0,7 Гц применимо к правой дорсолатеральной префронтальной коре, что является низкочастотной стимуляцией и может оказывать ингибирующий (обратный) эффект (Houdayer E. et al. 2008).

Известно устройство и способ транскраниальной магнитной стимуляции для терапии (CN 116440419, кл. A61N 2/04, A61B 34/10, A61B 34/20, опубл: 18.07.2023). Изобретение обеспечивает объективное и точное позиционирование, удобство и быстроту в работе, высокую приспособляемость пациента, хороший опыт и широкую клиническую применимость, способ является полезным для улучшения общего лечебного эффекта ТМС.

Несмотря на то, что данный способ обладает полнотой современных методов использования ТМС, недостатком является отсутствие конкретного научного анализа на группе испытуемых-добровольцев протокола проведения процедуры магнитной стимуляции.

Известен способ повышения уровня сознания пациентов с длительными нарушениями сознания (RU 2783006, A61N2/08, A61N2/00, опубл. 08.11.2022 г.), включающий проведение навигационной магнитной стимуляции (нТМС) и ритмической транскраниальной магнитной стимуляции (рТМС). Дополнительно выполняют радиотермометрию в правой, левой дорсолатеральной префронтальной коре и правой ангулярной извилине и определяют участок с наименьшей температурой. Проводят курс рТМС участка с наименьшей по результатам радиотермометрии температурой ежедневно, один раз в день, с частотой воздействия 10 Гц и интенсивностью 90% от моторного порога в течение 10 дней с двухдневным перерывом. Способ обеспечивает безопасность и эффективность применения выбранной терапии пациентов в посткоматозном периоде после тяжелых повреждений головного мозга за счет персонифицированного выбора локуса для стимуляции, обладающего наименьшим уровнем метаболизма и функциональной активности, минимизации ошибок при определении ДЛПФК и ангулярной извилины, за счет использования навигации и последующего проведения стимуляции.

Недостатком является узкая направленность способа, предназначенного для людей с травмами головного мозга и нарушениями сознания.

Задачей изобретения является создание нового способа повышения реакции человека в ответ на внешние визуальные стимулы после проведения возбуждающую транскраниальной магнитной стимуляции дорсолатеральной префронтальной коры головного мозга.

Технический результат от использования заявляемого изобретения заключается в повышении концентрации и сокращении времени реакции в ответ на внешний визуальный стимул у человека.

Поставленная задача достигается тем, что способ повышения скорости реакции человека в ответ на внешние визуальные стимулы включает определение области коры головного мозга с наибольшей корреляцией мощности активации со скоростью реакции на изображение - дорсолатеральной префронтальной коры головного мозга, после нахождения которой устанавливают индуктор транскраниального магнитного стимулятора непосредственно в эту область и осуществляют возбуждающую трансчерепную магнитную стимуляцию дорсолатеральной префронтальной коры головного мозга с частотой 5-20 Гц, с интенсивностью стимулов 90-120% от порога возбудимости моторной коры, получаемого индивидуально путем генерации вызванных моторных ответов, с количеством стимулов в одном сеансе стимуляции не менее 1800 единиц, для определения области приложения стимуляции используют навигационную систему, затем проводят тестирование с использованием визуальных стимулов в виде неоднозначных изображений, в качестве объективной меры оценки изменения скорости реакции испытуемого используют разницу времени реакции между двумя днями эксперимента ΔRT, ΔRT определяют как разницу медианных значений времени реакции с момента начала демонстрации изображения до момента нажатия кнопки на контроллере; для определения области приложения стимуляции используют навигационную систему, включающую систему 3 D инфракрасных камер и светоотражающие метки для определения местоположения индуктора трансчерепного магнитного стимулятора относительно головы человека, которая позволяет совместить трехмерную модель среднего мозга или индивидуальную модель мозга испытуемого, полученную с помощью МРТ, с заданной областью стимуляции; что используют навигационные системы фирмы Localite, или Nexstim; область приложения стимуляции может быть выбрана согласно системе координат MNI и соответствует координатам [20, 25, 36] mm, ctf, или согласно аналогичной системе координат Талайраха; для осуществления возбуждающей трансчерепной магнитной стимуляции используют трансчерепной магнитный стимулятор MagVenture, или MagPro X100, или Magstim , или The Magstim Rapid, или прибор Нейро-МС/Д или NEURO-МSX; в качестве визуальных стимулов используют неоднозначные изображения куба Неккера, или изображения вазы Рубина; тестирование с использованием неоднозначных изображений куба Неккера включает в себя демонстрацию случайным образом 400 изображений с разным уровнем неоднозначности, где для каждого куба введен параметр a = 0,15, 0,25, 0,4, 0,45, 0,55, 0,6, 0,75, 0,85, определяющий контрастность внутренних граней, характеризующую ориентацию и неоднозначность.

На фиг. 1 представлено схематичное изображение выполнения задачи для повышения скорости реакции у человека: А - изображение куба Неккера; Б - схематичное изображение установки для проведения исследования.

На фиг. 2 результаты времени реакции для двух групп добровольцев (реальная ТМС стимуляция и плацебо стимуляция) по двум экспериментальным дням в примере 1: среднее значение группы показано точкой; стандартное отклонение - прямоугольником.

Предлагаемый способ повышения скорости реакции человека на внешние визуальные стимулы осуществляют следующим образом.

Сначала определяют на голове человека точку приложения стимуляции, которой является область коры головного мозга с наибольшей корреляцией мощности активации со скоростью реакции на изображение - дорсолатеральная префронтальная кора головного мозга. Для этого используют навигационную систему, включающую систему 3D инфракрасных камер и светоотражающие метки для определения местоположения индуктора трансчерепного магнитного стимулятора относительно головы человека. Возможности данной системы позволяют совместить трехмерную модель среднего мозга или индивидуальную модель мозга испытуемого (полученную с помощью МРТ) с заданной точкой стимуляции. Для нужд настоящего изобретения могут быть использованы, например, навигационные система предлагаемые фирмами Localite (Германия), Nexstim (Финляндия). Также точка приложения стимуляции может быть выбрана, например, согласно системе координат MNI и соответствует координатам [20, 25, 36] mm, ctf, или согласно аналогичной система координат Талайраха.

После нахождения точки приложения стимуляции на голове человека устанавливают индуктор трансчерепного магнитного стимулятора, например, двойной угловой индуктор с фокусным расстоянием 3 см (прим. ИДУ-02-100-О, C-B60 и т.д), непосредственно на эту точку.

После нахождения зоны стимуляции на голове человека при помощи навигационной системы, взаимное расположение катушки стимулятора и целевой зоны вносится в память системы.

Затем осуществляют возбуждающую транскраниальную стимуляцию дорсолатеральной префронтальной коры головного мозга. Стимуляция представляет собой ритмическую последовательность магнитных импульсов, или осуществляться посредством электрической стимуляции. При использовании магнитной стимуляции интенсивность стимулов составляет 90-120% от порога возбудимости моторной коры, получаемого индивидуально путем генерации вызванных моторных ответов (ВМО), частота стимуляции - в диапазоне 5-20 Гц, количество стимулов в одном сеансе стимуляции - не менее 1800 единиц. Осуществление стимуляции с интенсивностью менее 90% недостаточно для возбуждения коры головного мозга человека, а с мощностью более 120% - избыточно и может приводить к возбуждению тройничного нерва. Осуществление стимуляции с частотой менее 5 Гц является тормозным, оказывает подавляющее действие, а стимуляция более 20 Гц избыточна, является максимально осуществимой для большинства приборов.

Для нужд настоящего изобретения подходит широкий класс коммерчески доступных транскраниальных магнитных стимуляторов, способных обеспечивать ритмическую стимуляцию с частотой 5-20 Гц и с интенсивностью стимулов 90-120% от моторного порога возбудимости, получаемого индивидуально путем генерации вызванных моторных ответов. В среднем по испытуемым 90-120% от порога возбудимости составили 1,43 ± 0,16 Тл (среднее ± стандартное отклонение). Например, для нужд настоящего изобретения могут быть использованы ТМС для нейрофизиологических исследований, предлагаемые фирмами MagVenture (Фарум, Дания) – MagPro X100, Magstim (Уитленд, Великобритания) – The Magstim Rapid. Эти системы способны осуществлять высокочастотную стимуляцию с выбором мощности стимулов и имеют возможности программной настройки прибора. Отечественные системами такого класса являются приборы Нейро-МС/Д или NEURO-МSX от компании Нейрософт (Россия).

После проведения возбуждающей транскраниальной стимуляции дорсолатеральной префронтальной коры головного мозга проводят тестирование с использованием визуальных стимулов. Например, в качестве визуальных стимулов используют неоднозначные изображения кубов Неккера (фиг. 1 А), при котором кубы с разным уровнем неоднозначности случайным образом демонстрировались 400 раз. Для каждого куба введен параметр a = 0,15, 0,25, 0,4, 0,45, 0,55, 0,6, 0,75, 0,85, определяющий контрастность внутренних граней, характеризующую ориентацию и неоднозначность. Параметр a отражал интенсивность трех нижних левых линий, а 1-a соответствовал интенсивности трех верхних правых линий. Параметр a может быть определен как a = 1-y/255, где y — уровень яркости трех нижних левых линий с использованием 8-битной палитры оттенков серого. Значение y варьируется от 0 (черный) до 255 (белый). Каждый куб с определенной неоднозначностью демонстрировался 50 раз. В ответ на предъявление испытуемому нужно было как можно быстрее нажать на одну из двух кнопок, определив пространственную ориентацию куба. Испытуемые нажимали либо левую, либо правую клавишу при распознавании левой или правой ориентации куба (фиг. 1 Б).

В качестве визуальных стимулов могут быть использованы и другие неоднозначные изображения, когнитивные иллюзии, например, ваза Рубина и т.д.

В качестве объективной меры оценки скорости реакции используют усредненное время реакции – время с момента начала демонстрации изображения до момента нажатия кнопки на контроллере (фиг. 2).

Осуществление возбуждающей транскраниальной стимуляции дорсолатеральной префронтальной коры головного мозга с частотой 5-20 Гц, с интенсивностью стимулов 90-120% от порога возбудимости моторной коры, получаемого индивидуально путем генерации вызванных моторных ответов, с количеством стимулов в одном сеансе стимуляции не менее 1800 единиц обеспечивает сокращение времени реакции в ответ на визуальные стимулы, а также приводит к реконфигурированию функциональных сетей мозга. Это позволяет управлять формирующимися в головном мозге функциональными сетями и может быть использовано для тренировки операторов, выполняющих рутинные задачи, требующие высокую концентрацию (авиадиспетчеры, пилоты и т.д.), разработки эффективных интерфейсов мозг-компьютер для постинсультной реабилитации, а также ИМК, позволяющих в реальном времени осуществлять мониторинг и управление когнитивной активностью человека.

Ниже представлен пример конкретного осуществления предлагаемого изобретения.

Пример 1.

Было сформировано 2 группы здоровых добровольцев, по 15 человек в каждой, возрастом от 18 до 33. Группа 1 стимулировались в дорсолатеральную префронтальную кору с указанными характеристиками. Группа 2 группа подверглась плацебо стимуляции, катушка индуктора ТМС ставилась на ребро, под углом в 90 градусов к голове испытуемого.

В течении двух экспериментальных дней собирались данные для последующего анализа.

В первый экспериментальный день до начала предъявления внешних стимулов на голову испытуемого устанавливались 32 Cl/Ag электрода по системе 10-10 (Fp1, Fp2, F3, Fz, F4, Fc1, Fc2, F7, FT9, Fc5, F8, Fc6, Fc10, T7, Tp9, T8, C3, Cz, C4, Cp5, Cp1, Cp2, Cp6, Cp10, P7, P3, Pz, P4, P8, O1, Oz, O2), электрод заземления крепился на лбу, референтные на ушах. Запись сигналов проводилась при помощи сертифицированного усилителя NVX 52 (ООО «Медицинские компьютерные системы», Россия).

Далее все испытуемые проходили тестирование с использованием неоднозначных изображений куба Неккера. Изображения предъявлялись на мониторе в течении 1-1,5 с, после, оно сменялось на серый фон на 3-5 с. Имелось 8 вариантов изображений, подававшихся в случайном порядке. За все тестирование испытуемому показывалось 400 изображений. В ответ на предъявление испытуемому нужно было как можно быстрее нажать на одну из двух кнопок, определив пространственную ориентацию куба.

После первого экспериментального дня были получены результаты контроля и точка для стимуляции во втором дне.

Во второй экспериментальный день для фиксирования точки стимуляции дорсолатеральной префронтальной коры с координатами [20, 25, 36] mm, ctf согласно системе координат MNI, использовался TMS Navigator (LOCALITE, Германия). Маркеры положения закреплялись на лбу испытуемого, индукторе ТМС и указателе, последним проводилась калибровка головы испытуемого. Совмещение трехмерной модели мозга испытуемого с отмеченной точкой стимуляции выполнялось в программе навигатора.

Мощность стимулов составляла 90-120% от порога возбудимости, получаемого индивидуально путем генерации вызванных моторных ответов (ВМО). При этом стимулировалась первичная моторная кора в проекции иннервации рук. Пороговая интенсивность магнитного импульса в зависимости от индивидуальных особенностей пациентов варьировала от 1,23 Тл до 1,44 Тл (мощность стимулов 41-48% от максимальной мощности).

Стимуляция коры осуществлялась при помощи транскраниального магнитного стимулятора «Нейро МС/Д терапевтический расширенный» (Нейрософт, Россия). Использовался двойной угловой индуктор (ИДУ-02-100-О, 100 мм) для ритмической стимуляции с частотой 10 Гц в течении 180 с. Сразу после стимуляции обе группы проходили тестирование с использованием неоднозначных изображений куба Неккера.

Для сравнения результатов испытуемых и подтверждения эффективности метода использовалась величина изменения скорости реакции на внешний стимул. Изменение скорости реакции определялось как разница времени с момента начала демонстрации изображения до момента нажатия кнопки на контроллере между двумя днями эксперимента. Отрицательные результаты отражали уменьшение времени реакции и соответственно увеличение скорости принятия решения.

В качестве объективной меры оценки изменения скорости реакции испытуемого использовали разницу времени реакции между двумя днями эксперимента (ΔRT). ΔRT определяли как разницу медианных значений времени реакции с момента начала демонстрации изображения до момента нажатия кнопки на контроллере и рассчитывали по формуле: ΔRT = RT2 – RT1, где

RT1 – медианное значение времени реакции испытуемого в первый день экспериментальной сессии (без ТМС),

RT2 – медианное значение времени реакции испытуемого во второй день экспериментальной сессии (после ТМС),

Таблица 1

Индивидуальные результаты испытуемых

Испытуемые ТМС, группа 1 Испытуемые Плацебо, группа 2 Испы-
туемый № Мощность стимуляции ТМС, Тл Интенсивность стимулов в % от моторного индивидуального порога возбудимости ΔRT, с Испы-
туемый № ΔRT, с 1 1,65 119% -0,095 1 0,01 2 1,17 90% -0,006 2 0,1455 3 1,65 119% -0,078 3 -0,0025 4 1,44 114% -0,028 4 0,074 5 1,26 95% -0,0575 5 -0,094 6 1,35 98% 0,042 6 0,062 7 1,35 104% -0,0775 7 -0,0015 8 1,62 112% -0,126 8 0,161 9 1,44 110% -0,143 9 -0,041 10 1,2 90% -0,11 10 0,111 11 1,32 107% -0,091 11 -0,0515 12 1,38 96% 0,0395 12 -0,2585 13 1,62 120% -0,033 13 -0,0875 14 1,38 105% 0,146 14 0,031 15 1,59 116% -0,101 15 -0,1155

ΔRT – разница времени реакции между двумя днями эксперимента, отрицательное значение означает уменьшение времени реакции и соответственно увеличение скорости принятия решения;

Средняя парная разница во времени реакции между двумя днями для группы с ТМС составила -0.0524 (p = 0,023). Разница между двумя днями у группы с плацебо составила -0.006 с (p = 0,844). Графики средних результатов скорости реакции представлены на фиг. 2. Таким образом, в течении всего тестирования (45 минут) у простимулированной группы сохранялась увеличенная скорость реакции.

Полученные результаты подтверждают, что после стимуляции области коры головного мозга с наибольшей корреляцией мощности активации со скоростью реакции на изображение - дорсолатеральной префронтальной коры головного мозга человека, происходит активация функциональной нейронной сети, что в свою очередь, увеличивает скорость реакции человека.

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для повышения скорости реакции человека в ответ на внешние визуальные стимулы. Проводят тестирование с использованием визуальных стимулов в виде неоднозначных изображений. Осуществляют возбуждающую трансчерепную магнитную стимуляцию дорсолатеральной префронтальной коры головного мозга с частотой 5-20 Гц, с интенсивностью стимулов 90-120% от порога возбудимости моторной коры. Проводят повторное тестирование с использованием визуальных стимулов в виде неоднозначных изображений. В качестве объективной меры оценки изменения скорости реакции испытуемого используют разницу времени реакции между двумя тестированиями. Способ обеспечивает повышение концентрации и сокращении времени реакции в ответ на внешний визуальный стимул у человека. 6 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 1 пр.

1. Способ повышения скорости реакции человека в ответ на внешние визуальные стимулы включает проведение тестирования с использованием визуальных стимулов в виде неоднозначных изображений, затем осуществляют возбуждающую трансчерепную магнитную стимуляцию дорсолатеральной префронтальной коры головного мозга с частотой 5-20 Гц, с интенсивностью стимулов 90-120% от порога возбудимости моторной коры, получаемой индивидуально путем генерации вызванных моторных ответов, с количеством стимулов в одном сеансе стимуляции не менее 1800 единиц, после чего проводят повторное тестирование с использованием визуальных стимулов в виде неоднозначных изображений, в качестве объективной меры оценки изменения скорости реакции испытуемого используют разницу времени реакции между двумя тестированиями.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для определения области приложения возбуждающей трансчерепной магнитной стимуляции используют навигационную систему, включающую систему 3D инфракрасных камер и светоотражающие метки.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что используют навигационную систему фирмы Localite.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что область приложения возбуждающей трансчерепной магнитной стимуляции может быть выбрана согласно системе координат MNI и соответствует координатам [20, 25, 36] mm, ctf.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для осуществления возбуждающей трансчерепной магнитной стимуляции используют трансчерепной магнитный стимулятор Нейро МС/Д.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве визуальных стимулов используют неоднозначные изображения куба Неккера.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что тестирование с использованием неоднозначных изображений куба Неккера включает в себя демонстрацию случайным образом 400 изображений с разным уровнем неоднозначности, где для каждого куба введен параметр a = 0,15, 0,25, 0,4, 0,45, 0,55, 0,6, 0,75, 0,85, определяющий контрастность внутренних граней, характеризующую ориентацию и неоднозначность.