Бета-волны быстрый ритм движущегося, бодрствующего мозга

Что такое бета-волны?

Бета-волны это часть электрической активности мозга, которая на ЭЭГ колеблется примерно от 14 до 30 раз в секунду (Гц). Международный клинический глоссарий Международной федерации клинической нейрофизиологии (Кейн и коллеги, 2017) называет бета любой ритм ЭЭГ в этом диапазоне. Он наиболее типичен для лобно-центральных областей во время бодрствования, его амплитуда обычно ниже 30 микровольт, а движение противоположной стороны тела или прикосновение его блокирует или ослабляет.

ЭЭГ улавливает с электродов на коже головы изменения напряжения от нескольких до примерно ста миллионных долей вольта. Их создают в основном синаптические токи больших групп нейронов коры, работающих согласованно. Медленные и быстрые ритмы всегда идут вместе, а мощность с ростом частоты равномерно падает (Хе, 2014), поэтому бета это мелкая быстрая рябь поверх более крупной и медленной активности.

Бета одно из двух старейших названий в этой области. Немецкий психиатр Ганс Бергер записал первую ЭЭГ человека в 1924 году, опубликовал её в 1929 году и назвал первые два увиденных ритма альфа- и бета-волнами. Альфа была более медленным и крупным ритмом в затылочной области, бета оставшейся более быстрой активностью. Дельта, тета и гамма получили названия позже, когда исследования ЭЭГ распространились в 1930-х и 1940-х годах.

Диапазон волн мозга это полоса частот в записи, а не состояние ума. Несколько диапазонов присутствуют одновременно, и в одной и той же точке головы в один и тот же момент один диапазон может ослабевать, а другой усиливаться (Пфурчеллер и Лопес да Силва, 1999).

Частота бета-волн: 14–30 Гц, 13–30 Гц или 12–30 Гц?

Клинический ответ: 14–30 Гц, но в научных статьях границы проводят в разных местах. Обзор 184 исследований ЭЭГ покоя (Ньюсон и Тиагараджан, 2018) показал, что самое распространённое определение каждого диапазона использовали лишь 30–50 % исследований. Начало бета колебалось от 12 до 15 Гц, конец от 20 до 50 Гц. Авторы сказали прямо: то, что одна публикация называет «бета», не обязательно совпадает с тем, что имеет в виду другая.

Статьи, упомянутые на этой странице, показывают этот разброс на практике. Каждая описана с тем диапазоном, который использовали её авторы.

Ниже бета лежит альфа, 8–13 Гц, выше начинается гамма, чуть выше 30 Гц. Поскольку границы различаются, утверждения о «низкой», «средней» или «высокой» бета имеют смысл, только если указаны точные частоты; продавцы нейрофидбека размещают эти поддиапазоны по-разному.

В какой части головы и когда появляются бета-волны?

Бета наиболее типична для передней и центральной части головы, над моторными областями, у бодрствующего человека. Глоссарий описывает и бета, распространённую по всей голове, которая может быть вызвана препаратами, например алкоголем, барбитуратами, бензодиазепинами и внутривенными анестетиками. Поэтому врач, оценивая бета, спрашивает, где она и какие лекарства принимает человек.

Бета невелика: лобно-центральная бета обычно ниже 30 микровольт, а альфа-ритм взрослого, самый крупный в затылочной области при закрытых глазах, обычно ниже 50. Когда глаза открываются, альфа уменьшается, и быстрая активность занимает большую долю оставшегося сигнала.

Бета меняется и с возрастом. В исследовании 80 детей от 8 до 12 лет (Кларк и коллеги, 2001) по мере взросления дельта и тета уменьшались, а альфа и бета росли.

Интерактивная часть вверху показывает пять диапазонов с движущимися кривыми, замедленными в четыре раза, чтобы быструю бета-волну можно было проследить глазами (высоты относительные). Нажмите на диапазон, чтобы увидеть, когда он преобладает, где виден, и один факт; карточка бета ведёт на страницу о бинауральных ритмах для концентрации. Вторая панель рисует схематичную ЭЭГ шести состояний с относительной долей каждого диапазона. Обе это рисунки, а не настоящие записи.

Бета-волны и движение: спад и отскок

Самый ясный и лучше всего подтверждённый факт о бета это её связь с движением. В классическом исследовании (Пфурчеллер, Станчак и Нойпер, 1996) бета около 20 Гц над моторной корой во время быстрого движения пальцем ослабла, затем быстро восстановилась и в течение секунды после окончания движения превысила уровень покоя. Эффект был сильнее всего над полушарием, противоположным движущейся руке. Исследователи называют это бета-синхронизацией после движения или просто бета-отскоком.

Для отскока даже не нужно собственное движение. У 8 человек (Кайнрат и коллеги, 2006) он появлялся после активного движения, после пассивного движения и даже после одной лишь иллюзии движения. Это связывает его с возвращением моторной системы в устойчивое состояние, а не с усилием.

Эту особенность бета разделяет с мю-ритмом, ритмом 7–11 Гц над теми же центральными областями. Мю блокируется движением, мыслью о движении и прикосновением. Метаанализ 85 исследований (Фокс и коллеги, 2016) показал, что мощность мю падала, когда люди выполняли действие (d = 0,46), и слабее, когда они лишь наблюдали, как действие выполняет другой (d = 0,31). Оба ритма показывают, насколько тесно быстрая центральная активность ЭЭГ связана с телом и его движениями.

Бета-вспышки: почему бета не ровный гул

Бета часто приходит короткими вспышками высокой мощности, а не непрерывной волной. Когда исследователи смотрели не на средние значения, а на отдельные пробы (Шин и коллеги, 2017), они увидели, что бета 15–29 Гц появляется как короткие события, а различия в средней мощности бета в основном отражали то, сколько таких вспышек произошло. Среднее, похожее на плавный рост бета, может оказаться несколькими сильными вспышками в одних пробах и полным их отсутствием в других.

Вспышки влияли на поведение. И у людей, записанных с помощью МЭГ, и у мышей бета-вспышка непосредственно перед слабым прикосновением повышала вероятность его не заметить. Одна и та же закономерность у разных видов и в разных задачах позволяет предположить, что вспышка ненадолго закрывает ворота для входящей информации.

Обзор 2019 года (Шмидт и коллеги) пришёл к выводу, что бета «вряд ли можно объяснить каким-либо одним монолитным описанием». В префронтальной коре она усиливается, когда нужно очистить рабочую память, когда останавливается действие и когда останавливается мысль, а во время удержания в рабочей памяти она, возможно, защищает её содержимое от помех. Общая нить: удерживать текущую двигательную или мыслительную установку и сбрасывать её, когда она больше не нужна.

Означают ли бета-волны концентрацию или бодрость?

Ни одно проверенное исследование не подтверждает простое утверждение, что бета-волны это активная концентрация. Бета присутствует в бодром, бодрствующем мозге, а вторичный источник (статья Википедии об электроэнцефалографии) говорит, что при интенсивной умственной работе она заметнее в лобной области. Но бета также высока после успокоительного, избыточна при болезни Паркинсона и даёт отскок сразу после движения пальцем. Ни одна из этих картин не похожа на острую концентрацию.

Популярная шкала от расслабленной альфы до занятой беты тоже не подходит. Альфа больше всего при закрытых глазах, но она усиливается и над областями, которые сдерживаются, и исследователи считают её активным тормозом, а не холостым ходом (Климеш и коллеги, 2007). Ни один диапазон не измеряет, насколько напряжённо вы думаете, а приложение, которое показывает бета-показатель как показатель концентрации, добавляет ярлык, которого исследования не дают.

Высокие бета-волны признак тревоги?

Устойчивой связи между «высокой бета» и тревогой не показано. Реклама нейрофидбека часто называет избыток быстрой бета почерком тревожного мозга, но обзор 184 исследований ЭЭГ покоя (Ньюсон и Тиагараджан, 2018) нашёл не больше одного или двух исследований по тревожному и паническому расстройству, слишком мало, чтобы вывести какую-либо тенденцию. Метаанализа, связывающего высокую бета в покое с тревогой, не найдено.

Фармакология указывает в другую сторону. Бензодиазепины, препараты, которые назначают для снижения тревоги, входят в число веществ, которые клинический глоссарий называет вызывающими бета. В рандомизированном двойном слепом исследовании (Каплан и коллеги, 2000) однократная доза 1 мг алпразолама по сравнению с плацебо значимо увеличила относительную амплитуду бета (13–30 Гц) и у 8 человек с паническим расстройством, и у 8 здоровых; группа с паническим расстройством была чувствительнее к препарату. У 9 здоровых мужчин, получивших в перекрёстном исследовании три препарата бензодиазепинового типа (Венкатакришнан и коллеги, 2005), все три значимо увеличили бета (12–30 Гц), алпразолам сильнее всех.

Фармакологи используют бета как меру того, насколько сильно действует такой препарат. Здесь больше бета означает успокоительное в крови, а не скачущие мысли.

Бета-волны при болезни Паркинсона и глубокая стимуляция мозга

Самые сильные медицинские данные о бета получены при болезни Паркинсона, когда бета-активность глубоко в мозге избыточна. Эти данные получены не с ЭЭГ на коже головы, а с электродов, введённых в мозг для глубокой стимуляции мозга, в основном в субталамическое ядро. У 4 пациентов, записанных без лекарств (Браун и коллеги, 2001), преобладала активность ниже 30 Гц; леводопа её снижала и вызывала новый пик около 70 Гц.

Величина снижения следовала за улучшением. У 9 пациентов, 17 сторон мозга (Кюн и коллеги, 2006), вызванное леводопой снижение активности 8–35 Гц коррелировало с общим двигательным улучшением (r = 0,811) и с баллами замедленности и скованности (r = 0,835), но не с тремором. У 11 пациентов (Кюн и коллеги, 2008) глубокая стимуляция мозга снижала субталамическую бета (13–30 Гц) на 12 секунд после выключения, и меньшая бета шла вместе с более размашистыми движениями; для 5–12 Гц такой связи не нашли.

Эта работа привела к адаптивной стимуляции, которая включается только тогда, когда этого требует сигнал мозга. У 8 пациентов (Литтл и коллеги, 2013) стимуляция, управляемая интерфейсом мозг-компьютер, который считывал патологическую активность со стимулирующих электродов, улучшила двигательные баллы на 66 % при открытой и на 50 % при слепой оценке, на 29 % и 27 % больше, чем постоянная стимуляция, при этом времени стимуляции понадобилось на 56 % меньше.

Бета-нейрофидбек и соотношение тета/бета при СДВГ

Нейрофидбек (нейробиоуправление) это биологическая обратная связь по ЭЭГ: человек видит или слышит сигнал, полученный из его собственных волн мозга, например игру, которая идёт, когда соотношение тета/бета снижается, и учится его менять. Обычный протокол при СДВГ учит детей снижать тета относительно бета, и в открытых исследованиях им действительно становится лучше.

Слепые исследования показывают, что причина не в тренировке волн мозга. Метаанализ 13 рандомизированных исследований с 520 детьми и подростками (Кортезе и коллеги, 2016) нашёл эффект только в оценках наименее «слепых» оценщиков, но не в вероятно слепых оценках и не в исследованиях с контролем имитацией. В крупнейшем двойном слепом исследовании (Neurofeedback Collaborative Group, 2021) проанализировали 142 ребёнка от 7 до 10 лет после тета/бета-нейрофидбека или внешне неотличимой имитации с заранее записанной ЭЭГ. Обе группы сильно улучшились (d = 1,5) без разницы в конце лечения (d = 0,01), через 13 месяцев и через 25 месяцев; авторы объясняют улучшение неспецифическими эффектами.

Как тест соотношение тета/бета показало себя не лучше. В 2013 году Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) отнесло систему NEBA, измеряющую это соотношение у пациентов от 6 до 17 лет, к вспомогательным средствам диагностики вместе с оценкой врача, но никогда не отдельно. В том же году метаанализ 9 исследований (Арнс и коллеги) пришёл к выводу, что соотношение не является надёжным диагностическим показателем, а в 2016 году Американская академия неврологии предупредила о неприемлемо высокой доле ложноположительных результатов.

Может ли ЭЭГ-повязка измерить бета-волны дома?

Бытовая повязка на голову может записывать настоящую ЭЭГ, но бета один из самых трудных для чистого измерения диапазонов, потому что мышцы создают сигналы в том же диапазоне. В исследовании, где двух человек записали при полном мышечном параличе и без него (Уитэм и коллеги, 2007), мощность выше 20 Гц в этих двух состояниях различалась в 10–200 раз. Авторы пришли к выводу, что бо́льшая часть ЭЭГ с кожи головы выше 20 Гц имеет мышечное происхождение. Поэтому нахмуренные брови, сжатые челюсти или напряжённый лоб могут выглядеть как скачок высокой бета.

Повязки располагаются как раз там, где находятся эти мышцы. У повязки Muse четыре датчика, на лбу и за ушами, и исследователи с её помощью регистрировали стандартные ответы мозга, например P300 (Криголсон и коллеги, 2017). При прямом сравнении с двумя медицинскими системами в общей точке на лбу (Ратти и коллеги, 2017) Muse показала широкополосное увеличение мощности и самый большой разброс при повторном измерении, а бытовые устройства были более подвержены артефактам от моргания и движений мышц.

Повязка может показать крупные изменения, например больше альфы при закрытых глазах. Она не может читать мысли, что-либо диагностировать или точно измерять концентрацию, а напряжённое лицо легко завышает её показатель бета.

Могут ли музыка или бинауральные ритмы усилить бета-волны?

Многие приложения продают «бета-музыку» или бета-бинауральные ритмы для концентрации. Ни одно исследование не показало, что музыка с ярлыком «бета» переводит мозг в бета-диапазон. Исследования показывают другое: мозг подстраивается под музыку в более медленном диапазоне, низкочастотная активность мозга ниже 8 Гц следует за частотой нот в музыке (Доллинг и Пёппель, 2015), а эту частоту задаёт темп, а не ярлык на треке.

Бинауральные ритмы изучены больше. Метаанализ 22 исследований 2019 года (Гарсиа-Архибай и коллеги) нашёл средний общий эффект (g = 0,45) на память, внимание, тревогу и боль; это показывает, что люди реагируют, но не что изменилась волна мозга. Обзор 14 исследований ЭЭГ 2023 года (Ингендо и коллеги) нашёл пять исследований, где мозг следовал за ритмом, восемь, где не следовал, и одно со смешанным результатом. Сторона прослушивания, с бета-ритмом 18 Гц и исследованиями концентрации, описана на странице о бинауральных ритмах для концентрации.