Оценка эффективности медитативной практики с помощью электроэнцефалографии

Доклад 25 ноября 2021 года в СПбГУ на Всероссийской с международным участием научно-практической конференции «ФИЗИЧЕСКАЯ КУЛЬТУРА И СПОРТ В СИСТЕМЕ ОБРАЗОВАНИЯ: ИННОВАЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ» 

 Минвалеев Р.С.
Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург
Богданов Р.Р.
Московский областной научно-исследовательский клинический институт им.М.Ф.Владимирского, Москва
Ратманова П.О., Напалков Д.А.
Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, Москва

Аннотация: На основе технологического подхода к оценке эффективности медитации избран наиболее приемлемый для современного человека сдвиг электрической активности мозга при выполнении медитативной практики Чань/Дзен в частотные полосы альфа и тета ритмов. У 11 испытуемых обоего пола проведена электроэнцефалографическая запись ритмов мозга при выполнении адаптированной медитации. Установлена воспроизводимость появления фронтально-медиального тета-ритма при выполнении ключевой технологии медитации Дзен – «бамбукового дыхания». 
Ключевые слова: электроэнцефалография, альфа и тета ритм, медитация Дзен.

Possibilities of evaluating the effectiveness of meditation using electroencephalography

Minvaleev R.R.
St. Petersburg State University, St. Petersburg
Bogdanov R.R.
Moscow regional scientific clinical Institute, Moscow
Ratmanova P.O., Napalkov D.A.
Moscow State University, Moscow

Abstract: Based on the technological approach to evaluating the effectiveness of meditation, the shift of the electrical activity of the brain in performing Zen meditation practice into the frequency bands of alpha and theta rhythms is the most acceptable for a modern person. Electroencephalographic recording of brain rhythms was performed in 11 subjects of both sexes when performing adapted meditation. The reproducibility of the appearance of the frontal-medial theta rhythm when performing the key Zen meditation technology - "bamboo breathing" has been established.
Keywords: electroencephalography, alpha and theta rhythm, Zen meditation.              

Изучение электрической активности мозга насчитывает уже почти 100 лет, начиная с пионерской работы Ханса Бергера [5]. За эти годы были установлены основные диапазоны волновой активности: дельта, тета, альфа, бета и гамма (от 0,1 до 100 Гц), с каждым из которых ассоциирован специфический набор той или иной мозговой деятельности. Применив метод электроэнцефалографии (далее ЭЭГ) к многообразным восточным практикам духовного самосовершенствования, обозначаемые латинским термином «медитация», исследователи обнаружили столь вариативное многообразие влияний на электрическую активность мозга [8, 6], что сделало практически невозможной создание классификации, подходящей для научного использования. Однако в терминальных состояниях (глубокая кома, смерть) метод ЭЭГ позволяет прийти к однозначным выводам, которые и были сделаны американскими исследователями в отношении т.н. посмертной медитации «тукдам», когда не удалось обнаружить признаков какой-либо электрической активности мозга, несмотря на убежденность буддистов в наличии остаточного сознания после физической смерти при этой медитации [18].

В наших исследованиях мы выбрали технологический подход к древним духовным практикам, когда предмет изучения рассматривается в контексте возможностей применения современным человеком. Так из тибетской йоги Туммо мы взяли только технологию значительного повышения теплопродукции, и получили новый метод повышения холодоустойчивости [3].

Медитативные техники также можно рассматривать как способы управления работой мозга, сопровождающиеся произвольным сдвигом его электрической активности в упомянутые частотные полосы. В систематическом обзоре 2015 года  утверждается, что состояние медитации чаще всего связано с возрастанием альфа и тета осцилляций [17]. Однако для формирования функциональных состояний, обеспечивающих максимальную продуктивность, наиболее привлекательным представляется сдвиг в сторону преобладания тета-ритмов (4-8 герц), которые сопровождает не только глубокий сон, но и состояния однонаправленного внимания [7] и эффективной консолидации памяти [14,15,20]. Из-за типичной топографии этот тип ритмической активности ЭЭГ был назван «фронтально-медиальный тета-ритм» [12], и его повышение было обнаружено при решении умственных задач нарастающей сложности [9, 11]. Разработаны и применяются системы с обратной связью для инициации фронтально-медиального тета-ритма у студентов [16]. А поскольку возрастание тета-ритма было зарегистрировано при выполнении буддийской медитации Чань/Дзен (Китай/Япония) [13], то мы решили проверить, насколько часто фронтальный тета-ритм наступает при выполнении одной из описанных в литературе буддийских медитаций Дзен, основанных на выполнении т.н. «бамбукового дыхания» [1], которую мы адаптировали как технологию, позволяющую сдвинуть электрическую активность мозга в желаемую частотную полосу (альфа и тета диапазонов).

Материалы

Всего было обследовано 11 человек, из них 6 женщин и 5 мужчин, (средний возраст – 44 года), выполнявших медитацию Дзен, следуя инструкции Сэкиды Кацуки по «бамбуковому дыханию», адаптированной для современного человека Ринадом Минвалеевым. Все обследуемые были рекрутированы в формате гражданской науки (citizen science) в рамках авторского проекта Ирины Архиповой «В поисках утраченных знаний» (c) во время научно-исследовательских экспедиций «Гималаи 2019», «Пиренеи 2019», «Русский Север 2019-2020» и «Башкирия 2020-2021».   

Исследование было одобрено Этическим комитетом Санкт-Петербургского государственного университета (irb@spbu.ru). Все участники подписали информированное согласие и ответили на все вопросы исследователей.

«Бамбуковое дыхание», положенное в основу данной медитативной техники, представляет собой ступенчатый, произвольно пролонгированный выдох, когда следующий довыдох выполняется на автоматически наступающем желании сделать вдох, пока гиперкапнический стимул дыхания не достигнет стадии императива, и тогда после императивного вдоха цикл ступенчатых довыдохов повторяется [1].

Рис. 1. Запись электроэнцефалограммы во время выполнения медитации на о. Немецкий Кузов (экспедиция «Русский Север 2019»)

Протокол исследования

Электроэнцефалограмму регистрировали монополярно в 8 отведениях до, во время и после медитации:

• в лобных отведениях (F3, Fz, F4);
• в центральных отведениях (C3, C4);
• в теменных отведениях (P3, P4);
• в затылочном отведении (Oz).

В работе применяли следующие функциональные пробы при непрерывной записи ЭЭГ с отметками проб в режиме реального времени:

• Состояние спокойного бодрствования с закрытыми глазами (ГЗ);
• Состояние спокойного бодрствования с открытыми глазами (ГО);
• Проба на мю-ритм (сжимание/разжимание кистей рук в кулаки);
• Выполнение корректурной пробы (КП-1);
• Медитация Дзен;
• Выполнение корректурной пробы (КП-2).

Результаты

В таблице 1 суммированы сдвиги электрической активности мозга в упомянутые частотные полосы до, во время и после медитации Дзен

Таблица 1. Сдвиги электрической активности мозга во время медитации Дзен в упомянутые частотные полосы (↑ - увеличение, ↓ - уменьшение)

Во время медитации в электрической активности головного мозга по сравнению с состоянием спокойного бодрствования возрастал вклад медленноволновых ритмов.  Такие изменения ЭЭГ наблюдались у 7 испытуемых из 11 применявших технику. При этом у 4 испытуемых на фоне медитации, в лобных отведениях регулярно возникали вспышки тета-активности, на спектре увеличилась амплитуда тета-диапазона ЭЭГ (4-8 Гц). Из них у 1 испытуемого, длительно занимающегося практикой, тета-ритм появлялся в низкочастотном диапазоне 5,5-6 Гц и возникал значительно раньше, чем у остальных (рис. 2). Спектральный анализ ЭЭГ у того же испытуемого обнаруживает появление тета-ритма уже в состоянии спокойного бодрствования с закрытыми глазами (ГЗ) (рис. 3,4), что является несомненным результатом предшествующего медитативного опыта.

Рис. 2. Электроэнцефалограмма во время медитации. Испытуемый MRS.

Рис. 3.  Спектры ЭЭГ в отведении Fz во время медитации и во время состояния спокойного бодрствования с закрытыми (ГЗ) и открытыми глазами (ГО). Испытуемый MRS.

Рис. 4. Амплитуда тета-2 диапазона ЭЭГ (6-8 Гц) во время медитации и во время состояния спокойного бодрствования с закрытыми (ГЗ) и открытыми глазами (ГО). Испытуемый MRS.

У 3 испытуемых наблюдалось замедление частоты альфа-ритма, усиливалась низкочастотная лобная альфа-активность (8-9.5 Гц, доминирующая частота – 9 Гц), что  также коррелирует с увеличением устойчивости внимания и повышением работоспособности. Из оставшихся 4 испытуемых, у 2 отмечалось увеличение амплитуды, без изменения частоты альфа-ритма, у 1 отмечалось уменьшение частоты альфа-ритма, у 1 испытуемого – на фоне медитации наблюдалось увеличение частоты бета-ритма, что может свидетельствовать о не правильном выполнении техники медитации дзен.

Обсуждение результатов

Разнообразие электроэнцефалографических маркеров успешной медитации мы свели к наиболее часто встречающемуся сдвигу электрической активности мозга во время медитации в сторону преобладания альфа-ритма и появлению тета-ритма, отвечающего за эффективную умственную концентрацию на выделенном объекте [4] и консолидацию памяти, о чем свидетельствует происхождение тета-ритма непосредственно из гиппокампа [10], что также связывают среди прочего и с практикой медитации  [19]. Что интересно, аналогичные паттерны ЭЭГ-активности наблюдаются и младенцев, сосредоточенных на сосании или игрушке [2].

Нами установлено, что характерные изменения ЭЭГ, сопровождающие состояние медитации, развиваются в результате длительных тренировок. При многолетней практике все выявленные во время медитации феномены (усиление лобной альфа-активности, регулярное появление вспышек тета-активности) достаточно хорошо воспроизводятся при повторных регистрациях ЭЭГ.

Разовые медитации и практики к таким комплексным изменениям ЭЭГ не приводят. Изменения происходят, но они носят индивидуальный характер у разных добровольцев и затрагивают разные частотные диапазоны ЭЭГ: в основном альфа-диапазон, в меньшей степени тета-диапазон, и в единичных случаях бета-диапазон.

Вывод

Медитация дзен позволяет повышать устойчивость внимания и умственной работоспособности, но требует формирования устойчивого «навыка», освоения технологии.

Благодарность

Авторы выражают глубокую благодарность генеральному директору киностудии исторического фильма «ФАРАОН» Ирине Владимировне Архиповой, организатору и вдохновителю международных научно-исследовательских экспедиций в Гималаи в рамках ее авторского проекта «В поисках утраченных знаний» (с), направленного на поддержку отечественной науки.

Литература

1. Кацуки С. Практика Дзен. Перевод с англ. М.: «Амрита-Русь», 2004.-232 с.
2. Строганова Т.А. Ритмы ЭЭГ и развитие процессов контроля внимания у младенцев. – Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук / Москва, 2001 
3. Тибетская йога туммо: физика, физиология и технология холодоустойчивости / Р. С. Минвалеев, В. И. Тимофеев, А. И. Иванов, А. Левитов // Буддизм Ваджраяны в России: Актуальная история и социокультурная аналитика: Коллективная монография. Научное издание. Материалы VI Международной научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 19–22 октября 2018 года / Отв. редактор А.М. Алексеев-Апраксин, составитель В.М. Дронова. – Санкт-Петербург: Алмазный путь, 2020. – С. 410-448.
4. Aftanas, L.I., Golocheikine, S.A., 2001. Human anterior and frontal midline theta and lower alpha reflect emotionally positive state and internalized attention: high-resolution EEG investigation of meditation. Neurosci. Lett. 310, 57–60.
5. Berger H., Uber das Elecktroenzephalogramm des Menschen, Arch. Psychiatry  (Nervenk)  87 (1929) 527–570.
6. DeLosAngeles D, Williams G, Burston J, Fitzgibbon SP, Lewis TW, Grummett TS, Clark CR, Pope KJ, Willoughby JO. Electroencephalographic correlates of states of concentrative meditation. Int J Psychophysiol. 2016 Dec;110:27-39.
7. Dietl T, Dirlich G, Vogl L, Lechner C, Strian F. Orienting response and frontal midline theta activity: a somatosensory spectral perturbation study. Clin Neurophysiol. 1999;110(7):1204-1209.
8. Fell, J., Axmacher, N., and Haupt, S. (2010). From alpha to gamma: Electrophysiological correlated of meditation-related states of consciousness. Med. Hypotheses 75(2), 218-224.
9. Gevins A, Smith ME, McEvoy L, Yu D. High-resolution EEG mapping of cortical activation related to working memory: effects of task difficulty, type of processing, and practice. Cereb Cortex. 1997;7(4):374-385.
10. Hasselmo ME. What is the function of hippocampal theta rhythm?--Linking behavioral data to phasic properties of field potential and unit recording data. Hippocampus. 2005;15(7):936-949.
11. Inanaga, K. (1998). Frontal midline theta rhythm and mental activity. Psychiatry and Clinical Neurosciences, 52(6), 555–566.
12. Ishihara T, Yoshi N. Multivariate analytic study of EEG and mental activity in juvenile delinquents. Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 1972;33(1):71-80.
13. Kasamatsu, A., & Hirai, T. (1966). An electroencephalographic study on the Zen meditation (Zazen). Psychiatry and Clinical Neurosciences, 20(4), 315–336.
14. Klimesch W, Doppelmayr M, Schimke H, Ripper B. Theta synchronization and alpha desynchronization in a memory task. Psychophysiology. 1997;34(2):169-176.
15. Klimesch W, Schack B, Sauseng P. The functional significance of theta and upper alpha oscillations. Exp Psychol. 2005;52(2):99-108.
16. Lee YJ, Kim HG, Cheon EJ, et al. The Analysis of Electroencephalography Changes Before and After a Single Neurofeedback Alpha/Theta Training Session in University Students. Appl Psychophysiol Biofeedback. 2019;44(3):173-184.
17. Lomas T, Ivtzan I, Fu CH. A systematic review of the neurophysiology of mindfulness on EEG oscillations. Neurosci Biobeav Rev. 2015;57:401-410.
18. Lott, D. T., Yeshi, T., Norchung, N., Dolma, S., Tsering, N., Jinpa, N., Woser, T., Dorjee, K., Desel, T., Fitch, D., Finley, A. J., Goldman, R., Bernal, A., Ragazzi, R., Aroor, K., Koger, J., Francis, A., Perlman, D. M., Wielgosz, J., Bachhuber, D., … Davidson, R. J. (2021). No Detectable Electroencephalographic Activity After Clinical Declaration of Death Among Tibetan Buddhist Meditators in Apparent Tukdam, a Putative Postmortem Meditation State. Frontiers in psychology, 11, 599190.
19. Mitchell DJ, McNaughton N, Flanagan D, Kirk IJ. Frontal-midline theta from the perspective of hippocampal "theta". Prog Neurobiol. 2008;86(3):156-185.
20. Raghavachari S, Lisman JE, Tully M, Madsen JR, Bromfield EB, Kahana MJ. Theta oscillations in human cortex during a working-memory task: evidence for local generators. J Neurophysiol. 2006;95(3):1630-1638.