Выявление личностной тревожности на основе электроэнцефалографии с использованием машинного обучения

Цель исследования. Электроэнцефалография в настоящее время успешно используется для диагностики и реабилитации психологических и когнитивных расстройств. При этом в практическом здравоохранении возникают трудности, связанные со слабостью в объективной оценке выраженности тревожных состояний и необходимостью учитывать индивидуальные особенности пациентов. Данные особенности трудно алгоритмизировать, но можно учесть при реализации методов машинного обучения. Цель исследования – оценить возможность применения технологий машинного обучения для идентификации уровня тревожности, коррелируемой с методикой Спилбергера-Ханина, по данным электроэнцефалографии. 
Методы. Для идентификации тревожности в основной и контрольных группах использован метод Спилбергера-Ханина, который позволяет дифференцированно измерять тревожность как личностное свойство. Запись альфа-ритмов производилась с помощью 6-канальной электроэнцефалографии. В качестве средства машинного обучения использована библиотека CatBoost, реализующая алгоритм градиентного бустинга с минимизацией функции потерь. 
Результаты. В эксперименте участвовало 92 респондента, разделенные по итогам тестирования на три группы. Все испытуемые перед прохождением тестирования находились в состоянии покоя 1,5 минуты с включенной записью ЭЭГ, далее им предлагалось пройти тест на определение личностной тревожности при синхронной записи параметров альфа-ритма. По итогам тестирования респонденты были разделены на три группы в соответствии с уровнем определенной тревожности. Проведенное исследование выявило зависимость между разными уровнями тревожности по шкале Спилбергера-Ханина и видом электроэнцефалограммы у испытуемых, что дает возможность перехода от тестирования пациентов к снятию и интерпретации ЭЭГ. 
Заключение. В ходе проведенного исследования выявлена положительная зависимость между разными уровнями личностной тревожности по шкале Спилбергера-Ханина и видом электроэнцефалограммы у испытуемых с точностью до 14%. Показано, что при определении тревожности возможно заменить тест, основанный на методике Спилбергера-Ханина на определение тревожности по ЭЭГ с использованием технологии машинного обучения. 

1. Beauducel A., Brocke B., Leue A. Energetical bases of extraversion: effort, arousal, EEG, and performance // Int J. Psychophysiol. 2006. N 62(2). P. 212–223.

2. Wearable reduced-channel EEG system for remote seizure monitoring / M. A. Frankel, M. J. Lehmkuhle, M. C. Spitz, B. J. Newman, S. V. Richards, A. M. Arain // Front. Neurol. 2021. N 12. P. 728484. https://doi.org/10.3389/fneur.2021.728484. EDN OFZUVS

3. Журавлев Д. В. Aппаратура для электроэнцефалографических исследований / Воронежский государственный технический университет. Воронеж: ВорГТУ, 2021. 259 с.

4. Новикова С. И. Ритмы ЭЭГ и когнитивные процессы // Психологическая наука и образование. 2015. Т. 4, № 1. С. 91–108. EDN TZJDZX

5. Станкова Е. П., Мышкин И. Ю. Влияние индивидуальных характеристик ЭЭГ и психофизиологических особенностей на время реакции // Научное обозрение. Биологические науки. 2015. № 1. С. 151–152. EDN SBKXCZ

6. Аппаратно-программный комплекс для диагностики психофизиологического состояния человека в процессе решения когнитивных задач / А. В. Курбако, А. Н. Храмков, Е. И. Боровкова, Е. С. Дубинкина, Ю. М. Ишбулатов, В. И. Пономаренко, А. С. Караваев, М. Д. Прохоров // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2024. Т. 24. № 1. С. 19-29. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2024-24-1-19-29. EDN UFAMDM

7. Муродов В., Халимова Ф. Т., Шумилина О. В. Сравнительная характеристика электрической активности мозга и степени тревожности // Медицинский вестник Национальной академии наук Таджикистана. 2022. Т. 12, № 4 (44). С. 34–39. EDN LBVXGE

8. Куликов В. Ю., Антропова Л. К. Особенности бета-ритма при закрытых и открытых глазах у умеренно и высокотревожных лиц // Сибирский медицинский вестник. 2021. № 3. С. 37–43. https://doi.org/10.31549/2541-8289-2021-3-37-43. EDN RFULKS

9. Корреляция мощности основных ритмов ЭЭГ и коэффициента когерентности с уровнем тревоги и депрессии в юношеском возрасте / К. А. Газенкампф, Н. А. Шнайдер, Д. В. Дмитренко, В. Е. Карнаухов, Д. А. Фирсова // Вестник клинической нейрофизиологии. 2018. № S. С. 38–39. EDN FJQDGG

10. Изменение мощностных характеристик альфа-ритма у студентов с разным уровнем тревожности в условиях нормального сна и частичной депривации при решении задачи GO/NOGO / Е. А. Черемушкин, Н. Е. Петренко, Н. Н. Алипов, О. В. Сергеева // Физиология человека. 2022. Т. 48, № 2. С. 79–85. https://doi.org/10.31857/S0131164622020047. EDN TPRRDS

11. Влияние тревожности, связанной с экзаменационным стрессом, на смещение зрительного внимания и электрическую активность фронтальных зон мозга / А. П. Астащенко, Н. П. Горбатенко, Е. В. Дорохов, С. И. Варварова, П. В. Зяблова // Ульяновский медико-биологический журнал. 2020. № 2. С. 100–111. https://doi.org/10.34014/2227-1848-2020-2-100-111. EDN PGHPGQ

12. Попова Т. В., Корюкалов Ю. И., Коурова О. Г. Определение риска дезадаптации по электроэнцефалограмме для предупреждения психического перенапряжения // Журнал неврологии и психиатрии им. С. С. Корсакова. 2024. Т. 124, № 8. С. 97–102. https://doi.org/10.17116/jnevro202412408197. EDN NAXNJY

13. Cвязь личностной тревожности со спектрально-когерентными характеристиками Α1-ритма электроэнцефалограммы человека / Н. А. Каратыгин, И. И. Коробейникова, Я. А. Венерина, Е. В. Бирюкова // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2018. № 9. С. 91–97. EDN PEQDPV

14. Динамика спектральных характеристик ЭЭГ у лиц с разной личностной тревожностью при когнитивной деятельности / Т. Д. Джебраилова, И. И. Коробейникова, Н. А. Каратыгин, Е. В. Бирюкова, Я. А. Венерина // Физиология человека. 2021. Т. 47, № 1. С. 20-30. https://doi.org/10.31857/S0131164621010033. EDN AEIHVY

15. Спектральные характеристики ЭЭГ и концентрация гормонов в слюне у лиц с разной личностной тревожностью при когнитивной деятельности / Я. А. Венерина, Т. Д. Джебраилова, Н. А. Каратыгин, М. Ю. Будников // Психическое здоровье. 2021. № 8. С. 3–12. https://doi.org/10.25557/2074-014X.2021.08.3-12. EDN XXCVSH

16. Галкин С. А. Взаимосвязь между профилем ЭЭГ и клинико-психопатологическими особенностями пациентов с депрессивными расстройствами // Психическое здоровье. 2021. № 7. С. 43–48. EDN ZWOUFJ

17. Связь биоэлектрической активности мозга с клиническими особенностями течения депрессивных расстройств / С. А. Галкин, Г. Д. Ткачева, Т. А. Ошкина, С. Н. Васильева, О. В. Рощина, С. А. Иванова, Н. А. Бохан // Психическое здоровье. 2020. № 8. С. 16–21. https://doi.org/10.25557/2074-014X.2020.08.16-21. EDN PWDHMD

18. Manual for the State-Trait Anxiety Inventory (Form Y1 – Y2) / C. D. Spielberger, R. Gorsuch, R. E. Lushene, P. R. Vagg. CA: Consulting Psychologists Press, 1983.

19. Ханин Ю. Л. Краткое руководство к шкале реактивной и личностной тревожности Ч. Д. Спилбергера. Ленинград, 1976. 18 с.

20. NEUROPLAY-6C. Универсальная 6-канальная нейрогарнитура c нейроиграми. URL: https://neuroplay.ru/catalog/neuroplay-6c/ (дата обращения: 17.03.2025).

21. Catboost: Unbiased boosting with categorical features / L. Prokhorenkova, G. Gusev, A. Vorobev [et al.] // Advances in Neural Information Processing Systems. URL: https://arxiv.org/pdf/1706.09516 (дата обращения: 17.03.2025).