Собрал все свои публикации по теме в один пост. Если во второй и третьей главе какие-то моменты непонятны, можно смело пропускать технические подробности при первом прочтении и слушать готовые результаты, а ещё можно задавать вопросы в коментах.

Бинауральные биения (ББ) - психоакустический феномен, в контексте этой главы ББ - это способ воздействия на мозг с помощью особых звуков (в ходу когда-то был термин "Цифровые наркотики").

Учился я в те давние времена в техническом вузе родного города. Интернеты тогда уже были, и узнал я из них про бинауральные ритмы. Якобы ритмы/биения эти влияют на мозг и могут вызывать разные интересные состояния. Попробовал на себе, ничего не понял (как и большинство людей), но идея показалась любопытной.

А на лекциях мне тогда рассказывали про всякие спектры, преобразования Фурье, модуляции, цифровую обработку сигналов и т.д. Так вот, про бинауральные биения в интернете писали, что если в одно ухо подаем гармонику частоты F, в другое F+f, то в мозгу наведётся гармоника частоты f и давай по нему гулять и менять его работу. А мне по моему образовательному профилю было уже понятно, что такое гармоники, что такое частоты и как создать нужные звуки на коленке. Всё это подогревало моё любопытство.

Мне захотелось тогда сделать программульку, которая берёт обычный аудиотрек, забирает от него частоты ниже 1000Гц, преобразует их в моно, сдвигает весь этот спектр на частоту f целиком, получается левый и правый канал с биениями, а потом добавляем к нему оставшиеся частоты выше 1000Гц. В итоге получается трек, в котором созданы бинауральные биения из его же собственных звуков. Такая была хитрость, получается вроде обычная музыка, но со скрытой психоактивностью. Я стал играться с разными музыкальными файлами, но быстро выяснилось, что полученные биения было отчетливо слышно (это нормально, так и должно быть), а значит, моя сумрачная затея провалилась. Моему мировому господству в тот раз не суждено было состояться)).

Ведь бинауральные биения - это психоакустический феномен, вместо того, чтобы слышать два тона отдельно каждым ухом, мы слышим один пульсирующий звук. Никакого вклада в исследование и применение бинауралки я в итоге не сделал. Но тогда на интересе к этой сомнительной теме я уже успел втянуться в теорию и практику работы с сигналами, получал именные стипендии, вёл научные работы на кафедрах, изучал с++ факультативом, донимал преподов вопросами по теме преобразований сигналов и был вообще кругом молодец. Вроде бы и обломался, но не совсем безрезультатно.

А позже занялся другими делами, пошёл в аспирантуру и стал работать инженером.

Да пёс их знает (UPD: работают, но убедительно доказано это было относительно недавно). Исследовать само воздействие на мозг мне тогда было не на чем, доступа к EEG-аппаратуре не было. Самому EEG паять - много муторной возни с проводами, нужно оборудование, осциллограф, терпение, много первых неудачных попыток и т.д.

Кстати, есть такое аудиофильское мнение, что для того, чтобы биения работали, нужны очень хорошие наушники. Это не так, для того, чтобы с нормальной громкостью воспроизвести гармонику из диапазона 200—1000Гц, подойдут почти любые исправные наушники. Если гул при прослушивании бинауралки двумя ушами слышится пульсирующим, то такие наушники автоматически годятся. Т.е. если биения слышно, то наушники уже со своей задачей справились, а справятся ли мозги и перейдут ли в желаемое состояние - вопрос отдельный.

В этой статье пишут прямо на русском языке, что вроде как биения в ЭЭГ есть, но обычным аппаратом с поверхности головы не снимаются, зато при операциях на мозгу их фиксировали. Но это такой себе аргумент. Когда устанавливали взаимосвязи между психическим состоянием человека и ритмами его мозга, обходились обычными ЭЭГ-измерениями безо всякого глубинного бурения в мозг. Уж если сменилось ваше состояние, например, с бодрого на сонное, то в своей электроэнцефалограмме вы это чётко обозначите и никуда от этого не денетесь, я считаю.

Другой любопытный факт, если человек глядит на пульсирующий свет, то пульсации той же частоты можно фиксировать на ЭЭГ с его зрительной коры. Так можно определять направление взгляда, если испытуемому предлагается смотреть на разные объекты, мигающие с разной частотой. Но в практическом плане это медленный и глючный способ, проще направленной в лицо камерой отслеживать, куда глаза глядят. А то, что пульсации света могут менять ритмы мозга за пределами зрительных зон и менять состояние - тоже вроде бы никто не подтверждал. Такую фигню я только в каком-то Джеймсе Бонде видел в виде специальной психоделической маски одного из суперзлодеев, которой он пользовался, чтобы высыпаться без полноценного сна и чтобы оставалось больше времени на его суперзлые злодейства.

Возможно, бинауралка - очередная всратая нью-эйджевая ерунда, кстати, популярная в оккультных кругах, у всяких медитирующих самопознанцев и осознанцев. Сначала я игрался ещё с программкой bwgen, выглядела она солидно, с графиками и ползунками. Потом, помню, появился i-doser, на который уже сложно было без некоторой снобистской брезгливости смотреть. Его эти аудионаркотики, которые в виде отдельных файликов-пресетов продавали за отдельные деньги. И ведь кто-то же, видимо, покупал. Тогда даже по телевизору обсуждали вред/опасность этих аудионаркотиков. В общем, из дремучего (бинауралку ещё Г%тлер придумал, Курт Кобейн после неё застрелился, и Лев Толстой стал толстовцем, наслушавшись) андерграунда для гиков идея пошла в беспощадный мейнстрим. И так и не нашла какого-либо терапевтического применения, несмотря на весь хайп (UPD: сейчас у технологии назревает ренессанс, что-то появляется, см. следующие статьи цикла).

Ну, вроде бы есть и хорошие новости. На той неделе натолкнулся на такой вот пейпер, где на картинке (см. FIG. 2 в простыне по ссылке)мы видим чёткий пик на спектре ЭЭГ на 4Гц, поэтому будем разбираться, что они делали и почему у них получилось.

Тут сначала пишут, что у котиков тоже наблюдаются бинауральные биения, нам это может пригодиться, да) А еще что эти японцы используют MEG вместо EEG, это вроде как позволяет получать лучшее пространственное и временное разрешение. Прогресс не стоит на месте, это хорошо.

Итак, в левое ухо гудим тоном 240Гц, в правое - 244Гц (L240R244) и получаем ритм 4Гц в обоих полушариях, правда в правом на картинке амплитуда ощутимо больше, не думаю, что это связано с тем, что частота в правом ухе была выше, скорее дело в функциональной асимметрии самого мозга. Далее по тексту сказано, что не частота звукового тона (240Гц или 480Гц), ни "полярность", т.е. +4Гц на правое или левое ухо - не имело принципиального значения, целевой результат достигался во всех случаях, хотя и несколько разный в деталях. Меня только смущает, что тест другой частоты биений (6.66Гц - покайтеся!) не была видна на спектрах.

Тут частота 6.66 использовалась для контроля, когда гудим бинауралкой с разницей в 6.66Гц, частота в 4Гц не наводится, но частота в 6.66Гц должна же наводиться. Ещё японцы советуют обратить внимание на мощную альфа-волну на 13Гц (верхние ряды H и I картинок) при 4-хгерцовой бинауралке.

Объяснение, почему на этом графике нет пика на 6.66Гц я нашёл далее по тексту статьи. Так же стало понятно, почему с помощью MEG отклик на бинауралку фиксируется, а на EEG его можно обнаружить только если прикладывать электроды непосредственно к оболчкам мозга, минуя череп, а с поверхности головы уже не получается.

На картинке схематично изображен мозг, по бокам височные, сверху - префронталка и т.д., на A - ритмы 4 Гц, на B - ритмы 6.66 Гц (чем больше кружок, тем больше каналов рядом с этой точкой фиксируют нужную частоту). Зоны, в которых возникают ритмы бинауралки очень компактные и могут для разных длин волн локализовываться по-разному, потому каналы, в которых мы отчетливо наблюдали 4 Гц, мы можем уже не увидеть 6.66 Гц и наоборот.

Т.е. бинаруральные биения действительно вызывают колебания по всему мозгу, но в очень-очень сильно локализованных участках. Самое интересное, что эти колебания имеют разный фазовый сдвиг, а значит распространяются, последовательно вовлекая в ритм разные участки мозга по сложным каскадам. Мозг в этом феномене ведет себя как сложная система, а не просто мочалка с электролитом.

Похоже, бинауральные биения не меняют состояние всего мозга в целом, но в мозаично расположенных участках очень даже меняют и прямо-таки на заказываемую частоту. Можете ознакомиться с оригиналом статьи и даже пройтись по ссылкам по другим исследованиям.

Итак, если некоторые люди говорят, что бинауралка помогает им успокоиться или заснуть, то, возможно, под этим есть какая-то физиологическая основа, а не только самовнушение.

- Нужны наушники любого качества, включаете файлик meditation1.mp3 из аттача и если слышите пульсации тона, то наушники годятся.

- Выставляете звук так, чтобы была комфортная невысокая громкость, но чтобы при этом пульсации были слышны.

- Фокусируете внимание на звуке и его пульсациях, исследования говорят, что это усиливает отклик в мозгу, ждёте, когда трек закончится.

Можно совместить несколько подходов сразу, например, бинауралка плюс самогипноз, запустить трек hypnotoad.mp3, где частота биений 4Гц и для расслабления добавлен модулированный шум, что-то вроде шума волны.

При прослушивании вы можете почувствовать, как этот шум волны вас убаюкивает, может быть, вы даже начнёте едва заметно раскачиваться в такт этим набегающим волнам. Через какое-то время вы можете почувствовать себя комфортно, уютно и спокойно. Можно закрывать и открывать глаза, фокусировать слух то на шуме волн, то на пульсациях тона и выбирать те варианты, которые дают более приятные ощущения. В какой-то момент тепло и расслабленность может начать разливаться по всему телу. Возможно, вы ощутите, что с каждой новой волной это чувство становится глубже и приятнее, могут возникнуть приятные воспоминания или фантазии. Вы можете представить, как вы гладите одного из котиков с картинок этого поста, а может быть, даже почувствуете что сами стали этим котиком или даже сразу всеми этими котиками, а может быть, вы захотите ощутить себя всеми этими котиками и тем кто их гладит одновременно.

В какой-то момент вам может захотеться подписаться на мой бусти или отправить мне донат, а, возможно, это желание созреет позже. Шучу))

Сейчас мы:

1. Кратко оценим актуальные перспективы аудиостимуляции мозга на основе статьи в nature;

2. Научимся сами генерить аудиофайлы с эффектами биений (при самом базовом знании питона);

3. Научимся находить и идентифицировать "аудионаркотики" в произвольных аудиофайлах (при базовом знании питона, понимании спектров сигналов и время-частотных представлений), с отсутствием знаний тоже будет интересно, потому что мы обнаружим аудиостимуляцию в классическом эмбиенте 1998-го года выпуска.

В аудиостимуляции были разные эксперименты, но прижились два подхода к созданию резонансных колебаний в мозгу через уши:

1. Бинауральные биения (BB). В разные уши подаются разные частоты, например, гармоники (тоны, синусы/косинусы) 240 Гц и 244 Гц, в таком случае в мозгу возникают биения на частоте 4 Гц (244 - 240 = 4).

Выражается это в том, что по отдельности в каждом ухе чистый тон, но если слушать обоими ушами, слышны пульсации. Примеры таких звуков я прикладывал в предыдущем посте. По этой же технологии работают в статье, которая побудила меня написать этот пост.

2. Амплитудные модуляции (AM). Технология гибче и проще, можно у произвольного аудиотрека крутить громкость с требуемой частотой (не вручную, конечно же, а алгоритмически). В таком варианте тоже предполагается вызвать нужную волну в мозгу, хотя в самом звуке требуемая гармоника может вообще отсутствовать, тоже психоакустический феномен (возможно, той же природы, что и у биений).

Тут пульсации слышны каждым ухом в отдельности и обеими сразу, даже без стереоэффекта можно обойтись, нужно ли оба уха в наличии, чтобы получать эффект стимуляции или хватило бы одного, я не знаю. Эту технологию использует brain.fm (денег хотят, ироды), получается красиво и музыкально. Гамма- щелчки (перспективно, рекомендую к обязательному изучению пейперов) тоже можно с натяжкой отнести к той же технологии, только модулируем прямоуголным импульсом, а не гармоникой.

Итого. Отличаются ли эффекты, вызваные этими разными технологиями для одной и той же целевой частоты и что для чего эффективнее, является предметом исследований. В статье про 40-герцовые гамма-щелчки тормозят Альцгеймера (но там на мышках, AM-дискотеку им проще организивать, чем изобретать для них BB-стереонаушники), а в статье про 40-герцовые биения ускоряют обучение. Есть основания полагать, что BB и AM покрывают разные нервные пути. BB задействует процессы локализации источника звука, а AM - распознавания и BB активнее задействует префронталочку. Так что пока будем считать, что BB сложнее, но эффективнее для когнитивки.

Итак, 40-Hz Binaural beats enhance training to mitigate the attentional blink. В тексте встречаются мудрые изречения, полезные для каждого системного биокекера, например "The improvement becomes evident not immediately, but after consolidation during sleep" или "...successful training requires time and effort". Для нетерпимых к басурманским языкам поясню, что речь о том, что для успешного развития навыка требуется время и усилие, а ещё результат иногда виден не сразу, а потребует полноценного сна для консолидации.

Я особо не вдавался в подробности постановки эксперимента, но понял, что attentional blink in rapid serial visual presentation - сложная задача для человеческого мозга, которая хороша в качестве бенчмарка. На этом самом бенчмарке обнаружен статистически значимый эффект от бинауральных биений 40 Гц (420 Гц и 460 Гц в разные уши). C аудиостимуляцией на этой целевой частоте результаты лучше.

Они создавали звуки на Матлабе (тоже уважаю, но он сильно платный), а я вас научу в следующей главе делать их же на питоне.

Не так давно наука сомневалась, что бинауральные биения вообще дают какой-то отклик в мозгу. Благодаря дорогой, громоздкой и чувствительной технологии MEG появилась возможность эти отклики фиксировать. А здесь уже известно, какие частоты лучше поддаются аудиостимуляции и даже видны кратные гармоники в отклике, т.е. можно 40 Гц в мозгу вызвать биениями на 20-ти герцах. Любопытна также высокая возбуждаемость мозга на частотах около 3-х герц.

Читайте оригинальную статью и вы ещё узнаете, что BB на 40 Гц:

1. Улучшает вспоминание из рабочей памяти;

2. Влияет на контроль связывания объекта и его свойства в зрительной обработке (control of visual feature binding);

3. Поддерживает когнитивный контроль в принятии решений;

4. 20-герцовые биения улучшают долговременную память (но мы то видели картинку выше и можем допускать, что 20 Гц на биениях дают сильный отклик на 40 Гц в мозговых волнах на кратной гармонике).

Вообще изи:

1. Ставим jupyter

2. Скачиваем файлик с github

3. Устанавливаем мой любимый scipy/numpy и pydub

Получите чудодейственный файл из статьи выше, продолжительность 15 минут, левый канал 420 Гц и правый - 460 Гц. Развлекайтесь.

А для тех, кто не хочет возиться, приаттачу готовый результат "40hz-beats.mp3".

Используем тот же репозиторий, но другой файлик. Я придумал простой метод перемножения правого канала на левый (предварительно почистив от лишнего ), засчёт чего BB отдает свою целевую частоту (предполагается, что паразитные частоты улетают за пределы диапазона 0.5-50 Гц), а AM по счастливому совпадению демодулируется перемножением на оставшуюся в спектре несущую (аналогично может возникнуть каша из лишних частот, но узкополосные сигналы такое прощают). Отличить AM от BB мой метод не позволяет (в следующем посте уже позволяет), зато разбирать, на каких частотах эта запись пытается стимулировать мозг, мы как правило легко можем разобрать.

Выше отчётик по нашему файлику в BB 40 Гц. Картинки со спектрограммой две, одна с линейной яркостью, вторая с логарифмической. А в самом низу спектр по всему файлу суммарно. Чёткие эталонные BB 40 Гц отдетеклились на ура.

А это те самые щелчки, которые относятся скорее к AM технологии. Помним, что это не одно и то же, разные нервные пути, но тоже работает. Но по-другому. Но работает. А мой метод задетектил их одинаково, как я и говорил, отличать AM от BB он не умеет.

Это моя гипножаба из другого поста про бинауралку. Сгенерил на bwgen. Тут частота понижается с 5 до 4 Гц BB. Кроме того, в сигнале присутвует что-то вроде шума набегающих волн, детекции эта примесь особо не вредит. Частота в пределах файла меняется, потому на нижнем графике она ожидаемо слегка смазалась. Если читать файл с 100-ой секунды, то нижний график получится с чистым пиком на 4 Гц.

Тут частоты две, и обе плавают. Нижний график не особо информативен, а на втором как на ладони всё. Верхняя волна плавает около 32 Гц, а нижняя плавно сползает с 20 до 15 Гц. Вот так можно взять супер-пупер проприетарный BB файлик с заявленными чудодейственными свойствами и понять, засчет каких движений гармоник происходит магия.

Выше файлик из brain.fm, якобы предназначенный для фокусировки. Выглядит более грязненько, потому что модулируется музыка (это AM технология), но предполагаемые целевые гармоники видны.

И вишенка на тортике! Coil - DOET.

Легендарная группа, классика эмбиента. Называется как наркотик и удачным образом задействует чувствительные к стимуляции 3.6 Гц. В 1998-м году вышла (!), что ещё более удивительно, как я выяснил позже, тут BB.

Слушайте на ютюбах, яндекс музыках и где найдёте, чтобы получать BB 3.6 Гц красиво. Другое дело что смысла в этом не так много может оказаться, для 40 Гц интересные эффекты обнаружены, а про доказанную эффективность 3-4 Гц пока ничего не попадалось.

Пока на этом всё, подписывайтесь, интересуйтесь науками, берегите себя, следите за здоровьем, биокекайтесь и живите вечно.

Здесь мы усовершенствуем детектор и разберемся, как генерить музыку с эффектом бинауральных биений.

В предыдущем посте мы сделали детектор, который позволяет выявить амплитудные модуляции AM и бинауральные биения BB на стимулирующих мозг частотах. Но он не позволяет уверенно сказать, какая из технологий была использована, AM или BB.

Он работал вот так:

1. Отфильтровываем полосовым фильтром частоты, рекомендованные как несущие для BB, т.е. диапазон 200-600 Гц;

2. Перемножаем правый канал на левый, в результате чего происходит хитрая DSP-магия, что-то вроде демодуляции. Результирующий сигнал в низкочастотной области содержит AM и BB гармоники;

3. Отрисовываем периодограмму результирующий сигнала в низкочастотной области (до 50 Гц), а еще рисуем усредненный спектр, чтоб удобнее видеть AM и BB пики.

Файлик с детектором, был на гитхабе, теперь он там же, но уже работает слегка иначе и позволяет отличать AM от BB:

1. Отфильтровываем полосовым фильтром диапазон 200-600 Гц. Без доработок, надо бы Баттерворта, например, на первого Чебышева поменять, но пока забил на это;

2.1 Перемножаем правый канал на левый, получаем как и прежде AM+BB гармоники.

2.2 Перемножаем правый на правый, левый на левый и уредняем результат по каналам. Тут хитрость в том, что мы больше не видим стереоэффектов и потому фиксируем только AM гармоники без BB. Почти сразу после поста с практикумом придумал, но попробовал только вчера.

3. Отрисовываем периодограмму для AM+BB и AM (т.е. только AM) отдельно и усредненные спектры по ним. Всё, теперь, пики есть на AM+BB но нет на AM, то у нас BB, а если на обоих, то АМ.

Вот наши синтетические BB 40Гц из прошлого поста. Видим, что BB+AM слева нам показывает пик на 40Гц, а АМ справа показывает жирную рябь (там автонормировка по максимумам), т.е. в AM ничего. Т.е. детектор отличил, что здесть BB.

А здесь чистопородное AM от brain.fm. Тут графики одинаковые практически, значит подтверждается, что тут AM.

А вот наш любимый Coil - DOET. Ставим экспертное заключение, что тут BB, поскольку гармоника 3.6Гц на левых графиках выражена значительно более явно, чем на правых.

Выводы по детектору:

1. Детектор умеет генерировать информативные картинки, на которых видно стимулирующие гармоники.

2. Детектор умеет показывать различия кросс-демодуляции AM+BB и авто-демодуляции AM, чтоб отличать AM от BB.

Тут лежит файлик, позволяющий обычный аудиофайл делать стимулирующим с BB 40Гц. Если кому-то надо сгенерировать обычный BB тон, то тут всё ещё лежит генератор.

Работает он в теории очень просто:

1.1 Берем исходный файлик с музыкой (в примере cloud-meditation-4868.mp3  будет в п.3 в закрепе), конвертируем в моно.

1.2 Используем окно Tukey на этом монотреке, чтобы при последующем FFT снизить явление растекания спектра. Он делает что-то вроде fade-in и fade-out, которое снижает косяки, связанные с тем, что мы бесконечно зацикливаем сигнал, чтобы представить его как сумму бесконечных гармоник.

1.3 Получаем спектр сигнала с предыдущего подпункта с помощью FFT (mono source spectrum я его назвал на рисунке выше). В нём выделяем кусок, который будем двигать при создании BB эффекта (отмечен рыжим, там в настройках центральная частота 440Гц, ширина 150Гц).

2.1 Копируем спектр дважды как заготовку под правый и левый. Вычищаем в нем зону под рыжий кусок спектра, который будем двигать. Ширина зануления там (150+40)Гц, т.е. под 20Гц с каждой стороны.

2.2. Двигаем рыжий кусок в левом спектре влево на 20Гц, а в правом спектре направо на 20Гц. Попутно мы умножаем этот фрагмент на boost, чтобы сделать BB-эффект выразительнее. Ура! Мы полосой исходного сигнала создали биения на 40Гц (два нижних графика на рисунке выше).

3. Делаем обратное FFT преобразование и сохраняем результат в файл (cloud-meditation-4868_40Hz.mp3 в данном случае). Теперь можно детектором проверить, что получилось и что было изначально.

Теперь на 4Гц BB пропало и превратилось в AM в результате преобразования в моно на первом этапе (мы усреднили каналы между собой). Но это просто любопытно, а вот то, что появилась гармоника ВВ 40Гц (слева, но не справа => BB, и там и там => AM).
На всякий приложил соlержимое github.

Всё получилось, мы молодцы. Теперь мы можем детектить AM и BB, отличать их друг от друга, умеем с прошлого поста генерить BB-тоны, а с этого поста умеем в музыку добавлять BB-эффекты. Кстати, музыка с BB неизбежно будет содержать призвуки, так что скрыто через музыку на кого-то воздействовать не только неэтично, но и не получится))

Вывод поста
Была проделана большая работа. Хотя эффекты от BB относительно слабенькие, а техническая часть может быть интересна в основном только людям из датасаенса и смежных направлений, но зато сама BB невероятно доступна, нужны только наушники практически любого качества и устройство воспроизведения. Пишите в коментах, действуют ли на вас звуковые файлики из этого гигапоста. И вообще давайте фидбэк.