Автореферат и диссертация по медицине (14.00.17) на тему:Корковые механизмы невербального мышления на модели решения пространственных задач

РГб од . - 1 янв 1996

инкклн лкишия плж

ИНСМПЛТ Hl.Knu.fi НЮтНОЙ ЛГЯТШМКХТМ И пи"»'(ХМНПО, ЮШИ

\ ;1К trl2.S2IJi0l2.42.44> 12+22.1 11л п/ыб,1\ рукотки

имкоим в лилсв) i' аювич

коскопьи: М1-:\\1Ш ты ш вкрьллыю! о мышлкиил нч молили плиния 11кки'мктшлных лллдч

лвторгсш'лт

ДНГСТртйШШ ЦП ( ошкшше ученой (ТОПОЛИ

кандидата мрдшишгких наук

Специальность 11.00.17 - ыормлгьнкя физиология

гЛ!осква -1995 г.

Работа мшшнгщ н .мЛо/м/нп/иш бмаши нсрбной де.чпимычм ши чс.1п6ск,1 ( 411«М\КИ»1П"| - Л(1КГ1)|) МОДИЦШК'КИ.Ч ИЛУК. Профессор ЛЛШнаШШКПМ) ||||<ТИ1> I.) ш.кшс-й норшмн дечтс'.п.иостн и нсГцхфпнтопт 1'МI (директор - академик П И С нмонок).

МА>'ЧныГ|1'\'к()1М);игпп1.

Доктор М0,ЧШШ1ККИ\ 1!<1> К, |||хк|хчтр Л.\1.И|ЩИШ1КНЙ

ОМ II [ПЛ.; 1Ы1М1: < )111 К)111:1 ГГЫ: Доктор Риаюгическпх наук. и]*х|хчгсо|> М.ВЛ^хгюн Доктор, медпшшочих наук. профессор Ш1 Дегтярев

ШЛМШ'.Н УЧНЖДЖПН: МГУ им. М.НЛомоногова. кафедра высшей нервной деятельности

Защита состоится 24 января 19% года на заседании Сишиалиирсшаниот ученого совета (Д-003.10.01) при Институте высшей нервной деятельности л нейрофизнслопш РАН.

Адрес: 117865, Москва, ул. Бутлерова, 5а

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Илсгнпта высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН.

Автореферат разослан ¿0 декабря 1995 года

Ученый секретарь Сш пшт ¡нровднного совета док юр Сию ниичгсшч наук

ОХ.Коштпчуц

. ЛКТУЛ.НЫКХТ11 IirniiyilOBAIIIL'I.- Н|хЛщ\мл огрлженич и .'1 )Г \Mcmoimoii деятельности ятчстта (xhoishoiî п ¡иГхпс многочисленных ipymi исследонакмсп п ведущих лабораториях mhjm, начиная от перных шааш 'иектрашцсфаки^мфии (JasjKi' & Andrews, 1938; Русинов, 1947; J;ispcr & ['oilfield, 1940; Ливаном, 1951 ; ( ¡.istînit et al., 1952) и до наших дней UVowoiw. 1979,1990; Симонов, 1981, 1987; CwuqxK.vi, J987; French & Beaumont, 1984; Пыницкий, 1990, 199Л;1лрге daSilva, 1991 ; I'fuit-sdicller & Klimesch, 1992; Baser, 1992; Petchc & Rappelslxrgor, 1992; Klbcrt et «il., 1994). '

Одним in напГшее интересных вопросов я вчяегст изменение рнтмоп ЭЭГ при дпух основных типах мышления: просгранственио-сйразного ч абпрактно-верба'п.-иого. Существуют многочисленные данные о том, что эта тшты мышления различаются по спектральной мощности и частоте ЭЭГ ((¡alin, Oiistein, 1972, Morgan et n!„ 1974; Beaumont et al., 1978; Rugg fc Dickens, 1982; Osaka, 1984; Davidson et al.,

' ' ' I

1990; Щебланова, 1990), ira тенгся-рафни бионстгенциапов (IJoaumonl et a).,1978;Shaw et al., 1978; Ливанов»! Сввдерская, 1984; Костаидов и др., 1985; Князева, 1990; Ма-чннская, 1992), а, последнее время, также, и по покататешм нелинейной динамики (Lutzenberger et al., 1992; Ray et àl„ 1993; Elbert et al., 1994).

Распространенным видом пространственно-образного мишпешм янтаетга умственная трансформация образов, к который относится стеленная ротация. ' Исследование данной мыслительной операции представляет особый интерес, так как, во-первых, она используется в повседневном опыте для опознания дезориентированных объектов и различения зеркальных подобий (Corballis & Cullen, 1986). Во-вторых, при изучении мысленной ротации, в отличие от большинства психологических задач, нам известно не только то, что имеется на входе и выходе операционных систем мозга, но и течение внутреннего мыслительного процесса. Это докатано тем, что в ходе ротации испытуемый представляет объект в промежуточных положениях, соответствующих ориентацмям реального объекта при вращении (Купер и Шепард, 1985). В-третьих, психологами накошены данные, о ¡этапах мысленной ротации (Just & Carpenter, 1976), а также о моменте наибольшей концентрации внимания в ходе этой операции (Corballis, .1986). B-чегкертых, в нопюнеихатопгосских п ненртиато-

МИЧССКИХ 11«'.1СД(Ш1(Ш1.\ J(ТП1101ПС11Н обЛЙСП! коры, ОСущССТИТЯЮЩИе 'Jlirr процесс (( oilüilüs, Sergei И, 19S9; Гчезср. 1993). что щх-дпаигтет особый интерес в азане со-mxTAivimiL'i с дачными ЭЭГ.

Ci кчан)« 1К>1 хюктрткчкоН активности мозга при мысленной роташш показана при тследошнии нынинных потенциалов. Была обнаружена поздняя негатнннач . каша, амплитуда к<ш)|хл"| |ххте) сувеличением угларотацш (Stuss et al., 1983; Ре-ramot. Frtiali. 1989; Wijrrsct al.. J9S9: Rosier et al, 1993). Однако, всестцюннего ncc-лсдошнил ригмон ЭЭГ при решении задач на мысленную ротацию с. использованием спск'1]х1;1ы1ых, корре.ицнонных Ii нелинейных показателей до сих пор проведено не Спл ю. Таким образом, г.ыбной целью данной работы было изучение отражения в рит-ма\ ЭЭГ И1хкг|м11п-кенно-«бра]ношмьшигнач например решения задач на ш,\с-лрпнуюротацию.

Одной из характеристик паттерна ЭЭГ является степень синхронизации ритмов в разных отводешшх. Большинство аитороп считают, что повышение синхронизации между мозговыми структурами во вреш какой-либо деятельности означает, что эти области структурно и/или функционально связаны (Русинов, 1969; Ливанов, 1972; Шеповальшпч-ов и др., 1979; French & Beaumont, 1984; Свидерскач, 19S7; Fein et al., 1988; Русалова, 1990; Машшский и др., 1990; Думснко, 1992; Petclie,& Rap-pclsbergor, 1992). Эта идея использовалась прнисследовашш коэффициентов кросс-корреляции (Ливанов, 1972; Шеповалыпгков н др., 1979; Лазарев и др., 1979; Князева и Волкова, 1982; Свидерскач, 1987) и когерентности (Trench & Beaumont, 1984; Fein et al, 198S; Русалова, 1990; Мачинский и др., 1990; Думенхо, 1992; Petche fc Rap-pelsbergei, 1992), а недавно легла в основу нового метода - "связанных с событием ковариаций" (Gevins feBressler, 1988).

Адекватным объяснением механизмов синхронизации ритмов ЭЭГ может быть гипотеза о том, что мозговая ,интеграция происходит при распространении сразу на нескопько областей репрезентации паттерна стимула (Lopes da Silva, 1991).

Также распространено представление о существовашш евиной передатенной функции мозга (Freeman, 1988; IJinas. 19S8; Gray et al., 1989; Basar. 1992). Выло

ПОКсШПО, чта ЛКГШЯ1СХ-П. lin ОДНИХ И ТГ ЖС 4<1<TOT<1X сущсстиург 0.4IIOH|4'\IC1IHO II целом рас мозговых структур. Прсдпа'ыглпт.ч, что ли чаегглы чнтнотсч ыыы\ш дтл инутргшозговом пс|Х';ычн информации между прукп цшн, которые iwt тршка-ютея ira эту частоту ко механизму нелинейного ртзонаны. I 1он|х\ш<т>ммчсскм дока-з<шо существование 5-, 10-, и -tO-repuouux канатон (liasar, 1092). Такая несдача может ВМЗМЮТЬ СШКрОННОС IIOTIIJICHIIC аКТШМОСП] M ОДНОЙ 4.1CTOIT, и |Х'1ДС моховых структур, И ТОМ числе ОД1!011)Х'МеН110 В НССКОДЬКИК областях коры.

Псмачьчусмьи"! u imincii ¡ыбото метод псшедогиннч бнушрикоркибол) ùimi-модеистбич (ПышшшП, 1090) основан па близких предолвлешт. Метод предполагает, что сошгадешге спскт]илы1ы.ч никои по частоте н [мзнмх отнедегшчх ошачает, что в соответствующих отделах коры имеются груши ncitpoiion, кстц)ыо находч ив! в функциональной связи. В отличие, от когерентности, он отражает синхронизацию Э'ОГ независимо от. флюктуации фазоиогс? сдвига в анализируемой знохе. Другим отличием метода является то, что при ¡хчистрацин совпадающих пикон, независимо ос их амплитуды, выя&тлетсл атаикюдеЛствнс даже небольших неПронпих групп, кою-рое может играть существенную роль в организации пгихнческн.х функций.

Таким образом, в работах Л.М.1 [вдннцкогоО990-94) показана роль синхронизации ритмов ЭЭГ п интеграции деятельности мозга. ГГродпсхгагастся, что мозговая q)ranii3aniw психической деятельности основана па нервной интеграции, спецгшлнза-iBii функций и сочетания жестких и гибких связей. Эти пришиты воплощены н динамических структурах - фокусах взаимодействия, которые представляют ctiôoii ' <: -центры корковых связей. Фркус состоит из неГфониых групп, объединенных жесткими связями, основанными на структурных изменениях и' синапсах. Каждая из групп имеет собственную частотную характеристику и соедгаеш гибкими связями, построенными на принципе изолайиьносги, с изоритмичнмми ей нфпными элементами на периферии. Конструкция фокуса взаимодействия обеспечивает синтез информации, приходящей от органов чувств, центров мотив;)ami и извлекаемой из памяти. Таким образом, мозговая основа психических функций включает жест-кос ядро и сист ему периферических связей, конфигурация которых может меняться, обусловливая не-

- 4 - , . ношо]ш\нхт1> данного психического нертииши.

Лсг.юдомние шутрккоркопого взанмодсПстиич, ооюмниое на точном совпадении никои. требует относительно кднтслынлх эпох анализа, в течение которых сменяется Ьпьшос количество быстротекущих мысленных операций. Поэтому особый интгрег представляет анатпз ЭЭГ но временные интервалы, сопоставимые с временем едшшч! юго "лблши" копнттных операций, который находится в пределах: п *10 мс -Лебедев н Луцкнй (1971), п*36.5 мс - Ibppel (197S), 100 мс - Сгршн (1994), 240. мс - 1 .el »шин (1980), 243 мс - Cavauagh (1972). 300 мс - Эделмсн (1981). Исследуя спектрдтьныг характеристики ЭЭГ в короткие эпохи аиашза мы пытатпсь, во-пер-ны\, iijxwii.iuiiiqx'iMTb элементарные психические oi ¡еряцни, которые являются этапами решения задач, а, во-вторых, проследить брем.ч появления наиболее часто встречаемых связей.

В настоящее время убедительно показано, что нейронные сети, функциональное состояние которых отражается в ЭЭГ, яахчютсп системами с нелинейной динамикой (Осока п яр-, 1983; Jansen, 1991;Lopesda Silva, 1991;Basar, 1992;Eibertet al., 1994). .поэтому нельзя неучтыватьхаопиескуюсосташиощую ЭЭГ, которая имеет гесное отношение к информационным процессам (Freeman, 19S8; Ефремова и др., 1993; Elbert et al., 1994). Предполагается,' что только благодаря дстермиотрован-кому хаосу в своей активности мозг может осуществлять высшие функции (Огавец и др., 1983; von Waldeck, 1992; Пригожин и Сгенгерс, 1994). В целом ряде работ подчеркивается, что оценка нелинейной динамики ЭЭГ показывает результаты, отличные от результатов корреляционночттектрального анализа ЭЭГ (Basar, 1992; Lutzenberger et al; 1992; Ефремова и др., 1993; Ray et al., 1993; Резвова и др., 1994; Schuppet al., 1994). Так цвк пока ещё нет устоявшихся представлений о значении нелинейных показателей, то мы не только исследовали их изменения при различных задачах, той определяли взаимоотношения линейных и нелинейных показателей.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Основной задачей настоящей работы было элект-рознцефатографлчежое исследование механизмов пространственного мышления. Задача вкгшч.иа в себч:

1)аначнз (1[Н\|Х)[1пмц1ш ЭЭГ в анагомшсскн удаленных областях при |>ешепш1 пространственных и вербальных задач;

2) анализ ритмов ЭЭГ в коротких эпохах, с целью проследить смену основных .Панов решения задач на мысленную ротацию;

3) исследование нелинейной динамики ЭЭГ ч сопоставление линейных и нелинейных показателей ЭЭГ в целях вютолеиия характеристик изучаемых госгаяшШ, недоступных при использовании этих нокачагелей в отдельности.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Диссертация основана на собстиснпом зкеие-риментальном материале, который обрабатывают с помощью нового метода анализа синхронизации ритмов ЭЭГ - метода исследования внутрпкорконого взаимодействия, а также с использованием ориптальпой методики расчета спектров в коротких эпохах анализа, которая требовала дхч статистической обработки пешученич свыше 500 тыс. единичных спектров, что ранее бьшотехшгес^и невозможно. Благодарч лнм методам получены данные о характере изменений состояния мозга во п]х-мл решения пространственных задач. Выявлена особач рать бета-ритма в отражении актннносш сенсорных, моторных и ассоциативных, областей коры, воатекаемых в реализацию данной Деятельности. Электроэнцефалографнчески выделены этапы решения задач на мысленную ротацию, с высокой точностью совпавшие с психологическими данными. Впервые описаны изменения нелинейной динамики ЭЭГ при задачах на мысленную ротацию. При сопоставлении уровня связи и размерности ЭЭГ получены новые характеристики решешщ'просгранственных задач, а также расширены )тредставлення о параметрах ЭЭГ в состоянии покоя.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ. Полученные результаты вносят вклад в изучение ЭЭГ-коррелятов умственной деятельности. Показана возможность отражения в ритмах мозга этапов решения сложных задач. Определено значите акт/лзностл в бета-диапазоне в отражении корковой топографии релевантных областей. Выявлен характер взаимоотношений интегративиых и динамических показателей ЭЭГ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. В повседневной практике человек постоянно сталкивается с необходимостью опознания трехмерных обмтов. Если объект на-

ходитсл в нестандартно!! ориентации, то опознание требует внутренней трансформации обра и объекта, его мысленной poraumi, в процессе которой выявляются скрытые части объекта Пасенные нами данные позволяют создать объективную схему про-

V

цссса мысленного «ращеиия в норме с учетом последовательности этапов его осу-, щогтнлення н локашздцин корковых областей, ответственных за его реализацию. Это может быть пснсгаьзодано iijju исследовашш изменений восприятия при разных видах операторской деятельности, в том числе таких, когда сам наблюдатель находится в необычном положении, например, невесомости.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на институтских конференциях "Важнейшие достижения" в 1991 и 1995 году; на Всероссийской конференции "Психофизиологические аспекты целенаправленной деятельности человека", Суздаль, 27-30 аир. 1992; на заседании секции В1Щ Московского фнзисотоппеского общества, 18.03.1993; на ENP Autumn School, San Feliu de Guixols, Spain. 22-27 Sept. 1993; на XVI Международной конференции молодых ученых 'Современные вопросы экенгримгнтапыюй и прикладной физиологии" 11,10.93; на V'llth European Congress of Clinical Neurophysiology, Budapest, July 3-7 1994; на 5t.h Int. Congress on Brain Electromagnetic lopogtaphy, Munster, Germany, Aug. 2-6,1994. , Диссертация апробирована в Институте ВИД и НФ РАН на совместном заседании лабораторий В!Щ Человека и прикладной физиологии ВИД Четовека 27 ноябрч 1995 года.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 15 работ. Список приводится в конце автореферата.

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, 5 глав, обсуждения результатов, выводов, списка литературы. Работа изложена на машинописных страницах, включая 21 таблицу, 3 схемы, 12 рисунков. Список литературы содержит 193 работы: 62 отечественные и 131 иностранною.

МЕТОДЫ ИСШЩОММИЯ В исслсдошиши принимали участие 43 пршюрукпх здоровых испытуемых обо-сго попа. Испытуемым предлагалось решить две задачи. Пернач - п^хтриктиешич. когда исш,ггуемь!Й должен был определить, являются ли одинаковыми ш зеркальными две повернутые относительно друг друга под разными углами геометрические фигуры. Согласно психологическим данным, такую задачу невозможно решить без мысленной ротации (СогЬаНЬ &, СиНеа, 1986). Вторая задача - вербальная: при этом от испытуемого требовалось найти среди 4 слов одно, имеющее существенно отличный от трех других смысл (Рис, 1). Ответ при обеих задачах давался путем нажатия клавиши прапой рукой. В анализе использовались только записи ЭЭ!" правильно решенных задач.

Пространственная задача

1.СТОЛ

2. ШКАФ

3. ПТИЦА

4. СТУЛ

РИС. ^Образцы пространственных и вербальных задач.

- .4 - , .

Чпсм проводился зрителыю-магоршй контроль, когда на экране каждый раз ночилч'нхл. изображение одной и той же. пары фигур. Задача испытуемых была смотреть па эк'|Ш1, а затем нажимать на клашшу.

Запись :) )Г пелась моиоиолярно по 10 каналам с нспапьзоваиием пар лобных, ноп-ралыпк, височных, теменных н затылочных зпектродов. Также (ктстрироштась окуло^ммма дчя исключения артефакта движения глазных яблок, которое проводилось но алгоритму, предложенному СтаНои е1 и1. (1983).

'Э-)1' анализировалось с помощью гмрс'х методов: исследования впутрикорково-г о в чимодсиспшя; снектралыюгоапатнза коротких эпох; исследования нелинейной динамики.

РИС. 2. Алгоритм расчета уровня связи:.

А - выявление совпадающих пиков на спектральных кривых в различных отаедгнши: Б - расчет общего уровня свяли: ксиичесгао совпадений пикет данного отведения со всеми другими областями;

В - расчет уровня связи в парах: количество совпадений спектральных пиков для каждой пары отведений (45 пар для 10 отведений).

При исследовании бкутрикарко&ого Ьзаимодейстбия вычислялся спектр единичных отрезков ЭЭГлоэпохе 4.1 с, которая стлитыватась от стимула и, в обратном направлении, от ответа. Затем в каждом отведении на спектральных кривых

решстрировались пчкн. совпадающие с инками в других отведениях с точностью * 1 спектральный шаг (0.25 Гц). Пороги выделения пиков были следующие: минимальная высота пика - 1.4, а минимальное возвышение пика над фоном - 0.6 единиц quinero значения спектра в отведении; минимальная ширина пика - 2, а максимальная - 30 спектральных отстеган. Выделение пиков проводилось с учетом частотного диапазона: раздельно анализировалисышки в тета-(4 - 8 Гц),шифа-(8 - 13 Гц) и бега-(13 - 20 ГтО диапазонах.

Рассчитывалось два показателя уровня связи (Vue. 2). Первый - общий уровень связи в данной области. Он определяет количество всех совпадений пиков в одной области с остальными областями. Второй показатель - это уровень связи 6 пирах отведении (всего 45 пар). Он отражает когапество совпадений между двумя определенными областями и показывает конкретное направление связей. Затем едншгшые значения обоих показателей усреднялись для всей экспериментальной ситуации. С использованием парного критерия Вилкоксона определялась достоверность различий показателен для группы испытуемых. Сравнивалось решение пространственных и вербальных задач со зрителыю-моторцым кошратем отдельно доя первых и послед-м|х 4. с решения, a также первые 4 с записи с последними 4 с во всех экспериментальных ситуациях.

При спектральном анализе коротких эпох (Рис. 3), чтобы иметь сопоставимые данные, мы использовали только те задачи, время решения которых было от 5 до 7 с, т.к. оно было наиболее близко к среднему времени решения 6,6дО.З с. При анализе вычислялся последовательный ряд спектров по эпохе в 512 мс и сдвигом эпохи на 256 мс. Затем через все спектральные кривые производился "срез" по одной частоте, которая выбиралась как наиболее часто встречаемая частота связи в данном поддиапазоне. В тета-днапазоне "срез* делался по одной такой частоте, а в алы|)а- и в бета -по двум. В каждом из "срезов" находились моменты с максимумами мощности этой частоты. Затем рассчитывалась частотность появления максимума в каждом моменте по всем реализациям данного испытуемого, то есть проводилось усреднение положения по времени максимумов в одной экспериментачьнои ситуации. Решение прост-

¡ынлпешшх I) вербальных задач qwliшmaлocь в фупле по этому показателю сю зрительно-моторным контролем. Таким образом, прослеживалось изменение во времени

)

спектральной мощности наиболее часто встречаемых связей.

Программное обеспечение разработано ГАЛ&анщкимиОМ-Кашебаровой

it го Гц

^^"срвз" по частоте 6 Гц

PilC. J. Алгоритм расчста спектров ЭЭГ в коротки* эпохах анализа. Показан ря последовательных спектров одного отведения со сдвигом на 250 мс и "срез" по частоте 6 Гц. В данном примере спектральный максимум нахотггея в шггервале 2.3 с.

Размерность ЭЭГ была рассчитана \V Lvtzenberger (Tubingen, Germany) по трем безартефактным блокам дашшх по 2048 точкам, результаты по которым потом были усреднены. Алгоритм включал две основных части: первая - отделение сигнала от шума и определение заданной размерности с помощью реконсгрукцш пространства состояний путем разложения единичных значений в авгоковарнационную функцию с временной задержкой err 0 до 32 точек; и вторая часть - расчет размерности методом "pointwise dimension" (Mandelbrot, 1977).

Значение размерности сравнивалось между решением задач и покоем, между решением разных типов задач и межисиушарно в каждом из этих состоящей. Затем вычислялся коэффшдаент ранговой корреляции Кендалла между общим уровнем связи размерностью в каждом отведении.

-11 -

ТЕСТИРОВАНИЕ ПОКЛЗЛТ1гЛТг.Г1 МЕТОДА 1ССЛ1ДОВАНШ[ ВНУТРИКОРКОВОГОИЗЛПМОДН^КТНИЧ

Перед использованием метода в анализе данных мы поныташсь отделить факторы, влияющие на уровень связи при смене состояний. В принципе, он мажет меняться или при .появлении новых спектральных пикон или при увеличении числа совпадений существующих инков. При сравнении количества пиков п разных экспериментальных ситуациях оказалось, что оно при этом не меняется (кроме очевидно!« случая их уменьшения при альфа-ритме покоя). Так как замена пиков на одних частотах тем же количеством пиков на других, на наш взгляд, маловероятна, то, следовательно, изменение уровня связи происходит не из-за нояпленнн ноны к инков. Скорее всего, оно происходит из-за изменения количества совпадений уже существующих пиков в результате скоординированного едбига частот. Такой сдвиг является следствием синхронизации Ьэг в анатомически удаленных областях. Это также доказываете« отиоаггелмю высокой корреляцией уровня связи с когерентностью (коэффициент корреляции до 0.6).

Для тестирования показателей метода и выбор референтного состояния было проведено сравнение уровня связи в покое с закрытыми глазами и при зрительно-моторном контроле. Уровень связи был вьппе в покое, чем При зрительно-моторном контроле, во всехотведениях, в альфа-дпапазоне и в пяти отведениях в тета- и бета-диапазонах.

Возникает явное противоречие: с одной стороны наибольшая синхронизация (максимальный уровень связи) отмечается в покос, а с другой стороны по литературным данным (Ливанов и Свидерская, 1984; Свидерская, 1987; Мачкнский и др., 1990; Дубровинская, 1985, 1995) и нашим собственным исследованиям (Николаев, 1994а,б,в) повышение пространственной синхронизации согтроюждает усиление умственной ак-ппиости. 'Для разрешения этого противоречия предлагается гипотеза о постоянно происходящих в течение деятельности процессах "ломки" сложившийся функциональной системы и образования новой (Мачинский и др., 1990). Н.ВДубро-мшекая (1985, 1995) предполагает, что при повышении вшпчашш происходят два

-12- , .

вида процессов. Первый - это десинхронизацня азьфа-рнтма, когда осуществляется распад сложившийся функциональной организации. Второй процесс - это "конс-труктибклч" синхронизация, которая характеризуется избирательностью, функциональной и топографической локальностью активирующих влвдннй. Также существует мнение о том, что к .чтениям пространственной синхронизации относятся н иные измен« ни ЭЭГ, в одно и то же время происходящие в разных областях мозга, в том числе и одновременная дешнхрошшция биопотенциалов (Монахов, 1977; Барвинок, Рожков. 1992).

По нашему мнению, возможным разрешением этого npof«Bope4iw является учёт соотношения аюнтанных н вызванных ритмов при данном состоянии. Во время бод(хтвоцаиня на кривой ЭЭГ регистрируется большое число как спонтанных, так и вызванных внешними и, вероятно, внутренними событиями ритмов. По-видимому, общая Kajrnma синхронизации складывается под влиянием обоих типов ритмов, соотношение которых зависит от психологического содержания данного состояния. То есть, в состоянии покая уровень пространственной синхронизации, скорее всего, не отражает степени мозговой активации, так как в покое активность спонтанного топа сопровождается снижением активности информационного типа. Ошхронизацю спонтанных ритмов происходи под мощным влиянием подкорковых активирующих структур, н, видимо, больше связана с низкочастотной частью спектра. Так, в нашей работе межнотушарные различия в покое в основном происходили в тета-дпапазоне и полностью отсутствовали в бета-диапазоне. Во время деятельности, при зрительно-моторном контроле, наоборот, основные оглнчня касались бета-диапазона. Это может быть следствием вызванной активности, как следсши распространения сразу на несколько областей когерентной репрезентации паттерна стимула (Lopes da Silva, 1991), которая отражается в синхронизации ЭЭГ анатомически несоприкасающихся областей. Таким образом, покой нельзя использовать в качестве референтного состояния, а анализ изменений уровня связи необходимо проводатгь с учетом возможного соотношения спонтанной и вызванной активности при исследуемом состоянии.

Для оценки ит}х>рматнвности показателя уровня связи было проведено его

сравнение с наибшсе распространенной оценкой синхронизации ЭЭГ - когерентностью. В контрольной серии при дбиженичх патщой правой и левой руки анашзп-ровались оба зги показателя (['ис. 4). Изменения когерентности были выявлены в те-та-дпапазоне тотько в парт РЗ-Р-1 и в бета-диапазоне в симметричных парах РЗ-01 и Р4-<51. Уровень связи достоверно увеличивался в али[и-дпаназоне в парах певшего отдела правого полушария при движении пальца левой руки, и в бета-диапазоне - в левом полушарии при движении пальцем правой руки. Если предположить, что при движении пальцем происходит увеличение синхронизации над моторными зонам» коры, то наиболее адекватными этим представлениям пятятся измеисши зровня связи в альфа- и, особето, в бета-дпапазоне. Таким образом, в некоторых случаях уровень связи является более тонким и высоко дифференцированным показателем, чем когерентность Возможно, это объясняется тем, что уровень связи, в отличии от когерентности. учитывает синхронизацию ЭЭГ незавиашо от флюктуацнй фазы.

РИС. 4. Достоверные рамичга между лишением пальцем правоП п лепой руки гю покатател.чч уровня связи (верхний ряд) и когерентности (нижний рад). Темные связи - повышение данною показателя при движешш правой рукой, светлые - левой. Толщина линий ибошлчаст степень достоверности отличий (от р<0.05 до р<0.01).

-14-

РЕЗУЛЪТАТН АНАЛИЗА ЭЭГ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧАХ Н ИХ ОБСУЖДЕНИЕ При решении пространственных задач, в отличии от вербальных, выявлены следующие изменения уровня связи:

Диффузное повышение уровня связи по сравнению С контролем отмечалось в мета-диапазоне тшько при первых 4 с. Показано, что усиление пространственной ешкроннзации этом диапазоне сопровождает умственную активацию (Свидерская,

1987). Поэтому повышение >-ровия связи в начале задач на мысленную ротацию можно объяснить более высокой степенью мыслительного напряжения, чем при вербальных задачах, так как при этом требуется провести первичное опознание объекта (Corballis, 1988; Невская, Лсушина, 1990).

При сравнении первых и последних 4 с при пространственных задачах отмечался более высокий уровень связи в альфа-диапазоне при первых 4 с в передне-центральных областях и правой теменной области. Интересно, что при решении вербальных задач отличий между первыми я последними 4 с в этом диапазоне не было вообще. Существуют многочисленные указания на отражение концентрации внимания в альфй-ритме Щубровинская, 1985, 1995; Ray & Cole, 1985; Valentino & Dufresne, 1991; Pfuitschcller fe Klimesch, 1992), причем ведущую роль в механизмах зрительного внимания играют нейроны эксграстриарной зрительной коры в передних областях мозга (Пигарев, 1992). В психологических исследованиях было установлено, что наибольшие ресурсы внимания при мысленной ротации вовлекаются на этане опознания объектов, тогда как сама ротация протекает автоматически (Corballis, 1986). Поэтому повышение уровня связи при первых 4 с в передних областях можно объяснить особым перераспределением зрительного внимания, сопровождающим специфический для опознания объектов перед ротацией процесс - "предротационную загрузку", которая необходима для выбора направления и утла поворота (Corballis,.

1988).

Нами было показано, что, этот процесс характерен только для пространствен-

них задач, для решения которых необходима мысленная ротация (Николаев, 1994в). Это было установлено при исследовании ЭЭГ при сравнении двух типов фигур: одни имели небольшие отличит во фрагментах, а другие били зеркально симметричны. Согласно пснхсяописскнм данным, различение зеркамьных объектов невозможно без нх ротации (СогЬпШ^&СиНеп, 1986). При раздельном аназнзс ЭЭГ, относящихся к сравнению первого и второго типа фигур, было выявлено повышение уровня связи в передних областях в алгфа-диапа.зоне только при сравнении зеркально-снмметрич-ных фигур.

РИС. 5. Связи при проаранствешшх и вербальных задачах в беш-диапаэоне (13-20 Гц), достоверно отличающиеся от зрхггельно-моторного контроля на последних 4 с процесса решети. Выделены отведения с отличиями по общему уровню связи. Толщина лииий обозначает степень достоверности отличий (от р<0.05 до р<0.001).

Наиболее шггересные данные получены в ^етла-диапазоне. Есть основания полагать, что бета-ритм имеет преимущественно корковое происхождение (Lopes da Si I— va, 1991) и сопровождает цнгрокий крут копштивных процессов (Ray & C'olc, 1985; Giannitrapani, 1985; Papanicolaou et al„ 1986; Князева, 1990; Fernandez ctal, 1995). К тому же наиболее яркие изменения топографии связей над моторными областями при движении пальцев были получены именно в этом диапазоне. Позгому мы придавали особое значение конкретному рисунку связей в бета-диапазоне. Длч прострлнс-

Пространственные задачи

Вербальные задачи

твенных и вербальных задач на последних 4 с было выявлено да разных паттерна связей (Рис. 5). Для решения пространственных задач характерными были связи правой ниточной и теменной области. Локальный рост когерентности между этими областями при мысленной ротации также описывала и Р.ИЛ1ачпнскач (1992). При вербальных задачах характерные связи отмечались в левой центральной области, которая при пространственных задачах вообще не вовлекалась.

Следует отмеппъ, что нами ранее (Николаев, 1994в) на другой группе испытуемых была обнаружена близкая топография связен при решении пространственных задач имешю в Бета-диапазоне. Эго еще раз свидетельствует об отражении в синхронизации высокочастотных ритмов ЭЭГ вошеченности релевантных корковых структур.

Итак, получены данные о специфических изменениях уровня связи при решети пространственных задач: это - диффузное повышение уровня связи в тета-диаиа-зоне при первых 4 с по сравнению с контролем и в альфа-диапазоне при первых 4 с по сравнению с последними, а также особый рисунок корковых связей в бета-диапазоне на последних 4 с.

* * *

При исследовании спектров ЭЭГ в коротких эпохах анализа оказалось, что во всех диапазонах спектральные максимумы при обоих типах задач появлялись чаще, чем при зрительно-моторном контроле, в одни и те же интервалы. Для задач со временем решения 5 - 7 с это было приблизительно между 0.5 - 1 с и 4.4 - 6 с. Это говорит о совпадении по времени общих процессов при обоих типах задач, таких как восприятие, принятие, решения, подготовка к ответу. Промежуток между 1 и 4.4 с, по-видимому, занят специфическими умственными процессами.

Наибольшие отличия при решении пространственных задач отмечались в альфа!-поддиапазоне (около 8-10 Гц) (Рис. 6), что также отмечалось и при исследовании когерентности при мысленной ротации (Мачинская, 1992). Как было сказано выше, альфа-ритм часто связывают с уровнем витания, поэтому полученное распределение \taKciiMyMOB можно рассматривать как свидетельство повышения внимания в

определенные моменты времени. Почтение максимумов агмечатскь на 0.8 - I г в задних отделах, когда, пидтю, происходит зрительный .iira iifj и оно manne стимула: на 1.6 г и на 3.1 с - в передних областях - "предpoimnuouttn.4 wpyiKíT: и, начиная с 4.4 с при обоих типах задач - н основном в левом полушарии - njxiucxci.t екч мнные с принятием решения и организацией отвега. Jfto подтверждает полученные памп ¡w-нее на друга"! группе пепитуемцх данные об отражении и алис]«-диаиазоне смены ттапов решения задач на мысленную ротацию (Николаев, 1004а (\ikolaev, 1905)).

РИС. 6. Относительная частотность появления . спектральных максимумов при пространственных (темные) н вербальных (светлые) задачах с временем решения от 5 до 7 с в альфа 1-подяншэоне (3-10 Гц). Высхгга пика обозначает степень достоверности отличий от зрительно-моторного контроля (от р<0.05 до р<0.01).

Интересно,что згги моменты изменений альфа-ритма хорошо совпадают по времени с данными МЛиЛ и Р.Сагреп(ег (1976), которые изучали этапы мысленной ротации по продолжительности фиксации глаз с использованием роговшпшх огра-жателей:

Дачная работа

Л/Лий и Р.СагреШег(1976)

Название этапа Время ¿с Время£ Название этапа

Опознание 0.5-1 ' во 1.5 Яоиск

Мысленная ротация 1-4.4 1.5-43 Трансформ, и сравнение

Решение и ответ 4.4-6 4.5-65 Подтверждение

Огноснтельная частотность появления спектральных максимумов в бе-

та1 -поддиапазоне (13-16 Гц) (Рис. 7) была больше в интервалах 0.5-1спри

пространственпых задачах в правда теменной и затылочных областях, а в 4.9 с и 5.5

!

с - при вербальных задачах в центральных н лобных областях, что соответствует данным о наибольших изменениях в бета-диапазоне при вербальных заданиях перед ответом (ИиЛяЛеИег & КИтеясЬ, 1992).

РИС. 7. Относительная частотность появления спектральных максимумов бета1-поддиапазоне (13-16 Гц). Обозначения те же, что и на РИС. 6.

В целом, ЭЭГ-показатели умственного напряжения .преобладали в начале решения задач на мысленную ротацию: это - повышение уровня связи в тета-диапазо-не при первых 4 с по сравнению с контролем и в альфа-диапазоне при первых 4 с по

сравнешпо с последними, увеличение частотности появления максимумов, мощности альфа- и бета-ритма оката первой секунды. Все это может являтс-сл ЭЭР-ксцртлята-мп "предротационной загрузки", необходимой для подготовки образа к (хггацин. Начало решения вербальных задач требует лишь автоматизированного акта чтения, и только в конце, во время пр1шяп!я решетш, сопровождается увеличением показателей напряжения ЭЭГ.

Нам показалось интересным проследить время появления максимумов в отведениях, которые участвовали в образовании паттернов связей на последщх 4 с в бета-диапазоне. Это можно бьшо сделать лишыгриблизителъно, так как уровень связи вычислялся по многим пикам, a моменты появлений максимумов определялись таль-ко для двух частот (правда, это были частота наиболее часто встречаемых связей у данного испытуемого). При сопостзбл'екии оказалось, что при обеих задачах связи возникали между 05 - 0.8 с в основном в задних областях что, видимо, соответствует единому для обеих задач этану восприятия. Начиная с первой секунды, появлялись специфические связи, которых в ходе решения становилось всё больше. При этом, до конца первой секунды при обеих задачах связи устанавливаются только в бета2-поддиапазоне (16-19 Гц). Затем при пространственных задачах они как бы остаются в этом поддиапазоне, что может означать преобладание единых механизмов как в процессе восприятии, так и во время мысленных операций. А при вербальных задачах связи оказываются в бета1-поддаапазоне (13-16 Гц), что, возможно, связано с переключением на другой, абстрактно-вербальный механизм мышления.

" * * *

Размерность ЭЭГ в покое в затылочных областях была достоверно ниже, чем при решении задач, что, несомненно, определяется значительной ролью альфа-ритма в формировашге этого показателя (Lopes da Silva, 1991; Basar, 1992; Pritchard & Duke, 1992; Elbert et al.Д 994; Schupp et al., 1994). В остальных областях размерность в покое была выше, чем при решетш задач. Хотя это и противоречит представлениям о высокой размерности при более активных состояниях (Uipes da Silva, 1991; Basar, 1992; Latash, 1992; Ефремова и др., 1993), но также отмечалась и в исследованиях

другич авторов (Ijutzrnbcrger ft al, 1992;Srhuppel al., 1994). Это, видимо, объясняется тем, что в покос в мозге происходит большое количество мыслительных, образных, ассоциагпйиых процессов, которые накладывают отпечаток на спонтанные ритмы. Л так как показано, что информационные процессы имеют тесное отношение, к хаотической составляющей ЭЭГ (Freeman, 1988; Ефремова н др., 1993; Elbert et al., 1994), то, вероятно, они могут дополнительно шшмь на ра.эмсрнсх.ть ЭЭГ. Таким образом, покой, видимо, весьма неоднозначное состояние, характеризующееся сложным взаимодействием ритмов. Показатель размерности при решении задач, видимо, мог бы измениться при его расчете в эпохах привязанных к стимулу или ответу.

0.161КК

АЛЬФА

БЕТА

Пространственные задачи

Покой К

РИС. 8. Коэффициенты корреляции между уровнем связи и размерностью.

Вербальные задачи

Размерность при пространственных задачах была выше, чем при вербальных, только в правой теменной области, что хороню согласуется с. ролью этой области в пространственном мышлении. Мехполушарной асимметрии размерности в состш-нии покоя выявлено не было. При решении пространственных задач размерность была выше в передних областях правого полушария, чем в левого, что соответствует данным о префргаггальшм увеличении размерности при образном мышлении (Ray et al., 1993; Schupp et al, 1994). При решении вербальных задач размерность также быта выше в правом полушарии, но зона ее повышеши ограничивалась только централь-

. 1 -21 -

ной ойтастыо. При этом также имелась тенденция к повышению {шмерностн над левой лобной областью (р=0.18), роль которой в принятии вербального решения отмечалась И.РЛльюченок (1992).

Коэ<]хриице}1т корреляции размерности с уровнем связи (отрицательный) при решении обоих типов задач бит достоверно больше, чем в покое (кроме вербальных в бета-диапазоне) (Рис. 8). Очевидно, в процессе решения задач при повышении мозговой кооперации происходит исключите лишних степеней свободы, уменьшение избыточности (1хп1ахЬ, 1992). Это приводит к тому, что динамические показатели ЭЭГ при решешт задач бапее тесно связаны с интегративными,-чем в покое.

Неожиданные факты обнаружились при сравнении коэффициентов корреляции между разными типами задач: прй вербальных задачах они были значительно ниже, чем при пространственных (в бета-диапазоне - даже ниже уровня покал). Очевидно, это можно обмапгть тем, что решение пространственных задач было относительно более стереотипным, чем вербальных, то есть происходило с более четкой специализацией подсистем мозга Решение вербальных задач, несмотря на близкое время решения, требовало, в общем, более нестандартных решений. К тому же, при вербальных задачах имелся по крайней мере один переход от зрительно-образного (при чтении слов) к абстрактно-вербальному (при поиске отличительного признака) типу мышления, который также подтвержден сменой частоты паттерна связи в бета-дпа-пазоне посте 0.8 с. Таким образом, комплексные психические процессы, включающие переходы между разными типами мышления, сопровождаются более низкой корреляцией между иитегратнвиыми и динамическими показателями ЭЭГ.

ВЫВОДЫ

1. Сткронизация ЭЭГ в.анатомически удалошых областях отражает воатече-ние релевантных корковых структур в основном в бета-диапазоне. Ее изменения п те-та- и альфа-диапазонах не связаны с топографической спецификой решения задач, а могут отражать различную степень влияния иеспецнфических активационных про-

Hereon.

2. Повышение относ нтмыюй частотности появления спектральных максимумов при обоих тинах задач отмечаюсь ш всех диапазонами основном в одни и те же инк-риалы. Дчя задач со выменем |х'ш<*ннч 5 - 7 с это происходило .между' .0-5 -Jen 4.4 - бе. что говорит о совпадении по времени общих процессов при решении задач, , таких как- восприятие, принятие решения, подготовка к о пмпу. Промежуток между 1

и 4.4 с может быть мнят характерными лил каждого тина задач умственными операциями.

3. При решении пространственных задач, в отличие от т-\>Стыплх, происходит

увеличение синхронизации ЭЭГ но всех отведениях в тста-дианазоне при первых 4 с

-1

по сравнению с: контролем, в передних областях в ал1>фа-днапаю1цм1ри дериых 4 с по с]хшнешно с последними, а также повышение относительной частотности появления спектральных максимумов в апфа1-поддпапаюне в начале решения в задашх областях, а затем - в передних. Эти особенности несненифнческих актннащшннш нроцес-сов свидетинхтвует 0 хом> что иаибальшее умственное напряжение при пространственных задачах отмечается в начале решения, при опознании образа перед мысленной ротацией ("предротещюнная загрузка"), а при решении вербальных задач в конце, во время принятия решения.

Моменты появления спектральных максимумов в альф« 1-поддиапазоне близки по времени с психологическими дашшми о этапах мысленной ротации (Just & Carpenter, 1976). Л . .

4. Выявлен особый для каждого типа задач рисунок сачзей в бета-диапазоне на последних 4 с, где,для пространственных задач были характерными связи правой височной и теменной области, а для вербальных -левой центральной. Докотда первой секунды при обоих типах задач отмечается близкая топография связей в одни и тс же интервалы времени, чго отражает единый этап восприятия. Основная частота паттерна связей меняется после первой секунды только при вербальных задачах. Это может быть следствием преобладания единых механизмов как в процессе восприятия, так и по время мысленных операций при пространственных задачах и переключением

па абстрактно-вербальный механизм мышления нрп f!0[>5cLи.ных »дачах.

5. Размерность Э'ЭГ при решении задач выше. чем в покое, в затылочных областях. что объясняется влиянием али|>а-рилма, и ниже во всех остальных тведени-ях. Эго iоворит о Tim, что покой весьма неоднозначное ссхлолпне, харяктерн i\ ичце-гс.ч сложным взатюденствпсм ритмов. При мысленной ротации ]ы »К'ршхлъ выше, чем при вербальных задачах, только в правой теменной области. релевантной пространственному мы тлений.

6. Козффищнчгг корреляции (отрицательный) между уровнем связи п размер-IKXTWO при решении .-задач достоверно выше, чем в покое. -Это объясняется тем, что в процессе решения задач повышение мозговой кооперации сопровождается снижением сложности динамики ЭЭГ. Однако, при вербальных задачах он значительно ниже, чем при пространственных, что может Отражать сочетание разных механизмов мышления при этом типе задач.

Работы опубликованные по теме диссертации:

1. Cortical areas are interacting during mental rotation. Int. E-mail Journal "Мал, Neuron, Model (Short communications in Neuropsychology)", N 4. 1993.

2. Исследование araños мысленной ратания сложных фигур методом картирования внутри-коркового взаимодействия. Журюысншервдеяг., 1994а, Т. 44, N 3, с. 441-447.

3. Влияние продолж1ггетыюстн умственной работы на решение задач на мысленную ротацию. /Курнлысшлервдеят, 19946, Т.44, N 4-5, с.656-664.

4. Спектральные характеристики, ЭЭГ на первом этапе решения различных пространственных задач, Психологический журн, 1994в, Т.15, N 6, с. 100-106.

5. Investigation of the. stages of the mental rotation of complex figures with the intracortical interaction mapping technique. Neurosci-BehavPhysiol. 1995, V25, N3, p.228-33.

6. Каршроваиие внутрикоркового взаимодействия при решении пространственных задач. В материалах конфер. молодых ученых "Эксперимент и практика в нейронаунах". М., 1991.

7. Корковые механизмы решения пространственных задач с элементом личного отношения. В материалах Всероссийской научной конференции "Психпфиптлогочесхие аспекты целенаправленной деятельности человека". Суад&ль 27-30 апреля 1992 г.

8. Cortical interaction maps in the spatial thinking process, (co-auth Alvamtsky) In: Sixth In-lemational Congress of Psychopliysiology, Berlin, Cennanv, 2-6 Sept. 1992.

9. Фокусы взаимодействия и их рать в . процессах абстрактного и образного мышления, (comí, с АДШианицким, ИРЛтыоченсж, М.Б.Косготшой) В: "ОргагаиовлнныА чшг". нгевч-

щсшюй 70-летию академика 1'ЛМИ О.САсрианова. М„ 1993.

10. Effect of menial woik duration on menial rotation. In: , Neural mechanisms involved in psychological and biological time measurement. ENP Autumn School. San Feliu ;de. Guixols, Spain, 22-27 September 1993. ^

И. Этапы мысленной ротации: ЭЭГ анализ. В: XVI Мевдунар. конференции молодах.ученых и студента» 'Современные вопросы экспериментальной и прикладной физиологии", М.' 1993. " ' "

12. Последовательные этапы мысленной poraipin и влияние на них продолжительности умешенной работы. В: "Психический образ: строение, механизмы, функциошчхминие и развитие." Вторые Междунар. ЛомогаАе Чтения, 25-27 янв. 1994, Москва.

13. EKG-correlatcs of the stimulus setup before mental rotation. In: "Physiological and biochemical basis of brain activity* to 70th ann. of acad. NPBechtereva, June 22-24, 1994. St-Petersburg.,.

14. T!«e iutracortical interaction napping in the recognition stage of- various spatial tasks. In: 5th Im: ISliET Congr, Munster, Germany, Aug. 2-6, 1994. k

15. The EEG correlates of image transformation. In: 4th IBRO World Congr., 9-14 July 1995, KyoUi, Japan.

Подписано в печать 7г7?ГЯГ Формат60*£Ч/к> Заказ ff(9

Усл.печ. л. i,S Тираж

Типография Россельхозакадемии