Биоэлектрическая активность головного мозга школьников с разной академической успешностью. Сообщение 1. Дети с разной академической успешностью как представители возрастной нормы

В настоящее время в связи с прогрессом исследовательских технологий, а также углублением наших знаний о закономерностях функционирования нервной системы и головного мозга детей все большую популярность в возрастной физиологии приобретают методы изучения биоэлектрической активности мозга.

Так, показано, что биоэлектрическая активность в состоянии покоя хорошо соотносится со степенью школьной зрелости ребенка и успешностью его обучения (Фарбер с соавт., 2000; Лапшина, 2009)

ЭЭГ оказывается весьма чувствительной к различным внешним воздействиям, ее параметры меняются при смене сезонов года или при пользовании мобильным телефоном (Вятлева с соавт., 2016; Грибанов с соавт., 2016), а также в ходе сеансов релаксации (Горев, 2013).

Когнитивная деятельность, ее характер и успешность также значительно меняют биоэлектрическую активность мозга детей. Так, паттерн ЭЭГ различается в зависимости от успешности распознавания синтаксической ошибки и эмоциональной окраски этой деятельности (Аюшеева с соавт., 2017). Обнаружена также взаимосвязь параметров ЭЭГ и индивидуальных особенностей, таких как профиль латеральной организации ребенка (Соболева с соавт., 2013).

В целом можно сказать, что ЭЭГ – метод, позволяющий получать развернутую картину особенностей функционирования головного мозга, это делает его весьма перспективным и достаточно доступным средством возрастной физиологии и позволяет изучать различные аспекты нейрофизиологического обеспечения процессов развития детей, в том числе определять причины неуспешности школьников и подбирать психолого-педагогические приемы повышения академической успешности детей.

Однако для научно обоснованного применения этого метода в практике психологопедагогического сопровождения учащихся необходимо максимально точно описать особенности и закономерности проявления ЭЭГ-феноменов у детей разного пола, возраста, образовательного статуса и успешности учебной деятельности с учетом секулярного тренда и кагорных различий. Поэтому любые исследования ЭЭГ у детей школьного возраста являются актуальными.

Цель данного сообщения – изучить показатели ЭЭГ покоя и реакции на когнитивную нагрузку у группы испытуемых – детей 12 лет.

Материалы и методы

В исследовании приняли участие школьники в возрасте 12 лет – 26 девочек и 25 мальчиков. Обследование детей проводилось с письменного согласия родителей в стандартных условиях: в первой половине дня, при хорошем самочувствии обследуемых, со стандартной словесной инструкцией. Перед обследованием были проведены предварительные собеседования с родителями учащихся и педагогическим коллективом школ.

В обследование включались практически здоровые (I–II группы здоровья) дети; учащиеся, имевшие выраженные отклонения по здоровью, в том числе хронические заболевания, мозговые дисфункции, задержку психического развития, исключались из исследования.

Запись биоэлектрической активности мозга проводилась с помощью аппаратнопрограммного комплекса «CONAN-м» произ- водства НПО «Информатика и компьютеры» (Россия) монополярно от 10 симметричных отведений: затылочных – О1, О2, теменных – Р3, Р4, центральных – С3, С4, височных – Т3, Т4, лобных F3, F4 с референтным правым ушным электродом. Локализация отведений определялась по международной системе «10–20»; частота пропускания 1–45 Гц.

ЭЭГ регистрировали в двух состояниях: в состоянии спокойного бодрствования (с закрытыми глазами и открытыми глазами) и во время решения экспериментальных задач. Экспериментальные задачи использовались трех типов: простые арифметические, вербально-логические и задачи на пространственное мышление.

Компьютерная обработка электроэнцефалографических данных осуществлялась с помощью ресурсов программы CONAN-м после ручного удаления артефактов методом быстрого преобразования Фурье, в анализ включались минутные отрезки записи ЭЭГ. Подвергнутые компьютерной математической обработке данные были представлены в виде оценок абсолютной мощности спектра ЭЭГ в диапазонах: тета-1 (4–6 Гц), тета-2 (6–7 Гц), альфа-1 (8–10 Гц), альфа-2 (10–13 Гц), бета-1 (14–20 Гц) в каждом из отведений.

Статистическая обработка полученных данных была проведена с использованием пакетов программ Microsoft Excel 2003 и Statistica 6.0 (StatSoft). Различия между выборками оценивались с помощью непараметрического критерия Манна – Уитни.

Результаты

При изучении записей ЭЭГ было обнаружено, что среднее значение преобладающей частоты альфа-диапазона составило у девочек по отведению О1 – 9,80 ± 0,29 Гц, по отведению О2 – 9,64 ± 0,28 Гц, у мальчиков – 9,96 ± 0,31 и 10,12 ± 0,29 Гц соответственно.

На рис. 1 представлено пространственное распределение спектральных характеристик ЭЭГ активности по поверхности скальпа, отражающее половые различия. У мальчиков в левых фронтальной, височной, париетальной и центральных областях коры наблюдается более мощная ЭЭГ активность практически по всем исследуемым частотным диапазонам. В отведениях F4 и Т4, наоборот – более мощную ЭЭГ активность продемонстрировали девочки. Затылочные отведения не показали однонаправленных половых различий.

-•-1

Рис. 1. Сравнение частотных спектров ЭЭГ по отведениям у девочек и мальчиков 12 лет: 1 – девочки; 2 – мальчики; 3 – разница

Fig. 1. Comparison of EEG frequency spectrum in 12-year-old males and females: 1 – females, 2 – males, 3 – difference

Преобладающая частота альфа-диапазона у мальчиков несколько выше, однако половые различия не значимы (для О1 U = 0,29 при p = 0,772, для О2 - U = 1,12 при p = 0,262).

Таким образом, обнаружено, что 12летние дети демонстрируют некоторые половые различия, при этом, как правило, био- электрическая активность мальчиков более мощная по сравнению с девочками.

В целом наши данные по ЭЭГ покоя хорошо согласуются с литературными и свидетельствуют о соответствии ЭЭГ исследованных детей возрастной норме (Горев, 2013; Фарбер с соавт., 2000.).

В целом реакция на предъявление когнитивной нагрузки у наших испытуемых сопровождалась реакцией активации, которая выражалась в некотором увеличении мощности тета- и бета-диапазонов, при снижении мощности биоэлектрической активности в альфа-диапазоне. Подобная реакция активации под- ростков описана также другими авторами, которые также отмечают менее дифференцированное, по сравнению со взрослыми, вовлечение структур неокортекса (Аракелов с со-авт., 2003).

В качестве примера на рис. 2 показано изменени спектральных характеристик ЭЭГ

Рис. 2. Сравнение частотных спектров ЭЭГ по отведениям в покое и при решении арифметических задач у девочек 12 лет: 1 – в покое, 2 – интеллектуальная нагрузка, 3 – разница нагрузка – покой Fig. 2. Comparison of EEG frequency spectrum at rest and when solving arithmetic tasks in 12-year-old females: 1 - at rest, 2 - cognitive load, 3 - load-rest difference

у девочек при решении арифметических задач. Наблюдается более или менее значительное повышение мощности тета-диапазона при незначительном повышении мощности в бета-диапазоне по всем отведениям, за исключением отведений F3 и F4. По отведениям F3 и F4 происходило снижение мощности практически по всем частотным диапазонам.

При предъявлении вербально-логических задач, в отличие от арифметических, в отведении F3 происходило повышение мощности альфа- диапазона. Предъявление задач на зрительно-пространственное мышление снижало мощность практически всех частотных диапазонов при увеличении мощности тета1-активности по всем отведениям, кроме левого фронтального, где повышалась бета-активность, и центральных, где повышалась мощность альфа-диапазона.

Характерной особенностью реакции ЭЭГ мальчиков на предъявление когнитивной нагрузки (рис. 3) являлось появление межполушарной асимметрии биоэлектрической активности.

Это проявлялось в более выраженной депрессии альфа-ритма в левой фронтальной, темпоральной и правой затылочной областях. Межполушарная асимметрия, возникающая при проведении когнитивных проб, описана для взрослых испытуемых как перекрестный тип активации (Павлова с соавт., 1988).

Предъявление арифметических и вербально-логических задач вызывало у мальчиков изменения ЭЭГ, соответствующие описанной выше реакции активации с повышением мощности тета- и бета-диапазонов, характерной для подростков. Реакция ЭЭГ на зрительно-пространственные задачи имело некоторые особенности: пик мощности в области 7-8 Гц по всем отведениям; реакция активации (снижение мощности альфа2-диапазона при повышении мощности бета- и тета1-диапазона) в передне-центральных отведениях правого полушария и обоих затылочных и височных отведениях.

В целом реакция активация наших испытуемых соответствует норме для детей этого возраста.

Обсуждение

Как известно, в ЭЭГ представлены различные ритмические компоненты, при этом наибольшее внимание исследователей привлекает альфа-диапазон (7-13 Гц). Альфа- ритм, основной ритм покоя, является также основным диагностическим признаком определения нормы биоэлектрической активности мозга детей. Частоту этого ритма и его преобразования с возрастом связывают с процессами созревания нейронного аппарата коры больших полушарий; несоответствие нормам характеристик альфа-ритма - с отклонениями развития (Казакова с соавт., 2009).

Известно, что этот диапазон имеет сложный ритмический состав: низко-, средне- и высокочастотная ритмические составляющие (соответственно 7-9 Гц, 9-11 Гц и 11-13 Гц), для которых выявлена топографическая неоднородность и функциональная специфичность (Мачинская, 2003).

Считается, что альфа-ритм играет важную роль в объединении мозговых структур при различных видах когнитивной или сенсорной деятельности, он формирует основу функциональной системы будущей когнитивной деятельности в соответствии с внутренним планом или инструкцией (Горев, 2013; Мачин-ская, 2003).

Обнаружено также, что альфа-индекс на ЭЭГ покоя положительно связан с успешностью решения корректурной пробы Бурдона, а тета-индекс - отрицательно (Станкова с со-авт., 2018).

Исходя из этого, важно понять, являются ли наши испытуемые представителями нормы и не представляют ли они какого-либо исключения или особого случая.

Согласно данным, приведенным в литературе, преобладающая частота альфа-диапазона по разным источникам составляет 9-11 Гц (Горев, 2013; Лапшина, 2009; Фарбер с соавт., 2000). Полученные нами данные также входят в этот диапазон.

Обращает также на себя внимание то обстоятельство, что преобладающая частота альфа-диапазона девочек несколько ниже, чем у мальчиков.

Известно, что у подростков, находящихся на II–III стадии полового созревания, происходит снижение частоты альфа-ритма, которые рассматриваются как регрессивные изменения ЭЭГ, поэтому половые различия по этому параметру у наших испытуемых можно объяснить более ранним началом пубертата у девочек, что также хорошо известно. У мальчиков подобные изменения наступают в возрасте 14–15 лет (Безруких и др., 2009). Поэтому половые различия в нашем

Рис. 3. Сравнение частотных спектров ЭЭГ по отведениям в покое и при решении арифметических задач у мальчиков 12 лет: 1 – в покое, 2 – интеллектуальная нагрузка, 3 – разница нагрузка – покой

Fig. 3. Comparison of EEG frequency spectrum at rest and when solving arithmetic tasks in 12-year-old males: 1 – at rest, 2 – cognitive load, 3 – load-rest difference)

случае также соответствует показателям возрастной нормы.

В целом можно сказать, что полученные нами данные о характеристиках ЭЭГ детей 12 лет согласуются с данными других авторов и соответствуют норме для этого возраста.

Рассмотрим изменения ЭЭГ при предъяв- лении когнитивной нагрузки. Показано, что у подростков обнаруживается особый тип реакции активации, который характеризуется усилением тета- и бета-активности (Аракелов с соавт., 2003). Также отмечается, что реакция испытуемых на когнитивную нагрузку может различаться в зависимости от характера зада- чи и ее субъективной сложности, пола и возраста испытуемых (Нейродинамика мозга…, 1974; Rocha et al., 2005).

Для взрослых испытуемых описан также перекрестный тип активации, когда снижение мощности альфа-диапазона происходит в левой фронтальной и правой окципитальной области, отмечается, что наличие этого типа активации коррелирует с успешным решением задачи (Звягина с соавт., 2007; Павлова с соавт., 1988).

Некоторые исследователи также отмечают различия реакции активации у девочек и мальчиков, более раннее достижение зрелости головного мозга у девушек, при этом подчеркивается, что головной мозг лиц женского и мужского пола может использовать несколько различные стратегии для достижения сходных результатов, половые различия усиливаются с возрастом (Lenroot et al., 2010; Rubia et al., 2010).

На нашем материале также обнаруживаются половые различия реакции на когнитивную нагрузку. Так, перекрестный тип активации наблюдается только у мальчиков. Отсутствие этого типа активации у девочек может быть связано с пубертатными регрессивными изменениями, и тогда эти различия нивелируются с возрастом, либо с формирующимися особенностями мужского и женского мозга, и в этом случае различия будут даже усиливаться.

На данном материале не представляется возможным определить причины этих половых различий, однако это может стать темой для дальнейших, в том числе лонгитюдных исследований.

Анализ реакции ЭЭГ на интеллектуальную нагрузку наших испытуемых также показал отсутствие ярко выраженной специализации полушарий, характерной для взрослых людей. Это также соответствует данным других авторов, отмечающих у подростков менее дифференцированное вовлечение структур неокортекса в организацию деятельности и разнообразие реакций на предъявление когнитивной нагрузки (Аракелов с соавт., 2003).

В целом можно сказать, что картина изменения ЭЭГ при предъявлении когнитивной нагрузки наших испытуемых хорошо согласуется с результатами других исследований и соответствует возрастным особенностям подростков этого возраста.

Заключение

Таким образом, при изучении электрической активности головного мозга детей 12 лет показано, что обследованная выборка и по показателям ЭЭГ покоя, и по особенностям реакции ЭЭГ на когнитивную нагрузку соответствует возрастной норме для испытуемых данного возраста.

Автор декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.