Особенности биоэлектрической активности мозга у людей с различным уровнем ситуативной тревожности при выполнении невербальных заданий

В настоящее время проблема изучения психоэмоционального состояния студентов приобретает всё большую актуальность, что связано с реализацией одного из приоритетных направлений – внедрением здоровьесберегающих технологий в образовательный процесс.

Последние годы в ряде исследований отмечается повышение уровня тревожности среди студентов и неудовлетворительный показатель здоровья, что, как известно, отражает уровень адаптационно-приспособительных возможностей человека [1, 2]. Повышенная тревожность негативно влияет на результативность деятельности, на психическое и соматическое здоровье, когнитивные способности и память. В настоящее время хорошо исследована взаимосвязь тревожности с когнитивными функциями у школьников. У учащихся с низким уровнем тревожности формируется более тонкая система анализа стимулов, связанная с развитием когнитивных структур, характеризующихся большей сложностью, обособлением и автономностью подструктур, отвечающих за обработку сложной информации [3].

Одним из наиболее удобных и информативных методов комплексного изучения механизмов адаптации у обучающихся является оценка функциональной активности центральной нервной системы, а именно анализ параметров электроэнцефалограммы (ЭЭГ) [4].

На сегодняшний день имеются только отдельные работы, указывающие на взаимосвязь параметров биоэлектрической активности мозга и тревожности [5–7]. Доказано, что каждый уровень тревожности сопровождается своим определённым изменением ритмов биоэлектрической активности. Так, лица с высоким уровнем тревожности обладают повышенной тета-активностью. Поэтому этот ритм называют «стресс-ритмом» или ритмом напряжения. Увеличение мощности тета-ритма указывает на эмоциональное возбуждение, которое обусловливается кортико-лимбическим взаимодействием и активацией коры больших полушарий со стороны лимбической системы [5, 8].

Однако вопрос о взаимодействии полушарий у людей с различной тревожностью в ходе выполнения невербальных заданий до сих пор остаётся практически не изученным, что и определило наше исследование.

Цель данной работы: сравнить параметры электроэнцефалограммы у лиц с различным уровнем тревожности при выполнении невербальных заданий.

Объект и методы

Исследование проводилось на 20 студентах женского пола, возрастом от 18 до 22 лет, обучающихся на биологическом факультете Самарского университета. Все исследования осуществлялись на добровольной, письменно подтверждённой основе с соблюдением биоэ-тических норм, регламентирующих проведение наблюдений на человеке.

Уровень ситуативной тревожности определяли с помощью теста Спилберга – Ханина. По итогам тестирования формировали три группы испытуемых: 1) с высоким уровнем тревожности; 2) со средним уровнем тревожности; 3) с низким уровнем тревожности.

Спектральную мощность ритмов электроэнцефалограммы регистрировали с помощью нейровизора «NVX 36 digital DC EEG» с использованием шапочки с набором электродов, которые располагались на голове испытуемых по международной системе «10–20». Запись ЭЭГ осуществлялась с помощью отводящих электродов биполярным способом. Кривую ЭЭГ регистрировали в стандартных отведениях: в лобных (Fр1, Fр2, F4, F3), височных (Т4, Т3), центральных (С4, С3), в затылочных (О2, О1) и теменных (Р4, Р3) долях. Во время проведения исследования все испытуемые находились в положении сидя в состоянии относительного психоэмоционального покоя с закрытыми глазами в помещении со свето- и звукоизоляцией. Запись ЭЭГ длилась 1–2 минуты до и в ходе выполнения невербальных заданий.

В качестве невербальных заданий испытуемым предлагали выполнить лабиринтный тест Портсуса и интеллектуальный тест Кеттелла.

Полученные результаты обрабатывали статистическими методами, используя Normality Test (Shapiro-Wilk) для оценки распределения изучаемых показателей, парный t-test для сравнения значений показателей ЭЭГ у испытуемых с одинаковым уровнем тревожности в состоянии покоя и при выполнении невербальных заданий. Статистически значимыми считали различия при р < 0,05. Все полученные данные представлены как средние арифметические ± стандартные ошибки среднего, а также изменения средних значений в %.

Результаты исследований и их обсуждение

В ходе исследования были выявлены определённые различия в изменениях спектральной мощности ритмов ЭЭГ у испытуемых с различным уровнем ситуативной тревожности в условиях выполнения невербальных заданий.

Было установлено, что у лиц с низким уровнем ситуативной тревожности под влиянием невербальных заданий различия в спектральной мощности ЭЭГ касались только бета2- и гамма-ритмов. При работе самые существенные отклонения показателя спектральной мощности бета2-ритмов у низкотревожных лиц были зафиксированы в затылочных отведениях (О2). В результате выполнения невербальных заданий мощность бета2-ритмов у испытуемых возрастала от 4,62 ± 0,77 до 7,20 ± 1,40 Гц (р < 0,05).

В то время как увеличение спектральной мощности бета2-ритмов в лобных отведениях – Fp1 и Fp2 составило 42,40 % и 29,47 % (p < 0,05) соответственно. Спектральная мощность бета2-ритмов в теменных отведениях (Р3) после выполнения тестовых заданий статистически значимо изменялась от 4,60 ± 0,57 до 5,74 ± 0,86 Гц (рис. 1).

Анализ изменений спектральной мощности гамма-волн у низкотревожных лиц показал более выраженное увеличение в затылочных отведениях (О2) от 4,74 ± 0,93 до 7,66 ± 1,63 Гц (p < 0,05). Кроме этого, статистически значимая тенденция к росту была выявлена в лобных (F3), центральных (С3) и теменных (Р3, Р4) отведениях. Средняя разница спектральной мощности гамма-волн в указанных выше отведениях составила 1,84 ± 0,12 Гц (рис. 2).

Рисунок 1. Изменения спектральной мощности бета2-волн в лобных (Fp1, Fp2), теменных (Р3) и затылочных (О2) отведениях больших полушарий у испытуемых с низким уровнем ситуативной тревожности в ходе выполнения невербальных заданий. Светлые столбики – значения в состоянии покоя, тёмные – при выполнении заданий.*(p < 0,05) – статистически значимые различия с исходным уровнем

Figure 1. Changes in β 2-wave spectral power in frontal (Fp1, Fp2), parietal (P3) and occipital (O2) leads of the large hemispheres in subjects with a low level of situational anxiety during the performance of nonverbal tasks. Light bars – values at rest, dark bars – during task performance.*(p < 0.05) – statistically significant differences with the initial level

Рисунок 2. Изменения спектральной мощности гамма-волн в лобных (F3), центральных (C3), теменных (Р3, Р4) и затылочных (О2) отведениях больших полушарий у испытуемых с низким уровнем ситуативной тревожности в ходе выполнения невербальных заданий. Светлые столбики – значения в состоянии покоя, тёмные – при выполнении заданий. *(p < 0,05), **(p < 0,01) – статистически значимые различия с исходным уровнем

Figure 2. Changes in the spectral power of γ waves in frontal (F3), central (C3), parietal (P3, P4) and occipital (O2) leads of the large hemispheres in subjects with a low level of situational anxiety during the performance of nonverbal tasks. Light bars – values at rest, dark bars – during task performance. *(p < 0.05), **(p < 0.01) – statistically significant differences with the baseline level

При обследовании лиц со средним уровнем тревожности было выявлено, что под воздействием невербальных заданий различия в спектральной мощности ЭЭГ, также как и у лиц с низким уровнем тревожности, касались только бета2- и гамма-ритмов. При анализе изменений спектральной мощности бета2-волн было установлено, что максимальное увеличение спектральной мощности во время выполнения невербальных заданий отмечалось в затылочных отведениях (О2) от 6,84 ± 0,67 до 10,33 ± 1,19 Гц (p < 0,01). Помимо этого, статистически значимый рост по сравнению с состоянием покоя обнаружен и в лобных отведениях (F4 и F3) – 32,58 % и 46,86 % (p < 0,05) соответственно. Спектральная мощность гамма- ритмов с большей выраженностью увеличивалась в теменных отведениях (Р3) от 5,83 ± 0,63 до 11,76 ± 2,65 Гц (p < 0,05). Кроме того, после выполнения невербальных заданий спектральная мощность статистически значимо изменялась от 6,23 ± 0,42 до 8,81 ± 1,21 Гц в лобных отведениях (F4) и от 7,07 ± 0,84 до 12,07 ± 1,25 Гц в затылочных отведениях (О2).

У лиц с высоким уровнем ситуативной тревожности достоверные отличия наблюдались в изменениях спектральной мощности альфа-, бета2- и гамма-ритмов. Анализ показал, что спектральная мощность альфа-ритмов наиболее существенно в указанных условиях увеличивались в затылочных (O1) отведениях от 8,12 ± 1,22 до 25,56 ± 5,05 Гц (p < 0,01), а в лобных отведениях (F3) – от 7,14 ± 0,37 до 11,66 ± 1,72 Гц (p < 0,05). Значения бета2-ритмов резко возрастали в центральных отведениях (С4 и С3). В среднем увеличение мощности, по сравнению с состоянием покоя, составило 107,81 % (p < 0,05). Спектральная мощность бета2-ритмов в теменных отведениях (Р3) после выполнения тестовых заданий возросла с 6,30 ± 0,30 до 12,74 ± 2,04 Гц (p < 0,05). Кроме этого, статистически значимая тенденция к росту была выявлена в лобных (Fp1, F4, F3) отведениях. Средняя разница спектральной мощности бета2-волн в указанных выше отведениях составила 132,42 % (p < 0,01) (рис. 3).

При анализе изменений спектральной мощности гамма-волн наблюдался статистически значимый рост спектральной мощности центральных (C4 и С3) отведений в среднем от 5,86 ± 0,69 до 12,58 ± 1,87 Гц. После выполнения невербальных заданий спектральная мощность в теменных отведениях (Р3) увеличивалась на 102,22 % (p < 0,05) по сравнению с состоянием покоя. Выполнение умственной нагрузки вызывало достоверное увеличение спектральной мощности в лобных (Fp1, F4 и F3) отведениях в среднем на 132,35 % (p < 0,05) (рис. 4).

Таким образом, в ходе исследования было выявлено, что у лиц с высоким уровнем тревожности динамика параметров ЭЭГ выражена сильнее, чем у лиц с низким уровнем. Изменения наблюдались при анализе бета2- и гамма- ритмов. Бета-активность связана с процессами внимания, а высокочастотные составляющие данного ритма – с неблагоприятным эмоциональным состоянием: тревожностью, страхом и раздражительностью. Гамма-ритм возникает при сосредоточенности на поставленной задаче, во время учёбы. Мощность альфа-ритмов у лиц с высоким уровнем тревожности значительно увеличивалась в лобных и центрально-теменных отделах. Спектральная мощность альфа-волн возрастала при экспериментальных тревожных мыслях. У всех групп испытуемых значимый рост спектральной мощности имели лобные отведения. Это может свидетельствовать об эмоциональном подъёме и творческом подходе к заданию. Кроме того, у лиц с высоким и низким уровнем тревожности заметно возрастала спектральная мощность в теменных отведениях. В лобных и теменных долях мозга находятся структуры лимбической системы, отвечающие за возникновение эмоций. В затылочных отведениях наблюдался рост спектральной мощности параметров ЭЭГ во всех группах испытуемых, что может быть связано с зрительным восприятием.

В целом же можно говорить о том, что более адаптивный тип реагирования параметров ЭЭГ к условиям выполнения невербальных заданий присущ лицам с низким уровнем тревожности, а менее адаптивный – с высоким.

Рисунок 3. Изменения спектральной мощности бета2-волн в лобных (Fp1, F4 иF3), центральных (C4 иC3) и теменных (Р3) отведениях больших полушарий у испытуемых с высоким уровнем ситуативной тревожности в ходе выполнения невербальных заданий. Светлые столбики – значения в состоянии покоя, тёмные – при выполнении заданий. *(p < 0,05), **(p < 0,01) – статистически значимые различия с исходным уровнем

Figure 3. Changes of β 2-wave spectral power in frontal (Fp1, F4 and F3), central (C4 and C3) and parietal (P3) leads of the large hemispheres in subjects with a high level of situational anxiety during performance of nonverbal tasks. Light bars – values at rest, dark bars – during task performance. *(p < 0.05), **(p < 0.01) – statistically significant differences with the baseline level

Рисунок 4. Изменения спектральной мощности гамма-волн в лобных (Fp1, F4 и F3), центральных (С4 и C3) и теменных (Р3) отведениях больших полушарий у испытуемых с высоким уровнем ситуативной тревожности в ходе выполнения невербальных заданий. Светлые столбики – значения в состоянии покоя, тёмные – при выполнении заданий. *(p < 0,05) – статистически значимые различия с исходным уровнем

Figure 4. Changes in the spectral power of γ waves in frontal (Fp1, F4 and F3), central (C4 and C3) and parietal (P3) leads of the large hemispheres in subjects with a high level of situational anxiety during the performance of nonverbal tasks. Light bars – values at rest, dark bars – during task performance. *(p < 0.05) – statistically significant differences with the baseline level