Пространственные характеристики высокочастотного диапазона альфа-ритма ЭЭГ человека при когнитивной деятельности в условиях экзогенных помех

Необходимым условием успешного выполнения многих задач является способность быстрого переключения внимания с одного вида деятельности на другой с сохранением ее высокой результативности. Особенно актуально сохранение высокого уровня внимания в условиях, осложненных экзогенными помехами. Здесь на первый план выходит помехоустойчивость индивидов, т.е. способность сохранять нормальный уровень функционирования при действии "шума", который часто не поддается устранению [2]. Особую значимость приобретают исследования помехоустойчивости в сфере профессионального отбора кадров на специальности, связанные с работой, при выполнении которой велик риск ошибочных действий, ведущих к серьезным последствиям.

Огромная роль в функциональной организации внимания принадлежит альфа-ритму. Альфа-ритм называют ритмом спокойного бодрствования, формирующим динамическую основу системного взаимодействия структур мозга в разных видах сенсорной или когнитивной деятельности. В настоящее время в большом числе работ, демонстрирующих роль альфа-ритма в процессах селективного внимания, альфа-ритм рассматривается как тормозящий фильтр, роль которого состоит в повышения отношения сигнал/шум, служащий для отключения отвлекающей информации [9, 11, 12].

Установлено, что альфа-ритм не является унитарным феноменом, он неоднороден и состоит, по меньшей мере, из двух поддиапазонов: низкочастотного (8–10 Гц) и высокочастотного (10,5–13 Гц). В ответ на значимые стимулы, при решении тех или иных когнитивных задач они могут вести себя различно, а нередко изменяются в противоположном направлении [15]. Реакции этих поддиапазонов различаются и по топографии: изменения низкочастотного альфа-ритма, как правило, более распространены по коре. Предполагается, что он отражает базисную функцию селективного внимания на внешние сигналы. Реакция высокочастотного альфа-ритма более локальна, она связана с семантической памятью, с функцией когнитивного контроля, т.е. с нисходящими влияниями, источником которых служат внутренние представления, сформированные ранее в префронтальной коре и хранящиеся в долгосрочной памяти [16].

Информационные и мобилизационные эффекты избирательных механизмов внимания обеспечиваются двумя типами перестроек мозговой активности: локальными модально-специфичными функциональными объединениями и диффузной интегра- цией корковых зон [1]. Исходя из вышеизложенного, возможно предположить, что между степенью интеграции корковых зон на основе альфа частот и устойчивостью внимания в условиях осложненных экзогенными помехами, может существовать определенная связь. В настоящем исследовании поставлена задача установления связи пространственных характеристик высокочастотного альфа диапазона ЭЭГ с результативностью деятельности с переключением внимания в условиях экзогенных помех.

Материалы и методы.

В исследовании на основе добровольного информационного согласия принимали участие 43 человека, юноши 19-21 года, правши с нормальной остротой зрения. Исследование проводились с соблюдением основных правил биоэтики.

Целенаправленная деятельность моделировалась при помощи компьютеризованного теста Горбова-Шульте (красно-черные таблицы), который используется для оценки концентрации и скорости переключения внимания [7].

Во время обследования испытуемый находился в удобном кресле перед экраном монитора (17 дюймов). На мониторе отображалась квадратная таблица, состоящая из 24 красных и 25 черных квадратных ячеек с собственными номерами. Паттерны расположения пронумерованных квадратов для каждой серии были изначально заданы методом случайной генерации. Для всех испытуемых использовался одинаковый набор паттернов. Проведено две серии обследований, каждая из которых включала два задания. В первой серии на основе предварительной инструкции испытуемый должен был в первом задании (ЧК1) выбрать (указать курсором мыши) черные квадраты в порядке возрастания их номерных обозначений от (1 до 25), а затем красные квадраты в порядке убывания их номеров (от 24 до 1). Во втором задании (ЧК2) испытуемый должен был выбрать по очереди черные квадраты в порядке возрастания, а красные в порядке убывания: 1 черный, 24 красный, 2 черный, 23 красный и т.д. Во второй серии обследования испытуемому предлагали выполнить те же задания в сопровождении голосовой помехи (ГП): чтение диктором цифр от 1 до 25 в случайном порядке, не совпадающим с порядком указания испытуемым номеров квадратов и частотой одна цифра в две секунды.

По результатам выполнения компьютерной задачи для каждого испытуемого вычисляли следующие показатели: время между последовательными кликами по квадратам, величина которого усреднялась по каждому заданию (среднее время клика, мс); общее время выполнения каждого задания (с); число ошибок в каждом задании – включая ошибки последовательности и неверное указание цвета квадрата. Если испытуемый сбивался и отказывался от дальнейшего выполнения задания, оставшееся количество квадратов расценивалось как ошибки.

По временным параметрам выполнения заданий в двух сериях обследования рассчитывалось время переключения внимания (ВПВ1 и ВПВ2), как разница между временем выполнения заданий ЧК2 и ЧК1. Разницу между ВПВ2 и ВПВ1 расценивали как характеристику помехоустойчивости испытуемого (показатель помехоустойчивости ППУ). Помехоустойчивыми считались испытуемые, которые в условиях ГП показывали меньшее ВПВ, т.е. ППУ имел отрицательные значения. Испытуемые, которые в условиях ГП демонстрировали большее время поиска цифр, и ППУ соответственно имел положительные значения, характеризовались как помехонеустойчивые.

ЭЭГ регистрировали в исходном состоянии при открытых глазах (Фон ОГ) и при выполнении заданий без голосовой помехи (ЧК1 и ЧК2) и при ее наличии (ЧК1+ГП и ЧК2+ГП) с помощью электроэнцефалографа «Нейрон-спектр» (г. Иваново) монополярно по схеме “10–20” в (О2, О1), теменных (Р4, Р3), центральных (С4, С3), лобных (F4, F3) и височных (Т4, Т3) отведениях. Объединенные референтные электроды располагались на мочках ушей. Полоса фильтрации составляла 0,5–35,0 Гц, постоянная времени – 0,32 с, режективный фильтр – 50 Гц. После регистрации все записи ЭЭГ были переведены в компьютерную систему анализа и топографического картирования электрической активности мозга «BRAINSYS» для Windows и обработаны с помощью аппаратно-программного комплекса «НЕЙРО-КМ» (ООО «Статокин», г. Москва). Артефакты исключали из анализируемой записи с использованием возможностей программного комплекса «BRAINSYS». Когерентный анализ ЭЭГ проводили на основе быстрого преобразования Фурье (пакет программ BRAINSYS). Эпоха анализа составляла 4 сек при длительности каждого фрагмента в 1 мин, частота оцифровки – 200 Гц. Для всех пар отведений вычисляли средние значения функции когерентности (Кког) в высокочастотном диапазоне альфа (10-13 Гц) ЭЭГ.

Для статистической обработки и представления результатов использовали пакет STATISTICA v.6. При нормальном распределении анализируемых показателей вычисляли среднее значение ( M ) и стандартную ошибку среднего ( m ). Достоверность различий анализируемых показателей у студентов выделенных групп оценивали с помощью дисперсионного анализа «Breakdown and one-way ANOVA». Достоверность изменения значений показателей в разных ситуациях у одной группы испытуемых оценивали с использованием t -критерия для связанных выборок.

Результаты и обсуждение.

Анализ ВПВ показал, что в среднем по группе испытуемых оно составило в первой серии обследования 101,1±5,3 с при минимальных и максимальных значениях 35,2 с и 176,7 с и во второй се- рии при наличии ГП 100,6±5,2 с при минимальных и максимальных значениях 48,3 с и 179,9 с соответственно. Значения ППУ изменялись от (–71,3) до 65,6. На основании этого были выделены две группы испытуемых. В 1-ю группу помехоустойчивых (17 человек) вошли испытуемые, ВПВ которых снижалось в условиях ГП на 10 и более сек. 2-ю группу помехонеустойчивых (18 человек) составили испытуемые, у которых ВПВ в условиях помехи увеличивалось на 10 сек и более.

Параметры результатов выполнения заданий представлены в табл. 1.

Таблица 1 Параметры результата выполнения теста

«Красно-черные таблицы» у испытуемых 1-й и 2-й групп

Параметры результата	1 группа	2 группа	р=
ВПВ 1, с	125,7±6,6	85,7±7,1	0,0003
ВПВ 2, с	87,0±7,9	119,1+6,3	0,003
ВПВ2-ВПВ1 (ППУ), с	-38,6±4,9	33,4±4,7	0,000
ЧК1, t клика, мс	1968±61,4	2081±106,2	-
ЧК1, t выполнения, с	98,5±3,1	105,4±5,5	-
ЧК1 ошибки	0,25±0,1	0,68±0,4	-
ЧК1+ ГП, t клика, мс	2005±59,1	1963±112,2	-
ЧК1+ГП,t выполнения, с	100,9±2,9	97,7+5,5	-
ЧК1+ ГП, ошибки	0,19±0,1	0,16±0,1	-
ЧК2, t клика, мс	4385±189,9	3868±193,3	0,049
ЧК2, t выполнения, с	224,1±8,5	191,1±9,7	0,017
ЧК2 ошибки	4,62±0,9	2,26±0,6	0,039
ЧК2+ ГП, t клика, мс	3835±185,3	4321±217,6	-
ЧК2+ГП, t выполнения,с	187,2±9.1	216,8±10,4	0,043
ЧК2+ ГП, ошибки	2,68±0,8	3,0±0,7	-

Из представленных в ней данных следует, что ВПВ в условиях ГП (ВПВ2) у испытуемых 1-й группы достоверно ( р =0,0007) снижался, у испытуемых 2-й группы достоверно ( р =0,0012) увеличивался. По результативности задания ЧК1 в условиях ГП, так и без нее, испытуемые выделенных групп достоверно не различались. По параметрам результата выполнения более сложного задания ЧК2 испытуемые 1-й группы отличались от испытуемых 2й достоверно большим временем клика, временем выполнения и большим количеством допущенных ошибок. Наличие ГП приводило к противоположным результатам. Анализ параметров результата в пределах каждой группы показал, что при выполнении ЧК2 + ГП, по сравнению с ЧК2 у испытуемых 1-й группы достоверно снижалось время клика ( р =0,046) и время выполнения ( р =0,0057), у испытуемых 2-й группы наблюдалось достоверное (р=0,049) увеличение времени выполнения ЧК2 + ГП. Это приводило к тому, что в этой ситуации у испытуемых 1-й группы по сравнению с испытуемыми 2-й, имело место меньшее время выполнения задания (табл. 1).

Таким образом при выполнении ЧК2 в условиях ГП у испытуемых 1-й группы в отличие от испытуемых 2-й наблюдалось снижение исходно высокого времени его выполнения и уменьшение количества допущенных ошибок.

Значения Кког высокочастотных альфа потенциалов у испытуемых 1-й и 2-й групп на разных этапах обследования представлены в таблице 2. Анализ Кког высокочастотных альфа потенциалов ЭЭГ установил, что значимые различия между испытуемыми выделенных групп имели место только в трех парах отведений Т3-Р3, Т3-С3 и Т3-F3. Таким образом, различия касаются только левого полушария с регионарным фокусом в левой височной области коры. Следует отметить, что в исходном состоянии (Фон ОГ перед первой серией заданий), а также при выполнении тестов ЧК1 и ЧК2, значения Кког высокочастотного альфа диапазона во всех трех парах отведений были ниже у испытуемых 1-й группы, однако достоверного уровня значимости различия не достигали. Дальнейший анализ Кког показал, что на этапе предшествующим выполнению заданий с голосовыми помехами (Фон ОГ перед второй серией заданий) значения Кког у испытуемых 1-й группы были достоверно ниже во всех трех парах отведений. Выполнение тестов при наличии голосовой помехи также сопровождалось значимо меньшими значениями Кког во всех трех парах отведений ЭЭГ испытуемых 1-й группы по сравнению со 2-й.

Таким образом, анализ когерентных взаимоотношений высокочастотных альфа-потенциалов установил, что улучшению результативности (уменьшение времени поиска цифр и количества ошибок) у помехоустойчивых испытуемых в условиях голосовых помех, соответствует более низкая степень кооперации височно-лобно-центральных левых областей коры на основе высокочастотных альфа потенциалов с фокусом взаимосвязанной активности в левой височной области.

Встает вопрос, почему регионарный фокус взаимосвязанной активности выявлен именно в левой височной области?

В первую очередь следует отметить, что поскольку в данном обследовании выполнение заданий второй серии проходило на фоне голосовой помехи, то анализ ситуации производился с преимущественным участием левой височной коры, поскольку верхне-височные отделы левого полушария, являются основным аппаратом анализа речевых звуков [6]. Учитывая специфику предложенной в настоящем исследовании задачи, следует обратить внимание на результаты исследований, где указывается на возможность выполнение вычислительных операций с опорой на аналитические стратегии именно левого полушария [8].

Таблица 2

Значения Кког альфа2 (10-13 Гц) диапазона ЭЭГ ( M±m ) у испытуемых 1-й и 2-й групп на разных этапах обследования

Этапы обследования	Группы	Пары отведений ЭЭГ
		Т3-Р3	Т3-С3	Т3-F3
Фон ОГ перед первой серией заданий	1 гр.	0,552 ± 0,04	0,464 ± 0,04	0,284 ± 0,036
	2 гр.	0,635 ± 0,04	0,546 ± 0,04	0,372 ± 0,04
	р =	-	-	-
Тест ЧК1	1 гр.	0,537 ± 0,03	0,456 ± 0,03	0,346 ± 0,03
	2 гр.	0,569 ± 0,03	0,494 ± 0,03	0,395 ± 0,02
	р =
Тест ЧК2	1 гр.	0,531 ± 0,02	0,433 ± 0,03	0,334 ± 0,03
	2 гр.	0,562 ± 0,03	0,495 ± 0,03	0,391 ± 0,03
	р =
Фон ОГ перед второй серией заданий	1 гр.	0,554 ± 0,02	0,435 ± 0,04	0,258 ± 0,04
	2 гр.	0,661 ± 0,02	0,549 ± 0,03	0,404 ± 0,03
	р =	0,002	0,042	0,005
Тест ЧК1+ ГП	1 гр.	0,532 ± 0,02	0,451 ± 0,02	0,341 ± 0,03
	2 гр.	0,618 ± 0,02	0,545 ± 0,02	0,419 ± 0,02
	р =	0,009	0,011	0,048
Тест ЧК2+ГП	1 гр.	0,533 ± 0,01	0,484 ± 0,03	0,328 ± 0,03
	2 гр.	0,599 ± 0,03	0,533 ± 0,02	0,425 ± 0,02
	р =	0,049	0,015	0,021

Наличие фокуса функциональных связей в левой височной области, обнаруженного в настоящем исследовании, согласуется с данными работ, где показаны активация лобных и лобно-височных структур левого полушария и рост функционального взаимодействия между ними (на основе тета потенциалов) при решении когнитивных задач и при выработке стратегии ее выполнения [5].

Таким образом, локализация регионарного фокуса взаимосвязанной активности высокочастотных альфа потенциалов в левой височной области с учетом специфики предложенного в настоящем исследовании задания (поиск квадратов с числами по возрастанию, убыванию или чередованию этих действий) представляется закономерным.

Считается, что снижение уровня альфа синхронизации, вызвано активацией процессов зрительного внимания [10]. Альфа-синхронизация связана с нисходящими процессами тормозного контроля корковой обработки стимула, тогда как рассинхронизация в этом диапазоне отражает распространение активационных процессов. Рассинхронизация в альфа диапазонах связывается с семантической долговременной памятью и активацией таламокортикальной системы [13, 14]. В связи с вышеизложенным и принимая во внимание данные настоящего исследования о более низкой кооперации на основе высокочастотного альфа ритма корковых зон левого полушария, возможно предположить, что у помехоустойчивых испытуемых активация процессов зрительного внимания выражена в большей степени.

Интересно отметить, что достоверно более низкая степень взаимосодействия областей на основе высокочастотного альфа ритма у помехоустойчи- вых испытуемых устанавливается на этапе предшествующем выполнению заданий, после получения инструкции о предстоящем осложнении выполнения заданий голосовой помехой и остается на этом уровне при непосредственном выполнении тестов в этих условиях. В этой связи следует обратить внимание на то, что реакция именно высокочастотного альфа ритма связана с нисходящими влияниями, источником которых служат внутренние представления, сформированные ранее и хранящиеся в долгосрочной памяти. Так, например, было показано, что синхронизация альфа-ритма, особенно ее высокочастотной составляющей, происходит на отрезках времени до решения целевой когнитивной задачи, при этом не наблюдалось изменения низкочастотных составляющих альфа ритма [3, 4].

Таким образом, отличительной особенностью испытуемых, устойчивых к экзогенной слуховой помехе является относительно низкий уровень кооперации высокочастотных альфа потенциалов ЭЭГ теменно-центральной и фронтальной зон левого полушария с региональным фокусом активности в левой височной области, который устанавливается непосредственно перед выполнением заданий, осложненных слуховой помехой.