Роль пространственной синхронизации биопотенциалов высокочастотного бета ритма ЭЭГ у испытуемых с различной результативностью интеллектуальной деятельности в условиях экзогенных помех

Автор: Коробейникова Ирина Ивановна, Каратыгин Николай Алексеевич

Журнал: Академический журнал Западной Сибири @ajws

Статья в выпуске: 4 (81) т.15, 2019 года.

Бесплатный доступ

Цель исследования - установление связи пространственных характеристик высокочастотного бета2 диапазона ЭЭГ с результативностью деятельности с переключением внимания в условиях экзогенных помех. Методы. У испытуемых (n=43; мужчины 19-21 года) исследовали пространственные характеристики-бета2 активности ЭЭГ, которая регистрировалась монополярно по схеме “10-20” и результативность когнитивной деятельности с переключением внимания. Деятельность моделировалась при помощи компьютеризованного теста Горбова-Шульте в условиях голосовой помехи (ГП). Когерентный анализ ЭЭГ проводили на основе быстрого преобразования Фурье (пакет программ BRAINSYS). Для всех пар отведений вычисляли средние значения функции когерентности (Кког) в высокочастотном бета-диапазоне (20-30 Гц) ЭЭГ. По изменению результативности деятельности в условиях слуховых помех выделены группы устойчивых (n=17), у которых результативность деятельности увеличивалась и не устойчивых к помехам испытуемых (n=18), которые демонстрировали снижение временных характеристик деятельности и увеличение ошибок в этих условиях...

Еще

Интеллектуальная деятельность, переключение внимания, экзогенные помехи, ээг, когерентность бета2-ритма

Короткий адрес: https://sciup.org/140248171

IDR: 140248171

Текст научной статьи Роль пространственной синхронизации биопотенциалов высокочастотного бета ритма ЭЭГ у испытуемых с различной результативностью интеллектуальной деятельности в условиях экзогенных помех

Высокочастотную активность коры головного мозга в диапазонах бета- и гамма-ритмов, связывают с интенсивной сознательной деятельностью, усилением внимания, изменением функционального состояния, узнаванием и опознанием стимула, памятью, выполнением семантических операций и двигательных реакций [11] . Её происхождение рассматривают как активность встроенных в локальные сети пейсмекерных нейронов, когерентность которых возникает в результате прихода к ним общего сигнала [2].

Изменение спектрально-когерентных характеристик конкретно бета2-ритма рассматривают в качестве коррелятов разных когнитивных процессов, в частности внимания и перцепции [12, 14]. Так, с усилением локального взаимодействия биопотенциалов бета-диапазона ЭЭГ в переднее - центральных зонах мозга связывают поддержание произвольного неспецифического внимания как компонента рабочей памяти у взрослых испытуемых [7]. В ходе исследований рабочей памяти было обнаружено повышение когерентности между различными областями коры в бета-диапазоне [17, 18].

Рост синхронизации электрической активности в диапазонах быстрых бета- и гамма-ритмов сопоставляют с процессами обработки информации при распознавании образов [13, 19]. Синхронизация бета-ритмов проявляется при решении различных когнитивных задач, в том числе связанных со зрительной сенсорной системой, а также в ситуациях принятия решения [6].

В наших предыдущих исследованиях показана связь уровня внутри и межполушарной интеграции биопотенциалов низкочастотного бета2- диапазона ЭЭГ с успешностью видов деятельности, требующих активации механизмов произвольного внимания и памяти [4, 5]. Нами установлено, что высокая лабильность когерентных взаимосвязей бета2-ритма ЭЭГ, которая проявлялась в повышении когерентности во время запоминания и воспроизведения последовательности сигналов по сравнению с исходным состоянием, имела место только у студентов с высокой точностью и скоростью выполнения задания [3].

Таким образом, изменения спектрально пространственных характеристик высокочастотного диапазона бета ритма играют важную роль при выполнении заданий, связанных с механизмами произвольного внимания и рабочей памяти. Мы предположили, что пространственные характеристики высокочастотной составляющей бета ритма могут быть связаны с различной результативностью интеллектуальной деятельности с переключением внимания в условиях, осложненных экзогенными помехами. Проверка этого предположения и явилась целью настоящего исследования.

Материалы и методы.

В исследовании на основе добровольного информационного согласия принимали участие 43 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 [8].

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: 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 ошибк.

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 неустойчивые к помехе.

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 бета 2-диапазоне (20-30 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 серии 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 1ю группу помехоустойчивых (n=17) вошли испытуемые, ВПВ которых снижалось в условиях ГП на 10 и более сек. 2-ю группу не устойчивых к помехе составили испытуемые (n=18), у которых ВПВ в условиях помехи увеличивалось на 10 сек и более.

Параметры результатов выполнения заданий представлены в таблице 1. 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 2-й 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 испытуемые 1-й группы отличались от испытуемых 2-й группы меньшим временем выполнения задания (табл. 1).

Таблица 1

Параметры результата выполнения теста «Красночерные 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,	187,2 + 9,1	216,8 + 10,4	0,043
ЧК2+ ГП, ошибки	2,68 + 0,8	3,0 + 0,7	-

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 потенциалов бета2 диапазона ЭЭГ представлены в таблице 2. При анализе пространственных характеристик β2 ритма учитывались только те коэффициенты когерентности, отличия, в значениях которых у испытуемых 1-й и 2-й групп имели достоверный уровень значимости.

В исходном состоянии у испытуемых 1-й группы, по сравнению с испытуемыми 2-й, Кког потенциалов бета2 диапазона ЭЭГ был достоверно выше в 14 парах отведений из 45 проанализированных, причем связи носили исключительно межполушарный характер.

Значения коэффициентов когерентности (M +m ) потенциалов бета2 диапазона ЭЭГ у испытуемых 1-й и 2-й групп на этапах обследования

Таблица 2

Пары отв.	Исходное состояние		р	Тест КЧ1		Тест КЧ2
Пары отв.	1 гр	2 гр	р	1 гр	2 гр	1 гр	2 гр
О2-Р3	0,354 + 0,03	0,280 + 0,02	0,02	0,386 + 0,03	0,286 + 0,02	0,371 + 0,03	0,304 + 0,02
О2-С3	0,247 + 0,02	0,170 + 0,01	0,03	0,286 + 0,02	0,226 + 0,02	0,275 + 0,02	**0,202 + 0,02
О2-F3	0,154 + 0,02	0,091 + 0,01	0,01	0,186 + 0,02	0,140 + 0,02	0,182 + 0,02	*0,117 + 0,01
О1-Р4	0,383 + 0,02	0,322 + 0,02	0,04	0,415 + 0,03	0,343 + 0,03	0,382 + 0,03	0,32 + 0,03
О1-С4	0,272 + 0,01	0,216 + 0,01	0,01	0,308 + 0,02	0,247 + 0,02	0,271 + 0,02	0,232 + 0,02
О1-F4	0,157 + 0,01	0,102 + 0,01	0,01	0,198 + 0,02	#0,148 + 0,01	0,172 + 0,01	0,137 + 0,01
О1-Т4	0,182 + 0,01	0,133 + 0,01	0,03	0,192 + 0,01	0,152 + 0,02	0,168 + 0,02	0,148 + 0,01
Р4-Р3	0,411 + 0,03	0,328 + 0,02	0,03	0,421 + 0,03	0,363 + 0,03	0,384 + 0,03	0,336 + 0,02
Р4-С3	0,339 + 0,02	0,265 + 0,01	0,01	0,355 + 0,03	0,303 + 0,02	0,321 + 0,02	0,272 + 0,02
Р4- F3	0,212 + 0,01	0,157 + 0,01	0,01	0,244 + 0,02	0,200 + 0,02	0,216 + 0,02	0,171 + 0,01
Р3-С4	0,348 + 0,02	0,276 + 0,02	0,01	0,360 + 0,03	0,315 + 0,02	0,311 + 0,03	0,287 + 0,02
Р3-F4	0,224 + 0,01	0,163 + 0,02	0,01	0,256 + 0,02	0,216 + 0,02	0,221 + 0,02	0,194 + 0,01
Р3-Т4	0,152 + 0,01	0,112 + 0,01	0,03	0,165 + 0,01	0,138 + 0,03	0,158 + 0,02	0,131 + 0,02
С4-С3	0,373 + 0,03	0,300 + 0,02	0,03	0,363 + 0,03	0,319 + 0,02	0,319 + 0,03	0,286 + 0,02
Примечание: Р=0,01; *Р=		0,02; #Р=0,03; #*Р=0,04				Таблица 2 (продолжение)
Пары	Исходное состояние		р	Тест КЧ1+ГП		Тест КЧ2+ ГП
отв.	1 гр	2 гр	р	1 гр	2 гр	1 гр	2 гр
О2-Р3	0,354 + 0,03	0,280 + 0,02	0,02	0,403 + 0,03	0,328 + 0,03	0,390 + 0,03	0,322 + 0,03
О2-С3	0,247 + 0,02	0,170 + 0,01	0,03	0,293 + 0,03	0,223 + 0,02	0,282 + 0,03	0,215 + 0,02
О2-F3	0,154 + 0,02	0,091 + 0,01	0,01	0,191 + 0,02	#*0,133 + 0,01	0,017 + 0,02	0,134 + 0,02
О1-Р4	0,383 + 0,02	0,322 + 0,02	0,04	0,434 + 0,03	0,356 + 0,03	0,408 + 0,03	0,337 + 0,03
О1-С4	0,272 + 0,01	0,216 + 0,01	0,01	0,320 + 0,02	0,261 + 0,02	0,303 + 0,02	0,240 + 0,02
О1-F4	0,157 + 0,01	0,102 + 0,01	0,01	0,206+0,02	0,163 + 0,02	0,194 + 0,02	0,142 + 0,02
О1-Т4	0,182 + 0,01	0,133 + 0,01	0,03	0,202 + 0,02	0,152 + 0,02	0,181 + 0,02	0,146 + 0,02
Р4-Р3	0,411 + 0,03	0,328 + 0,02	0,03	0,455 + 0,03	#*0,366 + 0,03	0,419 + 0,03	0,350 + 0,03
Р4-С3	0,339 + 0,02	0,265 + 0,01	0,01	0,379 + 0,03	0,306 + 0,03	0,343 + 0,03	0,284 + 0,02
Р4- F3	0,212 + 0,01	0,157 + 0,01	0,01	0,255 + 0,02	0,203 + 0,02	0,226 + 0,02	0,181 + 0,02
Р3-С4	0,348 + 0,02	0,276 + 0,02	0,01	0,389 + 0,02	0,318 + 0,03	0,356 + 0,03	0,296 + 0,03
Р3-F4	0,224 + 0,01	0,163 + 0,02	0,01	0,277 + 0,02	0,224 + 0,02	0,253 + 0,02	0,197 + 0,02
Р3-Т4	0,152 + 0,01	0,112 + 0,01	0,03	0,194 + 0,02	#*0,139 + 0,02	0,164 + 0,02	0,137 + 0,02
С4-С3	0,373 + 0,03	0,300 + 0,02	0,03	0,391 + 0,03	0,326 + 0,03	0,353 + 0,03	0,297 + 0,03
Примечание: Р=0,01; *Р=		0,02; #Р=0,03; #*Р=0,04

Следует отметить, что основные фокусы кооперации биопотенциалов были расположены в затылочных и теменных областях правого и левого полушарий коры. По-видимому, это связано со спецификой задания, которое испытуемым предстояло выполнить. Обращает внимания факт наличия исходно высокой степени согласованности на частоте бета2 ритма между удаленными (длиннодистантные связи) зонами коры, так например, затылочных и фронтальных зон контрлатеральных полушарий. При выполнении тестов как без ГП, так и при ее наличии, различия между испытуемыми выделенных групп нивелировались за счет различных изменений степени кооперации бета2 потенциалов. Однако однозначных изменений биопотенциалов бета2 диапазона у испытуемых при выполнении заданий относительно исходного состояния выявлено не было.

На важную роль согласованности работы различных корковых полей в исходном состоянии отно- сительного покоя указывается в длитературе. Предполагается, что высокий уровень согласованности их работы в покое позволяет облегчить синхронизацию нервных центров в ходе запоминания и воспроизведения информации и в целом отражает потенциальные возможности работы аппарата памяти [10].

Таким образом, фоновая активность головного мозга отражает исходное состояние нервных сетей, обеспечивающих познавательные процессы. Именно поэтому можно говорить о важной роли фоновой активности в обеспечении функционального взаимодействия корковых полей при выполнении различных видов деятельности.

В дополнение к вышеизложенному, данные настоящего исследования позволяют предположить, что у помехоустойчивых испытуемых по сравнению с не устойчивыми к помехе, уже в исходном состоянии сформирован нейронный ансамбль на частоте бета2 ритма, в котором взаимосодействие корковых зон контрлатеральных полушарий значимо выше, что позволяет им эффективнее справляться с предложенным заданием на ее фоне.

Таким образом, исходно высокая степень межполушарной кооперации биопотенциалов бета диапазона ЭЭГ может быть рассмотрена в качестве одного из прогностических признаков устойчивости субъектов к экзогенным помехам.

Список литературы Роль пространственной синхронизации биопотенциалов высокочастотного бета ритма ЭЭГ у испытуемых с различной результативностью интеллектуальной деятельности в условиях экзогенных помех

Бехтерева Н.П. Нейрофизиологические аспекты психической деятельности человека. Л.: М, 1971. 120 с.
Данилова Н.Н. Роль высокочастотных ритмов электрической активности мозга в обеспечении психических процессов // Психология. Журн. высш. шк. экономики. 2006. Т. 3, № 2. С. 62-72.
Джебраилова Т.Д., Коробейникова И.И. Пространственная организация бета-2 ритма ЭЭГ и эффективность когнитивной деятельности человека // Журнал вНд. 2013. Т. 63, № 6. С. 1-10.
Джебраилова Т.Д, Коробейникова И.И., Каратыгин Н.А. Когерентность Р1 диапазона ЭЭГ и эффективность интеллектуальной деятельности человека // Вестник новых медицинских технологий. Тула, 2013. Т. 20, № 3. С. 71-74.
Коробейникова И.И. Пространственные характеристики Р1 диапазона ЭЭГ у студентов с разной результативностью когнитивной деятельности // Академический журнал Западной Сибири. 2018. Т. 14, № 4. С. 13-17.
Кропотов Ю.Д. Количественная ЭЭГ, когнитивные вызванные потенциалы мозга человека и нейротерапия. Донецк: Изд-во Заславский А.Ю., 2010. 512 с.
Мачинская Р.И., Курганский А.В. Сравнительное электрофизиологическое исследование регуляторных компонентов рабочей памяти у взрослых и детей 7-8 лет. Анализ когерентности ритмов ЭЭГ // Физиология человека. 2012. Т. 38, № 1. С. 5-19.
Методика Горбова «Красно-черная таблица». Альманах психологических тестов. М. 1995. С. 117-118.
Пирадов М. А., Супонева Н. А., Селиверстов Ю. А. Возможности современных методов нейровизуализации в изучении спонтанной активности головного мозга в состоянии покоя // Неврологический журнал. 2016. № 1. C. 4-12.
Станкова Е.П. Роль фоновой активности в обеспечении когнитивной деятельности // Вестник ЯрГУ Серия Гуманитарный науки. 2018. № 2 (44). С. 116-120.
Bonnefond M., Jensen О. The role of gamma and alpha oscillations for blocking out distraction // Communicative
Liang H., Bressler S.L., Ding M. et al. Synchronized activity in prefrontal cortex during anticipation of visuomotor processing // Neuroreport. 2002. V.13, № 16. P. 2011-2015.
Palva S., Kulashekhar S., Hamalainen M., Palva J.M. Localization of cortical phase and amplitude dynamics during visual working memory encoding and retention // J. Neurosci. 2011. № 13. P. 5013-5025.
Pulvermuller F., Birbaumer N., Lutzenberger W., Mohr B. High-frequency brain activity: Its possible role in attention, perception and language processing // Progress Neurobiol. 1997. № 52. Р. 427-445.
Sadaghiani S., Hesselmann G., Friston K.J., Kleinschmidt A. The relation of ongoing brain activity, evoked neural responses, and cognition // Front. Syst. Neurosci. 2010. V. 4. P. 1-14.
Sadaghiani S., Scheeringa R., Lehongre K. а-band phase synchrony is related to activity in the fronto-parietal adaptive control network // J. Neurosci. 2012. V. 32, № 41. P.14305-14310.
Salazar, R. F., Dotson, N. M., Bressler, S. L., Gray, C.M. Content-specific fronto-parietal synchronization during visual working memory // Science. 2012. V. 338 (6110). Р. 1097-1100
Tallon-Baudry, C., Bertrand, O., Fischer, C. Oscillatory synchrony between human extrastriate areas during visual short-term memory aintenance // Journal of Neuroscience. 2010. V. 21, № 20. P. 177.
Wang X.-J. Neurophysiological and computational principies of cortical rhythms in cognition // Physiol. Rev. 2010. № 3. P. 1195-1268.

Еще

Статья научная