Успешность результативной деятельности студентов с различными спектрально-пространственными характеристиками альфа-ритма фоновой ЭЭГ

В последнее время большой интерес вызывают исследования параметров альфа-диапазона ЭЭГ как индикаторов когнитивной и других видов деятельности человека [1, 5]. Получены убедительные доказательства тому, что изменения в различных частотных диапазонах альфа активности являются коррелятами разных когнитивных функций. Так, десинхронизация в нижнем и среднем альфа диапазонах ассоциируется с процессами внимания, такими как бдительность (“vigilance”) и ожидание («ex-pectancy»), в то время как десинхронизация в верхнем альфа диапазоне связывают с усилением мыслительной активности и извлечением информации из семантической памяти [2-4]. Однако в исследованиях, где проводился анализ изменений биопотенциалов различных частотных диапазонов альфа активности в связи с результативностью разных видов целенаправленной деятельности человека, не учитывались фоновые характеристики поддиапазонов альфа-ритма. В тоже время известно, что параметры альфа-ритма ЭЭГ человека в состоянии относительного покоя характеризуется большой индивидуальной вариативностью и индивидуальная устойчивость «фоновых» частотных характеристик ЭЭГ подтверждена на генетическом уровне [6].

Исходя из вышеизложенного, целью настоящего исследования явилось изучение связи индивидуальных особенностей альфа диапазона электроэнцефалограммы человека в состоянии относительного покоя с параметрами его результативной целенаправленной деятельности с элементами запоминания и предсказания.

Материал и методы.

В исследовании на основе добровольного информированного согласия участвовали 46 студентов (праворукие мужчины в возрасте 18-21 года).

Испытуемый находился в затемненной комнате в отсутствии посторонних раздражителей, сидя на расстоянии 60-70 см перед экраном монитора (17 дюймов). В инструкции испытуемому предлагалось запомнить последо- вательность и место появления на экране монитора шести сигналов в виде кружков диаметром 1 см. Для запоминания последовательность сигналов демонстрировали два раза. Испытуемого просили воспроизвести продемонстрированную последовательность, указывая курсором мыши и щелчком место расположения каждого следующего кружка. После каждого щелчка на экране появлялся кружок, согласно предъявляемой последовательности. При этом цвет кружка соответствовал точности попадания. Если испытуемый помещал курсор не далее одного сантиметра от центра действительного расположения круга, включался сигнал зеленого цвета. Если указанное испытуемым место отстояло от центра точного положения более чем на 1 см, но менее чем на 1,5 см, включался сигнал желтого цвета. При отклонении от центра действительного расположения круга более чем на 1,5 см включался сигнал красного цвета. Согласно инструкции, задачей испытуемого было достижение максимально возможной точности предсказания места появления каждого очередного сигнала. Предъявленную для запоминания последовательность сигналов испытуемый должен был самостоятельно воспроизвести 10 раз.

По результатам выполнения компьютерной задачи для каждого испытуемого вычисляли следующие показатели:

• –    число точных (менее 1,5 см от центра) предсказаний места появления следующего сигнала (сумма полученных зеленых и желтых сигналов);

• –    число ошибок последовательности (число предсказаний появления следующего сигнала в месте, находящемся ближе не к следующему сигналу в заданной последовательности, а к любому другому).

ЭЭГ регистрировали в трех экспериментальных ситуациях: перед началом выполнения теста в состоянии спокойного бодрствования (фон) при открытых (40 с) и закрытых (40 с) глазах; на этапе запоминания последовательности (36 с); в процессе выполнения компьютерного задания (первые 300 с работы).

ЭЭГ регистрировали с помощью электроэнцефалографа MINGOGRAF EEG-21 (SIEMENS – ELEMA, Швеция) и компьютерной системы BRAINGAM монополярно по схеме “10–20” в затылочных ( 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 0,5–45,0 Гц, постоянная времени – 0,3 сек.

Артефакты, возникающие при движении глаз, дифференцировали по их характерной форме и пространственному распределению и исключали из анализируемой записи с использованием возможностей программного комплекса BRAINSYS (в частности, процесса автоматического распознавания артефактов с визуальным контролем).

Спектральный анализ ЭЭГ проводили на основе быстрого преобразования Фурье с использованием пакета программ BRAINSYS. Вычисляли спектры плотности мощности в диапазоне 0,5-45,0 Гц. Эпоха анализа составляла 4 сек, частота оцифровки – 200 Гц. Рассчитывали абсолютные значения спектральной мощности (СМ) ритмов (мкВ2) для частотных диапазонов альфа-1 – 7-10 Гц; альфа-2 – 10-13 Гц, а также коэффициенты внутри и межполушарной когерентности (КОГ) для всех 45 возможных комбинаций меж- и внутриполушарных пар отведений электродов.

Для статистической обработки полученных данных и представления результатов использовали пакет STATISTIСA v.6. Для выборок, имеющих нормальное распределение, использовали t-критерий Стьюдента.

Результаты и обсуждение.

По выраженности СМ альфа-1 и альфа-2 диапазонов в затылочных отведениях ЭЭГ, зарегистрированной в исходном состоянии при закрытых глазах, были выделены две группы испытуемых. В группу 1 (n=15) вошли лица, у которых СМ альфа-1 ритма (7-10 Гц) составляла больше 70% от мощности общего диапазона альфа ритма; группу 2 (n=9) составили испытуемые, у которых СМ альфа-2 ритма (10-13 Гц) составляла больше 70% от общей мощности диапазона альфа-ритма.

Анализ параметров результата компьютерного задания показал, что у испытуемых группы 1 по сравнению с испытуемыми группы 2 имело место меньшее количество ошибок последовательности (2,64 + 0,57 и 10,33 + 3,3; р=0,025), при этом количество точных попаданий у них было выше (35,7 + 1,8 и 29,22 + 4,9; р=0,04).

По значениям СМ общего диапазона альфа-ритма (713 Гц) испытуемые выделенных групп достоверно не различались. СМ альфа-ритма в диапазоне от 7 до 13 Гц составила в правом и левом затылочных областях 38,1 + 8,1 и 42,9 + 13,2 МкВ² у испытуемых группы 1 и 33,9 + 9,9 и 30,2 + 8,4 МкВ² у испытуемых группы 2.

Анализ изменений СМ альфа-1 и альфа-2 диапазонов в выделенных группах показал, что по сравнению с исходным состоянием у испытуемых группы 1 при запоминании последовательности имело место снижение СМ альфа-1 диапазона ЭЭГ, достоверно выраженное в затылочных (р<0,05 и р<0,001) и теменных (р<0,05 и р<0,001) областях коры. У испытуемых группы 2 в этой ситуации наблюдалось снижение СМ альфа-2 диапазона, достоверно выраженное только в затылочных (р<0,01 и р<0,05) областях коры больших полушарий. По сравнению с этапом запоминания при воспроизведении последовательности существенных изменений СМ альфа диапазонов у испытуемых выделенных групп не зарегистрировано. Полученные результаты по изменению СМ альфа диапазонов явились ожидаемыми и не требуют дополнительного обсуждения, поскольку эффекты десинхронизации альфа активности (снижение СМ альфа диапазона ЭЭГ) при выполнении разных видов деятельности широко обсуждаются в литературе.

Сравнительный анализ изменения КОГ на разных этапах деятельности у студентов выделенных групп показал, что наиболее интересные отличительные особенности имеют место на этапе воспроизведения последовательности. В диапазоне альфа-1 при воспроизведении последовательности (по сравнению с исходным состоянием) студенты группы 2 отличались достоверно более высокими КОГ между гомологичными ( С4-С3 , р=0,0451) центральными, а также между негомологичными (С3-Р4, р=0,0494; С3-О2 , р=0,0426) областями коры. Таким образом, увеличение кооперации биопотенциалов при воспроизведении последовательности относительно исходного фона у студентов группы 2 носило исключительно межполушарный характер. У студентов группы 1 на том же этапе деятельности кроме областей, между которыми наблюдалась усиление синхронизации биопотенциалов альфа-1 у студентов группы 2, имело место увеличение внутриполушарной синхронизации биопотенциалов относительно исходного состояния. Так, при воспроизведении последовательности по сравнению с фоном наблюдалось увеличение синхронизации между отделами правого ( С4-Р4 , р=0,0098; F4-P4 , р=0,0097) и левого ( F3-P3 , р=0,0017; Т3-Р3 , р=0,0140; F3-C3 , р=0,0233; Т3-С3 , р=0,0245) полушарий головного мозга.

В диапазоне альфа-2 у студентов группы 2 на этапе воспроизведения последовательности относительно исходного состояния оказалось возможным гипотетически выделить два «фокуса» повышенной КОГ в теменных областях коры. А именно в левом теменном отделе: Р3-С4 , р=0,0263; P3-F4 , р=0,0015; P3-F3 , р=0,057; Р3-Р4 , р=0,0471; в правом теменном отделе: Р4-С3 ,р=0,0122; P4-F4 , р=0,0128; P4-F3 , р=0,0125. У студентов группы 1 относительное увеличение синхронизации альфа-2 потенциалов было отмечено в тех же областях коры, которое наблюдалось у студентов группы 2. Однако в дополнение к этому у студентов группы 1 имело место увеличение внутриполушарной синхронизации между областями левого ( F3-O1 , р=0,0153; F3-P3 , р=0,0015; Т3-Р3 , р=0,0115; F3-C3 , р=0,0182; Т3-С3 , р=0,0085) и правого (Р4-Р4, р=0,0158;) полушарий.

Таким образом, когерентный анализ показал, что у студентов 1 и 2 групп на этапе воспроизведения последовательности по сравнению с исходным состоянием топографические особенности межполушарного увеличения кооперации биопотенциалов были одинаковыми и наблюдались между одними и теми же областями коры. Кроме этого у студентов группы 1 наблюдалось увеличение внутриполушарной (в основном левополушарной) синхронизации биопотенциалов изучаемых частотных полос, что принципиально отличало их от студентов группы 2. Возрастание межполушарного, и кроме этого левополушарного взаимодействия биопотенциалов альфа-1 и альфа-2 при непосредственном выполнении задания у студентов группы 1 может быть расценено как свидетельство специфического межполушарного взаимодействия биопотенциалов, отражающего вовлеченность левополушарных механизмов обработки и анализа информации в процесс ее воспроизведения. Очевидно эта особенность студентов с преобладанием в фоновой ЭЭГ низкочастотной составляющей альфа-ритма, явилась одним из коррелятов успешности выполнения задания. Можно предположить, что исходно высокая мощность низкочастотного альфа-ритма может являться прогностическим признаком при выполнении заданий такого рода.

Выводы:

• 1.    Испытуемые с исходно высокой мощностью низкочастотного диапазона альфа-ритма, отличались более высоким результатом выполнения зрительно - пространственной задачи.

• 2.    У испытуемых с исходно высокой мощностью низкочастотного диапазона альфа-ритма, в отличие от испытуемых с исходно высокой мощностью высокочастотного диапазона альфа-ритма, воспроизведение заданной последовательности происходило на фоне возрастания как межполушарного, так и внутриполушарного (в основном левополушарного) взаимодействия биопотенциалов изучаемых частотных полос альфа-ритма ЭЭГ.

• 3.    Установлено, что получение высокого результата зрительно-пространственных задач, связано с исходными значениями мощности высоко и низкочастотного диапазонов альфа-ритма затылочных областей коры головного мозга индивида.