CC BY
148
УДК [612.82+81] (045)
СОКОЛОВА Людмила Владимировна, доктор биологических наук, профессор кафедры физиологии и морфологии института естественных наук и биомедицины Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова. Автор более 120 научных публикаций, в т. ч. двух монографий и одного учебного пособия
ЧЕРКАСОВА Анна Сергеевна, аспирант института медико-биологических исследований Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова. Автор 3 научных публикаций
ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОРКОВЫХ ЗОН ГОЛОВНОГО МОЗГА СТУДЕНТОВ В ПРОЦЕССЕ ЧТЕНИЯ НА РУССКОМ И АНГЛИЙСКОМ ЯЗЫКАХ
Исследовались показатели пространственной синхронизации биоэлектрической активности мозга студентов при чтении художественных текстов на русском и английском языках. Процесс чтения по сравнению с фоном обнаружил усиление степени синхронизации дистантных межполушарных связей в бета- и тета-диапазонах. При чтении студентами английского текста (по сравнению с русским) наблюдалось усиление взаимодействия переднеассоциативных областей полушарий мозга в тета-диапазоне, а формирование дистантных диагональных связей рострально-каудальной направленности происходило в области высокочастотной составляющей спектра ЭЭГ
Ключевые слова: биоэлектрическая активность головного мозга, процесс чтения, когерентность, иностранный язык.
В современных условиях социально-экономического и культурного развития нашей страны уровень владения иностранным языком (в частности английским) приобретает все большее значение. На сегодняшний день актуально исследование процесса чтения не только на русском, но и на иностранном языке.
Однако, несмотря на обилие отечественных и зарубежных работ, посвященных конкретно изучению второго языка или особенностям чтения на родном языке, многие из них являются сугубо психологическими или лингвистическими, без упора на материальный субстрат,
© Соколова Л.В., Черкасова А.С., 2012
лежащий в основе физиологических механизмов вербальной деятельности [1, 2, 3, 5, 6].
Исследование нейрофизиологических механизмов познавательной деятельности человека является важным в решении ряда теоретических и практических задач, связанных с эффективностью обучения. Большинство ученых считает, что особенности родной речи существенно влияют на овладение иностранным языком [7].
Чтение, по А.Н. Леонтьеву, на родном или неродном языке представляет собой частный случай процесса восприятия [8]. З.И. Клычникова рассматривает чтение как процесс восприятия
и активной переработки информации, графически закодированной по системе того или иного языка, как один из процессов речевого общения [3].
Клинические данные, полученные при изучении локальных поражений мозга, а также результаты электростимуляции структур мозга, позволили четко выделить те специализированные структуры коры и подкорковых образований, которые ответственны за способность произносить и понимать речь [9, 10, 11]. Мы предположили, что области головного мозга в процессе чтения на родном и иностранном языках «сотрудничают» по-разному, чтобы обеспечить наиболее оптимальную функциональную организацию для вербальной деятельности на конкретном языке.
Целью работы являлось исследование реорганизации функционального взаимодействия зон коры головного мозга у студентов в процессе чтения на родном и английском языках.
Методы исследования. На добровольной основе было обследовано 34 русских студента неязыковых факультетов университета. Средний возраст участников составил 20,7±0,13 года. Регистрация электроэнцефалограммы (ЭЭГ) производилась в состоянии спокойного бодрствования при закрытых глазах и в ситуациях чтения текстов про себя. Участникам предлагалось прочесть отрывки художественных текстов на русском и на английском языках, также студенты получали инструкцию, что главным условием чтения является не скорость, а понимание содержания. Регистрация ЭЭГ проводилась по стандартной системе «10-20» с помощью компьютерного электроэнцефалографа «№ш1^сор-416» производства НПФ «Биола» (Россия) непрерывно как в фоновом состоянии обследуемых (состояние спокойного бодрствования с закрытыми глазами), так и во время чтения текста монополярно с объединенным ушным электродом от симметричных отведений затылочных (О1/2), теменных (Р3/4), центральных (С3/4), лобных ^3/4), передневисочных (Т3/4) и височно-теменно-затылочных (TPOs/d). Анализ ритмических сос-
тавляющих ЭЭГ проводился в диапазонах частот: альфа - 8-13 Гц, бета - 14-35 Гц, тета -4-7 Гц. Электроэнцефалографический сигнал фильтровался в полосе пропускания 3-30 Гц. Эпоха анализа составляла 4 с. Для каждой ситуации отбирались свободные от артефактов участки ЭЭГ длительностью не менее 70 с.
Важнейшей характеристикой нейрофизиологических механизмов, опосредующих деятельность, является характер внутри- и меж-полушарных интеграций. Явление синхронизации сопутствует облегчению иррадиации возбуждения в коре головного мозга и говорит об одинаковом протекании процессов во времени. Количественной мерой синхронизации является коэффициент когерентности, отражающий пространственно-временные взаимоотношения биопотенциалов, степень связанности и согласованности в работе нейронных ансамблей головного мозга [12]. Когерентный анализ используется для оценки степени взаимовлияния различных зон головного мозга при исследовании межполушарных, передне-задних и корково-подкорковых отношений. Когерентность измеряется в значениях от нуля до +1. Когерентность равна 0 для полностью независимых процессов (применительно к ЭЭГ - полное отсутствие общих источников генерации на данной частоте или в данном частотном диапазоне). Вычислялись оценки функции КОГ анализируемых диапазонов частот для межпо-лушарных пар одноименных отведений (6 пар), для всех внутриполушарных пар отведений (30 пар) и для межполушарных диагональных пар (60 пар). Рост КОГ для пары отведений рассматривался как показатель усиления функционального взаимодействия между соответствующими областями коры.
Статистический анализ результатов исследования проводился с применением набора компьютерных программ SPSS 14.5 для Windows [13]. В статистическую обработку результатов входил анализ распределения признаков и их числовых характеристик (средних величин, ошибки средней, стандартных отклонений). Оценка достоверности различий про-
водилась с использованием параметрического t-критерия Стьюдента. Различия считались статистически значимыми при величине вероятности ошибочного принятия нулевой гипотезы о равенстве генеральных средних p<0,05.
Результаты исследования и их обсуждение. Визуальный анализ ЭЭГ студентов в состоянии спокойного бодрствования обнаружил четкий лобно-затылочный градиент выраженности альфа-активности. В затылочных и теменных отведениях регистрировалась альфа-активность с частотой 9-10 Гц и амплитудой 40мкВ. После команды «открыть глаза» наблюдалась реакция «arousal» - резкое исчезновение альфа-веретен в теменно-затылочных областях и появление высокочастотной низкоамплитудной активности, которая связана с потоком афферентной информации через зрительный анализатор. Некоторые исследователи применяют термин «реакция активации», поскольку в этих условиях происходит относительное снижение уровня тормозных гиперполяризационных процессов, определяющее переход нервных структур к состоянию активной деятельности, к реализации процессов внимания, ориентировочной реакции, выработке новых активных форм поведения и ассоциаций. В процессе чтения альфа-активность сменялась высокочастотной (от 16 до 33 Гц) и низкоамплитудной бета-активностью, что свидетельствует об активном процессе переработки поступающей сенсорной информации. Упорядоченные потоки импуль-сации, возникающие на фоне активации ЭЭГ реализуют следующее: в первую очередь они обеспечивают процесс передачи как о специфических (физических) свойствах стимула, так и о степени его новизны и биологической значимости, а также реализацию программ активных форм поведения. Они также модулируют передачу информации, интерферируя с потоками импульсации из других источников [14].
Когерентный анализ обнаружил статистически значимые различия между функциональной организацией процесса чтения на русском языке и состоянием фона: во время процесса чтения происходило увеличение межполушар-
ных диагональных связей между затылочными и центральными областями обоих полушарий, а также правой затылочной и левой лобной зонами (табл. 1, рис. 1). Активация этих областей мозга отражает обработку поступающей информации: от восприятия и узнавания слова до установления синтагматическо-семантических связей, поэтических ассоциаций. Усиление синхронизации биопотенциалов лобных отделов обоих полушарий говорит об обязательном участии лобных долей в осуществлении процессов формирования и восприятия речи [9]. Усиление функционального взаимодействия наблюдалось и в полосе частот тета-диапазона. Согласно современным представлениям, функциональная роль механизма тета-диапазона в организации системной деятельности головного мозга не ограничивается только регуляцией эмоций. Но так же может служить показателем рабочего напряжения, готовности
Таблица 1
РЕЗУЛЬТАТЫ СТАТИСТИЧЕСКОГО СРАВНЕНИЯ ЗНАЧЕНИЙ ОЦЕНОК ФУНКЦИИ КОГ РИТМИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ЭЭГ У СТУДЕНТОВ В СИТУАЦИИ ФОНА И В СИТУАЦИИ ЧТЕНИЯ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ
Диапа- зон Отведения Значение функции КОГ фон Значение функции КОГ чтение на русском языке
Бета F3O2 0,08 01 ***
C3O2 0,09 0,1**
O1C4 0,09 0,11**
Тета ТРО ТРО, s d 0,14 0,17**
С3ТРО s 0,19 0,23*
ТРО P3 s 0,32 0,37*
02ТР0, d 0,35 0,4*
ТРО P4 d 0,35 0,41**
F3O2 0,05 0,08*
O1F4 0,05 0,07*
O1T4 0,09 0,11*
Т3ТРО, d 0,07 0,09*
T3O2 0,07 0,1*
ТРО T4 s 0,1 0,13**
Примечание: * статистически значимые изменения -р < 0,05; ** -р < 0,01; *** -р < 0,001.
Таблица 2
РЕЗУЛЬТАТЫ СТАТИСТИЧЕСКОГО СРАВНЕНИЯ ЗНАЧЕНИЙ ОЦЕНОК ФУНКЦИИ КОГ РИТМИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ЭЭГ У СТУДЕНТОВ В СИТУАЦИИ ФОНА И В СИТУАЦИИ ЧТЕНИЯ НА АНГЛИЙСКОМ ЯЗЫКЕ
Рис. 1. Пространственное распределение статистически значимых различий максимума оценки функции КОГ по исследуемым диапазонам ЭЭГ в процессе чтения на русском по сравнению с фоном.
Обозначения: а - схема расположения электродов; в - бета-диапазон; 9 - тета-диапазон; соответственно; сплошная линия указывает на рост степени синхронизации между отведениями.
Представлены только статистически значимые изменения р<0,05
к выполнению деятельности. Также тета-колебания связаны с процессом целенаправленного внимания [12]. В обработку текста активно включались отделы правого полушария, преимущественно зона ТРО, затылочная и височная области, образующие многочисленные связи с отделами левой гемисферы. К височным областям обоих полушарий относится обеспечение опознания комбинаторной семантики, приблизительной синонимии, а также конструкции неграмматического характера [1, 11]. Показано, что физиологические механизмы правого полушария ответственны за переработку глубинно-семантического уровня высказывания, за различение интонационных, особенно эмоциональных контуров [14, 15, 16]. Исследование биоэлектрической активности мозга в процессе чтения на английском по сравнению с фоном (табл. 2, рис. 2) показало значимый рост КОГ в диапазонах бета- и тета-между зонами ТРО обоих полушарий. Большую реактивность бета-диапазона при чтении иностранного текста подтверждает увеличение дистантных диагональных связей и общее количество областей, образующих функциональное взаимодействие: правой затылочной области с зоной ТРО, височной и центральной зонами левого полушария, центральной и височной областями правого полушария и левой затылочной с правой
Диапазон Отведения Значение функции КОГ фон Значение функции КОГ чтение на английском языке
Бета ТРО ТРО. б а 0,08 0,11**
Р3ТРО. а 0,06 0,09**
С302 0,09 0,13**
01Р4 0,07 0,09*
01Т4 0,07 0,09**
01С4 0,09 0,12**
Т302 0,06 0,09*
ТРО 02 б 0,15 0,18*
Тета ТРО ТРО. б а 0,14 0,19**
С3ТРО б 0,19 0,23*
ТРО Р3 б 0,32 0,37*
Р3ТРО. а 0,05 0,06*
Р302 0,05 0,09**
01Р4 0,05 0,08**
ТРО Т4 б 0,1 0,12*
Примечание: * статистически значимые изменения -р < 0,05; ** -р < 0,01.
Рис. 2. Пространственное распределение статистически значимых различий максимума оценки функции КОГ по исследуемым диапазонам ЭЭГ в процессе чтения на английском по сравнению с фоном. Обозначения: см. рис 1
фронтальной. Формирование фокуса активности между левой затылочной и правой фронтальной областями может быть свидетельством процесса осознания грамматической схемы, использования глагола существования (связки, которая присуща в гораздо большей степени английскому языку, чем русскому), введения квантификатора (числительных, которыми изобиловал предоставленный иностранный текст), осуществляются операции по связи слов внутри семантического поля [1, 10].
По всей вероятности, обработка текста на иностранном языке требует не только функционального объединения «речевых» областей обоих полушарий, но и создание локальных систем, работающих на определенных частотах.
При сравнении КОГ биопотенциалов мозга процесса чтения на английском по сравнению с чтением на русском (табл. 3, рис.3) выявили усиление пространственной синхронизации зоны ТРО и затылочной зоны правого полушария практически со всеми областями левого полушария в бета-диапазоне. Рост пространственного взаимодействия осуществляется на базе активизации словообразовательной деятельности, в которой специфическую роль играет правая гемисфера (вероятно, на уровне образов слов). Исследованиями [15, 16] показано, что правое полушарие ответственно за цельность создаваемых текстов. Следует
Таблица 3
РЕЗУЛЬТАТЫ СТАТИСТИЧЕСКОГО СРАВНЕНИЯ ЗНАЧЕНИЙ ОЦЕНОК ФУНКЦИИ КОГ РИТМИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ЭЭГ У СТУДЕНТОВ В СИТУАЦИИ ЧТЕНИЯ НА РУССКОМ И НА АНГЛИЙСКОМ ЯЗЫКЕ
Диапа- зон Отведе- ния Значение функции КОГ чтение на русском языке Значение функции КОГ чтение на английском языке
Альфа C3T3 0,39 0,42*
O2T4 0,13 0,16*
C3O2 0,14 0,16*
P3O2 0,31 0,34*
Бета F3TPO, d 0,07 0,09*
C3TPO, d 0,09 0,11*
C3O2 0,1 0,13*
P3T4 0,1 0,12*
P3TPO, d 0,14 0,16**
P3O2 0,25 0,27**
O1F4 0,08 0,09*
O1T4 0,07 0,09*
T3O2 0,07 0,09*
ТРО P4 s 0,13 0,16***
ТРО O2 s 0,14 0,18***
Тета P3P4 0,49 0,51*
O1O2 0,46 0,5*
F3C3 0,38 0,44**
F3P3 0,19 0,23**
C3P3 0,58 0,62*
C3T3 0,32 0,37**
T3P3 0,21 0,25*
F4C4 0,39 0,43**
F4P4 0,18 0,2**
C4T4 0,36 0,4**
F3C4 0,25 0,28*
C3P4 0,32 0,36*
P3C4 0,33 0,37*
Примечание: * статистически значимые изменения -
р < 0,05; ** -р <0,01; *** -р <0,001
отметить активацию межполушарных связей (преимущественно в бета-диапазоне), что подтверждает необходимость тесного взаимодействия областей разноименных полушарий мозга, участвующих в обработке текста. [17, 18, 19]. В левом полушарии грамматическая информация хранится в форме, общей для раз-
Рис. 3. Пространственное распределение статистически значимых различий максимума оценки функции КОГ по исследуемым диапазонам ЭЭГ в процессе чтения на английском по сравнению с чтением на русском. Обозначения: а - альфа-диапазон; остальные см. рис 1
ных языков, видимо, благодаря наличию некоторых генетически передаваемых форм записи этой информации. Но следует подчеркнуть, что легкость и скорость усвоения относятся именно к грамматике языка (включая и некоторые слова наиболее общего характера), хранимой в левом полушарии, а не ко всем оттенкам значений слов, которые следует соотнести с правым полушарием [1].
Выводы.
1) Мозговая организация чтения (на обоих языках) характеризуется образованием меж-полушарных дистантных связей в диапазонах бета- и тета-активности, что свидетельствует об определенном вкладе каждого полушария головного мозга в процесс обработки вербаль-
ной информации (художественного текста).
2) Процесс чтения текста на английском языке сопровождается усилением пространственной синхронизации височно-теменно-затылочных областей обоих полушарий в полосе частот бета- и тета-колебаний биоэлектрической активности мозга.
3) Процесс чтения на английском языке по сравнению с чтением на русском характеризуется образование двух фокусов функционального взаимодействия: по высокочастотной составляющей спектра ЭЭГ - между заднеассоциативными областями правого полушария и областями левого, в тета-диапазоне - между переднеассоциативными областями обоих полушарий.
Список литературы
1. Иванов В.В. Лингвистика третьего тысячелетия. М., 2004.
2. Иванов В. В. Чет и нечет: асимметрия мозга и знаковых систем. М., 1978.
3. Клычникова З.И. Психологические особенности обучения чтению на иностранном языке. М., 1973.
4. Киселёва С.В. Языковая система и речевая деятельность // Известия РГПУ им. А.И. Герцена. 2007. Т. 8, № 34. С. 43-51.
5. Полякова С.В. Некоторые аспекты восприятия иностранных текстов в психологии чтения // Вестн. Томского гос. ун-та. 2007. № 303. С. 202-204.
6. Православнова Е.П. О понимании и интерпретации аутентичного иноязычного текста // Изв. Волгоградского гос. пед. ун-та. 2007. № 1. С. 70-73.
7. Зимняя И.А. Психологические аспекты обучения говорению на иностранном языке. М., 1978.
8. Леонтьев А.Н. Психология обучения чтению // Начальная школа: плюс - минус. 1999. № 10. С. 9-13.
9. Лурия А.Р. Основные проблемы нейролингвистики. М., 1975.
10. Балонов Л.Я., Деглин В.Л. Слух и речь доминантного и недоминантного полушарий. Л., 1976.
11. Спрингер С., Дейч Г. Левый мозг, правый мозг. М., 1983.
12. Коробейникова И.И. Связь пространственной синхронизации биопотенциалов тета-диапазона ЭЭГ человека с разной успешностью выполнения зрительно-пространственных задач // Физиология человека. 2011. Т. 37. № 5. С. 26-34.
13. Наследов А.Д. Математические методы психологического исследования. Анализ и интерпретация данных. СПб., 2007.
14. Шульгина Г.И. Генез ритмики биопотенциалов и ее роль в обработке информации // Физиология человека. 2005. Т. 31. № 3. С. 59-71.
15. Ассоциативный процесс и функциональная асимметрия мозга / О.П. Траченко, М.А. Грицышина, С.В. Афанасьев, И. Г. Овчинникова // Физиология человека. 2001. Т. 27, № 3. С. 32—3б.
16. Траченко О.П. Функциональная асимметрия мозга и принципы анализа лексического и грамматического материала // Физиология человека. 2001. Т. 47, № 1. С. 29-35.
17. Цицерошин М.Н. Системное взаимодействие кортикальных полей при реализации вербально-мнестиче-ской деятельности // Физиология человека. 2000. Т. 26, № 6. С. 20-30.
18. Beeman M., Chiarello C. Right Hemisphere Language Comprehension. Perspectives from Cognitive Neuroscience. Mahwah, NJ, 1998.
19. Purves D., Augustine G. J., Fitzpatrick D. Neuroscience. USA: Sinauer Associates, Inc., Massachusetts, 2004.
Sokolova Liudmila Vladimirovna
Northern (Arctic) Federal University named after M.V Lomonosov,
Institute of Natural Sciences and Biomedicine,
Cherkasova Anna Sergeevna
Northern (Arctic) Federal University named after M.V Lomonosov,
Institute of Medical and Biological Research
FUNCTIONAL INTERACTION OF CORTEX AREAS OF STUDENTS DURING READING
IN RUSSIAN AND ENGLISH
We have investigated spatial synchronization of brain bioelectrical activity of students during reading literary texts in Russian and English. The process of reading as compared to quiet waking has displayed an increase in synchronization of distant connections within beta- and theta-bands between the two hemispheres. During reading in English (as compared to reading in Russian), an increase in interaction between anterior associative areas within theta-band has been observed. We have also found forming of distant diagonal rostral and caudal connections in the high-frequency part of the EEG spectrum.
Key words: brain bioelectrical activity, reading process, coherence, foreign language.
Контактная информация: Соколова Людмила Владимировна е-mail: [email protected] Черкасова Анна Сергеевна e-mail: [email protected]
Рецензент - Морозова Л.В., доктор биологических наук, профессор, директор института естественных наук и биомедицины Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова
