CC BY
41
УДК 612.84
О. В. Борачук, научный сотрудник,
ФГУП «Государственный научно-исследовательский институт прикладных проблем» (ГосНИИПП), Санкт-Петербург Ю. Е. Шелепин, д-р мед. наук, профессор, зав. лабораторией,
A. К. Хараузов, канд. биол. наук, старший научный сотрудник, П. П. Васильев, инженер,
С. В. Пронин, научный сотрудник,
ФГБУН «Институт физиологии им. акад. И. П. Павлова», Санкт-Петербург
B. А. Фокин, д-р мед. наук, профессор, А. В. Соколов, инженер,
ФГБВОУ ВПО «Военно-медицинская академия им. С. М. Кирова», Санкт-Петербург
Исследование механизма
принятия решения в техногенной среде
методом фМРТ
Ключевые слова: принятие решения, зрительная система, принцип оппонентного взаимодействия, фронтальная кора, сеть базового режима мозга, фМРТ.
Keywords: decision-making, the visual system, the opponent interaction principle, the frontal cortex, default mode network, fMRI.
Исследование направлено на изучение механизма принятия решения операторами в условиях техногенной среды. Планирование экспериментов проведено таким образом, чтобы приблизить исследования к условиям работы операторов в сложных технологических условиях. Методами цифровой обработки изображений синтезированы адекватные для задачи стимулы. Методом функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) исследованы основные паттерны мозговой активности. Проведена оценка динамики кровотока в условиях активного выполнения задачи в сравнении с пассивным наблюдением. Выявлен принцип оппонентности взаимодействия областей мозга, ответственных за принятие решения. Результаты исследования рассмотрены с позиций теории временного связывания отдельных изображений в целостный зрительный образ. Показана возможность использования фМРТ как объективного метода диагностики операторской деятельности в условиях техногенной среды.
Введение
Проблема надежности функционирования живых систем в техногенной среде является ключевой для инженерной психологии, так как от правильных решений оператора, особенно в экстремальных ситуациях, зависят жизнь и благополучие других людей.
В случае чрезмерной нагрузки на психику оператора могут возникать разнообразные функциональные нарушения. Так, еще в 1975 г. руководитель лаборатории космической психологии Ф. Д. Горбов [1] описал подобные сбои, назвав их «пароксизмами при непрерывной деятельности». В клинике пароксизмы сигнализируют о функциональных нарушениях как вегетативной, так и центральной нервных систем, которые существенно возрастают в услових техногенной среды. В нейрофизиологии применение термина «пароксизмы» является удачным примером описания комплекса функциональных нарушений механизма принятия решения, обычно сопровождающихся «ступором», растерянностью, заторможенностью действий.
Главная причина появления сбоев, как отмечает Ф. Д. Горбов [1], это появление непредвиденных раздражителей в моменты формирования намерения к действию или начала его реализации. Существует предположение, что временная интеграция осуществляется автоматически на пресемантиче-ском уровне: временные границы событий определяются не обрабатываемыми внешними стимулами, а «внутренними» временными процессами [2]. Соответственно, появление неожиданного раздражителя может внести конфликт в работу данного механизма и вызвать «ошибку» прогноза развития ситуации. В бытовой ситуации часто это не играет особой роли в жизни людей, но в экстремальной ситуации, когда счет идет на секунды, пароксизмы могут повлечь серьезные последствия. Ф. Д. Горбов и В. И. Лебедев изучали данный аспект проблемы с качественной
стороны на базе обширной неврологической практики. Мы же предлагаем рассмотреть нейрофизиологические механизмы данного явления.
Гипотеза нашего исследования заключается в том, что образования мозга, обеспечивающие важнейшие когнитивные процессы, взаимодействуют на принципе оппонентности, т. е. осуществляют решения по множественным критериям и конфликтующим оценкам. Если баланс критериев нарушается, например, вследствие появления непредвиденного раздражителя, то это может привести к различным пароксизмам при непрерывной деятельности.
Методика
Исследование проведено на базе функциональной магнитно-резонансной томографии — объективного метода оценки функционального состояния зрительной системы [3]. Из всего многообразия задач, возникающих перед человеком при принятии решений в сложных условиях техногенной среды, была выбрана когнитивная задача определения «друга» или «врага» в зависимости от выражения эмоции предъявляемых лиц. Особое значение эта задача приобретает для операторов, которые работают в условиях отслеживания передвижения большого потока пассажиров.
В соответствии с этим были синтезированы изображения лиц 36 виртуальных людей. Стимулы были подготовлены с учетом условий работы операторов (рис. 1). Во-первых, стимулы не были знакомы
Активная фаза Кадр п
испытуемым, а значит, не были связаны с наблюдателем каким-либо выраженным хорошим или плохим значением. Во-вторых, стимулы предъявляли с коротким интервалом 500 мс в условиях визуальной помехи (аддитивного широкополосного шума).
Тестовая процедура заключалась в чередовании двух фаз стимуляции. Первая фаза — активная, в процессе которой испытуемые получали инструкцию определить эмоцию лица (положительная или отрицательная). Выбор регистрировали по нажатию испытуемым левой или правой клавиши мыши. Вторая фаза — пассивная, в процессе которой предъявляли те же лица, но с нейтральной эмоцией и без задачи выбора. В это время задачей испытуемых было нажимать поочередно левую и правую кнопку мыши в ответ на каждый стимул. Изменение локальной активности мозга измеряли путем сравнения активной и пассивной фаз. Дополнительно, до начала стимуляции, измеряли фоновую активность. В это время испытуемые смотрели в центр серого экрана в условиях отсутствия предъявления стимулов.
Пространственное картирование активированных областей головного мозга проводили методом BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent) функциональной магнитно-резонансной томографии (1.5 Т МРТ сканер фирмы «Сименс», 36 срезов, матрица 64 х 64, 3,7 с). Для предъявления стимулов использовали проектор BENQ PB 8250 XGA, размещенный вне камеры (частота кадровой развертки 85 Гц), и экран. Испытуемый на экран смотрел через штатную систему зеркал.
Пассивная фаза Кадр n
Кадр 1
Кадр 1
Рис. 1
Примеры тестов для изучения когнитивных функций — синтезированные изображения лиц виртуальных людей с разным выражением эмоций в активную и пассивную фазы
Для статистической обработки данных всей группы испытуемых использовали пакет программного обеспечения SPM8 — Statistical parametric mapping (Welcome Trust Centre of Neuroimaging, London, UK) на базе MatLab 8.0 (2012b). Визуализацию результатов и идентификацию активированных областей мозга проводили при помощи программного обеспечения xjView (на базе Matlab). Оценку активности относительно целого мозга (whole-brain analysis) осуществляли методом двухкомпонентно-го i-теста (two sample i-test) при уровне p = 0,01.
Результаты
По результатам анализа определены области с максимальным уровнем активации для каждой из экспериментальных парадигм. В активную фазу (рис. 2, а, верхние срезы) наблюдается активация фузиформной коры, соответствующей цитоархитек-тоническому полю 37 по Бродману (ВА37). Большая активация по сравнению с фузиформной корой прослеживается в областях теменной и фронтальной коры (рис. 2, а, нижние срезы).
Известно, что каждая из классических цитоар-хитектонических зон коры может включать разнородные функциональные структуры. На базе программного обеспечения xjView проведена локализация активированных зон, вошедших в каждую из описанных выше областей по Бродману в процентном соотношении к общему числу активированных вокселей. Выявлено, что активированная область во фронтальной коре состоит преимущественно из зоны BA6. Другие зоны (BA32, BA24, BA8, BA9) по отдельности включают менее 5 % от общего распределения вокселей. Существенная активация поля BA6 вполне ожидаема, так как это вторичная двигательная (моторная) зона, в которой возникают и формируются план и последовательность движений. Большую часть активированной области теменной коры занимают зона BA40, отвечающая за реализацию сложных профессиональных и трудовых навыков, и BA7 — ассоциативная зона, в которой происходят интеграция различных сигналов, формирование соответствующих ощущений и осуществление сложных аналитико-синтетических функций. Активация в области фузиформной извилины затронула преимущественно зону BA37 — классическую зону восприятия лиц, а также вторичные зоны зрительной коры BA18 и BA19, в которых происходит обработка более сложных параметров контура изображений по сравнению с первичными зонами зрительной системы.
Таким образом, анализ данных функционального картирования мозга в активную фазу показал, что, помимо классической фузиформной коры, существуют и другие структуры, участвующие в выполнении задач, связанных с распознаванием лиц. В наших экспериментальных условиях — это фрон-
тальная и теменная кора. Роль фронтальной коры (BA6, BA8, BA9, BA24, BA32) в задачах принятия решения известна [4]. Активация же теменной коры, видимо, обусловлена спецификой экспериментальных условий.
Напомним, что стимулы не были связаны с наблюдателем какими-либо личными отношениями. Соответственно, можно предположить, что испытуемые выполняли поставленную задачу как пространственную через определение относительного положения уголка губ — вверх или вниз. Решение подобной задачи невозможно без участия механизмов, обеспечивающих избирательное внимание, поэтому на полученных нами картах фМРТ-активности видна активация различных участков теменной коры.
В пассивной фазе (рис. 2, б) наблюдается паттерн активности, характерный для так называемой сети базового режима (DMN: default mode network). В нее обычно включают такие разнородные зоны, как медиальная префронтальная кора (MPFC), задняя поясная извилина (PCC), предклинья, т. е. медиальную и латеральную области теменной коры (LLP, RLP) [5—7]. Особенность этой системы в том, что она более активна в фазе относительного «покоя». В наших условиях стимуляции испытуемые все время выполняли задачу, абсолютного «покоя» не было. Однако в пассивной фазе задача была легче: требовалось поочередно нажимать кнопку, не распознавая эмоции в изображении; именно в этот период мы наблюдали активацию сети DMN.
Анализ взаимодействия между активированными зонами мозга в активной и пассивной фазах проводили методом оценки изменения локального кровотока во времени. Данный метод позволил отследить пространственно-временную активность мозга в динамике. Во время выполнения задачи было зарегистрировано синхронное изменение активности функциональных зон (в наших условиях стимуляции это зоны BA6, BA37 и BA40). На рис. 3 представлен результат усреднения данных по группе из десяти испытуемых. Видно, что уровень BOLD-сигнала в этих структурах сходным образом модулируется условиями стимуляции — чередованием активной и пассивной фаз.
Полученные результаты, несмотря на разнородную функциональную специфику указанных областей, позволили усреднить их и сравнить с динамикой зон DMN. Результат представлен на рис. 4. Виден оппонентный ход кривых. Причем в активной фазе уровень локального кровотока выше для зон, ответственных за принятие решения, а в пассивной — для зон DMN. Подчеркнем, что этот принцип является крайне важным в механизме принятия решения в техногенной среде. Нарушение перераспределения активности так называемых оппонентных систем мозга свидетельствует о дисбалансе взаимодействия различных отделов коры, который может приводить к нарушению сознательной деятельности человека.
а)
б)\
-56^ I _ -52 „ 48 -44 -40 . , -35, » /
^Ц/ &
шшшшшш
ш
## # <§'# ш
54 68 72 76 80 84
ш ® ® ® © о
Рис. 2 Контрастные карты БОЬВ-ответов в условиях активного выбора на стимулы; черным цветом выделены области статистически достоверного изменения активации, усредненные для группы из десяти испытуемых (р = 0,01): а — вычитание пассивной фазы из фазы активной; б — вычитание активной фазы из фазы пассивной
0,2
ОД
д ^
о м
л и
и
Я "0,2
-0,3
-од
Рис. 3
Изменение во времени ВОЬО-сигналов в различных функциональных зонах мозга (ВА40, ВА37 и ВА6), участвующих в выполнении задач, связанных с распознаванием лиц. По оси абсцисс — время (200 периодов, каждый равен 3,7 с): ----ВА40;--ВА6;--ВА37;--ход стимуляции (чередование пассивной П и активной А фаз)
0,3
а
о &
а ч а и
О О
м
и о а
Время
Рис. 4
Изменение во времени усредненных ВОЬО-сигналов в оппонентных структурах мозга в активной и пассивной фазах стимуляции:
----усредненный ВОЬО-сигнал в зонах, ответственных за принятие решения;--усредненный ВОЬО-сигнал в зонах ОМЫ;
--ход стимуляции (чередование пассивной и активной фаз)
Если этот дисбаланс принимает устойчивый характер, то наступает патологическое состояние [1].
Аналогичный, хоть и менее выраженный, паттерн функциональных связей мы наблюдали у испытуемых в условиях отсутствия стимуляции, в состоянии «отдыха»: увеличение активности областей BA6, BA37 и BA40 сопровождалось одновременным снижением активности зон DMN. Предположительно паттерн активности, формирующийся во время выполнения задачи, накладывается на уже существующий паттерн активности, свойственный человеку в состоянии «отдыха». Это особенно важно для исследования функционального состояния оператора, так как недавно была показана корреляция между изменением BOLD-активности кровотока и
поведением. Так, в работе [8] показано, что испытуемые сильнее нажимают кнопку пульта, когда уровень активности в соматомоторной коре понижен.
В наших экспериментальных условиях с середины эксперимента мы наблюдали изменение амплитуды колебаний BOLD-сигнала (см. рис. 4). Можно предположить, что это является следствием адаптации, возникшей в результате монотонной деятельности испытуемых. Ф. Д. Горбов и В. И. Лебедев отмечают, что монотония — одна из самых распространенных причин появления пароксизмов. Так, в обычном режиме деятельности оператор «склеивает всякое предыдущее со всяким последующим» [1]. В основе этого феномена лежит, как полагает E. Poeppel [2], инте-гративный механизм, который определяет временные
границы объединения внешних стимулов или событий в единый паттерн. В работах по исследованию временных характеристик зрительной системы было показано, что «временное окно», в пределах которого происходит эта интеграция, составляет около 3 с, хотя это значение может варьироваться от испытуемого к испытуемому. Напомним, что методика проведения фМРТ-исследования включала сканирование мозга каждые 3,7 с. Анализируя полученные результаты с позиций теории временного связывания, можно предположить, что в указанных временных пределах испытуемые мысленно «усредняли» предъявляемые лица разных виртуальных людей в единый паттерн, инвариантный к индивидуальным характеристикам внешности. В итоге испытуемые воспринимали только отдельные черты лиц как детекторы положительной или отрицательной эмоции.
Однако в процессе монотонной деятельности «склеивание» наступает не всегда, и тогда возникает пароксизмальное нарушение памяти, которое обычно ускользает от внимания исследователей. В наших условиях эксперимента изменение амплитуды наблюдалось не только для зон, ответственных за принятие решения, но и для структур БММ.
Таким образом, сеть базового режима — сложная управляющая поведением структура или структуры, которые, вероятно, еще не имеют даже адекватного названия. Можно предположить, что баланс критериев оценок при принятии решений осуществляется при помощи оппонентного механизма взаимодействия разных нейронных структур, аналогично тем оппонентным механизмам, которые известны в первичных структурах зрительной системы. В данном исследовании показаны оппонентные отношения на глобальном уровне. В действительности это, возможно, слишком грубые представления и элементами могут быть куда более мелкие образования.
Заключение
В настоящей статье представлены результаты исследования механизма принятия решения в техногенной среде методом фМРТ. Анализ данных функ-
ционального картирования мозга человека показал, что принятие решения о различных свойствах стимулов осуществляется путем перераспределения активности между областями мозга. Структуры, входящие в сеть базового режима, находятся в оп-понентных отношениях со структурами, активирующимися при выполнении задач распознавания, поставленных в наших экспериментах. Мы считаем, что нарушения работы именно оппонентных систем могут приводить к самым разнообразным пароксизмам деятельности человека, что является ключевой проблемой медицинской психологии и психологии экстремальных состояний. Полученные данные обладают высокой диагностической значимостью. Метод фМРТ показал себя как объективный метод диагностики операторской деятельности в условиях техногенной среды.
Литература
1. Горбов Ф. Д., Лебедев В. И. Психоневрологические аспекты труда операторов. М.: Медицина, 1975. 299 с.
2. Poeppel E. A hierarchical model of temporal perception // Trends of Cognitive Science. 1997. Vol. 1. N 2. P. 56-61.
3. Методы иконики и методы картирования мозга в оценке функционального состояния зрительной системы / Ю. Е. Ше-лепин, В. А. Фокин, С. В. Меньшикова [и др.] // Сенсорные системы. 2014. С. 61-75.
4. Локализация оппонентных механизмов принятия решений во фронтальной коре / Ю. Е. Шелепин, В. А. Фокин, А. К. Хараузов [и др.] // 5-я междунар. конф. по когнитивной науке. 2012. Т. 2. С. 841-842.
5. Buckner R. L., Andrews-Hanna J. R., Schacter D. L. The brain's default network: anatomy, function, and relevance to disease // Annals of the New York Academy of Sciences. 2008. N 1124. P. 1-38.
6. Does „task difficulty" explain „task-induced" deactivation? / S. J. Gilbert, G. Bird, C. D. Frith [et al.]// Frontiers in Phychology. 2012. Vol. 3. N 125. P. 1-12.
7. Fox M. D., Raichle M. E. Spontaneous fluctuations in brain activity observed with functional magnetic resonance imaging // Neuroscience. 2007. Vol. 8 (9). P. 700-711.
8. Intrinsic fluctuations within cortical systems account for intertrial variability in human behavior / M. D. Fox, A. Z. Snyder, J. L. Vincent [et al.] // Neuroscience. 2007. Vol. 56 (1). P. 171-184.
