CC BY
111
УДК 612.821
ЗВЯГИНА Наталья Васильевна, кандидат биологических наук, доцент кафедры биологии и экологии человека Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Автор более 70 публикаций, в т.ч. монографии и учебного пособия
ОСОБЕННОСТИ РИТМИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАММЫ ДЕТЕЙ 7-8 ЛЕТ И ВЗРОСЛЫХ В ПРОЦЕССЕ ЗРИТЕЛЬНОГО ВОСПРИЯТИЯ*
В работе представлены результаты исследований спектрально-частотных характеристик электроэнцефалограммы взрослых и детей 7-8 лет в процессе зрительного восприятия. Выявлены возрастные и половые особенности реорганизации волновых биоэлектрических процессов мозга при реализации зрительного восприятия.
Электроэнцефалограмма, спектр мощности ритмов ЭЭГ, возрастные особенности, зрительное восприятие
Исследование возрастных особенностей биоэлектрической активности мозга в процессе умственной деятельности актуально для физиологии. В этом отношении значимым является изучение нейрофизиологических особенностей становления базисных психофизиологических функций. Важную роль в реализации когнитивных процессов выполняет зрительное восприятие, что определяется как высокой значимостью зрительной информации для формирования индивидуального опыта человека, так и широким вовлечением областей неокортекса в данную функцию [1-4]. Являясь системным процессом, зрительное восприятие обеспечивается специализированным и сочетанным вовлечением в деятельность многих мозговых структур разного уровня, осуществляющих различные
операции с поступившей информацией. Особенности реализации данной психофизиологической функции и уровень ее сформированности отражаются на показателях биоэлектрической активности (БЭА) мозга. Возрастные особенности функционирования системы зрительного восприятия также находят свое отражение в элек-троэнцефалографических (ЭЭГ) параметрах [5-8]. В этом отношении особый интерес представляет возраст 7-8 лет, поскольку на данном возрастном этапе происходят значительные качественные перестройки структурно-функциональной организации мозга, наблюдается интенсивное созревание межцентральных связей корковых областей, совершенствуются механизмы зрительного восприятия [9, 10]. Несомненно, показатели биоэлектрической активнос-
* Работа поддержана аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы» № 2.2.3.3/4704
ти головного мозга детей 7-8 лет при перцептивной деятельности отличаются от таковых взрослых, чьи морфологические структуры, нейрофизиологические механизмы обеспечения зрительного восприятия сформированы.
Цель: исследовать некоторые особенности ритмических составляющих ЭЭГ детей младшего школьного возраста и взрослых в процессе зрительного восприятия.
Методика и организация исследования. В исследовании приняло участие 254 человека, из них 198 детей 7-8 лет (средний возраст 7,68 ± 0,25 лет), из которых 109 мальчиков (средний возраст 7,99 ± 0,25 лет), 89 девочек (средний возраст 7,77 ± 0,25 лет) и 56 взрослых (средний возраст 21,13 ± 0,19 года) из которых 28 мужчин (средний возраст 20,79 ± 0,25 лет), 28 женщин (средний возраст 21,47 ± 0,25 год). Работа проводилась на базе общеобразовательной школы № 17 г. Архангельска, а также Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Обследованные не имели патологии в развитии зрительной сенсорной системы и центральной нервной системы (ЦНС), уровень развития зрительного восприятия и функциональная зрелость коры детей соответствовала возрастной норме. Для выявления уровня реализации зрительного восприятия использовалась «Методика оценки уровня развития зрительного восприятия детей 5,0-7,5 лет» М.М. Безруких, Л.В. Морозовой [11]. Функциональная зрелость коры головного мозга оценивалась с помощь структурного анализа электроэнцефалограммы по методике И.П. Лукашевич, РИ. Мачинской и М.Н. Фишман [12]. Родители всех первоклассников были ознакомлены с условиями эксперимента и дали добровольное письменное согласие на участие детей в исследованиях.
ЭЭГ регистрировали на 24-канальном компьютерном электроэнцефалографе с полосой пропускания 0,5-30 Гц. Применяли 20 монопо-лярных отведений. 16 электродов располагали симметрично в соответствии с международной схемой «10-20» в префронтальных (Рр1, Fp2), задних нижне-лобных ^7, F8), фронтальных ^3, F4), центральных (С3, С4), теменных (Р3, Р4),
затылочных (О1,О2), темпоральных (средневисочных) (Т3, Т4), задневисочных (Т5, Т6) областях полушарий. Для более детального анализа БЭА височных отделов коры мозга были установлены четыре симметрично расположенных дополнительных электрода в передне-височных (Т1, Т2) и теменно-височно-затылочных (тем-поро-парието-окципитальных) (ТРО по методу Т.Г. Бетелевой, 1983) областях обоих полушарий (ТРО1, ТРО2). В качестве референтного отведения использовали объединенные электроды на мочках ушей [15].
Электроэнцефалограмму регистрировали в состоянии спокойного бодрствования с открытыми и закрытыми глазами при гипервентиляции, ритмической фотостимуляции и при выполнении заданий на зрительное восприятие. Визуальные стимулы предъявляли на мониторе компьютера сериями по 6 иллюстраций - одна из них являлась образцом, среди остальных пяти необходимо было найти точную копию образца. Первый блок зрительных стимулов имел невер-бализуемую направленность, второй - вербализуемую.
Поскольку представление об особенностях БЭА головного мозга в состоянии покоя и в процессе деятельности можно получить при анализе спектров мощности основных ритмов электроэнцефалограммы, после регистрации и удаления артефактов ЭЭГ подвергалась математическому анализу с использованием быстрого преобразования Фурье. При анализе спектров мощности ЭЭГ изучались следующие ритмические составляющие электроэнцефалограммы: тета-ритм - 4-7,4 Гц; альфа-ритм (б-ритм), который делился на поддиапазоны: альфа-1 = 7,5-9,4 Гц; альфа-2 = 9,5-10,6 Гц; альфа-3 = 10,7-12,6 Гц; бета-ритм - 12,7-25 Гц. Дальнейший математический и статистический анализ результатов исследования проводился с применением набора компьютерных программ SPSS 17.0 для Windows [13]. В статистическую обработку результатов входил анализ распределения признаков и их числовых характеристик (средних величин спектральной мощности основных ритмов ЭЭГ, ошибки средней, стандартных отклонений) в возрастно-половых группах
в состоянии спокойного бодрствования и при выполнении задач на зрительное восприятие. Оценка достоверности различий проводилась с использованием параметрического ^критерия Стьюдента. Различия считались статистически значимыми при величине вероятности ошибочного принятия нулевой гипотезы о равенстве генеральных средних при р<0,05.
Результаты исследования и их обсуждение. При изучении параметров относительного спектра мощности в состоянии спокойного бодрствования у 7-летних детей выявлено достоверное преобладание низкочастотных колебаний (тета-ритм) и высокочастотных поддиапазонов альфа-ритма (альфа-2 и альфа-3). Достоверных отличий по представленности спектров мощности ЭЭГ у мальчиков и девочек не выявлено.
При анализе величин относительного спектра мощности в состоянии спокойного бодрствования в группе взрослых испытуемых не выявлено достоверного преобладания ни одного из основных ритмов ЭЭГ. Также не выявлено достоверных отличий по вкладу в БЭА головного мозга по тета- и всех поддиапазонов альфа-ритма с учетом пола. Однако по сравнению с детьми у взрослых альфа-ритм регистрируется более локализовано и по спектру мощности достоверно выше в височно-теменно-затылочных областях (ТРО1, ТРО2). Спектр мощности бета-ритма наиболее выражен у женщин и имеет достоверные отличия от такового у мужчин в префронтальных ^р1, Fp2), средневисочных (Т3, Т4), задневисочных (Т5, Т6), темпоро-парието-окципитальных отведениях (ТРО1, ТРО2), задне-нижне-лобной (F7) и передневисочной областях (Т1) левого полушария.
Таким образом, в фоновой ЭЭГ с возрастом происходит увеличение представленности высокочастотных ритмов альфа-диапазона, локализованных в окципитальных отделах коры головного мозга, нивелирование половых особенностей по альфа- и тета-диапазонам и увеличение вклада бета-ритма в БЭА мозга в большей степени у женщин. Выявленные особенности согласуются с имеющимися в литературе данными и отражают характер становления БЭА мозга в онтогенезе [3, 14, 15].
Анализ показателей спектров мощности ЭЭГ по изучаемым частотным диапазонам выявил особенности в группе детей 7-8 лет и взрослых при выполнении заданий на зрительное восприятие.
При решении зрительных невербализуемых задач в ЭЭГ детей по сравнению с фоном достоверно снижается спектр мощности низкочастотного альфа-ритма в постцентральных (Р3, Р4, ТРО1, ТРО2, О1,О2) и височных (Т3, Т4, Т5, Т6) областях коры. При этом вклад в ЭЭГ бета-составляющей достоверно возрастает в височных (Т1, Т2 , Т5, Т6) и фронтальных областях (Рр1, Fp2, F3, F4). Представленность тета-ритма в ЭЭГ детей при зрительном восприятии невербализуемых стимулов достоверно увеличивается в темпоро-парието-окципитальной области левого полушария (рис. 1, 2).
По данным ряда авторов, умственная деятельность как форма активного бодрствования вызывает повышение мощности ритмов бета-диапазона ЭЭГ [16, 17]. Значимое увеличение высокочастотной активности наблюдается при умственной деятельности, включающей элементы новизны, тогда как стереотипные, повторяющиеся умственные операции сопровождаются ее снижением [18]. Увеличение бета-активности в височных и фронтальных областях у детей, вероятно, и объясняется тем, что не-вербализуемые стимулы такого типа для детей являются необычными и включают в себя элемент новизны.
В ЭЭГ взрослых при выполнении задач на восприятие невербализуемых стимулов по сравнению с фоном достоверно снижается спектр мощности всех поддиапазонов альфа-ритма. Причем наибольшее снижение наблюдается в альфа-2 и альфа-3 поддиапазонах, являющихся доминантными в БЭА головного мозга взрослых в состоянии спокойного бодрствования (рис. 3, 4). Мощность бета-ритма достоверно снижается в задне-нижне-лобной области правого полушария ^8). Тета-активность достоверно увеличивается в теменных (Р3, Р4), темпоро-парието-окципитальных (ТРО1, ТрО2) и затылочных (О1, О2) отведениях. Полученные данные согласуются с име-
изменени я СМ
6 1
4
а
-4
отведения ЭЭГ
изменения СМ
б
Рис. 1. Достоверные изменения спектров мощности ЭЭГ мальчиков при зрительном восприятии невер-бализуемых (а) и вербализуемых (б) стимулов по сравнению с фоном (при р < 0,05): СМ - спектр мощности, (в) - схема наложения электродов
ющимися в литературе [19, 20]. Известно, что усиление тета-активности не только сопровождает выполнение когнитивных заданий взрослыми, но коррелирует с эффективностью деятельности. Наибольшая динамика тета-активности выражена в ассоциативных и специфических для деятельности (зрительного восприятия) областях коры. Достоверное усиление спектра мощности в обозначенных отведениях связано с концентрацией внимания
при выполнении задании на зрительное восприятие.
При решении зрительных вербализуемых задач в ЭЭГ детеИ по сравнению с фоном достоверно снижается спектр мощности низкочастотного альфа-ритма в постцентральных (Р3, Р4, ТРО1, ТРО2, О1, О2) отделах обоих полушарий, в средневисочной (Т4) и задневисочной (Т6) областях правого полушария (р < 0,05). Тета-активность достоверно увеличивается в заты-
2
0
2
в
изменения СМ
а
отведения ЭЭГ
изменения СМ
б
-2
-4
-6
□ Тета
□ Альфа-1
□ Бета
¡ХХХИ МІДГ-Т !|
отведения ЭЭГ
Рис. 2. Достоверные изменения спектров мощности ЭЭГ девочек при зрительном восприятии неверба-лизуемых (а) и вербализуемых (б) стимулов по сравнению с фоном (при р < 0,05)
лочных (О1, О2) и темпоро-парието-окципиталь-ных (ТРО1, ТРО2) областях правого и левого полушарий. Вклад бета-составляющей в БЭА коры головного мозга достоверно возрастает в средневисочной (Т3, Т4) и передневисочной (Т1,
Т2) областях (рис. 1, 2). Выявленные особенности, вероятно, связаны со специфичностью нагрузки - присутствие речевого компонента обуславливает активное включение речевых областей (зоны Брока и Вернике). Учащение ЭЭГ,
6
4
2
0
2
4
6
4
2
0
изменения СМ
а
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
отведения ЭЭГ
8
б
изменения СМ
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
□ Тета
□ Альфа-1
□ Альфа-2
□ Альфа-3
□ Бета
отведения ЭЭГ
Рис. 3. Достоверные изменения спектров мощности ЭЭГ мужчин при зрительном восприятии неверба-лизуемых (а) и вербализуемых (б) стимулов по сравнению с фоном (при р < 0,05)
в частности усиление бета-активности, сопровождает умственную вербализуемую деятельность и является отражением повышения уровня активного бодрствования [21, 22].
В ЭЭГ взрослых при выполнении заданий на восприятие вербализуемых стимулов по сравнению с фоном достоверно снижается спектр мощности всех поддиапазонов альфа-
изменения СМ
а
отведения ЭЭГ
изменения СМ
б
6
4
2
0
-2
-4
-6
□ Тета
□ Альфа-1
□ Альфа-2
□ Альфа-3
отведения ЭЭГ
-8 ---------------------------------------------------------------
Рис. 4. Достоверные изменения спектров мощности ЭЭГ женщин при зрительном восприятии неверба-лизуемых (а) и вербализуемых (б) стимулов по сравнению с фоном (при р < 0,05)
ритма. Причем наибольшее снижение наблюдается в альфа-2 и альфа-3 поддиапазонах. Также следует отметить достоверное снижение тета-активности в задне-нижне-лобной области ^7, F8), передневисочной (Т1) области левого полушария и достоверное увеличение спектра мощности тета-ритма в теменных (Р3,
Р4), темпоро-парието-окципитальных (ТРО1, ТРО2) и затылочных (О1, О2) отведениях (рис. 3, 4). При решении вербализуемых зрительных задач достоверно возрастает спектр мощности бета-ритма в средневисочной (Т3, Т4), задневисочной (Т5, Т6) и затылочной (О1, О2) областях коры, что характерно для данно-
го вида деятельности. Следует отметить региональную специфичность бета-диапазона. Установлено, что вербальные задания с элементами зрительно-пространственного гнозиса выполняются успешнее при усилении мощности бета-активности в постцентральных и височных областях коры [23].
При анализе представленности основных ритмов ЭЭГ в возрастно-половых группах выявлены некоторые особенности. В ЭЭГ взрослых испытуемых прослеживается более выраженная десинхронизация альфа-ритма, которая ведет к снижению спектра мощности в специфических для данного вида деятельности областях (затылочные, теменные, височные), что достоверно более выражено у мужчин при выполнении зрительных задач на вербализуемые стимулы, так же у мужчин выявлено достоверное усиление спектра мощности бета-ритма в височных областях правого полушария и тем-поро-парието-окципитальной области левого полушария. Аналогичная картина наблюдалась в ЭЭГ обследованных детей, но значительных половых особенностей в представленности альфа-ритма во время деятельности не выявлено (рис. 1, 2). В ЭЭГ детей при выполнении зрительных невербализуемых задач выявлено достоверное увеличение спектра мощности тета-ритма в темпоро-парието-окципитальной области левого полушария, что в большей степени выражено у мальчиков. При выполнении вербализуемых зрительных задач, требующих детального изучения стимула, наблюдается достоверное увеличение спектра мощности тета-ритма в специфических для данной деятельности областях (затылочные, зоны ТРО, левая передне-височная область), что наблюдалось в ЭЭГ мальчиков. Спектр мощности бета-ритма в ЭЭГ мальчиков также характеризуется дос-
Список литературы
товерным увеличением в средневисочной области правого полушария и передне-височной области левого полушария.
Таким образом, при реализации зрительного восприятия в ЭЭГ обследованных детей и взрослых прослеживались характерные изменения волновых биоэлектрических процессов неокортекса по сравнению с фоновым состоянием. Устойчивая десинхронизация и снижение мощности основного ритма покоя (альфа-ритма) является объективным показателем активации мозга при умственной деятельности. Поскольку формирование поддиапазонов альфа-ритма в онтогенезе осуществляется постепенно, то в ЭЭГ детей мы наблюдаем десинхронизацию и снижение спектра мощности наиболее зрелого для данного возраста альфа-1 поддиапазона. У взрослых наблюдается десинхронизация и достоверное снижение представленности всех поддиапазонов альфа-ритма в специфических для зрительного восприятия и анализа информации областях (затылочные, теменные, височные). Увеличение спектра мощности тета-ритма в обозначенных областях, как правило, возникает при решении зрительно-пространственных задач, требующих детального изучения стимула. Достоверные изменения высокочастотной БЭА (бета-ритм) у детей и взрослых при выполнении зрительных задач являются прогнозируемыми, поскольку данный ритм сопровождает любую когнитивную деятельность, кроме того, вербальные задания с элементами зрительно-пространственного гнозиса выполняются успешнее при усилении мощности бета-активности, особенно в постцентральных и височных областях коры [21, 24]. Следует отметить, что изменения спектров мощности в процессе зрительной деятельности по сравнению с фоновым состоянием усиливаются с возрастом и более выражены у лиц мужского пола.
1. ГлезерВ.Д. Зрение и мышление. СПб., 1993.
2. ЛурияА.Н. Основы нейропсихологии. М., 1973.
3. Фарбер Д.А., Бетелева Т.Г. Региональная и полушарная специализация операций зрительного опознания. Возрастной аспект // Физиология человека. 1999. Т. 25, № 1. С. 15-26.
4. Johnson M. Constraints on Cortical Plasticity // Brain Development and Cognition. Oxford; Cambridge, 1993. P. 703.
5. Нейрофизиологические основы мышления / Н.П. Бехтерева, Ю.П. Гоголицын, Ю.Д. Кропотов, С.В. Медведев. Л., 1985.
6. Иваницкий Г.А., НиколаевА.Р., Иваницкий А.М. Взаимодействие лобной и левой теменно-височной коры при вербальном мышлении // Физиология человека. 2002. Т. 28, N° 1. С. 5-11.
7. Свидерская Н.Е. Синхронная электрическая активность мозга и психические процессы. М., 1987.
8. Системное взаимодействие кортикальных полей при реализации вербально-мнестической деятельности / М.Н. Цицерошин, А.А. Погосян, Е.И. Г альперина и др. // Физиология человека. 2000. Т. 26, № 6. С. 21-31.
9. Бетелева Т.Г. Нейрофизиологические механизмы зрительного восприятия (онтогенетические исследования). М., 1983.
10. Фарбер Д.А. Развитие зрительного восприятия в онтогенезе // Мир психологии. 2003. № 2(34). С. 114-124.
11. БезрукихМ.М., Морозова Л.В. Методика оценки уровня развития зрительного восприятия детей 5,0-7,5 лет. Руководство по тестированию и обработке результатов. М., 1996.
12. Лукашевич И.П., Мачинская Р.И., Фишман М.Н. Автоматизированная диагностическая система «ЭЭГ эксперт» // Медицин. техника. 1999. № 6. С. 29-34.
13. Наследов А.Д. Математические методы психологического исследования. Анализ и интерпретация данных. СПб., 2007.
14. Князева М.Г., Фарбер Д.А. Формирование межполушарного взаимодействия в онтогенезе. Электрофизиоло-гический анализ // Физиология человека. 1991. Т. 17, № 1. С. 5-17.
15. Suzuki H. Variation of the Regional Relationships in Waking EEG // Recent adv. EEG a. EMG data processing: еd. N. Yamaguchi, K. Fujisawa. Amsterdam, 1981. P. 209-214.
16. Dolce G., Waldeier H. Spectral and Multivariate Analysis of EEG Changes during Mental Activity in Man // EEG and Clin. Neurophysiol. 1974. V 36. P. 577-560.
17. Task-related EEG Asymmetries; a Comparison of Alpha-blocking and Beta-enhancement / A.C. Papanicolaou. D.W. Loring, G. Deutsch et al. // Intern. J. Neuroscience. 1986. V 30. P. 81-85.
18. Vogel W. EEG and mental abilities / W. Vogel, D. Broverman, E. Klaiber // Electroenceph. Clin. Neurophysiol. 1968. V 24. P. 166-175.
19. Королева Н.В., Колесников С.И. Формирование биоэлектрической активности головного мозга у детей в онтогенезе. Иркутск, 2005.
20. Дубровинская Н.В., Фарбер Д.А. Формирование механизмов мозгового обеспечения когнитивных процессов в дошкольном возрасте. СПб., 1999. С. 124-146.
21. Иваницкая Л.Н. Возрастные особенности ЭЭГ человека на отрезке онтогенеза 5-7 лет // Валеология. 2007. № 3. С. 77-85.
22. WrobelA. Beta Activity: a Carrier for Visual Attention // Acta Neurobiol. Exp. (Wars). 2000. Vol. 60, № 2. P. 247-260.
23. Giannitrapani D. The Electrophysiology of Intellectual Functions. Basel, 1985.
24. Соколова Л.С., Мачинская Р. И. Формирование функциональной организации коры больших полушарий в покое у детей младшего школьного возраста с различной степенью зрелости регуляторных систем мозга. Сообщение I. Анализ спектральных характеристик ЭЭГ в покое // Физиология человека. 2006. Т. 32, № 5. С. 5-14.
Zvyagina Natalia
PECULIARITIES OF EEG RHYTHMIC COMPONENTS IN CHILDREN AGED 7-8 YEARS AND ADULTS IN THE COURSE OF VISUAL PERCEPTION
The results of studying the electroencephalogram spectral-frequency characteristics in adults and children aged 7-8 years in the course of visual perception are presented in this paper. Age and sex peculiarities of the wave bioelectric brain processes reorganization during the visual perception realization are revealed.
Контактная информация: e-mail: biolzv@yandex.ru; fc.biology@pomorsu.ru
Рецензент - Соколова Л.В., доктор биологических наук, профессор кафедры биологии и экологии человека Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова
