CC BY
42
2018, том 20 [1]
http://dx.doi.org/10.26787/nydha-2226-7417-2018-20-1-26-32
УДК 612.821
ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ МОЗГОВЫХ СИСТЕМ, ВОВЛЕКАЕМЫЕ В ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОДГОТОВКИ
ДЕЙСТВИЙ
Киреев1'2М.В., Коротков1 А.Д., Машарипов1 Р.С., Медведев1 С.В.
1ФГБУН Институт мозга человека им. Н.П. Бехтеревой РАН, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация 2ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет», г. Санкт-Петербург,
Российская Федерация
Аннотация. Настоящая работа посвящена исследованию мозговых механизмов проактивного когнитивного контроля при изменении характера вовлечения процессов рабочей памяти. Методом функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) с использованием модифицированной исследовательской парадигмы Go/Nogo изучены функциональные взаимодействия между структурами мозга - звеньями мозговых систем, обеспечивающих подготовку к реализации действий. Показано, что планирование действий с опорой на абстрактное правило сочетания сигнального и целевого стимулов связано с изменением функциональных взаимодействий между гораздо большим набором областей по сравнению с условиями планирования действий при ожидании конкретного изображения. Полученные результаты свидетельствуют о том, что не только сам ожидаемый результат, но и способ его достижения отражается в системной организации взаимодействий между вовлекаемыми структурами мозга.
Ключевые слова: функциональная магнитно-резонансная томография, когнитивный контроль, функциональные взаимодействия.
Введение. Изучение мозгового обеспечения процессов управления действиями является одним из актуальных направлений современной психофизиологии. И, несмотря на довольно длительную историю изучения данного вопроса, остается неясным, как именно мозг обеспечивает процессы выбора и подавления целенаправленных действий.
Одним из ключевых понятий при описании целенаправленного поведения является представление о когнитивном контроле (КК), механизме благодаря которому и осуществляется достижение
поставленной поведенческой цели [1]. Как правило, при изучении мозговых механизмов КК основное внимание уделяется исследованию преимущественно функциональной роли отдельных областей мозга (например, передней поясной коры, нижней лобной извилины) путем регистрации изменения их энергетического состояния. Однако при этом остаются неисследованными процессы их функциональных взаимодействий, в ходе которых формируются условия для влияния активности в одной структуре на активность в другой.
~ 26 ~
—--—
Поэтому целью настоящей работы явилось изучение структуры функциональных взаимоотношений между структурами мозга, вовлекаемыми в обеспечение когнитивного контроля. Мозговое обеспечение когнитивного контроля изучалось на примере так называемого проактив-ного когнитивного контроля, ассоциирующегося с процессами подготовки деятельности в соответствии с поставленной поведенческой целью [2].
Методика. В настоящей работе осуществлен дополнительный анализ фМРТ-данных, полученных ранее при исследовании 19 праворуких испытуемых (без жалоб на здоровье, из них 15 женщин) в возрасте от 20 до 32 лет (средний возраст 26.4 лет), выполнявших двустимульный Go/NoGo тест [3,4]. Проведение исследования было одобрено Комитетом по Этике Института мозга человека им. Н.П. Бехтеревой РАН. Письменное информированное согласие было получено у всех испытуемых до начала исследования.
Для моделирования условий вариативности вовлечения рабочей памяти в процессы подготовки действий в настоящей работе использовался модифицированный вариант двустимуль-ного Go/Nogo теста. Данное тестовое задание подразумевает управление реализацией или торможением заранее подготовленного действия (нажатие кнопки) путем последовательного предъявления пары управляющих стимулов С1-С2 зрительной модальности - изображения животных и растений. Перед исследованием испытуемому дается инструкция, при какой последовательности С1-С2 необходимо нажимать кнопку, а при какой последовательности этого не делать. Если в качестве С1 предъявляется изображение растения, то, соответственно, инструкции нажимать кнопку после С2 не требуется. Поэтому во всех остальных пробах, в которых в качестве С1 предъявляется изображение животного, испытуемый готовится действовать. Тип дальнейшей инструкции определял и тип пробы: 1) если действие осуществлялось при предъявлении в качестве С2 изображения животного идентичного С1 (животное-животное), то в этой ситуации предполагалось, что процессы ожидания С2 связаны с вовлечением рабочей зрительной памяти, далее - «Задание 1»; 2)
если действие осуществлялось при предъявлении в качестве С2 изображения растения (животное-растение), то предполагалось, что процессы подготовки действия связаны с формированием абстрактного правила соответствия управляющих стимулов, далее - «Задание 2». Таким образом, создавались условия, при которых планируемое действие тормозится или реализуется либо с опорой на зрительную память (удержание в памяти образа конкретного изображения животного, «Задание 1»), либо с опорой на абстрактное правило соответствия («Задание 2»). Исходя из этого была сформулирована рабочая гипотеза, в соответствии с которой подготовка к действию с применением абстрактного правила должна характеризоваться относительно большим вовлечением структур префронтальной коры в терминах функциональных взаимодействий.
Для проверки этой гипотезы с использованием метода по анализу психофизиологических взаимодействий (generalized psychophysiological interaction [5], gPPI-анализ) оценивались изменения функциональных взаимодействий между структурами мозга, демонстрирующими вовлечение в изучаемую деятельность. Важной особенностью данного методического подхода является возможность обнаружения тех областей мозга, которые вовлекаются в обеспечение деятельности, но при этом не меняют своего энергетического состояния, то есть областей, функциональные взаимодействия которых меняются относительно независимо от характера регистрируемой локальной активности в них (в случае данного исследования фМРТ-сигнала). При анализе психофизиологических взаимодействий функциональные взаимодействия выявляются на основе данных о статистической зависимости между сигналами, зарегистрированными в сравниваемых областях (выбранной областью интереса (ОИ) и каждым вокселем изображения), которая модулируется анализируемыми психологическими процессами и операциями. В данном исследовании выбор ОИ осуществлялся по результатам актива-ционного исследования [6], в котором были обнаружены структуры с относительным повышением
~ 27 ~
—--—
фМРТ-сигнала, связанным с процессами подготовки действия, следующей локализации: хвостатое ядро в левом и правом полушарии (координаты х, у, z: [-9, 8, -2] и [12, 11, 4] соответственно), дополнительная моторная область левого и правого полушария ([-3, -7, 55] и [3, -7, 55]), нижняя
лобная извилина ([-30, 23, 1] и [36, 23, -2]). Построение статистических параметрических карт при групповом анализе данных осуществлялось с использованием программы SPM12 с коррекцией на множественность сравнения по методу FWE с порогом отсечки р <0.05.
Таблица 1
Усиление функциональных взаимодействий, выявленное в сравнении «Задание2> Задание!»
Локализация (ПБ - Поле Бродмана) pFWE* k** Координаты максимума,
Л - левое полушарие, мм
П - правое полушарие x У z
1. ОИ в левой дополнительной моторной области: «Задание 2 > Задание 1»
Л. Верхняя / Средняя височная извилина 0.001 371 -27 -70 34
(22/41 ПБ) / Угловая извилина (39/40 ПБ) / За-
тылочная кора / Предклинье (7/19 ПБ)
Л. Язычная / Веретенообразная извилина 0.001 259 -24 -64 -11
П. Язычная / Веретенообразная извилина 0.001 255 27 -73 -11
Л. Нижняя лобная извилина (44/45/47 ПБ) 0.001 197 -45 29 7
П. Головка хвостатого ядра / Скорлупа / чече- 0.047 108 27 8 -8
вицеобразное ядро
2. ОИ в правой дополнительной моторной области: «Задание 2 > Задание 1»
Л. Нижняя / Средняя лобная извилина 0.001 429 -48 26 7
(9/10/44/45/46/47 ПБ)
Л. Затылочная кора/ Предклинье (7/19 ПБ) / 0.001 250 -36 -55 37
Угловая извилина (39/40 ПБ)
П. Язычная / Веретенообразная извилина 0.004 170 24 -76 -11
Л. Язычная / Веретенообразная извилина 0.011 142 -9 -91 -8
Л. Верхняя / Средняя височная извилина 0.023 123 -51 -40 1
П. Затылочная кора / Предклинье (7/19 ПБ) / 0.025 120 33 -76 28
Угловая извилина (39 ПБ)
Л/П. Медиальная лобная извилина (8 ПБ) 0.033 113 -3 41 49
3. ОИ в правом хвостатом ядре: «Задание 2 > Задание »
Л/П. Язычная извилина (18 ПБ) 0.001 249 21 -82 -5
4. ОИ в правой нижней лобной / островковой коре: «Задание 2 > 1»
Л. Задняя поясная кора (31 ПБ) 0.038 132 -3 -67 28
5. ОИ в правой нижней лобной / островковой коре: «Задание 1 > 2»
Л/П. Передняя поясная кора (24/32 ПБ) 0.036 134 -12 29 34
6. ОИ в левой нижней лобной / островковой коре: «Задание 1 > 2»
Л. Островковая кора (13 ПБ) 0.022 137 -30 8 16
Л. Нижняя лобная извилина (47 ПБ) 0.032 126 -24 32 7
*pFWE - уровень значимости, скорректированный на множественность сравнений по методу контроля групповой вероятности ошибки; **к, размер кластера (количество вокселов).
~ 28 ~
—--—
Рис. 1. Структуры мозга, демонстрирующие усиление функциональных взаимодействий при
подготовке действия.
А) Функциональные взаимодействия, связанные с удержанием в памяти абстрактного правила сочетания категорий стимулов («Задание 2»> «Задание 1») для выбранных ОИ.
Б) Функциональные взаимодействия для выбранных ОИ при ожидании конкретного изображения («Задание 1> Задание 2»). Обозначения: надписи, расположенные над изображениями мозга, обозначают области интереса, с которыми выявлено усиление функциональных взаимодействий; ДМО - дополнительная моторная область.
Результаты. Статистическое сравнение условий «Задание 2»> «Задание 1» показало, что за исключением области интереса в хвостатом ядре левого полушария, практически все ОИ демонстрировали относительное усиление дистантных функциональных взаимодействий со следующими областями мозга: веретенообразная извилина и ассоциативные области затылочной коры, области височной коры, а также префронтальная кора (см. Табл.1 и рис.1А). Обратные сравнения для данных областей интереса не выявили значимых изменений параметров функциональной
связности, за исключением ОИ в правой и левой нижней лобной извилине (см. Табл.1 и рис.1Б).
Обсуждение. Полученный результат раскрывает структуру функциональных отношений между областями мозга, связанными с обеспечением процессов проактивного когнитивного контроля. Конфигурация дистантных отношений между вовлекаемыми структурами мозга, т.е. структура функциональных взаимодействий между ними меняется в зависимости от типа процесса рабочей памяти, с опорой на который осуществляется подготовка действия. Полученный результат развивает представления об операциях
~ 29 ~
—--—
когнитивного контроля, которые были сформулированы на материале ЭЭГ исследований и, в соответствии с которыми реактивный тормозной контроль по-разному обеспечивается мозгом в зависимости от того, ожидает испытуемый конкретное изображение для действия (операция сравнения в рабочей памяти), или действие обеспечивается в результате сопоставления управляющих стимулов [4]. Так, структура функциональных отношений в условиях подготовки действия при удержании в памяти абстрактного правила соответствия характеризуется относительно большим включением звеньев в ассоциативной зрительной коре (веретенообразная извилина), височной и префронтальной коре во взаимодействие с дополнительной моторной корой. И, если выявленные структуры веретенообразной и височной извилины специализированы относительно процессов смыслового восприятия изображений, то дополнительная моторная и префронтальная кора ассоциируются с обеспечением процессов планирования, выбора и контроля реализации действий. Тем самым, по сравнению с ситуацией планирования действия в условиях ожидания конкретного изображения наблюдается расширение системы взаимодействующих звеньев. Таким образом, конфигурация системы обеспечения процессов подготовки действия меняется в зависимости от способа реализации планируемого поведения. Выявленный эффект имеет важное физиологическое значение поскольку структуры мозга, обнаруженные вовлеченными, не проявлялись при анализе локальной активности мозга. Во-первых, полученные данные позволяют говорить о том, что «наблюдаемый ранее при изучении динамической организации мозговых систем эффект относительной независимости между локальной активностью нейронных популяций и характером их функциональных взаимодействий [7] проявляется и на макроуровне в виде реорганизации функциональных отношений между относительно большими территориями мозга» (цит. по [6]). То есть организация мозговых систем гораздо богаче, чем это следует из современных представлений сформировавшихся в основном на данных о локальной активности их звеньев. Во-вторых, в соответствии
с представлениями, развиваемыми в рамках системной психофизиологии [8], ключевым системообразующим фактором в формировании системы обеспечения деятельности является не только ожидаемый результат, но и способ его достижения. Кроме того, установлено, что вышеуказанное изменение типа подготовительных процессов характеризуется изменением набора звеньев, с которыми устанавливаются дистантные функциональные отношения ОИ в правой и левой нижней лобной извилине (см. табл. 1, рис. 1Б). Тем самым подтверждается еще одно положение [9] системной психофизиологии о том, что определяющее значение в представлениях о закономерностях работы функциональных систем имеет не столько специализация звена (нейрона) относительно вида деятельности, сколько его специализация относительно актуализированной в данным момент системы.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований президиума РАН № 19 «Механизмы интеграции молекулярных систем при реализации физиологических функций. Интеграция регуляторных влияний в обеспечении функций организма».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
[1] Miller E.K. An integrative theory of prefrontal cortex function / E.K. Miller, J.D. Cohen // Annu. Rev. Neu-rosci. - 2001. - V. 24, № 1. - P. 167-202.
[2] Braver T.S. Explaining the many varieties of working memory variation: Dual mechanisms of cognitive control / T.S. Braver, J.R. Gray, G.C. Burgess // Variation in working memory. - New York: Oxford University Press, 2007. - P. 76-106.
[3] Kropotov J.D. Functional Neuromarkers for Psychiatry, 1st Edition. Applications for Diagnosis and Treatment / J.D. Kropotov. - Academic Press, 2016. - 498 P.
[4] Kropotov J.D. Differentiation of neuronal operations in latent components of event-related potentials in delayed match-to-sample tasks / J.D. Kropotov, V.A. Ponomarev // Psychophysiology. - 2015. - V. 52, № 6. - P. 826-38.
[5] McLaren D.G. A generalized form of context-dependent psychophysiological interactions (gPPI): a
~ 30 ~
—--—
comparison to standard approaches / D.G. McLaren [et al.] // Neuroimage. - 2012. - V. 61, № 4. - P. 1288-86.
[6] Киреев М.В. Системная организация работы мозга при обеспечении целенаправленного поведения: дис. д-ра. биол. наук: 03.03.01 / М.В. Киреев. - Санкт-Петербург, 2017. - 304 с.
[7] Медведев С.В. Нейрофизиологические корреляты системообразования при мыслительной деятельности: дис. д-ра биол. наук: 03.00.13 / С.В. Медведев. - Ленинград, 1987. - 288 с.
[8] Александров Ю.И. Введение в системную психофизиологию / Ю.И. Александров; под ред. В.Н. Дружинина. - М.: Психология XXI века, 2003. -451 с.
[9] Швырков В.Б. Введение в объективную психологию. Нейрональные основы психики / В.Б. Швырков - М.: Институт психологии РАН, 1995. - 162 с.
ORGANIZATION OF BRAIN SYSTEMS INVOLVED IN ACTION
PREPARATION
Kireev1,2M.V., Korotkov1 A.D., Masharipov1 R.S., Medvedev1 S.V.
'N.P. Bechtereva institute of the human brain of the Russian academy of sciences, Saint Petersburg, Russian Federation 2Saint-Petersburg state university, Saint Petersburg, Russian Federation
Annotation. This work addresses an issue of brain mechanisms underlying proactive cognitive control with involvement of different processes of working memory. Functional interactions between the elements of brain systems involved in action preparation were examined using functional magnetic resonance imaging (fMRI) and modified Go/Nogo test. It was shown that action planning based on the abstract rule of combining cue and target stimulus is associated with a change in functional interactions in a much larger set of areas when compared to action planning based on the waiting for a particular target image. This result shows that not only the expected goal but also the way to achieve it, is reflected in the systemic organization of interactions between the brain structures involved in action preparation. Key words: functional magnetic-resonance imaging, cognitive control, functional interactions.
REFERENCES
[1] Miller E.K. An integrative theory of prefrontal cortex function / E.K. Miller, J.D. Cohen // Annu. Rev. Neu-rosci. - 2001. - V. 24, № 1. - P. 167-202.
[2] Braver T.S. Explaining the many varieties of working memory variation: Dual mechanisms of cognitive control / T.S. Braver, J.R. Gray, G.C. Burgess // Variation in working memory. - New York: Oxford University Press, 2007. - P. 76-106.
[3] Kropotov J.D. Functional Neuromarkers for Psychiatry, 1st Edition. Applications for Diagnosis and Treatment / J.D. Kropotov. - Academic Press, 2016. - 498 P.
[4] Kropotov J.D. Differentiation of neuronal operations in latent components of event-related potentials in delayed match-to-sample tasks / J.D. Kropotov, V.A. Ponomarev // Psychophysiology. - 2015. - V. 52, № 6. - P. 826-38.
[5] McLaren D.G. A generalized form of context-dependent psychophysiological interactions (gPPI): a comparison to standard approaches / D.G. McLaren [et al.] // Neuroimage. - 2012. - V. 61, № 4. - P. 1288-86.
[6] Kireev M.V. Sistemnaja organizacija raboty mozga pri obespechenii celenapravlennogo povedenija [Systemic organization of brain activity underlying goal-directed behavior] dis. of Dr.Sci in Biology: 03.03.01 / M.V. Kireev - Saint-Petersburg, 2017. - 304 P. [in Russian]
[7] Medvedev S.V. Nejrofiziologicheskie korreljaty sis-temoobrazovanija pri myslitel'noj dejatel'nosti [Neu-rophysiological correlates of system formation in mental activity] dis. of Dr.Sci in Biology: 03.00.13 / S.V. Medvedev. - Leningrad, 1987. - 288 P. [in Russian]
[8] Aleksandrov Ju.I. Vvedenie v sistemnuju psihofizi-ologiju [Introduction to Systemic Psychophysiology]
~ 31 ~
/ Ju.I. Aleksandrov; Ed. V.N. Druzhinina. - M.: Psi-hologija XXI veka [Psychology of the 21st Century], 2003. - 451 P. [in Russian]
[9] Shvyrkov V.B. Vvedenie v ob'ektivnuju psihologiju. Nejronal'nye osnovy psihiki [Introduction to objective psychology. Neuronal basis of the psyche] / V.B. Shvyrkov - M.: Institut psihologii RAS [Institute of Psychology RAS], 1995. - 162 P. [in Russian]
—--—
~ 32 ~
