CC BY
32
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2018 - V. 25, № 3 - P. 49-57
Раздел II
МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ (14.03.00)
Section II
MEDICAL AND BIOLOGICAL SCIENCES (14.03.00)
УДК: 612.821 DOI: 10.24411/1609-2163-2018-16046
ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ©-РИТМА ЭЭГ ЧЕЛОВЕКА И ВРЕМЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗРИТЕЛЬНО-МОТОРНЫХ ЗАДАЧ
Н.А. КАРАТЫГИН, И.И. КОРОБЕЙНИКОВА
ФГБНУ « Научно-исследовательский институт нормальной физиологии им. П.К. Анохина», ул. Балтийская, д. S, г. Москва, 125315, Россия
Аннотация. У испытуемых (n=38, мужчины 20-21 года), регистрировали ЭЭГ по стандартной схеме при выполнении зрительно-моторных задач (компьютеризированный вариант теста Горбова-Шульте). Характеристики ЭЭГ анализировали в соответствии с этапами целенаправленной деятельности испытуемых: исходное состояние с открытыми и закрытыми глазами, выполнение заданий первой серии без звуковой помехи, состояние спокойного бодрствования в период между сериями, выполнение заданий второй серии со звуковой помехой, состояние спокойного бодрствование после выполнения заданий. Предложен новый расчетный показатель лабильности когерентных потенциалов 0-диапазона. Выявлена обратная корреляционная зависимость между показателем лабильности и временными параметрами выполнения заданий. На основе показателя лабильности были выделены две группы испытуемых. У испытуемых 1-й группы с высоким показателем лабильности имели место выраженные изменения количества высококогерентных (Кког>0,6) взаимосвязей 0-диапазона ЭЭГ в соответствии с этапами деятельности, и достоверно более высокая, чем у испытуемых 2-й группы, скорость выполнения заданий. У испытуемых 2-й группы с низким показателем лабильности выраженных изменений количества высококогерентных взаимосвязей не наблюдалось. Были выявлены достоверные различия в структуре когерентных связей у испытуемых выделенных групп.
Ключевые слова: когнитивная деятельность, скорость выполнения заданий, когерентность потенциалов, 0-диапазон ЭЭГ.
Сложные психические функции человека требуют интеграции многих процессов, которые осуществляются в различных корковых зонах [4]. Для выявления этой интеграции и степени функциональной связанности корковых зон в настоящее время широко используется метод анализа когерентности биопотенциалов ЭЭГ [7]. Такая интеграция активности зон коры больших полушарий может быть непосредственно связана с определенными показателями деятельности человека, в том числе со скоростными характеристиками выполнения задач разного типа [12,14].
Однако, как это было продемонстрировано в наших предыдущих исследованиях, во многих случаях наиболее информативным показателем, позволяющим сопоставить показатели
ЭЭГ с характеристиками когнитивной деятельности человека, является не просто степень синхронизации биопотенциалов, а лабильность когерентности потенциалов ЭЭГ между различными областями коры [3]. Под лабильностью мы понимаем изменение количества и структуры когерентных взаимосвязей различных корковых зон в соответствии с этапами обследования. В частности было показано, что именно изменение количества высококогерентных взаимосвязей в разных диапазонах ЭЭГ коррелирует с временными характеристиками достижения результата зрительно-пространственных задач [1]. С другой стороны, успешность и скорость выполнения задач этого типа прямо или косвенно зависит от процессов памяти, коррелятами которых по данным мно-
гочисленных исследований могут являться изменения параметров 0-диапазона ЭЭГ [5,8].
Цель исследования. Исходя из всего вышесказанного, сделано предположение, о том что лабильность когерентности 0-потенциалов ЭЭГ может быть связана с временными характеристиками выполнения зрительно-моторного задания. Проверка этого предположения явилась целью настоящего исследования.
Материалы и методы исследования. В исследовании на основе добровольного информированного согласия участвовали 38 испытуемых (мужчины в возрасте 18-21 года). Процедура обследования соответствовала стандартам локального этического комитета Первого ММГУ им. И.М. Сеченова. В качестве зрительно-моторной задачи использовался компьютеризированный тест Горбова-Шульте (красно-черные таблицы). Обследование состояло из двух серий, каждая из которых включала три задания. Во время обследования испытуемый находился в удобном кресле перед экраном монитора (17 дюймов). На мониторе отображалась таблица (7*7 квадратов), содержащая 24 красных и 25 черных квадратов, на каждом из которых имелся собственный номер. Паттерны расположения квадратов для каждого задания были изначально заданы методом случайной генерации. Для всех испытуемых использовался одинаковый набор паттернов.
В первой серии обследования, на основе предварительной инструкции испытуемый должен был в первом задании (КЧ) выбрать (указать курсором мышки) черные квадраты в порядке возрастания их номеров от (1 до 25), а затем - красные квадраты в порядке убывания номеров (от 24 до 1). Во втором задании (ЧЕРЕД) испытуемый должен был выбрать по очереди черные и красные квадраты, черные в порядке возрастания, а красные в порядке убывания: 1 черный, 24 красный, 2 черный, 23 красный и т.д.
Во второй серии обследования испытуемому предлагали выполнить те же задания в сопровождении голосовой помехи: чтение диктором цифр от 1 до 25 в случайном порядке, не совпадающим с порядком указания испытуемым номеров квадратов и с частотой одна цифра в две секунды.
По результатам выполнения компьютерной задачи для каждого испытуемого вычисляли время между последовательными кликами
по квадратам, величина которого усреднялась по каждому заданию (среднее время клика, мс).
ЭЭГ регистрировали в исходном состоянии при открытых (Ф1ОГ) и закрытых (Ф1ЗГ) глазах, во время выполнения заданий первой серии обследования (КЧ, ЧЕРЕД), в состоянии спокойного бодрствования (Ф2ОГ) в перерыве между первой и второй сериями, во время выполнения заданий второй серии (КЧ голос, ЧЕРЕД голос) и в состоянии спокойного бодрствования после выполнения заданий (Ф2ОГ). ЭЭГ регистрировали с помощью электроэнцефалографа «Нейрон-спектр» (г. Иваново) моно-полярно по схеме «10-20» в затылочных (О2, О1), теменных (Р4, Р3), центральных (С4, С3), лобных (F4, F3) и височных (Т4, Т3) отведениях. Объединённые референтные электроды располагались на мочках ушей. Полоса фильтрации составляла 0,5-35,0 Гц, постоянная времени -0,32 с, режективный фильтр - 50 Гц. После регистрации все записи ЭЭГ были переведены в компьютерную систему анализа и топографического картирования электрической активности мозга «BRAINSYS» для Windows и обработаны с помощью аппаратно - программного комплекса «НЕЙРО-КМ» (ООО «Статокин», г. Москва). Артефакты исключали из анализируемой записи с использованием возможностей программного комплекса BRAINSYS. Спектрально-когерентный анализ ЭЭГ проводили на основе быстрого преобразования Фурье (пакет программ BRAINSYS). Эпоха анализа составляла 4 сек при длительности каждого фрагмента в 1 мин, частота оцифровки - 200 Гц. Для всех пар отведений вычисляли средние значения функции когерентности (Кког) в 0-диапазоне (47 Гц). Для статистической обработки использовался программный пакет STATISTICA v.8.0. При нормальном распределении анализируемых показателей вычисляли среднее значение (M) и стандартную ошибку среднего (m). Достоверность различий анализируемых показателей у испытуемых выделенных групп оценивали с помощью i-критерия для независимых выборок. Достоверность изменения значений показателей в разных ситуациях у одной группы испытуемых оценивали с использованием t-критерия для связанных выборок.
Результаты и их обсуждение. Для каждого испытуемого был рассчитан показатель лабильности (ПЛ) для когерентных взаимосвязей в 0-полосе по формуле: ПЛ=£раб-£фон, где, £раб - это сумма Кког полученных при выпол-
нении всех заданий (КЧ, ЧЕРЕД, КЧ голос, ЧЕРЕД голос), £фон - сумма Кког для всех ситуации спокойного бодрствования (Ф1ЗГ, Ф1ОГ, Ф2ОГ, Ф3ОГ).
Корреляционный анализ выявил наличие достоверных отрицательных связей ПЛ с показателями среднего времени клика во всех предложенных заданиях (КЧ г=-0,445, р=0,005; КЧ голос г=-0,456, р=0,004; ЧЕРЕД г=-0,395, р=0,014; ЧЕРЕД голос г=-0,613, р=0,00004). Среднее время клика при выполнении заданий (КЧ, КЧ голос, ЧЕРЕД, ЧЕРЕД голос) составило: у 1-й группы =1839,3±72,93; 1802,7±56,84; 3669,3±186,67; 3403,3±118,33 мс; у 2-й группы = 2169,8±102,99; 2108,6±113,05; 4177,2±166,47; 4516,1±236,57 мс.
По группе испытуемых в целом среднее значение ПЛ равнялось 4,6±0,78, при индивидуальном разбросе от -7,16 до 14,19. На основании ПЛ было выделено две группы испытуемых (1-я группа М=9,25±0,69 п=15, 2-я группа М=0,50±0,75 п=17).
Было просчитано количество высокодостоверных связей (Кког>0,6) в каждой ситуации обследования.
У испытуемых 1-й группы количество таких связей в фоне при ОГ составило 17,27±1,21 и практически не изменялось при ЗГ (17,07±0,93). При выполнении первого задания (КЧ) количество связей по отношению к Ф1ЗГ достоверно увеличивалось до 21,87±1,27 (р=0,000015). После выполнения первой серии число связей достоверно снижалось с 21,13±1,48 (ЧЕРЕД) до уровня фоновых значений (17,00±1,18, р=0,000003) (Ф2ОГ). При выполнении второй серии работы (задания с голосовой помехой) количество связей по отношению к предшествующему периоду (Ф2ОГ) достоверно увеличивалось, составив 21,07±1,14 (р=0,000024), а сразу после выполнения заданий достоверно снижалось с 20,53±1,27 (ЧЕРЕД гол) до 16,60±1,06 (Ф3ОГ) (р=0,000014).
У испытуемых 2 группы подобной динамики в изменении количества связей на последовательных этапах фона и выполнения заданий как в первой так и во второй серии обследования не наблюдалось (рис.).
Значения Кког 0-диапазона ЭЭГ в различных ситуациях обследования достоверно различающихся у испытуемых 1 и 2 групп представлены в табл.
В исходном состоянии при ОГ и ЗГ (Ф1ЗГ, Ф1ОГ) и ситуации спокойного бодрствования
(Ф2ОГ) достоверных различий между испытуемыми выделенных групп не обнаружено.
Группа 1
Ф10Г Ф13Г КЧ ЧЕРЕД Ф20Г КЧ гол Hff-Efl гол ФЗОГ Этапы обследования
Группа 2
ФТОГ Ф13Г КЧ ЧВ=ед Ф20Г КЧгт ЧВЗВДГОП ФЗОГ Этапы обследования
Рис. Количество высококогерентных связей (Кког>0,6) 0-диапазона у испытуемых 1-й и 2-й групп на различных этапах обследования. Звездочками отмечены достоверные различия между количеством когерентных связей на этапах обследования. Достоверность различий приведена в тексте
При выполнении всех заданий Кког 0-диапазона у испытуемых 1-й группы был достоверно выше чем Кког у испытуемых 2-й группы. При этом достоверные различия между испытуемыми 1-й и 2-й групп наблюдались между левой и правой затылочными и контрлатеральными теменными областями коры (табл.).
В настоящем исследовании предлагаемые задания имели разную сложность. Так, КЧ и КЧ голос были значительно проще, чем задания ЧЕРЕД и ЧЕРЕД голос. Обращает на себя внимание тот факт, что при выполнении более сложных заданий появлялись различия во взаимосодействии биопотенциалов 0-диапазона затылочных зон коры.
В ситуациях с наличием голосовой помехи у испытуемых 1-й группы отмечались достоверно более выраженные чем у испытуемых 2-
й группы межполушарные когерентные взаимоотношения с фокусом активности в левой височной области коры. Это может свидетель -ствовать о большем задействования левого полушария в процессах логического мышления, а также об осуществлении процессов слуховой обработки интерферирующей помехи, затрагивающих зоны височной коры.
Таблица
Коэффициент когерентности 0-диапазона ЭЭГ у испытуемых 1-й и 2-й групп на разных этапах деятельности. Пары отведений, в которых Кког был выше 0,6 выделены жирным шрифтом.
Обобщая приведенные в табл. данные, следует указать, что при выполнении заданий, наибольшие различия между испытуемыми выделенных групп наблюдались в затылочных, теменных и височных областях коры. Если учитывать то обстоятельство, что во многих зрительно-моторных задачах скорость их выполнения зависит от того, насколько хорошо человек может оперировать информацией в рабочей памяти, то описанная картина когерентных взаимосвязей хорошо согласуется с результатами большого количества исследований, про-
веденных на человеке и животных. Так, например, в исследовании с участием почти 300 пациентов с вживленными электродами была составлена карта электрической активности мозга, которая наглядно продемонстрировала, что для успешного осуществления процессов памяти необходима 0-синхронизация различных корковых областей, в первую очередь пре-фронтальной, височной и теменной [13]. В исследовании рабочей памяти у обезьян была прослежена связь между успешностью выполнения заданий на кратковременную память и 0-синхронизацией зрительной (зона V4) и пре-фронтальной коры [10]. В настоящем исследовании имело место увеличение 0-синхронизации затылочных областей при выполнении наиболее сложных заданий (ЧЕРЕД и ЧЕРЕД голос), что согласуются с результатами исследования по выявлению электрофизиологических коррелятов разной когнитивной нагрузки, где показано увеличение 0-активности при увеличении сложности задания [9]. В литературе имеются свидетельства непосредственного влияния 0-ритма на скорость локомоции животных [6], о связи 0-синхронизации и скорости реакции у людей [11]. Основным результатом настоящего исследования явилось установление связи изменения параметров 0-диапазона ЭЭГ и скоростных характеристик деятельности человека.
Таким образом в настоящем исследовании была установлена прямая корреляция между ПЛ и скоростью выполнения задания (обратная корреляция со средним временем клика) и выявлены основные зоны, в которых наиболее ярко проявлялись различия в когерентности полосы 0-ритма между испытуемыми выделенных по ПЛ групп.
Заключение. Предложен новый показатель ЭЭГ активности - показатель лабильности когерентных взаимосвязей. Показано, что ПЛ когерентных взаимосвязей в диапазоне 0-ритма достоверно коррелирует со скоростными характеристиками выполнения зрительно-моторных заданий. Высокие значения ПЛ были характерны для испытуемых, которые выполняли задания с высокой скоростью. Испытуемые выделенных на основе ПЛ групп отличались разной степенью взаимосодействия биопотенциалов 0-диапазона ЭЭГ на разных этапах обследования.
Этапы обследования Отведения Средний Кког по группе 1 Средний Кког по группе 2 Значение р
Ф1ОГ - - - -
Ф1ЗГ - - - -
КЧ О2^3 0,542 0,454 0,0348
О1-Р4 0,602 0,529 0,0287
ЧЕРЕД О2-О1 0,635 0,545 0,0260
О2^3 0,532 0,422 0,0057
О1^4 0,589 0,504 0,0219
F4^3 0,381 0,284 0,0480
F3^4 0,349 0,256 0,0479
Т3^4 0,369 0,236 0,0024
Ф2ОГ - - - -
КЧ голос О2^4 0,827 0,758 0,0432
О2^3 0,540 0,453 0,0078
О2^3 0,375 0,283 0,0319
О1^4 0,597 0,529 0,0307
Р4^3 0,472 0,363 0,0029
С4-Т3 0,457 0,346 0,0108
F4^3 0,397 0,293 0,0180
Т3^4 0,355 0,263 0,0227
ЧЕРЕД голос О2-О1 0,643 0,566 0,0330
О2^3 0,536 0,431 0,0034
О2^3 0,387 0,301 0,0300
О2^3 0,359 0,264 0,0198
О1^4 0,583 0,526 0,0437
Р4^3 0,453 0,360 0,0127
С4^3 0,442 0,356 0,0454
Т3^4 0,347 0,261 0,0293
Ф3ОГ О1-С4 0,363 0,447 0,0483
О1-Т4 0,285 0,356 0,0306
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2018 - V. 25, № 3 - P. 49-57
THE SPATIAL CHARACTERISTICS OF THE 0-RHYTHM OF EEG AND TEMPORAL PARAMETERS
OF EXECUTION OF VISUAL-MOTOR TASKS.
N.A. KARATYGIN, I.I. KOROBEYNIKOVA P.K.Anokhin Research Institute of Normal Physiology, st. Baltiyskaya, building 8, Moscow, 125315, Russia
Abstract. In subjects (38 people, men 20-21 years old) EEG was registered according to the standard scheme when performing the visual-motor task (computerized version of the Gorbov-Shulte test). The characteristics of EEG were analyzed in accordance with the stages of purposeful activity of the subjects: initial state with open and closed eyes, performing tasks of the first series without sound interference, the state of calm waking in the period between the series, performing tasks of the second series with sound interference, the state of calm waking after completing tasks. The new index of lability coherent potential 0-range was proposed. The inverse correlation between lability index and time parameters of tasks execution is revealed. On the basis of lability index, two groups were singled out. Subjects of the 1st group who had a high lability index took place significant changes in the number of high-coherence (Ccoh> 0.6) interrelations of the EEG 0-band in accordance of the stages of activity and reliably higher than in subjects of the 2nd group, speed of performance of tasks. In the subjects of the 2nd group with a low lability index the expressed changes in the number of high-coherence relationships were not observed. Statistically significant differences in the structure of coherent interrelations in the subjects of these groups were revealed.
Key words: cognitive activity, speed performance of tasks, coherence, theta rhythm of EEG.
Complex mental functions of a person require integration of many processes that are occur in different cortical zones [4]. To identify this integration and the degree of functional connectivity of cortical zones, the method of analysis of the coherence of EEG biopotentials is widely used at present [7]. Such integration of the activity of the areas of the cerebral cortex can be directly related to certain indicators of human activity, including speed characteristics of execution of different types of tasks [12,14].
However, as demonstrated in our previous studies, in many cases the most informative indicator that allows comparing EEG indices with the characteristics of human cognitive activity is not just the degree of synchronization of biopotentials, but the lability of EEG potential coherence between different cortical areas [3]. By lability, we mean a change in the number and structure of coherent relationships between different cortical zones in accordance with the stages of the survey. In particular, it was shown that the change in the number of highly coherent interrelations in different EEG bands correlates with the temporal characteristics of achieving the result of visual-spatial tasks [1]. On the other hand, the success and speed of performing tasks of this type directly or indirectly depends on memory processes, correlates of which, according to numerous studies, can be changes in the parameters of the EEG 0-band [5,8].
Purpose of research. Based on all the above, it is assumed that the coherence lability of EEG potentials can be related to the temporal characteristics of the visual-motor task performance. Verification of this assumption was the purpose of this study.
Materials and methods of research. In the
survey on the basis of voluntary informed consent has been involved 38 subjects (men aged 18-21 years). The survey procedure met the standards of the local ethical committee of the Sechenov University. As a visual-motor task a computerized test Gorbova-Schulte (red-black table) was used. The survey consisted of two series, each of which included three tasks. During the examination, the subject was in a comfortable chair in front of the monitor screen (17 inches). The monitor displayed a table (7x7 squares), containing 24 red and 25 black squares, each of which had its own number. Patterns of the location of the squares for each task were initially specified by the method of random generation. The same set of patterns was used for all subjects.
In the first series of the survey, subjects were required in accordance with the instructions to select (with the mouse cursor) black squares in ascending order of their numbers (from 1 to 25) , and then red squares in descending order of numbers (from 24 to 1) in the first task (RB). In the second task (TURN), the test subject had to select
black and red squares in turn, black in ascending order, and red in descending order: 1 black, 24 red, 2 black, 23 red, etc.
In the second series of the survey, the subject was offered to perform the same tasks accompanied by voice interference: speaker reading numbers from 1 to 25 in a random order that does not coincide with the order of the test number of squares with a frequency of one digit in two seconds.
According to the results of the computer task for each subject calculated the time between successive clicks on the squares, the value of which was averaged for each task (average click time, ms).
EEG was recorded in the initial state when the open (F1OE) and closed (F1CE) eyes, during the execution of the tasks of the first series of surveys (RB, TURN), in a state of quiet wakefulness in between the first and second series (F2OE), during the execution of the tasks of the second series (RB voice, TURN voice) and in a state of quiet wakeful-ness, after performing the tasks (F3OE). EEG was recorded using an electroencephalograph "Neuron-spectrum" (Ivanovo) in the monopolar mode according to the "10-20" system from the occipital (O2, O1), parietal (P4, P3), central (C4, C3), frontal (F4, F3) and temporal (T4, T3) derivations. Linked earlobe electrodes served as a reference electrode. The filtration band was 0,5-35,0 Hz, time con-stant-0,32 s, band-stop filter-50 Hz. After registration all records of EEG were transferred to computer system of the analysis and topographic mapping of electrical activity of brain "BRAINSYS" for Windows and processed by means of a hardware -software complex "NEURO-KM" (OOO Statokin, Moscow). The artifacts were excluded from the analyzed record using the capabilities of the BRAINSYS software package. Spectral-coherent EEG analysis was performed on the basis of fast Fourier transform (BRAINSYS software package). The epoch of the analysis was 4 seconds for the duration of each fragment in 1 min, digitization frequency - 200 Hz. For all pairs of channels, the mean values of the coherence function (Ccoh) in the 0-range (4-7 Hz) were calculated. For statistical processing was used the software package STATISTICA V. 8.0. With the normal distribution of the analyzed parameters, the mean (M) and standard error of the mean (m) were calculated. Reliability of the differences in the analyzed parameters in the subjects of the selected groups was estimated using the t-test for independent sam-
ples. Reliability of changing the values of the indicators in different situations in one group of subjects was estimated using the t-criterion for the dependent samples.
Results and discussion. For each subject, the lability index (LI) was calculated for coherent relations in the 0-band according to the formula: LI = £work - ^background, where, £ work is the sum of Ccoh obtained in the performance of all tasks (RB, TURN, RB voice, TURN voice), ^background - the amount Ccoh for all situations of quiet wakefulness (F1CE, F1OE, F2OE, F3OE).
Correlation analysis revealed the presence of reliable negative links LI with the average time of click in all the proposed tasks (RB r = -0,445, p=0.005; RB voice r = -0,456, p=0,004; TURN r = -0,395, p=0,014; TURN voice r = -0,613, p=0,00004). The average time of a click when performing tasks (RB, RB voice, TURN, TURN voice) was as follows: 1st group =1839,3±72,93; 1802,7±56,84; 3669,3±186,67; 3403,3± 118,33 ms; 2nd group = 2169,8±102,99; 2108,6±113,05; 4177,2±166,47; 4516,1±236,57 ms.
For the group of subjects in general, the average value of LI is equal to 4,6±0,78, the individual variation from -7,16 to 14,19. On the basis of LI were allocated two groups of subjects (1st group M=9,25±0,69 n=15, 2nd group M=0,50±0,75 n=17).
The number of highly reliable relations (Ccoh>0,6) in each survey situation was calculated.
In subjects of the 1st group the number of such relations in the background with OE was 17,27±1.21 and almost did not change at CE (17,07±0,93). When performing the first task (RB) the number of relations with respect to F1CE increased reliably to 21,87±1,27 (p=0,000015). After performing the first series the number of relations was significantly reduced from 21,13±1,48 (TURN) to the level of background values (17,00±1,18, p=0,000003) (F2OE). When performing the second series of work (tasks with voice interference), the number of connections relative to the previous period (F2OE) was significantly increased, reaching 21,07±1,14 (p=0,000024), and immediately after the assignments was reliably decreased from 20,53±1,27 (TURN voice) to 16,60±1,06 (F3OE) (p=0,000014).
In the subjects of 2nd groups such dynamics in the change in the number of connections at successive stages of the background and the tasks execution both in the first and in the second series of the survey were not observed (Fig.).
Group 1
F10E F1CE RB ТШ F20E RB voice TURN voice F30E Stages ofttesu^ey
Group 2
F10E F1CE R6 TURN F20E RB voice TURN voice F30E SJages ofthesuivey
Fig. The number of high-coherence connections (Ccoh> 0,6) of the 0-range in the subjects of the 1st and 2nd groups at different stages of the survey. The asterisks show reliable differences between the number of coherent connections at the stages of the survey. The reliability of the differences is given in the text.
The values Ccoh 0-band EEG in different survey situations significantly different in subjects 1st and 2nd groups are presented in the table.
In the initial state when the OE and CE (F1CE, F1OE) and in the situation of quiet wakefulness (F2OE) there were no significant differences between the subjects of the selected groups.
In all situation of task execution Ccoh in 0-range in the subjects of the 1st group was reliably higher than that in the subjects of the 2nd group. Herewith, reliable differences between the subjects of the 1st and 2nd groups were observed between the left and right occipital and contralateral parietal cortex areas (table).
In this study, the proposed tasks had different complexity. So, RB and RB voice were much easier than tasks TURN and TURN voice. Attention is drawn to the fact that when performing more complex tasks, differences appeared in the interaction of the biopotentials of the 0-band of the occipital cortical zones.
Table
Coefficient of the EEG 0-band coherence in the subjects of the 1st and 2nd groups at different stages of survey. The pairs of EEG derivations in which Ccoh was above 0,6 are shown in bold
Stages of the survey The pairs of EEG derivations Average Ccoh by group 1 Average Ccoh by group 2 P value
F1OE - - - -
F1CE - - - -
RB О2-Р3 0,542 0,454 0,0348
О1-Р4 0,602 0,529 0,0287
TURN О2-О1 0,635 0,545 0,0260
О2-Р3 0,532 0,422 0,0057
О1-Р4 0,589 0,504 0,0219
F4-T3 0,381 0,284 0,0480
F3-T4 0,349 0,256 0,0479
T3-T4 0,369 0,236 0,0024
F2OE - - - -
RB voice О2-Р4 0,827 0,758 0,0432
О2-Р3 0,540 0,453 0,0078
О2-Т3 0,375 0,283 0,0319
О1-Р4 0,597 0,529 0,0307
Р4-Т3 0,472 0,363 0,0029
С4-Т3 0,457 0,346 0,0108
F4-T3 0,397 0,293 0,0180
Т3-Т4 0,355 0,263 0,0227
TURN voice О2-О1 0,643 0,566 0,0330
О2-Р3 0,536 0,431 0,0034
О2-С3 0,387 0,301 0,0300
О2-Т3 0,359 0,264 0,0198
О1-Р4 0,583 0,526 0,0437
Р4-Т3 0,453 0,360 0,0127
С4-Т3 0,442 0,356 0,0454
Т3-Т4 0,347 0,261 0,0293
F3OE О1-С4 0,363 0,447 0,0483
О1-Т4 0,285 0,356 0,0306
In situations with the presence of voice interference, the subjects of the 1st group had reliably more pronounced interhemispheric coherent relationships with the focus of activity in the left temporal region of the cortex, than the 2nd group subjects. This may indicate a greater involvement of the left hemisphere in the processes of logical thinking, as well as the implementation of processes of auditory processing interference affecting the temporal cortex.
Summarizing the data given in the table, it should be noted that when performing tasks, the greatest differences between the subjects of the selected groups were observed in the occipital, parietal and temporal cortex areas. Taking into ac-
count the fact that in many visual-motor tasks the speed of their performance depends on how well a person can operate with information in the working memory, the described picture of coherent relationships is in good agreement with the results of a large number of studies conducted on humans and animals. For example, in a study involving almost 300 patients with implanted electrodes, a map of brain electrical activity was compiled, which clearly demonstrated that for the successful implementation of memory processes, 0-synchronization of various cortical areas, primarily prefrontal, temporal and parietal is necessary [13]. In the study of working memory in monkeys the connection between the success of short-term memory tasks and 0-synchronization of visual (zone V4) and prefrontal cortex was shown [10]. In the present study, there was an increase in 0-synchronization of occipital areas in the performance of the most complex tasks (TURN and TURN voice), which is consistent with the results of the study to identify electrophysiological correlates of different cognitive load, which shows an increase in 0-activity with an increase in the complexity of the task [9]. There is evidence in the lite-
Литература
1. Джебраилова Т.Д., Коробейникова И.И., Каратыгин Н.А. Лабильность структуры когерентных взаимосвязей биопотенциалов в диапазонах основных ритмов ЭЭГ и эффективность интеллектуальной деятельности человека // Академический журнал Западной Сибири. 2014. Т.10, №3(52). С. 58-60.
2. Коробейникова И.И., Каратыгин Н.А., Венерина Я.А.,Бирюкова Е.В. Усвоение ритма световых мельканий и результативность интеллектуальной деятельности // Тюм.Мед. Ж. 2017. Т.19, №2. С. 37-43.
3. Судаков К.В., Джебраилова Т.Д., Коробейнико-ва И.И., Каратыгин Н.А. Геометрические образы (обзоры) когерентных взаимоотношений биопотенциалов различных частотных диапазонов ЭЭГ в динамике целенаправленной деятельности человека //Российский физиологический журнал. 2013. Т.99, В.6. С. 706-718.
4. Хрестоматия по нейропсихологии. под редакцией Хомской Е.Д. 3-е изд. СПб.: Питер, 2010. 992 с.
5. Backus A.R., Schoffelen J.M., Szebenyi S., Hanslmayr S., Doeller C.F. Hippocampal-prefrontal
rature of the direct influence of the 0-rhythm on the rate of locomotion of animals [6], on the connection of 0-synchronization and the reaction rate in humans [11]. The main result of the present study was to establish the relationship between changes in the parameters of the EEG 0-band and speed characteristics of human activity.
Thus, in this study, a direct correlation between LI and the speed of the task execution (inverse correlation with the average click time) was established and were revealed the main zones, in which the differences in the coherence in the range of 0-rhythm between the subjects of the groups separated by LI were most pronounced.
Conclusion. We proposed new measure of EEG activity — a lability index of the coherent relationships. It is shown that LI of coherent interrelations in the range of 0-rhythm reliably correlates with speed characteristics of performance in visual-motor tasks. High values of LI were typical for subjects who performed tasks with high speed. The subjects of the LI-based groups differed in different degree of interaction of biopotentials of the 0-band of EEG at different stages of the survey.
References
1. Dzhebrailova TD, Korobeinikova II, Karatygin NA. Labil'nost' struktury kogerentnyh vzaimosvyazej biopotencialov v diapazonah osnovnyh ritmov EEG i ehffektivnost' intellektual'noj deyatel'nosti chelove-ka. Akademicheskij zhurnal Zapadnoj Sibiri. 2014;10(3):58-60. Russian.
2. Korobeinikova II, Karatygin NA, Venerina YA, Birukova EV. Usvoenie ritma svetovyh mel'kanij i re-zul'tativnost' intellektual'noj deyatel'nosti. Tyu-menskij medicinskij zhurnal. 2017;19(2):37-43. Russian.
3. Sudakov KV, Dzhebrailova TD, Korobeinikova II, Karatygin NA. Geometricheskie obrazy (obzory) koge-rentnyh vzaimootnoshenij biopotencialov razlichnyh chastotnyh diapazonov EEG v dinamike celenaprav-lennoj deyatel'nosti cheloveka. Rossijskij fiziologi-cheskij zhurnal. 2013;99(6):706-18. Russian.
4. Hrestomatiya po nejropsihologii. pod redakciej Homskoj E.D. 3-e izd. SPb.: Piter. 2010. Russian.
5. Backus AR, Schoffelen JM, Szebényi S, Hanslmayr S, Doeller CF. Hippocampal-prefrontal theta oscilla-
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2018 - V. 25, № 3 - P. 49-57
theta oscillations support memory integration. // Current Biology. 2016. Vol.26, No 4. P. 450-457.
6. Bender F., Gorbati M., Cadavieco M.C., Denisova N, Gao X., Holman C., Korotkova T., Ponomarenko A. Theta oscillations regulate the speed of locomotion via a hippocampus to lateral septum pathway. // Nature communications. 2015. Vol. 6. Р. 8521.
7. Bastos A.M., Schoffelen J.M. A tutorial review of functional connectivity analysis methods and their interpretational pitfalls. // Frontiers in systems neuroscience. 2016. Vol. 9. P. 175.
8. Colgin L.L. Mechanisms and functions of theta rhythms//Annu. Rev. Neurosci. 2013. Vol. 36. P. 295312.
tions support memory integration. Current Biology. 2016;26(4):450-7.
6. Bender F, Gorbati M, Cadavieco MC, Denisova N, Gao X, Holman C, Korotkova T, Ponomarenko A. Theta oscillations regulate the speed of locomotion via a hippocampus to lateral septum pathway. Nature communications. 2015;6:8521.
7. Bastos AM, Schoffelen JM. A tutorial review of functional connectivity analysis methods and their interpretational pitfalls. Frontiers in systems neuroscience. 2016;9:175.
8. Colgin LL. Mechanisms and functions of theta rhythms. Annu. Rev. Neurosci. 2013;36:295-312.
9. Fournier L.R., Wilson G.F., Swain C.R. Electrophysiological, behavioral, and subjective indexes of workload when performing multiple tasks: manipulations of task difficulty and training // International Journal of Psychophysiology. 1999. Vol. 31, No 2. P. 129-145.
9. Fournier LR, Wilson GF, Swain CR. Electrophysiological, behavioral, and subjective indexes of workload when performing multiple tasks: manipulations of task difficulty and training. International Journal of Psychophysiology. 1999;31(2):129-45.
10. Liebe S., Hoerzer G. M., Logothetis N. K., Rainer G. Theta coupling between V4 and prefrontal cortex predicts visual short-term memory performance. // Nature neuroscience. 2012. Vol.15, No 3. P. 456.
10. Liebe S, Hoerzer GM, Logothetis NK, Rainer G. Theta coupling between V4 and prefrontal cortex predicts visual short-term memory performance. Nature neuroscience. 2012;15(3):456.
11. Papenberg G., Hämmerer D., Müller V., Linden-berger U., Li S.C. Lower theta inter-trial phase coherence during performance monitoring is related to higher reaction time variability: a lifespan study // Neurolmage. 2013. Vol. 83. P. 912-920.
11. Papenberg G, Hämmerer D, Müller V, Linden-berger U, Li SC. Lower theta inter-trial phase coherence during performance monitoring is related to higher reaction time variability: a lifespan study. Neurolmage. 2013;83:912-20.
12. Silberstein R.B., Song J, Nunez P.L., Park W. Dynamic sculpting of brain connectivity is correlated with performance //Brain Topogr. 2004. Vol. 16. No 4. P. 249 -254.
12. Silberstein RB, Song J, Nunez PL, Park W. Dynamic sculpting of brain connectivity is correlated with performance //Brain Topogr. 2004;16(4):249-54.
13. Solomon E. A., Kragel J. E., Sperling M. R., Sharan A., Worrell G., Kucewicz M., Inman C. S., Lega B., Davis K. A., Stein J. M., Jobst B. C., Zaghloul K. A., Sheth S. A., Rizzuto D. S., Kahana M. J. Widespread theta synchrony and high-frequency desynchronization underlies enhanced cognition. // Nature Communications. 2017. Vol. 8, No 1. P. 1704.
13. Solomon EA, Kragel JE, Sperling MR, Sharan A, Worrell G, Kucewicz M, Inman CS, Lega B, Davis KA, Stein JM, Jobst BC, Zaghloul KA, Sheth SA, Rizzuto DS, Kahana MJ. Widespread theta synchrony and high-frequency desynchronization underlies enhanced cognition. Nature Communications. 2017;8(1):1704
14. Watrous A.J., Fried I., Ekstrom A.D. Behavioral correlates of human hippocampal delta and theta oscillations during navigation. // Journal of Neurophy-siology. 2011. Vol. 105, No 4. P. 1747-1755.
14. Watrous AJ, Fried I, Ekstrom AD. Behavioral correlates of human hippocampal delta and theta oscillations during navigation. Journal of Neurophysiology. 2011;105(4):1747-55.
