CC BY
97
УДК: 612.822
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕТА РИТМА ЭЭГ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
И.И. Коробейникова
ФГБНУ «Научно-исследовательский институт нормальной физиологии им. П.К. Анохина», г. Москва, Россия
Контактная информация:
Коробейникова Ирина Ивановна - кандидат биологических наук. Место работы и должность: старший научный сотрудник лаборатории нейрокибернетики ФГБНУ «Научно-исследовательский институт нормальной физиологии им. П.К. Анохина». Адрес: 125315, г. Москва, ул. Балтийская, д. 8. Электронный адрес: [email protected]
31 испытуемому (праворукие мужчины, 18-21 год) предлагался модифицированный тест «Установление закономерностей» по результатам которого возможно определить способности к анализу и синтезу зрительной информации. Регистрировали ЭЭГ в исходном состоянии при выполнении теста и после его завершения. Выделены две группы испытуемых с различной успешностью выполнения теста. Основные различия между испытуемыми выделенных групп зарегистрированы в диапазоне тета 1 ряда областей левого полушария головного мозга. Спектральная мощность тета 1 диапазона была выше у успешных испытуемых в исходном состоянии (в О1 - 5,81+0,49 и 3,56+0,28, р=0,001; Р3 - 5,72+0,43 и 4,16+0,47, р=0,025; Б3 - 10,44+1,25 и 6,44+0,68, р=0,008; Т3 - 2,45+0,25 и 1,80+0,14, р=0,032, соответственно в 1-й и 2-й группах). Различия сохранялись на первой и третьей минутах выполнения теста. На основании результатов исследования предполагается, что нижний и верхний уровни диапазона тета-ритма могут иметь различную функциональную значимость и связаны с различной результативностью некоторых интеллектуальных видов деятельности.
Ключевые слова: результат, интеллектуальная деятельность, ЭЭГ, диапазоны тета ритма.
В наших предыдущих исследованиях показано, что преобладание в фоновой ЭЭГ спектральной мощности низкого или высокого диапазонов альфа ритма могут рассматриваться в качестве прогностических критериев результативности выполнения как стереотипных видов деятельности, таких как зрительно-пространственные задачи [7], а также более сложных видов деятельности, позволяющих оценить способность испытуемого к анализу и сравнению, а также логическим построениям. Было выявлено, что при выполнении подобных тестов у испытуемых с исходно высокой спектральной мощностью (СМ) низкочастотного диапазона альфа ритма имело место более высокая исходная СМ тета диапазона ЭЭГ (47 Гц) левого полушария, высокий уровень которой сохранялся при выполнении теста «Установление закономерностей» [3].
Однако большое количество исследований, где проводился анализ поддиапазонов тета ритма, свидетельствуют об их неоднородности. Например, максимальные изменения тета1 и тета2 диапазонов после предъявления значимых стимулов наблюдались на разных временных этапах [5]. Показано, что интенсивность положительных эмоциональных переживаний в условиях медита-
ции положительно коррелирует с ростом тета-1-мощности. В свою очередь, интенсивность мыслительной активности отрицательно коррелирует с изменениями тета2-мощности [1].
В работе С.В. Павлова и соавт. [4] выявлены различные топографические изменения в диапазонах тета1 и тета2 у высоко и низкотревожных испытуемых в ответ на угрожающие и положительные эмоциональные сигналы. Теми же авторами показано, что в нижнем тета диапазоне происходит наиболее раннее различение эмоционального содержания стимула (безотносительно к знаку эмоции), тогда как в тета2 этот процесс оказался отставленным во времени. Сопоставление литературных и собственных исследований позволило предположить, что изменения в тета1 и тета2 диапазонах, подобно диапазонам альфа ритма ЭЭГ, могут иметь различную функциональную значимость.
Целью настоящего исследования было изучение связи спектральных характеристик те-та1 и тета2 диапазонов ЭЭГ с результативностью когнитивной интеллектуальной деятельности человека.
Методика: в исследовании на основе добровольного информированного согласия принял
участие 31 студент (мужчины в возрасте 18-21 года, правши c нормальной остротой зрения). Испытуемому, сидящему в удобном кресле перед монитором, предлагался модифицированный нами тест «Установление закономерностей», суть которого подробно описана в предыдущих публикациях [2]. Время выполнения теста в инструкции испытуемому не оговаривалось, но после 3 минут, работа автоматически завершалась. Рассчитывали коэффициент успешности (КУ) выполнения тестовых заданий по формуле, учитывающей общее число просмотренных цифровых групп и число допущенных при этом ошибок [6].
У испытуемых регистрировали ЭЭГ в исходном состоянии (Ф1), при выполнении теста (1 минута работы) и после завершения тестирования (Ф2). Регистрацию ЭЭГ проводили с помощью электроэнцефалографа «Нейрон-спектр» (г. Иваново) монополярно по схеме "10-20" в затылочных (О2, О1), теменных (Р4, Р3), центральных (С4, С3), лобных (F4, F3) и височных (Т4, Т3) отведениях. Объединенные референтные электроды располагались на мочках ушей. Полоса фильтрации составляла 0,5-35,0 Гц, постоянная времени - 0,32 с. Частота оцифровки сигнала 200 Гц. После регистрации все записи ЭЭГ были перенесены в компьютерную систему анализа и топографического картирования электрической активности мозга «BRAINSYS» для Windows и обработаны с помощью пакета программ «НЕЙРО-КМ» (ООО «Статокин», г. Москва). Спектрально -когерентный анализ безартефактных участков ЭЭГ проводили на основе быстрого преобразования Фурье. Эпоха анализа составляла 4 секунды, при длительности каждого анализируемого фрагмента в 1 минуту. Вычисляли СМ в тета 1 (4-6 Гц) и тета2 (6-8 Гц) диапазонах.
Для статистической обработки полученных данных и представления результатов использовали пакет STATISTICA v.6. Достоверность различий анализируемых показателей у студентов выделенных групп оценивали с помощью дисперсионного анализа "Breakdown and one-way ANOVA". Достоверность изменения значений показателей в разных ситуациях у одной группы испытуемых оценивали с использованием t-критерия для связанных выборок.
Результаты и их обсуждение.
Для выявления физиологических коррелятов индивидуальных различий результативности когнитивной деятельности были выделены группы
студентов достигавшие высокого (1-я группа; КУ > М+т) или низкого (2-я группа; КУ < М-т) результата теста. Более успешного результата теста испытуемые 1-й группы достигали за счет достоверно большего числа правильно отмеченных и большего общего числа просмотренных цифровых групп (табл. 1).
Таблица 1
Результаты теста «Установление закономерностей» у испытуемых 1-й и 2-й групп
Показатели 1 группа 2 группа P=
Коэффициент успешности (у.е.) 35,2±1,57 21,60±1,30 0,000002
Число правильно отмеченных 12,6±0,56 7,66±0,57 0,000006
Число ошибок 2,2±0,89 2,58±0,99 -
Общее число просмотренных 38,1±2,36 23,8±1,76 0,00008
Исходная СМ тета1 диапазона была достоверно выше у студентов 1 -й группы в левых затылочных, теменных, фронтальных и височных областях коры. На первой минуте выполнения теста достоверные различия имели место только в левой затылочной области, на третьей минуте - в теменной и височной областях левого полушария. По исходной СМ тета1 ритма правого полушария студенты выделенных групп не различались. На первой минуте выполнения теста этот показатель был достоверно выше у испытуемых 1 -й группы в теменной и центральной областях коры, на третьей минуте только в теменной области коры (табл. 2).
Исходная СМ тета2 диапазона была достоверно выше у студентов 1 -й группы только левой затылочной области коры. Значимые различия между группами сохранялись в этой же области на первой минуте работы с тестом, на 3 минуте спектральная мощность тета2 ритма у студентов 1-й группы была достоверно выше в теменной и височной отделах коры левого полушария. По выраженности спектральной мощности тета2 диапазона правого полушария испытуемые выделенных групп не различались (табл. 3).
Таким образом, проведенный анализ показал, что основные различия между испытуемыми выделенных групп проявляются в диапазоне тета1 ряда областей коры левого полушария. СМ тета1 была выше у успешных испытуемых уже в исходном состоянии и сохранялась на достоверном уровне на первой (в левой затылочной области) и третьей (левых теменной и височной областях) минутах выполнения теста.
Таблица 2
Спектральная мощность (мкВ 2) тета-1 ритма ЭЭГ у студентов 1-й и 2-й групп (успешные-неуспешные) в исходном состоянии (Фон1), 1 и 3 минутах выполнения теста и после выполнения теста (Фон 2)
ПРАВОЕ полушарие
Этапы О2 Р4 С4 Р4 Т4
деятельн. 1 гр. 2 гр. Р= 1 гр. 2 гр. Р= 1 гр. 2 гр. Р= 1 гр. 2 гр. Р= 1 гр. 2 гр. Р=
Фон 1 7,33± 0,92 5,33± 0,87 - 6,75± 0,82 5,46± 0,78 - 7,17± 0,88 5,93± 0,98 - 8,63± 0,76 8,11± 1,47 - 3,59± 0,96 3,05± 0,62 -
Тест 1 мин 6,79± 0,52 5,58± 0,73 7,24± 0,74 5,15± 0,41 0,018 7,84± 0,97 5,12± 0,48 0,015 8,50± 0,87 6,77± 0,62 3,01± 0,47 2,62± 0,28
Тест 3 мин 6,61± 0,55 5,31± 1,04 7,02± 0,35 5,22± 0,54 0,025 7,79± 0,59 5,91± 0,69 8,70± 0,85 7,52± 0,86 3,10± 0,29 2,74± 0,49
Фон 2 5,83± 0,75 4,67± 0,48 7,45± 1,45 5,20± 0,49 - 7,23± 1,01 5,58± 0,61 - 7,52± 0,71 7,68± 0,84 - 2,99± 0,29 2,42± 0,29 -
ЛЕВОЕ полушарие
Этапы О1 Р3 С3 Р3 Т3
деятельн. 1 гр. 2 гр. Р= 1 гр. 2 гр. Р= 1 гр. 2 гр. Р= 1 гр. 2 гр. Р= 1 гр. 2 гр. Р=
Фон 1 5,81± 0,49 3,56± 0,28 0,0 01 5,72± 0,43 4,16± 0,47 0,025 6,70± 0,51 5,43± 0,83 - 10,44 ± 1,25 6,44± 0,68 0,008 2,45± 0,25 1,80± 0,14 0,0 32
Тест 1 мин 6,90± 0,68 5,20± 0,41 0,0 36 6,63± 0,68 5,08± 0,42 7,74± 0,84 5,84± 0,71 8,85± 0,91 6,58± 0,65 3,13± 0,37 2,16± 0,31
Тест 3 мин 6,53± 0,77 5,94± 1,94 6,42± 0,33 4,86± 0,27 0,017 7,63± 0,58 6,05± 0,41 9,27± 0,71 7,59± 0,40 3,31± 0,18 2,17± 0,12 0,0 05
Фон 2 4,98± 0,79 3,93± 0,38 - 6,54± 1,01 4,59± 0,49 6,66± 0,68 5,64± 0,63 - 8,35± 0,99 7,55± 0,93 - 2,90± 0,26 2,09± 0,24 -
Таблица 3
Спектральная мощность (мкВ 2) тета-2 ритма ЭЭГ у студентов 1 -й и 2-й групп (успешные-неуспешные) в исходном состоянии (Фон1), 1 и 3 минутах выполнения теста и после выполнения теста (Фон 2)
ПРАВОЕ полушарие
Этапы деятельн. О2 Р4 С4 Б4 Т4
1 гр. 2 гр. Р= 1 гр. 2 гр. Р= 1 гр. 2 гр. Р= 1 гр. 2 гр. Р= 1 гр. 2 гр. Р=
Фон 1 5,88± 0,6 6,37± 1,99 5,56± 0,73 6,45± 2,01 5,25± 0,55 7,00± 2,23 5,82± 0,51 8,18± 2,46 2,41± 0,51 4,33± 1,82
Тест 1 мин 5,67± 0,44 5,39± 0,85 4,89± 0,29 4,39± 0,41 4,56± 0,44 4,26± 0,51 5,70± 1,01 5,05± 0,66 1,92± 0,29 2,25± 0,44
Тест 3 мин 5,55± 0,30 5,29± 1,04 4,94± 0,32 4,17± 0,54 4,91± 0,49 4,33± 0,68 5,82± 0,69 5,33± 0,86 2,02± 0,24 2,26± 0,49
Фон 2 6,26± 1,39 4,16± 0,77 7,88± 2,33 4,63± 0,98 6,36± 1,31 5,87± 1,80 6,24± 0,69 7,29± 2,27 2,48± 0,42 2,54± 0,74
ЛЕВОЕ полушарие
Этапы дея-тельн. О1 Р3 С3 Б3 Т3
1 гр. 2 гр. Р 1 гр. 2 гр. Р= 1 гр. 2 гр. Р= 1 гр. 2 гр. Р 1 гр. 2 гр. Р
Фон 1 4,81± 0,62 2,99± 0,26 0,00 9 4,61± 0,56 3,38± 0,55 4,63± 0,56 4,67± 1,06 5,83± 0,75 4,81± 0,75 1,49± 0,12 1,26± 0,16
Тест 1 мин 5,03± 0,63 3,48± 0,22 0,01 9 4,19± 0,31 3,41± 0,25 4,57± 0,42 3,82± 0,41 5,36± 0,51 4,39± 0,49 1,78± 0,18 1,30± 0,16
Тест 3 мин 4,70± 0,62 4,15± 0,77 4,19± 0,28 3,18± 0,28 0,0 22 4,48± 0,37 3,69± 0,41 5,39± 0,41 4,48± 0,40 2,02+ 0,22 1,24± 0,12 0,00 3
Фон 2 5,84± 2,04 2,84± 0,40 6,54± 1,99 4,01± 1,16 6,08± 1,47 5,26± 1,70 5,94± 0,74 5,89± 1,33 1,99± 0,29 1,49± 0,27
В рамках функционально-регуляторного подхода, разрабатываемого в лаборатории Т.А. Строгановой [10], мы рассматриваем тета ритм как индикатор работы модуля внимания. Подтверждением этого положения служат многочисленные экспериментальные работы по изучению вызванной активности мозга, сопровождающей процессы избирательного внимания (парадигма «oddball») [11]. Предполагается, что тета ответ в ЭЭГ отражает высоко сфокусированное внимание, направленное на конкретную мишень и вызываемое внутренней значимостью определенной стимуляции или ее репрезентации в памяти [10].
В рамках настоящего исследования высокая СМ тета ритма, а именно его нижний диапазон (46 Гц), может рассматриваться как механизм избирательного внимания. Внимание, первоначально распределенное, фокусируется на конкретном стимуле (в нашем случае цифровой группе) когда произведена оценка этого стимула по отношению к внутреннему контексту (в нашем случае это код строки) и стимул (согласно инструкции) представляет важность для индивида. Представляет интерес тот факт, что высокорезультативные испытуемые отличаются значимо высокой СМ тета1 уже в исходном состоянии. По данным некоторых авторов присутствие в фоновой ЭЭГ тета волн отражает снижение функциональных возможностей внимания [9]. Мы полагаем, что в 1-й группе
Литература:
1. Голошейкин С.А. Психофизиологический анализ особенностей эмоциональной реактивности у лиц, практикующих медитацию: Автореф. ... канд. биол. наук. - Новосибирск, Типография СО РАМН, 2003.
2. Джебраилова Т.Д., Коробейникова И.И., Каратыгин Н.А., Дудник Е.Н. Динамика параметров альфа активности ЭЭГ и вариабельность сердечного ритма при интеллектуальной деятельности // Физиология человека. - 2015. - Том 41, № 6. - С. 36-48.
3. Коробейникова И.И. Успешность результативной деятельности студентов с различными спектрально-пространственными характеристиками альфа-ритма фоновой ЭЭГ // Академический журнал Западной Сибири. - 2014. - Том 10, № 3 (52). - С. 52.
4. Павлов С.В., Афтанас Л.И., Варламов А.А., Рева Н.В. Анализ вызвано синхронизации и десинхрони-зации ЭЭГ при восприятии угрожающей и положительной эмоциональной информации: влияние фактора личностной тревожности // Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова. - 2004. - № 4. - С. 473-481.
студентов, более высокая СМ именно тета! ритма уже в исходном состоянии, может свидетельствовать о более высокой готовности коры к предстоящему выполнению задания, что является коррелятом высокой результативности данного вида деятельности.
Основные различия между испытуемыми l -й и 2-й групп сфокусированы в основном на левом полушарии головного мозга. Объяснение латеральных эффектов может основываться на представлении о мотивационных системах, обеспечивающих тенденции достижения / избегания, локализованных в лобных и передневисочных областях коры. При этом левые лобные области связаны с тенденциями достижения, а правые с тенденциями избегания, отстранения [8]. Можно предположить, что менее успешные испытуемые 2-й группы отличаются в большей степени ослаблением тенденции достижения, нацеленной на детальное выяснение характера задания, возможно, поэтому у них результат ниже за счёт малого количества просмотренных групп, а не допущенных ошибок.
Таким образом, результаты настоящего исследования позволяют предположить, что нижний и верхний диапазоны тета ритма могут иметь различную функциональную значимость, и связаны с различной результативностью некоторых видов интеллектуальной деятельности.
References:
1. Goloshejkin S.A. Psihofiziologicheskij analiz osobennostej jemocional'noj reaktivnosti u lic, prakti-kujushhih meditaciju: Avtoref. ... kand. biol. nauk. -Novosibirsk, Tipografja SO RAMN, 2003. (In Russ)
2. Dzhebrailova T.D., Korobejnikova I.I., Karatygin N.A., Dudnik E.N. Dinamika parametrov al'fa aktiv-nosti JeJeG i variabel'nost' serdechnogo ritma pri intellektual'noj dejatel'nosti // Fiziologija cheloveka. -2015. - Tom 4l, № 6. - S. 36-48. (In Russ)
3. Korobejnikova I.I. Uspeshnost' rezul'tativnoj dejatel'nosti studentov s razlichnymi spektral'no-prostranstvennymi harakteristikami al'fa-ritma fonovoj JeJeG // Akademicheskij zhurnal Zapadnoj Si-biri. -2014. - Tom lO, № 3 (52). - S. 52. (In Russ)
4. Pavlov S.V., Aftanas L.I., Varlamov A.A., Reva N.V. Analiz vyzvano sinhronizacii i desinhronizacii JeJeG pri vosprijatii ugrozhajushhej i polozhitel'noj jemocional'noj informacii: vlijanie faktora lich-nostnoj trevozhnosti // Zhurnal vysshej nervnoj dejatel'nosti im. I.P. Pavlova. - 2004. - № 4. - S. 473-481. (In Russ)
5. Ребейкина А.Б., Ларионова Е.В., Варламов А.А. Вызванные изменения ритмической активности мозга при переработке зрительно предъявляемых целевых, нецелевых и незнакомых слов // Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова. - 2015.
- Том 65, № 1. - С. 92-104.
6. Столяренко Л.Д. Основы психологии. Практикум. -Ростов-на-Дону: Феникс, 2000. - С. 27-29.
7. Умрюхин Е.А., Коробейникова И.И., Каратыгин Н.А. Успешность выполнения тестовых заданий студентами с различными спектральными характеристиками альфа-ритма фоновой ЭЭГ // Физиология человека. - 2009. - Том 35, № 5. - С. 33-39.
8. Davidson R.J., Jacson D.C., Kalin N.H. Emotion, plasticity, context and regulation: perspectives from affective neuroscience // Psyhol. Bull. - 2000. - Vol. 126. -P. 890-909.
9. Hermens D.F. et al. Resting EEG theta activity predicts cognitive performance in attention deficit hyperactivity disorder // Pediatric Neurology. - 2005. - Vol. 32, № 4.
- P. 248-256.
10. Stroganova T.A., Orekhova E.V. EEG and infant states // Infant EEG and Event Related Potentials. M. de Haan (Ed.). New York: Psychology Press, 2013. - P. 251-287.
11. Van der Molen M.W. Developmental changes in inhibitory processing: evidence from psychophysiological measures // Biological Psychology. - 2000. - Vol. 54. -P. 207-239.
5. Rebejkina A.B., Larionova E.V., Varlamov A.A. Vyzvannye izmenenija ritmicheskoj aktivnosti mozga pri pererabotke zritel'no pred#javljaemyh celevyh, necelevyh i neznakomyh slov // Zhurnal vysshej nervnoj dejatel'nosti im. I.P. Pavlova. - 2015. - Tom 65, № 1. - S. 92-104. (In Russ)
6. Stoljarenko L.D. Osnovy psihologii. Praktikum. - Ros-tov-na-Donu: Feniks, 2000. - S. 27-29.
7. Umrjuhin E.A., Korobejnikova I.I., Karatygin N.A. Uspeshnost' vypolnenija testovyh zadanij studentami s razlichnymi spektral'nymi harakteristikami al'fa-ritma fonovoj JeJeG // Fiziologija cheloveka. - 2009. - Tom 35, № 5. - S. 33-39. (In Russ)
8. Davidson R.J., Jacson D.C., Kalin N.H. Emotion, plasticity, context and regulation: perspectives from affective neuroscience // Psyhol. Bull. - 2000. - Vol. 126. -P. 890-909.
9. Hermens D.F. et al. Resting EEG theta activity predicts cognitive performance in attention deficit hyperactivity disorder // Pediatric Neurology. - 2005. - Vol. 32, № 4. - P. 248-256.
10. Stroganova T.A., Orekhova E.V. EEG and infant states // Infant EEG and Event Related Potentials. M. de Haan (Ed.). New York: Psychology Press, 2013. - P. 251-287.
12. Van der Molen M.W. Developmental changes in inhibitory processing: evidence from psychophysiological measures // Biological Psychology. - 2000. - Vol. 54. - P. 207-239.
SPECTRAL EEG INDICATORS OF THETA-RYTHM AND EFFICIENCY OF INTELLECTUAL ACTIVITY
I. Korobeinikova
Anokhin Institute of Normal Physiology, Moscow, Russia
The modified test known as „Regularity recognition" was offered to 31 men (18-21 years old, right-handers). Test results allows to to determine the abilities for analysis and synthesis of visual information. The EEG was recorded at the beginning, during the experiment and after the test was completed. Two groups of testees were selected according the different success level. Main differences between selected groups were registered in Theta-1 range of several areas of the left hemisphere of the brain.
The testees with better success level have had higher spectral power of Theta-1 range at the beginning of the experiment (01 - 5,81+0,49 and 3,56+0,28, p=0,001; P3 - 5,72+0,43 and 4,16+0,47, p=0,025; F3 - 10,44+1,25 and 6,44+0,68, p=0,008; T3 - 2,45+0,25 and 1,80+0,14, p=0,032, in first and second group accordingly). Differences have been seen during the first and the third minute of test.
According the experiment results we can suspect that low and high Theta-1 ranges may have different functional value and may be associated with different effectiveness of certain kinds of intellectual activities. Keywords: result, intellectual activities, EEG, Theta rythm ranges.
