КОГЕРЕНТНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ МЕЖПОЛУШАРНЫХ ОТНОШЕНИЙ ПРИ ПРОИЗВОЛЬНОЙ МЫСЛИТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ О.М. Бахтин, Е.В. Асланян, Д.М. Лазуренко, В.Н.
1 КОГЕРЕНТНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ МЕЖПОЛУШАРНЫХ ОТНОШЕНИЙ ПРИ ПРОИЗВОЛЬНОЙ МЫСЛИТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ О.М. Бахтин, Е.В. Асланян, Д.М. Лазуренко, В.Н.Кирой НИИ нейрокибернетики, ЮФУ, г. Ростов н/д, Россия. В последние годы стремительно возрастает интерес к изучению нейрофизиологических механизмов и коррелятов (в т.ч., электрографических) произвольной мысленной деятельности человека. Одна из причин этого состоит в попытке создания так называемого Brain-Computer Interface (BCI), способного обеспечить прямое управление внешними техническими устройствами (в т.ч., персональным компьютером) сигналами, регистрируемыми от мозга. Как нам представляется, поиск таких маркеров целесообразно вести с позиций нейродинамического подхода [5, 6], который базируется на представлениях о пространственно-временной синхронизации активности как механизме обучения и кооперативного функционирования нейронных констелляций мозга. Известно, что изменение функционального состояния мозга, активация процессов внимания, памяти, реализация операторских задач и др. приводит к появлению специфических электрографических маркеров. В ряде случаев экспериментально продемонстрировано сходство маркеров, формирующихся, например, при восприятии реальных объектов и их мысленном представлении [1, 4, 9, 12]. Одним из способов идентификации специфических электрографических паттернов, отражающих текущее функциональное состояние мозга и лежащих в основе формирования и реализации мыслительных актов, является расчет функции когерентности как меры функциональной связи активности мозговых структур. С одной стороны, показано, что средний уровень когерентности устойчив в популяции здоровых людей [2] и может служить мерой для оценки «тонуса коры». Тем самым подчеркивается роль классического диапазона ЭЭГ-частот, в котором отражаются типологические особенности структурно-функциональной организации ЦНС и функционирования механизмов регуляции функционального состояния мозга. С другой стороны, для реализации специфических информационных задач ключевое значение приобретают события, происходящие в области более быстрых частот [5], среди которых в последнее время особое внимание уделяется колебаниям гамма-диапазона (свыше 30 Гц) [3, 8, 11]. Предполагается, что именно с участием гамма-активности
2 осуществляются процессы переработки текущей информации, обеспечиваются мультирегиональные взаимодействия, обеспечивающие реализацию текущей деятельности, в том числе, формирование внутренних образов (1, 3, 7]. Учитывая, что произвольная мыслительная деятельность, равно как и восприятие реальных объектов, осуществляется на основе взаимодействия функционально специализацированных областей разных полушарий, есть основания полагать, что при этом должны формироваться специфические пространственно-временные паттерны активности, в т.ч., между симметричными зонами левого и правого полушарий. Попытка идентификации таких паттернов когерентной активности была предпринята нами с использованием оригинальной методики, которая позволяет обследуемому мысленно формировать в произвольные моменты времени заданную последовательность зрительных, вербальных и кинестетических образов. Главным моментом в этой методике является возможность воспроизведения мыслительных процессов в индивидуальном темпе и с индивидуально максимальной скоростью в произвольные моменты времени, которые выбираются самим обследуемым. Процедура воспроизведения зрительных образов включала мысленное оконтуривание актуализируемых из памяти геометрических фигур (Контур), вербальных в виде мысленного проговаривания слов (Слова), кинестетических в мысленном воспроизведении ощущения указанной части тела (Схема). В обследованиях участвовали 8 взрослых праворуких испытуемых в возрасте года. В процессе мыслительной деятельности осуществлялась многоканальная регистрация ЭЭГ-активности по схеме с частотой квантования сигналов с частотой 250 Гц по каждому каналу (система «Энцефалан », элитная версия, «Медиком МТД». г.таганрог, Россия). ЭЭГ-активность отводилась в монополярном режиме от симметричных пар отведений: f3, f4, f7, f8, c3, c4, t3, t4, t5, t6, p3, p4, o1, o2. Референтом служили объединенные электроды, фиксируемые на мочках ушей. Нейтральный электрод располагался в области лба. Одновременно регистрировалась окулограмма от правого глаза. Каждый обследуемый участвовал в эксперименте дважды: первый раз - без регистрации ЭЭГ-активности (предварительное обследование), второй - с регистрацией ЭЭГ-активности. В апостериорном режиме после удаления артефактов мигательного и мышечного происхождения производилась нарезка фрагментов ЭЭГ отдельно для состояния покоя с открытыми глазами (ОГ) и каждого типа деятельности путем обратного отчета от метки, свидетельствующей об окончании выполнения соответствующего задания.
3 Длительность фрагментов, соответствующих выполнению задания, равнялась минимальному временному интервалу, который определялся по результатам предварительного обследования, включающего как отметку об окончании, так и о начале выполнения соответствующего задания. Длительность фрагментов ЭЭГ-эпох в состоянии покоя соответствовала длительности фрагментов при выполнении задания. Все фрагменты, соответствующие определенному типу заданий, автоматически «сшивались» в один фрагмент длительностью с, для которого и рассчитывались значения когерентности для симметричных и внутриполушарных пар отведений в частотных полосах, соответствующих альфа-(8-13 Гц), бета-2-(20-30 Гц) и гамма-(50-70 Гц) ритмам. Массивы вычисленных значений когерентности подвергались Z- преобразованию для подгонки к нормальному распределению. В дальнейшем совокупность данных подвергалась процедуре ANOVA-анализа, в рамках которого использовался метод повторных измерений (Repeated Measures Analysis of Variance). Дизайн процедуры представлял план ПхРхС, где П фактор латеральности (градации: правое / левое полушария); Р фактор ритмов ЭЭГ (градации: альфа / бета 2 / гамма); С фактор повторных измерений, включающий в себя состояния деятельности (градации: ОГ, «Слова», «Контур», «Схема»). Все вычисления осуществлялись относительно всей группы обследуемых. Достоверность влияний основных факторов и их взаимодействия, а также достоверность различий когерентности между парами отведений оценивалась с учетом поправки Гринхауза-Гайзера. Наличие достоверных различий между средними принималось при уровне значимости p<0.05. Уровни значимости в пределах 0.05<p<0.08 рассматривались как тенденция к достоверному различию. Анализ показал наличие достоверных различий по факторам П (полушария), Р (ритмы ЭЭГ), С (состояния) и их взаимодействиям: П: F=6.955, p=0.008; Р: F=27.236, p= ; С: F=42.908, p= ; ПхС: F=3.289, p=0.019; РхС: F=7.100, p= ; ПхРхС: F=3.619, p= Достоверных различий на уровне взаимодействий П (Полушария) и Р (ритмы ЭЭГ) не обнаружено. Последнее могло быть связано с наличием существенных различий ЭЭГ-паттернов, формирующихся при выполнении различных типов заданий. Наличие достоверных различий по фактору С (состояние) свидетельствовало о существовании специфических паттернов когерентной активности, характерных для каждого типа заданий, и послужило основанием для реализации попытки обнаружения констелляций межполушарных и внутриполушарных отведений, взаимодействия
4 которых и определяют разделения состояния ОГ от состояний деятельности, а внутри деятельности различные ее виды. Выявление таких пар отведений производилось для отдельных частотных диапазонов посредством процедуры контрастов (Planned comps). Проведенный анализ показал, что, по сравнению с ОГ, выполнение разных видов мыслительной работы не приводит к сколько-нибудь существенным изменениям когерентности в альфа-частотном диапазоне. Напротив, на бета-2 и особенно гаммачастотах она существенно изменяется, что проявляется в виде достоверного снижения уровня когерентности при мысленной работе разного вида по сравнению с состоянием пассивного бодрствования (рисунок 1). Последнее указывает на то, что выполнение деятельности сопровождается снижением сопряженной активности полушарий и усилением роли специализации полушарий для реализации разных типов работы. Альфа-диапазон Бета-диапазон Гамма-диапазон Рисунок 1. Графическое изображение результатов сравнительного анализа значений межполушарной когерентности ЭЭГ, регистрируемой от симметричных областей правого и левого полушарий в состоянии ОГ и при выполнении мыслительной деятельности. Линиями обозначены пары отведений, когерентность активности которых в ОГ была достоверно выше (p<0.05), чем при выполнении деятельности. Сравнительный анализ когерентности биопотенциалов, регистрируемых в пределах правого и левого полушарий, показал, что как в состоянии ОГ, так и при выполнении заданий различных типов формируются специфические пространственные ритмозависимые паттерны когерентной активности. В ОГ такие паттерны формировались преимущественно на частотах альфа-диапазона и включали лобноцентральные пары отведений право полушария (рисунок 2), что показано и в работах ряда других авторов [1, 13]. При реализации деятельности, связанной с мысленным проговариванием слов и оперированием зрительными образами, отчетливые паттерны формировались в области
5 бета-2 и гамма-частот и включали лобно-центальные и частично затылочные отведения правого полушария, уровень когерентности которых был достоверно выше, чем слева. При этом обнаруживались различия, позволяющие отдифференцировать паттерны, соответствующие внутреннему проговариванию слов, и оперированию зрительными образами. При реализации кинестетических представлений межполушарных различий в паттернах когерентной активности обнаружено не было. Последнее можно было бы связать с тем, что анализировались все задания данного типа без их разделения в соответствии с латерализацией соответствующих ощущений. Однако, и последующее разделение заданий данного типа в соответствии с латерализацией актуализируемых ощущений также не выявило межполушарных различий. Полученные результаты указывают на то, что ряд «центральных состояний», связанных с произвольной мыслительной деятельностью различного содержания, формирует специфические и различимые электрографические патеры в виде когерентных структур, идентификация которых может представлять интерес для целей разработки систем BCI, обладающих существенно большей производительностью, по сравнению с ныне существующими. На основании полученных результатов можно предположить, что в наших условиях обследования характер распределения значений когерентности ЭЭГ был обусловлен, во-первых, характером деятельности, а именно, ее мыслительным статусом, и, во-вторых, типом выполняемого мыслительного задания. При этом обнаруживается, что оперирование зрительными образами и вербальная деятельность оказываются существенно более асимметрично, чем, казалось бы, такая латерализованная деятельность, как формирование кинестетических ощущений. На участие преимущественно структур правого полушария в реализации деятельности, связанной с оперирование различными образами, указывается и в многочисленных других работах [в т.ч., 1, 7]. Складывается впечатление, что в случае мысленного манипулирования даже пространственно разнесенными кинестетическими ощущениями необходимо вовлечение в работу обоих полушарий с сохранением определенного уровня их автономности, на что указывает, в частности, отсутствие повышения уровня межполушарной синхронизации биопотенциалов.
6 1. «ОГ» Альфа-диапазон Бета-диапазон Гамма-диапазон 2. «Слова» Альфа-диапазон Бета-диапазон Гамма-диапазон 3. «Контур» 4. «Схема» Рисунок 2. Графическое изображение результатов сравнительного анализа когерентности активности отведений правого и левого полушарий в состояниях ОГ и различной мыслительной деятельности. Линиями показаны случаи достоверного превышения (p<0.05) когерентности в парах отведений одного полушарий, по сравнению с симметричными.