Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

ЛОКАЛИЗАЦИЯ АЛЬФА-АКТИВНОСТИ ЭЭГ ПРИ РАЗНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ КОГНИТИВНОЙ ЗАДАЧИ

Корюкалов Ю.И. 1
1 ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет»
Проведен анализ биотоков коры больших полушарий по данным ЭЭГ при выполнении когнитивной задачи по вычитанию в уме. Исследование проводили на испытуемых 24-35 лет, группу наблюдения составили нетренированные лица, регулярно практикующие психофизические упражнения (ПФР); контрольную группу – не занимающиеся саморегуляцией. Показано, что в группе наблюдения отмечался достоверный рост альфа-активности в лобно-центральных и височных отведениях преимущественно правого полушария. При этом наиболее выраженная альфа-активность у большинства медитаторов отмечалась на частоте 11-12 Гц, в отличие от 9,5-10,5 Гц у испытуемых контрольной группы. Лица, занимающиеся ПФР, достоверно лучше выполнили задание, что сопровождалось большей выраженностью в альфа-ритме межполушарных связей в лобных и центральных отведениях. Независимо от группы низкие показатели при выполнении когнитивной задачи на вычитание в уме были у лиц с отсутствием фокуса альфа-активности в центрально-теменной зоне и высокими показателями индекса бета-ритма (более 50%) преимущественно левой височной зоны. Высокие же показатели отмечались у лиц с фокусом альфа-активности в центрально-затылочных отведениях и локализацией бета-ритма в лобных и затылочных отведениях. Наши данные свидетельствуют в пользу существующей роли альфа-ритма в когнитивной деятельности и мысленной (не визуальной) концентрации внимания на выполнении задачи.
биотоки мозга
межполушарные связи
функциональные состояния
релаксация
когнитивная деятельность
альфа-ритм
электроэнцефалография
1. Горев А.С. Возрастные особенности нейрофизиологического обеспечения процессов произвольной регуляции функционального состояния у детей 10-11 лет // Новые исследования. - 2013. - Вып. № 4 (37). - С. 102-114.
2. Корюкалов Ю.И. Динамика биотоков мозга при концентрации внимания и визуализации во время релаксации // Вестник Челябинского государственного университета. - 2014. - № 4 (333). - С. 49-56.
3. Мачинская Р.И. Нейрофизиологические механизмы произвольного внимания: аналитический обзор // ЖВНД. – 2003. – Т. 53, № 2. – С. 133-150.
4. Bunge S.A. Immature frontal lobe contributions to cognitive control in children: evidence from fMRI. / Bunge S.A., Dudukovic N.M., Thomason M.E., Vaidya C.J., Gabrieli J.D.E. // Neuron. - 2002. - 33. - Р. 301–311.
5. Burbaud P., Degreze P., Franconu J.M. Lateralization of prefrontal activation during internal mental cal¬culation: a functional magnetic resonance imaging study // J. Neurophysiol. - 1995. - V. 75. - P. 2194.
6. Dehaene S., Spelke E., Pinel P. et al. Sources of mathematical thinking: Behavioral and brain-imaging evidece // Sciecne. - 1999. - V. 284. - P. 970.
7. Haxby J.V., Hoffman E.A., and Gobbini M.I. The distributed human neural system for face perception // Trends in Cognitive Sciences. - 2000. – 4. – Р. 223–233.
8. Jones S.R., Pinto D.J., Kaper T.J., Koppell N. Alpha-frequency rhythms desynchronize over long cortical distances: a modeling study // Comput. Neuroscience. – 2000. – V. 9. – P. 271-291.
9. Klimesch W., Sauseng P., Hanslmayr S. EEG alpha oscillation: The inhibition-timing hypothesis // Brain Res. Rev. – 2007. - V. 53. – Р. 63–88.
10. Popova T.V. Some of the brain mechanisms of the state of induced relaxation / Popova Tatiana Vladimirovna, Koryukalov Yury Igorevich, Kourova Olga Germanovna // Advances in Bioscience and Bioengineering. Ulrich's, ELSEVIER. - 2014. – 2 (2). - Р. 8-13. Published online July 30, 2014 (http://www.sciencepublishinggroup.com/j/abb).
11. Schuher F., Schellenherg R., Dimpjd W: Reflection of mental exercise in the dynamic quantitative topographi¬cal EEG // Neuropsychobiology. - 1995. - V. 31. - № 2. - P. 98.
12. Sterman M.B. and Mann C.A. Concepts and applications of EEG analysis in aviation performance evaluation // Biol. Psychol. – 1995. – 40.- Р. 115-130.

В литературе приводятся разные точки зрения на функциональную роль альфа-ритма электроэнцефалограммы, его роль в разных когнитивных процессах. Изменения в альфа-ритме при решении различных задач связывают с процессами внимания или психоэмоциональным напряжением [12]. Выявлена роль бета-активности в когнитивных и эмоциональных процессах, альфа-активности – в связи с уровнем внимания, воображения и визуализации [10].

Модуляция альфа-ритма связана с активностью ядер таламуса и выраженностью таламо-кортикальных связей [8]. Практика же релаксационных состояний развивает формирование таламо-кортикальных функциональных связей [1; 2; 8], благодаря чему обеспечивается синхронизация взаимодействия разных отделов коры в альфа-диапазоне.

Некоторые исследователи высказывают предположение о важной роли альфа-ритма в объединении мозговых структур при различных видах когнитивной или сенсорной деятельности. Р. Мачинская, рассматривая гипотезу о соотношении различных ритмогенных механизмов в процессе обработки информации, высказывает предположение, что «…при произвольном избирательном внимании управляемые ритмогенные альфа-сети формируют основу функциональной системы будущей когнитивной деятельности в соответствии с внутренним планом или инструкцией» [3].

Понимание особенностей функциональной организации нейронной активности при разной эффективности решения когнитивной задачи лиц 24-35 лет необходимо для научного обоснования, разработки средств и техник повышения эффективности когнитивной деятельности взрослых, для их возможного применения в разных профессиональных сферах.

Цель настоящего исследования состояла в изучении локализации альфа-ритма биоэлектрической активности мозга при разной по эффективности когнитивной деятельности у лиц 24-35 лет.

Методика исследования

Испытуемыми являлись аспиранты, преподаватели и выпускники ЮУрГУ в возрасте от 24 до 35 лет (всего 28 человек). Группу наблюдения составили нетренированные лица 25-35 лет, регулярно практикующие психофизические упражнения (ПФР) (I группа, 12 человек); контрольную группу – испытуемые того же возраста (24-35 лет) и пола, не занимающиеся саморегуляцией (II группа, 16 человек).

При помощи прибора «Нейрон-Спектр» («Нейрософт», Россия; РУ № ФСР 2009/04073, декларация соответствия № РОСС RU.ИМ18.Д00513) осуществляли многоканальную регистрацию ЭЭГ с 16 чашечными электродами, соединенными с ушными электродами и локализованными в соответствии с системой 10-20. Производили несколько функциональных проб: фоновая запись с открытыми глазами (ФЗ), закрывание глаз (ЗГ), решение арифметической задачи по вычитанию (про себя) из 200 поочередно 5 и 2. Частота квантования ЭЭГ составляла 250 Гц. Компьютерная электроэнцефалография включала спектральный, периодометрический, корреляционный и когерентный анализ, осуществляемый по программному обеспечению фирмы-разработчика.

Результаты

Анализ фоновой биоэлектрической активности мозга в состоянии покоя при открытых глазах (ФЗ) выявил определенные различия у медитаторов и испытуемых контрольной группы. Так, почти у всех медитаторов на электроэнцефалограммах выявлена альфа-активность в фоновой записи с открытыми глазами (рис. 1), в отличие от испытуемых контрольной группы, у которых она выявлялась лишь в 1/3 случаев. В контрольной группе средняя амплитуда альфа-ритма составляла 12-15 мкВ, индекс альфа-ритма находился в пределах 5-10%, в группе медитаторов амплитуда и индекс альфа-ритма в среднем были на 25-40% больше и составляли, соответственно, 15-25 мкВ и индекс в 15-30%.

Доминирующая частота в обеих группах составила 10-10,5 Гц, хотя у медитаторов в лобно-центральных отделах полушарий, в отличие от испытуемых контрольной группы, наблюдался в спектре второй пик мощности на частоте 8±0,8 Гц. Выявленные два пика альфа-активности синхронно перемещались при изменении фокуса альфа-активности. Т.е. у медитаторов в покое выражена активность нескольких генераторов альфа-активности на разной частоте в одних и тех же отведениях.

А В

Рис. 1. Выраженность альфа-ритма в передних отделах полушарий у медитаторов при открытых (А) и закрытых (В) глазах (спектр и частоты, М:2). Левый график (А) – выделены пики альфа-активности на 7,2 и 10,5 Гц, правый (В) – пики на частоте 7 и 11 Гц (Ш-ва, 28 лет). Обозначения: Fp1, Fp2 - фронтальные; C3, C4 – центральные;

T3, T4 – височные; O1, O2 – затылочные отведения

Анализ спектра альфа-активности при закрытых глазах (ЗГ) у медитаторов выявил выраженные пики спектральной мощности как в затылочных, так и в лобно-центральных отделах, при этом у большинства медитаторов мощность альфа-ритма была выражена в лобно-центральных отведениях лишь немного меньше, чем в затылочных (рис. 1). У испытуемых же контрольной группы альфа-активность прослеживается в основном лишь в затылочных областях; у большей части испытуемых в фоновой записи с закрытыми глазами она преобладает в отведениях левого полушария.

Интересно и то, что у 2/3 медитаторов веретена альфа-ритма при закрытых глазах в среднем длиннее на 20-35%, а паузы между веретенами значительно меньше, чем у испытуемых контрольной группы.

Таким образом, для медитаторов, в отличие от испытуемых контрольной группы, в фоновой записи с открытыми глазами свойственно наличие альфа-активности, характеризующейся значительным индексом ритма в передних отделах полушарий. Кроме того, у медитаторов отмечается наличие в спектре альфа-ритма второго – медленно-частотного пика в диапазоне 8±0,8 Гц.

При этом рисунок волн альфа-ритма у медитаторов более гармоничный, чем у не практикующих методы психорегуляции, что выражается в более длинных веретенах альфа-ритма и меньших «паузах» между ними, чем у испытуемых контрольной группы.

Спектральный анализ биоэлектрической активности мозга при выполнении когнитивного теста на вычитание в уме выявил определенные различия у медитаторов и испытуемых контрольной группы. Так, при выполнении простого когнитивного задания по мысленному вычитанию у большинства испытуемых контрольной группы не наблюдалось роста альфа-активности. У испытуемых, решивших за меньший период времени поставленную перед ними задачу, напротив, отмечалось существенное повышение альфа-активности с увеличением её амплитуды в центрально-затылочных отведениях правого полушария. В целом по группе доминирующими отведениями в альфа-диапазоне являлись центрально-теменные области обоих полушарий.

В группе лиц, занимающихся релаксационными психофизическими упражнениями (ПФР), отмечался достоверный рост альфа-активности в лобно-центральных и височных отведениях преимущественно правого полушария. При этом наиболее выраженная альфа-активность у большинства медитаторов отмечалась на частоте 11-12 Гц, в отличие от 9,5-10,5Гц у испытуемых контрольной группы. При этом второй пик альфа-ритма у медитаторов также отмечался в диапазоне 8±0,8 Гц (рис. 2).

Рис. 2. График спектрального анализа Вычитание в уме - Фоновая запись, 11,4 Гц - 10,4 Гц, 687 с - 802 с (мощность спектра, мкВ^2/с^2). Исп. Бад-ов, 26 лет

Независимо от группы низкие показатели при выполнении когнитивной задачи на вычитание в уме были у лиц с отсутствием фокуса альфа-активности в лобной и центрально-теменной зоне и высокими показателями индекса бета-ритма (более 50%) преимущественно левой височной зоны.

Высокие же показатели отмечались у лиц с фокусом альфа-активности в центрально-затылочных отведениях и локализацией бета-ритма в лобных и затылочных отведениях (рис. 3).

Рис. 3. Выраженный индекс альфа-ритма в центрально-затылочных отведениях и бета-ритма в лобных и затылочных отведениях обоих полушарий у испытуемых с высокими результатами задачи по вычитанию в уме. Исп. Б-ко, 24 года, досчитал до 88

(Индекс ритма, %)

Корреляционный анализ выявил у большинства медитаторов (рис. 4), в отличие от испытуемых контрольной группы, выраженную периодичность волнового процесса на частоте 6-17 Гц в лобных и височно-затылочных отведениях обоих полушарий с доминированием во фронтальных и теменно-затылочных отделах (рис. 4).

Рис. 4. Показатели автокорреляционной функции при выполнении задачи на вычитание в уме. 106 с, 161 мс, исп. Б-ко, 24 года

Когерентный анализ пробы «Вычитание в уме» у медитаторов, в отличие от не практикующих ПФР показал бо?льшую выраженность в альфа-ритме межполушарных связей в лобных и центральных отведениях. В контрольной группе в альфа-ритме когерентность выше среднего отмечалась в затылочных отведениях.

Анализ бета-активности свидетельствует, что у испытуемых контрольной группы не наблюдается достоверных изменений. В то же время у лиц, практикующих ПФР в высокочастотном бета-ритме, отмечалось снижение когерентности межполушарных связей по большинству отведений с их усилением в лобных отведениях.

В среднем группа практикующих ПФР выполнили данное задание на 10-15% эффективней, при этом лишь один из них сбился со счёта, в отличие от 4 испытуемых контрольной группы.

Рис. 5. Показатели когерентности в пробе по вычитанию в уме. Исп. Б-ко, 24 года, досчитал до 88

Обсуждение

Вероятно, что наблюдаемая у медитаторов в фоновой записи выраженная альфа-активность, с доминированием в правом полушарии, отражает кумулятивный характер длительной практики психофизической регуляции (ПФР). Лучшие показатели практикующих ПФР в арифметических действиях по вычислению свидетельствуют о лучшей внутренней концентрации внимания по сравнению с испытуемыми контрольной группы, выражающейся в усилении функциональных связей между лобно-центральными отведениями. Подтверждением лучшей концентрации внимания также является меньшее количество ошибок при счете в отличие от испытуемых контрольной группы.

Наши данные свидетельствуют в пользу существующей роли альфа-ритма в когнитивной деятельности и мысленной (не визуальной) концентрации внимания на выполнении задачи. По мнению других исследователей, ЭЭГ-коррелятом поддерживающего внимания, необходимого для выполнения несложных арифметических операций, является низкочастотный альфа-ритм (6,5–8 Гц) [11], который отмечался у наших испытуемых в качестве второго пика альфа-активности. Данная низкочастотная альфа-активность отмечается на фоне расслабленного состояния бодрствования, пониженного уровня возбуждения коры. Высокочастотный альфа-ритм (11-12 Гц) [9] также наблюдали при решении когнитивных задач.

[6] при изучении вычислительных операций при помощи позитронно-эмиссионной томографии выделил два способа осуществления ментальных процедур: использование лингвистического или зрительно-пространственного кодирования чис­ловых стимулов с включением, соответственно, левых височных и билатеральных париетальных областей коры или прецентральной извилины и латеральной окципитальной коры.

Проведенный нами индивидуальный анализ обеих групп свидетельствует, что лучше всех с заданием справились лица с фокусом активности в лобно-центральных областях обоих полушарий и височно-центральных левого полушария. Похожие данные по активации лобно-центральных и височных зон коры при выполнении задачи мыс­ленного счета были получены [5; 6].

Заключение

Современные представления о когнитивных процессах как функции распределения нейронных сетей позволяют предполагать, что в процесс реализации памяти при решении задач, наряду с лобными областями, включаются и другие корковые структуры [4; 7]. Наши данные свидетельствуют, что в удержании информации в кратковременной памяти немаловажную роль, кроме фронтальных отделов, играют височно-центральные области преимущественно того полушария, которое доминировало в процессе формирования этой информации.

Таким образом, регулярная и интенсивная практика релаксации способствует устойчивым изменениям корковой ритмики через синхронизацию активности генераторов альфа-ритма, которая способствует развитию таламо-кортикальных связей. Такое взаимодействие нейронных сетей как внутри одной частоты, так и за счет фазовой синхронизации обеспечивает лучшую пластичность мозга и является ос­новой для качественно иных механизмов психофизиологического функционирования, когнитивной эффективности и обеспечения высокого уровня саморегуляции. Локализация же альфа-ритма в лобных и теменно-затылочных областях позволяет более эффективно выполнять задачи мысленного счета и минимизировать количество ошибок.


Южно-Уральский государственный университет https://susu.ru


Библиографическая ссылка

Корюкалов Ю.И. ЛОКАЛИЗАЦИЯ АЛЬФА-АКТИВНОСТИ ЭЭГ ПРИ РАЗНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ КОГНИТИВНОЙ ЗАДАЧИ // Современные проблемы науки и образования. – 2016. – № 3.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=24764 (дата обращения: 30.07.2021).


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074