Г.А. Иваницкий, А.О. Роик Институт высшей нервной

Г.А. Иваницкий, А.О. Роик
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва
geivanit@mail.ru
РИТМЫ МОЗГА И КОГНИТИВНАЯ ФУНКЦИЯ*
При выполнении когнитивных заданий в ЭЭГ человека устанавливаются паттерны ритмов, сопоставимые с видом заданий. Создана линейка
когнитивных стимулов с градуально и реципрокно изменяющейся степенью пространственности и вербальности. Введена мера расстояния между
ритмическими паттернами, характерными для разных видов заданий. С
помощью метода многомерного шкалирования когнитивные состояния
отображены на плоскости. Виды заданий расположились на плоскости в
соответствии с их психологическими характеристиками.
Ключевые слова: ритмы мозга, мышление, многомерное шкалирование
Введение
Ритмы мозга были обнаружены в первых же электроэнцефалографических опытах основателем метода Гансом Бергером [1]. На рис. 1 представлена одна из первых в мире электроэнцефалограмм, записанная в
1929 г. у 14-летней дочери Г. Бергера Ильзе. Внизу развертки видна калибровка 10 Гц, вверху – ЭЭГ от единственного электрода, расположенного в темени. На ЭЭГ хорошо виден альфа-ритм частотой ≈10 Гц. В первой половине записи Ильзе решает задачу «196:7», затем дает правильный
ответ (момент обозначен стрелкой). После ответа мощность альфа-ритма
резко возрастает – это так называемая альфа-отдача, часто наблюдаемая
при расслаблении после умственного напряжения. Итак, в одном из первых электроэнцефалографических опытов сразу же было обнаружено, что:
1) на ЭЭГ присутствуют ритмы и 2) ритмы зависят от когнитивной деятельности.
В течение последующих 20-25 лет к первоначальному знанию о связи
ритмов мозга и мышления (альфа ритм выражен в темноте и блокируется
открыванием глаз и умственным напряжением, бета-ритм усиливается
при общей активации и в процессе интеллектуальной деятельности) мало
Данная работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (проекты № 11-0401809-а, 11-04-12052-офи-м-2011, 11-04-12025-офи-м-2011), РГНФ (проект № 1106-00959а), программы ОБН РАН и программы Президиума РАН «Фундаментальные науки – медицине».
*
что прибавилось. Особняком стоит гипотеза Маккаллока и Питтца о стробирующей роли зрительного альфа-ритма [2].
В начале 1950-х годов Анри Гасто открыл центральный мю-ритм, усиливающийся, как правило, при мышлении, но блокируемый движением
[3]. После открытия Гасто описания ритмов разных частот, связанных с
различными когнитивными функциями, посыпались как из рога изобилия.
Например, вполне определенные ритмы мозга связывают с рабочей памятью [4, 5, 6], поиском вербальных ассоциаций [7, 8], подавлением нерелевантной зрительной информации [9]. Большую роль в развитии «когнитивной ритмологии» сыграло распространение метода десинхронизации,
связанной с событием (Event Related Desynchronization, ERD), предложенного Гертом Пфюртшеллером [10].
Рис. 1. ЭЭГ 14-летней Ильзе Бергер во время решения арифметической задачи
и сразу после этого
Точечный и обобщенный подходы к изучению ритмов мозга
В процитированных выше работах [3-9] вполне определенная психологическая функция ставится в соответствие вполне определенному ритму
мозга. Для выявления такого «точечного» соответствия используется разностный подход, одним из пионеров применения которого был Майкл
Познер.† В разностном подходе два экспериментальных условия отличаются наличием или отсутствием какой-либо малой, частной когнитивной
функции в задании испытуемому. Соответственно, экспериментальные
парадигмы отличаются либо небольшим изменением в инструкции при
тех же стимулах, либо небольшой разницей в стимулах при той же инструкции. Идеальным примером разностного подхода и точечного исследования служит процитированная выше работа [9].
Но возможен другой подход к изучению ритмов мозга. Реально в ЭЭГ
человека при решении когнитивной задачи присутствует несколько ритмов разных частот и разной топографии. Есть все основания считать эти
ритмы связанными, соответствующими в их совокупности некоторому
когнитивному состоянию. При таком подходе целостному ритмическому
конструкту (по выражению А.Я. Каплана [12]) ставится целостное когнитивное состояние. Такой подход к изучению ритмов мозга мы называем
обобщенным.
Распознавание характера осуществляемой мыслительной деятельности по ритмическому рисунку ЭЭГ
В исследованиях, проведенных в лаборатории ВНД человека ИВНД и
НФ РАН, было обнаружено, что в ходе когнитивной деятельности (решение в уме вербально-логических и пространственно-образных задач) в
ЭЭГ человека устанавливаются характерные ритмические паттерны, однозначно сопоставимые с характером осуществляемого мыслительного
процесса [13, 14, 15]. Было установлено, что ритмический паттерн состоит
из нескольких ритмов, отличающихся частотой и топографией. Обнаружилось, что «когнитивные» ритмические паттерны обладают несколькими
принципиально важными свойствами: а) высоко индивидуальны; б) для
данного индивида устойчивы и сохранны во времени; в) специфичны для
вербально-логического и пространственно-образного мышления при инвариантности относительно конкретного вида выполняемых заданий;
г) практически не зависят от трудности заданий и определяются характе†
М. Познер предложил разностный подход для начавшихся в Сент-Луисе в середине 1980-х годов когнитивных опытов с использованием позитронноэмиссионной томографии (ПЭТ), для которой этот подход был единственно приемлемым в силу технологических особенностей метода [11]. В дальнейшем разностный подход оказался продуктивным и в экспериментальной электроэнцефалографии [7], [8].
ром осуществляемой мыслительной деятельности, а не степенью умственного напряжения; д) устойчивы и выражены настолько, чтобы распознавать по ЭЭГ тип выполняемого когнитивного задания практически в
реальном времени (с задержкой в 2-3 секунды) и с надежностью порядка
85% (в среднем по испытуемым).
В работах [13-15] распознавание характера мыслительной деятельности осуществлялось с помощью искусственной нейросети, которая воспринимала паттерн ритмов мозга как целое, находя в нем несколько важных для классификации признаков, которым назначала веса значимости.
Очевидно, что такой подход к изучению ритмов мозга и их связи с когнитивной функцией следует отнести к разряду обобщенных подходов.
Обоснование работы
Вюрцбургская школа «психологии мышления» выделяет три его различных типа: практически-действенное, наглядно-образное и словеснологическое [16]. Таким образом, используемые нами в предыдущих экспериментах задания требовали вовлечения принципиально разных типов
мышления. Полученные результаты подвергались критике, что нет ничего
удивительного в том, что столь различающиеся виды когнитивной деятельности порождают разные паттерны ритмов мозга. Эта критика подтолкнула нас к идее использовать стимулы с градуально и реципрокно
изменяющейся степенью пространственности и вербальности. Важно было выяснить, что представляют собой паттерны ритмов мозга при выполнении заданий промежуточного вида. Возникла идея попытаться расположить когнитивные состояния на плоскости в соответствии с «расстояниями» между соответствующими ритмическими паттернами.
Методика
Эксперименты и когнитивные задания
В экспериментах приняли участие 30 человек (14 женщин и 16 мужчин) в возрасте от 18 до 55 лет, все правши. Использовали электродную
шапочку Electro-Cap (США) и усилитель Neurotravel-24D производства
фирмы ATES Medica (Италия-Россия).
Была создана линейка когнитивных стимулов с градуальным изменением степени вовлеченности пространственно-образного и вербальнологического мышления. Линейка включала 6 типов заданий (рис. 2), каждый из которых содержал по 60 конкретных задач. Крайние задания в линейке относились к «чисто» вербальному и «чисто» пространственному
типу, промежуточные задания требовали включения обоих типов мышления в той или иной пропорции.
Рис. 2. Примеры когнитивных заданий: 1 – «пазл» с линиями; 2 – «пазл» со
словами; 3 – «лишний объект» в картинках; 4 – «лишний объект» в картинках
и словах; 5 – лишнее конкретное слово; 6 – лишнее абстрактное слово
На протяжении опыта испытуемому предъявляли 360 задач (по 60 задач каждого из шести типов, в случайной последовательности, со случайными интервалами от 2,5 до 3,5 с). Решив задание, испытуемый нажимал
клавишу с номером ответа. Время решения ограничивали 40 с. Ответы
испытуемого фиксировали для контроля правильности решения.
ЭЭГ и ее обработка
Запись ЭЭГ вели от 31 электрода, расположенного по расширенной
системе 10-20 с референтными электродами на мочках ушей и электродом
заземления в вертексе. Параллельно записывали метки о стимулах и реакциях испытуемого. Обработка ЭЭГ, которую проводили для каждого испытуемого отдельно, состояла из следующих этапов:
1. Из записи ЭЭГ вырезали эпохи, соответствующие решению заданий.
Зашумленные эпохи отбрасывали. Помеху от движений глаз устраняли с помощью регрессионной процедуры.
2.
3.
4.
5.
6.
Для каждой эпохи в каждом канале ЭЭГ вычисляли спектрограмму
(квадрат модуля преобразования Фурье). Шаг по частоте составлял
0,06 Гц.
Оценивали степень достоверности различия спектров мощности ЭЭГ
при выполнении разных видов заданий. Процедуру статистического
сравнения проводили независимо для каждого спектрального отсчета
по статистическому ряду сглаженных единичных спектрограмм с помощью непараметрического критерия Манна-Уитни. Если уровень
недостоверности для данного спектрального отсчета был ниже p=0,05,
то спектры в этом отсчете считались достоверно различными. Перед
поточечным применением статистического критерия единичные
спектрограммы сглаживались с постоянной сглаживания 0,3 Гц, что
позволило практически избежать артефакта множественных сравнений – появления «случайно достоверных» спектральных отсчетов.
Для всех возможных пар когнитивных состояний вычисляли индекс
различия спектров мощности. Для этого в выбранной группе отведений и в заданном частотном диапазоне подсчитывали суммарное количество «достоверных» спектральных отсчетов, а затем нормировали
это число на общее количество спектральных отсчетов. Полученную
величину в диапазоне от 0 до 1 считали индексом различия спектров,
а также индексом различия двух когнитивных состояний, полученным на основе объективного измерения спектральных свойств ЭЭГ.
Когнитивные состояния (возникающие при выполнении разных видов
заданий) изображали точками на плоскости так, чтобы расстояния
между точками максимально соответствовали вычисленным индексам
различия. Для этого использовали алгоритм снижения размерности
пространства Сэммона [17]. Поворотом и смещением полученные
«констелляции» когнитивных состояний приводили к стандартному
виду: наиболее пространственные задачи располагали слева, наиболее
вербальные – справа, образные – сверху. Заметим, что процедура
приведения «констелляций» к стандартному виду никак не изменяла
их формы, т.е. расположение когнитивных состояний относительно
друг друга оставалось прежним.
Получали усредненную по 30 испытуемым констелляцию когнитивных состояний следующим образом:
а) «центр тяжести» каждой приведенной к стандартному виду констелляции помещали в начало координат;
б) вычисляли среднее расстояние от начала координат до узлов констелляции (ее средние размеры);
в) все координаты констелляции нормировали на вычисленное указанным в предыдущем пункте способом среднее расстояние;
г) координаты стандартизированных и нормированных по размеру
индивидуальных констелляций усреднялись по испытуемым.
В результате получалась усредненная констелляция с приблизительно
единичным «радиусом».
Экспертная оценка психологических характеристик когнитивных заданий
Для определения психологических характеристик когнитивных заданий с целью сравнения с объективно измеренными показателями ЭЭГ
была проведена экспертная оценка заданий.
Эксперты, выпускники факультета психологии МГУ (20 человек),
приблизительно уравненные по возрасту и полу с испытуемыми ЭЭГисследования, дали оценку степени пространственности, образности и
вербальности предъявляемых заданий по 10-балльной шкале. Каждым
экспертом было оценено по 36 задач (6 задач из каждой категории стимулов). Оценивание стимулов проходило в свободном режиме, без какихлибо ограничений во времени.
Шкалы «пространственность» и «вербальность» объединяли в одну
шкалу с помощью пропорции:
𝐸пв =
𝐸в
∙ 10
𝐸в + 𝐸п
где:
Ев – средняя по эксперту оценка по шкале «вербальность»;
Еп – средняя по эксперту оценка по шкале «пространственность»;
Епв – оценка по объединенной шкале «пространственность – вербальность».
В такой объединенной шкале оценка «10» означает наличие в задаче
значительной доли вербальности при отсутствии какой-либо пространственности, а оценка «0» – наоборот, наличие значительной доли пространственности при полном отсутствии вербальности. Введение объединенной шкалы «пространственность – вербальность» нужна для удобства
сопоставления экспертных оценок с результатами электроэнцефалографического исследования. Оценки, выставленные разными экспертами, были
усреднены.
Результаты
На рис. 3 показаны усредненная по 30 испытуемым, полученная на основе экспериментальных электроэнцефалографических данных констелляция из шести когнитивных состояний (справа) и экспертная оценка соответствующих шести заданий (слева).
Рис. 3. Субъективно и объективно определенные когнитивные пространства
Из рис. 3 видно, что форма субъективно и объективно определенных
«когнитивных пространств» принципиально схожа. Задания с номерами с
1 по 6 расположились слева направо в порядке возрастания степени вербальности и убывания степени пространственности. Задания №№ 4,5 и 6
расположились близко друг к другу вследствие их схожести. Все это согласуется с оценкой, данной экспертами. Мы видим две шкалы: пространственность – вербальность (горизонтальная ось) и образность – абстрактность (вертикальная ось).
Выводы
Идея «когнитивного пространства», которую мы выдвигаем, сходна с
идеей субъективного цветового пространства. Последнее было получено
картированием индексов цветоразличения методами многомерного шкалирования [18, 19]. В настоящем исследовании мы построили карты «когнитивного пространства» на основе объективных данных – параметров
ритмов мозга, устанавливающихся при выполнении испытуемыми заданий. Мы также построили карты субъективного когнитивного простран-
ства, используя оценку, которую дали эксперты (20 человек), уравненные
по возрасту и полу с испытуемыми ЭЭГ-исследования. Два указанных
когнитивных пространства оказались изоморфны.
Мы отчетливо осознаем, что увидели малую часть истинного «когнитивного пространства», а именно, его ограниченное, низкоразмерное подпространство. Тем не менее, для нас важна сама принципиальная возможность выявления структуры такого пространства объективными методами.
Наконец, важно отметить, что получить представленный в настоящей
статье результат можно было только в рамках обобщенного подхода в
нейрофизиологии. Этот подход вовсе не предполагает размытости суждений или неточности методов. Отличие обобщенного подхода, в нашем
понимании, состоит в том, что точные методы применяются к сложным
объектам как целому, как к образам. Сложный объект должен быть точно
и количественно определен в многомерном пространстве его свойств. После этого, опять же точными методами, можно попытаться установить
взаимосвязь сложных объектов, т.е. определить структуру пространства, в
котором эти сложные объекты существуют (в том числе ввести метрику
пространства).
Список литературы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Berger H. Über das Elektrenkephalogramm des Menschen // Arch. Psychiat.
Nervenkr. 1929. Vol. 87. P. 527-570.
Pitts W., McCulloch W.S. How we know universals: the perception of auditory and
visual forms // Bull. Math. Biophys. 1947. Vol. 9. P. 127-147.
Gastaut, H. J., Bert, J. EEG changes during cinematographic presentation // Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 1954. Vol. 6. P. 433-444.
Griesmayr B., Gruber W., Klimesch W., Sauseng P. Human frontal midline theta
and its synchronization to gamma and alpha oscillations during verbal working
memory // Neurobiology of Learning and Memory. 2010. Vol. 93. P. 208-215.
Klimesch W. EEG alpha rthyms and memory processes // International Journal of
Psychophysioilogy. 1997. Vol.26 P. 319-340.
Sauseng P., Griesmayr B., Freunberger R., Klimesch W. Control mechanisms in
working memory: a possible function of EEG theta oscillations // Neuroscience and
biobehavioral reviews. 2010. Vol. 34. No. 7. P. 1015-1022.
Abdullaev, Y.G., Posner, M.I. Event-related brain potential imaging of semantic
encoding during processing single words // Neuroimage. 1998. Vol. 7. P. 1-13.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
Nikolaev A.R., Ivanitsky G.A., Ivanitsky A.M., Posner M..I, Abdullaev Y.G. Correlation of brain rhythms between frontal and left temporal (Wernicke’s) cortical
areas during verbal thinking // Neuroscience Letters. 2001. Vol. 298. P. 107–110.
Sauseng P., Holz E., Griesmayr B. Human oscillatory brain activity dissociates
sub-processes of visual working memory // International Journal of Psychophysiology. 2010. Vol. 77. No. 3. P. 207-208.
Pfurtscheller G., Lopes da Silva F.H. Event-related EEG/MEG synchronization and
desynchronization: basic principles // Clinical Neurophysiology. 1999. Vol. 110. P.
1842-1857.
Posner M.I., Petersen S.E., Fox P.T., Raichle M.E. Localization of cognitive functions in the human brain // Science. 1988. Vol. 240. P. 1627-1631.
Fingelkurts Al.A., Fingelkurts An.A., Kaplan A.Ya. The regularities of the discrete
nature of multi-variability of EEG spectral patterns // International Journal of Psychophysiology. 2003. Vol. 47. P. 23-41.
Иваницкий Г.А. Распознавание типа решаемой в уме задачи по нескольким
секундам ЭЭГ с помощью обучаемого классификатора // Журн. высш. нерв.
деят. 1997. Т. 47. № 4. С. 743-747.
Николаев А.Р., Иваницкий Г.А., Иваницкий А.М. Воспроизводящиеся паттерны альфа-ритма ЭЭГ при решении психологических задач // Физиология
человека. 1998. Т. 24. № 3. С. 1-8.
Иваницкий Г.А., Наумов Р.А., Иваницкий А.М. Технология определения типа
совершаемой в уме мысленной операции по рисунку электроэнцефалограммы
// Технологии живых систем. 2007. Т. 4. № 5-6. С. 20-28.
Психология мышления. Хрестоматия. Под ред. Гиппенрейтер Ю.Б. М.: Астрель. 2008. 672 с.
Sammon J.W. A nonlinear mapping for data structure analysis // IEEE Transactions
on Computers. 1969. Vol. 18. P. 401-409.
Соколов Е.Н., Измайлов Ч.А., Измайлова Т.В., Зимачев М.М. Сферическая
модель цветного зрения // Вестник Моск. Ун-та. Психология. 1977. Т. 14. № 1.
С. 45-52.
Измайлов Ч.А., Соколов Е.Н., Черноризов А.М. Психофизиология цветного
зрения. М.: Изд-во Московского университета. 1989. 206 с.