к.б.н. М.В. Горбачева, д.б.н. Т.Г. Кузнецова

ФГБУН Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, Санкт-Петербург

Динамика биоэлектрической активности мозга ребенка 6-7 лет при достижении цели

Аннотация

Установлено, что стремление к достижению цели, приближающейся с различными скоростями, активирует поведенческие, вегетативные и центральные реакции саморегуляции. Скорость, равная 50 мм/с, в отличие от высоких и низких, вызывая реакцию неопределенности, обладала наибольшей физиологической силой, что проявлялось в увеличении показателя “стресс-индекса” и наиболее значимой перестройке биопотенциалов головного мозга. Обнаружено, что усиление активности α-ритма в ассоциативных зонах правого полушария является общим механизмом при восприятии эмоционально значимого стимула независимо от возраста человека. В отличие от взрослых у детей обнаружилась значимая правосторонняя асимметрия α-ритма в низкочастотном поддиапазоне (7-8 Гц) по всем отведениям, а в средне- и высокочастотных поддиапазонах (8,75-9,75 и 10,0 до 13,5 Гц соответственно) – преобладала левосторонняя асимметрия.

Ключевые слова: дошкольники, индекс напряжения сердечного ритма, когерентность ЭЭГ.

Введение

В 1916 г. на III-м Съезде по экспериментальной педагогике И.П. Павлов выделил особый рефлекс, назвав его “рефлексом цели”, подчеркивая, что цели могут быть важными и пустыми и надо отличать стремление к ее достижению от смысла и ценности цели [9].

Однако до сих пор не ясно, что важнее физиологическая сила ценности цели или стремление к ней, какова взаимосвязь этих компонентов в процессе организации целенаправленного поведения, хотя пути ее решения искали
П.К. Анохин [1], П.В. Симонов [10], H. Heckhausen [13], D. McFarlend [7],
D. Kahneman [3] и др., какие механизмы лежат в основе целенаправленного поведения, что облегчает, а что затрудняет стремление и достижение цели, какова роль реакций саморегуляции в организации целедостижения.

Сложность анализа этой проблемы долгое время заключалась в отсутствии методик качественной и количественной оценки обуславливающих ее факторов, что и побудило нас создать методику приближающейся цели – МПЦ [4], позволившую вскрыть не только содержательную сторону процесса целедостижения, но и его побудительные и организующие силы, проанализировать последовательность включения и доминирования активационных (модулирующих) систем головного мозга – эмоций, ориентировочного рефлекса и сосредоточения, подойти к анализу реакций саморегуляции, способствующих достижению цели и при минимальной когнитивной нагрузке моделировать активность этих систем.

Ранее было показано, что скорости приближения цели-объекта (подкрепления), время ее достижения и расстояние до нее независимо от вида испытуемого, его пола и возраста активировали модулирующие системы: эмоций, сосредоточения, ориентировочного рефлекса [11]. Вместе с этим оказалось, что стремление к обладанию (захвату) целью зависит не только от скорости ее достижения, но и собственной ее ценности [5]. Перечисленные факторы влияли как на поведенческие, так и на вегетативные реакции саморегуляции [6].

Встал вопрос, как скорости достижения цели отражаются на центральном уровне саморегуляции – на изменении биоэлектрической активности мозга у детей старшего дошкольного возраста.

Была поставлена задача – проанализировать изменения поведенческих, вегетативных и центральных реакций саморегуляции, и отдельно –асимметричность распределения α-ритма у детей 6-7 лет при достижении ими цели, приближающейся с различными скоростями.

Методика

В исследовании с письменного разрешения родителей принимали участие 6-7-летние дети (n=26) детского сада № 81 г. Санкт-Петербурга.

Использовалась МПЦ [4], основу которой составляет транспортер длиной 1000 мм, где размещалась достигаемая цель-объект. Скорость движения цели к испытуемому снижали последовательно: 250-125-50-25-10-5 мм/с с помощью пульта управления, находящегося у исследователя. Перед испытуемым помещалась кнопка, нажимая на которую, он по команде «Внимание, работай!» запускал устройство.

В процессе работы велась видеозапись. Анализировались: длительность реакции сосредоточения, как время активного слежения за движущимся объектом, рассчитываемое в процентах от нормативного времени достижения цели на данной скорости, при условии, что коэффициент продуктивности (КП) равнялся единице, и эмоциональные реакции, меняющиеся в зависимости от скорости движения объекта.

ЭКГ отводилась от стандартных точек V1, V2. Анализировался «стресс-индекс» (индекс напряжения – ИН), рассчитываемый по формуле: ИН = АМо/(2ВР×Мо), где ВР вариационный размах (разница между max и min значением интервалов R-R), Мо – мода и АМо – амплитуда моды.

Параллельно велась запись ЭЭГ от 10 симметричных отведений правого и левого полушарий: Fp1, Fp2, F3, F4, Р3, Р4, Т3, Т4, О1, О2, расположенных по международной схеме 10-20, монополярно с объединенным ушным электродом. Анализировались корреляционные связи между обозначенными зонами мозга в исследуемых безартефактных отрезках ЭЭГ продолжительностью не менее 60с и последующим усреднением по группе испытуемых для каждой из предъявленных скоростей.

Отдельно рассматривали изменение индекса α-ритма ЭЭГ для каждой из предъявленных скоростей в диапазоне от 250 до 5 мм/с с последующим усреднением по группе испытуемых и его асимметричность распределения по отведениям.

Эпоха анализа ЭЭГ составляла 4с, частота дискретизации 250 Гц. Запись ЭКГ и ЭЭГ вели с помощью 21-канального блока усилителя биопотенциалов фирмы "Мицар ЭЭГ" (Санкт-Петербург) с портом для ЭКГ и ЭЭГ-электродов и персонального компьютера. Для анализа результатов использовали программные пакеты "Mitsar WinEEG" и "Mitsar WinHRV".

Статистическая обработка осуществлялась в программе StatSoft Statistika 6.0 с применением непараметрического Т-критерия Вилкоксона, значимыми считались различия на уровне не менее P<0,05.

Результаты исследования

Достижение объекта за короткие промежутки времени (4-8с при скоростях 250 и 125 мм/с соответственно) происходило при спокойном эмоционально положительном реагировании на ситуацию в целом, не вызывая существенных изменений в ИН сердечного ритма. Введение скорости приближающегося объекта, равной 50 мм/c, сопровождалось появлением ориентировочной реакции с негативной окраской и значимым увеличением ИН (p=0,002) в сравнении с предыдущими состояниями (рис.1, столбики).

При следующих предъявлениях скоростей, приближающегося объекта, от 25 до 5 мм/с ИН прогрессивно снижался на фоне усиливающегося эмоционально отрицательного реагирования и появления таких реакций саморегуляции, как отведение взгляда, отворачивания от установки и т.д. В результате время слежения (рис. 1, линия) за движущимся объектом со скоростями 10 и 5 мм/с значимо снизилось (p=0,002) относительно более высоких скоростей приближения объекта (125, 50 и 25 мм/с).

Анализ ЭЭГ показал, что распределение значимых (r>0,4-0,8) корреляций как в спокойном состоянии при открытых глазах (ГО), так и в ответ на скорости движения объекта, равные 250, 125, 25, 10 и 5 мм/с, оказалось сходным (рис.1, топограммы). Наиболее часто взаимосвязанными оказывались симметричные лобно-моторные (17%–23%), левосторонние теменно-затылочные (от 16%–24%) и правосторонние височно-теменно-затылочные (от 16%–26%) зоны мозга, при этом установились межполушарные лобно-теменные связи (от 19%–28%).

**

**

*

*

Рис.1. Изменение ИН, длительности реакций сосредоточения внимания на движущемся объекте, распределение корреляционных связей при снижении скорости ее приближения.

Обозначения: левая ось ординат – ИН в усл. ед.; правая ось – длительность реакций слежения в %; столбики – ИН усл. ед.; линия – изменение активного времени слежения (сосредоточения внимания) за объектом; ось абсцисс – скорости движения объекта, мм/с. Под графиком – топограммы распределения корреляционных связей между исследуемыми зонами мозга. Пунктирные линии – от15% до 19% связей, черные тонкие – от 20% до 29% связей, черные жирные – больше 30% связей. * – p<0,05; ** – p<0,01.

Существенные изменения в распределении корреляционных связей наблюдались при достижении объекта, приближающегося со скоростью, равной 50 мм/с, когда практически все исследуемые зоны мозга оказались взаимосвязанными на фоне увеличения количества связей между ними. По сравнению с распределением значимых связей, зарегистрированных в ответ на введение высоких и низких скоростей, сохранилось и/или увеличилось количество правосторонних височно-теменно-затылочных (от 30%–40%) и левосторонних теменно-затылочных связей (45%), удвоилось число межполушарных лобно-теменных (с 20 до 40%), появились новые межполушарные лобно-лобные, лобно-затылочные (до 25%) и лобно-височные (25%) связи.

Таким образом, в работе еще раз доказано, что поведенческие реакции саморегуляции (пассивное избегание), возвращая организм в спокойное (положительное) гомеостатическое состояние, способствуют нормализации как вегетативных (снижение стресс-индекса), так и ЭЭГ (снижение внутри- и межполушарной активации биопотенциалов, но без выраженной асимметричности их распределения) ответных реакций при возникающих затруднениях в процессе стремления к достижению цели.

В то же время неопределённость ситуации (внезапное снижение скорости до 50 мм/с), на фоне выраженной реакции беспокойства и негативно-ориентировочной реакции («Что случилось? Почему?»), привела к достоверному возрастанию показателя «стресс-индекса» механизмов регуляции сердечного ритма, значимой перестройке биопотенциалов головного мозга и усилению корреляции между отдельными его зонами во всех частотных диапазонах.

А вот анализ α-ритма выявил иную динамику. В целом изменение индекса α-ритма в полном диапазоне (8-13 Гц) существенно не менялась, что согласуется с данными иностранных авторов [14], полученными на взрослых людях при "пассивном" просмотре IAPS стимулов (International Affective Picture System, University of Florida, 1999).

У детей же в нашем исследовании при восприятии эмоциогенных стимулов – достижении цели при различных скоростях ее движения – асимметричность α-ритма проявилась по поддиапазонам.

Известно, что этот ритм у человека окончательно формируется к 15-17 годам. Однако уже в 7-летнем возрасте появляется низкочастотный α-ритм (не более 8 Гц), но без «веретенообразных» модуляций и градиента падения от затылочных зон к лобным. Ряд детских нейрофизиологов [2, 8, 12] этот ритм подразделяет на низкочастотный (7,0 – 8,5 Гц), среднечастотный (8,75 – 9,75Гц) и высокочастотный (10,0 – 13,5 Гц).

Так, у 77% 6-7-летних детей с низкочастотным диапазоном α-ритма наблюдалась сходная с фоном, значимая правосторонняя асимметрия практически по всем отведениям вне зависимости от активации модулирующих систем, определяемых скоростью достижения объекта (табл.1, столбцы 1, 4, 7 и 10).

Таблица 1.

Номера столбцов	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Диапазоны частот α-ритма, Гц	7,0-8,5	8,75-9,75	10,0-13,5	7,0-8,5	8,75-9,75	10,0-13,5	7,0-8,5	8,75-9,75	10,0-13,5	7,0-8,5	8,75-9,75	10,0-13,5
Топограммы
Состояния	Фон (ГО)			250-125 мм/с			50-25 мм/с			10-5 мм/с

Обозначения: топограммы распределения α-ритма ЭЭГ по изучаемым отведениям у детей 6-7 лет в процессе достижения им цели, соответствующие: Фон – исходное состояние (ГО). Цифры под топограммами – скорости достижение цели: 250-125 мм/с (эмоционально положительное состояние); 50-25 мм/с (состояние неопределенности); 10-5 мм/с (эмоционально отрицательное состояние). Точки на топограммах – отведения, в которых отмечалась достоверная (p<0,02) частотная асимметричность α-ритма ЭЭГ в Гц.

У 11-12% детей со средне- (табл.1, столбцы 2, 5, 8 и 11) и высокочастотным (табл.1, столбцы 3, 6, 9 и 12) α-ритмом появилась тенденция к установлению левосторонней асимметрии преимущественно в лобных, височных и теменных отведениях в исходном состоянии и не зависимо от эмоциональной окраски, определяемой скоростью движения объекта.

Таким образом, в работе показана важная роль поведенческих реакций саморегуляции в нормализации функционального состояния ребенка, приводя «стресс-индекс» механизмов регуляции сердечного ритма и ЭЭГ к исходному состоянию.

Существенные перестройки общей биоэлектрической активности и усиление активности α-ритма в ассоциативных зонах правого полушария и асимметричное его распределения в теменно-височных областях у испытуемых 6-7 лет, равно как и у взрослых людей, сопряжены с возникновением негативно-ориентировочной реакции. Выявленная же асимметричность по поддиапазонам α-ритма у детей, скорее является показателем зрелости коры головного мозга, чем реакцией на эмоциогенность стимула.

Литература

1. Анохин П.К. Рефлекс цели как объект физиологического анализа // Журн. высш. нерв. деят. – 1962. – Т.12. – Вып.1. – С. 7-21.

2. Безркуких М.М., Мачинская Р.И., Фарбер Д.А. Структурно-функциональная организация развивающегося мозга и формирование познавательной деятельности в онтогенезе ребенка // Физиология человека. – 2009. – Т. 35. – №6. – С. 10-24.

3. Канеман Д. (Kahneman D.) Внимание и усилие. – М.: Смысл, 2006. – 287 с.

4. Кузнецова Т.Г., Сыренский В.И., Наулайнен Б.А. Способ определения целеустремленности: А.с. 1410948 СССР. МКИ⁴ А61В5/16/ // Открытия. Изобретения. – 1988. – № 27. – С. 44-46.

5. Кузнецова Т.Г., Горбачева М.В. Сравнительный анализ некоторых поведенческих реакций у детей и шимпанзе в процессе достижения ими цели с различной субъективной ценностью // Вестник Самарского госуниверситета. Естественнонаучная серия. – 2012. – №3/1 (94). – С. 192-202.

6. Кузнецова Т.Г., Горбачева М.В. Роль реакций саморегуляции в организации целенаправленного поведения детей 6-7 лет // Международный научно-исследовательский журнал. Часть 1. – 2013. – № 12 (19). – С. 23-28.

7. Мак-Фарленд Д. (McFarlend D.) Поведение животных. – М.: Мир, 1988. – 487 с.

8. Мачинская Р.И., Соколова Е.С., Крупская Е.В. Формирование функциональной организации коры больших полушарий в покое у детей младшего школьного возраста с различной степенью зрелости регуляторных систем мозга. Сообщ. 2. Анализ когерентности альфа-ритма // Физиология человека. – 2007. – Т.33. – №2. – С. 5-15.

9. Павлов И.П. Рефлекс цели / Рефлекс свободы. – СПб: Питер, 2001. – С. 68-75.

10. Симонов П.В. Мотивированный мозг. – М.: Наука, 1987. – 270 с.

11. Сыренский В.И., Кузнецова Т.Г. Рефлекс цели у приматов. – Л.: Наука, 1990. – 120 c.

12. Фарбер Д.А., Бетелева Т.Г., Горев А.С. и др. Функциональная организация развивающегося мозга и формирование когнитивной деятельности // Физиология развития ребенка: теоретические и прикладные аспекты. М.: НПО «Образование от А до Я», 2000. – С. 82-103.

13. Хекхаузен Х. (Heckhausen H.) Мотивация и деятельность: пер. с нем. – Т.1. М.: Педагогика, 1986. – 408 с.

14. Muller M.M., Keil A., Gruber Т., Elbert T. Processing of affective pictures modulates right-hemispheric gamma band EEG activity // Clin. Neurophysiol. – 1999. – V. 110. – P. 1913-1920.