ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2011, том 61, № 6, с. 688-696
ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ (ПСИХИЧЕСКОЙ) ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
УДК 612.821.6
НЕЙРОФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОГНИТИВНОГО ПРОСТРАНСТВА
© 2011 г. А. О. Роик, Г. А. Иваницкий
Лаборатория высшей нервной деятельности человека Учреждения российской академии наук Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва, e-mail: anastasia.roik@gmail.com Поступила в редакцию 14.03.2011 г. Принята в печать 13.04.2011 г.
Целью исследования было выяснить, как изменяются паттерны ритмов мозга при плавном изменении степени пространственности и вербальности в когнитивных заданиях. Анализ полученных ЭЭГ-данных позволил прийти к двум новым выводам: 1) при выполнении заданий смешанного типа пространственно-образное и вербально-логическое мышление не смешиваются; ритмические признаки того и другого присутствуют на ЭЭГ в неизменном виде, а устанавливающийся ритмический паттерн представляет собой суперпозицию пространственного и вербального паттернов; 2) введение расстояния между видами когнитивной деятельности как индекса различия между соответствующими спектрами мощности ЭЭГ позволяет изобразить виды когнитивной деятельности на плоскости (с помощью методов многомерного шкалирования); при этом когнитивные состояния располагаются на плоскости закономерным и разумным образом, в соответствии с психологическими характеристиками выполняемых заданий. Полученный результат позволяет говорить о существовании гипотетического "когнитивного пространства", структура которого может быть выявлена объективными электрофизиологическими методами.
Ключевые слова: мышление, ритмы мозга, многомерное шкалирование, когнитивное пространство.
Neurophysiological Model of Cognitive Space
A. O. Roik, G. A. Ivanitsky
Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences, Moscow,
e-mail: anastasia.roik@gmail.com
The aim of the study was to find out how EEG rhythmical patterns change with gradual changes of a degree of verbal and spatial thinking involved in the process of task solving. The obtained data allowed us to draw two principally new conclusions. 1. During performance of mixed tasks the spatial and verbal thinking do not mix, and their rhythmical signs are both present with their basic properties preserved. A mixed rhythmical pattern is thus a superposition of a spatial and a verbal pattern. 2. It is possible to introduce a "distance" between mental conditions as a measure of difference in the corresponding EEG power spectra. With such distances calculated, multidimensional scaling methods may be used to represent cognitive states as points on a plane. Cognitive states form constellations with shapes reasonably reflecting psychological properties of cognitive tasks. The results suggest the existence of a "cognitive space", whose structure may be revealed by objective electrophysiological methods.
Keywords: thinking, brain rhythms, multidimensional scaling, cognitive space.
В предыдущие годы мы обнаружили, что при осуществлении когнитивной деятельности (решение в уме вербально-логических и пространственно-образных задач) на ЭЭГ человека устанавливаются характерные ритмические паттерны, однозначно сопоставимые с характером мыслительного процесса [1, 2, 8, 17]. В прове-
денных нами ранее экспериментах когнитивные стимулы были либо пространственно-образными, либо вербально-логическими. Вюрц-бургская школа "психологии мышления" [9, 20] выделяет три его принципиально различных типа: практически-действенное, наглядно-образное и словесно-логическое. Таким об-
разом, предъявляемые нами задания требовали вовлечения принципиально разных типов мышления. Соответственно полученные нами результаты подвергались критике, сводившейся к тому, что нет ничего удивительного в том, что столь различающиеся виды когнитивной деятельности порождают существенно разные
паттерны ритмов мозга. Поэтому возникла
*
идея использовать стимулы с градуально и ре-ципрокно изменяющейся степенью простран-ственности и вербальности.
Важно было выяснить, что представляют собой паттерны ритмов мозга при выполнении заданий промежуточного типа. По этому поводу мы имели два предположения: 1) паттерны, возникающие при выполнении смешанных заданий, состоят из новых ритмов, промежуточных по своим характеристикам (частоте и топографии) между ритмами, проявляющимися при выполнении "чистых" заданий; 2) при выполнении смешанных заданий ритмы, характерные для вербально-логического и пространственно-образного мышления, сохраняются и присутствуют в паттерне со своими исходными характеристиками. Первая гипотеза предполагает, что промежуточное когнитивное состояние является новым качеством, отличным от "чистых" вербально-логического и пространственно-образного мышления. Вторая гипотеза соответствует предположению о том, что вербально-логическое и пространственно-образное мышление, будучи принципиально различными, альтернативны, не смешиваются и не могут осуществляться одновременно.
Помимо этого эксперименты с градуальными стимулами можно рассматривать как компромисс между точечным (разностным) подходом к изучению когнитивных ритмов мозга и интегративным подходом к этой проблеме. Суть точечного, или разностного, подхода заключается в том, что основное и контрольное задания отличаются малой деталью, например разной инструкцией испытуемому при одинаковых стимулах или, наоборот, немного различающимися стимулами при одинаковой инструкции. Анализируя ЭЭГ в основном эксперименте и в контроле, находят ритмы, ответственные за определенную когнитивную функцию, — например, ритмы, связанные с нагрузкой на рабочую память [15, 18, 26], поиском вербальных ассоциаций [11, 21], подавлением нерелевантной зрительной информации [27], вниманием к центру зрительного поля [22], по* См. раздел. "Благодарности".
давлением непроизвольного движения [24], трудностью задания [14], эмоциональным фоном [4—6], емкостью памяти [7].
При интегративном подходе паттерн ЭЭГ воспринимается как целое ("целостный конструкт", по выражению А.Я. Каплана [13]). При этом целостный конструкт ритмов ЭЭГ ставится в соответствие целостному когнитивному процессу. Интегративный подход используется в интерфейсах "мозг-компьютер", основанных на анализе ритмов ЭЭГ [19]. В последнее время интегративный подход применяют и к опытам с фМРТ, в этом случае распознавание категории воспринимаемых стимулов (дома, лица, обувь, инструменты и т.п.) основано на опознании паттерна активации нервных структур как целого [16, 23, 28]. Наши предыдущие работы [1, 2, 8] также, очевидно, следует отнести к интегративному подходу.
Эксперименты с градуальными стимулами позволили нам не только проверить гипотезу о раздельности механизмов осуществления разных типов мышления и соответственно несмешиваемости их электрографических признаков, но и получить совершенно новый результат, касающийся взаимных отношений когнитивных состояний. Мы впервые смогли увидеть элементы "когнитивного пространства", о существовании которого подозревали и возможность раскрыть структуру которого предполагали путем объективного измерения параметров ритмов мозга в ходе осуществления мыслительной деятельности разного рода.
МЕТОДИКА
В экспериментах приняли участие 30 человек (14 женщин и 16 мужчин) в возрасте от 18 до 55 лет. Все испытуемые были правши. С каждым из них был заключен договор на выполнение испытательской работы, в котором были прописаны все особенности эксперимента и разъяснена его полная безопасность и безвредность для человека. Эксперименты проводили с использованием электродной шапочки Electro-Cap (США) и усилителя Neurotravel-24D производства фирмы ATES Medica (Италия— Россия).
Для целей настоящего исследования была создана линейка когнитивных стимулов с градуальным изменением степени вовлеченности пространственно-образного и вербально-логи-ческого мышления. Использовали шесть типов заданий (рис. 1), каждый из которых содержал по 60 конкретных задач. Крайние задания в ли-
№ 1 ф
№ 2 *
№ 3 -f-
1. Океан
2. Крокодил
3. Картина
4. Небо
Шляпа Калитка
Буквы Клюв
1. Куб
2. Тетрадь
3. Крылья
4. Дверь
Интерес
Вина
Удача
Эталон
1. Стандарт
2. Везение
3. Провал
4. Преступление
№ 4 ф № 5 А № 6 •
Рис. 1. Шесть типов заданий с градуально изменяющимися свойствами пространственности/образ-ности и вербальности: 1 — "пазл" с линиями; 2 — "пазл" со словами; 3 — лишний объект с картинками; 4 — лишний объект с картинками и конкретными словами; 5 — лишний объект с конкретными словами; 6 — лишний объект с абстрактными словами. В задачах № 1 и 2 нужно выбрать один из четырех фрагментов, показанных внизу экрана, для вставки в мозаику. В задачах с № 3 по № 6 нужно найти картинку или слово внизу экрана, что не образует пару с картинкой или словом в рамке. В заданиях № 4 и 5 все слова конкретные, в задании № 6 — абстрактные.
Fig. 1. Six task types with gradually changing spatial/imagery and verbal/logical thinking involvements: 1) puzzle with lines; 2) puzzle with words; 3) surplus object in pictures; 4) surplus object in pictures and concrete words; 5) surplus object in concrete words; 6) surplus object in abstract words.
нейке (№ 1 и 6) относились к "чисто" вербальному и "чисто" пространственному типу, промежуточные задания (№ 2, 3, 4 и 5) требовали включения обоих типов мышления.
На протяжении опыта испытуемому предъявляли 360 задач (по 60 задач каждого из шести типов). Исследование продолжалось около 3 ч с перерывом после 1-го часа. Задания предъявлялись в случайной последовательности со слу-
чайными 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.
Запись ЭЭГ вели от 31 электрода, расположенного по расширенной системе 10—20 с референтными электродами на мочках ушей и электродом заземления в вертексе. Параллель-
Рис. 2. Усредненные спектры мощности ЭЭГ испытуемой Л.Н. для трех типов заданий: "пазл" с линиями
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.