ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2013, том 63, № 4, с. 431-436
ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ (ПСИХИЧЕСКОЙ) ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
УДК 612.822.3
ОБЩЕЕ И ИНДИВИДУАЛЬНОЕ В РАЗЛИЧИЯХ ЧАСТОТНЫХ СПЕКТРОВ ЭЭГ ПРИ РЕШЕНИИ ВЕРБАЛЬНЫХ И ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ЗАДАЧ
© 2013 г. С. Г. Данько1, Г. А. Иваницкий2, Ю. А. Бойцова1, М. Л. Соловьева1, А. О. Роик2
1 Институт мозга человека им. Н.П. Бехтеревой РАН, Санкт-Петербург, 2Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва,
e-mail: danko40@rambler.ru Поступила в редакцию 10.09.2012 г. Принята в печать 11.02.2013 г.
Ранее было показано, что типы выполняемых испытуемыми пространственно-образных и вер-бально-логических заданий можно различать посредством обучаемого классификатора, используя индивидуальные для каждого испытуемого характеристики спектра мощности ЭЭГ. Проведено исследование с применением подмножества тех же заданий, но направленное на выявление обусловленных характером заданий различий спектральной мощности ЭЭГ, общих для группы испытуемых (31 человек). Контрастное распределение статистически значимых различий по частотным диапазонам качественно совпадает с ранжированием диапазонов по оценкам эффективности распознавания вида деятельности обучаемым классификатором, за исключением диапазона тета. Наиболее существенны различия в альфа-диапазонах. Результаты сопоставления общих (групповых) и индивидуальных показателей соответствуют представлениям о более значимом вовлечении механизмов семантической памяти в решение вербальных задач, а также указывают на возможные различия в балансе внутреннего и внешнего внимания при реализации вербально-логической и пространственно-образной деятельности.
Ключевые слова: ЭЭГ, пространственно-образное мышление, вербально-логическое мышление, внимание, память.
Common and Individual in EEG Spectral Differences while Performing Verbal
and Spatial Tasks
S. G. Danko, G. A. Ivanitsky, J. A. Boytsova, M. L. Solovjeva, A. O. Roik
Institute of Human Brain, Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences, Moscow,
e-mail: danko40@rambler.ru
It is shown previously that types of carried-out spatial-figurative and verbal-logic tasks can be distinguished by means of the trained automatic classifier, using individual for each examinee characteristics of EEG power spectra. Research with application of a subset of the same tasks, but aimed to identify the EEG spectral power group differences has been carried out with 31 participants. Contrast distribution of statistically significant differences on frequency bands qualitatively coincides with ranging of the bands by estimates of efficiency of recognition with the trained classifier, except for a range theta. Alpha bands are most involved. Results of comparison of the general (group) and individual indicators correspond to ideas of more significant involvement of mechanisms of semantic memory in the solution of verbal tasks, and also point to possible differences in balance of internal and external attention at realization of verbal-logic and spatial-figurative activity.
Keywords: EEG, spatial-figurative task processing, verbal-logic task processing, memory, attention. DOI: 10.7868/S0044467713040035
Методы спектрального анализа ЭЭГ неоднократно применялись в исследованиях проблемы сходства и различий мозговых механизмов умственной деятельности, оперирующей преимущественно вербальными символами или преимущественно пространственными образами (например, [1, 5, 9, 11, 12, 15 и др.]), однако полученные данные пока невозможно свести к определенному непротиворечивому представлению.
Специфическая, но, как представляется, доказательная методика выявления различий механизмов мысленного решения пространственных и вербально-логических задач по нескольким секундам ЭЭГ посредством автоматической классификации с помощью обучаемой компьютерной программы — искусственной нейросети — и полученные посредством этой методики четкие результаты были представлены в работах сотрудников ИВНД и НФ РАН [2—4, 6]. Однако при этом отмечалось, что эффективное распознавание данных одного испытуемого с помощью нейро-сети, обученной на данных другого испытуемого, оказывалось невозможным.
В настоящей работе представлены результаты проверки возможности выявить соответствующие групповые (общие) различия параметров спектральной мощности ЭЭГ при использовании аналогичного набора стимулов.
МЕТОДИКА
Исследование проведено на 31 испытуемом (17 женщин и 14 мужчин) в возрасте от 18 до 35 лет с полным или незаконченным высшим образованием. Все они были праворуки-ми в соответствии с опросником Олдфилда. Все испытуемые удостоверили подписью свое добровольное участие в исследованиях и ознакомление с методикой проведения исследования, содержащей, в частности, разъяснения его полной безопасности и безвредности для человека, а также возможности прекращения исследования по желанию испытуемого на любом этапе.
С целью уменьшения возможного воздействия на результаты нерелевантных факторов из имевшихся 750 пространственно-образных и вербально-логических когнитивных заданий (далее ПОЗ и ВЛЗ), подготовленных для зрительного предъявления на экране дисплея, были отобраны 60 заданий-стимулов (30 ПОЗ — сечения куба или совмещение фи-
гур и 30 ВЛЗ — анаграммы, трансформации слов вставляемыми слогами, логический анализ вербально представленных ситуаций). Отбирали задачи, близкие по освещенности экрана, среднему времени поиска решения (от 10 до 20 с) и средней субъективной оценке сложности (от 2 до 4 по 10-балльной системе) — результатам предварительного тестирования в группе из 20 испытуемых без ограничения времени решения. Оплата за участие в эксперименте зависела от количества правильных ответов.
В соответствии со сценарием эксперимента при нажатии испытуемым кнопки готовности на экране дисплея появлялась центральная точка для установки взгляда, через 1 с сменявшаяся изображением-заданием. При готовности к ответу (не ранее чем через 3 с после предъявления задания) испытуемый нажимал кнопку готовности, задание сменялось знаком вопроса, при появлении которого испытуемый вслух сообщал решение задачи. Если кнопка не нажималась в течение 20 с после предъявления задания, задание сменялось знаком вопроса, и испытуемый сообщал либо решение, либо о его отсутствии. Нажатие кнопки готовности после ответа приводило к представлению следующего задания.
Регистрация ЭЭГ осуществлялась от 19 зон поверхности головы (международная система 10—20) монополярно с объединенными референтными электродами на мочках ушей в полосе пропускания 1.5—50 Гц посредством аппаратно-программного комплекса "Мицар-ЭЭГ". Анализ ЭЭГ производился на интервалах времени, соответствующих состоянию покоя с открытыми глазами (ПГО) и направленным взглядом (2 мин) и соответствующих решению предъявляемых задач (до 17 с для каждого задания). Перед анализом выполнялись программные процедуры удаления артефактов последовательным сравнением модуля потенциала ЭЭГ с задаваемыми пороговыми значениями для низкочастотных и высокочастотных составляющих сигналов, а также коррекции артефактов по результатам анализа независимых компонент и пространственной фильтрации компонент, признанных артефактными [13]. Исключение компонент, преимущественно локализованных в переднелобных зонах, объясняет отсутствие данных по электродам Гр1 и Гр2 в представляемых результатах.
Далее рассчитывали средние для каждого испытуемого оценки абсолютной мощности
Эффекты факторов D, S, Zв дисперсионном анализе абсолютной мощности ЭЭГ The effect of factors D, S, Z in analysis of variance of absolute EEG power
Df1 Df2 F Р G-G г G-G Df1 G-G Df2 G-G Р
D 6 180 128.87 0.000000 0.447988 2.68793 80.6378 0.000000
S 2 60 48.2021 0.000000 0.643122 1.28624 38.5873 0.000000
Z 18 540 9.4174 0.000000 0.226269 4.07284 122.1851 0.000001
D х S х Z 216 6480 10.6973 0.000000 0.075129 16.22782 486.8346 0.000000
Примечание. Б — диапазон частот; S — состояние; Z — отведение (зона); БА — степени свободы фактора; Df2 — степени свободы ошибки; Ж — отношение дисперсии, связанной с фактором, к дисперсии ошибки; р — вероятность ошибочного отклонения нуль-гипотезы; О-О 5 — величина поправки Гринхауза—Гайзера; О-О Щ— скорректированная величина степеней свободы фактора; О-О БТ2 — скорректированная величина степеней свободы ошибки; О-О р — скорректированная величина вероятности ошибочного отклонения нуль-гипотезы.
в каждом из отведений в состояниях решения ПОЗ, ВЛЗ и состоянии ПГО. Оценки производили по спектральным составляющим, усредненным в диапазонах: 5 (1.5—4 Гц), В (47 Гц), а1 (7-10 Гц), а2 (10-13 Гц), р1 (1318 Гц), р2 (18-30 Гц), у (30-40 Гц). Для получения статистических оценок использовали дисперсионный анализ ANOVA с применением планов посубъектного сравнения. Для анализа параметров спектра мощности ЭЭГ использовали планы D х S х Z, где D - фактор частотного диапазона, S - фактор состояния, Z - фактор зоны (отведения). Анализ взаимодействия факторов проводили с учетом поправки Гринхауза-Гейзера. Топографию значимых различий средних величин выявляли посредством множественных сравнений (post hoc comparisons) с использованием критерия Фишера. Статистически достоверными признавали различия с вероятностью ошибки менее 0.05.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Влияния всех факторов, а также интересующего нас взаимодействия D х S х Z на мощность ЭЭГ высокодостоверно, в том числе с учетом поправки Гринхауза-Гайзера (таблица), что делает корректным применение по-стериорного анализа (post hoc analysis) различий мощности ЭЭГ в отдельных диапазонах, состояниях и зонах.
Сравнения указанных средних значений между каждым из состояний ВЛЗ и ПОЗ, с одной стороны, и состоянием ПГО - с другой, показывают множественные статистически значимые различия мощности ЭЭГ во всех частотных диапазонах (рис. 1), охватывающие в совокупности практически все пространство конвекситальной коры. Пат-
терны этих различий для ВЛЗ и ПОЗ во многом сходны. Мы понимаем такой характер изменений мощност
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.