УДК 612.789+612.82
ОСОБЕННОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРГАНИЗАЦИИ КОЛЕБАНИЙ БИОПОТЕНЦИАЛОВ МОЗГА У ПОДРОСТКОВ
© 2014 г. О. В. Кручинина, Е. И. Гальперина, А. Н. Шеповальников
ФГБУНИнститут эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН, Санкт-Петербург E-mail: kruchinina_ol@mail.ru Поступила в редакцию 27.03.2014 г.
Подростковый возраст характеризуется интенсивным процессом формирования межрегионального взаимодействия корковых полей. В этот период существенно реорганизуется деятельность ряда глубоких структур мозга и усиливается корково-подкорковое взаимодействие. Цель исследования — оценить характер изменений пространственной организации биопотенциалов мозга с возрастом и особенности такой организации у подростков. Были проведены ЭЭГ-исследования 230 испытуемых обоего пола в возрасте от 4 до 35 лет. Оценивали количественно степень взаимосогласованных изменений корреляционных взаимосвязей колебаний биопотенциалов коры в 20 отведениях ЭЭГ, используя интегральный показатель VOL. Анализировались возрастные изменения степени согласованности корреляционных взаимосвязей ЭЭГ как в фоновом состоянии, так и при выполнении вербальной деятельности (аудирование текстов на русском и английском языках). Функциональные нагрузки выполняли испытуемые старше 8 лет. Установлено, что пространственная синхронизация ЭЭГ-процессов как в фоне, так и при выполнении заданий с возрастом увеличивается, однако после 20 лет темп изменений существенно снижается. В подростковом периоде (12—17 лет) проявляются половые различия между степенью согласованности ЭЭГ-процессов, происходящих в левом и правом полушариях при выполнении испытуемыми функциональных нагрузок. У мальчиков-подростков 12-14-летнего возраста наблюдаются скачкообразные изменения показателей VOL, тогда как у девочек этого возраста реорганизация системной деятельности мозга происходит более плавно, с опережением на 1.5—2 года.
Ключевые слова: возрастные изменения взаимосвязи колебаний биопотенциалов коры, половые особенности становления системной деятельности мозга, специфика подросткового периода.
Б01: 10.7868/80131164614050105
Современные сведения об особенностях становления функций мозга на различных этапах постнатального развития ребенка позволяют существенно повысить эффективность медико-педагогической коррекции. Результаты многолетних научных исследований принесли много ценных сведений о закономерностях формирования нервно-психической деятельности детей в различные возрастные периоды [1—4]. К числу основных закономерностей роста и развития ребенка относятся принцип гетерохронии развития, теория системогенеза, адаптивность развития (с учетом адекватности воздействия внешней среды функциональным возможностям детей определенного возраста), а также нелинейность развития и наличие сенситивных и критических периодов [5].
Нейрофизиологический анализ специфики отдельных этапов соматического и психофизиологического развития ребенка с оценкой его
адаптивных возможностей позволяет считать, что одним из наиболее важных и сложных периодов постнатального развития, которому уделяется неоправданно мало внимания, является подростковый возраст [6]. Несмотря на то, что объем мозга уже в возрасте 6 лет составляет 90% от мозга взрослого, тем не менее и серое, и белое вещество претерпевают значительные изменения в своем развитии в подростковый период [7, 8]. Некоторые из этих изменений чувствительны к воздействию социокультурной среды, например изменения в дорсомедиальной префронтальной коре, задней части верхней теменной извилины [9].
Именно в подростковом возрасте происходит интенсивный процесс формирования межрегионального взаимодействия корковых полей [10], существенно реорганизуется деятельность ряда глубоких структур мозга [11, 12] и усиливается корково-подкорковое взаимодействие. Возможно, это одно из условий для обеспечения более
эффективной деятельности дефолтной системы [13]. Кроме того, мозг подростка подвергается воздействию сильнейшей перестройки эндокринной регуляции [14]. Конкретный вклад тех или других факторов в процессы морфофункцио-нального развития различных церебральных структур у девочек и мальчиков подросткового возраста при современном уровне знаний еще трудно оценить, тем более, что кроме индивидуальных особенностей у многих подростков наблюдаются субклинические отклонения от нормы, поэтому внимание нейрофизиологов к этому периоду становления церебральных функций представляется вполне оправданным.
В настоящей работе приводятся некоторые новые сведения, характеризующие возрастные и половые особенности организации системной деятельности мозга в подростковый период.
МЕТОДИКА
В наблюдениях участвовали 230 испытуемых в возрасте от 4 до 35 лет, из них 116 мужского пола и 114 женского. Все испытуемые не имели неврологических заболеваний и речевых нарушений в анамнезе, не жаловались на здоровье и не принимали лекарственных препаратов на момент обследования. Ведущей рукой у всех была правая, что оценивалось по модифицированному тесту Annett [15]. Родители детей были информированы о целях обследования и согласны с условиями их проведения, о чем дали письменное информированное согласие. Подростки и взрослые участвовали в исследованиях на добровольной основе.
С целью выявления возрастных особенностей системной организации мозга при когнитивной деятельности испытуемым предъявляли задания на аудирование русского и английского текстов. Испытуемые прослушивали отрывки литературного произведения описательного характера с закрытыми глазами, после чего им предлагалось ответить на ряд вопросов по содержанию, что позволяло оценить понимание воспринятого текста. Все учащиеся изучали английский язык в соответствии с программой школы (по 2—3 урока в неделю). Начало изучения английского языка у всех совпадало с началом школьного обучения. Средний балл школьной успеваемости по английскому языку составлял 4.1, а по русскому 4.5.
ЭЭГ непрерывно регистрировали в фоне (спокойное бодрствование с закрытыми глазами) и при выполнении заданий, однако при устных ответах колебания биопотенциалов мозга не регистрировали. Использовали 24-канальный компьютерный электроэнцефалограф "Brain Dynamics analyzer" с полосой пропускания — 0.5—30 Гц, с частотой дискретизации 185 Гц по каждому из каналов. Запись производили от 20 монополярных
отведений, из них 16 располагали по международной схеме 10—20 (Fp1, Fp2, F3, F4, F7, F8, C3, C4, T3, T4, T5, T6, P3, P4, O1, O2). Для более детального анализа роли височных областей в реализации речевой функции дополнительно устанавливали четыре электрода: два — в передневисочных областях каждого из полушарий (T1, T2) и два — в зонах ТРО, т.е. в зонах перекрытия височной, теменной и затылочной областей (TP1, TP2). В качестве референтного отведения использовали объединенные электроды на мочках ушей. После удаления артефактов ЭЭГ разделяли на эпохи анализа по 4 с, для каждой эпохи вычисляли матрицы коэффициентов кросскорреляции (КК) между ЭЭГ от всех отведений попарно, размерностью 20 х 20 (всего 190 значений КК ЭЭГ).
Для определения степени общей пространственной синхронизации биопотенциалов мозга (ПСБП) и особенностей топической организации ПСБП матрицы КК ЭЭГ анализировали методом "объемов" [16]. Этот оригинальный математический прием базируется на ранее разработанном в нашей лаборатории методе представления биоэлектрических процессов, регистрируемых в различных зонах коры в виде совокупности радиус-векторов ЭЭГ в многомерном факторном пространстве [17].
Такой метод позволяет представить каждый из ЭЭГ-процессов в виде вектора в эвклидовом пространстве, причем косинус угла между двумя векторами прямо пропорционален КК между соответствующими процессами. Чем больше скорре-лированы процессы, тем меньше углы между векторами и тем меньший объем занимает пучок ЭЭГ-векторов. В качестве меры синхронизации, точнее степени линейной зависимости совокупности нескольких ЭЭГ-процессов, в работе [16] был предложен показатель, характеризующий "объем", занимаемый пучком этих векторов в пространстве. Для каждой 4-секундной эпохи анализа вычисляли следующие величины. 1) Показатель VOL, характеризующий степень синхронизации всех 20 ЭЭГ-процессов ("объем" всего пучка векторов). Если VOL = 0, то процессы максимально линейно зависимы, а если VOL = 1, то процессы линейно независимы. 2) Показатель Vi, который оценивали для каждого из отведений ЭЭГ (где i — порядковый номер отведения, а V— "доля объема", приходящаяся на i-й вектор). Таким образом, Vi характеризует степень отличия i-го процесса от совокупности остальных, т.е. чем больше величина Vi, тем больше i-й процесс отличается от остальных. 3) Показатели, характеризующие "объемы" пучков 10 векторов в каждом из полушарий мозга, вычисляемые отдельно для правого (VRH) и левого (VLH) полушарий.
Рассчитанные по матрицам КК показатели VOL и Vi сопоставляли в фоне и при тестовых за-
VOL
0 5 10 15 20 25 30 35 40
ВозРаст в годах . Мужской пол
□ Женский пол
Рис. 1. Изменения с возрастом величины показателя "объема рассеяния" ЭЭГ-векторов (VOL), характеризующего степень линейной взаимосвязанности колебаний потенциалов во всей совокупности отведений ЭЭГ у испытуемых мужского и женского пола. Оценку VOL проводили в состоянии спокойного бодрствования с закрытыми глазами. По оси абсцисс — возраст испытуемых в годах, по оси ординат — показатель уровня пространственной синхронизации ЭЭГ, рассчитанный по "объемам рассеяния" ЭЭГ-векторов (VOL) в относительных единицах.
Черными кружками, а также черными линией и пунктиром обозначены испытуемые мужского пола, белыми квадратами, а также серыми линией и пунктиром — женского. Использована полиномиальная аппроксимация возрастной зависимости (черная линия — для испытуемых мужского пола, серая — женского). Пунктирные линии — 95% предикативные границы.
Уменьшение величины показателя VOL отражает градуальное возрастание степени взаимосвязанности корковых процессов в возрастном диапазоне от 4 до 35 лет.
даниях как по отдельным эпохам анализа для каждого испытуемого, так и по объединенным индивидуал
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.