Вызванные потенциалы

Когнитивные вызванные потенциалы локальные электрические потенциалы, зарегистрированные в процессе выполнения психологических тестов (например, oddball или GO/NOGO) и усредненные для каждого вида проб. В процессе усреднения спонтанные положительные и отрицательные колебания взаимно погашают друг друга, оставляя усредненные потенциалы, связанные с различными стадиями обработки информации в мозге.

Генерация разных ритмов ЭЭГ осуществляется за счет разных нейронных механизмов. Считается, что эти ритмы, регистрирующиеся в состоянии спокойного бодрствования при открытых и закрытых глазах, отражают фоновую или спонтанную активность мозга. Однако с появлением стимула или при выполнении движения в течение первых 200 мс наблюдается подавление (десинхронизация) активности в альфа- и бета-частотных диапазонах ЭЭГ. Динамические характеристики этих ритмов свидетельствуют о том, что сами по себе они отражают не процессы обработки информации, а, скорее, модуляцию информационных потоков в мозге. Существуют две разные функции информационных потоков мозга: 1) функция, ассоциирующаяся с информационными потоками, связанными с обработкой сенсорной информации или действий; 2) функция модуляции информационных потоков. Модуляция информационных потоков проявляется в виде синхронизации или десинхронизации ЭЭГ-активности.

Этапы обработки информации анализируются с помощью вызванных потенциалов (ВП). В отличие от ЭЭГ необходимым условием для регистрации ВП является четкая временная связь регистрируемой активности с конкретным событием, будь то движение или появление стимула. Задачи, используемые в исследованиях с регистрацией ВП, широко охватывают разнообразные сенсорные, когнитивные и моторные функции. Они включают различные типы тестовых заданий по детекции и распознаванию стимулов разных сенсорных модальностей, задания с отсроченной реакцией для изучения рабочей памяти, GO/NOGO-тесты для оценки функций контроля исполнения и многие другие. Каждое конкретное задание ассоциируется с определенным набором психологических операций, например, таких как детекция и распознавание стимулов, обновление рабочей памяти, инициация или подавление действия, мониторинг результата действия и т.д. В свою очередь, каждая из психологических операций вызывает временное появление паттернов активации/деактивации нейронов в определенных областях мозга. Сумма синхронно генерируемых и связанных с событием постсинаптических потенциалов регистрируется с поверхности скальпа в виде компоненты вызванных потенциалов — отклонения потенциала, которое ограничено во времени и пространственно локализовано.

В ВП-исследованиях первых лет анализируемые компоненты определялись как позитивные или негативные пики, наблюдавшиеся либо на самих ВП, либо на разностных ВП. Разностные ВП получались в результате вычитания ВП, зарегистрированного в задаче, не требующей вовлечения определенных психологических операций, из ВП при другой задаче, где эти операции предположительно должны были протекать. Отклонения потенциала, видимые на разностных ВП, могут быть подразделены на разные классы в зависимости от их латентности и полярности (позитивные или негативные), как, например: Р100, N100, N200, Р200, РЗОО, N400, где Р используется для обозначения позитивности, а N — негативности, а число обозначает латентный период (ЛП) пика в миллисекундах. Однако пиковая латентность не является исчерпывающей характеристикой описания компонент ВП. В частности, пиковая латентность так называемой РЗb-компоненты, в зависимости от сложности задачи по дискриминации целевого/нецелевого стимула, может варьировать в пределах нескольких сотен миллисекунд. Даже полярность определенной компоненты может зависеть от условий регистрации ВП. Так, компонента С1, которая генерируется в VI области зрительной коры, негативна для стимулов, предъявляемых в верхней части зрительного поля, и позитивна для стимулов из нижней его области. Причиной этого является особая анатомическая пространственная организация 17-го поля Бродмана (ПБ) коры головного мозга.

Другой подход в классификации ВП подразумевает рассмотрение компонент с позиций их функциональной значимости. Существует несколько компонент ВП, которые регистрируются только в определенных поведенческих парадигмах и носят специальные обозначения в соответствии с их предполагаемой функцией. Одними из наиболее исследованных компонент ВП являются: «негативность рассогласования» (HP) как показатель детекции изменений повторяющейся слуховой стимуляции; «процессная негативность» (ПН) как показатель фокусирования внимания на одном из сенсорных каналов; «негативность ошибки» (НО) как показатель некорректных, ошибочных действий в длительном выполнении тестового задания; N2 NOGO компонента как показатель подавления моторной реакции, Р3b-компоненты как показатель обновления рабочей памяти; Р3а-компоненты как показатель непроизвольного переключения внимания.

Метод ВП получил широкое распространение в области когнитивных нейронаук более 40 лет назад — в 60-х годах прошлого столетия. Первая попытка разделения ВП на компоненты была предпринята в 70-х годах с помощью факторного анализа и метода главных компонент. Однако эти методики позволяли выявить только ортогональные (в строго математическом смысле) компоненты ВП, что явно является ограничением, поскольку ясно, что компоненты не обязательно являются ортогональными. Развитие новых методов объективного разделения компонент (как, например, метод независимых компонент) преодолели недостатки старых подходов и открывают новые возможности исследований в этом направлении. Накапливаемое знание демонстрирует высокую эффективность и диагностическую мощность метода оценки независимых компонент ВП как эндофенотипов дисфункций мозга.

Мы классифицируем ВП, исходя из их функциональной значимости. Мы предполагаем, что компоненты ВП отражают разные психологические процессы, которые обеспечиваются различными мозговыми системами.

Сенсорные системы

Мы воспринимаем изменения во внутреннем и внешнем мире посредством рецепторов разных видов. Рецепторы можно подразделить на два больших класса экстерорецепторов (внешние) и интерорецепторов (внутренние). Экстерорецепторы позволяют получать информацию о событиях окружающего мира, а интерорецепторы — о том, что происходит в организме. Активность некоторых интерорецепторов никогда не достигает нашего сознания. Сенсорные элементы системы восприятия внешнего мира крайне специализированы. Существуют разные виды сенсорных модальностей, которые позволяют нам воспринимать изображения, звуки, движения тела, а также продуцируют боль, вкус, запах, осязание.

Важно отметить, что мы воспринимаем не объект как таковой, а импульсную активность выходных нейронов рецепторных органов. В свою очередь, эта активность нейронов возникает в результате взаимодействия рецептора и объекта. Области мозга, которые реагируют на стимуляцию определенных рецепторов, обычно рассматриваются как соответствующие сенсорные системы (зрительная, слуховая). Среди всех сенсорных систем наиболее изученной является зрительная. В настоящей главе мы уделим внимание рассмотрению зрительной, слуховой и соматосенсорной модальностей, поскольку данные системы доставляют в мозг наибольшее количество сенсорной информации и лучше всего исследованы.

Анатомия

Поля Бродмана и ядра таламуса

Сенсорные сигналы от рецепторных органов достигают первичных сенсорных областей коры через релейные ядра таламуса. Основные сенсорные модальности локализуются в следующих областях: поле Бродмана 17 — первичная зрительная кора или область VI, ПБ 41 — первичная слуховая кора или область А1, ПБ 1 — первичная соматосенсорная кора или область S1. Латеральное коленчатое тело (Л КТ) является релейным ядром для зрительной модальности сигналов, медиальное коленчатое тело (МКТ) — для слуховой, а заднее латеральное ядро — для соматосенсорной.

Упорядоченные кортикальные проекции сенсорных систем
Рис. 1. Упорядоченные кортикальные проекции сенсорных систем

Сенсорные ядра таламуса (Б) выполняют воротную функцию, контролируя активность первичных сенсорных областей коры (А). На рисунке представлено три модальности — зрительная, слуховая и соматосенсорная. Схематическое изображение вентрального и дорсального зрительных проводящих путей (A). LGB — латеральное коленчатое тело, MGB — медиальное коленчатое тело, LP — латеральное заднее ядро таламуса.

Топографическая организация

Каждая из первичных сенсорных областей коры характеризуется топографической организацией проекций. Нейроны первичной сенсорной коры и таламические ядра формируют сильно взаимосвязанную нейронную сеть. Важной особенностью этой сети является способность генерировать ритмическую активность в частотном диапазоне альфа-ритма. Альфа-ритм отражает неактивное состояние сенсорной системы — состояние, при котором сенсорная кора не участвует в активной обработке сенсорной информации, но за долю секунды может переключиться в активный режим.

Параллельные пути проведения информации

В качестве примера рассмотрим пути проведения информации в зрительной системе. С механической точки зрения окружающий нас мир состоит из различных объектов различной локализации в пространстве, двигающихся с разной скоростью. Зрение обеспечивает нас полезным инструментом, позволяющим знать:

  1. что располагается в пространстве;
  2. где именно в этом пространстве это «что» располагается;
  3. как субъект может манипулировать этим «что» или сделать направленное движение в его сторону.

Для решения этих задач природа развила мозговые пути проведения информации (или потоки), передающие зрительную информацию разного вида. Эти пути берут свое начало от коленчатых тел таламуса, релейных ядер, состоящих из двух видов клеток, формирующих разные слои ядер: маленькие (парвоцеллюлярные) и крупные (магноцеллюлярные). Эти две системы (парвоцеллюлярная и магноцеллюлярная) остаются разделенными на уровне первичной зрительной коры (VI) и дают начало двум мозговым путям обработки зрительной информации.

Один из путей получил название вентрального, или «что»-системы (рис. 1) и включает вентролатеральную престриарную кору (части 18 и 19 ПБ) и нижневисочную кору. Стриарная, престриарная и нижневисочная кора составляют иерархически организованную систему, в которой сигналы передаются от первого уровня ко второму, от второго к третьему и так далее. Основной целью такой организации данного зрительного пути является разбиение первоначального образа на отдельные компоненты, характеризующиеся ориентацией, пространственной частотой и цветом.

Скорость и позиция зрительного объекта кодируется так называемой дорсальной системой обработки зрительной информации или дорсальным путем, включающим область теменной коры. Важной особенностью этого пути проведения зрительной информации является не только кодирование пространственных отношений зрительной сцены (т.е. «где» располагается объект), но и организация зрительно управляемых моторных программ (функция «как»). Задние области теменной коры имеют связи с премоторными центрами лобной доли, что позволяет обеспечивать реализацию целого класса ориентировочных и манипуляционных действий. Например, таких как фиксация взгляда на выбранном объекте, схватывание объекта и манипуляции с ним. В этом отношении дорсальная система тесно связана с процедурной памятью.

Вентральный и дорсальный пути обработки зрительной информации не являются строго параллельными, поскольку взаимодействуют на разных иерархических уровнях. Кроме того, в обеих системах существуют обратные связи, обеспечивающие возвращение информации от более высших уровней к низшим. Операции, связанные с вниманием и рабочей памятью, реализуются при помощи этих обратных связей (нисходящие потоки информации). В то же время связи между вентральной и дорсальной проводящими системами позволяют координировать обработку информации и формировать из различных сенсорных характеристик единый перцептивный образ.

Ядра подушки как координаторы информационных потоков. Обработка информации, осуществляемая в дорсальном и вентральном путях при участии престриарной, височной и теменной коры, не ограничивается внутренними связями между этими областями. Ядра подушки играют важную роль в координации процессов обработки зрительной информации (рис.1). Недавние исследования показывают, что нейроны подушки увеличивают активность при концентрации внимания на релевантном объекте и, напротив, подавляют свою активность в ответ на предъявление иррелевантного стимула. Тем самым обнаруженный эффект указывает на вовлечение этих нейронов в обеспечение контроля обработки зрительной информации в зрительной коре, что наиболее выражено при операциях, связанных с вниманием. Некоторые нейроны подушки, например, реагируют на движущиеся объекты в период фиксации взгляда, но не активны в период саккадических движений глаз, таким образом различая движение объекта от движений глаза. При этом участие ядер подушки в контроле процессов обработки информации соответствующими областями коры не ограничивается только зрительной модальностью: существуют данные, свидетельствующие о реакции нейронов подушки на соматосенсорные и слуховые стимулы.

После обработки сенсорная информация: 1) перенаправляется в области префронтальной коры через последовательные (заднефронтальные) пути; 2) распространяется к гиппокампу через ринальную кору. Дополнительно существуют проекции «обратной связи» к дорсальной и вентральной системам обработки зрительной информации от префронтальной коры и гиппокампа.

Обработка зрительной информации

ON- и OFF-рецептивные поля

Основные знания о нейронных механизмах обработки зрительной информации были получены в работах по исследованию одиночных нейронов животных. Обычно животному предъявляли разные зрительные стимулы и регистрировали импульсную активность отдельного нейрона. В качестве стимулов использовались светлые пятна, определенным образом ориентированные полоски или пространственные решетки. Такие исследования помогали выявлять рецептивные поля конкретного нейрона. На основе реагирования на освещенность или темноту выделяют два класса клеток: ON- и OFF-нейроны. Эти клетки в наибольшем количестве представлены на самых низших уровнях системы обработки зрительных образов. Рецептивное поле нейронов может быть аппроксимировано разницей гауссовых функций (так называемые DOG-функции, рис. 2), характеризуемых соответственно малым и большим пространственным распределением: первое соответствует входу возбуждения, а второе — тормозному воздействию на нейрон. Проведенные расчеты показали, что латеральное торможение играет ключевую роль в формировании таких рецептивных полей (рис.3).

ON- и OFF-нейроны зрительной системы
Рис. 2. ON- и OFF-нейроны зрительной системы

В верхней части рисунка изображены рецептивные поля ON- (справа) и OFF-клеток (слева). Серым (черным) цветом отображены части рецептивного поля, которые активируются (тормозятся) в ответ на предъявление небольшого пятна света. Внизу представлены ответы двух типов нейронов на свет и темноту (отображены справа).

Рецептивные поля нейронов таламуса и зрительной коры
Рис.3. Рецептивные поля нейронов таламуса и зрительной коры

Под DOG-фильтром подразумевается разница двух гауссианов (Difference of two Gaussians), который аппроксимирует рецептивные поля на уровне латерального коленчатого тела. Фильтр Габора является продуктом гармонической и гауссовской функций и аппроксимирует рецептивные поля простых клеток нейронов первичной зрительной коры. Обозначения: LGB — латеральное коленчатое тело.

Пространственная фильтрация на уровне таламуса и коры

Нейроны таламуса и первичной зрительной коры характеризуются существенно различающимися рецептивными полями (сравнение двух фильтров зрительной информации, соответствующих рецептивным полям нейронов Л КТ и зрительной коры, представлено на рис. 3). Рецептивное поле нейрона первичной зрительной коры может быть выражено функции Габора, а нейронов ЛКТ и сетчатки — при помощи DOG-функций. Функция Габора является линейным фильтром, импульсный ответ которого определяется гармонической функцией, помноженной на гауссовскую функцию. В результате свертки фильтра с сигналом формируется так называемое пространство Габора, которое успешно применяется в техническом зрении.

В 1990-х годах в нашей лаборатории была разработана модель канонического кортикального модуля, которая имитировала структуру и функцию зрительной коры. За основу данной модели было взято пространственное (анатомическое) распределение ON- и OFF-клеток тормозного слоя зрительной коры. В соответствии с нашими предположениями, ON- и OFF-клетки были организованы в модули по принципу спиц в колесе. Вследствие такого пространственного расположения и тормозной природы нейронов, влияющих на активность эфферентных нейронов, рецептивные поля клеток, входящих в состав отдельного модуля, можно выразить с помощью функции Габора.

Необходимым условием выявления специфических характеристик сенсорного входа зрительной модальности является вовлечение тормозных нейронов. В действительности функции (Габора и DOG), привлекаемые для описания рецептивных полей нейронов зрительной системы, включают как позитивные (активирующие), так и негативные (тормозящие) участки. При регистрации электрической активности с поверхности скальпа возбудительная и тормозная активность отражается противоположными флуктуациями потенциала.

Вентральный и дорсальный пути обработки зрительной информации

Зрительная кора макак составляет около 60 % неокортекса. Экспериментальные данные показывают, что изображения, отображающиеся на сетчатке, приводят к активации множества областей коры. Установлено, что у обезьян в обеспечении обработки зрительной информации участвует более двух десятков областей мозга. В силу анатомической и функциональной организации мозговой системы зрения обработка информации протекает в двух направлениях, по так называемым дорсальному и вентральному зрительным путям, которые впервые были описаны Ангерлейдером и Мишкиным в 1980 году. Они предположили, что эти пути характеризуются разными возможностями в обработке зрительной информации: 1) теменной путь обеспечивает восприятие пространственных отношений; 2) височный связан со зрительным распознаванием объектов. Дальнейшие исследования показали, что каждый из потоков обработки зрительной информации может быть подразделен и на более мелкие специализированные пути. В свою очередь, эти пути берут начало от так называемых капель (blobs) и межкапель (interblobs) первичной зрительной коры. В то время как «капли» принимают участие в цветовом восприятии, «межкапли» обеспечивают восприятие формы и движения объектов. По такому же принципу организована и вторичная зрительная кора (ПБ 18), но способом, отличным от первичной.

В пределах дорсального и вентрального путей различные характеристики видимого мира (форма, цвет, движение и пространственные отношения) обрабатываются в отдельных потоках, которые связаны с соответствующими функциями: распознавание отдельных объектов, выявление пространственных отношений между объектами, а также определение способов манипуляции и их использования. Например, нейроны вентрального пути проявляют избирательную чувствительность к форме, цвету и текстуре объектов. Нейроны дорсального пути, напротив, не реагируют на данные атрибуты, но демонстрируют селективную активность в отношении скорости и направления движения, а также избирательно реагируют на стимулы, предъявляемые в области пространства, на котором сконцентрировано внимание.

Магноцеллюлярная (М) система, формируемая при участии больших клеток ЛКТ, в основном ассоциируется с дорсальным путем и определяет функциональные характеристики его нейронов. В ряде последних исследований было показано, что нейроны дорсального пути быстрее реагируют на стимулы по сравнению с нейронами вентрального пути (парвоцеллюлярная (П) система). Это исследование было проведено Мэтью Смоленски в 1998 г. (Schmolesky et al., 1998), который использовал одну и ту же экспериментальную и аналитическую технику для исследования всех областей мозга. В частности, у обезьян латентный период нейронов таламуса М-системы в среднем составляет 30 мс, тогда как ЛП нейронов П-системы — на 20 больше. На уровне коры эта разница увеличивается до 40 мс.

Иерархическая организация

Обработка зрительной информации в пределах каждого из каналов иерархически организована (рис 1). В частности, обработка формы объекта на уровне первичной зрительной коры (ПБ 17) начинается с фильтрации на основе функции Габора, а нейроны нижней височной коры уже селективно реагируют на глобальные свойства объекта, например такие как специфическая форма руки, лица и т.д. Таким образом, средний размер рецептивного поля увеличивается на протяжении пути от затылочной коры до височной. Следовательно, нейроны первичной зрительной коры ответственны за обработку локальных характеристик видимых объектов, в то время как нижневисочные области коры, по всей видимости, вовлечены в восприятие объекта как целого — термин, известный как гештальт. В действительности пациенты, перенесшие операцию право-передней височной лоботомии, существенно утрачивают способность восприятия сложных зрительных объектов (лица или непривычные, абстрактные изображения). Изначально для описания этого синдрома использовался термин «психическая слепота». Позднее Фрейд ввел понятие агнозии. Визуальной агнозией страдают пациенты, которые не могут назвать предмет, показать, как он используется, или сортировать морфологически разные объекты одинакового функционального значения. В то же время у таких пациентов сохраняется острота зрения как в центре, так и на периферии зрительного поля.

Вычислительные карты (computational maps)

На каждом иерархическом уровне коры представлена упорядоченная карта различных характеристик видимых объектов. Например, одна клетка первичной зрительной коры может селективно отвечать на предъявление световой полоски определенных ориентаций. Нейроны, проявляющие такие свойства, были названы детекторами линий. Форма организации детекторов линий в зрительной коре такова, что параметр ориентации на протяжении зрительной коры изменяется медленно и имеет повторяющийся паттерн. На основе представлений о регулярности организации зрительной коры было разработано понятие повторяющихся вычислительных карт. На сегодняшний день под вычислительными картами понимают ключевые строительные блоки инфраструктуры систем обработки информации в мозге. Впоследствии экспериментально были обнаружены данные, свидетельствующие о существовании нейронных карт на высших уровнях обработки зрительной информации, избирательно реагирующие на направление движения и пространственную частоту объекта.

Модель окружающей среды (Anticipating schemata)

Давайте представим человека с катарактой — заболеванием, при котором хрусталик глаза или окружающая прозрачная мембрана становится непроницаемой и свет не может попасть на сетчатку. Далее, если с помощью операции такой хрусталик заменить на искусственный, то сигналы от сетчатки начнут попадать в мозг. Сможет ли такой пациент видеть мир таким, каким видят его обычные, здоровые люди? Как показывают психологические наблюдения, если данное заболевание глаз происходит в раннем возрасте, то в результате таких операций люди не могут воспринимать зрительный мир полноценно. Приведенный пример указывает на то, что для нормального процесса восприятия необходима определенная «инструкция», направляющая сенсорные информационные потоки подобающим способом. Как кажется, эти «инструкции» развиваются в процессе взросления в соответствии с генетически детерминированной нейронной организацией. С самого раннего детства, шаг за шагом, мы активно учимся взаимодействовать с объектами окружающего мира. Мы исследуем мир, поворачивая голову и глаза, манипулируем объектами при помощи рук и пальцев.

Идея модели окружающей среды как организующего фактора зрительного восприятия была предложена Найссером (Neisser). В соответствии с его точкой зрения антиципирующая схема, или внутренняя модель мира, является предвосхищающей когнитивной структурой, обеспечивающей готовность воспринимать определенные виды сенсорной информации по отношению к другим. Модель окружающей среды не только управляет перцептивной активностью, но и сама видоизменяется в процессе восприятия (Neisser, 1976). В последнее время в литературе схемы Найссера модифицировались в понятие восходящих и нисходящих потоков обработки информации. При этом концепция была заменена концепцией репрезентаций (памяти) объектов и их пространственных отношений.

Распознавание лица

Обработка изображений лиц является одной из удивительных способностей человека. Нам достаточно беглого взгляда, чтобы определить, знакомо или нет данное лицо, на основании анализа выражения лица определять эмоциональное состояние, а в некоторых случаях и судить, о чем думает человек. Многими лабораториями мира делались попытки обнаружить так называемый «бабушкин» нейрон, избирательно активирующийся на предъявление определенного лица. Несмотря на то что такие нейроны были обнаружены в нижней височной коре мозга, крайне сложно непротиворечиво доказать, что эти нейроны кодируют информацию, действительно относящуюся к конкретному лицу. Вполне вероятно, что эти нейроны активируются в ответ на более широкий класс сложных объектов или простой паттерн, как, например, топография, являющийся свойственной характеристикой лица.

Множественные компоненты ВП

В недавнем исследовании, проведенном учеными Джоном Фоксом и Грегори Симпсоном из отдела нейронаук Медицинского колледжа им. Альберта Эйнштейна, проводилась регистрация ВП высокого пространственного разрешения (с помощью 128 электродов) при зрительном предъявлении красных билатеральных дисков, время предъявления которых составляло 280 мс. При обработке ВП для более тщательного анализа структуры С1 компоненты ВП, которая, как считается, генерируется в области стриарной коры, использовалось преобразование Лапласа. Полученные в этом исследовании данные свидетельствуют о наличии множества источников генерации компонент, диапазон латентных периодов которых традиционен для С1. При этом дорсальные генераторы по сравнению с вентральными характеризуются меньшими значениями ЛП. Удивительным результатом исследования явилось и то, что дорсолатеральная префронтальная кора вовлекается в обработку зрительной информации уже спустя 80 мс с момента появления стимула. Если учесть, что затылочная кора активируется за 56 мс от начала предъявления стимула, то широко распределенная система обработки зрительной информации, включающая сенсорные, теменную и лобные области коры, активируется в течение 30 мс. Данные факты свидетельствует о более высокой скорости работы сенсорных систем мозга по сравнению с более ранними, традиционными представлениями.

Топография коры

Топографическая организация коры является одним из фундаментальных принципов строения мозга. Топография характерна не только для иерархически низких уровней информационного потока, но также обнаруживается и на более высоких уровнях обработки информации. На уровне зрительной коры различные характеристики объектов активируют специфические области, ответственные за их обработку. В частности, оказывается, что лица, буквы и слова ассоциируются с областями, ответственными за обработку информации центра зрительного поля, а изображения зданий — с периферическими. Например, в исследовании Леви и др. (2001) было четко показано, что изображение лица активирует области зрительной коры, которые накладываются на зоны, топографически соответствующие корковому представительству фове-ального зрения. В то же время распознавание изображения зданий характеризовалось сложно организованным паттерном целого набора активирующихся структур, в состав которого входили и области зрительной коры, вовлекаемые в обеспечение восприятия периферической зрительной информации.

Усиление N170 компоненты ВП в ответ на предъявление изображения лица

ВП-исследования воспроизводят результаты, полученные в фМРТ-исследо-ваниях. Роксана Итер (Roxane Itier) из Ротманского исследовательского института (Торонто, США) и Пол Саба-тир (Paul Sabatier) из Университета Тулузы (Франция) регистрировали ВП в ответ на предъявление разных категорий стимулов — лиц, домов, различных текстур и т.д. В соответствии с данными, полученными в этих исследованиях, предъявление лиц (даже инвертированных) приводило к увеличению амплитуды компоненты N170 (рис. 4).

ВП на разные категории зрительных стимулов
Рис.4. ВП на разные категории зрительных стимулов

Всего использовалось 9 категорий стимулов (А.) Усредненные по группе испытуемых ВП, соответствующие стимулам двух категорий и зарегистрированные в отведении Р8 в интервале от 0 до 400 мс с момента предъявления стимула. Характерно, что предъявлению изображения лица соответствует большая амплитуда компонент Р100 и N170

Несмотря на то что авторы не применяли метод LORETA при обработке своих данных, динамика двумерных карт (топограмм) свидетельствует о разной топографии компоненты при предъявлении лиц по сравнению с пространственным распределением N170 для других стимулов. Полученные этими авторами данные также отражают одно из преимуществ метода ВП перед другими методами регистрации мозговой активности — высокую временную разрешающую способность. В действительности, регистрация ВП позволяет оценить изменения электрической активности с точностью до нескольких миллисекунд, в то время как фМТР- и ПЭТ-методы оценивают состояние в секундном диапазоне. Эта отличительная особенность ВП позволяет ученым изучать этапы обработки информации мозгом человека.

Разложение ВП одной пробы на независимые компоненты

Аналогично тому, как в ЭЭГ выделяется несколько ритмических компонент, вызванный потенциал представляет собой совокупность (сумму) нескольких компонент, генерируемых разными областями коры в разные моменты времени. На рис. 5 изображены ВП, зарегистрированные у 26-летнего испытуемого в ответ на предъявление одинаковых зрительных стимулов и комбинацию слуховых и зрительных стимулов, принадлежащих разным категориям. В качестве зрительных стимулов использовались кратковременные (100 мс) предъявления изображений людей и растений. Слуховые стимулы — случайная последовательность тонов разной частоты, каждый из которых предъявлялся на 20 мс. В разных пробах тоны предъявлялись в разных комбинациях и тем самым при каждом предъявлении звучали по-новому. Предполагалось, что испытуемый просто воспринимает зрительную и слуховую стимуляцию, без какой-либо определенной реакции на предъявление.

Как видно на усредненном по всем пробам вызванном потенциале (рис. 5), предъявление зрительного стимула вызывало негативное отклонение потенциала с латентным периодом 160 мс в затылочных областях. Одновременное предъявление зрительных и «новых» слуховых стимулов помимо негативности в затылочной области характеризовалось позитивными отклонениям в левой височной (ЛП120 мс) и центрально-фронтальной (ЛП 200 мс) области с максимумом в Cz-отведении. Следовательно, можно предположить, что вызванный потенциал при одновременной слуховой и зрительной стимуляции состоит по крайней мере из трех разных компонент, распространенных в лобно-височно-затылочных областях и достигающих своих максимальных значений в разные моменты времени.

На примере рассмотренного ВП можно рассуждать о том, что усредненный вызванный потенциал представляет собой совокупность по меньшей мере трех гипотетических компонент. Для доказательства данного предположения необходимо использовать информацию каждого отрезка ЭЭГ, относящегося к каждой отдельной пробе. Для этого необходимо выяснить, как коррелируют между собой потенциалы различных электродов. В действительности мы предполагаем, что потенциалы электродов, регистрирующих активность генераторов одной компоненты, коррелируют между собой в большей степени, чем потенциалы электродов, записывающие активность генераторов двух разных компонент. Информация, касающаяся корреляции активности электродов, содержится в так называемой ковариационной матрице. В течение многих лет ученые пытались решить проблему выделения компонент из ковариационной матрицы. Так называемый метод главных компонент (РСА — principle component analysis), предложенный в 60-х годах прошлого столетия, является одним из подходов к разрешению этой проблемы. С математической точки зрения данный метод позволяет редуцировать многомерные наборы данных (в нашем случае 19-канальная ЭЭГ) до меньшего количества значений (для ЭЭГ, 3 или 4 компонент). К сожалению, в методе главных компонент компоненты ортогональны, в то время как физиологически значимые компоненты не обязательно ортогональны. Именно поэтому метод главных компонент весьма ограниченно используется в анализе биологических данных в целом и в ЭЭГ/ВП данных в частности.

Несколько лет назад появился новый метод, получивший название метода независимых компонент (ICA — independent component analysis). В основе метода лежит предположение о том, что источники компонент статистически независимы (т.е. не обязательно ортогональны, как при методе главных компонент). По-видимому, это предположение соответствует природе генераторов компонент вызванных потенциалов. В действительности информационный поток, вызываемый предъявлением стимула, последовательно активирует различные, иерархически организованные области коры. В результате генераторы разных компонент активируются в разные интервалы времени в разных областях коры.

На рис. 5 (справа) представлен результат применения метода независимых компонент для анализа вызванного потенциала одной пробы, зарегистрированного с нескольких электродов. Следует отметить, что ответы, полученные в одной пробе, разбиваются на три компоненты, отличающиеся по локализации генераторов и латентности.

Необходимо подчеркнуть, что компоненты ВП для одной пробы выглядят весьма зашумленными. На самом деле максимальные значения амплитуд усредненных ВП варьируют от 6 до 8 мкВ. Аналогичные показатели ЭЭГ колеблются около 10 мкВ. Эти параметры соответствуют соотношению сигнала к шуму, равному 1. В то же время усреднение около 100 участков ЭЭГ увеличивает это соотношение в 10 раз. Таким образом, лучшие результаты могут быть получены, если работать с усредненными вызванными потенциалами. Однако в этой ситуации необходимо иметь много испытуемых (100—200 человек, в зависимости от исследовательских условий).

Разложение отдельных проб ЭЭГ на независимые компоненты
Рис.5. Разложение отдельных проб ЭЭГ на независимые компоненты

19-канальная запись ЭЭГ проводилась на 26-летнем испытуемом, который выполнял двухстимульный вариант GO/NOGO-теста. 50 % проб были неревантными (т.е. не требовали ответа) и представляли последовательное предъявление двух стимулов типа «растение — растение» (соотв. изображение) и «растение — человек + новый акустический стимул». А. ВП, усредненный по группе стимулов типа «растение —человек + новый акустический стимул», который регистрировался в ответ на второй стимул пробы. Там же изображены топограммы потенциалов, усредненных для разных временных значений. Б. Пример использования метода независимых компонент к анализу отрезков ЭЭГ, соответствующих отдельным (единичным) пробам, в которых одновременно предъявлялись и слуховые, и зрительные стимулы. Представлены топография, динамика отдельной пробы ЭЭГ, а также изображения локализации генераторов компонент, вычисленные с помощью метода томографии низкого разрешения (sLORETA). Следует обратить внимание, что выделяемые компоненты характеризуются разными расположениями мест генераций и временной динамикой.

Разложение усредненного ВП на отдельные компоненты

Метод независимых компонент может быть применен к набору индивидуальных ВП. В этом случае выделяемые компоненты ВП будут отражать активность генераторов, являющихся общими для выбранной группы испытуемых. Ниже будет представлен пример использования этого метода. Индивидуальные ВП были выбраны из нормативной базы данных (HBI Database), содержащей ВП-данные около 1000 здоровых человек.

При анализе ВП-данных целью метода независимых компонент является использование разницы в распределении по скальпу генераторов ВП, общей для всей популяции здоровых испытуемых, для выделения времени их активации. Мы исходим из предположения, что разные этапы обработки информации ассоциируются с различными корковыми структурами и разными (а до некоторого предела — и независимыми) временными паттернами. Следует напомнить, что построение компонент ВП связано с оптимизацией взаимной независимости всех кривых времени активации. Говоря более детально, в основе метода независимых компонент, используемого в анализе ВП, лежат три основных допущения (предположения): 1) генераторы, локализующиеся в разных областях коры, продуцируют потенциалы, которые линейно суммируются на регистрирующих скальповых электродах; 2) ВП представляют собой сумму активаций специфического набора пространственно стабильных мозговых нейронных сетей; 3) временные характеристики этих активаций у разных испытуемых независимы.

В качестве примера мы собираемся использовать двухстимульный GO/NOGO-тест, специально разработанный для нормативной базы данных. Тестовое задание состоит из 400 стимулов, предъявляемых испытуемым каждые 3 секунды (рис. 6 ). Стимулы разделяются на следующие 3 категории: 1) 20 разных изображений животных — обозначаются буквой А; 2) 20 разных изображений растений — Р; 3) 20 разных изображений людей, предъявляемых совместно с искусственным «неожиданным» звуком — HS. Пробы включали предъявление пары стимулов с межстимульным интервалом 1,1с. Для анализа были выбраны 4 типа пробы: А-А, А-P, Р-Р иР-HS. Все пробы сгруппированы в 4 сессии по 100 в каждой. В каждой сессии использовался уникальный набор из 5 стимулов типа А, Р и HS. Каждая сессия состояла из псевдорандомизированного предъявления 100 пар стимулов с равной вероятностью для каждого типа пробы и стимула.

После преобразования зарегистрированной активности относительно общего усредненного референта для разложения компонент ВП был использован метод независимых компонент, подробно описанный в работе Makage (1999). На рис. 7 представлены результаты разложения всего набора ВП, зарегистрированных у группы здоровых испытуемых в возрасте от 7 до 89 лет. Анализировались ВП в ответ на второй стимул пробы типа Р-Р. В дальнейшем мы будет рассматривать это условие как «нерелевантное». Как видно на рис. 7, в ответ на «нерелевантные» зрительные стимулы (т.е. стимулы, не изменяющие поведение) выделяется ряд основных независимых компонент.

Типы стимулов, используемых в GO/NOGO-тесте 
Рисунок 6. Типы стимулов, используемых в GO/NOGO-тесте
Независимые компоненты, выделяемые при анализе ВП для нерелеватных зрительных стимулов двухстимульного GO/NOGO-теста
Рис.7. Независимые компоненты, выделяемые при анализе ВП для нерелеватных зрительных стимулов двухстимульного GO/NOGO-теста

Слева направо: 1) топография компонент и значения их вариабельности (под топограммами); 2) вертикально уложенные тонкие горизонтальные окрашенные полосы (цвет обозначает амплитуду), каждая из которых представляет изменение во времени амплитуды соответствующей компоненты индивидуальных ВП. Всего представлены компоненты около 800 здоровых испытуемых, возраст которых колеблется в пределах от 7 (расположенные внизу) до 89 лет (расположены вверху); 3) временная шкала компонент со стрелками и числами, обозначающими латентность первого позитивного пика; 4) локализация генераторов компонент, вычисленная с помощью метода томографии низкого разрешения (sLORETA). Шкалы представлены вблизи соответствующих изображений.

Первая компонента генерируется в теменно-затылочной области. Временная динамика этой компоненты сильно зависит от возраста. В возрасте от 7 до 13 лет первое отклонение этой компоненты характеризуется позитивными значениями амплитуды и латентностью 116 мс. После 13 лет изначально позитивное отклонение превращается в негативное.

Пиковая латентность второй компоненты — 132 мс. Удивителен тот факт, что в отличие от первой компоненты с возрастом позитивность второй не меняется. Эта компонента независимо генерируется в теменно-затылочной области правого и левого полушария.

Третья компонента появляется позже первых двух. Ранняя часть компоненты, характеризующаяся позитивным отклонением с пиковой латентностью 148 мс, сменяется последовательностью негативных и позитивных волн.

Полученные данные можно интерпретировать как представление последовательных этапов обработки информации на уровне дорсального (первый и второй компоненты, система «где») и вентрального пути проведения зрительной информации (вторая компонента, система «что»).

Компоненты ВП как последовательность тормозных и активирующих событий (модель)

Временная динамика компонент, представленная на рис. 8, явно демонстрирует, что нейронные ответы в разных областях коры находят отражение в разных фазах негативных и позитивных колебаний потенциалов, регистрируемых с поверхности головы. Первая компонента генерировалась в затылочной коре и характеризовалась тремя временными фазами: 1) очень небольшая и кратковременная позитивная фаза с латентностью пика 116 мс; 2) сильно выраженная негативность с ЛП150 мс у взрослых и сильно выраженная позитивность у детей (7-12 лет) той же латентности; 3) сильно выраженная позитивная фаза с пиковой латентностью 260 мс. Вторые две компоненты генерировались билатерально в областях, входящих в состав вентрального пути обработки зрительной информации (в области средней височной извилины). Эти компоненты также демонстрировали три фазы: 1) позитивное отклонение с пиковой латентностью 130 мс; 2) негативность с ЛП 184 мс; 3) небольшое позитивное отклонение с ЛП 260 мс у взрослых и 360 мс у детей (7-12 лет). Четвертая компонента была локализована в области теменной коры (дорсальный путь обработки зрительной информации) и состояла из двух позитивных фаз, пиковая латентность которых составляла 148 мс и 330 мс с негативностью между ними (ЛП 220 мс). С определенной осторожностью эти позитивные и негативные отклонения могут соотноситься с периодами активации или торможения нейронов соответствующих нейронных сетей. Такой вывод относительно фаз торможения и возбуждения хорошо соотносится с данными импульсной активности нейронов мозга животных. В исследованиях на животных зачастую первая фаза активации нейрона сменяется фазой подавления, выражающейся в отсутствии спайков. За этими фазами возбуждения и торможения обычно следует вторая активация.

Более детально последовательность процессов торможения и активации может быть описана на примере активности зрительной системы на уровне 17-го поля Бродмана. Возбуждающие нейроны первичной зрительной коры получают входы с релейных ядер таламуса (латеральное коленчатое тело). Посредством местных связей возбуждение распространяется по локальной нейрональной сети. В свою очередь, распространение возбуждения активирует короткоаксоновые внутрикорковые нейроны. Фаза возбуждения очень быстра по причине малого времени генерации возбуждающего постсинаптического потенциала. При активации тормозных нейронов подавляется активность близлежащих нейронов, при этом фаза торможения длится дольше (относительно фазы активации), по причине более медленной по времени генерации тормозных постсинаптических потенциалов. Возникновение второй фазы активации может быть обусловлено как локальным восстановительным эффектом, который следует за фазой торможения, так и повторной активацией, распространяющейся за счет обратных связей нейрональных сетей коры (рис. 8). В любом случае данные скальповых ВП свидетельствуют о том, что последовательные этапы обработки информации на разных уровнях организации мозговых систем характеризуются двойной (или большей) переработкой информации, являющейся необходимым условием раскрытия содержания сенсорного входа.

Схема последовательности событий, происходящих в первичных и вторичных областях коры

Рис.8. Схема последовательности событий, происходящих в первичных и вторичных областях коры

Информационные потоки слуховой информации

Системы «что» и «где»

Мозговая слуховая система приматов состоит из «центра» первичной слуховой коры, проецирующей связи на окружающий «слуховой пояс», связанный с «парапоясными» областями. Каждая из этих областей обладает гистологическими особенностями строения, специфическими таламокортикальными и внутр икортикальными связями, уникальными физиологическими и функциональными характеристиками.

Сравнительно недавно была сформирована концепция множественных и параллельных путей обработки информации в слуховой сенсорной модальности, принципиально аналогичная используемой при описании зрительной системы мозга (рис. 9). Электрофизиологические исследования приматов, как и томографические исследования мозга человека, указывают на существование различий переднего и заднего потоков обработки информации. В поток «что», связанный с обработкой вокальных характеристик звуковой стимуляции (предположительно ответственной за идентификацию слухового объекта), вовлекаются передние «поясные» (belt) и «парапоясные» (parabelt) области слуховой коры, которые в дальнейшем проектируются в передние височные и вентролатеральные фронтальные (экспериментально не показано) области. В поток «где», предназначенный для локализации источников звуков, вовлекаются задние «поясные» и «парапоясные» области слуховой коры, проецирующиеся в задние височные и дорсолатеральные фронтальные (экспериментально не показано) области. Как было показано, задние слуховые области реагируют на пространственные характеристики звуковых стимулов подобно реакциям нейронов теменной коры в ответ на пространственные параметры зрительной стимуляции, что подтверждает существование заднего височно-теменного потока, предназначенного для обработки пространственных характеристик слуховых стимулов. В 2002 году Заторре и Белин (Zatorre et al., 2002) представили доказательства возможного участия «дорсального» пути обработки информации в восприятии спектральной динамики звуков, отражающей их быстрые перестройки во времени.

«Что» и «где» потоки обработки информации на уровне слуховой коры
Рис.9. «Что» и «где» потоки обработки информации на уровне слуховой коры

Тонотопическая организация слуховой коры

Тонотопия (упорядоченные карты избирательности звуковых частот) представлена на всех этапах обработки слуховой информации. Это особенно проявляется на уровне первичной слуховой коры при восприятии чистых тонов. Топографическая организация сохраняется и на уровне вторичной слуховой коры, в соответствии с которой посылаются входы на базальные ганглии (хвостатое ядро и скорлупу).

Обработка речевой информации

Активации, специфичные к восприятию речи, наблюдаются в левой передней верхневисочной доле. Данная область коры является мультимодальной и получает множественные проекции от зрительных, сенсомоторных и слуховых областей коры, что, по всей видимости, обеспечивает возможность понимания смысла произносимых слов и высказываний. По данным клинических исследований, пациенты с повреждениями серого вещества передних областей слуховой коры характеризуются прогрессивным ухудшением понимания отдельных слов, что свидетельствует о важной роли этой области в обеспечении семантического анализа речи. В свою очередь, теменно-височный стык, являющийся связующим звеном между слуховой корой и теменной и фронтальной системами, является анатомически гетерогенной областью. Недавние исследования мозга человека показали, что в структуре данной области различаются как минимум 4 типа областей.

Как ранняя детская речь, произношение слов требует активности соответствующих структур мозга, обеспечивающих контроль лицевой экспрессии (выражения лица), артикуляционных движений и действий. Известно, что такие структуры локализованы в области нижней моторной и смежной с ней нижней префронтальной коры. При активном участии артикуляции генерируются звуки, которые кодируются мозговой системой слуха, включая области верхней височной доли. Наличие большого количества связей между слуховой и префронтальной корой обеспечивает формирование ассоциативных связей между нейронами, контролирующими специфические моторные речевые программы, и нейронами, стимулируемыми звуками собственной речи.

Анализ ВП методом независимых компонент («НВI database»)

Метод разложения индивидуальных ВП на независимые компоненты, описанный выше для зрительной модальности, позволяет сопоставимым образом разделить этапы обработки слуховой информации. В качестве примера мы будем использовать слуховое тестовое задание, которое было сделано специально для создания HBI базы данных. Предъявлялись тоны разной частоты, одинаковой длительности — 100 мс. В некоторых пробах случайным образом время экспозиции стимула увеличивалось до 400 мс. В задачу испытуемого входило реагировать на такие длительные стимулы нажатием кнопки. ВП регистрировались в ответ на предъявление коротких тонов. На рис. 10 представлен результат анализа независимых компонент ВП для коротких стимулов (нерелевантных, т.е. не требующих реакции), зарегистрированных у группы здоровых добровольцев возрастом от 7 до 89 лет.

Независимые компоненты ВП, зарегистрированных на нерелевантные слуховые стимулы
Рис.10. Независимые компоненты ВП, зарегистрированных на нерелевантные слуховые стимулы

Слева направо: 1) топография компонент и значения их вариабельности (под голограммами); 2) вертикально уложенные тонкие горизонтальные окрашенные полосы (цвет обозначает амплитуду), каждая из которых представляет изменение во времени амплитуды соответствующего компонента ВП отдельного испытуемого: представлены данные 600 здоровых испытуемых возрастом от 7 (расположены внизу) до 89 лет (расположены вверху); 3) временная шкала компонент со стрелками и числами, обозначающими соответствующую латентность первого позитивного пика; 4) локализация генераторов компонент, вычисленная с помощью метода томографии низкого разрешения (sLORETA). Шкалы представлены вблизи соответствующих изображений.

Как видно из рис. 10, выявляются две компоненты, генерируемые в области первичной слуховой коры правого и левого полушария. Пиковая латентность правой височной компоненты — 84 мс. Обнаруженные височные компоненты являются многофазными, аналогично компонентам зрительных ВП. Третья компонента генерируется в области задней поясной извилины, а четвертая — в теменной коре. Примечательно, что эти компоненты характеризуются противоположным характером изменений в зависимости от возраста: с возрастом становится более выраженной компонента в поясной извилине, тогда как амплитуда теменной снижается.

Анализируя всю совокупность выявленных компонент, можно предполагать, что височные компоненты отражают работу системы «где», а остальные связаны с активностью системы «что» слуховой модальности.

Соматосенсорная модальность

Все наше тело покрыто чувствительными рецепторами, которые позволяют нам чувствовать боль, прикосновения, контролировать висцеральные функции и т.д. Рецепторы располагаются у поверхности и в глубоких слоях кожи, мышцах, суставах и сухожилиях. Соматосенсорные рецепторы можно разделить на три большие группы: 1) ноцирецепторы, обеспечивающие болевую и температурную чувствительность; 2) тактильные рецепторы, отвечающие за перцепцию легких прикосновений и давления; 3) про-приорецепторы, позволяющие определить положение тела и его конечностей. Кроме рецепторов внешнего мира, существуют также рецепторы внутренних органов, или висцеральные рецепторы.

Соматосенсорная и инсулярная кора

Внешние соматосенсорные рецепторы проецируются в соматосенсорную кору мозга (1—3-е ПБ) через заднее вентральное ядро таламуса. Рецепторы висцеральных органов посылают информацию в область инсулярной коры через вентромедиальное ядро таламуса. Инсулярная кора локализуется достаточно глубоко в мозге, и на данный момент мало известно о характере ее ритмической активности. Соматосенсорная кора располагается на поверхности коры мозга, генерирует так называемые мю-ритмы, которые регистрируются центральными электродами СЗ, С4, Cz .

Детекция изменений

Функциональный смысл детекции изменений

Окружающий мир отражается в постоянной активности нейронов сенсорных систем мозга. Некоторые части мира остаются неизменными в течение достаточно длительных периодов времени, на которые мы чаще всего не обращаем внимания. Но когда нас вдруг кто-нибудь трогает за рукав, или нарушается регулярность работы автомобильного двигателя, или на глаза попадается гриб в лесу, эти изменения могут быть сознательно замечены. По-видимому, мозг постоянно сравнивает сенсорную картину мира с его моделью, сформированной на основе предварительной стимуляции. Похожим образом мозг контролирует реализацию действий и, если они не соответствуют запланированным, корректирует поведение. Мы будем называть эти базовые операции операциями сравнения. Исторически в сенсорной модальности операция сравнения называется детекцией.

Два типа операций сравнения соответствуют двум разновидностям моделей окружающего мира: сенсорной и моторной. Модели формируются при участии сенсорной и исполнительной систем мозга. Несмотря на сильную взаимосвязь между ними, каждая из этих систем представляет собой отдельную нейронную сеть с определенным механизмом переработки информации, служащую для реализации определенной функции. Соответственно, в поведении человека детекция изменений является важной для достижения двух основных целей.

Во-первых, изменения в сенсорной картине мира привлекают внимание как сознательно (селективное внимание), так и бессознательно (автоматически). Например, неожиданное изменение в шуме работающего двигателя может быть замечено водителем и когда внимание сконцентрировано на дороге, и при намеренном прослушивании. В этой ситуации сенсорная модель формируется на базе сенсорной системы, а текущий стимул, не соответствующий данной модели, вызывает активацию соответствующей части сенсорной системы. Важную роль в формировании модели играет и предыдущий сенсорный опыт. Таким образом, цель данного типа детекции изменений обусловлена функцией сенсорной системы — выбор источника изменения сенсорной информации для ее более детальной обработки.

Во-вторых, факт детекции изменения может означать, что реализованное действие не является корректным, а значит, должно быть изменено или подавляться в дальнейшем. Так, человек, собирающийся переходить улицу на зеленый свет, останавливается при резкой смене сигнала светофора на красный. В этой ситуации модель действия — переходить дорогу — формируется на уровне исполнительной системы. Изменение текущей поведенческой ситуации означает; что подготавливаемое действие является несоответствующим и должно быть подавлено. Таким образом, основной целью данного типа детекции изменений является подавление исполнительной системы для обеспечения отмены реализации планируемого действия.

Механизм детекции изменений (модель)

Наиболее изученными являются механизмы мониторинга изменений окружающей среды в слуховой модальности, с рассмотрения которой мы и начнем. Лидирующие позиции в исследовании этого вопроса занимают исследования Центра когнитивных исследований мозга Университета Хельсинки (Финляндия), созданного Ристо Наатаненом в 1980-х годах. Наатанен был первым исследователем, предположившим существование двух механизмов детекции изменений для слуховой модальности.

Первый механизм отражается изменениями ранних компонент ВП и ассоциируется с обработкой информации на уровне первичной и, скорее всего, вторичной слуховой коры (рис 10.11). Работу первого механизма Ристо Наатанен связывает с N1 компонентой ВП. Предполагается, что в составе слуховой коры существует две разновидности нейронов — стабильные и рефрактерные. Стабильные нейроны не меняют свои ответы при повторных появлениях стимула. Активность рефрактерных нейронов снижается по мере того, как несколько раз предъявляется один и тот же стимул. Рефрактерность означает феномен снижения частоты ответов при повторяющейся стимуляции. Хотя синаптическая депрессия, как кажется, является основным клеточным механизмом затухания нейронных ответов на повторяющиеся стимулы, сложные взаимодействия между нейронами, по-видимому, также играют некоторую роль (пока еще неопределенную) в реализации этого феномена.

Кроме существования двух типов нейронов, предполагается наличие и второго механизма, называемого детекцией изменений. Гипотетические нейроны, ответственные за обеспечение работы механизма, реагируют только на изменения стимулов. Если принять во внимание нелинейный характер активности нейронов, то легко можно представить возможное устройство нейронной сети для детекции изменений (рис. 11 справа). Исходя из предложенной модели, ассоциативная кора (кортикальная область 3 на рис. 11) получает два входа: 1) из первичной сенсорной коры, ответственной за обработку физических свойств стимула и не изменяющей своей активности при повторении стимула; 2) из вторичной, активность которой снижается при повторении. Нейроны ассоциативной области посредством латерального торможения осуществляют сравнение информации, поступающей с этих двух входов. В результате некоторые нейроны этой области активируются только при появлении нового стимула.

Аудиостимулы характеризуются не только физическими свойствами (частотой и интенсивностью), но и более интегративными свойствами, например, таким как регулярность. В частности, в слуховой модальности регулярность представлена во множестве звуковых сигналов нашей повседневной жизни: шуме работающего автомобильного двигателя, компьютерного вентилятора или монотонной речи лектора… Как известно из нейрофизиологии, разные аспекты стимула обрабатываются нейронными элементами, локализованными в различных областях сенсорных систем. Регулярность как отдельное свойство стимула, по всей видимости, кодируется обособленной областью слуховой коры. Более того, весьма вероятно, что это свойство оценивается с помощью специального мозгового механизма. В действительности в отличие от физических характеристик регулярность как интегративное свойство формируется на основе достаточно длительного отрезка времени (десятков секунд). Однако механизм этой интеграции неизвестен. Несмотря на это, ЭЭГ-корреляты реакции мозга на изменение регулярности за последние 30 лет хорошо исследованы. Для слуховой модальности этим коррелятом является негативность рассогласования (HP).

Схема работы механизма детекции изменений
Рис.11. Схема работы механизма детекции изменений

А. Нейрональные ответы. Б. Связи между нейронами трех предполагаемых областей коры. Черным цветом обозначены возбуждающие нейроны и связи, а серым — тормозные нейроны и связи. В соответствии с представленной моделью предполагается, что операции сравнения осуществляются сетью нейронов, состоящей из трех кортикальных областей. Первая из этих областей получает входы непосредственно от таламуса, и ее активность является наиболее устойчивой, т.е. стабильна при повторении стимулов. Далее проекции от этой области следуют на возбудительные нейроны второй области, активность которой более пластична, и тормозные нейроны третьей области, где осуществляется детекция изменений (т.е. область детекторов изменений). В свою очередь, нейроны третьей области, которые находятся под воздействием локальных тормозных нейронов, получают входы от возбудительных нейронов второй области. Таким образом, происходит сравнение, т.е. вычисление разности двух входов — пластичного и более ригидного. Если предъявляемый стимул является новым, то возбуждение превышает торможение, что приводит к разрядке нейронов. В обратном случае, когда стимулы повторяются, наблюдается преобладание торможения над возбуждением, и нейроны не реагируют на такие стимулы. Обозначения: станд. — стандартный стимул.

HP в oddball-парадигме

Негативность рассогласования — электрический ответ на различаемое изменение регулярности слуховой стимуляции. Обычно этот ответ регистрируется на ВП с латентностью пика 150—200 мс с момента начала изменений, даже при отвлечении внимания. Феномен HP впервые был продемонстрирован для слуховой модальности, а его наличие в зрительной модальности является спорным вопросом. Причина этого заключается в природе операции сравнения, которая основана на сравнении со следом памяти. След в краткосрочной сенсорной памяти формируется в результате процесса реверберации и синаптической депрессии (или потенциации). Известно, что эхоическая память достаточно длительна — до 10 с, тогда как иконическая крайне коротка — до нескольких сотен миллисекунд. Таким образом, регулярность может быть сформирована в рамках традиционной исследовательской oddball парадигмы в слуховой, но не зрительной модальности. Следует подчеркнуть, что HP не регистрируется, если межстимульный интервал длится больше чем 10 с, что соответствует представлениям о временных характеристиках краткосрочной сенсорной памяти.

Изучение HP в слуховой модальности традиционно проводится с использованием так называемой oddball-парадигмы. В упрощенном варианте тестовое задание выглядит следующим образом: в ряду повторяющихся стандартных стимулов (например, тон 1000 Гц длительностью 100 мс) редко предъявляются девиантные (например, тон 1100 Гц длительностью 100 мс). Более детальное описание приведено в главе «Методы» части 2.

Феномен негативности рассогласования был открыт в 1978 году в классической работе Наатанена, Джилларда (Gaillard) и Мантисало (Mantysalo). В соответствии с общепринятой интерпретацией, HP генерируется в результате детекции рассогласования между девиантным стимулом и следом памяти, сформированным повторно предъявляемыми стандартными слуховыми стимулами. Усредненные ВП, зарегистрированные в рамках oddball-парадигмы при исследовании здоровых испытуемых в возрасте от 15 до 89 лет, представлены на рис. 12 (слева). По сравнению со стандартными стимулами предъявление девиантных вызывало увеличение амплитуды негативного отклонения потенциала в области лобно-центральных отведений.

С использованием метода независимых компонент было произведено разложение полученных ВП и выделены три независимых компоненты (рис. 12 справа). Первая компонента генерировалась в области первичной слуховой коры с латентностью пика 116 мс. Фактически эта компонента была одинакова и для стандартного, и для девиантного стимулов. Вторая компонента, генерировавшаяся в ассоциативных областях слуховой коры с латентностью пика 132 мс, характеризовалась вдвое большей амплитудой для девиантного стимула по сравнению со стандартным. Наконец, третья компонента была обнаружена в области передней поясной извилины. Латентность его пика составляла 236 мс. Компонента при девиантном стимуле (относительно стандартного) характеризовалась дополнительной позитивностью.

Внутримозговые корреляты HP

В исследовании, проведенном в нашей лаборатории совместно с финским коллективом, возглавляемым Р. Наатаненом (Kropotov et al., 2000), было показано существование по крайней мере трех отдельных мозговых механизмов генерации HP. На рис. 13 представлены локальные потенциалы, зарегистрированные с электродов, имплантированных в слуховую кору в области 41-, 42- и 22-го ПБ. Как видно из рис. 13, стабильная активность демонстрируется только для первичной слуховой коры (ПБ 41) и не изменяется при повторно предъявляющихся стимулах. Следовательно, можно считать, что нейроны этой области обеспечивают кодирование физических характеристик стимулов (например, частоту сигнала). Вторичная слуховая кора (ПБ 42) снижает активность при повторении одинаковых стимулов. Вполне вероятно, что определенный вклад в наблюдаемый эффект может вносить синаптическая депрессия. По всей видимости, операция сравнения происходит на уровне ассоциативной области слуховой коры (ПБ 22): если стимул не соответствует следу памяти, сформированному предварительной однотипной стимуляцией, то генерируется сильно выраженная негативная компонента, за которой следует позитивная. Следует оговориться, что слуховая кора не является единственной областью, влияющей на генерацию HP. Так, кроме височной области, были найдены несколько источников генерации в префронтальной коре. Генераторы HP, локализуемые в лобных долях, активируются после височных, спустя небольшой промежуток времени и играми важную роль в процессах инициации бессознательного переключения внимания на изменение звука, детектируемого в височном коре. Предполагается, что процесс детекции изменения происходит именно в слуховой коре (отражается субкомпонентом HP в нисочной области). Это является триггером активации фронтальных областей коры (генерируется фронтальный субкомпонент HP и Р3а компонент, следующий за ним), которые, вероятно, обеспечивают переключение внимания и сознательное восприятие изменения стимула.

Разложение негативности рассогласования на компоненты
Рис.12. Разложение негативности рассогласования на компоненты

А. Усредненные по группе здоровых добровольцев ВП. Б. Топография, временная динамика и локализация генераторов трех независимых компонент, составляющих полученные ВП, вычисленная с помощью метода томографии низкого разрешения (sLORETA).

Детекция изменений в задаче по дискриминации двух стимулов

Негативность рассогласования представляется как частный случай более общей операции, ассоциирующийся с детекцией изменения регулярности звуковой стимуляции. Однако регулярность как свойство сенсорной стимуляции наиболее выражена именно в слуховой модальности.

В общем смысле операция сравнения осуществляется с любой характеристикой сенсорного стимула и соответствующим следом памяти. Мы называем эту операцию детекцией изменения. Если задачей исследования не является изучение процессов, связанных с неожиданными изменениями регулярности стимулов, то нет необходимости использовать задание со стимулами, повторяющимися много раз. Следовательно, детекция изменений может быть экспериментально исследована не только в рамках oddball-парадигмы. Так, нами было разработано тестовое задание по дискриминации двух стимулов для изучения процессов детекции изменений свойств зрительной стимуляции. В этом тестовом задании стимулы предъявлялись парами, в которых второй стимул мог в некотором смысле совпадать или не совпадать с первым, соответственно задачей испытуемого было по-разному реагировать на пары проб этих двух категорий.

Три механизма операции сравнения (регистрация активности нейронов с долгосрочных имплантированных электродов в слуховой модальности)
Рис.13. Три механизма операции сравнения (регистрация активности нейронов с долгосрочных имплантированных электродов в слуховой модальности)

Внутримозговые локальные полевые потенциалы регистрировались у пациентов, страдающих эпилепсией, которым по клиническим показаниям, с целью диагностики и лечения, в различные области височной доли имплантировались долгосрочные электроды (области Бродмана 41,42 и 22). В одном исследовании активность нейронов регистрировалась в момент чтения книги пациентом, при параллельном предъявлении последовательностей тонов. А. Тоны предъявлялись в рамках oddball-парадигмы: стандартные тоны 1000 Гц были перемешаны с девиантными 1300 Гц. В другом исследовании (Б) предъявлялись только стандартные и девиантные стимулы с соответствующими длинными и короткими межстимульными интервалами (Kropotov etal., 2000). Обозначения: HP — негативность рассогласования; ТС — область слуховой коры.

В исследовании обезьян (Romo et al., 2000) изучались процессы различения поверхностей при регистрации импульсной активности нейронов (ИАН), расположенных в соматосенсорных областях S1 и S2, вентральной префронтальной и медиальной премоторной областях коры. Для этого на кончике одного из пальцев размещался механический стимулятор, производивший короткие колебания. Каждая проба состояла из стимуляций с разными частотами f1 и f2, разделенными коротким интервалом времени. Обезьяна должна была нажимать определенные кнопки в зависимости от того, была ли частота стимуляции f2 выше или ниже, чем f1. Последовательность психологических операций представлялась следующим образом:

  1. кодирование частоты первой вибрации f1;
  2. удержание следа в сенсорной памяти;
  3. кодирование частоты второй вибрации f2;
  4. сравнение результата кодирования со следом памяти f1;
  5. передача результата операции сравнения моторным нейронам.

Полученные в этом исследовании результаты свидетельствовали о том, что операция сравнения обеспечивалась нейронами вторичной (а не первичной) соматосенсорной коры. То есть «вычислялась» разница между двумя типами вибраций, которая отражалась в частоте разрядов этих нейронов в ответ на второй из пары стимулов пробы. Время, необходимое для реализации этой операции, составляло 200 мс. Доказательств участия нейронов первичной сенсомоторной коры (S1) в обеспечении операции сравнения выявить не удалось, а профиль их ответов выглядел как функция зависимости от частоты второго стимула (f2).

Модальная специфичность

Начиная с 1990-х годов операции сравнения являются предметом исследований нашей лаборатории. Нами была разработана так называемая двухстимульная GO/NOGO-парадигма. Исследования проводились как в слуховой, так и в зрительной модальности. В качестве слуховых стимулов использовались высокие (В) и низкие тона (Н) в следующих сочетаниях: ВВ, ВН, НВ, НН. В качестве зрительных стимулов использовались цифры 6 и 9 в сочетаниях: 99, 96, 69, 66. Задачей испытуемого являлось выделять пары стимулов и нажимать кнопку, если второй стимул в паре (высокий тон или цифра 9) соответствовал первому (высокий тон или 9 соответственно). Мы полагали, что после инструкции и тренировочной сессии у испытуемого формируется поведенческая модель соответствия пары стимулов выбранной категории (например, два изображения цифры 9) с определенным действием (нажатие кнопки). Считалось, что модель состоит из двух частей: 1) сенсорная модель — шаблон категории релевантных стимулов;2) моторная модель — шаблон действия (нажатие кнопки), которое должно быть исполнено как можно быстрее и точнее.

Выполнение тестового задания состояло из ряда психологических операций. Предъявление первого стимула индуцировало:

  1. кодирование релевантных характеристик стимула;
  2. сравнение характеристик с сенсорным шаблоном;
  3. в случае совпадения — обновление сенсорной подготовительной установки (preparatory set) и инициация моторной подготовительной установки;
  4. в случае рассогласования — подавление формирования моторной подготовительной установки.

Психологические операции, вызываемые предъявлением второго стимула пары (GO или NOGO):

  1. кодирование релевантных свойств стимула;
  2. сравнение эти свойств с характеристиками предыдущего (первого) стимула;
  3. в случае совпадения — инициация выбора действия и установочной реакции;
  4. при рассогласовании — подавление процессов автоматического выбора действия и обновление установочной реакции;
  5. сравнение результатов NOGO-пробы (когда действие не реализуется) с шаблоном действия (когда следует нажимать кнопку) и коррекция дальнейшего поведения.

Для упрощения мы рассмотрим ВП только при предъявлении вторых стимулов проб. Анализироваться  будут только первые этапы обработки сенсорной информации. Ранними отличиями между GO и NOGO являются: 1) модальная специфичность; 2) разный компонентный состав (пространственно перекрывающиеся, но разделенные по времени), отражающий соответственно физические и смысловые изменения стимулов; 3) отличие от компонент, связанных с моторной реакцией.

Модальная специфичность детекции изменений
Рис.14. Модальная специфичность детекции изменений

В верхней части расположены графики скальповых ВП для проб GO (тонкая линия) и NOGO (толстая линия), а также разностных ВП NOGO-GO (пунктирная линия), которые были зарегистрированы в F7- и Т5-отведениях. Слева представлены ВП в зрительной модальности, а справа — в слуховой. В нижней части рисунка представлены топограммы разностных ВП. Обозначения: выс., низк. — тоны высокой и низкой частоты. 

Процесс детекции изменений включает физический и семантический этапы
Рис.15. Процесс детекции изменений включает физический и семантический этапы

Запись, сделанная с имплантированных электродов, расположенных в средней височной доле (вверху) у пациента, страдающего эпилепсией. Электрическая активность, регистрировавшаяся в течение двух разных дней, представлена в верхней и средней области рисунка. Пациент выполнял двухстимульный слуховой тест, в котором с равной вероятностью в случайном порядке предъявлялись тоны высокой (Н) и низкой частоты (L). В течение первого исследовательского дня задачей пациента являлось нажимать кнопку в случае предъявления пары стимулов высокой частоты (НН). На второй день исследования нужно было нажимать кнопку при парном предъявлении стимулов высокого и низкого тонов (HL).

На рис. 14 показано, что ранние компоненты разностных ВП для GO- и NOGO-состояний модально специфичны. Для зрительных стимулов максимальная позитивность регистрировалась в области Т5-отведения, тогда как в слуховой модальности максимальные значения компоненты наблюдались в F7. Следует отметить и большую скорость обработки слуховой информации: пиковая латентность разностного ВП в слуховой модальности — 200 мс, а в зрительной — 240 мс.

Детекция физических и смысловых изменений

Рис. 15 иллюстрирует тот факт, что ранние компоненты разностных ВП для GO- и NOGO-состояний действительно слагаются из двух составляющих. Исследования проводились на больных эпилепсией, которым были вживлены электроды в целях диагностики и терапии. Исследование осуществлялось в двухстимульной парадигме в разные дни: в один из дней требовалось нажимать кнопку только в пробах с парой слуховых стимулов ВВ (GO-условие), в другой при предъявлении ВН-пары (GO-условие). В результате NOGO-условие в обоих случаях характеризовалось позитивной компонентой, регистрируемой с ЛП около 200 мс. В то же время ранняя негативная компонента с ЛП 100 мс генерировалась в ответ на изменение физических свойств ожидаемого стимула. Следует также отметить, что ранняя негативная компонента регистрировалась и в ситуации, когда первый стимул предъявляемой пары не соответствовал ожидаемому (т.е. Н-стимул на первом месте в паре вместо ожидаемого В-стимула).

Детекция изменений и подавление моторной реакции

Для демонстрации различий в топографии компонент, связанных с детекцией изменений и подавления моторного ответа, мы рассмотрим результаты анализа зрительных ВП в GO/NOGO-задании, выполненном с помощью метода независимых компонент (рис. 16). Как видно из рис. 16, первая из наиболее выраженных компонент генерируется в левой височной области и, вероятно, отражает детекцию как физических, так и смысловых изменений стимулов. Вторая компонента генерируется в области левой премоторной коры и, по всей видимости, характеризует процессы подавления выполнения подготовленного действия.

Сравнительно недавно группой ученых из Университета Хоккайдо в Японии (Kimura et al., 2006) в исследовании, проводимом в двухстимульной парадигме (SI—S2) в зрительной модальности, были зарегистрированы ВП, связанные с детекцией изменений. Как и в наших работах, в этом исследовании было показано, что изменение стимулов сопровождалось генерацией позитивного компонента с ЛП 100—200 мс в задних областях мозга. Варьирование различных характеристик зрительных стимулов (детекция изменения цвета и направления движения) характеризовалось специфическими топографическими и временными паттернами распределения компонент.

Компоненты ВП, связанные с детекцией изменения, отличаются от компонент подавления моторного ответа
Рис.16. Компоненты ВП, связанные с детекцией изменения, отличаются от компонент подавления моторного ответа

Представлены результаты анализа разностного ВП (GO-NOGO), произведенного методом независимых компонент. Изображены данные для более чем 800 здоровых испытуемых возрастом от 7 до 89 лет. Слева направо: 1) топография компонент и значения их вариабельности (под топограммами); 2) вертикально уложенные тонкие горизонтальные окрашенные полосы (цвет обозначает амплитуду), каждая из которых представляет изменение во времени амплитуды соответствующей компоненты ВП отдельного испытуемого: представлены данные приблизительно 800 здоровых испытуемых возрастом от 7 (расположены внизу) до 89 лет (расположены вверху); 3) временная шкала компонент со стрелками; 4) локализация генераторов компонент, вычисленная с помощью метода томографии низкого разрешения (sLORETA). Шкалы представлены вблизи соответствующих изображений.

Типы сенсорных систем

U-образные кривые реактивности систем

Общая активность сенсорной системы, как и любой нейронной сети, зависит от потока входящей информации и обычно описывается сигмоидальной функцией (рис. 17). В то же время реакция системы на предъявление одинаковых стимулов подчиняется инвертированному U-закону. Вкратце данный закон гласит, что реакция системы на стимул мала в тех ситуациях, когда ее общая активность или слишком мала (пороговый эффект), или излишне высока (эффект насыщения).

Увеличение и снижение активности сенсорных систем

Как будет вести себя сенсорная система при увеличении интенсивности стимуляции? Напрашивающийся ответ — увеличением своей активности (рис. 17). Однако характер этого увеличения будет зависеть от текущего функционального состояния системы. Если общий уровень активности и приток входящей сенсорной информации невелики (точка в нижней части кривой), то относительные изменения ответа системы будут больше относительных изменений сенсорного входа. Такие системы будут относиться к усиливающим (augmenting) сенсорным системам (рис. 17.). В обратном случае, когда уровень общей активности системы высок, относительные изменения ответа будут меньше относительных изменений интенсивности стимуляции. Этот тип сенсорных систем можно охарактеризовать как редуцирующие сенсорные системы.

Два типа сенсорных систем
Рис.17. Два типа сенсорных систем

Зависимость результирующей активности сенсорной системы от характеристик входа может быть представлена сигмоидальной функцией. При возрастании интенсивности сенсорного входа увеличивается и результирующая активность сенсорной системы. Однако это увеличение неоднородно и зависит от изначального состояния сенсорной системы. Система, активность которой увеличивается медленнее (быстрее) по сравнению с увеличением интенсивности входа, называется редуцирующей (усиливающей) сенсорной системой.

Например, в исследованиях на животных было обнаружено, что серотонинергические нейроны ствола мозга иннервируют слуховую кору. Такая иннервация, в свою очередь, приводит к зависимости общего уровня активности от уровня продукции серотонина. Хорошим индикатором функционального состояния слуховой системы является комплекс компонент ВП N1/P2. Так, если уровень серотонина и соответствующего притока входящей сенсорной информации увеличивается, то зависимость слуховых ВП от громкости снижается (на кривой рис. 17 изменение состояния системы отображается перемещением от левой точки на кривой направо). В исследованиях Джилланта (Gallinat et al., 2000) это свойство сенсорной системы и N1 /Р2 компоненты использовалось в качестве предиктора мощного ответа на ингибиторы обратного захвата серотонина при депрессии.

Компонента Р2 слуховых ВП в усиливающих (augmenting) и редуцирующих (reducing) системах

Одним из способов определения типа сенсорной системы является предъявление слуховых стимулов с увеличивающейся интенсивностью. Оценка изменения амплитуды компоненты Р2 относительно увеличения громкости стимуляции с использованием графика на рис. 17 может служить индикатором типа сенсорной системы испытуемого.

Диагностическая ценность сенсорных ВП

Негативность рассогласования

Одной из наиболее изученных компонент ПСС является негативность рассогласования. За последние 30 лет феномен HP интенсивно исследовался как с практической, так и с теоретической точки зрения. Сравнительно недавно HP стала использоваться для оценки фонологических и слуховых дисфункций при дислексии. В частности, в одном из таких исследований (Schulte-Korne et al., 1998) у двух групп подростков (здоровых и с диагнозом дислексии) проводился сравнительный анализ HP в ответ на речевые и неречевые стимулы. В качестве речевых стимулов использовались слоги (слог «да» — в качестве стандартного, «ба» — в качестве девиантного). Неречевыми стимулами были тоны (виды гармонической волны). Было показано, что амплитуда HP в ответ на тоны не отличалась между группами испытуемых. Однако при предъявлении слогов отмечалось относительное снижение амплитуды HP при дислексии по сравнению с HP здоровых испытуемых. Авторы интерпретировали полученные данные как отражение дисфункций в работе специфических фонологических систем, а не как генеральное нарушение процессов обработки слуховой информации. При этом когда дети, неспособные читать, тренировались с помощью зрительнослуховых упражнений, отмечалось увеличение амплитуды HP до нормальных значений.

Исследования шизофрении являются одним из интересных направлений клинических исследований с использованием HP. В частности, исследовалось влияние шизофрении на два типа генераторов HP, локализующихся во фронтальной и височной коре. Оказалось, что аффективное влияние заболевания больше выражено именно для фронтальных генераторов HP, чем для височных.

Исследования влияния процессов старения на амплитуду HP свидетельствуют о ее снижении с возрастом. Следовательно, как было показано в работах с использованием слуховых стимулов разной частоты, старение, по всей видимости, снижает объем слуховой памяти (не влияя на качество слухового восприятия в целом). Пациенты с диагнозом «болезнь Альцгеймера» при предъявлении стимулов с большим межстимульным интервалом (3 с) характеризуются сильным снижением амплитуды HP. HP используется и при прогнозах выхода из состояния комы. Наличие HP-подобной негативности в лобных областях при широком диапазоне изменений частоты стимуляции является предвестником возвращения сознательного состояния пациента.

Компонента сравнения и негативность рассогласования
Рис.18. Компонента сравнения и негативность рассогласования

Негативность рассогласования (HP) рассчитывалась как разностная волна, получаемая при сравнении ВП при девиантном и стандартном тоне, предъявляемых в рамках oddball-парадигмы. Аналогично компонента сравнения рассчитывалась как разница между ВП для GO- и NOGO-стимулов, регистрировавшихся в двухстимульном GO/NOGO-тесте. Представлены усредненные по группе здоровых испытуемых (от 14 до 80 лет) ВП. Данные были взяты из нормативной HBI базы данных.

Компонента сравнения

Даже короткий обзор литературных данных по практическому применению негативности рассогласования показывает, что с помощью HP можно определить психиатрические и неврологические отклонения от нормы. Однако величина эффекта в терминах амплитудных значений ВП достаточно мала, что ограничивает практическое применение HP в клинике. Незначительная величина эффекта частично может быть объяснена с позиций природы HP, средний уровень амплитуды которой 1 мкВ, что в 30—50 раз меньше фоновой ЭЭГ-активности.

С учетом этого более мощным диагностическим инструментом является компонента сравнения в зрительной GO/NOGO-парадигме. По крайней мере, амплитуда такой компоненты сравнения в 4 раза больше амплитуды HP (рис. 18). Более того, использование пространственной фильтрации с помощью метода независимых компонент позволяет дополнительно увеличить соотношение сигнала к шуму и обеспечить более эффективное применение в оценке индивидуальных ВП. Конечно, необходимы дальнейшие исследования в этом направлении, однако уже сейчас имеющиеся данные свидетельствуют о том, что данный метод является более мощным в сравнении с более старыми подходами к определению биологических маркеров (эндофенотипов) некоторых психических и неврологических расстройств.

Заключение

Мы оцениваем изменения во внутреннем и внешнем мире при помощи рецепторов разного типа. Существует несколько сенсорных модальностей, позволяющих воспринимать образы, звуки, движения тела и чувствовать боль, прикосновения, вкус, запах. Наша осведомленность о внешних или внутренних объектах не сводится к восприятию объектов как таковых, а заключается в обработке импульсной активности выходных нейронов рецепторных органов. Области мозга, нейроны которых отвечают на стимуляцию рецепторов конкретного типа, обычно рассматриваются как элементы соответствующих сенсорных систем (зрительной, слуховой системы и т.д.). В любой сенсорной модальности существует иерархическое подразделение на первичную, вторичную и ассоциативную кору. Ассоциативные области сенсорной коры отвечают за обработку наиболее сложных характеристик стимулов. Нейроны, кодирующие конкретные свойства сенсорного мира, формируют топографические организованные вычислительные карты. Например, нейроны, избирательная активность которых обеспечивает специфическую способность человека — восприятие лиц, локализуются в области височной коры и характеризуются специфическими компонентами скальпового сенсорного вызванного потенциала. Каждый класс объектов окружающего мира и каждый класс пространственных соотношений, как оказалось, обладает отдельной формой памяти. Категории памяти выступают в роли модели окружающей среды (Anticipating schemata). ВП, регистрируемые при активации этих моделей, могут быть разложены на несколько составляющих компонент. Мощным методом такого разложения ВП является недавно открытый метод независимых компонент. Выявляемые с помощью этого метода сенсорные компоненты характеризуются разной временной динамикой и пиковой латентностью, варьирующей от 110 мс в зрительной и от 80 мс в слуховой модальности. Разные компоненты генерируются в разных областях коры, начиная с первичных сенсорных, и распространяются вплоть до ассоциативных зон, включая переднюю поясную извилину. Психологические операции первичной зрительной (слуховой) обработки, сравнения (подразделяемые на детекцию физических и смысловых изменений) и вовлечения характеризуются разными компонентами. В зрительной модальности компоненты, отражающие операции сравнения и вовлечения, генерируются структурами вентрального и дорсального путей обработки зрительной информации. Операции сравнения в слуховой модальности, на иерархически низшем уровне, отображаются генерацией негативности рассогласования. HP отображает автоматический процесс оценки изменений, заключающийся в детекции рассогласования девиантного стимула со следом памяти, сформированным предшествующей повторяющейся слуховой стимуляцией. HP обнаружена в исследованиях, проводимых в рамках слуховой oddball -парадигмы, и используется в диагностических целях при разного рода психических и неврологических расстройствах.

Система внимания

Психология

Внимание как операция выбора

Представьте, что вы находитесь в комнате с механическими часами с закрытыми глазами. В тот момент, когда вы только что закрыли глаза, вы не слышите, как идут часы, но спустя некоторое время вы обращаете на них внимание. Внимание к звукам в некотором роде выглядит как «увеличение громкости» громкоговорителя: тиканье часов становится как бы громче. Переключение внимания на другой источник звука, например шепот вашего собеседника, сидящего в углу комнаты, способствует «выключению» звука часов. Именно так и работает наше внимание! Как видно из этого примера, внимание усиливает релевантную сенсорную информацию и подавляет нерелевантную. Эти операции усиления/подавления обозначаются термином «селективные операции» (операции выбора). Аналогично внимание как психологический процесс может быть определено как селективные операции в сенсорной модальности, целью которых является более тщательная (аккуратная) обработка релевантной сенсорной информации.

В начале XX века в мировой науке доминировала теория условных рефлексов Ивана Петровича Павлова и теория оперантного обучения Бурхуса Скиннера (Burhhus Skinner). В конце 1940-х и начале 1960-х в психологии было сформировано представление о различной природе глобальных состояний поведения, таких как возбуждение (активации) и сон. В исследованиях Джузеппе Моруззи (Giuseppi Moruzzi) и Хорасе Магуна (Horace Magoun) было показано, что стимуляция ретикулярной формации ствола мозга кошки вызывает пробуждение ото сна, тогда как стимуляция других, наоборот, индуцировала сон. В литературу был введен термин «пробуждение», обозначающий физиологическое состояние реактивности субъекта, и открыты его ЭЭГ-корреляты. В конце 1960-х новая научная парадигма, названная информационной обработкой, основанная на компьютерной метафоре, заменила бихевиоризм. Внимание стало одним из основных предметов этого направления исследований в психологии.

Сенсорные и моторные селективные операции

Селективные операции в более широком смысле не являются специфической характеристикой процесса обработки сенсорной информации, но в узком смысле представлены и на уровне моторных систем. Репертуар всевозможных моторных действий человека огромен. Мы можем танцевать, играть на музыкальных инструментах, говорить, читать и писать (некоторые из нас на нескольких языках)… Число элементарных действий, составляющих каждую из этих больших категорий действий, может быть также огромным. Просто представьте себе количество известных вам слов. Таким образом, в любой интервал времени доступно большое количество потенциальных действий. Целью нашего поведения является выбор действий, в том числе и тех, которые подходят наилучшим образом для текущего момента. В то же же время селективные операции не ограничены. Операции выбора выполняются и на когнитивном уровне — на уровне мыслей. Как говорил Вильям Джеймс, «думать — значит выбирать».

Подготовительная установка

В попытке объединения разных психологических сущностей в рамках единой концепции в классическом труде Эдварда Эвартса (Edvard Evarts), Ешиказу Шинода (Yoshikazu Shinoda) и Стивена Вайза (Steven Wise) «Neurophysiological approaches to higher brain functions», опубликованном в 1984 году, было введено понятие подготовительной установки. Под подготовительной установкой понимали состояние готовности к появлению определенного стимула или совершению движения. С учетом современных концепций можно говорить, что установочные реакции в сенсорной области связаны с вниманием, а в моторной или когнитивной — с исполнительными функциями.

Поведенческий паттерн в любой момент времени может быть разделен на две составляющие: исполнение когнитивно-моторного действия и его сенсорное восприятие. Естественно, сенсорные и моторные компоненты поведения взаимосвязаны. В действительности почти любое произвольное действие ассоциируется с восприятием того, как оно выполнено (восприятие напряжения мышц, позиции конечностей и т.д.) и как происходит взаимодействие с окружающим миром во время его реализации (восприятие изменения освещенности, акустических волн в окружающем воздухе и т.д.). И наоборот, почти любой перцептивный акт (оценка цвета, положения, конкретного объекта) связан с движением субъекта, его головы или глаз относительно внешнего мира (позиционирование взгляда в определенной точке видимого пространства как при слежении за летящим объектом, так и при рассматривании сложной фигуры).

С психологической точки зрения внимание, моторная подготовительная установка и селекция мыслей могут быть рассмотрены как похожие сущности, связанные с предварительной настройкой активности нейронных сетей. Несмотря на это, в условиях эксперимента такие элементы поведения исследуются отдельно. Исследования показали, что исполнительные и перцептивные функции реализуются разными нейронными механизмами. В обеспечении процессов выбора действий ключевую роль играют базальные ганглии в составе таламокортикальной системы. Селекция источников сенсорной информации обеспечивается за счет прямых и обратных связей разных кортикальных представительств сенсорных стимулов. Эти представительства имеют реципрокные связи с подкорковыми структурами (таламус, бугорки четверохолмия), что позволяет осуществлять операции по переключению внимания.

Обработка множества объектов

В повседневной жизни окружающий нас мир состоит из разнообразного множества загромождающих друг друга объектов разной формы, цвета, а также особенностей движения, локализованных в разных частях пространства. Наш опыт подсказывает нам, что мы не обрабатываем все окружающие объекты одновременно. В качестве демонстрации попытайтесь определить положение вертикальной серой полоски на рис. 1 (в верхней части слева). Как видно, на это требуется определенное время. Фокус вашего внимания последовательно перебирает несколько положений, пока не найдет нужный объект.

Здесь вполне уместна метафора «луч прожектора», когда мы рассматриваем процесс поиска цели. Это выглядит так, словно возможности нашей зрительной системы при обработке информации множества объектов в любой текущий момент времени ограниченны. На рис. 1 видно, как расположенные слева полоски разной ориентации и цвета конкурируют за внимание.

Операции вовлечения, отвлечения и переключения

Исходя из приведенного выше примера, внимание является динамическим процессом. В соответствии с мнением Михаэля Познера, мирового эксперта в психологии внимания, можно выделить три типа операций в этом динамическом процессе (рис 1 внизу). Во-первых, это операция вовлечения — усиление нейронного представительства источника информации, являющегося объектом внимания. Второй элемент внимания — операция отвлечения — заключается в подавлении источника информации, на который внимание не направлено. Третья операция — это операция перемещения или движения как промежуточное состояние при обработке двух разных источников информации. Упомянутые три типа реакций легко различимы на примерах, приведенных на рис. 1 (в середине), представляющих наложение визуальной сцены и траекторий движений глаз во время ее просмотра. Как можно заметить, во время поиска цели последовательные фиксации взгляда располагаются на разных полосках.

Операции внимания
Рис.1. Операции внимания

А. Изображения, иллюстрирующие два разных способа привлечения внимания. В соответствии с инструкцией внимание должно быть сконцентрировано на вертикальных полосках серого цвета. Поскольку возможности зрительной системы в обработке информации ограничены, то при одновременном предъявлении множества стимулов они будут конкурировать между собой. Очевидно, что процесс конкуренции сложен, если взглянуть на левое изображение (последовательный поиск цели), и относительно прост, если перевести взгляд на правое изображение (параллельный режим поиска цели). Следует отметить, что в первом случае нахождение цели обеспечивается в процессе поиска, контролируемого нисходящими влияниями от высших областей мозга, а во втором цель находится в результате управляемых стимулом восходящих процессов обработки информации. Б. Серыми стрелками обозначены перемещения внимания. Перемещения внимания могут быть явными и, соответственно, измеренными, например, при регистрации движений глаз, а именно — позиции центральной ямки глаза (фовеа) при рассматривании испытуемым изображения в поисках цели. Техника регистрации движений глаз во время рассматривания изображений впервые была использована отечественным ученым Александром Ярбусом. Перемещение внимания может быть также скрытным, т.е. осуществляться без видимых движений глаз. В. Три типа операций внимания, впервые описанные Майклом Познером (Posner et al., 1988): вовлечение, высвобождение и переключение.

Нисходящие и восходящие процессы

Важной предпосылкой существования внимания является наличие множества источников информации (например, несколько зрительных образов в зрительной модальности), которые конкурируют между собой. Ситуация борьбы разных стимулов за ресурсы может быть разрешена двумя способами: нисходящими или восходящими факторами влияния. Пример нисходящего фактора представлен в верхней левой части рисунка 1. Инструкция смотреть только на вертикальные серые полоски инициирует процессы высшего порядка, которые управляют саккадическими движениями глаз, определяющими перемещение внимание от одного стимула к другому, пока не будет найден искомый объект. Другой пример, приведенный на рис. 1 вверху справа, иллюстрирует действие восходящих факторов. Важным условием выраженности восходящих процессов является высокая степень отличимости целевого стимула по отношения к остальным (например, форма, цвет, специфическая ориентация). На рис. 1 (вверху справа) вертикальная серая полоска легко выделяется на фоне других стимулов и, соответственно, быстро и без усилий детектируется, обеспечивая ее высокую конкурентоспособность в борьбе за внимание. Этот девиантный стимул словно появляется на изображении. Таким образом, восприятие зрительных сцен происходит при взаимодействии нисходящих и восходящих влияний. Это взаимодействие составляет сущность внимания.

Анатомия

Сенсорные системы

Внимание работает с сенсорной информацией и, следовательно, вовлекает элементы сенсорной системы (рис. 2). Помимо нисходящих и восходящих влияний на уровне иерархически организованных сенсорных областей мозга, обработка сенсорной информации контролируется подкорковыми мозговыми структурами — таламусом и верхними бугорками четверохолмия. Контроль информационных процессов в первичных и ассоциативных сенсорных областях коры осуществляется за счет их реципрокных связей с ядром подушки таламуса и ядрами ретикулярной формации, в соответствующей ее части. В обеспечение произвольных и непроизвольных перемещений взгляда вовлекаются верхние бугорки четверохолмия. Детальная обработка выбранных элементов окружающего трехмерного пространства контролируется ядрами подушки за счет реципрокных связей с сенсорными зонами коры.

Исполнительные системы

Функция внимания подразумевает реализацию операций выбора в сенсорной модальности. Однако сенсорное событие, включающее модуляцию внимания, не может быть отделено от действия. В частности, при переключении внимания с одной части визуальной сцены на другую должны быть выполнены также и действия, связанные с ориентацией глаз и расширением зрачка. Области, входящие в состав сенсорных систем, локализующиеся в задней части коры головного мозга, имеют реципрокные внутрикортикальные связи с передними областями исполнительных систем, вовлекаемых в процессы выбора действий, необходимых для реализации детальной обработки релевантной зрительной информации. Как уже упоминалось выше, различные механизмы выбора действий обеспечиваются фронтально распределенной исполнительной системой мозга.

Мозговые пути обеспечения функции внимания
Рис.2. Мозговые пути обеспечения функции внимания

Модуляция процессов обработки сенсорной информации

Взаимное подавление в исследованиях животных

Большинство наших представлений о нейронных коррелятах внимания было сформировано на основе исследований обезьян. Эти исследования чаще всего проводились в зрительной модальности. Схематический результат типичного исследования обезьян представлен на рис. 3 (для более подробного ознакомления см. Reynolds et al., 1999). Импульсная активность нейронов вентрального пути регистрировалась в ответ на предъявление зрительного стимула (например, полоска определенной ориентации) в рецептивном поле нейрона. В случае предъявления одного стимула, когда внимание было сфокусировано за пределами исследуемого рецептивного поля, регистрируемые ответы состояли из двух частей: ранний и поздний ответ. При одновременном предъявлении второго стимула в пределах этого же рецептивного поля наблюдалось подавление позднего ответа. Концентрация внимания обезьяны на первом из двух стимулов при игнорировании второго приводила к общему увеличение активности в ответ на такое сочетанное предъявление стимулов. Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что одновременно предъявляемые одинаковые стимулы в пределах одного рецептивного поля, обрабатываются не независимо, а взаимодействуют друг с другом в режиме взаимного подавления. Как видно, внимание тормозит подавляющий эффект стимула, находящегося вне фокуса внимания, тем самым усиливая в ответ активность стимула, на который оно направлено. Коротко говоря, выявленные данные позволили считать, что внимание разрешает проблему противоборства среди множества стимулов, уравновешивая взаимное торможение между разными источниками информации. Это позволяет усилить обработку информации с тех источников, на которых сконцентрировано внимание, и параллельно ослабить влияние других.

Вовлечение подкорковых структур

Обработка сенсорной информации и модулирующее действие внимания на информационные потоки обеспечивается вовлечением двух подкорковых образований — ядер подушки таламуса и верхних бугорков. Верхние бугорки четверохолмия вовлекаются в генерацию саккадических движений глаз при произвольном поиске релевантных источников сенсорной информации. Их активность контролируется базальными ганглиями через окулярно-моторный проводящий путь. В ряде последних исследований приводится доказательство участия верхних бугорков четверохолмия не только в обеспечении целенаправленного поведения и саккад, но и в обеспечении скрытого внимания, осуществляемого при отсутствии наблюдаемых движений глаз.

Ядра подушки таламуса, благодаря реципрокным связям со структурами дорсального и вентрального путей обработки зрительной информации, а также другими сенсорными областями, играют важную роль в обеспечении внимания. За счет связей с областями префронтальной коры координируется работа исполнительных и сенсорных систем. При предъявлении стимула, на котором сконцентрировано внимание, обычно регистрируется увеличение активности нейронов подушки.

Внимание разрешает ситуацию взаимного подавления двух конкурирующих стимулов
Рис.3. Внимание разрешает ситуацию взаимного подавления двух конкурирующих стимулов

А. Рецептивные поля нейрона зрительной системы (обозначены квадратом) в трех разных ситуациях: слева—внутри рецептивного поля предъявлен только один зрительный стимул (горизонтальная полоска), а внимание сфокусировано вне рецептивного (обозначено серым цветом); посередине—в пределах рецептивного поля предъявлен дополнительный стимул (горизонтальная полоска), а внимание также направлено вне рецептивного поля; справа—внимание сфокусировано на горизонтальной полоске. Б. Типы реакцией нейронов на быстрое предъявление стимулов в трех разных ситуациях. Обращает на себя вниманието, что конкурирующие за внимание стимулы снижают позднюю компоненту ответа нейрона, которая восстанавливается при фокусировании внимания на одном из стимулов (в данном случае - горизонтальной полосе). В. Схематическое изображение сети нейронов, ответственной за обеспечение наблюдаемого эффекта. Пустыми кругами обозначены возбуждающие нейроны, а черными —тормозные нейроны. Слезет отметить, что внимание активируеттормозный нейрон, соответствующий первому стимулу, тем самым обеспечивая усиление детектирующих свойств нейронов, а также подавляя смежные нерелевантные нейроны. Обозначения: Ст. 1 — стимул 1; Ст. 2—стимул 2.

Негативные компоненты ВП, связанные с вниманием

Одной из первых парадигм исследования внимания с помощью метода вызванных потенциалов являлся тест дихотического прослушивания, разработанный Броадбентом в 1954 году. При одновременном предъявлении в правое и левое ухо стандартных и девиантных тонов (в рамках oddball-парадигмы) внимание испытуемого направлено на один из слуховых каналов. Сравнение ВП, зарегистрированных при предъявлении иррелевантных стимулов игнорируемого и целевого канала, характеризуется разностной компонентой — «разностной негативностью». Схематическое изображение получаемых результатов в такого рода исследованиях представлено на рис. 11.4 (слева). Более детальную информацию можно найти в книге Р. Наатанена «Внимание и функции мозга».

Результаты исследований, проводимых в другой парадигме, проиллюстрированы на рис. 4 (справа). Задачей испытуемых, которым в случайном порядке предъявлялись изображения шахматной доски (с красными и голубыми клетками), было попеременно обращать внимание на клетки одного или другого цвета. Разностный потенциал (при сравнении ВП стимула, на котором концентрировалось внимание, и ВП игнорируемого стимула) характеризовался негативной компонентой — «негативностью выбора». «Негативность выбора» считается ВП-показателем активности системы внимания на уровне вентрального пути обработки зрительной информации.

Типы негативностей, связанные с функцией внимания (схематическое представление)
Рис.4. Типы негативностей, связанные с функцией внимания (схематическое представление)

А. Процессная негативность в слуховой модальности; топограмма разностного ВП. полученного в результате сравнения ВП, зарегистрированных при стимуляции игнорируемого и прослушиваемого уха в условиях дихотического предъявления слуховых стимулов. Б. Селективная негативность в зрительной модальности; топограмма разностного ВП, полученного в результате сравнения ВП, зарегистрированных в ответ на предъявление изображения релевантного и игнорируемого цвета. Быстро и в случайном порядке в центре поля зрения предъявлялось изображение шахматной доски с клетками красного или синего цвета. В отдельных исследовательских сессиях внимание концентрировалось либо на синих, либо на красных клетках доски. Разностные ВП формировались при вычитании ВП на игнорируемый стимул из ВП на стимул релевантного цвета. В состав компонент, связанных вниманием, входит селективная негативность (см. Hillyard and Anllo-Vento, 1988).

Теменнофронтальная система в ПЭТ и фМРТ-исследованиях

Несмотря на то что настоящая статья посвящена контролю процессов обработки информации, осуществляемой мозговыми структурами задней части мозга, нельзя не упомянуть о взаимодействиях этих областей с фронтальными зонами мозга, традиционно связываемыми с рабочей памятью. В действительности понятия рабочей памяти и внимания тесно связаны: для того чтобы удерживать элемент в памяти, требуется внимание, и наоборот, внимание к определенным стимулам требует удержания в памяти ключевой информации о них. Кроме того, данные ПЭТ и фМРТ-исследований свидетельствуют об общности нейронных сетей, обеспечивающих эти операции. Традиционной находкой в разнообразных исследованиях со зрительно-пространственными заданиями, требующими затраты ресурсов внимания и рабочей памяти, являются активации в области теменных и лобных областей коры.

Нейрофизиология

Сенсорный дефицит и повреждения правой теменной коры

Как уже было сказано в предыдущей главе, нейроны теменной коры входят в состав дорсального пути обработки зрительной информации (системы «где»), ответственного за кодирование пространственного расположения объектов. Активность нейронов теменной коры ощутимо модулируется в задачах на пространственное внимание, когда внимание испытуемых концентрируется на разных участках окружающего пространства. Эти знания дают нам основания полагать, что повреждения теменной коры могут приводить к нарушениям пространственного внимания. Это подтверждается клиническими данными, в соответствии с которыми унилатеральное повреждение теменной коры приводит к сенсорному дефициту для объектов в контралатеральной части зрительного поля (относительно стороны повреждения). В более тяжелых случаях пациенты полностью игнорируют происходящее в определенной части зрительного поля, контралатеральной относительно повреждения. Например, такие больные могут читать только одну (правую или левую) часть книги, наносить макияж только на одну из половин лица или есть только с одной стороны тарелки. В менее тяжелых случаях сенсорный дефицит выражен меньше. В частности, дефицит может проявляться только в случаях предъявления конкурентных стимулов: как, например, в случае синдрома ослабления зрительного восприятия (visual extinction). Необходимо отметить, что пространственно-зрительный дефицит может быть вызван не только унилатеральным повреждением теменной коры, но и повреждениями в области лобной коры, передней поясной извилины, базальных ганглиев и ядер подушки таламуса (см. Kastner and Ungerleider, 2000).

Синдром Балинта

Полная утрата чувства пространства и способности выбора пространственных отношений между объектами наблюдается при билатеральном повреждении теменных долей. Поведенческие нарушения, вызываемые такими повреждениями, получили название синдрома Балинта. Пациенты с синдромом Балинта утрачивают способность воспринимать пространственную информацию (за пределами своего собственного тела) и с функциональной точки зрения слепы, за исключением сохранности перцепции одного зрительного объекта зрительной сцены. Они не могут ни определить положение видимого объекта, ни сказать, куда он движется (в их сторону или в другом направлении). Таким образом, полностью теряется пространственное восприятие.

Существуют аргументы в пользу того, что синдром Балинта — тип двойного сенсорного дефицита. Так, пациенты с сенсорным дефицитом могут не замечать как левую часть комнаты, так и левую сторону цветка. Однако при синдроме Балинта не замечаются обе части комнаты, но может целиком восприниматься единичный объект. Фактически такие бальные не видят ничего, кроме отдельных объектов. Таким образом, соотношение между двойным сенсорным дефицитом и синдромом Балинта не столь прямое, как может показаться на первый взгляд.

Нейрональные сети

Рекуррентная деполяризация апикальных дендритов

Повторяющаяся циклическая активность (как внутрикортикальная, так и таламокортикальная), по всей видимости, является важным условием обеспечения удержания внимания на определенном участке пространства (пространственное внимание) или объекте (непространственное внимание). Известно несколько моделей, имитирующих работу механизма внимания. Однако имеющихся эмпирических доказательств явно недостаточно для выбора наиболее адекватной модели. Вместе с тем один из элементов нейронной активности системы внимания наиболее, а именно поддерживаемая деполяризация апикальных дендритов пирамидных нейронов коры при различных установочных реакциях, часто подтверждается экспериментальными данными и входит в состав большинства моделей. Ключевую роль в обеспечении такой деполяризации играют возвратные связи, берущие начало от глубоких слоев областей коры высшего порядка с верхними слоями иерархически низших областей (рис. 11.5, на котором связи обозначены толстой стрелкой). Возвратные связи, активирующие по своей природе, вызывают деполяризацию апикальных слоев коры. По всей видимости, эта апикальная активность проявляется на ВП в виде медленной негативности при подготовительной установке. Апикальная деполяризация модулирует активность пирамидных клеток и снижает их порог активации. Пирамидные клетки средних слоев коры могут работать как детекторы совпадения, активируясь в случае деполяризации как апикальных, так и базальных дендритов.

Внимание и реакция активации

Из нашего опыта известно, что процессы сенсорного восприятия и распознавания объектов зависят от уровня общей активации. В состоянии бодрствования самому низкому уровню активации соответствует состояние дремоты. Противоположное экстремальное состояние — гипербдителъность (hypervigilance). В состоянии дремоты нам едва ли удается обратить на что-нибудь свое внимание, потому как пороги активации сенсорных нейронов настолько высоки, что даже появление значимого, релевантного стимула не вызывает их активации. Следовательно, работоспособность системы внимания крайне мала в таком состоянии. В состоянии гипервозбудимости наше внимание отвлекается различными нерелевантными стимулами, так как пороги срабатывания сенсорных нейронов крайне низки. В силу этого и в данном случае работоспособность мала. Таким образом, если попытаться определить способность сенсорной системы дискриминировать конкретные стимулы на фоне шума, приняв за «Р» работоспособность и за «А» общий уровень активации системы, то в результате получится так называемая инвертированная U-образная взаимосвязь.

Схематическое представление сети нейронов, обеспечивающих функцию внимания
Рис.5. Схематическое представление сети нейронов, обеспечивающих функцию внимания

Слева направо — сети нейронов первичных и вторичных сенсорных областей. Контроль процессов внимания осуществляется за счет возвратного проводящего пути (обозначенных жирными линиями черного цвета) и деполяризации апикальных дендритов пирамидальных клеток (тонкие линии). Процессы деполяризации апикальных дендритов проявляются в виде негативности на регистрируемой со скальпа электрической активности.

Глобальный эффект уровня бодрствования и локальный эффект внимания
Рис.6. Глобальный эффект уровня бодрствования и локальный эффект внимания

А. Пороги активации сенсорных нейронов: при высоком уровне бодрствования наблюдается неспецифическое снижение порогов как для релевантных, так и для нерелевантных стимулов; внимание же избирательно снижает пороги активации для релевантного стимула. Б. Слишком высокий или слишком низкий уровень бодрствования одинаково приводят к уменьшению соотношения сигнала к шуму.

Понятие возбудимости отражает фундаментальное свойство поведения и отчасти ассоциируется со способностью сенсорной системы к обработке информации. Складывается впечатление, что эффективные пороги активации сенсорных нейронов отражают способность мозга обрабатывать сенсорные стимулы (рис. 6). Установка этих порогов при общем уровне активации отлична от аналогичного механизма при подготовительной установке. В случае последней пороги выставляются весьма специфично, а действие такой настройки ограничено небольшим набором релевантных нейронов (относящихся к конкретным стимулам). Напротив, изменение общего уровня возбудимости приводит к общему «неспецифическому» изменению порогов. Эти изменения вызываются отдельной «неспецифической» системой.

Тонические и фазические реакции голубого пятна ствола мозга

Ключевым звеном системы неспецифической возбудимости являются ядра голубого пятна ствола мозга. Общий уровень активности нейронов голубого пятна строго коррелирует с изменением возбудимости в диапазоне состояний от глубокого сна до гипервозбудимости. Нейроны голубого пятна находятся в состоянии покоя в период сна, а именно фазы быстрых движений глаз (стадия парадоксального сна, или REM-стадия), и демонстрируют прогрессивную активацию при пробуждении. Фактически молчание нейронов голубого пятна является одним из физиологических параметров, которые используются для различения бодрствования и фазы парадоксального сна.

Нейроны голубого пятна показывают две разновидности активности: тоническую, или фоновую, активность, которая медленно изменяется вслед за медленными изменениями состояний мозга, и фазическую, которая отражает быстрый ответ системы на краткосрочную сенсорную стимуляцию. Считается, что фазическая компонента активности нейронов выполняет функцию временного усилителя (или фильтра), который интенсифицирует обработку наиболее значимых стимулов.

Ниже представлены свойства нейрона голубого пятна, доказывающие это мнение. Во-первых, латентность нейронных реакций, возникающих в ответ на стимул, весьма мала — около 100 мс. Во-вторых, только целевые, т.е. поведенчески значимые стимулы, вызывают активацию нейронов. В силу того что скорость проведения импульсов по немиеленизированным волокнам мала, активность нейронов голубого пятна может достигать коры в пределах 60—70 мс. Теоретически эти ответы могут усиливать поздние этапы обработки информации на уровне сенсорных систем.

Норэпинефрин как модулятор внимания

Нейроны голубого пятна являются единственным источником норэпинефрина в мозге. Норэпинефринергические нейроны немиелинизированы и, следовательно, обладают медленной проводимостью. Норэпинефрин может высвобождаться экстрасинаптически, производя нелокальный эффект. Эти свойства отражают тот факт, что эффект норэпинефрина на нейроны-мишени носит модуляторный характер. Как известно, модулирующий эффект регулятора зависит от рецепторов синапса. На уровне коры мозга существует два вида адренорецепторов — al и a2. При их активации генерируется возбуждающий постсинаптический потенциал, что приводит к снижению порога активации нейронов-мишеней Аксоны клеток голубого пятна иннервируют кору мозга неравномерно. Наибольшая плотность терминалей наблюдается в теменной, моторной и премоторной коре (рис. 7). Подкорковые структуры, принимающие участие в обеспечении внимания (подушка таламуса и верхние бугорки четверохолмия), также получают значительную часть входов от голубого пятна. Роль норэпинефрина в модуляции внимания объясняет существующий интерес к исследованию с помощью фармакологических подходов к изучению влияния препаратов на функции норэпинефрина. Один из недавно разработанных препаратов, атомоксетин, является блокатором обратного захвата норэпинефрина, что позволяет уменьшить симптоматику расстройства дефицита внимания.

Поздние позитивные компоненты ВП

Известно, что в интервале от 250 до 400 мс в ВП регистрируются позитивные компоненты, обозначающиеся как «Р300» или «Р3». Р3 генерируется при предъявлении значимых стимулов. Одна из компонент, принадлежащих к этой группе, Р3b, регистрируется в ответ на стимулы-мишени, т.е. стимулы, после которых следует моторное или когнитивное действие, например нажатие кнопки или подсчет количества стимулов-мишеней. Более ранняя компонента, называемый Р3а, увеличивается в амплитуде в ответ на неожиданное и заметное изменение в сенсорной стимуляции и отражает ориентировочную реакцию на подобное изменение стимула (рис. 7). Типичными экспериментальными условиями регистрации Р3а-компоненты является предъявление трех типов стимулов: стандартных, девиантных и редко появляющихся новых стимулов (например, собачий лай или телефонный звонок). Именно предъявление новых стимулов вызывает ориентировочную реакцию, переключение внимания и приводит к генерации Р3а-компоненты.

Взаимосвязь компонент ВП Р3а и Р3b и адренергической иннервации
Рис.7. Взаимосвязь компонент ВП Р3а и Р3b и адренергической иннервации

А. Голубое пятно (locus coereleus — LC) является источником норэпинефрина (НЭ) в коре. Аксоны нейронов голубого пятна обширно иннервируют кору головного мозга (не показано на рисунке). Наиболее плотно иннервируются теменные области, а также моторная и премоторная кора (обозначено скоплениями рассеянных точек серого цвета). Б. Р3а-компонента, генерируемая в тестовых условиях oddball-парадигмы стремя слуховыми стимулами: в типичном исследовании ВП в последовательности стандартных стимулов (тоны) редко предъявляются девиантные (целевые стимулы), перемежающиеся с редкими новыми отвлекающими стимулами (например, собачий лай). Испытуемые при предъявлении целевого стимула должны нажимать кнопку. Компонента Р3а генерируется при предъявлении отвлекающих новых стимулов. Целевые стимулы вызывают появление Р3b-компонент. Компоненты Р3а и Р3b характеризуются разной топографией и локализациями генераторов, вычисленной с помощью метода томографии низкого разрешения (sLORETA).

Р3b-компонента

Первое экспериментальное доказательство того, что компонента Р3b может отражать активность голубого пятна, было получено в работе Пинеды в 1989 году. В дополнение к этому существуют данные об общих характеристиках фазического ответа голубого пятна и Р3-компоненты: 1) обе реакции наблюдаются после предъявления стимулов-мишеней в рамках oddball-парадигмы; 2) обе реакции зависят от поведенческой значимости и внимания, привлекаемого к появляющимся стимулам; 3) наблюдается более выраженная активность в ситуации корректного ответа на стимул-мишень по сравнению с ошибочными ответами или пропусками в задачах на детекцию стимулов. С учетом вышесказанного была выдвинута гипотеза о том, что Р3b-компонента отражает фазическое увеличение притока входящей активности в кору, индуцируемое нейронами голубого пятна посредством продукции норэпинефрина (см. Jones and Cohen, 2005).

Проводимые нами в 1990-х годах исследования по изучению импульсной активности, регистрируемой с имплантированных электродов, выявили удивительный факт: Р3b-подобные компоненты могут быть обнаружены во множестве корковых и подкорковых структур (рис. 8). Паттерн мультиклеточной активности сильно зависел от локализации регистрирующего электрода. Так, области височной коры характеризовались активностью, сопоставимой с негативностью рассогласования, пиковая латентность которой варьировала в пределах 80— 120 мс и не проявляла зависимости от внимания. Компоненты, похожие на Р3b-компоненту, регистрировавшиеся в базальных ганглиях, ядрах таламуса и зонах лобно-затылочной коры, напротив, наблюдались только в активной модификации тестового задания, когда внимание испытуемого было сконцентрировано на детекции девиантных стимулов (требующих нажатия кнопки). Эти компоненты мультиклеточной активности по своим временным характеристикам совпадали со скальповой Р3b-компонентой. Однако по сравнению с присущей Р3b позитивностью регистрируемая активность была как положительной, так и отрицательной полярности. Более того, результаты исследования одного пациента показали, что характер Р3b-подобной активности существенно варьировал в зависимости от локализации электрода. По сути этот факт является свидетельством в пользу наличия нескольких разновидностей подобной активности, генерируемой в ответ на стимул-мишень, наблюдаемой в интервале 200—400 мс от момента его предъявления. Можно заключить, что скальповая Р3b-компонента в основном распространена над теменными областями коры. Однако при регистрации активности с имплантированных электродов картина меняется — выявляется широко распределенная мозговая система, объединяющая теменную, фронтальную кору, базальные ганглии и таламус.

В соответствии с литературными данными как в области клинических, так и теоретических исследований, компонента Р3b является наиболее изученной. Этому есть ряд причин. Во-первых, сама oddball-парадигма проста для применения практически в любых условиях исследования неврологических и психических больных. Во-вторых, Р3b — относительно большая компонента, которая легко выделяется на разностных ВП при сравнении ВП на девиантные стимулы мишени и игнорируемые стандартные стимулы. В-третьих, по всей видимости, Р3b характеризуется диагностической значимостью, убедительным доказательством которой являются значительные отклонения в величине этой компоненты при целом ряде дисфункций исполнительной системы, таких как шизофрения или синдром нарушения внимания с гиперактивностью.

Существует несколько предположений относительно функционального значения Р3b-компоненты. Наиболее популярная концепция, предложенная Дончиным в 1981 году, гласит, что Р3b отражает обновление рабочей памяти. То есть появление любого целевого стимула вызывает действие, после которого мозг обновляет содержимое рабочей памяти. В своей статье Дончин назвал этот процесс «обновление контекста». Концепция объясняла процессы на уровне психологии, но не предлагала конкретных нейрофизиологических или клеточных механизмов и в результате была раскритикована.

Разнообразие Р3b-подобных компонент, регистрируемых при помощи имплантированных электродов
Рис. 8. Разнообразие Р3b-подобных компонент, регистрируемых при помощи имплантированных электродов

Вверху — скальповые ВП, зарегистрированные с Fz-отведения, усредненные по группе из 20 пациентов, которым по клиническим показаниям были имплантированы долгосрочные электроды. Амплитудная шкала — 1 мкВ. Ниже, сразу после верхнего ряда графиков ВП, представлены индивидуальные ВП, зарегистрированные с имплантированных электродов (амплитудная шкала—10 мкВ). ВП регистрировались во время выполнения акустического тестового задания в рамках oddball-парадигмы: стандартные стимулы (тоны длительностью 100 мс и частотой 1000 Гц) предъявлялись совместно с редкими и случайными девиантными стимулами (длительностью 100 мс и частотой 1300 Гц). Активный вариант теста (В) предполагал реакцию пациента в виде нажатия кнопки при предъявлении девиантного стимула. Пассивный вариант (Д) — чтение книги и игнорирование слуховой стимуляции. Графики разностных ВП в пассивной и активной модификации тестового задания представлены в среднем столбце (Б). Обозначения: ст.—стимул; дев.—девиантный; станд.—стандартный.

Р3а-компонента

Представьте, что вы управляете автомобилем, слушая музыку и наслаждаясь пейзажем за окном. Но неожиданное небольшое изменение в такте работы двигателя привлекает ваше внимание. Вы задаетесь вопросом: «Все ли в порядке?» Вы останавливаетесь, выходите из машины, открываете капот, смотрите и прислушиваетесь к двигателю. Данный пример демонстрирует то, что мозг создает сенсорную модель окружающего мира, удерживаемую в сенсорной системе. Когда происходит неожиданное изменение внешней среды, система обнаруживает это новое событие, что приводит к переключению внимания для его более тщательного изучения. Данный механизм позволяет людям (и животным) адаптироваться к постоянно меняющейся окружающей среде посредством так называемого ориентировочного ответа. Для того чтобы выделить бессознательную природу этого механизма, Иван Петрович Павлов называл его «ориентировочным рефлексом».

Существенный прорыв в понимании природы ориентировочного ответа был достигнут благодаря изучению скальповых ВП человека. Впервые компонента ВП, связанная с ориентировочной реакцией, а именно Р300а или Р3а, была описана в работе Саттона и др. в 1965 году. Несмотря на то что Р3а наиболее интенсивно исследовалась у людей, аналогичные компоненты регистрируются и у животных: макак, беличьих обезьян (саймири), кошек, собак, кроликов, дельфинов. Таким образом, Р3а может отражать мозговые процессы, свойственные млекопитающим.

В типичном для регистрации Р3а исследовании испытуемые выполняют тестовое задание по детекции стимула-мишени (тона), но при этом иногда среди нерелевантных стимулов случайным образом предъявляется новый неожиданный стимул (например, лай собаки). В отличие от стандартных стимулов и стимулов-мишеней появление нового стимула вызывает генерацию потенциала с пиковой латентностью около 200—300 мс (с момента предъявления начала стимула) и максимумом в центральных и лобных отведениях(рис. 7). Функциональное значение компонента Р3а и когнитивные процессы, связанные с ним, достаточно активно исследовались. В результате этих исследований стало возможным выявить четыре важных особенности Р3а. Во-первых, Р3а свойственно привыкание к последовательно предъявляемым новым стимулам, что выражается в снижении ее амплитуды в ситуации, когда эти стимулы становятся более ожидаемыми. Во-вторых, Р3а модально неспецифична — сопоставимые компоненты регистрируются при новых стимулах в зрительной, слуховой и соматосенсорной модальности. В-третьих, несмотря на то что обычно Р3а генерируется в ответ на сложные звуки, похожие потенциалы могут быть зарегистрированы и при предъявлении простых стимулов, отличающихся от текущего контекста. В-четвертых, Р3а регистрируется и в ответ на новый стимул в игнорируемом канале, что свидетельствует о выявлении нового стимула относительно фоновой стимуляции.

Следует отметить, что, как показывает sLORETA, нейрональные генераторы Р3а не локализуются исключительно на уровне премоторных областей. В нашем исследовании и работе, проведенной Эриком Халгреном (Eric Halgren) и др., Р3а-подобная активность встречается в различных корковых и подкорковых структурах: префронтальной, теменной, латеральной и медиальной височной коре, базальных ганглиях и таламусе (рис. 9). Очевидно, эта гетерогенная нейронная сеть объединяет несколько систем, выполняющих различные функции. Некоторые из этих структур, как, например, вторичные и ассоциативные области слуховой коры, ответственны за детекцию новизны посредством выявления характеристик стимуляции, которые весьма отличаются от фона. Другие (например, гиппокамп) вовлекаются в обеспечение кодирования контекстуально новых событий и их запоминание. И наконец, передняя поясная извилина и префронтальная кора играют важную роль в перераспределении внимания для более детальной обработки отклонений от фоновой стимуляции.

Наравне с фактом множественной генерации Р3а на сегодняшний день известно, что по крайней мере два нейромедиатора влияют на амплитуду Р3а: норадреналин (нейротрансмиттер, распространенный на уровне теменной и моторно-премоторных областей коры) и ацетилхолин, играющий важную роль в регуляции активности гиппокампа (связанной с процессами памяти).

Разнообразие Р3а-подобных компонент, регистрируемых при помощи имплантированных электродов
Рис.9. Разнообразие Р3а-подобных компонент, регистрируемых при помощи имплантированных электродов

Вверху — скальповые ВП, зарегистрированные с Fz-отведения, усредненные по группе из 20 пациентов, которым по клиническим показаниям были имплантированы долгосрочные электроды. Амплитудная шкала — 4 мкВ. Ниже, сразу после верхнего ряда графиков ВП, представлены индивидуальные ВП, зарегистрированные с имплантированных электродов (амплитудная шкала — 20 мкВ). ВП регистрировались во время выполнения акустического тестового задания в рамках трехстимульной oddball-парадигмы: стандартные стимулы (тоны длительностью 100 мс и частотой 1000 Гц) предъявлялись совместно с редкими девиантными и новыми стимулами. Во время предъявления пациенты читали книгу. Графики разностных ВП, полученные при сравнении ВП на стандартные и девиантные, а также стандартные и новые стимулы представлены в двух правых столбцах. Обозначения: HP — негативность рассогласования; дев.—девиантный; станд. — стандартный; нов. — новый.

Диагностическая ценность Р3а и Р3b-компонент

Как считается, Р3а и Р3b компоненты отражают активность системы внимания, что обусловливает их широкое применение в диагностике расстройств, в которых предполагается нарушение функции внимания. Большинство исследований синдрома нарушения внимания с гиперактивностью свидетельствует о снижении амплитуды Р3b-компоненты у пациентов по сравнению с нормой.

Однако по сравнению с Р3b до сих пор не существует единого мнения о диагностической эффективности Р3а-компоненты. В некоторых исследованиях демонстрируется отсутствие значимой разницы между нормальными значениями Р3а и при СНВГ (например, см. Jonkman et al., 2000). Тем не менее существуют экспериментальные данные, согласно которым патологические изменения в генерации Р3а-компоненты (относительно нормы) могут отражать повышенную отвлекаемость детей с СНВГ (Gumenyuk et al., 2004).

Заключение

С физиологической точки зрения внимание ассоциируется с усилением обработки релевантной сенсорной информации и подавлением нерелевантной. Данные регистрации импульсной активности нейронов у животных указывают на то, что внимание решает проблему конкурирования стимулов за ресурсы с помощью механизма взаимного подавления репрезентаций множества одновременно представленных стимулов. В зрительной модальности пространственное внимание и внимание, относящееся непосредственно к объекту, реализуются на уровне дорсального и вентрального путей обработки информации соответственно. Нарушения пространственного внимания, называемые сенсорным дефицитом, ассоциируются с повреждениями в области правой теменной коры, структуры, входящей в состав дорсального зрительного информационного процессинга. Исследования ВП свидетельствуют о существовании ранних и поздних этапов обработки информации, которые по-разному модулируются процессами внимания. Ранние этапы характеризуются так называемыми негативностями выбора, а поздние — позитивными компонентами ВП: Р3а и Р3b. Механизм влияния внимания на генерацию ранних и поздних компонент ВП связывают с тонической или фазической активностью нейронов голубого пятна ствола мозга. Нейроны голубого пятна продуцируют регулирующий нейромедиатор норэпинефрин и обширно иннервируют кору головного мозга. На ранних этапах обработки информации тоническая активность этих нейронов играет важную роль в регуляции активности областей коры, влияя на генерацию ранних компонент ВП и внося существенный вклад в генерацию процессной негативности, регистрируемой на ВП. Атомоксетин, недавно открытый препарат, блокирует обратный захват норэпинефрина, снижая симптоматику нарушений внимания при СНВГ. Нейроны, продуцирующие норэпинефрин, характеризуются также сильно выраженными связями с теменной и премоторной областями коры, что обусловливает регуляцию поздних этапов процессов обработки информации. Считается, что фазическая модуляция активности коры этими нейронами отражается в компонентах Р3а и Р3b, которые широко используются как при исследовании здоровых испытуемых, так и в диагностических целях.

Исполнительные системы

Психология

Необходимость исполнительного контроля

Термин «исполнительный контроль» используется для обозначения контроля моторной функции и когнитивных действий, направленных на достижение определенных целей. Долгое время в нейропсихологии с исполнительным контролем связывали функцию лобных долей мозга. Как было предложено, необходимость в механизме контроля исполнения деятельности возникала в нестереотипных ситуациях, требующих вмешательства контролирующих систем: при выборе определенного действия из множества возможных, при подавлении несоответствующего действия, при удержании в рабочей памяти планируемого действия и его ожидаемого результата.

Исполнительный контроль также требуется и для оптимизации поведения. Принятие решения в пользу определенного действия происходит с учетом ожидаемого результата. Рассогласование между прогнозируемым и действительным результатом действия используется для оптимизации и коррекции поведения. Так, если не последовало ожидаемого вознаграждения, возникающая ошибка ожидания обусловливает изменение ранее сформированного паттерна поведения.

Типы исполнительных операций

В соответствии с современными представлениями при рассмотрении процессов исполнительного контроля выделяют несколько подкомпонентов. В одной из наиболее распространенных классификаций (Smith and Jonides, 1999) исполнительные процессы подразделяются: 1) на внимание и подавление; 2) управление задачами; 3) планирование; 4) мониторинг; 5) кодирование. Вместе с тем количество и точные функции выделяемых подкомпонент до сих пор являются предметом дискуссий. Последние исследования были сконцентрированы на изучении тех подкомпонент, которые относительно хорошо определяются как эмпирически, так и теоретически.

В рамках настоящей главы мы различаем следующие операции над действиями: 1) селективные операции — вовлечение в действия и отвлечение от них; 2) рабочая память; 3) операции мониторинга (табл. 1). Эти операции хорошо определяются на психологическом уровне. Предполагается, что данные операции обеспечиваются разными нейронными механизмами и отражаются в различных компонентах ВП, вызванных действиями.

Таблица 1. Классификация исполнительных операций

Основные операцииИсполнительная функция

Операция вовлечения

Активация нейронов фронтально-теменной коры, ответственных за формирование репрезентации планируемого действия, для обеспечения возможности реализации данного действия

Операция отвлечения

Подавление активности нейронов фронтальной коры, ответственных за формирование репрезентации планируемого действия, для воздержания от исполнения действия

Рабочая память

Временное хранение информации о планируемых действиях (от нескольких минут до нескольких часов) для активного использования ее при операциях вовлечения и отвлечения

Операция мониторинга

Сравнение результата реализованного действия с ожидаемым. При наличии рассогласования инициируется новое действие для его устранения

Связь с селекцией действий

На уровне нейронных сетей исполнительные функции определяются как операции, выполняемые над репрезентациями действий, которые хранятся в коре головного мозга. В действительности эти репрезентации — память о действиях и планы, связанные с ними. Фронтально-теменная нейронная сеть является местом локализации репрезентаций действий, активация которых обеспечивает доступ к хранящейся информации об этих действиях. Исполнительные функции рассматриваются как вычислительные процессы или алгоритмы обработки информации, которые вызывают активацию определенного действия в заданном интервале времени и сложившихся обстоятельствах или подавляют репрезентацию действия, ненужного в данной ситуации.

Как и любая сложная функция, исполнительные функции реализуются сложной системой мозга, состоящей из корковых и подкорковых структур, связанных между собой. В состав кортикальных структур входят теменные и фронтальные области. Работа нейронов этих областей регулируется параллельной циклической активностью, охватывающей структуры коры, имеющие связи с соответствующими частями базальных ганглиев, проецирующие свои связи на соответствующие ядра таламуса, которые, в свою очередь, реципрокно связаны с корой.

Базальные ганглии как «темный подвал» мозга

Анатомия

Согласно мнению, высказанному Киннеаром-Вильсоном (Kinnear-Wilson) в 1920-х годах, ясность в работе базальных ганглиев подобна темному подвалу. И так было большую часть прошлого века. Только сравнительно недавно удалось продвинуться в понимании механизмов вовлечения базальных ганглиев в обеспечение реализации моторных, когнитивных и аффективных актов. В соответствии с классическим определением в состав базальных ганглиев входят пять ядер: хвостатое ядро, скорлупа, бледный шар (подразделяемый на внутреннюю и внешнюю части), субталамическое ядро и черная субстанция(рис. 1). Базальные ганглии являются самыми большими подкорковыми образованиями переднего мозга. Входными ядрами базальных ганглиев являются хвостатое ядро, скорлупа (вместе формируют стриатум) и прилежащее ядро. Эти ядра получают входы практически со всех областей коры, за исключением первичных. Выходные ядра базальных ганглиев, которые посылают результаты пространственного рекартирования и временной обработки к ассоциативным ядрам таламус, локализуются во внутренней части бледного шара. Ассоциативные таламические ядра также получают дополнительные входы от префронтальной коры, и затем реципрокно проецируют связи обратно в кору. Таким образом, базальные ганглии получают информацию фактически от всех областей коры обрабатывают ее и передают результаты обработки обратно в кору через таламические ядра.

Циклическая активность на уровне базальных ганглиев
Рис.1. Циклическая активность на уровне базальных ганглиев

А. Анатомическая локализация таламуса и базальных ганглиев на коронарном срезе. В состав базальных ганглиев входят стриатум и бледный шар. Базальные ганглии и таламус расположены в непосредственной близости друг от друга. Связи между корой, базальными ганглиями и таламусом обозначены стрелками черного (возбуждающие) и серого (тормозные) цвета. Б. Схематическое изображение прямого проводящего пути базальных ганглиев. В. Непрямые и гиперпрямые проводящие пути базальных ганглиев.

Каждый из базальных ганглиев имеет важное клиническое значение. В частности, дегенерация нейронов стриатума приводит к болезни Нантингтона и соответствующим гиперкинетическим расстройствам. Ослабление продукции дофамина, возникающее в результате потери дофаминергических нейронов черной субстанции, вызывает паркинсонизм. Переизбыток О2-рецепторов дофамина является одним из признаков шизофрении. Синдром гиперактивности внимания характеризуется повышенным количеством DAT-рецепторов — рецепторов, ответственных за обратный захват дофамина в стриатуме. Бледный шар является структурой-мишенью при стереотаксических операциях и стимуляциях, применяемых в лечении парксинсонизма. Большое значение при лечении болезни Паркинсона имеют и субталамические ядра, являющиеся ключевыми структурами в процессах контроля функционирования выходных ядер базальных ганглиев (внутренняя часть бледного шара), электрическая стимуляция которых используется при лечении заболевания.

Прямые проводящие пути

Проводящие пути базальных ганглиев подразделяются на два вида: прямые и непрямые. Эти пути выполняют разные функции. Прямой проводящий путь (рис. 1 вверху справа) обеспечивает фокусированное подавление активности нейронов выходных ядер базальных ганглиев. Внутренняя часть бледного шара, являющаяся выходной структурой базальных ганглиев, оказывает тормозные контролирующие влияния на таламус (рис. 1 вверху справа), моторные ядра ствола мозга и верхние бугорки четверохолмия (на рис. 1 не показаны). В отличие от нейронов стриатума фоновая импульсная активность нейронов бледного шара очень интенсивна, что лежит в основе угнетающего действия на нейроны таламуса. Подавление этих тормозных влияний (называемых растормаживанием) выполняет воротную функцию, т.е. позволяет нейронам таламуса активироваться в ответ на внешнюю стимуляцию.

Следовательно, прямой проводящий путь обеспечивает положительную обратную связь с префронтальной корой. И действительно, увеличение активности префронтальной коры приводит к увеличению активности нейронов стриатума и подавлению нейронов бледного шара, что вызывает растормаживание нейронов таламуса и в конечном итоге способствует еще большей активации префронтальной коры. На уровне таламуса операция растормаживания может быть сравнима со снятием «тормоза», «удерживающего» активность нейронов таламуса. Таким образом, архитектура прямого проводящего пути базальных ганглиев предполагает, что его основная функция — управление активностью группы нейронов целевой системы через механизм растормаживания.

Регистрация активности глубоких структур мозга у пациентов

В лаборатории Института экспериментальной медицины РАМН на протяжении почти 20 лет изучалась импульсная активность нейронов и локальные потенциалы поля у пациентов, страдающих болезнью Паркинсона, эпилепсией и навязчивыми состояниями (обсессивно-компульсивное расстройство, ОКР). Все исследования проводились в диагностических и терапевтических целях, после стереотаксической имплантации электродов в структуры мишени. Стереотаксические операции проводились только в тех случаях, когда традиционные и более щадящие методы были малоэффективны в лечении. Пациенты с вживленными электродами принимали участие в различных исследованиях, построенных таким образом, чтобы изучать исполнительные функции.

При регистрации импульсной активности в базальных ганглиях, вентральном таламусе и премоторной коре мы столкнулись с большим количеством подготовительных компонент, т.е. компонент, относящихся к подготовке реализации действия или восприятия стимула. Такие вызванные нейронные ответы наблюдались только на поведенчески значимых стимулах (рис. 2).

Два типа активности нейронов на уровне петли проводящего базально-таламокортикального пути
Рис. 2. Два типа активности нейронов на уровне петли проводящего базально-таламокортикального пути

А. Пример импульсной активности нейронов при обработке сенсорной информации. Б. Пример нейронной активности при подготовке к моторной реакции. На графиках по горизонтальной оси отмечено время, по вертикальной — частота разрядов нейронов (в относительных величинах). Регистрация импульсной активности при помощи имплантированных электродов производилась у пациента, страдающего болезнью Паркинсона. Каждая проба тестового задания состояла из трех стимулов, представленных в нижней части рисунка: 1-й стимул определял, будет ли пациент ждать следующий стимул пробы или игнорировать ее целиком; 2-й стимул определял, нужно или нет нажимать кнопку, 3-й стимул служил триггерным сигналом для запуска моторной программы ответа (см. Kropotov et al., 1997).

Локальный потенциал поля, отражающий реакцию нейронов на уровне вентрального таламуса
Рис.3. Локальный потенциал поля, отражающий реакцию нейронов на уровне вентрального таламуса

А. Интракраниальные ВП. Б. Ответы таламических нейронов на GO-, NOGO- и игнорируемые стимулы трехстимульной oddball-парадигмы. (А): по оси Y — усредненные потенциалы, которые были зарегистрированы с электродов, имплантированных в вентральную область таламуса в ответ на GO- (черная линия), NOGO- (серая линия) и игнорируемые (Ignore, внизу) стимулы. (Б): по оси Y — усредненная импульсная активность нейронов, зарегистрированная с тех же электродов. По оси X — время (неопубликованные данные из архивов лаборатории).

Другой удивительной находкой был разный характер импульсной активности таламуса при предъявлении сигнальных GO и NOGO-стимулов. Так, GO-стимулы обычно вызывали активацию нейронов таламуса с латентностью около 200 мс, тоща как NOGO-стимулы, напротив, подавляли их активность (рис. 3). Эти реакции нейронов часто сопровождались соответственно позитивными (GO) и негативными (NOGO) компонентами локальных потенциалов, регистрируемых с одних и тех же электродов.

На основании ранее полученных данных нами была сформулирована теория программирования действий (Kropotov, 1987). В соответствии с данной теорией ключевую роль в выборе действий играет система таламокортикальных связей банальных ганглиев. Схематическая иллюстрация теории представлена на рис. 4.

Модель выбора действий

Давайте представим ситуацию, когда из всего доступного репертуара действий нам необходимо выбрать одно, как, например, при правом или левом повороте на перекрестке. Пространственно распределенная активность, соответствующая кортикальному представительству каждого из действий, схематично представлена на рис. 4 (справа вверху). Данные активации существенно перекрываются на уровне премоторной и моторной коры (на рис. 4 горизонтальная ось обозначает пространственное расстояние). Полученные нами данные свидетельствуют о том, что каждая из распределенных нейронных сетей, соответствующая разным действиям, проецируется в разные области стриатума. На представленном рисунке две программы действий перекрываются на уровне коры, но по-разному проецируются в стриатум. Таким образом, стриатум сам по себе может быть представлен как «карта» действий.

Выходные нейроны стриатума по характеру воздействия тормозные. Они проецируются на нейроны бледного шара и одновременно посылают коллатерали на соседние нейроны стриатума, выполняя функцию латерального торможения. Механизм латерального торможения позволяет стриатуму выполнять специфическую фильтрующую функцию по принципу «победитель получает все». Фильтрация позволяет выбрать наиболее активированные репрезентации потенциальных действий и одновременно блокировать менее активированные (т.е. менее значимые в контексте данной ситуации).

Дофамин как модулятор активности базальных ганглиев

Дофамин, продуцируемый нейронами компактной части черной субстанции, модулирует активационные пороги эфферентных нейронов стриатума. Нейроны черной субстанции проецируются на проксимальные части синаптических шипиков, что обеспечивает положение, позволяющее существенно модулировать поток активаций от нейронов коры, которые имеют окончания на удаленных частях тех же синаптических шипиков (рис. 4, вставка). Известно, что дофаминовые рецепторы нейронов прямого проводящего пути базальных ганглиев — рецепторы D2-THna. Связывание дофамина с этими рецепторами вызывает активацию — медленную деполяризацию нейронов стриатума. Эффекторные нейроны, в свою очередь, реагируют только на активность, превосходящую порог срабатывания. Событие, превышающее этот порог, наблюдается в случаях, когда нейроны стриатума селективно деполяризуются нейронами коры (тогда как активность соседних нейронов подавлена) и глобально деполяризуется дофаминергическими проекциями из черной субстанции. Таким образом, наличие подавляющих латеральных связей стриатума формирует основу функции выбора действий. Кроме того, дофамин, в свою очередь, благоприятствует операциям по выбору действий, снижая пороги активации нейронов стриатума. В частности, при паркинсонизме отмечается наличие слишком высоких порогов активации, обусловленных дефицитом дофамина, что существенно затрудняет инициацию действий. При шизофрении, напротив, пороги срабатывания ненормально низки в силу высокой концентрации рецепторов дофамина в стриатуме, что приводит к одновременной активации нескольких программ и дезинтеграции сознания.

Процессы выбора действия на уровне нейрональной системы таламокортикальных связей базальных ганглиев
Рис.4. Процессы выбора действия на уровне нейрональной системы таламокортикальных связей базальных ганглиев

А. Схематическое отображение нейронов коры, стриатума, бледного шара и таламуса, а также их связей. Возбуждающие связи обозначены «+», тормозные обозначены «-». В овальной вставке изображен дендрит нейрона стриатума с дистальным синапсом от глугаматергического нейрона коры и синапсом от дофаминергического нейрона черной субстанции, расположенным проксимально. Б. Схематическое представление пространственных паттернов активаций на разных уровнях системы, объединяющей базальные ганглии и их таламокортикальные связи. На уровне коры мозга — перекрывающиеся отображения двух активированных действий. На уровне стриатума — две активированные программы действий картированы в разных частях стриатума. В силу сильной выраженности эффекта латерального торможения выбирается только одна из программ действий в соответствии с принципом «победитель получает все». На уровне бледного шара — спонтанная активность нейронов, которая соотносится с выбранной программой действия, ингибируется. На уровне таламуса соответствующие нейроны растормаживаются, что лежит в основе воротной функции таламуса, и при участии таламокортикального пути происходит интенсификация выбранной программы действия. Ось X — пространство. Порог — порог активации разрядов нейронов (см. Kropotov, Etlinger, 1999). Обозначения: SN — Substantia Nigra.

Растормаживание нейронов таламуса

Нейроны стриатума, входящие в состав системы выбора программ, проецируют свои связи в соответствующие области комплекса «бледный шар/черная субстанция» и подавляют их активность. Нейроны бледного шара и черной субстанции по сравнению с нейронами стриатума характеризуются высокочастотной спонтанной активностью. Следовательно, выбранное действие вызывает активацию нейронов стриатума и подавление высокочастотной активности нейронов бледного шара.

Нейроны бледного шара, в свою очередь, имеют связи с таламусом, за счет которых подавляют активность последнего. Так как нейронам бледного шара свойственна спонтанная активность, то таламус находится под постоянным тормозным влиянием. При ингибировании нейронов бледного шара уровень их импульсной активности снижается, что приводит к растормаживанию нейронов таламуса и активации таламокортикальных проводящих путей. Таким образом, таламус выполняет функцию «ворот», открывая доступ к коре для выбранного действия.

Используя известную «прожекторную» метафору Фрэнсиса Крика, мы можем сказать, что таламическая функция аналогична лучу прожектора, который выделяет и интенсифицирует выбранную программу на уровне коры.

Почему природа создала столь сложный механизм селекции действий? В соответствии с разработанной нами теорией (Kropotov, 1987) данный механизм обусловлен невозможностью одновременной активации (выделения) одного действия и торможения других исключительно на уровне коры. Дело в том, что все широко распределенные внутренние связи коры по своей природе активирующие, а кортикальное торможение может происходить только локально. Таким образом, мозг использует дополнительные механизмы, позволяющие выбирать действия на подкорковом уровне, а лишь потом усиливать и выделять действия на уровне коры.

Непрямые и гиперпрямые проводящие пути

В результате базально-таламокортикальных взаимодействий не только инициируются выбранные программы, но и подавляются нерелевантные. Торможение неподходящих действий осуществляется через непрямые проводящие пути, распространение активаций по которым приводит к противоположным эффектам в сравнении с прямыми путями (рис.1).

Суть нейронного механизма непрямого пути заключается в обеспечении фокусированных активаций на уровне выходных структур базальных ганглиев, оказывающих тормозные воздействия на возбудительные корковые и подкорковые структуры. Так, активация внутренней части бледного шара может приводить к подавлению подготовленной программы действий прямым способом, посредством торможения активности моторных ядер ствола мозга и верхних бугорков четверохолмия, или косвенным, посредством подавления нейронов таламуса, имеющих проекции на премоторные области коры. Известно также, что дофамин может модулировать распространение активаций по непрямым проводящим путям. Однако по сравнению с влиянием на прямые пути действие дофамина приводит к противоположным эффектам. Имеется в виду, что непрямые пути берут начало от нейронов стриатума, которые обладают D1-рецепторами (модуляция прямого пути осуществляется через D2-рецепторы). Связывание дофамина с D1-рецептором приводит к гиперполяризации мембраны, что и обусловливает торможение передачи. Таким образом, дофамин препятствует проведению информации на уровне непрямых проводящих путей (в то же время активируя передачу в прямом проводящем пути).

Гиперпрямой проводящий путь обеспечивает возбудительный эффект, оказываемый корой на бледный шар, в обход стриатума и характеризуется более короткой по времени проводимостью по сравнению с непрямыми путями. По всей видимости, функцией этого проводящего пути является подавление всех нерелевантных действий в момент выбора релевантного, осуществляемого с помощью проводящего пути.

Выходное влияние на ствол мозга

Нарушения в работе базальных ганглиев проявляются как неспособность не только инициировать и терминировать произвольные движения, но и прекращать непроизвольные. Кроме того, такие расстройства характеризуются ненормальными скоростью и количеством движений и мышечным тонусом. По всей видимости, базальные ганглии вносят вклад в поддержание мышечного тонуса и выполняют функцию «ворот» для моторной активности, что реализуется через влияние на моторную систему ствола мозга — базовую моторную систему, ответственную за поддержание тонуса мышц, поддерживающих положение тела, и локомоторную функцию.

Параллельные цепи

Известно, что практически любая область коры (за исключением первичных сенсорных зон) имеет проекции на стриатум. Наиболее обильными стриарными проекциями обладает префронтальная кора. Грубо говоря, эти проекции можно назвать топографически организованными. Однако они то-пографичны только при первом рассмотрении, поскольку более детальный анализ указывает на мозаичную форму проекций, позволяя любому нейрону префронтальной коры проецироваться на пространственно разные области стриатума. В то же время функционально связанные области коры (за счет внутренних кортикальных связей) проецируются в одну и ту же зону стриатума. Иными словами, на уровне стриатума представлена функциональная карта коры, а не ее топографические проекции. В соответствии с такой функциональной картой функционально связанные нейроны проецируются на конкретные области стриатума.

В соответствии с точкой зрения о разделении функций на уровне стриатума выделяют несколько параллельно работающих функциональных путей регуляции активности коры. Каждый из этих путей представлен пространственно разными областями на уровне коры, стриатума, бледного шара и таламуса. На основании своих анатомических и физиологических исследований Александер и Делонг в 1980-х годах выделили несколько типов параллельных проводящих путей: моторный, пространственный, зрительный и аффективный (рис. 5). Каждый из этих функциональных путей занимает специфическую часть стриатума и получает множественные, частично перекрывающиеся входы от нескольких анатомически связанных областей, участвующих в обеспечении одинаковых функций. Принимая во внимание названия этих путей, можно заключить, что они выполняют различные функции, а именно: выполнение и планирование действий (моторные), организация пространственной и объектной рабочей памяти (пространственные и зрительные), обеспечение мотиваций и эмоций (аффективные).

Моторный проводящий путь через ядро подушки осуществляет регуляцию активности моторной, премоторной и добавочной моторной коры. Также данный проводящий путь получает входы и от соматосенсорной коры. Эти цепи участвуют в инициации и подавлении моторных действий, а также в их подготовке. Некоторые специалисты отдельно рассматривают моторный и окуломоторный проводящий пути. С помощью окуломоторного пути обеспечивается регуляция активности области фронтальной коры, ответственной за движения глаз (фронтальное глазодвигательное поле), получающей также входы от задней части теменной коры (аналогичного теменного центра). Данный проводящий путь участвует в обеспечении ориентации тела и положения глаз в направлении выбранного источника сенсорной информации.

Удержание в памяти информации, касающейся пространственных стимулов, реализуется на уровне пространственного проводящего пути, объединяющего области дорсолатеральной префронтальной и задней теменной коры.

На уровне зрительного пути модулируется активность в области вентролатеральной префронтальной и латеральной височной коры, которые участвуют в реализации процессов регуляции рабочей памяти для объектов (в особенности зрительных).

В регуляцию настроения и эмоций вовлекаются структуры, входящие в состав аффективного проводящего пути: передняя поясная извилина, прилежащее ядро, орбитофронтальная кора и лимбические структуры аллокортекса (гипоталамус и энториальная кора).

Базальные ганглии, помимо проекций в вентральное, дорсомедиальное и переднее вентральное ядра таламуса, имеют связи с интраламинарными ядрами и ядрами срединной линии. Дополнительно эти ядра имеют сильные связи с холинергическими нейронами ретикулярной формации ствола мозга и обратные проекции как в область базальных ганглиев, так и во многие области коры. Высокочастотная стимуляция рассматриваемых ядер вызывает десинхронизацию скальповой ЭЭГ, сопровождающуюся реакцией возбуждения. К противоположным результатам приводит низкочастотная стимуляция — наблюдается постепенное нарастание медленной и веретенообразной волновой активности, ассоциирующейся с ослаблением внимания, сонливостью или сном.

Параллельные проводящие пути нейрональной системы таламокортикальных связей базальных ганглиев
Рис.5. Параллельные проводящие пути нейрональной системы таламокортикальных связей базальных ганглиев

А—Г: моторная, пространственная, зрительная и аффективная петли связи коры и стриатума, которые участвуют в обеспечении выполнения и планирования моторных действий (моторная), организации пространственной и объектной рабочей памяти (пространственная, зрительная) и поддержании мотиваций и эмоций (аффективная). Обозначения: SMA — добавочная моторная область; РМС — премоторная кора; SSC — соматосенсорная кора; DLPFC — дорсолатеральная префронтальная кора; РРС — задняя теменная кора; VLPFC — вентралатеральная префронтальная кора; IT — нижняя височная кора; ST — верхняя височная кора; OFC — орбитофронтальная кора; CG — передняя поясная кора; НС — гиппокамп; BLA—базолатеральная амигдала; VP — вентральный паллидум; Gpi — внутренний сегмент бледного шара; SNpr — ретикулярная часть черной субстанции; VL — вентролатеральный таламус; VA — передний вентральный таламус; MD — медиодорсальный таламус; STN — субталамическое ядро; GPe — внешний сегмент бледного шара. Разных типы циклической активности включают разные части вышеперечисленных ядер (см. Alexander et al., 1986).

Спектральный анализ ЭЭГ при паркинсонизме
Рис.6. Спектральный анализ ЭЭГ при паркинсонизме

А. Спектральная мощность ЭЭГ с пиком для тета-ритма. Топограмма (Б) и локализация генераторов активности (В), вычисленная с помощью метода томографии низкого разрешения (sLORETA), относятся к тета-диапазону ЭЭГ (6 Гц), зарегистрированной у пациента на ранней стадии болезни Паркинсона.

ЭЭГ-корреляты нарушений базальных ганглиев

Известно, что функция базальных ганглиев тесно связана с движениями. С теоретической точки зрения ритмическая активность на уровне параллельных таламокортикальных проводящих систем активирует соответствующие области коры, что сопровождается десинхронизацией на скальповой ЭЭГ. Нарушения же, затрагивающие структуры, входящие в состав этих проводящих систем, должны приводить к синхронизации медленных осцилляций, регистрируемых непосредственно вблизи коры. Данные теоретические предположения подтверждаются экспериментальными данными.

В действительности было показано, что повреждение хвостатого ядра и нейронов скорлупы обезьян приводит к увеличению регулярной высокоамплитудной волновой активности частотой от 5 до 10 Гц. Сопоставимые эффекты наблюдаются и у пациентов, страдающих паркинсонизмом, вне зависимости от возраста или факта наличия деменции (рис. 6). Выраженность медленной активности зависит от степени моторной дисфункции в целом и акинезии в частности. Отмечается также снижение вызванной десинхронизации в ответ на произвольные движения пациентов с паркинсонизмом. При этом известно, что употребление L-DOPA может снимать эти патологические проявления, приводя ЭЭГ к нормальным значениям.

Префронтальная кора и исполнительный контроль

Анатомия

Лобные доли составляют примерно треть от всей коры больших полушарий мозга человека. Граница с теменной корой проходит по центральной борозде, а с височной — по сильвиевой борозде. Фронтальная кора не является унитарной структурой и подразделяется на первичную моторную кору (ПБ 4), электрические стимуляции которой могут приводить к мышечным сокращениям или простым движениям, премоторную и добавочную моторную область (ПБ 6), заднюю часть поясной извилины и префронтальную кору. Нейроны префронтальной коры реципрокно связаны дорсомедиальным ядром таламуса. Премоторная кора получает входы и проецируется обратно в латеральные таламические ядра. Поясная извилина имеет реципрокные связи с передним ядром таламуса.

Несмотря на то что вполне ясным представляется факт связи префронтальной коры с высшими когнитивными функциями, до сих пор остается непонятным, каким образом эти функции реализуются. Нейронная архитектура префронтальной коры, пожалуй, самая сложная по сравнению с другими областями коры, что позволяет рассматривать ее как субстрат высших когнитивных функций, получивших большее развитие у человека по сравнению с животными.

Префронтальная кора в составе нескольких проводящих путей получает множественные входы от мультимодальных сенсорных областей коры и лимбических структур мозга, проецирующиеся в разные зоны префронтальной коры. На рис. 7 схематично иллюстрирован информационный поток на уровне вентрального зрительного пути, достигающего лобной доли в области вентролатеральной префронтальной коры. В отличие от топографической организации проекций между областями задней части коры проекции префронтальной коры, строго говоря, не являются топографичными. Напротив, одна и та же область сетчатки имеет несколько представительств на поверхности префронтальной коры. Известны анатомические свидетельства, подтверждающие существование высокоупорядоченного паттерна терминалей аксонов, берущих начало в задних ассоциативных областях коры и оканчивающихся в префронтальной коре, формирующих чередующиеся, переплетенные полосы.

Сложность организации нейронных сетей

Первые исследователи в области сравнительной нейрофизиологии были впечатлены схожестью организации коры мозга млекопитающих. К несчастью, «схожесть» многими была понята как «одинаковость», и это привело к тому, что на протяжении второй половины прошлого столетия сложилось мнение об однообразном строении коры мозга. Считалось, что в целом кора (за исключением первичной зрительной коры) состоит из однородных и повторяющихся базовых элементов. В соответствии с этой догмой региональные отличия в обеспечении зрения, слуха и соматосенсорной чувствительности относили исключительно к разному составу входов и выходов.

Первые доказательства против эквипотенциальности были получены в исследованиях сенсорных систем. В период с 1980 по 1990 гг. было показано, что зрительная кора обезьян содержит около 30 областей. Исследования последних 10 лет свидетельствуют о том, что входящие и исходящие связи не являются единственной характеристикой специфичности процессов обработки информации зрительными областями коры. Особенности информационной обработки определяются также структурой связи нервных клеток (плотностью шипиков, паттерном ветвления дендритов и аксонов). Более того, внутренняя кортикальная структура различна для разных областей. Например, дендритное дерево третьего слоя пирамидных клеток в области ТЕ мозга макак содержит в среднем в 11 раз больше шипиков по сравнению с нейронами V1 зоны зрительной коры. Аналогичная картина характерна и для нейронов фронтальных областей: пирамидальные клетки префронтальной коры у человека и макаки в целом характеризуются наиболее разветвленными дендритами и большим количеством шипиков в сравнении с нейронами затылочной, теменной и височной долей (рис. 7).

Повышение «сложности» от зрительной до префронтальной коры
Рис.7. Повышение «сложности» от зрительной до префронтальной коры

Репрезентации сложных действий

Исходя из того что префронтальная кора получает множественные проекции от моторных областей коры, можно предполагать ее участие в хранении сложных репрезентаций действий. Считается, что дорсолатеральная префронтальная кора развивалась из моторных областей. Следовательно, вполне обоснованно считать, что функции более «новых» префронтальных моторных областей будут связаны с филогенетически более старыми структурами моторной системы. Недавно состоявшееся открытие зеркальных нейронов, активирующихся в ответ на реализацию как собственных действий, так и наблюдаемых действий других субъектов, поддерживает такую точку зрения.

Следует обратить внимание на то, что префронтальная кора ассоциируется не с действиями как таковыми, а с исполнительными функциями, т.е. контролем исполнения действий. При этом сложность поведения человека отождествляется со сложностью действий. Современные представления о степени функциональной дифференциации подобластей префронтальной коры, т.е. о том, насколько разные когнитивные функции могут картироваться разными областями, остаются противоречивыми. С одной стороны, в ситуациях, требующих когнитивного контроля, наблюдаются одновременные активации в дорсолатеральной, вентролатеральной и медиальной префронтальной коре. А с другой, рискуя увлечься неофренологией, некоторые исследователи склонны рассматривать разные подразделения префронтальной коры в качестве ключевых структур обеспечения разнообразных когнитивных функций, которые взаимодействуют между собой с целью оптимизации деятельности (например, при выполнении конкретных поведенческих задач).

Гиперфронтальность

Разная структура нейронных связей обусловливает специфичность импульсной активности нейронов. Исследования обезьян, проводимые Фастером и коллегами, позволили выявить различия свойств активности нейронов, локализующихся в VI и нижневисочных областях. Импульсная активность нейронов зрительной области носит фазический характер, тогда как клетки височной коры характеризуются тонической активностью (рис. 7). Такой устойчивый характер импульсной активности ассоциируется с процессами рабочей памяти и проявляется как гиперфронтальность — свойство, отражающее повышенную активированность фронтальной коры в сравнении с остальными кортикальными структурами. Этот эффект был открыт в работах шведского ученого Дэвида Ингвара в 1970-х годах.

Специфичность ЭЭГ

При рассмотрении ЭЭГ можно наблюдать разницу в активности между передними и задними отделами мозга (рис. 7). В частности, имеются в виду спектральные характеристики ЭЭГ. В состоянии покоя альфа-ритм регистрируется только в центрально-задних отведениях. В норме альфа-ритм не представлен в лобных областях. Ранние (до 200 мс) компоненты ВП, характеризующие зрительные процессы, обнаруживаются в затылочных и теменных отведениях, а поздние позитивные компоненты, ассоциирующиеся с операциями вовлечения и мониторинга действий, регистрируются во фронтальных и теменных отведениях.

Операции вовлечения и отвлечения

Р3b как компонента, отражающая операции вовлечения

Компонента Р3b, или, точнее говоря, Р3b-компоненты, подробно рассматривались в предыдущей главе, посвященной описанию компонент ВП, характеризующих работу системы внимания. Несмотря на то что наибольшая плотность генераторов Р3b локализуется в области теменной коры, что и позволяет связывать данную компоненту с системой внимания, в генерацию этой волны вовлечена нейронная сеть, объединяющая фронтальные, височные, теменные области коры и базальные ганглии (таламокортикальными взаимодействиями).

Сенсорное сравнение

В нашей повседневной жизни мы всегда стараемся «смотреть вперед» и заняты подготовкой к реализации предстоящих действий. Однако контекст окружающей действительности быстро меняется, что иногда требует от нас подавления ранее планируемого действия. Подавление подготовленных действий обеспечивается в результате сложных мозговых процессов, одним из элементов которых является активность латеральной префронтальной коры. Как уже было сказано выше, префронтальная кора получает информацию от сенсорных систем (зрительной, слуховой и соматосенсорной), на основе которой и принимает решение в пользу действия (GO) или подавления (NOGO). Далее возможна следующая спекуляция: для осуществления выбора действия мозгу в первую очередь необходимо выполнить сравнение текущей сенсорной ситуации с сенсорной моделью и выявить в случае наличия рассогласование. Операции сравнения сенсорных сигналов протекают на уровне сенсорных систем, располагающихся в задней части мозга. Продолжая рассуждения, логично предположить, что результаты таких операций сравнений передаются в префронтальную кору и активируют мозговые процессы, ответственные за подавление подготовленных действий.

Примечательно, что данные предположения получают экспериментальное подтверждение. Так, на рис. 8 продемонстрирован результат анализа ВП с применением метода независимых компонент, полученных в исследовании, проводимом в рамках GO/NOGO-парадигмы. Как видно из рис. 8, NOGO- и GO-стимулы вызывают генерацию разных независимых компонент ВП, генерируемых в височной и премоторной коре. На уровне височной коры NOGO-стимул характеризуется дополнительной компонентой (в сравнении с GO-пробой). Однако в области левой премоторной коры предъявление этих стимулов приводит к прямо противоположным реакциям. Разный характер временной динамики компонент свидетельствует о наличии функциональных отличий между ними. Вполне вероятно, что первая компонента, характеризующаяся позитивностью в височной области, может отражать операцию сравнения сенсорных сигналов — детекцию изменения.

Подавление моторной активности

Можно также предположить, что вторая компонента (рис. 8) связана с моторным подавлением. Если сравнить эту компоненту с паттерном вызванной активности таламуса (рис. 3), то обнаруживается удивительное сходство между скальповым ВП и локальным потенциалом на таламическом уровне. Факт этого сходства, а также локализация генераторов компоненты является подтверждением наших предположений. Следует оговориться, что компонента, связанная с моторным подавлением во фронтальных отведениях, характеризуется негативными значениями амплитуды.

Нейронные механизмы подавления моторного ответа, как было показано выше, вовлекают процессы, происходящие в базальных ганглиях. Особенностью организации связей коры мозга является наличие длинных возбуждающих внутрикортикальных связей и отсутствие таковых для тормозных влияний, что обусловливает исключительно локальный характер процессов торможения, инициируемых структурами коры. Это означает, что сама кора не в состоянии полностью подавить программу действий. Наиболее вероятный механизм подавления подготовленных действий подразумевает вовлечение таламокортикальных взаимодействий, контролируемых базальными ганглиями посредством непрямых проводящих путей, с важным звеном системы, локализующимся в премоторной коре.

Подавление действия

Одним из примечательных компонент ВП, получаемых в результате анализа независимых компонент ВП в рамках парадигмы GO/NOGO, является третья NOGO-компонента (рис. 8). Пространственное распределение, временная динамика данной компоненты, а также результат прямого сравнения с ВП при GO-стимулах существенно отличаются от всех остальных компонент. Кроме того, NOGO-компонента является симметричной, характеризуется единственной выраженной пиковой латентностью в 340 мс, а ее генераторы широко распределены на уровне премоторной и моторной коры. Важно, что этот эффект наблюдается только в случае предъявления NOGO-стимулов. Также существует зависимость показателей компоненты от возраста: с возрастом отмечается снижение амплитуды и увеличение латентности. При этом амплитуда NOGO-компоненты негативна во фронтальных областях. Для различения асимметричной компоненты, связанной с моторным подавлением, мы назвали данную компоненту «компонентой подавления действия». Ситуация такова, что нам не известно, почему мозг генерирует эту компоненту после продукции специфической компоненты подавления моторной реакции. Мы не знаем, генерируется ли данная компонента посредством ганглионарноталамокортикальных взаимодействий или за счет активности самой коры. Но то, что нам действительно понятно, — что в терминах амплитуды компонента подавления действий в три раза превосходит компоненту моторного подавления и, следовательно, вполне вероятно, обладает лучшей диагностической ценностью (в сравнении с компонентой моторного подавления).

Независимые компоненты ВП, связанных с операциями сенсорного сравнения и моторного подавления
Рис.8. Независимые компоненты ВП, связанных с операциями сенсорного сравнения и моторного подавления

Метод независимых компонент применялся при анализе ВП, зарегистрированных в ответ на GO- и NOGO-стимулы, предъявлявшиеся в рамках двухстимульного GO/NOGO-теста. ВП-данные здоровых испытуемых возрастом от 1 до 89 лет были взяты из нормативной HBI базы данных. А. Компонента сравнения. Б. Компонента моторного подавления. Вертикально уложенные тонкие горизонтальные окрашенные полосы (цветом обозначается амплитуда), каждая из которых представляет изменение во времени амплитуды соответствующей компоненты ВП отдельного испытуемого. Представлены GO- и NOGO-условия. "Голограммы соответствующих компонент, локализация генераторов компонент, вычисленная с помощью метода томографии низкого разрешения (sLORETA), а также временная динамика ВП представлены в виде отдельных графиков для GO- и NOGO-стимулов.

Отражение операций сравнения и подавления действий в активности, зарегистрированной при помощи имплантированных электродов
Рис.9. Отражение операций сравнения и подавления действий в активности, зарегистрированной при помощи имплантированных электродов

Элетроды были имплантированы пациенту по терапевтическим показаниям (для проведения лечения и диагностики). Пациент выполнял двухстимульный GO/NOGO-тест. Электроды были локализованы в ассоциативной слуховой коре (А) и дорсолатеральной префронтальной коре (Б). Регистрировались ВП для GO, NOGO и GO/NOGO (разность) условий. Внизу рисунка проиллюстрированы области имплантации электродов.

Регистрация активности с имплантированных электродов

Проводя лечение различных больных с помощью имплантированных электродов, мы могли регистрировать внутримозговые слуховые ВП в условиях двухстимульной исследовательской GO/NOGO-парадигмы. Электроды имплантировались в разные корковые и подкорковые структуры исходя из диагностических и терапевтических целей. Пациентам, страдающим паркинсонизмом, электроды имплантировались в область таламуса и базальных ганглиев. Другие области-мишени применялись при лечении эпилепсии — медиальная (включая гиппокамп) и латеральная височная кора. При обсессивно-компульсивном расстройстве электроды локализовались в области передней поясной извилины и смежных областях префронтальной коры.

Волна N200, отражающая процесс моторного подавления 
Рис.10. Волна N200, отражающая процесс моторного подавления

Представлены усредненные по группе испытуемых ВП (испытуемые от 1 до 89 лет), рассчитанные на основе ВП-данных из нормативной HBI базы данных. А. ВП для GO- и NOGO-стимулов двухстимульного GO/NOGO-теста в Fz-отведении. Б. Разностный потенциал (NOGO-GO). В. Топографии разностных ВП, вычисленных для двух событий — операции сравнения и подавления.

На рис. 9 представлены ВП, зарегистрированные с двух электродов, располагавшихся в височной доле и префронтальной коре. Пациенты выполняли тестовое задание — модифицированную версию двухстимульного теста GO/NOGO-парадигмы. Как видно из рис. 9, предъявление NOGO-стимула на уровне височной коры характеризовалось негативно-позитивной компонентой с соответствующими пиковыми латентностями 100 и 200 мс. В префронтальной коре наблюдался сопоставимый паттерн активности в ответ на NOGO стимул, но с большими значениями ЛП, а именно на 150 мс позже своего височного аналога. Следует также отметить и наличие ранней компоненты с латентным периодом 70 мс, зарегистрированного с височного электрода. Впрочем, данная ранняя компонента была одинакова для GO- и NOGO-стимулов и, по всей видимости, отражает ранние этапы сенсорной обработки стимулов. ВП префронтальных отведений, напротив, характеризовались только поздними компонентами и только при предъявлении NOGO-стимулов. Если проводить сравнение внутримозговых и скальповых ВП, то можно говорить о том, что в конкретном рассматриваемом случае ВП, зарегистрированные с височной коры, отражают операцию сравнения. В то же время локальный потенциал префронтальной коры ассоциируется с операциями подавления действий.

В изучении процессов мозга человека, связанных с подавлением действий, кроме GO/NOGO-парадигмы также применяется так называемая задача стоп-сигнала. Аналогично GO/NOGO-парадигме в задачах со стоп-сигналами выполнение текущей деятельности должно быть прекращено по предъявлении соответствующего сигнального стимула. Полученные за последние время экспериментальные данные (в рамках обоих исследовательских подходов) свидетельствуют в пользу того, что ключевая роль в подавлении действий принад лежит вентролатеральной префронтальной коре. В онтогенезе данная область развивается одной из последних и именно поэтому неполное развитие этой части префронтальной коры может рассматриваться как возможная причина синдрома импульсивности, по крайней мере у некоторых подгрупп детей с СНВГ. Так, в работах Адама Арона из Кембриджского университета (Англия) была показана корреляция выраженности повреждения правой вентролатеральной префронтальной коры (но никакой другой области) и показателей процессов подавления действий (время реакции при предъявлении стоп-сигналов): при более обширных повреждениях наблюдалось большее замедление времени реакции.

N200 как компонента моторного подавления

Исследования нейронных механизмов подавления моторной деятельности берут начало в 70-х годах прошлого столетия. Наиболее важные открытия были сделаны японскими исследователями Гемба и Сасаки. Ими были выявлены специфические механизмы моторного подавления на уровне моторной и премоторной коры. Так, в исследованиях на обезьянах было показано, что возбуждение нейронов центральной извилины (principle sulcus) на фоне регулярных ответов может приводить к снижению активности премоторной и моторной коры и даже задержке или полному подавлению ответа. При этом прямая электрическая стимуляция нейронов этой области вызывает подавление ответа на GO-стимул. В исследованиях человека нейронный механизм процесса подавления изучался с помощью метода ВП (скальповые). Во множестве таких исследований регистрировалась негативная компонента N200, распределенная в лобных областях и достигающая максимальных значений спустя 200—260 мс после предъявления NOGO-стимула. В сравнении с GO-стимулом N200 при NOGO характеризуется большей амплитудой и считается индикатором процессов подавления в парадигме GO/NOGO. Сопоставимая N2-компонента наблюдается и при предъявлении стоп-сигналов. Однако следует отметить, что во всех классических работах N2-компонента получается в результате вычисления разностной волны между ВП для GO- и NOGO-стимулов.

Ниже мы собираемся показать, что классическая N2-компонента также наблюдается и при анализе полученных нами данных в виде фронтально распределенной негативности, регистрируемой в ответ на NOGO-стимул. На рис. 10 представлен ВП, усредненный по той же группе пациентов (исследовавшийся в рамках GO/NOGO-парадигмы), что и ВП. Как видим, NOGO-стимул характеризуется выраженным негативным отклонением с ЛП 260 мс, который может считаться аналогом классической N2-компоненты. Негативная компонента сменяется позитивной, также характеризующейся фронтальной топографией. Если провести сравнение ВП на рис. 10 и трех независимых компонент, полученных при анализе ВП методом независимых компонент (рис. 8 и 11), то можно заметить одну особенность: негативная компонента традиционного ВП в действительности является суммой этих трех разных независимых компонент.

Независимые компоненты ВП, связанные с подавлением действия
Рис.11. Независимые компоненты ВП, связанные с подавлением действия

Метод независимых компонент применялся при анализе ВП, зарегистрированных в ответ на GO- и NOGO-стимулы, предъявлявшихся в рамках двухстимульного GO/ NOGO-теста. ВП-данные здоровых испытуемых возрастом от 7 до 89 лет были взяты из нормативной HBI базы данных. А. Топография и локализация генераторов компоненты подавления, вычисленная с помощью метода томографии низкого разрешения (sLDRETA). Вертикально уложенные тонкие горизонтальные окрашенные полосы (цветом обозначается амплитуда), каждая из которых представляет изменение во времени амплитуды соответствующей компоненты индивидуального ВП. Б. Временная динамика ВП представлена в правой нижней части рисунка.

Выявленная взаимосвязь компонент, получаемых разными методами, приводит по крайней мере к двум логичным заключениям. Во-первых, это говорит о преимуществе метода независимых компонент в дискриминации отдельных психологических операций над традиционными методами анализа ВП — построением разностных ВП: метод независимых компонент позволяет разбить ВП на статистически независимые компоненты, каждая из которых обладает специфическим пространственно- временным паттерном и функциональным смыслом. Во-вторых, выявляемые независимые компоненты являются лучшим биологическим маркером изучаемых процессов по сравнению с традиционными подходами анализа ВП. Это, возможно, поможет эффективнее проводить диагностику различных мозговых  дисфункций, ассоциируемых с нарушениями таких операций, как сравнение, моторное подавление и подавление действий.

Операции мониторинга

Р400 как компонента мониторинга в GO/NOGO-парадигме

Набор компонент, связанных с NOGO-стимулом, не ограничивается только упомянутыми выше, отражающими активность височной (сенсорные операции сравнения), моторно-премоторной (операции подавления) коры. В действительности, как показывает анализ ВП с применением томографии низкого разрешения (sLORETA), наибольшие по амплитуде NOGO-компоненты генерируются в области медиальной префронтальной коры и поясной извилины (рис. 12). Это симметричные позитивные компоненты, локализующиеся центрально, а именно в области Cz- и Fz-отведений. При этом известно, что латентность этих компонент существенно меняется с возрастом — от 370 мс в среднем возрасте до 420 мс в раннем и 460 в пожилом возрасте.

Функция передней поясной извилины

Компонента ВП, отражающая операции мониторинга, генерируется в передней поясной извилине. И сейчас самый подходящий момент для того, чтобы детально описать анатомию и физиологию передней поясной извилины (ППИ). ППИ не является гомогенной структурой. Она состоит из нескольких морфологически разных полей, имеющих различные «входные» и «выходные связи». Прежде всего следует отметить наличие моторных областей (рис. 13), получающих входы от первичной моторной коры, премоторной и добавочной моторных областей. Как известно, эти области ответственны за хранение точных образов планируемых действий. Моторная область поясной извилины также принимает участие в инициации новых действий. Далее ППИ в своей вентральной части получает входы преимущественно от аффективной мозговой системы (лимбической) либо с помощью прямых путей (например, от миндалины), либо опосредованно (через переднее ядро таламуса). Благодаря такой организации связей вентральная часть ППИ называется также лимбической. И наконец, дорсальная часть передней поясной извилины обладает обширными реципрокными связями с латеральной, передней и медиальной областями префронтальной коры — областями, как это считается, вовлекаемыми в обеспечение когнитивных функций. Именно поэтому дорсальная часть ППИ носит название когнитивной.

Независимые компоненты ВП, связанные с операцией мониторинга
Рис.12. Независимые компоненты ВП, связанные с операцией мониторинга

Метод независимых компонент применялся при анализе ВП, зарегистрированных в ответ на GO- и NOGO-стимулы, предъявлявшиеся в рамках двухстимульного GO/NOGO-теста. ВП-данные здоровых испытуемых возрастом от 7 до 89 лет были взяты из нормативной HBI базы данных. А. Топография и локализация генераторов компонент, вычисленная с помощью метода томографии низкого разрешения (sLORETA). Вертикально уложенные тонкие горизонтальные окрашенные полосы (цветом обозначается амплитуда), каждая из которых представляет изменение во времени амплитуды соответствующей компоненты ВП отдельного испытуемого (для GO- и NOGO-стимулов). Б. Временная динамика ВП представлена в правой нижней части рисунка. Чтобы получить информацию о компоненте ВП, регистрируемой на поверхности скальпа, необходимо вычислить ее топографию и временную динамику, что в результате позволит выявить позитивную компоненту в области Cz- и Fz-отведений.

Отделы и связи передней поясной извилины
Рис.13. Отделы и связи передней поясной извилины

Передняя поясная извилина реципрокно связана практически со всеми областями префронтальной коры. Передняя поясная извилина может быть подразделена на три части (обозначены цветом) — эмоциональную, когнитивную и моторную.

Существует надежное доказательство в пользу правомерности такой анатомически обусловленной дифференциации передней поясной извилины. Данные многочисленных ПЭТ и фМРТ-исследований свидетельствуют об активациях дорсальной ППИ в условиях когнитивных тестовых заданий. Аналогично аффективные состояния, определяемые эмоциями и мотивациями, характеризуются активациями вентральной ППИ. Например, если испытуемые представляют ситуации с разным эмоциональным контекстом (например, злость или печаль), наблюдаются активации в вентральной части ППИ. С другой стороны, дорсальная ППИ обнаруживается активируемой при совершении ошибок, допускаемых испытуемыми при выполнении классического теста Струпа.

Акинетический мутизм

Результаты нейрохирургических стимуляций вентральной части передней поясной извилины мозга пациентов могут приводить к проявлению эмоций страха или удовольствия, в зависимости от места воздействия. Напротив, такое же воздействие на дорсальную ППИ вызывает чувство ожидания движения. Пациенты с повреждениями в области медиальной фронтальной коры, затрагивающими ППИ, характеризуются дефицитом спонтанной инициации движений и речи, а также неспособностью подавления стереотипных моторных программ, запускаемых извне. Акинетический мутизм, возникающий в результате билатерального повреждения медиальной коры и поясной извилины, является экстремальным случаем такой симптоматики. Акинетический мутизм — это клиническое состояние, при котором пациенты проявляют склонность к неспособности как говорить (мутизм), так и двигаться (акинезия). Унилатеральные повреждения приводят к более слабой форме мутизма: спонтанная речь скудна и, даже после восстановления, монотонна.

Дамазио и Ван Хойсен наблюдали нескольких пациентов, у которых в результате инсульта значительно повреждалась область передней поясной извилины. Сразу после инсульта такие пациенты лежали на кровати, очень мало разговаривали или двигались. Исследователи так описывали одну из пациенток с левосторонним повреждением передней поясной извилины спустя месяц после инсульта: «Пациентка заметно восстановилась. Она достаточно хорошо помнила острый период болезни и могла весьма точно описать свое состояние в тот момент. В частности, она отрицала наличие негативных эмоций или страдания в тот период болезни, когда была практически неспособна разговаривать. По ее словам, она ничего не говорила лишь потому, что ей нечего было сказать. Ее разум был пуст. Она, несомненно, могла следовать за нитью наших разговоров даже на ранних стадиях восстановления после инсульта, но не желала отвечать на наши вопросы». В недавнем исследовании Когена и др. исследовались 18 пациентов с некупируемой болью, для снятия которой применялась операция по небольшому лизису ткани передней поясной извилины (около 5 мм в диаметре). По прошествии не менее года с момента операции оценивались поведенческие данные этих пациентов и контрольной группы больных с хронической болью, но не подвергавшихся хирургическому вмешательству. Сравнение двух групп пациентов свидетельствовало в пользу того, что оперированные больные освободились от мучивших их хронических болей. Они сообщали, что хотя боль все еще присутствовала, но более не беспокоила столь сильно, как до операции.

Концепция мониторинга

Какова же функциональная роль когнитивной части передней поясной извилины? Все имеющиеся на сегодняшний день исследования говорят о том, что дорсальная часть ППИ ответственна за обеспечение функции мониторинга. Дело в том, что гибкая адаптация поведения человека и животных требует постоянного сравнения и оценки текущих действий и их результатов. Способность к такому мониторингу и сравнению результатов текущих действий с внутренне формируемыми целями и стандартами является критичной для оптимизации процессов принятия решения. Именно эта способность и носит название мониторинга действий, функции, выполняемой дорсальной частью передней поясной извилины.

В течение последних нескольких лет концепция мониторинга действий стала весьма влиятельной в когнитивной науке. Следует отличать процессы мониторинга действий и функцию контроля, осуществляемую вниманием. Этот вид контроля реализуется за счет нисходящего и ограниченного в ресурсах когнитивного механизма, модулирующего процессы обработки сенсорной информации. В то же время мониторинг действий подразумевает когнитивный механизм оценки качества исполнительного контроля, который активирует исполнительные системы в случае рассогласования между наличествующим результатом действия и ожидаемым.

Для того чтобы регистрируемая компонента ВП могла рассматриваться как показатель процессов мониторинга действий, необходимо выполнение по крайней мере трех условий. Во-первых, латентность компоненты должна быть достаточно большой, т.е. должна регистрироваться после нейронного ответа, связанного с инициацией действия, поскольку необходимо сравнить активацию исполняемого действия с планируемым. Во-вторых, компонента должна генерироваться в области, на уровне которой сходится информация об исполняемом и планируемом действии, для осуществления операции сравнения этих сигналов. И наконец, компонента должна наблюдаться в условиях конфликта, когда необходимо воздержаться от реализации планируемого действия в силу несоответствия текущей ситуации с ожидаемой или рассогласования результата выполненного действия и планируемого. Таким образом, примером подобной компоненты может являться N400, компонента ВП, регистрирующаяся в ответ на NOGO-стимулы и генерируемая передней поясной извилиной. N400 вполне может называться компонентой мониторинга, поскольку удовлетворяет всем перечисленным выше требованиям.

Негативность, связанная с ошибкой

Компонента мониторинга также может быть зарегистрирована в особых условиях трудного и длительного тестового задания, при выполнении которого в некоторых пробах испытуемый непроизвольно совершает ошибки. Совершение ошибки сопровождается генерацией компоненты, называемой негативностью, связанной с ошибкой (НСО), за которой регистрируется позитивная компонента. НСО наблюдается сразу после реализации некорректного ответа, примерно через 100 мс, и характеризуется центрально-фронтальной топографией (иногда эта компонента называется негативностью ошибки). Моделирование дипольного источника НСО (проводимое во многих исследованиях) указывает на его расположение вблизи ППИ. В подтверждение исследований по моделированию диполей следует упомянуть и данные фМРТ-исследований, свидетельствующих о повышенной активности дорсальной части ППИ в ошибочных пробах по сравнению с корректными.

Компоненты ВП, связанные с процессами мониторинга ошибок, также могут наблюдаться и в исследованиях, проводимых в рамках двухстимульной GO/ NOGO-парадигмы. Для выделения этих компонент нужно провести сравнение в двух условиях: при некорректном нажатии в NOGO-пробах (совершение ошибки) и корректном в GO-пробах. Пример разложения ВП на компоненты при таком сравнении представлен на рис. 14 (данные взяты из HBI базы данных). В представленном случае испытуемые выполняли математическое тестовое задание. Задание было достаточно сложным, что обусловливало совершение существенного количества некорректных ответов. Для каждого испытуемого высчитывался ВП для корректных нажатий в GO-пробах и некорректных ответов в NOGO-пробах. Нажатие кнопки испытуемым являлось синхронизирующим событием при построении ВП. Отдельно высчитывалась разностная компонента ВП (корректный ВП — некорректный ВП). Как видно из рис. 14, НСО в действительности состоит из двух независимых компонент, одна из которых локализована в дорсальной (когнитивной) части ППИ, а другая расположена несколько кзади от нее (в моторной части ППИ). В дополнение к упомянутым компонентам, генерируемым сразу после некорректного моторного ответа, НСО содержит также компоненту, возникающую до ответа, локализующуюся в левой сенсомоторной области коры.

Негативность, связанная с ошибкой
Рис.14. Негативность, связанная с ошибкой

Метод независимых компонент применялся при анализе ВП, зарегистрированных у более чем 200 испытуемых (из нормативной HBI базы данных). ВП регистрировались при корректных и ошибочных ответах математического тестового задания. На рисунке представлены три наиболее крупные независимые компоненты (сверху вниз). Слева направо — голограммы, вертикально уложенные тонкие горизонтальные окрашенные полосы, обозначающие изменение амплитуды компонент во времени и локализация генераторов компонент, вычисленная с помощью метода юмографии низкого разрешения (sLORETA). Под каждым рядом изображений располагаются наложенные графики ВП для корректных (толстая линия) и ошибочных (тонкая линия) проб, а также их разностные волны.

Говоря об использовании НСО в диагностических целях в клинике, следует отметить как минимум два ограничения. Во-первых, ошибка является очень субъективным событием и зависит от мотивации испытуемого, состояния внимания и возможностей сенсорной системы. В том числе и потому, что количество совершаемых ошибок в одном и том же тесте заметно варьирует от испытуемого к испытуемому. Следовательно, количество «ошибочных» усредняемых проб не является стандартным, что существенно влияет на индивидуальные параметры НСО. Во-вторых, для накопления достаточного количества проб с некорректными ответами, для надежного измерения НСО нужно использовать весьма сложные тестовые задания. Однако не все испытуемые (например, дети или пациенты, страдающие паркинсонизмом) способны выполнять сложные задания.

Рабочая память

Активные манипуляции со следом памяти

Одним из удивительных свойств нейронов префронтальной коры является их способность к сохранению частоты разрядов нейронов на протяжении длительного интервала времени, включающего и происходящее событие, и длительное время после его окончания. Это может отражать способность префронтальной коры участвовать в поддержании репрезентаций стимулов и действий достаточно долгое время, позволяя субъекту инициировать поведение, направленное на достижение долгосрочных целей. Данная функция префронтальной коры отражена в концепции рабочей памяти. В соответствии с данной концепцией под рабочей памятью понимают психологические процессы, позволяющие удерживать как текущие планы действий, так и сенсорную информацию, необходимую для их реализации. Представление о рабочей памяти также подразумевает активные манипуляции с временно сохраненной информацией, что является центральным аспектом когнитивных действий, например таких, как язык, планирование, принятие решений и т.д.

Три системы рабочей памяти
Рис.15. Три системы рабочей памяти

Справа — система вербального повторения, которая является наиболее эффективной и преобладающей разновидность рабочей памяти человека. Осуществляется этот вид рабочей пямяти преимущественно премоторной (зона Брока) и теменной (зона Вернике) областями левого полушария. Посередине — рабочая память зрительных объектов (т.е. форма, цвет). Слева — пространственно-зрительная рабочая память (положение в пространстве).

Анатомия реципрокных проводящий путей

С точки зрения нейрофизиологии процессы рабочей памяти реализуются за счет множества реципрокных связей внутри коры. Эти реципрокные связи являются основой реверберации нейронной активности, сохраняющейся после окончания действия стимула или после совершения действия. В состав реципрокных связей входят корковые пути прямой и обратной связи, а также петли обратной связи в составе базально-таламокортикальных путей. Несмотря на то что общим свойством префронтальной коры является способность к удержанию информации на протяжении длительного времени, типы этой информации и, следовательно, нейронные сети подразделяются на три модальности: зрительно-пространственную, зрительно-образную и цветовую, а также вербальную. Такая дифференциация получила отражение в популярной модели рабочей памяти, предложенной Аланом Бадделеем в 1974 году и дополненной в 2003-м.

Три системы рабочей памяти

В соответствии с моделью нейронная сеть, ответственная за поддержание модально специфических следов рабочей памяти, состоит из реципрокно связанных префронтальных и ассоциативных височно-теменных областей коры (рис. 15). Такая сеть обеспечивает удержание планов действий, формируемых на основе синтеза сенсорной информации, доставляемой в префронтальную кору через восходящие проводящие пути. Также на уровне этих нейронных сетей посредством нисходящих влияний происходит интенсификация процессов обработки специфических аспектов сенсорной информации, требующихся для выбора действия.

Условно негативное отклонение (УНО) как коррелят рабочей памяти

Рабочая память является медленным процессом, который может длиться от нескольких секунд до нескольких минут. Следовательно, оправданно ожидать, что эти процессы могут отражаться медленными компонентами ВП. Такие медленные компоненты обнаруживаются в условиях двухстимульной задачи, когда первый из двух следующих друг за другом стимулов является сигнальным, а второй — императивным. И именно в промежутке между этими стимулами и регистрируется медленная компонента, о которой идет речь (рис. 16). В нашем совместном с Ристо Наатаненом (Университет Хельсинки) исследовании мы регистрировали ЭЭГ (в частотном диапазоне от 0 до 70 Гц) во время выполнения здоровыми добровольцами зрительного и слухового варианта тестового задания в парадигме GO/NOGO. В соответствии с данной исследовательской парадигмой испытуемые инструктировались при предъявлении определенной пары стимулов нажимать кнопку и воздерживаться от нажатия в случае других сочетаний стимулов.

На рис. 16 представлены ВП (построенные на основе записи ЭЭГ в частотном диапазоне начиная от 0 Гц), характеризующие те пробы, в которых испытуемые находились в состоянии ожидания следующего стимула, когда первый (сигнальный) стимул пробы сигнализировал о том, что моторный ответ не требуется. В зрительной модальности наибольшая амплитуда негативных отклонений была обнаружена в задних височных областях левого полушария. В слуховой модальности аналогичный эффект наблюдался в среднезадней височной области. Эти УНО были связаны с ожиданием сенсорного события. Однако пробы, в которых требовалась моторная реакция, вне зависимости от модальности теста характеризовались максимальным в центральных областях УНО. Следовательно, можно предполагать, что формирование планов поведения происходит на уровне префронтальной коры. Высшие центры (префронтальная кора) через фронтально-височные связи контролируют иерархически низшие области (височная кора) путем деполяризации дистальных частей дендритов пирамидальных нейронов и за счет этого подготавливают их к быстрому ответу на ожидаемый побуждающий стимул.

Условно негативное отклонение, связанное с подготовкой к восприятию стимула или подготовкой действия
Рис.16. Условно негативное отклонение, связанное с подготовкой к восприятию стимула или подготовкой действия

Представлены усредненные ВП по группе здоровых испытуемых (из 10 человек), которые выполняли двухстимульный GO/NOGO-тест отдельно в зрительной и слуховой модальности. В исследовании использовались 4 комбинации нар из двух видов стимулов (GO и NOGO), а от испытуемого требовалось нажимать кнопку при предъявлении пары GO-стимулов. В зрительной модальности в качестве GO-стимула использовалась цифра 9, a NOGO — цифра 6. В слуховой модальности высокочастотный тон (1300 Гц) использовался как GO-стимул, а низкочастотный тон (1000 Гц) являлся NOGO-стимулом. На графиках ВП черными стрелками (1 и 2) обозначены моменты ожидания появления стимулов. Стрелка под номером 3 обозначает период, во время которого подготавливается действие. Следует обратить внимание на то. что ожидание появления стимула характеризуется негативностью в областях, соответствующих модальности стимуляции. Подготовка к моторному ответу характеризуется негативностью, генерируемой в центральных областях коры — вблизи прецентральной извилины.

Дофамин как медиатор исполнительных систем

Корковое и подкорковое распределение

Основным медиатором исполнительной системы является дофамин. Он продуцируется нейронами коры (префронтальная кора), а также подкорковыми структурами, входящими в состав исполнительной системы (например, стриатум). Распределение рецепторов к дофамину (ДА) на уровне префронтальной коры и стриатума показано на рис. 17. Наиболее богатую дофаминергическую иннервацию получает передняя поясная извилинa.

Дофаминергические системы

Сложность организации дофаминергической системы во многом обусловлена гетерогенностью исполнительной системы (рис. 17). Большинство дофаминсодержащих нейронов развиваются из одного типа эмбриональных клеток мезенцефально-диэнцефального стыка. Эти нейроны могут быть условно подразделены на два ядра с разными проекциями, которые и дают начало различным дофаминергическим системам мозга. Первая носит название нигростриар-ной дофаминергической системы, которая происходит из компактной области черной субстанции и проецируется в область стриатума. Другая система ассоциируется с вентральным тегментумом и известна как мезокортикальная дофаминергическая система. Нейроны медиальной области вентрального тегментума посылают обширные проекции в область медиальной префронтальной коры и поясной извилины. Оба типа нейронов получают обратную связь от областей, которые они иннервируют, таким образом формируя циклы реверберации соответствующих (префронтальной и стриарной) систем.

Распределение дофаминовых рецепторов в мозгу
Рис.17. Распределение дофаминовых рецепторов в мозгу

Черная субстанцая (SN) волокнами, входящими в состав дофаминергического проводящего пути, иннервирует стриатум (Striatum). Дофаминергический путь от вентральной области покрышки (VT) иннервирует области префронтальной коры (PFC), при этом наибольшее количество входов получают передние отделы поясной извилины (ACC).

D1- и D2-рецепторы дофаминергических систем

Описанные выше дофаминергические системы различаются и по типу рецепторов, наиболее характерных для каждой из них. Так, префронтальная кора характеризуется обилием рецепторов D1-семейства (D1 и D5). На уровне стриатума превалируют рецепторы D2-семейства (D2, D3 и D4; рис. 18).

Циркуляция дофамина в нейронах и дофаминергические проводящие пути
Рис.18. Циркуляция дофамина в нейронах и дофаминергические проводящие пути

А. Схематическое изображение дофаминергический путей: 1) берущих свое начало в черной субстанции (SN) и иннервирующих стриатум с D2-рецепторами к дофамину; 2) от вентральной области покрышки (VT) до префронтальной коры (PFC) с D1-рецепторами. Б. Динамика дофамина в нейроне — появление значимого стимула вызывает высвобождение молекул дофамина из везикул, которые диффундируют в синаптическую щель и связываются с D-рецепторами постсинаптической терминали. «Вымывание» дофамина из синаптической щели осуществляется за счет механизма обратного захвата дофамина DAT-рецепторами пресинаптической терминали. В. В норме любой поведенчески значимый стимул вызывает формирование следа, время существования которого определяется временем присутствия дофамина в синаптической щели; при чрезмерной активности D-транспортеров, обеспечивающих слишком быстрый обратный захват дофамина, время удержания следа события сокращается; при недостатке D-рецепторов амплитуда следа уменьшается. Обозначения: DA — дофамин.

Функции дофаминергических систем

Считается, что две дофаминергические системы (кортикальные и стриарные) выполняют разные функции. Нигростриарные дофаминергические проводящие пути устанавливают пороги активации нейронов стриатума и в соответствии с теорией, предложенной нами, вовлекаются в процессы селекции действий и рабочей памяти. Дофаминергическая система среднего мозга модулирует мембранный потенциал нейронов префронтальной коры и передней поясной извилины и вовлекается в поддержание ряда функций, обеспечиваемых этими областями коры. Так, если говорить о ППИ, то это функция мониторинга действий. Функция префронтальной коры основывается на одном из основных качеств нейронов этой области, которое заключается в удержании следа действия или стимула в рабочей памяти. В действительности уже около 20 лет известно, что дофамин оказывает самое критическое действие на процессы рабочей памяти, основной вклад в обеспечение которых вносит префронтальная кора. Исследования обезьян и крыс показывают, что слишком слабая или, наоборот, сильная стимуляция дофаминергических рецепторов может приводить к нарушениям пространственной памяти. Клеточной основой хранения информации в рабочей памяти являются нейроны префронтальной коры, устойчивая активность которых обеспечивается оптимальным режимом активации D1-рецепторов.

Здесь следует упомянуть, что в отличие от глутамата (основного активирующего медиатора мозга) и ГАМК (основного тормозного медиатора), характеризующихся высокой скоростью передачи и короткой длительностью (несколько миллисекунд) действие дофамина в синаптической щели может длиться секунды или даже минуты, что определяется механизмом обратного захвата, обеспечиваемого специализированными рецепторами-транспортерами дофамина пресинаптической терминали (рис. 18). Причем чем больше таких рецепторов расположено на пресинаптической мембране, тем быстрее осуществляется захват дофамина и, следовательно, сокращается время активации, вызываемой значимым стимулом.

В отличие от DAT-рецепторов, определяющих динамические свойства действия дофамина, концентрация рецепторов D1 – и D2-семейства модулирует амплитуду эффекта дофамина. Так, например, снижение количества рецепторов к ДА на постсинаптической терминали обусловливает низкий уровень возбудимости нейронов стриатума и коры (или высокий порог активации). Наоборот, повышенная концентрация этих рецепторов на постсинаптической мембране (как, например, при шизофрении, когда отмечается избыточное содержание D2-рецепторов в стриатуме) приводит к снижению порогов активации нейронов стриатума.

Заключение

Под термином «исполнительные функции» понимают функцию контроля и координации моторных и когнитивных действий, направленных на достижение специфических целей деятельности. Считается, что механизмы исполнительного контроля необходимы в нестереотипных (нерутинных) ситуациях, требующих вмешательства контролирующих систем. Примерами таких ситуаций являются выбор адекватного действия из множества возможных, подавление несоответствующих действий, а также удержание в рабочей памяти как плана действий, так и представлений об ожидаемом результате. Исполнительный контроль необходим также и для оптимизации поведения. Исполнительные функции обеспечиваются сложной мозговой системой, состоящей из различных кортикальных и подкорковых структур, взаимосвязанных между собой. В состав кортикальных структур входит префронтальная кора, связанная с соответствующими областями теменно-височной коры. Нейронная активность этих областей регулируется параллельной циклической активностью, которая охватывает соответствующие области базальных ганглиев. Базальные ганглии проецируют свои связи в соответствующие ядра таламуса, которые, в свою очередь, имеют реципрокные связи с корой. Фактически замыкается петля обратной связи, охватывающей кору, базальныe ганглии и таламус. Стриатум является ключевым звеном этой системы и может рассматриваться как когнитивная карта репрезентаций действий, распределенных по соответствующим областям коры. Стриатум обеспечивает вы-бор действий с помощью механизма латерального торможения, оказывающего свое влияние на длительные дистанции. Фронтальные области коры характериются сложной архитектурой связей нейронов, что получает отражение в повышенном уровне их активности по сравнению с задними областями мозга. Совместно с базальными ганглиями области префронтальной коры вовлекаются в обеспечение исполнительных функций, заключающихся в операциях вовлечения, отвлечения, моторных операциях и рабочей памяти. Эти операции отражаются соответствующими компонентами ВП, которые могут генерироваться в условиях, модулируемых разными исследовательскими парадигмами, Например такими как oddball, GO/NOGO, а также тестовыми заданиями с привлечением рабочей памяти. Несмотря на известное перекрывание во времени и пространствe компонент ВП, связанных с исполнительными функциями, недавно разработанный метод анализа независимых компонент является мощным средством, позволяющим проводить их разделение. Использование нормативной HBI базы данных при регистрации ВП в рамках двухстимульной GO/ NOGO-парадигмы позволило нам выделить ряд компонент, связанных с исполнительными функциями: компоненты подавления моторной реакции и действия характеризовались фронтальной негативностью с латентным периодом 200 мс (известная N2-компонента подавления), компонента вовлечения — позитивностью в теменных областях и латентным периодом 300 мс (известная Р3b-компонента) и, наконец, компоненте, связанной с операциями мониторинга, соответствовала фронтально-центральная негативность с латентным периодом 400 мс. Использование метода томографии низкого разрешения (sLORETA) позволило выявить локализацию генераторов выделенных компонент ВП. Так, N2-компонента моторного подавления генерировалась в ипсилатеральной премоторной коре, а источник генерации компоненты мониторинга действий Р400 локализовался в области передней поясной извилины. Передняя поясная извилина также вовлекается в обеспечение генерации негативности, связанной с ошибкой — компонент, который регистрируется при навязанных тестовыми условиями ошибочных моторных ответах в условиях GO/NOGO-парадигмы. Главным медиатором исполнительной системы является дофамин. Продукция дофамина осуществляется на уровне нейронов префронтальной коры, а его действие опосредуется специфическими рецепторами D1 -типа. Дофамин также обнаруживается и в базальных ганглиях, где его действие связано с рецепторами D2-типа. Препараты, влияющие на разные этапы дофаминергической передачи, применяются для компенсации дисфункции исполнительной системы при шизофрении и СНВГ.

Аффективная система

Психология

Эмоции и рассуждения

Благодаря эмоциям в жизни человека существует измерение, отличное от рассудочной деятельности. Природа создала аффективную систему мозга для обеспечения выживаемости в окружающем мире посредством формирования измерения, не связанного с рассудком. Когда мыслительной деятельности недостает для принятия решения, мозг полагается на аффективную систему. Позвольте привести простой пример: мы редко руководствуемся разумными доводами при выборе мужа или жены, когда болеем за любимую команду или когда играем с любимой собакой. Иногда при совершении важных шагов в нашей жизни (образование семьи, развод, увольнение с работы и т.д.) нами движут эмоции. Другим примером работы аффективной системы мозга является реализация фундаментальных поведенческих актов, например, таких как поиск пищи, воды или полового партнера.

При определенных событиях аффективная система продуцирует врожденные ответы, называемые эмоциональными реакциями. Эти реакции возникают, когда мозг детектирует эмоционально значимые стимулы. «Привычки разума» — это стереотипные реакции мозга, которые позволяют формировать ассоциации определенных эмоций (и чувства, их сопровождающие) и соответствующих аспектов нашего жизненного опыта. Эволюционно мозг предрасположен отвечать на эмоционально значимые стимулы специфическим репертуаром действий. Несмотря на существование эволюционно детерминированных эмоционально значимых стимулов, по мере развития нашего опыта некоторые из событий и стимулов окружающего нас мира приобретают эмоциональную окраску.

Наказание и вознаграждение

Принято разделять эмоционально значимые стимулы на два основных класса — стимулы наказания и вознаграждения (подкрепления). Два класса эмоциональных стимулов характеризуются двумя разными типами аффективных состояний: избеганием и приближением. Далее аффективные реакции, связанные с этими аффективными состояниями, могут быть подразделены на отдельные эмоции, такие как страх, тревога, радость… Один из вариантов классификации эмоционально значимых стимулов и реакций представлен в табл. 1. Антонио Дамазио, специалист мирового уровня в области изучения мозговых механизмов эмоций, выделяет три основных типа эмоций: 1) фоновые эмоции; 2) первичные эмоции; 3) социальные эмоции.

Таблица 1. Классификация аффективных состояний и эмоций

Событие (внешнее и/или внутреннее)Аффективное состояниеАффективная реакция (эмоция)

Наказание

Избегание

Страх

Тревога

Злость

Отвращение

Печаль

Презрение

Смущение

Вина

Стыд

Вознаграждение

Приближение

Радость

Удовольствие

Восторг

Гордость

Половая любовь

Материнская любовь

К фоновым эмоциям относят разочарование и восторг. Правда, их достаточно сложно отличить от аффективных состояний. Первичными или основными эмоциями являются страх, злость, отвращение, печаль, удивление и радость. Основные эмоции хорошо определяемы и у людей, принадлежащих к разным культурам, и у животных разных видов. Большинство из того, что нам известно об эмоциях, было добыто в исследованиях первичных эмоций. При этом больше всего исследовалась эмоция страха. Под социальными эмоциями понимают сострадание (симпатия), смущение, стыд, чувство вины, гордость, зависть, ревность, благодарность, восхищение, возмущение и презрение.

Потребности и мотивации

Говоря об аффективной системе, с одной стороны, следует проводить разделение потребности и мотивации, а с другой — различать эмоции и чувства. Потребности и мотивации формируют аффективные состояния, которые необходимо отличать от эмоциональных ответов. Лимбическая система мозга (а значит, и эмоции) впервые появилась у млекопитающих, несмотря на то что, например, птицы обладают некоторыми атрибутами эмоций. Лимбическая система практически не присуща рептилиям, амфибиям и другим низшим животным.

Наиболее яркими примерами потребностей и мотиваций являются голод, жажда, любопытство и влечение к противоположному полу Поведение регулируется мотивациями с помощью ряда механизмов. Известно, что главную роль в мотивационном поведении играет гипоталамус. Нейроны гипоталамуса характеризуются высокой чувствительностью к целому ряду биохимических веществ, при этом их импульсная активность проявляет зависимость от концентрации основных веществ, растворенных в крови и цереброспинальной жидкости. В свою очередь, нейроны гипоталамуса регулируют секреторную активность гипофиза, а также действуют на другие части аффективной системы, обеспечивая запуск определенных типов регулируемого поведения, как, например, пищевое или питьевое поведение. Поведение человека управляется не только простыми мотивациями, такими как питание или питье, но и более сложными, а подчас и весьма абстрактными потребностями.

Анатомия

Лимбическая система

Благодаря существованию аффективной системы мозга, обеспечивающей существование эмоций и мотиваций, в нашем восприятии и действиях возникает дополнительное измерение, новая характеристика. Это новое измерение перестраивает наше поведение, стимулируя поиск положительных эмоций и избегание негативных. С информационной точки зрения аффективная система функционирует таким образом, чтобы усилить след решающего для выживания события, ассоциируя его с определенным эмоциональным значением. Как можно заметить, описываемая нами система с функциональной точки зрения определяется как аффективная. Однако исторически первое понятие, близкое к представлению об аффективной системе, возникло в виде идеи о существовании лимбической системы. В основу этого представления легли особенности анатомии, на основании которых под лимбической системой понимался набор структур, окружающих (т.е. образующих круг) мозолистое тело. Термин «лимбическая система» приобрел большую популярность в психологии и психиатрии и служит в качестве объяснительной концепции при описании нейронных сетей, вовлекаемых в генерацию эмоций и аффективных состояний.

Круг Папеца

В 1937 году была предпринята первая попытка научного подхода в описании аффективной системы. Джеймс Папец предположил, что лимбическая доля работает совместно с гипоталамусом, который в те времена считался ключевой структурой, вовлекаемой в выражение эмоций. Он особенно выделял дорсальную часть лимбической доли Брока, называемую тогда цингуломом. На самом деле гипоталамус с переключением в передних ядрах таламуса посредством мамиллярно-таламического тракта посылает сигналы в поясную кору. Оттуда дальше информация перенаправляется в гиппокамп, который, в свою очередь, в составе пучка аксонов, называемого сводом, посылает свои проекции в гипоталамус. Таким образом, образуется циркуляция активности: гипоталамус и поясная кора за счет реципрокных связей позволяют эмоциям, запускаемым при участии гипоталамуса, достигать сознания (уровень поясной коры). С другой стороны, такая организация связей внутри круга Папеца способствует влиянию высших когнитивных функций на процессы, связанные с генерацией эмоций. Эта система реципрокных связей между гипоталамусом и поясной корой получила название круга Папеца (рис. 1). Позже, в 1949 году, Пол Маклин в нескольких работах расширил концепцию круга Папеца, дополнительно включив несколько анатомически связанных структур, а именно миндалину, септальную область, прилежащее ядро и орбитофронталъную кору.

Круг Папеца
Рисунок 1. Круг Папеца

А. Схема связей между анатомическими структурами, входящими в круг Папеца. Б. Изображение мозга человека со структурами мозга, входящими в состав круга Папеца, окрашенными серым цветом. Обозначения: VLPF — вентролатеральная префронтальная кора; DLPF — дорсолатеральная префротнальная кора; М — моторные области коры; SS — соматосенсорная кора; PC — теменная кора; VI, V2, V4 — области зрительной коры; IT — нижняя височная кора; ЕС — энториальная кора; Hip — гиппокамп; МВ — мамиллярные тела гипоталамуса; А — переднее ядро таламуса; VL — вентролатеральное ядро таламуса; DM — дорсомедиальное ядро таламуса.

Корковые и подкорковые элементы

Современные анатомические и физиологические исследования показывают, что с функциональной точки зрения лимбическая система не может рассматриваться как единая сущность. Это справедливо прежде всего потому, что лимбическая система может быть подразделена на несколько подсистем, функциональная роль которых связана не только с эмоциями и мотивациями, но также с эпизодической памятью и исполнительными функциями. Во-первых, в дополнение к предыдущим концепциям новые исследования указывают на то, что гиппокамп обладает связями с ассоциативными сенсорными областями коры, а его билатеральное повреждение приводит к ретроградной или антероградной амнезии. Во-вторых, многократно было показано, что передняя поясная извилина вовлекается в обеспечение внимания и процессы коррекции ошибок — суть элементов исполнительных функций.

Мы рассматриваем аффективную систему как комплекс связанных между собой корковых и подкорковых структур, образующих функциональную структуру, которая позволяет субъекту генерировать эмоции и чувствовать эмоциональные и мотивационные реакции на стимулы внешней и внутренней среды организма (рис 2). Области коры, входящие в состав аффективной системы: орбитофронтальная кора, передняя поясная извилина, инсулярная и соматосенсорная кора. Набор подкорковых структур аффективной системы включает миндалину, передний гипоталамус и вентральный стриатум (прилежащее ядро).

Обращает на себя внимание тот факт, что большинство структур аффективной системы располагается глубоко в мозге. Такая «внутренняя» локализация аффективной системы существенно затрудняет регистрацию ЭЭГ-коррелят ее функциональной активности с поверхности.

Анатомические структуры аффективной системы
Рис.2. Анатомические структуры аффективной системы

Обозначения: OF — орбитофронтальная кора; Ат — амигдала; Ас — прилежащее ядро (вентральный стриатум). Структуры коры мозга: АСС — передняя поясная кора; SS/lnsular — соматосенсорная и инсулярная кора. 

Физиология

Орбитофронтальная кора и картирование вознаграждения и наказания

Орбитофронтальная кора (ОФК) расположена в вентральной части лобной доли, включая 11-е и 47-е поля Бродмана (рис. 1). Иногда в состав ОФК включают и 10-е ПБ, которое, впрочем, чаще рассматривается как отдельная структура — передняя лобная кора. Важной характеристикой ОФ К является ее выраженная межсубъектная вариабельность. ОФК получает полимодальные входы фактически от всех сенсорных систем: зрительная, слуховая и соматосенсорная системы снабжают ОФК информацией о внешнем мире, о текущем статусе нашего тела, состоянии глубоких структур и висцеральных органов. ОФК за счет фундаментальных филогенетически древних примитивных модальностей, таких как хемочувствительность, принимает участие в восприятии запаха и вкуса, сигнализирующих о притягательности или опасности пищи или питья. Миндалина посылает орбитофронтальной коре информацию, связанную с эмоциями и преимущественно ассоциирующуюся с эмоцией страха. На уровне передней поясной извилины обрабатывается высшая когнитивная и эмоциональная информация, в особенности в тех случаях, когда детектируется ее рассогласование с моделью ожидаемого. ОФК получает входы и от других структур аффективной системы, например, таких как гипоталамус. Кроме того, ОФК, как и любая область коры, саморегулируется за счет системы базально-таламокортикальных связей, с прилегающим ядром в качестве ведущего центра на уровне стриатума.

Одним из наиболее важных симптомов избирательного повреждения орбитофронтальной коры является эффект отсутствия эмоций. Браян Колб и Иан Вишоу в своей книге «Аn introduction to brain and behavior» («Введение в науку о мозге и поведении») описали случай пациентки, которая была подвергнута фронтальной лейкотомии. Как пишут авторы, первая особенность, которая обращала на себя внимание, заключалась в отсутствии эмоций и каких-либо признаков эмоциональной лицевой экспрессии. Пациентка вполне осознавала свой дефицит эмоций, отмечая, что более не испытывает никаких чувств в отношении людей и предметов, ощущает пустоту подобно зомби. Пациенты с повреждениями ОФК характеризуются нарушениями в идентификации социальных сигналов, таких как эмоциональное выражение лица и интонация речи. В дополнение к этому отмечаются глобальные изменения личности, проблемы с самообладанием, социальное несоответствие и безответственность, а также трудности в принятии решений в контексте повседневной жизни.

Метаанализ фМРТ и ПЭТ-исследований позволяет прийти к выводу о том, что на уровне орбитофронтальной коры могут картироваться репрезентации вознаграждений и наказаний в виде пространственного распределения паттерна активаций коры (рис. 3). Медиальные области ОФК принимают участие в обеспечении процессов, связанных с действием вознаграждений. Близкое расположение и обильные связи с передней поясной извилиной являются отражением важной роли медиальной ОФК в организации поведения, направленного на достижение вознаграждения (подкрепления). Латеральная же часть ОФК вовлекается в обеспечение процессов, связанных с отрицательными подкрепляющими стимулами (наказание). Близкое расположение по отношению к латеральной префронтальной коре, а также сильные связи с этой областью свидетельствуют о возможной роли латеральной ОФК в подавлении поведения, ассоциирующегося с наказанием. В соответствии с этой точкой зрения пациенты с повреждениями ОФК не способны правильно ассоциировать стимулы положительного (вознаграждения) и отрицательного (наказание) подкрепления с определенными действиями. Именно поэтому у таких больных наблюдаются патологические изменения процессов принятия адекватных решений в пользу выбора действий, приводящих к  вознаграждению, и избегания действий, вызывающих наказание.

Схематическое изображение процессов положительного и отрицательного подкрепления на уровне орбитофронтальной коры
Рис.3. Схематическое изображение процессов положительного и отрицательного подкрепления на уровне орбитофронтальной коры

Анализ литературы, посвященной исследованию функций орбитофронтальной коры (Kringelbach and Rolls, 2004), показал, что медиальные области коры принимают участие в обработке стимулов положительного подкрепления, а латеральные — в обработке стимулов отрицательного подкрепления (наказание). Наряду с этим было показано, что области, связанные с обработкой сложных и абстрактных подкрепляющих стимулов (как, например, денежный выигрыш или проигрыш), характеризуются выраженной «передней» локализацией относительно областей, обеспечивающих обработку более простых стимулов (как, например, вкус). Обозначения: АСС — передняя поясная извилина; LPFC — латеральная префронтальная кора.

Позитивный аффект, негативный аффект и мониторинг

Кажется весьма правдоподобным, что вознаграждение и, соответственно, положительные эмоциональные реакции на него формируют одно из измерений аффективной системы. Другое измерение, следовательно, формируется наказанием и связанными с ним эмоционально негативными реакциями (рис. 4). По всей видимости, эти два измерения и формируют темперамент. В более широком смысле темперамент можно рассматривать как отражение не только эмоциональных, мотивационных наклонностей, но и мониторинга аффективных состояний. Тогда в дополнение к перечисленному выше появляется другое и змерение аффективной системы (рис. 4) — мониторинг эмоций, мотиваций и потребностей. Обращает на себя внимание, что это третье измерение в действительности является атрибутом исполнительной системы, подробно описанной несколько выше. Как было продемонстрировано в предыдущей главе, основной вклад в поддержание операции мониторинга вносит сложная мозговая система, критическим элементом которой является передняя поясная кора.

Дорсальная часть передней поясной извилины вовлекается в обеспечение мониторинга когнитивных действий, связанных с целенаправленным поведением и мышлением. По аналогии с идеей мониторинга при рассмотрении функций дорсальной части передней поясной извилины можно предполагать, что функция ее вентральной части связана с мониторингом эмоций.

Три независимые характеристики аффективной системы
Рис.4. Три независимые характеристики аффективной системы

В трехмерном пространстве схематично представлены три характеристики (позитивный аффект, негативный аффект и мониторинг). Нейтральное состояние или эмоциональная реакция соответствует началу координат. В данном пространстве координат могут быть схематично представлены: депрессия, тревожность и аддикция (отмеченные серым цветом).

Индивидуумам с «положительной» эмоциональностью свойственно испытывать широкий диапазон положительных эмоций, например, таких как радость, счастье, восторг и гордость. Благодаря связям орбитофронтальной коры, которые обеспечивают распространение активаций, связанных с положительным подкреплением, с передней поясной извилиной, ответственной за мониторинг поведения, субъекты с «положительной» эмоциональностью вовлекаются в активное и положительное социальное и семейное поведение. При этом некоторые типы депрессивных состояний могут быть связаны с низким уровнем эмоциональности этого типа.

Напротив, люди, которым свойственна негативная эмоциональность, чаще испытывают широкий спектр негативных эмоций: страх, тревогу, печаль или вину. Посредством соответствующих связей (относящихся к наказанию) орбитофронтальной коры с латеральной фронтальной корой, вовлекаемой в подавление поведенческих паттернов, обеспечивается склонность таких людей к избеганию социальных взаимодействий, подавлению новых и неизвестных стремлений. Примером высоких показателей негативной эмоциональности может являться тревожность в виде психического расстройства.

Индивидуумы, у которых сильно выражено измерение аффективной системы, связанное с мониторингом, могут эффективно контролировать свои эмоции и аффективные импульсы. Такие люди способны ждать (и достаточно долгое время) вознаграждения или удовлетворения потребности. Основными чертами субъектов с высокими показателями этой размерности аффективной системы являются высокая трудоспособность, упорство, надежность и ответственность. Напротив, низкие показатели соответствуют импульсивности и агрессивности поведения. Такие люди не способны длительное время ожидать положительного подкрепления и живут настоящим моментом. Наличие патологических склонностей как разновидности психического расстройства также является отражением низких показателей этой размерности аффективной системы. Считается общепринятым, что типологические особенности темперамента детерминированы генетически, выявляются в раннем возрасте и сохраняются на протяжении всей жизни, претерпевая умеренные изменения, обусловленные действием окружающей среды.

Важной функциональной характеристикой орбитальной коры является способность к саморегуляции посредством системы базально-таламокортикальных связей, наличие которой свойственно любой из фронтальных областей коры. ОФК топографически картируется на уровне вентрального стриатума, а именно прилежащего ядра. Организация нейронных связей стриатума способствует особому режиму его работы по типу латерального торможения, что лежит в основе принципа функционирования, известного как «победитель получает все». В силу механизма латерального торможения активация определенной репрезентации (скажем, вознаграждения) на уровне орбитофронтальной коры приводит к подавлению противоположной репрезентации (скажем, одного из наказаний). Фактически такое представление об организации системы позволяет подходить к рассмотрению склонностей к определенным эмоциональным состояниям (депрессия или мания) с позиций дисбаланса процессов активации и подавления на уровне базально-таламокортикальной нейронной сети.

Асимметрия в картировании эмоций

Другой важной особенностью функционирования орбитофронтальной коры является асимметричность мозгового представительства эмоций. Вопреки многочисленным литературным данным (МРТ, фМРТ, ПЭТ-исследования), указывающим на асимметрию в мозговом обеспечении эмоций, нам не удалось обнаружить действительно убедительного доказательства в пользу асимметричного распределения репрезентаций позитивных и негативных эмоций на уровне орбитофронтальной коры. Однако существует большое количество доказательств такой асимметрии относительно латеральной префронтальной коры. Идея о латерализации аффективной системы впервые появилась при рассмотрении клинических проявлений повреждений левой префронтальной коры, которые зачастую проявляются в виде депрессий. При этом аналогичные повреждения префронтальной коры правого полушария не приводят к таким последствиям.

В 1993 году Ричардом Дэвидсоном, ученым из Университета Висконсина, была выдвинута гипотеза о том, что левая префронтальная кора проявляет наибольшую активность при положительных эмоциях. И напротив, правая префронтальная кора более активна при эмоциях избегания (т.е. негативных). Проще говоря, предполагалось, что левая префронтальная кора отвечает преимущественно на эмоционально положительные события, а правая, соответственно, на эмоционально негативные.

Учитывая тот факт, что мощность альфа-ритма ЭЭГ обратно коррелировала с уровнем активации соответствующей области мозга, Дэвидсон с коллегами утверждали, что асимметрия альфа-ритма, наблюдаемая в лобных отведениях, отражает относительную разницу в активности между правым и левым полушариями. Исследования Дэвидсона демонстрировали стабильный характер асимметрии фронтального альфа-ритма. На основании этих данных было выдвинуто предположение о том, что проведенные измерения отражают характерологические особенности в реагировании на эмоционально положительные (приближение) и эмоционально отрицательные (избегание) стимулы. В этих исследованиях ЭЭГ регистрировалась в условиях просмотра видеоклипов, вызывающих либо положительные (радость, смех), либо отрицательные эмоции (страх, отвращение). В результате было обнаружено, что фронтальная ЭЭГ-асимметрия является стабильной характеристикой испытуемых и неплохо предсказывала как тип эмоциональной реакции, так и выраженность эмоций. Вместе с тем асимметрия фоновой ЭЭГ не проявляла такой зависимости от текущего настроения.

Миндалина

Миндалина — это относительно небольшое ядро, которое располагается внутри передненижней части медиальной височной коры. Правомерно рассматривать миндалину как интрефейс между сенсорным миром и эмоциями. От полимодальных областей височной и теменной коры, опосредованно через гиппокамп, миндалина получает сенсорную информацию, извлекает хранящиеся на уровне миндалины следы памяти и через дорсомедиальное ядро таламуса пересылает их дальше, в префронтальную кору.

При регистрации импульсной активности непосредственно с миндалины наибольшее количество нейронов активируется в ответ на предъявление отталкивающих стимулов. Гораздо меньше нейронов активируется в ответ на привлекательные стимулы. Таким образом, миндалина может быть описана как структура, ответственная за детекцию угрозы или потенциального наказания и тем самым за генерацию негативных эмоций страха или тревоги. Иными словами миндалина, по всей видимости, определяет «негативное измерение» аффективной системы. Примечательно, что пациенты с повреждениями в области миндалины не испытывают ни страха, ни тревоги.

Медиальное и переднее ядра таламуса

Известно, что эмоциональная реактивность может существенно изменяться вследствие стимуляции или разрушения медиодорсального и переднего ядер таламуса. Важно отметить, что сами ядра не участвуют в процессах генерации эмоций, а выполняют транзитную функцию при распространении соответствующей информации до префронтальной коры. При этом переднее ядро таламуса перенаправляет информацию, приходящую от мамиллярных тел гипоталамуса, в область передней поясной извилины. А через медиодорсальное ядро осуществляется связь между миндалиной и префронтальной корой. Следует отметить одну важную особенность переднего таламуса — отсутствие скопления нейронов, окружающих остальной таламус, а именно ретикулярных ядер. По всей видимости, эта анатомическая характеристика играет определенную важную роль в работе аффективной системы мозга. В действительности отсутствие ретикулярных ядер в передней части таламуса проявляется в виде невозможности ингибирования активности по типу обратной связи, как раз осуществляемому тормозными нейронами этих ядер. Отсутствие этих нейронов приводит к невозможности блокирования распространения информации, связанной с эмоциями, до префронтальной коры. Фактически что бы ни происходило в окружающем нас мире, эмоциональное значение этих событий обязательно доходит до коры.

Гипоталамус

Гипоталамус представляет собой небольшое, располагающееся достаточно глубоко ядро (меньше 1 % объема мозга) без четко выделенного направления расположения нейронов. Вследствие такого строения с поверхности гипоталамуса невозможно зарегистрировать локальный потенциал, надежно отражающий активность определенной популяции нейронов. Гипоталамус (по крайней мере некоторые из его частей) принимает участие в регуляции многих основных программ, например, таких как температура тела, потребление пищи и воды, а также половое поведение. Известно, что повреждение ядер гипоталамуса может приводить к существенным изменениям некоторых вегетативных функций и некоторых видов так называемого мотивированного поведения: температурной регуляции, сексуальности, агрессии, голода или жажды.

Важную роль играет гипоталамус и в обеспечении эмоций. Как известно, многие области мозга вносят вклад в поддержание не одной, а нескольких функций. Это справедливо и в отношении гипоталамуса. И действительно, латеральные части гипоталамуса могут вовлекаться в обеспечение таких эмоций, как удовольствие и ярость. В свою очередь, активность в медиальной области гипоталамуса ассоциируется с отвращением, неприятием и реакцией неконтролируемого и громкого смеха. Однако гипоталамус в большей степени вовлекается в обеспечение выражения эмоций (т.е. симптоматических проявлений), чем в генерацию аффективных состояний.

Вентральная область передней поясной извилины.

Как уже говорилось в предыдущей главе, передняя поясная извилина может быть подразделена на две части: вентральную (аффективную) и дорсальную (исполнительную). В частности, стимуляция вентральной ППИ может приводить к возникновению эмоций страха или удовольствия. Стимуляция дорсальной ППИ способствует появлению чувства ожидания движения. Таким образом, вентральная часть ППИ принимает участие как в обеспечении эмоциональных реакций на боль, так и в регуляции агрессивного поведения. ППИ имеет сильно выраженные связи с миндалиной, которая, по всей видимости, доставляет информацию, связанную с эмоцией страха.

Функциональное картирование эмоций

С целью изучения нейрофизиологических основ эмоций и чувств Антонио Дамизио на базе Университетского медицинского колледжа Айовы в 2000 г. провел ряд ПЭТ-исследований. Во время ПЭТ-сканирования испытуемые вспоминали события из собственной жизни, связанные с разными эмоциями: печалью, радостью, злостью и страхом. Результаты этих исследований показали, что в обеспечение всех видов эмоций вовлекались структуры мозга, входящие в состав аффективной системы, а именно: инсулярная кора, вторичная соматосенсорная кора, поясная извилина, ядра покрышки ствола мозга и гипоталамус. Эти паттерны активации позволяют судить о существовании разных «профилей восприятия» внутреннего состояния организма. Впрочем, именно на этом и основано логическое обоснование того, что разные эмоции переживаются по-разному.

Следует обратить внимание на то, что временное разрешение метода ПЭТ не позволяет анализировать паттерны временной динамики разных этапов эмоциональных реакций, чувств и процессов мониторинга эмоций. Для этих целей наиболее подходящими являются методы ЭЭГ и ВП. Однако известно, что мозговые структуры аффективной системы располагаются довольно-таки глубоко

и, следовательно, могут генерировать только слабые потенциалы у поверхности скальпа. Кроме того, ядрам, входящим в состав аффективной системы, не свойственна какая-либо преобладающая ориентация клеток (аналогично ориентации пирамидных клеток коры), что обусловливает генерацию достаточно малых потенциалов в непосредственной близости от этих ядер.

Медиафронтальный тета-ритм ЭЭГ и эмоции

У некоторых испытуемых с достаточной степенью надежности активность передней поясной извилины может быть зарегистрирована с поверхности скальпа. Большой набор ЭЭГ-данных свидетельствует в пользу того, что основной вклад в генерацию тета-ритма, характеризующегося фронтальномедиальной топографией, вносит активность передней поясной извилины. Тета-ритм проявляется в виде всплесков ритмической активности частотой 5—8 Гц, максимальная амплитуда которых регистрируется в области Fz. Ритм обычно регистрируется в условиях, когда испытуемый выполняет тестовое задание, требующее концентрации внимания, а его амплитуда увеличивается по мере увеличения нагрузки. Если испытуемый неспокоен или встревожен, то тета-ритм может снижаться или даже пропадать. Однако на фоне действия анксиолитических препаратов наблюдается восстановление ритма. Поэтому считается, что медиафронтальный тета-ритм отражает снятие тревожного состояния. Тем самым передняя поясная извилина вовлекается в регуляцию эмоционального состояния от неспокойной тревожности до сфокусированного расслабления. Это также согласуется с известным эффектом снижения тревожности при концентрации на какой-либо когнитивной проблеме.

Этапы реакций аффективной системы

Схематическое изображение этапов обработки эмоционально значимых стимулов представлено на рис. 5. Распознавание эмоциональных выражений лиц и движений тела обеспечивается на уровне височной и теменной коры. Миндалина, вентральный стриатум (прилежащее ядро) и орбитофронтальная кора участвуют в формировании двухмерного аффективного пространства с негативным (наказание) и позитивным (вознаграждение) аффектом в качестве измерений аффективной системы. Моторные области коры обеспечивают реализацию эмоционального ответа (а именно эмоциональную мимику и движения тела). Соматосенсорная кора получает информацию о реализующихся эмоциональных реакциях от висцеральных органов, а также от лица и тела. А передняя поясная извилина ответственна за сравнение ожидаемого действия и реального, а также за генерацию сигналов о результате операций сравнения, которые через моторную кору модифицируют поведение по типу избегания наказания или достижения вознаграждения.

Сами этапы могут быть классифицированы следующим образом: репрезентативный этап (восприятие), эмоциональная реакция, этап чувств и этап мониторинга (коррекция). Ниже подробно рассмотрен каждый из этапов.

Этапы обработки информации в аффективной системе 
Рис.5. Этапы обработки информации в аффективной системе

Восприятие

Импульсная активность, запускаемая стимулом, практически одновременно достигает первичных сенсорных областей коры и миндалины. Это ранний этап простого восприятия стимула.

Эмоциональная реакция

Зрительная информация после обработки на уровне теменной и височной коры достигает моторной коры. Также информация обрабатывается на уровне гиппокампа, откуда на ранних этапах сенсорной обработки стимула перенаправляется в миндалину, орбитофронтальную кору и вентральный стриатум. На данном этапе происходит «декомпозиция» стимула на два пространственных паттерна, соответствующих двухмерному аффективному пространству: позитивный и негативный аффект. При этом в ответ на такие «разложенные» стимулы могут наблюдаться моторные реакции (частично автоматические).

Чувство

На этой стадии информация достигает соматосенсорной коры и инсулы, где происходит картирование внутренних (висцеральных) и внешних (тело и лицо) атрибутов эмоциональных реакций в виде разных репрезентаций, соответствующих различным чувствам, например чувству радости или веселья.

Этап мониторинга

И наконец, на уровне передней поясной извилины происходит сравнение реальной и ожидаемой эмоциональной реакции. В зависимости от результата такой операции сравнения передняя поясная кора корректирует поведение (через моторную кору) таким образом, чтобы устранить выявленное рассогласование или оставаться в нынешнем состоянии дальше.

Серотонин как основной медиатор аффективной системы

Известно, что ядра ствола мозга модулируют процессы обработки информации, протекающие на уровне разных систем мозга. Говоря об аффективной системе мозга, следует отметить выраженное преобладание медиатора серотонина (5-гидрокситриптамин) в структурах, входящих в состав этой системы. Кроме того, традиционными мишенями при терапевтическом (фармакологическом) лечении расстройств аффективной системы являются как раз серотонинергические нейроны и рецепторы серотонина.

Функционирование и нарушения в работе серотонинергической системы

Серотонинергические проекции берут начало от дорсального и медиального ядер шва ствола мозга. В результате образуются две разные серотонинергические системы, отличающиеся по своим электрофизиологическим характеристикам, топографической организации, морфологии, а также чувствительности к нейротоксинам и, возможно, психоактивным агентам (рис. 6). Система тонких аксонов берет начало от серотонинергических клетчатых тел дорсального ядра шва, волокна которого обильно ветвятся в иннервируемых областях. Преимущественно иннервируются префронтальная кора, прилежащее ядро, амигдала и вентральный гиппокамп. Система толстых аксонов происходит от серотонинергических клетчатых тел медиального ядра шва, волокна которого иннервируют преимущественно гипоталамус и дорсальный гиппокамп. На основе представлений о серотонинергической модуляции работы аффективной системы сформулирована моноаминная гипотеза депрессии. И действительно, если антидепрессанты вызывают увеличение концентрации серотонина в синапсе, то, например, резерпин, являясь препаратом, разрушающим катехоламины, может вызывать похожие на депрессию синдромы.

Двойная иннервация переднего мозга серотонинергической системой
Рис.6. Двойная иннервация переднего мозга серотонинергической системой

Схема создана на основе данных, описанных в работе Hensler (2006).

Заключение

С точки зрения психологии аффективная система добавляет дополнительное измерение (эмоции и мотивации) в наше восприятие и наши действия. Благодаря этому в общем виде регуляция нашего поведения сводится к поиску положительных эмоций и избеганию отрицательных. С информационной точки зрения аффективная система призвана усиливать и укреплять следы крайне важных для выживания событий, ассоциируя эти следы с определенным эмоциональным значением. Анатомическая организация аффективной системы, представляющая собой группу тесно взаимосвязанных корковых и подкорковых структур, обеспечивает возможность генерировать и чувствовать эмоции в ответ на сенсорную стимуляцию. Физиологически некоторые из этих структур (например, орбитофронтальная кора и миндалина) приводят в соответствие события внешнего и внутреннего мира и эмоциональное значение этих событий: подкрепление (вознаграждение), наказание (отрицательное подкрепление), мотивации и потребности. Другие структуры аффективной системы являются ключевыми в обеспечении выражения эмоциональных реакций (лицевая экспрессия) в ответ на эмоционально значимые стимулы. Выделяются и структуры, ответственные за переживание эмоциональных реакций и состояний (инсулярная кора). В 1993 году Ричардом Дэвидсоном из Университета Висконсина была предложена гипотеза, в соответствии с которой лобные области коры левого полушария наиболее активны в ситуации эмоций, связанных с достижением (т.е. положительных эмоций). И напротив, предполагалась большая активность лобных областей правого полушария в случае эмоций, связанных с избеганием (отрицательные эмоции). Проще говоря, идея заключалась в том, что левое полушарие преимущественно реагирует на эмоционально положительные события, а правое, соответственно, — на эмоционально отрицательные. В силу того что мощность ЭЭГ в альфа-диапазоне инвертировано коррелирует с уровнем активации соответствующей области мозга, регистрируемая в лобных областях асимметрия альфа-ритма, по крайней мере для некоторых групп пациентов, может служить показателем депрессии или тревожности. Процессы обработки информации на уровне аффективной системы модулируются серотонинергическими системами, берущими начало от ядер шва ствола мозга. Некоторые из антидепрессантов вызывают увеличение концентрации серотонина в синапсе.

Системы памяти

Психология

Виды памяти

Лишь некоторые люди помнят о том, что древние греки помимо разных видов искусств изобрели искусство памяти, обычно называемое мнемотехникой. Во времена, когда еще не была изобретена техника печати, такой вид искусства был жизненно необходим. Несмотря на то что в современном мире мы полагаемся на информацию, хранимую в книгах, компьютерах и интернете, важность нашей собственной памяти сложно переоценить.

Главным достижением последних лет в исследованиях мозговых процессов научения и памяти является понимание того, что существует несколько видов памяти, обеспечиваемых разными системами мозга. Одним из показателей, который может быть использован в выделении видов памяти, является временная динамика следа памяти (время хранения). Соответственно, память можно подразделить на ультракороткую (длительностью около сотен миллисекунд), краткосрочную (длительностью порядка нескольких секунд) и долгосрочную (может сохраняться всю жизнь). Долгосрочная память, в свою очередь, может также подразделяться на две большие категории в зависимости от типа сохраняемой информации и мозговых механизмов ее обеспечения: имплицитную и эксплицитную память (табл. 1).

Декларативность памяти подразумевает осознание извлекаемой информации. В случае имплицитной памяти, напротив, процессы памяти протекают преимущественно бессознательно. Процедурная память, будучи имплицитной, обеспечивает научение и вспоминание моторных и когнитивных навыков. Различие между эксплицитным и имплицитным обучением может быть продемонстрировано на примере функции речи.

Память играет важную роль в формировании и поддержании лексикона (словарного запаса) и грамматики. Декларативным видом памяти на примере речевой функции человека является запас специфических знаний, связанных со значениями слов (лексикон), в обеспечение которого вовлекаются мозговые структуры теменно-височно-затылочного стыка. Данный вид декларативной памяти подразумевает хранение и использование знаний о фактах или событиях, которые выражаются в словесной форме. Повреждения мозга в области теменно-височно-затылочного стыка могут приводить к существенному нарушению памяти лексикона, синдрому, известному как афазия Вернике. Грамматика, под которой понимаются процессы составления лексических элементов в сложные предложения (управляемые соответствующими правилами), обеспечивается разными мозговыми системами, включающими лобные и теменные области коры, базальные ганглии и структуры мозжечка. Грамматика является процедурным видом памяти. Нарушения речи, связанные с грамматикой, называются афазией Брока, которая может наблюдаться при повреждении левой фронтальной коры и подкорковых структур.

Процессы, связанные с запоминанием любой информации, обеспечиваются целым набором мозговых систем. Однако в большинстве случаев существует конкретная мозговая система, играющая важную роль в обеспечении определенных форм научения и памяти, которые могут существенно нарушаться при патологических изменениях в работе этой системы. Многие читатели могут вспомнить пессимистические выводы, сделанные Лешли (1950) по результатам серии исследований, посвященных изучению памяти, которые были опубликованы в известной статье под названием «В поисках энграммы» («In Search of the Engram»). При всем уважении к исследовательскому гению Лешли следует отметить, что существование разных видов памяти с разными нейронными субстратами не признавалось ни во времена Лешли, ни после появления современных аналитических средств анализа данных.

Таблица 1. Виды памяти

КатегорияПодкатегорияСодержание следа памятиСтруктуры мозга, ответственные за формирование и хранение

Декларативная (эксплицитная)

Эпизодическая

События личной жизни

Гиппокампсенсорные области всех модальностей — префронтальная кора

Декларативная (эксплицитная)

Семантическая

Основные факты без явной связи с событиями личной жизни

Гиппокампсенсорные области всех модальностей — префронтальная кора

Недекларативная (имплицитная)

Процедурная

Действия, например, такие как речь или вождение автомобиля

Префронтальная кора — базальные ганглии — система таламических связей

Недекларативная (имплицитная)

Инструментальные и условные рефлексы

Ассоциативная память при ответах на условный стимул, с одной стороны, и безусловные ответы в ответ на стимулы положительного и отрицательного подкрепления (вознаграждение и наказание), с другой

Сенсорные области всех модальностей, мозжечок, миндалина

Недекларативная (имплицитная)

Прайминг*

Активация в памяти частей определенных репрезентаций или ассоциаций непосредственно перед осуществлением действия или выполнением задания

Вероятно, краткосрочные модификации синаптической связи нейронов, обеспечивающих активацию репрезентации стимула

Недекларативная (имплицитная)

Габитуация

Неассоциативный след памяти, формирующийся в результате снижения количества ответов при повторяющемся появлении стимулов

Краткосрочная синаптическая депрессия

Примечание: * — прайминг является экспериментальной техникой, при которой предъявление стимула-праймера вызывает сенситизацию нейронной репрезентации этого стимула для дальнейшей презентации такого же или похожего стимула. Например, представим ситуацию, при которой испытуемому перед началом тестового задания предъявляется набор слов, среди которых есть слово «память». Позже на просьбу продолжить набор букв «пам» так, чтобы получилось слово, испытуемый скажет. «Память». То есть предварительный набор слов «праймировал» ответ испытуемого.

Декларативная память

Анатомия

Классический случай сильной амнезии, наблюдаемый у пациента Г.М. (одного из пациентов с билатеральным удалением медиальной височной коры), свидетельствует о важной роли этой области в обеспечении консолидации декларативной памяти. Медиальная височная кора характеризуется иерархической организацией (рис.1): гиппокамп обладает мощными связями с энториальной корой, которая имеет сильные связи как с периренальной, так и парагиппокампальной корой; в свою очередь, эти области посылают свои проекции в область теменной и височной коры. Кроме того, гиппокамп связан с мамиллярными телами гипоталамуса и передним таламическим ядром. Известно, что повреждение этих двух структур может приводить к амнестическому синдрому, известному как корсаковский синдром. Исследования по оценке активности этих небольших близко расположенных и глубоко локализованных структур, проводимые с использованием томографии высокого разрешения (фМРТ), продемонстрировали факт их активации во время выполнения тестовых заданий на память.

Компоненты системы эпизодической памяти
Рис.1. Компоненты системы эпизодической памяти

Аналогичные эксперименты на животных не только воспроизводят данные, полученные при исследовании людей, но и расширяют представление о мозговом обеспечении памяти: в частности, показано, что медиальная височная кора не является единственной гомогенной структурой, вовлекаемой в обеспечение процессов формирования памяти. Иными словами, процессы, связанные с памятью, реализуются в результате сложного взаимодействия множества различных подструктур самой медиальной височной коры (рис.1), каждая из которых вносит свой индивидуальный вклад в формирование памяти.

В соответствии с современными представлениями медиальная височная кора рассматривается как сложная система, ответственная за реализацию ряда функций, связанных с памятью, включающих кодирование, консолидацию и извлечение новых следов памяти. Важно отметить, что хранение запоминаемой информации осуществляется на уровне височной, теменной и лобной областей коры, тогда как ее извлечение реализуется при активном вовлечении гиппокампа, который всякий раз «обращается» к хранилищу информации. В конечном итоге сами по себе следы памяти становятся независимыми от структур медиальной височной коры и находятся под влиянием структур неокортекса. В частности, считается, что декларативная память на зрительные объекты реализуется на уровне вентрального пути обработки зрительной информации.

Похожие объекты, например чье-то лицо или определенная сцена, могут спонтанно запустить извлечение следа памяти. Однако в большинстве своем процессы вспоминания начинаются с целенаправленной попытки вспомнить. По всей видимости, активный процесс извлечения запоминаемой информации связан с вовлечением областей префронтальной коры. И действительно, с одной стороны, префронтальная кора получает от задних областей коры мозга в высокой степени обработанную сенсорную информацию, а также обеспечивает хранение планов действий и реализацию исполнительных функций (рабочая память, выбор, инициация и подавление действий). А с другой — префронтальная кора за счет нисходящих связей инициирует активацию запомненной информации, связанной с конкретным действием. Нейрофизиологические данные фактически подтверждают правдоподобность этой точки зрения: у пациентов с повреждениями в области левой префронтальной коры значительно нарушаются процессы произвольного вспоминания недавно запомненной информации.

Операции кодирования и извлечения

Память как единое целое проявляется в виде трех основных этапов: кодирования, хранения и извлечения. Хранение, в свою очередь, может быть долгосрочным и краткосрочным. Механизмы долгосрочного хранения исследуются клеточной биологией, изучающей структурные изменения синапсов нейронов.

Вполне логично предположить, что в целях минимизации усилий и ресурсов следы памяти кодируются и извлекаются при участии тех же областей, которые вовлекаются в обработку предъявляемых сенсорных стимулов. Первые доказательства участия сенсорных областей в обеспечении процессов извлечения из памяти были представлены в 1940—1950-х годах в работах Вилдера Пенфилда из Неврологического института Монреальского университета (W Penfield & Р. Perot, 1963). Во время открытых операций на мозге, проводимых для лечения эпилепсии, Пенфилд проводил электрические стимуляции областей затылочной и височной коры. Во время электрического воздействия испытуемые находились в сознании. Оказалось, что такие стимуляции иногда приводили к появлению воспоминаний, причем их модальность зависела от сенсорной специализации области.

Уже выполненные позже, в 1990-х годах, ПЭТ и фМРТ-исследования подтвердили эти выводы. Проведение этих исследований позволило получить прямое доказательство, что паттерны активаций метаболических процессов на разных этапах выполнения тестов на память, а именно при кодировании и извлечении информации, значительно перекрывались между собой. Так, в исследовании Вилера и др. (Wheeler et al., 2000) испытуемые запоминали зрительно предъявляемые слова в паре со звуком или изображением. Для выполнения задания необходимо было вспомнить, существовала ли смысловая связь (ассоциация) между предъявляемыми словами и сопутствующим стимулом. Такая конструкция тестового задания способствовала извлечению четких, модально-специфических следов памяти. В итоге процессы кодирования изображений ассоциировались с увеличением активности в области зрительной коры (от шпорной до веретенообразной извилины). Соответственно, кодирование слуховых стимулов вызывало активации в височной коре (от извилины Гешли до средней височной извилины). Извлечение информации об изображениях снова сопровождалось активацией в области веретенообразной извилины, а вспоминание звуков характеризовалось билатеральной активацией верхней височной извилины вблизи вторичных областей слуховой коры.

В свою очередь, операции извлечения могут быть разделены на два типа — операции сходства и воспоминания. В одной из обзорных работ Майкл Ругг и Эндрю Йонелинас (2003) представили результат сравнительного анализа данных томографических, ВП и нейрофизиологических исследований, в соответствии с которым два разных типа операций извлечения обеспечиваются разными мозговыми механизмами.

Нейронные модели

Cенсорная компонента события кодируется височной и теменной корой, а компонента, связанная с действием, кодируется в лобных долях. Без гиппокампа следы памяти, относящиеся к конкретным событиям, могут храниться лишь непродолжительное время за счет реверберации периодической активности в нейронных сетях этих областей.

Электрическая природа временного следа памяти обусловливает его высокую чувствительность к различным помехам (интерференции), что и лежит в основе его недолговременности. Именно на уровне гиппокампа происходит конвергенция компонент (в виде образа пространственно распределенной активности — репрезентации) в единый активационный паттерн. Образуемый таким образом след памяти характеризуется химически обусловленной долгосрочной потенциацией, индуцируемой на фоне всплесков тета-ритма. В силу этих изменений такой след может храниться достаточно долгое время. Таким образом, гиппокамп выполняет функцию временного хранения запоминаемой информации. Сохраненные следы памяти в дальнейшем могут извлекаться как сознательно при целенаправленном вспоминании, так и бессознательно, например, во время сна. Процессы извлечения обусловливают упорядочивание соответствующих следов памяти, в результате которого происходит формирование долгосрочных нейронных связей — то есть долгосрочной памяти.

Ацетилхолин как основной медиатор системы обеспечения декларативной памяти

Ядро перегородки как элемент восходящей холинергической системы мозга

Как было выяснено выше, ключевым элементом мозговой системы эпизодической памяти является гиппокамп. Гиппокамп генерирует уникальные ритмы, называемые гиппокампальными тета-ритмами. Процесс генерации этих ритмов контролируется системами мозга, основным нейротрансмиттером которых является ацетилхолин (АХ). Ацетилхолин продуцируется в ядрах перегородки и транспортируется в гиппокамп посредством септо-гиппокампального проводящего пути (рис.2). От интенсивности транспорта АХ зависит амплитуда осцилляций тета-активности. Следует подчеркнуть, что ядра перегородки являются продолжением холинергической системы ствола мозга и обильно иннервируются из него.

Остальные области коры (за исключением гиппокампа), включая префронтальную, медиальную височную и инсулярную кору, получают входы от другого ядра ацетилхолинергической системы — базального ядра Мейнерта. Базальное ядро преимущественно связано с лимбической корой и, следовательно, может рассматриваться как интерфейс между лимбической системой и корой больших полушарий мозга. Эфферентные связи этого ядра также направляются в область ретикулярного ядра таламуса, что обеспечивает регуляцию информационных потоков от таламуса к коре.

Известны два вида рецепторов к АХ: никотиновые и мускариновые рецепторы. Мускариновые рецепторы широко распространены по мозгу. Мускариновые рецепторы Ml-типа являются активирующими, а М2-типа соответственно тормозными. Н икотиновые рецепторы локализуются преимущественно на уровне ствола мозга.

Долгосрочная потенциация и гиппокампальный тета-ритм

Теоретически в соответствии со схемой, представленной на рис.2, ацетилхолин может модулировать процессы эпизодической памяти с помощью двух механизмов: 1) увеличение амплитуды тега-ритма в гиппокампе и, соответственно, усиление долгосрочной потенциации; 2) через активацию базального ядра, усиление активности многих областей коры в ответ на поведенчески значимый стимул. Множество литературных данных свидетельствует о правомерности этой схемы.

Холинергические проводящие пути системы эпизодической памяти
Рис.2. Холинергические проводящие пути системы эпизодической памяти

Базальное ядро Мейнерта (BN) и септальное ядро (Septum) являются продолжением холинегрических нейронов восходящей ретикулярной формации ствола мозга. Холинергические нейроны перегородки проецируются в гиппокамп и соответствующие области коры. В то же время холинергический проводящий путь, берущий начало от базальных отделов переднею мозга, более диффузно проецируется в префронтальные области коры и ретикулярное ядро таламуса (Rt).

Так, фармакологические исследования показывают, что воздействия на холинергическую систему здоровых испытуемых могут приводить к существенным изменениям декларативной памяти. Например, ингибиторы ацетилхалинэстеразы улучшают декларативную память. Аналогично введение скополамина, антихолинергического агента, вызывает нарушения процессов обучения при запоминании лиц (т.е. формирование ассоциаций «лицо — имя») и сопровождается снижением уровня насыщения крови кислородом в области вентролатеральной префронтальной и нижней височной коры, а также в гиппокампе. При введении этого препарата наблюдается снижение амплитуды Р3а-компоненты , регистрируемого в ответ на предъявление редкого девиантного стимула. Существование зависимости между продукцией АХ и амплитудой Р3а-компоненты демонстрирует факт контроля холинергической системой мозга усиления нейронного ответа на новые или контекстуально девиантные стимулы.

ВП-показатели эпизодической памяти

Процессы вспоминания и эффект «старое — новое»

Существует несколько парадигм исследования нейробиологических основ эпизодической памяти. Принципиальная схема исследований универсальна — стимулы предъявляются на предварительной стадии запоминания, а непосредственно тестирование происходит во время стадии вспоминания. В исследованиях здоровых испытуемых применялись различные техники регистрации мозговой активности: фМРТ, ПЭТ и ЭЭГ. Гораздо реже применялся метод регистрации локальных потенциалов с имплантированных в структуры мозга электродов. Имплантация электродов осуществлялась исключительно в лечебно-диагностических целях.

В рамках исследовательской парадигмы «старое — новое» на этапе вспоминания показатели активности мозга регистрировались для двух видов предъявляемых стимулов. Первый тип стимула считался «старым», т.е. это стимулы, заученные испытуемым на предварительной стадии исследования. Второй тип стимула обозначался «новым», т.е. в рамках исследования такие стимулы предъявлялись впервые. Обычно наблюдаемое различие между ВП для «нового» и «старого» стимулов называется эффектом «старого — нового», а иногда — эффектом декларативной памяти. Получаемый в результате разностный ВП характеризуется выраженной височнотеменной топографией преимущественно в левом полушарии и отражает вовлечение сенсорных систем в обеспечение процессов эпизодической памяти.

Эффект «запоминания — забывания» на стадии кодирования информации

В исследовании активности мозга при процессах запоминания и забывания регистрация осуществляется на этапе кодирования стимулов, которые необходимо запомнить. В частности, параметры ВП и ЭЭГ регистрируются во время кодирования стимулов (а не на стадии вспоминания), которые впоследствии вспоминаются или забываются. Эффект наблюдаемых различий этих параметров называется эффектом «запоминания — забывания». Известно лишь несколько исследований по регистрации импульсной активности с имплантированных электродов, проводимых в рамках данной парадигмы. Результаты таких исследований схематично представлены на рис.3. Как видно из приведенных графиков, успешное запоминание стимулов (относительно забывания) проявляется: 1) как усиление ответов на уровне гиппокампа; 2) увеличение когерентности между обонятельной корой (обладающей полимодальными связями с гиппокампом) и гиппокампом в гамма-диапазоне; 3) увеличение амплитуды тета-ритма, регистрируемого со скальпа.

Эффект «запоминания — забывания»
Рис.3. Эффект «запоминания — забывания»

Система процедурной памяти

Сенсорная память и память, связанная с действием

Мозговая система процедурной памяти вовлекается в обеспечение процессов обучения новым комбинированным действиям и контроля реализации сформированных (приобретенных) сенсомоторных и когнитивных действий. Можно привести несколько примеров сенсомоторных действий: управление автомобилем, игра в теннис, игра на пианино, письмо или печать, артикуляция слов, пение… Такие действия также называются навыками, привычками, стереотипами (рутинными действиями). Чаще всего действия составляются из приобретенных ранее более элементарных действий. Таким образом, одной из функциональных задач процедурной памяти является координация и запоминание сложной последовательности простых действий. Как уже неоднократно упоминалось выше, мозг состоит их сильно взаимосвязанных, но отдельных образований: сенсорных и связанных с действиями исполнительных систем. Проще говоря, эпизодическая память связана с сенсорными системами мозга, а процедурная система ассоциируется с системами, имеющими отношение к действиям.

Анатомия процедурной памяти

Области мозга, связанные с обеспечением действий, в первую очередь оперируют действиями. Cтриатум, получая входы от областей коры переднего мозга, формирует «карту» действий. Овладение новым действием требует перестройки старой карты действий. Механизм такой перестройки и составляет основу процедурной памяти. Таким образом, процедурная память находится в сильной зависимости от работы базальных ганглиев и связанных с ними мозговых структур.

В отличие от эпизодической памяти системе процедурной памяти не требуется наличие отдельных систем кодирования и консолидации события. Сама исполнительная система располагает необходимыми элементами памяти. Энграмма процедурной памяти может быть представлена в виде медленно изменяющихся синаптических связей исполнительной системы (рис.4). Представленная система состоит из петель положительных и отрицательных обратных связей фронтально-базально-таламокортикальной нейрональной сети. Таким образом, помимо исполнительных функций базальные ганглии вовлекаются: в обеспечение сенсомоторного сопряжения; организацию последовательных действий, подкрепленных обучением (в том числе с использованием эмоционально значимых стимулов в качестве подкрепления); в моторное планирование, особенно если оно характеризуется четкой временной структурой последовательности действий; в реализацию множества моторных программ. В дополнение к рассмотренным мозговым структурам в обеспечении работы исполнительной системы участвует и мозжечок (не представлено на рис.4).

Проводящие пути системы процедурной памяти
Рис.4. Проводящие пути системы процедурной памяти

Базальные ганглии и речевая функция

Базальные ганглии получают входы от фронтальных, теменных и височных областей коры, которые участвуют в параллельной обработке информации, осуществляемой на уровне разных систем проводящих путей. Эти параллельные пути обработки информации реализуют одни и те же базовые функции — выбор, инициация и подавление действий. В частности, зона Брока, как и любой отдел коры, сходным образом посылает проекции в область стриатума. Это указывает на то, что базальные ганглии участвуют в обеспечении всех функций, свойственных зоне Брока, включая процедурное обучение и грамматические правила. Кажется вполне логичным, что повреждения в зоне Брока проводят к известным трудностям, называемым аграмматизмом. Таким пациентам сложно инициировать речь. Речь не беглая, затрудненная и с паузами. При этом происходит обеднение словарного запаса, а при составлении предложений используются разобщенные слова, которые с большим трудом собираются в подходящее предложение. Более того, сопоставимые речевые нарушения могут наблюдаться и при повреждениях или электростимуляциях любой из структур, входящих в состав системы базально-таламических связей. В частности, в исследованиях Джорджа Ойджманна, ученого из Вашингтонского университета, сообщалось о похожих нарушениях в продукции речи при стимуляции доминантного вентролатерального таламуса. Вместе с тем стимуляция недоминантного вентролатерального таламуса не приводила к таким эффектам. Таким образом, характер речевых нарушений варьирует в зависимости от локализации стимулируемой o6nacrH(Johnson, Ojemann, 2000).

Процесс постепенного запоминания

В отличие от быстрого кодирования информации на уровне декларативной памяти процессы обучения в рамках мозговой системы процедурной памяти протекают постепенно и требуют наличия множества ассоциативных связей между контекстом и осваиваемым действием. Вспомните, сколько времени заняло у вас обучение вождению автомобиля или игре в теннис, и сравните с теми несколькими секундами, которые потребовались на то, чтобы навсегда запомнить эпизод дорожного происшествия. И аналогично извлечение информации из эпизодической памяти связано с сознательным вспоминанием, которое в зависимости от типа сенсорной информации, занимает несколько сотен миллисекунд. А извлечение информации из процедурной памяти происходит быстрее и может осуществляться автоматически, без контроля со стороны сознания.

ВП-корреляты процессов извлечения информации из процедурной памяти

ВП при извлечении информации из процедурной памяти в сравнении с процессами сознательного вспоминания представлены на рис.5. Как видно из рис.5, Р2-компонента ВП, регистрируемая в ответ на ХЭО-стимул зрительного GO/NOGO-теста, отражает процесс вспоминания, реализуемый на уровне процедурной памяти. А результат сознательного вспоминания отображается Р3b-компонентой, связанной с операцией вовлечения. Таким образом, процессы процедурной памяти по крайней мере на 100 мс быстрее процессов эпизодической памяти, контролируемых сознанием.

Процесс вспоминания из процедурной памяти протекает быстрее, чем сознательно контролируемое вспоминание стимула
Рис.5. Процесс вспоминания из процедурной памяти протекает быстрее, чем сознательно контролируемое вспоминание стимула

Сравнение двух независимых компонент, вычисленных при анализе ВП, зарегистрированных в ответ на GO-стимул двухстимульного GO/NOGO-теста: (А, Б) — компонента, связанная с воспоминанием из процедурной памяти; (В, Г) -то же для сознательного воспоминания GO-события. Перед исследованием испытуемые выполняли тренировочный тест из 20 проб. Во время самого исследования тест выполнялся с несколькими ошибками. Первая компонента генерировалась в области премоторной коры фронтальной доли, а вторая (Р3b) — в области теменной коры.

Основные медиаторы мозговой системы процедурной памяти

Теоретически можно выделить два основных медиатора, регулирующих работу системы процедурной памяти. Во-первых, это дофамин, транспортируемый в стриатум из черной субстанции. Во-вторых, это ацетилхолин, продуцируемый холинергическими клетками самого стриатума (рис.6). Эти два медиатора модулируют информационные потоки на уровне стриатума. Дофамин изменяет пороги возбудимости нейронов стриатума, а АХ активирует или деактивирует близлежащие эфферентные нейроны.

Медиаторные проводящие пути системы процедурной памяти 
Рис.6. Медиаторные проводящие пути системы процедурной памяти

Проекционные нейроны стриатума (ключевой элемент системы процедурной памяти отмечен черным цветом) получают входы от дофаминергических нейронов черной субстанции и от холинергических нейронов, локализованных в самом стриатуме.

Известные на сегодняшний день литературные данные подтверждают эту точку зрения. Свидетельством в пользу важной роли дофамина в реализации процессов процедурной памяти может служить ухудшение качества выполнения тестовых задач на процедурное обучение, которое наблюдается при паркинсонизме, характеризующемся истощением дофамина на уровне стриатума. Исследования на мышах показывают (Kitabatake et al., 2003), что селективная ампутация (повреждение) холинергических нейронов стриатума нарушает Процессы процедурного обучения в условиях управляемого звуком Т-образного лабиринта (звук указывает на наличие пищи в правом или левом рукаве лабиринта), а значит, это может являться доказательством участия АХ в обеспечении процедурной памяти.

Заключение

Существует несколько видов памяти, в обеспечение которых вовлекаются разные системы мозга. Один из принципов классификации памяти основан на представлениях о временной динамике процессов памяти — ультракороткая (сотни миллисекунд), краткосрочная (несколько секунд) и долгосрочная (вплоть до всей жизни). В свою очередь, в зависимости от механизмов обеспечения и типа сохраняемой информации долгосрочная память может быть подразделена на две большие категории. Это эксплицитная, или декларативная, память (в которой выделяют эпизодический и семантический подтип) и имплицитная, или процедурная, память (на уровне которой выделяются разновидности в вице процедурной памяти, инструментального и условного рефлексов). В состав структур системы обеспечения декларативной памяти входит гиппокамп, а также связанные с ним мамиллярные тела гипоталамуса и переднее ядро таламуса. ПЭТ и фМРТ-исследования свидетельствуют о совместной активации этих областей мозга при кодировании и извлечении информации из эпизодической памяти. Процессы кодирования сопровождаются генерацией гиппокампального тета-ритма, на фоне которого происходит долгосрочная потенциация и сохранение фрагментов следов памяти. ВП-корреляты процессов эпизодической памяти проявляются в виде двух основных эффектов: «старое — новое» при кодировании информации; «вспоминание — забывание» при извлечении информации. Мощность осцилляций тета-ритма регулируется медиатором ацетилхолином. Ацетилхолин продуцируется на уровне ядер перегородки и по септо-гиппокампальному пути транспортируется в гиппокамп. Процедурная память ассоциируется с научением новым видам моторных и когнитивных действий и обеспечивается базальными ганглиями (и связанными с ними структурами). Извлечение информации из процедурной памяти осуществляется гораздо быстрее, чем из эпизодической памяти. Процессы, относящиеся к извлечению информации из разных видов памяти, отражаются разными компонентами ВП, генерируемыми в ответ на GO-стимулы в условиях GO/NOGO-теста. Работа мозговой системы процедурной памяти регулируется двумя основными медиаторами: дофамином, транспортируемым в стриатум из черной субстанции, и ацетилхолином, который продуцируется собственными холинергическими клетками стриатума.

Методы: нейронные сети и вызванные потенциалы

Информационные процессы нейронных сетей

Аналитический подход

Одним из способов изучения информационных процессов мозга является аналитический подход, основная идея которого заключается в разложении сложных систем на более элементарные составляющие. Успешным примером применения аналитического подхода являются исследования сенсорных систем мозга. В соответствии с ними восприятие рассматривается как отдельная операция, отличающаяся от движения. Более того, восприятие представляется как последовательность вычислительных операций, осуществляемых нейронами, разных иерархических уровней процесса обработки сенсорной информации.

Основы аналитического подхода были заложены в 50-х годах прошлого века. Несколько лабораторий стали использовать метод регистрации импульсной активности отдельных нейронов и изучать характер их ответов на стимуляцию разных модальностей. Большую известность приобрели исследования Хьюбелом и Визелем зрительной модальности восприятия. Их подход явился развитием концепции рецептивных полей, разработанной Стивом Куффлером также в 1950-х. Куффлер описал организацию рецептивных полей ганглиозных клеток сетчатки в форме ON-центра и OFF-периферии, а также ввел понятие латерального торможения. Хьюбел и Визель в своих работах показали, что рецептивные поля в первичной зрительной коре (VI) имеют более сложную организацию с протяженными ON- и OFF-областями, что позволяет нейронам селективно отвечать как на ориентацию предъявляемых полосок, так и на пространственные частоты двухмерных решеток.

После того как были описаны приблизительные свойства нейронов, исследователями завладела идея изучения того, как взаимодействие между отдельними нейронами мозга может приводить к появлению новых свойств, например памяти, распознавания образов и даже сознания. Основоположниками этого нового направления исследований стали Маккалок и Пите, которые разработали новые методы регистрации активности нейронов. Это направление получило название исследований «нейронных сетей». В период с 1950 по 1980 гг. появились различные подходы к симуляции работающих нейронных сетей. Эти подходы впоследствии были объединены в общую концепцию нейронных сетей.

Б. Сети с латеральным торможением

Латеральное торможение — это принцип работы нейронной сети, когда при активации определенного нейрона (группы нейронов) подавляется активность соседних (рис.1 вверху). Такой вид нейронных сетей был впервые обнаружен Кеффером Хартлайном и коллегами из Рокфеллеровского университета при исследовании строения глаза и зрительной системы мечехвоста (Limulus polyphemus).

Пространственная фильтрация в нейронных сетях с латеральным торможением
Рис.1. Пространственная фильтрация в нейронных сетях с латеральным торможением

А. Структура нейронной сети с латеральным торможением. Сферы схематически обозначают нейроны. Каждый нейрон в положении х получает вход I(х) и оказывает тормозное влияние на соседние нейроны. Б. Амплитудно-частотная характеристика ответа нейрональной сети на входящий сигнал синусоидальной формы (sin wх). По оси Y — F0(w)/F1(w)A — соотношение входа и выхода, w — пространственная частота входа. Чем шире латеральное торможение, тем более четкие амплитудно-частотные характеристики.

Обозначим вход, который получает нейрон, в виде Fi(x), где х — это координата определенного нейрона. В свою очередь, нейрон через связи с соседними нейронами оказывает на них тормозное воздействие, распределение которого может быть описано весовой функцией W(y — х). W называется функцией связанности и отображает изменение силы связей между нейронами в зависимости от расстояния. Обычно распределение тормозных связей моделируется в соответствии с распределением Гаусса (нормальное распределение, см. формулу ниже) и имеет два параметра: амплитуду А и радиус действия σ. При больших значениях А распределение изображается в виде высокого пика, при больших значениях σ кривая распределения имеет более широкий вид.

W(y-х) = А ехр(- (у-х)2/2σ).

Пространственная фильтрация в нейронных сетях

Если получаемый вход клетка линейно переводит в выход (конечно, такая ситуация является явным приближением и правомочна тогда, когда потенциал мембраны удерживается у порога активации), то выходная функция Fo(x) нейрона, занимающего положение х, может быть описана следующим образом:

f0(x) = k[fi(x)-∫w(x-y)fo(y)dy].

Знак «—» перед интегралом означает, что клетки получают тормозные входы от соседних нейронов, Fo — выходящий сигнал, к—коэффициент усиления входящего и выходящего сигналов.

В терминах пространственной частоты (с использованием теоремы свертки) выше приведенное равенство будет иметь вид:

F0(ω) = к[Fi(ω) – W(ω)F0(ω)],

где F(w) — это преобразование Фурье функции f(x),

или:

Fo (ω) = kFi(ω)/(l + kW(ω)).

Другими словами, такая нейронная сеть, благодаря механизму латерального торможения, работает как частотный фильтр — подавляя низкие частоты и оставляя высокие.

Преобразование Фурье гауссовской функции будет иметь вид:

W(ω) = √2πσ Ехр( -4π2ω22).

Таким образом, если латеральное торможение достаточно локально, то G будет небольшим, а фильтрация неэффективна, поскольку будут подавляться и низкие, и высокие частоты. Однако если латеральное торможение глобально, то подавляются только низкие частоты (рис.1 внизу).

По всей видимости, такой тип нейронных сетей представлен на уровне стриатума, который характеризуется дальним действием своих тормозных связей. Значит, правомочно говорить о том, что стриатум, который, будучи структурой базальных ганглиев, получает афференты от разных областей мозга, выполняет функцию фильтра. Режим работы этого фильтра модифицируется при обучении с вовлечением процедурной памяти и таким образом может настраиваться для обеспечения запоминания новых действий.

Усиление высоких пространственных частот на уровне зрительной системы

Одним из свойств нейронных сетей с латеральным торможением является усиление наиболее выделяющейся информации, что делает ее еще более заметной. В терминах частотности усиление важной информации представляет собой подавление пространственнго сигнала малой частоты. На уровне зрительной системы низкие частоты сигнала наименее значимы, поскольку содержат информацию об общем уровне яркости зрительной сцены. В свою очередь, высокочастотные пространственные сигналы кодируют небольшие детали изображения, важные для распознавания сложных объектов. Особенности функционирования нейронных сетей с латеральным торможением могут объяснить некоторые зрительные иллюзии (рис.2).

Пример латерального торможения (полоса Маха) в зрительной системе
Рис.2. Пример латерального торможения (полоса Маха) в зрительной системе

А. Изображение Маха — яркость меняется следующим образом: по внешнему кругу цвет белый, центр круга черный, а яркость линейно меняется в области между ними. Однако внешний круг мы воспринимаем как более яркий, а центр как более темный. Б. Кривая восприятия, получаемая при применении пространственного фильтра латерального торможения к обработке изображения.

Более реалистичная схема нейронной сети, состоящей из двух слоев нейронов, представлена на рис.3. Помимо латерального торможения, для данной сети характерно наличие латерального возбуждения. Ситуация, при которой радиус тормозных влияний шире, можно описать следующими уравнениями.

Выходная функция fo(x) нейрона локализации х нейронной сети, представленной на рис.3, будет определяться следующим образом:

f0(x) = к[∫wex(x -y)fi(y)dy – ∫win(х -y)f0(y)dy].

В частотном представлении получаем:

F0 =kFi(ω)+kWex(ω)Fo(ω)-kWin(ω)Fo(ω).

Тогда соотношение между входом и выходом будет иметь вид:

Fo(ω) = kFi(ω)/(l + k(Win(ω) – Wex(ω)).

Сеть нейронов с латеральным торможением и латеральным возбуждением
Рисунок 3. Сеть нейронов с латеральным торможением и латеральным возбуждением

Взаимодействие между торможением и возбуждении приводит к появлению амплитудно-пространственнь1х характеристик, изображенных на графике справа

Зависимость функции входа/выхода от входящего сигнала представлена на рис.3 (справа). Видно, что нейронные сети с комбинацией механизма латерального торможения и латерального возбуждения малого радиуса работают как частотные фильтры, которые усиливают сигнал только в относительно узкой полосе частот. На протяжении всего проводящего пути зрительной системы, а в особенности на уровне сетчатки и латерального коленчатого тела, т.е. на ранних стадиях обработки информации, механизмы латерального торможения позволяют усиливать наиболее выделяющиеся аспекты сенсорных образов.

Канонические кортикальные цепи

Широко распространенной моделью нейрона является модель Ходжкина — Хаксли. Однако до сих пор не существует общепринятой модели строения коры. Но большинство нейрофизиологов все же сходятся во мнении, что циклическая активность коры организуется в виде цепей связей тормозных и активирующих проводящих путей. В результате такой организации появляется ряд важных свойств, которые были описаны в первой модели подобного рода, разработанной в 1989 году Родни Дугласом и Кевином Мартином (Douglas et al., 1989, Douglas, Martin, 1991) и получившей название модели канонической кортикальной цепи (рис.4).

В соответствии с этой моделью четыре популяции нейронов взаимодействуют между собой. Первой популяцией являются тормозные ГАМКергические нейроны. Остальные популяции нейронов возбуждающие: звездчатые нейроны IV слоя коры, пирамидальные нейроны верхнего слоя коры (слои II, III), а также пирамидальные клетки глубоких слоев (V и VI). В рамках предложенной модели процессы торможения и возбуждения не рассматриваются как независимые, а, напротив, предполагается их взаимодействие, что и является предпосылкой для возникновения уникальных свойств коры. Синхронная активация нейронов коры неизбежно приводит к запуску последовательности возбуждающих и тормозных событий. Временная динамика этих событий зависит от локализации нейронов (слоя коры) и, по всей видимости, отображается положительными и отрицательными компонентами ВП.

Канонические кортикальные нейронные сети
Рис.4. Канонические кортикальные нейронные сети

Блок-диаграмма сети, моделирующая внутриклеточные ответы кортикальных нейронов на стимуляцию таламических афферентов. Взаимодействие происходит между тремя популяциями нейронов: одна популяция состоит из тормозных нейронов (обозначены закрашенным кругом), а две другие представлены возбуждающими нейронами, представляющими поверхностный (Р2 + 3) и глубокий (Р5 + 6) слои пирамидальных нейронов. На представленной схеме звездчатые нейроны IV слоя коры объединены с пирамидальными нейронами внешнего слоя. Нейроны каждой из популяций получают возбуждающие входы от таламуса. Соотношение толстых и тонких линий указывает на то, что большее активирующее влияние таламус оказывает на поверхностный слой пирамидальных клеток. Тормозные входы активируют ГАМК-А- и ГАМК-В-рецепторы пирамидальных нейронов. Толстые линии, соединящие нейроны на уровне Р5 + 6, слоя указывают на то, что тормозной вход к более глубоким слоям популяции пирамидальных клеток относительно больший по сравнению с поверхностым пирамидальным слоем. Однако увеличенное тормозное влияние обеспечивается только повышенной активностью ГАМК-А-рецепторов. Воздействие, оказываемое при активации ГАМК-В-рецепторов, одинаково для всех слоев клеток (см. Douglas, Martin, 1991).

Торможение как следствие высокочастотной активности

Возбуждающие связи канонических кортикальных цепей доминируют над тормозными и характеризуются наличием петель положительной обратной связи. За счет реципрокного характера связей на уровне локальных цепей создаются условия для реверберации активности. В действительности чем больше нейронов активируется, тем больше постсинаптических потенциалов посылается на соседние клетки, т.е. увеличивается их деполяризация, и, следовательно, увеличивается количество разрядов. Таким образом, возбуждающие связи обеспечивают лавинообразный, экспоненциальный рост нейронной активности.

Однако тормозные связи позволяют подавить лавинообразное распространение активности. Тормозные нейроны вызывают гиперполяризацию соседних и снижают их активность. Так, в период действия тормозного постсинаптического потенциала нейроны не генерируют спайки, но при его угасании возобновляют свою активность и т.д. Временная последовательность смены возбуждения и торможения продуцирует осцилляции определенной частоты, которая определяется длительностью тормозных постсинаптических потенциалов. Исследования по регистрации внутриклеточной активности в сочетании с ионофорезом агонистов и антагонистов ГАМК (Douglas et al., 1989, Douglas, Martin, 1991) показали, что процессы внутрикортикального торможения опосредуются ГАМК-рецепторами А и В типа. Компонента тормозной активности, связанная с работой ГАМК А-рецепторов, наблюдается в ранней фазе импульсного ответа — гиперполяризации длительностью около 50 мс, которая сменяет фазу возбуждения. Вероятно, что реакция гиперполяризации этого типа отражается осцилляциями с частотой около 20 Гц, что соответствует бета-ритму ЭЭГ. Поздняя фаза ответа характеризуется гиперполяризацией длительностью около 200— 300 мс, которая связана с деятельностью ГАМК-рецепторов типа В.

Синаптическая депрессия как основа низкочастотных осцилляций

Другим механизмом подавления лавинообразного распространения активации является синаптическая депрессия. По сравнению с тормозными постсинаптическими потенциалами синаптическая депрессия — медленный процесс, длительность которого достигает нескольких сотен миллисекунд (400—500 мс). Следовательно, теоретически этот механизм может лежать в основе генерации осцилляций в частотном диапазоне дельта-ритма. В1990-х годах мы проводили исследования по моделированию поведения реалистичной нейронной сети с такой организацией внутренних связей, которая позволяла имитировать синаптическую депрессию. Компьютерные симуляции показывали, что в определенных условиях сеть начинала генерировать осцилляции с частотой, определяемой константой синаптической депрессии. На рис.5 представлены результаты этих исследований: видно, что при повторяющейся стимуляции сеть, состоящая из клеток, взаимосвязанных посредством синапсов, находящихся в состоянии депрессии, может продуцировать осцилляции. При этом частота осцилляций будет определяться константой синаптической депрессии.

Осциляторная активность нейронных сетей, связанная с синаптической депрессией
Рис.5. Осциляторная активность нейронных сетей, связанная с синаптической депрессией

Нейронная сеть с синаптической депрессией была симулирована на компьютере. Сеть состояла из 50 нейронов с сильно выраженными латеральными связями. А. Графики, отображающие изменения мембранного потециала всех 50 нейронов. Следует отметить, что возрастания мембранного потенциала происходили практически синхронно. Б. График усредненной частоты разрядов нейронов. Обращает на себя внимание и периодический характер спайков.

Канонический кортикальный модуль

В 1980-х годах в нашей лаборатории была разработана математическая модель так называемого канонического кортикального модуля (Kropotov, Ponomarev, 1993). В основу базовой идеи модели легло предположение о том, что кора состоит из небольших модулей. Каждый модуль занимает область, приблизительно соответствующую квадрату размером 500 х 500 микрон. Предполагалось, что модуль демонстрирует весь набор операций, которые реализуются на уровне зрительной коры. Это операции кодирования всех возможных ориентаций и всех возможных пространственных частот, обеспечиваемые соответствующими областями зрительной коры. Предложенная модель основана на следующих принципах организации коры:

  1. Принцип оппонентности клеток. В соответствии с этим принципом в состав нейронных цепей входят оппонентные нейроны, кодирующие комплементарные (оппонентные) характеристики входящей информации. Примером оппонентных нейронов могут считаться отдельные ON- и OFF-каналы ретино-геникулярно-стриатной системы. Эти нейроны избирательно активируются в ответ на противоположные свойства зрительного образа: яркость кодируется ON-клетками, а темнота — OFF-клетками.
  2. Принцип совокупности. В соответствии с этим принципом клетки с одинаковыми характеристиками объединяются. Примером этого являются соматосенсорная, слуховая и зрительная кора. На уровне стриарной коры пластины глазодоминантности имеют форму параллельных полосок, а пластины пространственной частоты структурированы в форме спиц в колесе.
  3. Принцип канонической кортикальной цепи. Одна и та же область коры (например, первичная зрительная кора) характеризуется одинаковой структурой микросвязей (цепей нейронов). В большинстве кортикальных областей некоторые из компонент и типов связей доминируют над остальными. Они складываются в так называемую каноническую кортикальную цепь (рис.4).
  4. Модульный принцип. Данный принцип подразумевает разделение кортикальных областей на модули с одинаковой внутренней организацией. В 1974 году Хьюбел и Визель первыми представили концепцию гиперколонок, которые являются функциональными единицами зрительной коры.

Принимая во внимание представленные выше принципы, мы сформулировали представление о базовой архитектуре канонического кортикального модуля первичной зрительной коры. Можно заметить, что данные принципы не предлагают однозначного и единственного решения проблемы кортикальной организации. Вполне вероятно, что разные отделы зрительной коры (ПБ 17—19) и организованы по-разному, что позволяет им лучше выполнять свои специфические функции. Одно из возможных решений представлено на рис.6.

Позвольте перейти к описанию основных операций, выполняемых каноническим кортикальным модулем (рис.6). Пусть сигнал, поступающий на сетчатку, описывается функцией s(x, у). В соответствии с принципом оппонентности клеток на уровне таламуса приходящая от сетчатки информация кодируется на уровне двух каналов оппонентных клеток. Для упрощения дальнейших вычислений, введем новую переменную: S(x, у) = s(x, у) – saverage, где saverage это средний уровень освещенности светового потока, попадающего на сетчатку. Функция S(x, у) отображает отклонение активности локального входа (локального участка сетчатки) s от среднего уровня фоновой активности SaverageТогда канал ON-клеток кодирует S(x, у), если S(x, у) > 0. При локальном снижении S(x, у), активируются OFF-клетки, т.е. происходит кодирование |S(x, у)|= -|S(x, у)|, если S(x, у) < 0193.

Далее предположим, что на таламическом уровне ON- и OFF-клетки распределены одинаково и расположены в разных слоях.

Канонический кортикальный модуль
Рис.6. Канонический кортикальный модуль

А. Слои канонического кортикального модуля. С — сетчатка, LGB — латеральное коленчатое тело таламуса, In1...ln4 — слои тормозных нейронов коры, S1...S4 — слои простых клеток коры, С — слой сложных клеток. Б. Распределение ON- и OFF-клеток в тормозном слове канонического кортикального модуля в виде паттерна «спиц в колесе». Белый цвет паттерна отображает расположение нейронов, получающих входы по ON-каналу. Черным цветом отображается положение нейронов, получающих входы по OFF-каналу. При появлении светового пятна активируются ON-клетки. OFF-клетки отвечают активацией на предъявление темных пятен изображения.

Тогда, в соответствии с принципом совокупности эфференты ON- и OFF-клеток конвергируются на уровне тормозного слоя коры, формируя специфические мозаики. Теоретически возможно существование многих разных типов мозаик проекций ON- и OFF-клеток. Из всех вероятных пространственных паттернов мы опишем паттерн «спиц в колесе» (рис.6, справа).

В соответствии с принципом канонической кортикальной цепи возбуждающие клетки кортикального слоя простых клеток получают прямые позитивные входы от таламических нейронов и тормозные входы от тормозных клеток коры. Мы создали имитационную модель, состоящую из четырех слоев тормозных нейронов, активность которых смещена относительно друг друга на величину π/2. Плотность распределения тормозных нейронов каждого их четырех слоев Ini (I = 1, …, 4) можно представить следующим образом:

nIn(i)on=1 – sin(ωψ +πi/2)

nIn(i)off=1 + sin(ωψ +πi/2(1)

где ω — циклическая частота, определяющая число секторов мозаики; ψ — полярный угол тормозного нейрона на уровне слоя In.

Каждый модуль содержит четыре слоя простых кортикальных нейронов (Si I=1,4) и один слой сложных нейронов (С). На уровне слоя сложных клеток интегрируются входы соответствующих простых клеток слоев простых клеток. Слой сложных клеток считается эфферентным слоем канонического кортикального модуля.

Фильтрация Габора в каноническом кортикальном модуле

Мы не будем приводить здесь все произведенные математические преобразования. Математически образованные читатели без труда смогут вывести конечную формулу информации, поступающей от сетчатки. Использование этой формулы позволяет определить пространственную частоту и ориентационные характеристики сложных нейронов, расположенных в разных частях модуля. В частности, эти характеристики представлены на рис.7, из которого видно, что канонический кортикальный модуль выполняет частотно-пространственное разложение входящего сигнала. При этом разные частоты и ориентации отображаются в разных, отделенных пространственно областях модуля.

Пространственная частота и селективность ориентации сложных клеток канонического кортикального модуля
Рис.7. Пространственная частота и селективность ориентации сложных клеток канонического кортикального модуля

Кодирование текстуры в каноническом кортикальном модуле

Модель канонического кортикального модуля может применяться в различных практических приложениях компьютерного распознавания образов. Одно из вероятных свойств модели заключается в использовании алгоритма локального разложения Габора при обработке текстур входящего сигнала. В серии проводимых нами компьютерных симуляций для тестирования разработанной модели в качестве входящих сигналов были использованы разные текстуры. При этом анализировались ответы сложных нейронов (рис.8): разным текстурам (значительно перекрывающимся на входе) соответствовали активации разных неперекрывающихся областей канонического кортикального модуля.

Кодирование текстуры в каноническом кортикальном модуле
Рис.8. Кодирование текстуры в каноническом кортикальном модуле

А. Предъявляемая на входе текстура. Б. Результирующая активность слоя сложных клеток канонического кортикального модуля в ответ на соответствующую текстуру.

Из сказанного выше можно заключить, что нейронные сети со сложными паттернами процессов торможения и возбуждения могут выполнять сложную пространственную фильтрацию входящих сигналов. Кроме того, если на входе разные элементы информации входящего сигнала могут накладываться друг на друга, то на выходе будут наблюдаться неперекрывающиеся паттерны активности. На уровне зрительной коры локальное разложение Габора зрительных образов выполняется небольшими модулями (размером 500 х 500 микрон).

Иерархическая организация

Информационные потоки коры головного мозга иерархически организованы. В частности, при рассматривании поведенчески значимого зрительного объекта сенсорная информация распространяется по иерархически организованной кортикальной системе — от первичных сенсорных (низших) областей к высшим областям. Латентности нейронных ответов на разных уровнях иерархии зрительной системы экспериментально оценивались в исследованиях на обезьянах. В частности, в исследовании Метью Смоленски и др. из Университета Юты (Schmolesky et al., 1998), проводимого на большом количестве приматов, были выявлены латентности ответов зрительных областей коры. Так, было продемонстрировано отличие латентностей ответов структур, входящих в состав двух основных путей обработки информации зрительной системой. Нейроны дорсального пути, берущего начало от магноцеллюлярных слоев коленчатого тела таламуса, преимущественно вовлекаются в обеспечение восприятия пространственных отношений и движения и характеризуются меньшими значениями времени реакции. Нейроны вентрального пути, берущего начало от парвоцеллюлярных слоев коленчатого тела таламуса, преимущественно кодируют цвета объекта и обеспечивают распознание. Ответы этих нейронов характеризуются большей латентностью по сравнению с нейронами дорсального пути.

Прямые и обратные связи

На уровне иерархически организованных дорсального и вентрального путей помимо прямых синаптических связей, которые обеспечивают распространение информации в восходящем направлении, существуют и обратные, обеспечивающие возвращение информации, т.е. распространение в нисходящем направлении. Прямые и обратные связи берут начало и терминируются в разных слоях коры (рис.9).

Прямые связи между низшими и высшими областями коры образуются аксонами пирамидных клеток. Преимущественно проекции оканчиваются на IV слое коры иерархически высшей области (аналогично таламическим проекциям). Основными мишенями проекций прямых связей являются шиловидные и звездчатые нейроны, которые, в свою очередь, иннервируют базальные области дендритного древа пирамидных нейронов на уровне II и III слоя коры.

Аксоны пирамидных нейронов V и VI слоев коры иерархически высшей области дают начало обратным связям. В основном эти проекции оканчиваются в I и VI слоях иерархически низших областей коры и подкорковых структурах (базальные ганглии). Главными мишенями обратных связей являются апикальные дендриты (располагаются в I слое коры) нейронов II, III и V кортикальных слоев.

Таким образом, связь разных областей коры преимущественно носит реципрокный характер благодаря прямым и обратным связям. Такой тип связи (согласно Edelman, 1987) также принято называть возвратным паттерном. Несмотря на то что о существовании обратных связей было известно еще на ранних этапах развития нейрофизиологии, их функциональный смысл до сих пор окончательно не ясен. Известно множество спекуляций относительно роли обратных связей. В соответствии с одним из предположений нисходящие связи важны для осуществления процессов внимания и рабочей памяти. Другое мнение указывает на особую роль обратных связей в системе зрительных проводящих путей, а именно в обеспечении усиления контраста и выделения объекта из фона.

Прямые и обратные связи коры
Рис.9. Прямые и обратные связи коры

Слева и справа — низшие и высшие области коры соответственно. Числа обозначают соответствующие слои коры. Прямые связи обозначены тонкими линиями. Обратные связи обозначены толстыми линиями. 

ВП-проявления возвратных связей

Латентный период ответа нейронов зрительной коры обезьян варьирует от 76 до 110 мс, в зависимости от локализации. У человека аналогичные значения пиковой латентности компонент зрительных ВП больше. На рис.10 представлены независимые компоненты ВП (и изображения плотности распределения их источников, полученные методом томографии малого разрешения — sLORETA), зарегистрированных у здоровых взрослых испытуемых (из HBI базы данных) в ответ на предъявление нерелевантных зрительных стимулов. На рис.10 латентности пиков усредненных нейронных ответов зрительной коры обезьян на презентацию зрительного стимула приведены в овалах. Хотя сравниваемые результаты были получены на разных группах (люди и приматы) и с применением разных методик (регистрация импульсной активности отдельных нейронов у обезьян и использование метода независимых компонент у человека), с дидактической точки зрения такое сравнение представляется полезным. Во-первых, можно заметить, что независимая компонента ВП является суммой негативных и позитивных флуктуаций, отражающих последовательную генерацию возбуждающих и тормозных постсинаптических потенциалов коры. Полярность компонент при этом зависит от трех факторов: 1) тип постсинаптического потенциала (возбуждающий или тормозной), доминирующего в данный момент времени; 2) локализация; 3) ориентация активной области коры, генерирующей определенные компоненты; 4) слой коры, в котором генерируются постсинаптические потенциалы. Несмотря на то что эти факторы тяжело поддаются оценке, существует соблазн рассматривать позитивные компоненты зрительных ВП как отражение возбуждающих постсинаптических потенциалов и аналогично негативные компоненты ассоциировать с тормозными постсинаптическими потенциалами. Во-вторых, по ВП сложно судить о латентности появления компонент, поскольку мы можем оперировать только пиковыми латентностями, которые могут быть больше по сравнению с усредненной латентностью реакций импульсной активности. И наконец, самое важное — негативные компоненты ВП действительно отражают различия в скоростях информационного потока вентрального и дорсального пути (дорсальный путь «быстрее» вентрального).

Нейротрансмиттеры и нейромодуляторы

Быстрые трансмиттеры

Основу процессов обработки информации мозгом составляет преобразование импульсной активности пресинаптического нейрона в более медленный мембранный потенциал постсинаптического нейрона. В свою очередь, информационные процессы могут быть подразделены на два класса операций нейронных сетей: информационный поток и информационная модуляция. Реализация этих операций обеспечивается с помощью нейромедиаторов двух разных классов: медиаторов быстрого и медленного действия. Они выполняют разную функциональную роль в обеспечении процессов обработки информации.

Латентности иерархически организованного процесса обработки информации зрительной корой
Рис.10. Латентности иерархически организованного процесса обработки информации зрительной корой

В середине — схематическое изображение дорсального и вентрального путей обработки информации в зрительной системе со средними значениями латентностей нейрональных ответов на предъявление зрительных стимулов (в мс). Усредненные данные о латентности ответов получены в исследованиях на обезьянах, проводимых Мэтью Смоленски (Schmolesky et al., 1998). Значения латентностей расположены в овалах рядом с соответствующими таламическими или кортикальными структурами. Для сравнения представлены также локализация генераторов компонент, вычисленная с помощью метода томографии низкого разрешения (sUDRETA), и графики временной динамики независимых компонент. Независимые компоненты рассчитывались на массиве из 576 ВП-данных, зарегистрированных у испытуемых при предъявлении второго стимула Р-Р пробы двухстимульной GO/NOGO-парадигмы. Пиковые латентности основных флуктуаций амплитуды ЭЭГ — под соответствующими компонентами.

Нейротрансмиттеры и нейромедиаторы
Рис.11. Нейротрансмиттеры и нейромедиаторы

А. Схематически представлено действие двух типов нейромедиаторов. В обоих случаях высвобождение медиатора в синаптическую щель вызывается спайном, приходящим на пресинаптическую терминаль. Как нейротрансмиттер, так и нейромодулятор действуют на соответствующие каналы мембраны, что приводит к их открытию. При этом действие нейромедиатора по времени более длительно по сравнению с нейротрансмитерром. Б. График временной динамики постсинаптических потенциалов, индуцируемых нейротрансмиттером и нейромедиатором. Обозначения: ПСП — постсинаптический потенциал.

Информационные потоки поддерживаются быстрыми медиаторами (рис.11). Благодаря тому что эти медиаторы могут за несколько миллисекунд связываться с соответствующими рецепторами мембраны постсинаптических нейронов и передавать информацию, они называются нейротрансмиттерами. Обычно такие рецепторы являются лигандуправляемыми каналами и очень быстро открываются в ответ на пресинаптический сигнал. Так, спустя всего несколько миллисекунд после прихода сигнала на постсинаптическую терминаль нейротрансмиттер, связываясь с рецептором постсинаптической мембраны, регулирует ионный поток (открывая или закрывая канал). К классу быстродействующих медиаторов принадлежат глутамат и гамма-аминомасляная кислота.

Медленные модуляторы

Медиаторы, ответственные за информационную модуляцию, действуют медленнее по сравнению с нейротрансмитеррами (рис.11). Для того чтобы изменить мембранный потенциал постсинаптического нейрона, модуляторам требуется время порядка сотен миллисекунд или нескольких секунд. Функция этих медиаторов заключается в модуляции (медленном изменении) действия быстродействующих медиаторов. Действие нейромодуляторов по сравнению с нейротрансмиттерами может длиться долгое время (но при этом оно слабое), поскольку запускаемые ими каскадные реакции могут протекать в течение нескольких дней. К классу нейромодуляторов принадлежат: моноамины (норэпинефрин, дофамин и серотонин), ацетилхолин и нейропептиды.

Модуляторные системы

В мозге существует четыре модуляторные системы: холинергическая, норадренергическая, серотонинергическая и дофаминергическая. Модуляторные системы характеризуются общими признаками: 1) берут начало от относительно небольших отделов ствола мозга и базальных отделов переднего мозга; 2) проецируются на ретикулярное ядро таламуса; 3) обильно иннервируют кору, базальные ганглии, мозжечок и центры ствола мозга.

Холинергические и моноаминергические нейроны мозга формируют глобальные сети. Хотя такие нейроны происходят из достаточно локальных областей мозга, они занимают отделы спинного мозга, ствола мозга и базальных отделов конечного мозга (рис.12) и иннервируют кору и подкорковые структуры, моделируя информационные процессы. Нейроны работают как единая сеть, генерируя широко распространяющиеся паттерны активности совместно в фазах сна и бодрствования, настроения (радость и печаль), когнитивных состояний внимания и медитации.

Холинергические и моноаминергические нейроны мозга
Рис.12. Холинергические и моноаминергические нейроны мозга

Cледует обратить внимание на то, что кластеры нейронов организованы на всем протяжении от спинного мозга до базальных отделов конечного мозга. Проекции от этих сравнительно немногочисленных нейронных образований иннервируют весь мозг и все периферические мышцы, органы и железы. 

Холинергические нейроны сконцентрированно локализуются на уровне ядер среднего мозга, ядер базальных отделов переднего мозга и базальных ганглиев. Из септальной области холинергические нейроны проецируются в гиппокамп. Нейроны базальных отделов переднего мозга посылают проекции в ретикулярное ядро таламуса, орбитофронтальную и другие области коры. Считается, что холинергическая система играет ключевую роль в регуляции общей возбудимости и формировании памяти (активируя гиппокампальную систему). Ацетилхолин рассматривается как основной регулятор мощности гиппокампального тета-ритма, при этом предполагается, что причиной болезни Альцгеймера может являться гибель нейронов, продуцирующих ацетилхолин. Именно этим обусловлено использование препаратов, увеличивающих уровень продукции ацетилхолина мозгом (ингибиторы ацетилхолинэстеразы) в лечении нарушений памяти у пациентов пожилого возраста (при болезни Альцгеймера).

Большинство норадренергических нейронов локализуется на уровне ствола мозга в области голубого пятна. Нейроны голубого пятна проецируются в лобные области коры, через бета1-рецепторы, регулируя настроение. Проекции, для которых характерно преобладание альфа2-рецепторов, участвуют в модуляции процессов, связанных с вниманием и рабочей памятью. Норадренергические нейроны также имеют связи с лимбической корой (регуляция эмоций), мозжечком (регуляция моторных действий), кардиоваскулярными центрами среднего мозга (регуляция кровяного давления). Считается, что депрессия может быть обусловлена снижением продукции норадреналина и, наоборот, ее увеличение (относительно нормы) может приводить к мании.

Серотонинергические нейроны в основном локализуются в ядрах шва ствола мозга и иннервируют лобные отделы коры и структуры лимбической системы, обеспечивая регуляцию настроения и эмоций (тревожность и эмоции при боли). Серотонинергические нейроны ядер шва, иннервируя базальные ганглии, участвуют в модуляции движений, а также навязчивых состояний и действий. Проецируясь в гипоталамус, нейроны, продуцирующие серотонин, регулируют аппетит и пищевое поведение. Дополнительно, благодаря связям с центрами сна на уровне ствола мозга, модулируются состояния сна и бодрствования.

В дофаминергической системе мозга выделяют мезолимбический, мезокортикальный и нигростриарный проводящие пути. Дофаминергические нейроны черной субстанции в составе нигростриарного пути проецируются в базальные ганглии, которые играют определяющую роль в процессах выбора действий. Мезолимбический дофаминергический проводящий путь соединяет вентральную область покрышки ствола мозга с прилежащим ядром, которое, входя в состав базальных ганглиев, принимает участие в обеспечении работы лимбической системы и регулирует эмоциональное поведение — ощущение удовольствия, сильное чувство эйфории при употреблении наркотиков. Проекции мезокортикального дофаминергического пути, берущие начало от вентральной области покрышки ствола мозга, достигают дорсолатеральной префронтальной коры и поясной извилины (лимбической коры). Результатом фармакологических исследований, 1 доводившихся в течение 30 лет, явилось создание препаратов, способных изменять концентрацию дофамина в мозге человека. Было показано, что препараты, приводящие к увеличению концентрации дофамина, вызывают появление положительных психотических симптомов. Тогда как действие препаратов, снижающих концентрацию дофамина, проявляется в снижении выраженности этих симптомов. В частности, употребление веществ, характеризующихся стимулирующим действием (как, например, амфетамин или кокаин, увеличивающие уровень продукции дофамина), может вызвать параноидальный психоз, сравнимый с шизофренией. С другой стороны, все известные антипсихотические вещества (т.е. редуцирующие психотические симптомы) блокируют рецепторы дофамина. В частности, блокируются О2-рецепторы дофамина. Именно на этих представлениях и основана принимаемая многими специалистами теория психозов, известная как дофаминовая теория шизофрении.

Методы анализа вызванных потенциалов

Техника усреднения

Подавляющее большинство исследовательских парадигм, разработанных д ля изучения реакций мозга в ответ на стимулы или действия, подразумевают получение так называемых вызванных потенциалов, сигналов в форме волны, выделяемых из фоновой ЭЭГ посредством процедуры усреднения. Существует соблазн считать, что усреднение позволяет извлекать из фоновой ЭЭГ постоянный сигнал, связанный с мозговыми процессами обработки информации. Предполагается также, что фоновая ЭЭГ является физиологическим параметром, отражающим процессы модуляции работы мозга. На рис.13 представлены варианты записей ЭЭГ, сделанных в условиях последовательного предъявления двух видов стимулов в рамках GO/NOGO-парадигмы. Испытуемый был случайно отобран из нормативной базы. Отведение Fz выбрано не случайно, поскольку в лобных отведениях высокоамплитудный альфа-ритм фактически не наблюдается. Из рис.13 видно, что участки ЭЭГ практически не отличаются. Для выявления тонкой разницы между ними необходимо произвести усреднение большого количества таких фрагментов. Операция усреднения подразумевает суммирование паттернов ЭЭГ, синхронизированных с предъявлением стимула. Поскольку пробы не синхронизированы по времени с осцилляциями ЭЭГ и предъявляются случайно и независимо от фазы текущей ЭЭГ-активности, негативные и позитивные флуктуации в интервал времени, предшествующий появлению стимула, взаимно подавляются. В результате предстимульный интервал может приблизительно считаться прямой со средним значением потенциала, равным нулю.

Количество проб

После усреднения фрагментов ЭЭГ, соответствующих пробам одной категории, получается ВП, представляющий волну, состоящую из нескольких пиков положительной и отрицательной полярности (рис.13). Амплитуда пиков может варьировать в пределах от 1 до 15—20 мкВ в зависимости от задачи, испытуемого, его возраста и монтажа электродов. Следует напомнить, что средняя амплитуда ЭЭГ, зарегистрированной с электродов, располагающихся над задними областями коры, относительно ушных референтных электродов, у детей может быть около 70 мкВ, а у взрослых — около 50 мкВ. На рис.13 представлены фрагменты ЭЭГ и ВП здоровых женщин в возрасте 32 лет. Обращает на себя внимание тот факт, что амплитуда спонтанных осцилляций в Fz-отведении превосходит среднюю амплитуду компонент ВП.

Техника усреднения, используемая при вычислении ВП
Рис.13. Техника усреднения, используемая при вычислении ВП

Представлены фрагменты ЭЭГ, зарегистрированные при так называемых игнорируемых пробах двухстимульного GO/NOGO-теста (предъявления пары изображений типа «растение — растение», которое испытуемый должен игнорировать). А. Временная шкала пробы, обозначенной серым прямоугольником. Б. ВП, полученный в результате усреденния 100 проб. Вызванный потенциал, зарегистрированный в Fz-отведении, с высоким временным разрешением отображает паттерн нейрональной активности, вызванной предъявлением зрительного стимула. Для построения ВП из нормативной HBI базы данных были отобраны фрагменты ЭЭГ здоровых 32-летних женщин.

При построении ВП соотношение «сигнал — шум» от количества усредненных проб как квадратный корень из числа проб
Рис.14. При построении ВП соотношение «сигнал — шум» от количества усредненных проб как квадратный корень из числа проб

А. Топография компоненты ВП, зарегистрированного спустя 160 мс с момента предъявления стимула. Б. ВП, полученные при усреднении 5,10,20 и 100 проб. ЭЭГ регистрировалась с Fz-отведения на тех же здоровых испытуемых, что на рис.13.

Если флуктуации ЭЭГ до предъявления стимула считаются шумом, то усредненные ВП на интервале записи после начала предъявления стимула представляются сигналом. Интуитивно ясно, что уровень соотношения «сигнал — шум» зависит от количества усредняемых фрагментов ЭЭГ: чем больше проб усредняется, тем выше соотношение «сигнал — шум». Количество усредняемых проб, необходимое для достижения оптимального соотношения сигнала к шуму, зависит от амплитуды компонент ВП (сигнала) и амплитуды осцилляций фоновой ЭЭР. Более того, считается, что усреднение не оказывает влияния на сигнал (s), а отношение сигнала к шуму (s/n) увеличивается с возрастанием числа (N) усредняемых проб (рис.14). Теоретически можно доказать, что при определенных условиях отношение (s/n) увеличивается в л/N раз, где N — количество проб. Например, представьте эксперимент, в котором измеряется амплитуда компоненты РЗ, при этом реальная амплитуда компоненты составляет 20 мкВ. Если учесть, что амплитуда шума ЭЭГ-фрагмента одной пробы составляет 50 мкВ, нетрудно представить, что соотношение сигнала к шуму будет 20/50 или 0,4. Полученное значение соотношения s/n, следовательно, говорит о том, что шум превышает сигнал. Далее, если усреднить уже 5 проб, то соотношение изменится и будет составлять 2,2 (что не вполне удовлетворительно). Однако, усредняя 100 проб, мы в 10 раз увеличиваем сигнал относительно шума. Такая зависимость количества усредняемых проб и соотношения «сигнал — шум» представляется весьма необнадеживающей, поскольку достижение существенного усиления сигнала относительно шума требует очень большого количества проб для усреднения. Например, чтобы достичь разумного соотношения s/n для регистрации негативности рассогласования, амплитуда которой колеблется в пределах 1—4 мкВ, необходимо предъявить около 2000 стандартных и 200 девиантных стимулов.

Соотношение «сигнал — шум» зависит по крайней мере от трех факторов: 1) вариабельность фоновой спонтанной ЭЭГ активности (альфа-, бета-, тета-осцилляции); 2) изменения самого сигнала, обусловленные привыканием, флуктуациями уровня возбуждения и т.д.; 3) артефакты, не связанные с ЭЭГ-активностью (движения глаз, мышечная активность и т.д.). Для минимизации влияния первых двух факторов соответствующим образом подходят к организации тестового задания. Для борьбы с третьим фактором применяют методы коррекции артефактов.

Независимые компоненты ВП одной пробы

Считается общепринятым, что усредненные ВП могут быть представлены в виде набора отдельных компонент, генерируемых разными источниками коры. В случае если отношение сигнала к шуму недостаточно велико, теоретически существует возможность разложения фрагмента ЭЭГ одной пробы на отдельные компоненты. В нормативной HBI базе данных такая возможность предоставляется специальной вычислительной процедурой, в основе которой реализован алгоритм анализа независимых компонент. На рис.15 приведен результат применения этого алгоритма к анализу нескольких фрагментов ЭЭГ последовательно предъявляемых проб с разными стимулами GO/NOGO-теста. Для анализа был отобран тот же испытуемый, что и на рис.13.

Как видно из рис.13, на усредненном ВП выделяется индивидуальная P1/N2-компонента, которая может быть разложена на две отдельные компоненты, одна из которых генерируется в левой, а другая — в правой нижней височной доле (правая часть рис.15, на которой изображен результат применения томографии низкого разрешения). Следует упомянуть, что на обычном ВП максимальная амплитуда Р1/N2-компоненты составляет всего 2,3 мкВ (в Fz), однако применение метода независимых компонент позволило разложить ВП на две отдельные компоненты. Более того, эти две компоненты также могут выделяться и при анализе единичных проб (рис.15. в центре).

При использовании вышеуказанного метода выполняется определенная последовательность действий, описываемых ниже. Сначала с помощью метода независимых компонент (у одного испытуемого) анализируются фрагменты ЭЭГ в единичных пробах. Далее, используя топографии выявленных независимых компонент, с помощью метода томографии низкого разрешения (sLORETA) вычисляется локализация генераторов компонент.

Возможен и другой подход, при котором в первую очередь выполняется анализ независимых компонент для записи ЭЭГ, включающей весь временной интервал выполнения тестового задания (не синхронизированного с предъявлением стимула). В результате анализа выявляются компоненты, связанные с разными типами ЭЭГ-осцилляций (т.е. фронтальный срединный тета-ритм, затылочный и теменной альфа-ритм, мю-ритм). Далее, используя пространственные фильтры, сформированные на основе соответствующих топографических особенностей, выявляются компоненты ЭЭГ-активности. И наконец, для выявленных ритмов выполняется построение ВП.

Разложение фрагмента ЭЭГ одной пробы на независимые компоненты
Рис.15. Разложение фрагмента ЭЭГ одной пробы на независимые компоненты

Метод независимых компонент применялся к анализу ЭЭГ, регистрировавшейся у здоровых испытуемых при выполнении двухстимульного GO/NOGO-теста, ВП которых представлены на рис.13. В верхней и нижней части рисунка представлены две независимые компоненты, соответствующие Р1/N2-компоненте индивидуальных усредненных ВП. Слева — топографии и графики временной динамики компонент. В середине — вертикально уложенные тонкие горизонтальные окрашенные полосы, отображающие изменение во времени амплитуды компоненты отдельных проб. Всего представлено 400 проб. Справа — локализация генераторов компонент, вычисленная с помощью метода томографии низкого разрешения (sLORETA).

Проявление звона (ringing) альфа-ритма на ВП
Рис.16. Проявление звона (ringing) альфа-ритма на ВП

ЭЭГ регистрировалась у здорового испытуемого, характеризующегося альфа-ритмом ЭЭГ высокой амплитуды в теменной области. Испытуемый выполнял двухстимульный зрительный GO/NOGO-тест. Анализировались только пробы игнорируемого типа (т.е. «растение — растение»). Представлены ответы только на первые стимулы проб. Компоненты ЭЭГ (ритмы) выявлялись с помощью метода независимых компонент. А. Топография наиболее мощных компонент. Б. Локализация генератора теменной компоненты альфа-ритма (третьего из представленных), вычисленная с помощью метода томографии низкого разрешения (sLORETA). На основе топографии этой компоненты был получен пространственный фильтр, с помощью которого осуществлялась фильтрация фоновой ЭЭГ. В. ВП, полученный в результате стандартной процедуры усреднения. В предстимульном интервале ритмическая активность выражена слабо. Однако после предъявления стимула меняется фаза ритмической активности, что приводит к существенному увеличению амплитуды ВП.

Звон (ringing) альфа-ритма

Пример применения второго из упомянутых выше подходов проиллюстрирован на рис.16. В данном случае ЭЭГ регистрировалась в ситуации выполнения двухстимульного GO/NOGO-теста. С использованием метода независимых компонент были выявлены компоненты ЭЭГ. Следует оговориться, что эти выявляемые компоненты отличаются от тех, которые вычисляются для отдельных фрагментов ЭЭГ, синхронизированных с предъявлением стимула и соответствующих отдельным пробам. Топография и локализация генератора выявленных компонент (методом топографии низкого разрешения) свидетельствуют о теменном источнике этой компоненты. Далее проводилась фильтрация фоновой ЭЭГ с учетом выявленной компоненты и высчитывались ВП. Полученные ВП представлены на рис.16, где показано, что в предстимульном интервале усредненные флуктуации ЭЭГ весьма малы. С предъявлением зрительного стимула картина меняется — за счет вызванной стимулом регуляции фазы флуктуаций увеличивается амтитула ВП — эффект, получивший название «звон альфа-ритма». Похожий подход был предложен группой исследователей, возглавляемой Скоттом Макейгом из Калифорнийского университета Сан-Диего, США (Jung et al., 2001).

Анализ усредненных по группе ВП с помощью метода независимых компонент

Индивидуальный ВП отдельного испытуемого состоит из пиков положительной и отрицательной полярности. Усредненное значение амплитуды пика является отражением совокупности отдельных компонент. Предполагается, что эти компоненты генерируются в разных областях мозга и ассоциируются с определенными психологическими операциями (факторами). Следует, однако, отметить, что компоненты вовсе не обязательно связаны с позитивными и негативными пиками ВП.

Идея разложения ВП на отдельные компоненты эквивалентна идее редукции многомерных ВП до меньшего количества составляющих. Предполагается, что выявляемые потенциалы отображают различные психологические операции, реализуемые специализированными мозговыми структурами со специфической временной динамикой активности.

Первая попытка разложения ВП на компоненты была предпринята в 1970-х годах. Для этого использовался метод главных компонент. Метод главных компонент выявляет только ортогональные компоненты. Однако физиологически значимые компоненты не обязательно являются ортогональными. В 1980-х годах мы в нашей лаборатории довольно-таки безуспешно пытались использовать этот метод для анализа импульсной нейронной активности. Основную сложность составляла физиологическая интерпретация выделяемых компонент.

И только недавно был разработан метод, позволяющий успешно разрешить проблему разложения на компоненты. Решение этой задачи стало возможным с появлением метода независимых компонент (ICA).

Метод независимых компонент применяется в анализе усредненных по группе ВП с учетом следующих допущений: 1) линейный характер суммации электрических кортикальных токов, регистрируемых скальповыми электродами и связанных с разными психологическими операциями; 2) стабильное во времени пространственное распределение генераторов компонент; 3) временная независимость разных операций и, следовательно, их генераторов, активность которых регистрируется скальповыми электродами; 4) распределение потенциалов не является нормальным, т.е. не соответствует распределению Гаусса. Конечно, эти предположения сложно проверить экспериментально, и только на практике можно оценить корректность метода в целом. Тем более что опыт нашей работы не подтвердил необходимости выполнения четвертого условия (В.А. Пономарев). И до настоящего времени применение метода независимых компонент не только соответствовало всему набору экспериментальных данных, накопленному в предыдущих исследованиях, но и способствовало возникновению новых идей в представлении о принципах информационных мозговых процессов, исследуемых в лабораторных условиях. Кроме того, благодаря этому методу появились новые возможности в клинической диагностике с использованием регистрации электрической активности мозга.

Пример применения метода независимых компонент на массиве ВП, зарегистрированных у более 800 здоровых человек, представлен на рис.17. Независимые компоненты ВП приведены в столбце, сверху вниз, в зависимости от латентности пика максимальной амплитуды. Как видно из рис.17, только лишь несколько компонент, расположенных сверху, могут быть достаточно хорошо аппроксимированы эквивалентным единичным диполем (параметр RRE — относительная остаточная энергия — меньше 0,1 ). Выявлены следующие компоненты: 1) компонента, связанная с обработкой зрительной информации, которая генерируется в области затылочной коры (компонента 2 на рис.17); 2) компоненты, связанные с подавлением подготовленного моторного действия (компоненты 1 и 11). Остальные компоненты, по всей видимости, генерируются пространственно распределенной системой генераторов и не могут быть описаны единичными диполями.

На рис.18 вместо дипольных источников представлены паттерны, полученные с помощью томографии низкого пространственного разрешения (sLORETA). Пиковые латентности компонент отмечены вертикальными линиями, а числа обозначают значения ЛП соответствующих компонент. По рис.18 несложно проследить поток распространения информации по зрительной коре в условиях NOGO-стимула, который включает несколько этапов. Первый этап: активация зрительной коры в районе первичной зрительной области с латентным периодом 116 мс. Данная компонента отображает повторные возбуждения затылочной коры. Второй этап: спустя 144 мс с момента предъявления стимула активируется затылочно-височная область, входящая в состав вентрального проводящего пути зрительной информации. Третья компонента регистрируется непосредственно сразу после детекции изменения семантического значения стимула и ассоциируется с активацией левой премоторной области коры. Данная компонента отражает активацию нейронов, ответственных за подавление подготовленного движения. Четвертый этап: с латентным периодом 276 мс наблюдается активация в медиальной области теменной коры, которая соответствует традиционной Р3b-компоненте, отражающей операцию обновления содержимого рабочей памяти (в соответствии с Дончиным). Пятая компонента генерируется в медиальной префронтальной коре с латентностью 336 мс и ассоциируется с подавлением действия в целом. Данная компонента явно отличается от третьей компоненты, связанной с подавлением движения. И наконец, на уровне передней поясной извилины происходит конвергенция всей информации, касающейся текущего поведения, где рассогласование между ожидаемым действием (нажатие кнопки — ответ) и наличествующим (воздержание от нажатия кнопки — игнорирование) приводит к активации нейронов.

Метод независимых компонент в анализе усредненных по группе ВП
Рис.17. Метод независимых компонент в анализе усредненных по группе ВП

Независимые компоненты извлекались из массива состоящих из 800 индивидуальных ВП, полученных в условии NOGO, на второй стимул пробы (т.е. пара стимулов «животное — растение») двухстимульного GO/ NOGO-теста. Компоненты последовательно представлены в соответствии с латентностями максимальных пиков. В середине — вертикально уложенные тонкие горизонтальные окрашенные полосы, отображающие изменение во времени амплитуды соответствующих компонент индивидуальных ВП и их временную динамику. Справа — аппроксимация эквивалентным диполем представленных компонент. Качество аппроксимации отображено в показателе остаточной относительной энергии. Амплитудные шкалы расположены рядом с соответствующими изображениями.

Локализация генераторов независимых компонент, вычисляемая с помощью метода томографии низкого разрешения (sLORETA)
Рис.18. Локализация генераторов независимых компонент, вычисляемая с помощью метода томографии низкого разрешения (sLORETA)

Представлены независимые компоненты (те же, что и на рис.17), а также локализации их генераторов, полученные томографией малого разрешения. Названия областей коры, для которых фиксировалась максимальная плотность компонент ВП, представлены рядом с паттернами локализации источников компонент. Следует обратить внимание на поток распространения зрительной информации на протяжении от затылочной области коры до передней поясной извилины.

Вызванные потенциалы в фармакологических исследованиях

Основная идея фармакологического ЭЭГ-подхода заключается в использовании количественных показателей ЭЭГ для оценки изменений мозговой активности, вызываемой приемом фармацевтических препаратов. На протяжении последних 50 лет в многочисленных исследованиях было показано, что разные классы фармацевтических агентов по-разному влияют на пространственно-временные характеристики фоновой ЭЭГ. Вместе с тем индивидуальные профили чувствительности ЭЭГ к разным препаратам могут существенно перекрываться, что значительно снижает «размер эффекта» и автоматически делает невозможным применение такого подхода в клинической диагностике и лечении. Это является одним из множества препятствий, ограничивающих применение фармакологического ЭЭГ-подхода в клинической практике. Однако определенный оптимизм внушает использование метода независимых компонент в анализе ВП, который может наиболее эффективно оценивать функционирование мозговых систем и, следовательно, характеризоваться большим размером эффекта. Развитие этого нового, появившегося сравнительного недавно направления фармакологических ЭЭГ-исследований требует дальнейших исследований и экспериментальных проверок. Ниже мы представим методологию, которая может быть использована в рамках данного подхода.

Предлагаемый нами подход состоит из нескольких этапов. В первую очередь у репрезентативной группы здоровых испытуемых (норма) в условиях определенного тестового задания производится регистрация ВП. На втором папе с помощью метода независимых компонент осуществляется разложение на отдельные компоненты усредненных по группе испытуемых ВП. Выявляемые компоненты, генерируемые в разных областях коры, характеризуются разной динамикой временной активности и являются независимыми друг от друга. На третьем этапе пациенты выполняют тестовое задание то же самое тестовое задание, что и в контрольной группе, до и некоторое время спустя после фармакологического воздействия. На четвертом этапе с помощью пространственной фильтрации, основанной на топографии компонент, выявленных при анализе ВП испытуемых контрольной группы, производится разложение на компоненты ВП, зарегистрированных у пациентов. На следующем этапе до лечения у пациентов выявляются компоненты, отклоняющиеся от нормы. И наконец, оценивается влияние лечения на компоненты, которые до фармакологического воздействия отклонялись от нормы.

Результат применения предлагаемого нами подхода показан на рис.19, где представлены ВП ребенка (мальчика) с СНВГ. До лечения у пациента наблюдалось избирательное отклонение от нормы в амплитуде N1/Р2-компоненты слухового ВП. Данная компонента регистрировалась на ВП, получаемых в ответ на второй стимул предъявляемой пары (растение, человек + новый звуковой стимул) и, как предполагается, отражала эффект новизны — ответ мозга на неожиданный новый стимул. Как видно из рис.19, спустя час после приемы риталина N/N1/Р2-компонента этого пациента почти достигла нормальных значений.

ВП в фармакологических исследованиях
Рис.19. ВП в фармакологических исследованиях

А. Компонента новизны, или N1/Р2-компонента (тонкая линия), полученная при построении ВП ребенка (мальчика) с СНВГ, до и спустя 1 час после принятия риталина в сравнении с независимой компонентой, вычисленной из массива ВП-данных группы здоровых испытуемых (толстая линия). А. Разностная волна (пунктирная линия), полученная в результате сравнения компоненты новизны пациента и компоненты, полученной на группе здоровых испытуемых. Б. Топограммы отношения спектральной мощности тета- и бета-ритмов, вычисленные у группы нормальных испытуемых и у пациента до и после принятия риталина.

Поведенческие парадигмы

Классификация парадигм

Ниже мы собираемся представить короткие описания некоторых тестовых задач, которые применяются в исследованиях ВП. Все задачи подразделяются на две категории. Конечно, перечень тестовых задач не является полным (табл. 1), но позволяет сформировать представление о попытках, предпринимавшихся с целью анализа этапов процессов переработки информации, протекающих на уровне разных систем мозга.

Тестовые задания для исследования информационных процессов мозга
Тестовые задания для исследования информационных процессов мозга
Тестовые задания для исследования информационных процессов мозга
Тестовые задания для исследования информационных процессов мозга (продолжение)

Сенсорные системы и система внимания

Oddball-парадигма

В рамках данной парадигмы последовательно и случайно предъявляются стимулы двух типов. Вероятности предъявления стандартных (St) и девиантных (Dev) стимулов существенно отличаются: стандартные стимулы предъявляются намного чаще. Обычно стандартные стимулы предъявляются в 90 % случаев, а девиантные, соответственно, составляют 10 % от общего количества стимулов. Девиантные стимулы «нетипичны» («oddball»), поэтому исследовательская парадигма получила название oddball-парадигмы. Стимулы воспринимаются в достаточно монотонном режиме за счет коротких межстимульных интервалов. При такой организации предъявления получается, что время от времени стандартные стимулы «заменяются» девиантными и прерывается монотонность стимуляции. Обычно отличие между стандартными и девиантными стимулами относительно невелико и затрагивает одну из характеристик. Например, в слуховой модальности стандартными стимулами могут быть тоны частотой 1000 Гц и длительностью 100 мс. Девиантными же стимулами могут быть тоны той же длительности, но частотой в 1100 Гц. Стандартным стимулом в зрительной модальности может быть цифра 6, а девиантным — цифра 9. Межстимульный интервал обычно составляет около 1 с, и в одних исследованиях стабилен, а в других может варьировать.

Oddball-парадигма принадлежит к разновидности «активных» парадигм, т.е. от испытуемого требуется реагировать на предъявление девиантного стимула. Это может быть нажатие кнопки мыши или счет (в уме) количества девиантных стимулов. В слуховой модальности, однако, обычно применяется пассивная модификация теста, когда на фоне предъявления испытуемые инструктируются выполнять другую задачу, как, например, просмотр видеоклипов или чтение книги. Такая модификация тестового задания является наиболее благоприятной для регистрации негативности рассогласования — небольшая компонента ВП, которая представляет собой дополнительную негативную компоненту (относительно ВП при стандартном стимуле); регистрируемую в области Fz.

Oddball-парадигма с новыми стимулами

Данная парадигма является успешно применяемой разновидностью oddball парадигмы, по сравнению с которой в тестовую задачу вводится дополнительный вид стимулов, а именно новые стимулы (Nov). В силу того что новые стимулы являются достаточно уникальными (например, звон ключей, лай собаки и т.д.), они предъявляются с целью переключения внимания испытуемого. Существует также активная и пассивная модификации тестовых шданий. В пассивной модификации выполняется другая задача, а в активной испытуемые реагируют определенным действием на девиантный стимул. В рамках активной модификации парадигмы обычно регистрируется две РЗ-компоненты: РЗа-компонента, генерируемая в ответ на появление нового стимула, и Р3b-компонента, наблюдаемая при предъявлении целевого стимула (т.е. девиантного стимула, требующего определенных действий).

Парадигма пространственного селективного внимания

Общая методология парадигмы исследования селективного внимания заключается в одновременном предъявлении двух разных потоков стимуляции, характеризующихся разной пространственной локализацией. При этом стимулы двух потоков отличаются между собой одним из своих базовых свойств. Внимание испытуемого избирательно направляется на один из источников стимуляции. Достаточно простым вариантом тестового задания в рамках парадигмы пространственного селективного внимания в слуховой модальности является тест дихотического прослушивания. Тест дихотического прослушивания был создан в 1950-х годах для исследования известного «эффекта вечеринки». Одним из вариантов этого теста является одновременное предъявление в правое и левое ухо речевых стимулов (речь, разговор) с концентрацией внимания на одном из слуховых каналов. В ВП-исследованиях в каждое ухо независимо посылаются две разные последовательности стандартных и девиантных звуковых стимулов. Тест дихотического прослушивания является активным, т.е. испытуемый при предъявлении девиантного стимула в одном из слуховых каналов (на котором сконцентрировано внимание) выполняет определенное действие (например, нажатие кнопки). На протяжении исследования в соответствующих отдельных исследовательских сессиях внимание фокусируется то на правом, то на левом ухе. Для каждого уха рассчитывается разностный ВП, получаемый при вычислении разности ВП на стандартные стимулы двух типов: когда внимание сконцентрировано на данном канале и когда нет. Выявляемый разностный ВП ассоциируется с процессами селективного внимания для разных пространственных локализаций. В слуховой модальности такой разностный потенциал является отрицательным по полярности и поэтому называется «процессной негативностью».

Аналогично тесту с дихотическим прослушиванием достаточно несложно создать зрительный аналог такого тестового задания. Для этого необходимо предъявлять зрительные стимулы в двух разных областях зрительного поля (в правой и левой части) и инструктировать испытуемого концентрировать внимание на одной из них в каждой отдельной сессии.

Парадигма пространственной сигнализации

Данная парадигма была создана с целью изучения процессов селективного пространственного внимания. Суть ее заключается в том, что перед целевыми стимулами предъявляются сигнальные. Существует два вида сигнальных стимулов: одни стимулы корректно указывают место в зрительном поле (пространстве), в котором появляется целевой стимул, а другие нет. Наблюдаемая разница во времени реакции ответов на целевой стимул, предваряемый валидным и невалидным сигнальным стимулом (так называемый эффект валидности), как считается, отражает процессы пространственного внимания, управляемые сигнальными стимулами. Примером тестовой задачи такого вида является тест Познера: испытуемые концентрируются на центральной точке зрительного поля и должны детектировать быстро возникающие на периферии зрительные стимулы. Эти целевые стимулы предъявляются после направляющего внимание сигнального стимула (к центру или периферии зрительного поля) в течение нескольких сотен миллисекунд. Время реакции в пробах с корректными сигнальными стимулами короче по сравнению с пробами, в которых сигнальный стимул неверно указывает место появления целевого стимула. Выявляемая разница во времени реакции между пробами двух видов ассоциируется с процессами пространственного внимания к определенной указываемой области пространства388.

Тестовые задания на непространственное селективное внимание

Непространственное селективное внимание может быть исследовано в условиях последовательного предъявления стимулов, отличающихся по одному из параметров (например, цвет, направление движения и т.д.). В зрительной модальности целевые стимулы (т.е. стимулы, на которые стоит обращать внимание) могут быть синего цвета, а стимулы желтого цвета должны игнорироваться. Зарегистрировав ВП на целевые и игнорируемые стимулы, высчитывают разностный потенциал между двумя типами ВП, который характеризует эффект селективного внимания к стимулу определенного цвета. Такие компоненты разностных ВП традиционно называют негативностью селекции.

Исполнительные функции

Парадигма отсроченного сравнения с образцом

Для исследования процессов рабочей памяти, связанных с операциями кодирования, удержания и воспроизведения информации, часто применяется парадигма отсроченного сравнения. Первым предъявляется тестовый стимул, после которого следует пауза и появляется стимул-проба, а испытуемый должен решить (и должным образом отреагировать), соответствует пробный стимул тестовому или нет.

N-обратная задача

В условиях данного тестового задания испытуемый должен определить наличие или отсутствие соответствия между стимулом-пробой и стимулом, предъявлявшимся ранее, некоторое количество стимулов (N) до него. Таким образом, появляется возможность манипулировать нагрузкой на память: нагрузка увеличивается с увеличением N. В этих условиях испытуемый сталкивается с двойной задачей: кодировать стимул-пробу и сравнить его с предыдущим стимулом, который предъявлялся на N стимулов раньше.

Парадигма пространственной сигнализации

Тестовые задания в рамках данной парадигмы построены таким образом, чтобы исследовать процессы, связанные с операциями мониторинга на уровне исполнительной системы мозга. Считается, что ключевой областью мозговой системы, ответственной за процессы детекции конфликта, является передняя поясная извилина. Множество тестовых задач с конфликтными условиями характеризуются активациями в этой области мозга. Известный тест Струпа является примером такой задачи. Этот тест был разработан в 1935 году аспирантом Дж.Р. Струпом и стал одним из наиболее популярных исследовательских тестов в когнитивной психологии. В данном тесте перед испытуемым ставится задача как можно быстрее называть цвет последовательно предъявляемых слов. В случае, когда цвет чернил слова соответствует его значению, поставленная задача выполняется достаточно легко. Однако, если слово (скажем, зеленый) написано, например, чернилами красного цвета, то репрезентации значения слова и цвета будут конфликтовать между собой. Поведенчески такой конфликт будет выражаться в увеличении времени реакции и количества совершаемых ошибок.

Другим вариантом тестового задания в рамках парадигмы мониторинга конфликта является фланговый тест Эриксона, который широко применяется в ВП-исследованиях «негативности, связанной с ошибкой». Тест Эриксона был разработан в 1979 году (Eriksen, Eriksen, 1979) и выглядит следующим образом: вслед за предупреждающим стимулом следует предъявление одной из четырех последовательностей букв (ННННН, HHSHH, SSHSS или SSSSS). Испытуемый должен как можно быстрее и точнее реагировать на центрально расположенную букву, например нажимать на кнопку указательным пальцем левой руки в случае буквы Н и правой руки при S.

Парадигма GO/NOGO

Базовой идеей настоящей парадигмы является создание условий для исследования одной из операций исполнительной системы мозга — подавления действия. Таким образом, в рамках GO/ NOGO-парадигмы предполагается, что испытуемый готовится совершить действие (GO) в каждой пробе, но в некоторых из них должен подавить подготовленное действие (NOGO). Следует отметить, что в oddball-парадигме при одних стимулах необходимо действовать, а при других воздерживаться от реакции, но низкая вероятность появления девиантных стимулов и короткие межстимульные интервалы не позволяют подготовить действие к каждому стимулу. Таким образом, стандартные стимулы в oddball-парадигме формируют фон, а девиантные стимулы (GO) появляются достаточно редко. По сравнению с условиями oddball-парадигмы GO/NOGO-парадигма создает условия, характеризующиеся большими межстимульными интервалами и высокой вероятностью предъявления GO-стимулов.

В простом варианте GO/NOGO-теста в случайном порядке последовательно предъявляются стимулы двух видов (например, красного и зеленого цвета). Межстимульный интервал составляет 2 секунды, а вероятности появления каждого из стимулов одинаковы. В задачу испытуемого входит нажимать кнопку мыши в случае предъявления одного из стимулов, называемых GO-стимулом (это может быть, например, стимул зеленого цвета), и воздерживаться от нажатия при стимуле красного цвета (N OGO-стимул).

Существуют и другие модификации тестовых заданий в рамках GO/ NOGO-парадигмы. В частности, в «С-Х» варианте GO/NOGO-теста испытуемым предъявляются последовательности букв. В 20 % случаев появляется буква «С», за которой в 50 % случаев следует буква «X», а в остальных — другие буквы (R, V, Т и т.д.). В случае «С-Х» последовательности (NOGO-стимулы) испытуемые должны подавлять ответы. При остальных комбинациях требуется нажатие кнопки (C-R, C-V и т.д., т.е. GO-стимулы).

Другая версия GO/NOGO-парадигмы (так называемый стоп-сигнал тест) подразумевает предъявление проб, начинающихся или с буквы А, или с В, в каждой из которой испытуемый выполняет тест на время реакции двойного выбора, нажимая соответствующую кнопку при определенном стимуле, с которого начинается проба. В 25 % проб после стимула А или В через определенный интервал времени, варьирующий от 200 до 400 мс (интервал стоп-сигнала), предъявляется стоп-сигнал (буква S), информирующий испытуемого о необходимости воздержаться от нажатия кнопки. Известно, что здоровым испытуемым проще подавить действие, если межстимульный интервал колеблется в пределах 200—400 мс. При увеличении этого интервала до 400—600 мс подавление действия существенно усложняется, что приводит к значительному снижению вероятности воздержания от реакции. Для того чтобы графически измерить контроль подавления действий, достаточно по оси ординат отобразить вероятность подавления, а по оси абсцисс — временной интервал появления стоп-сигнала.

Двухстимульный GO/NOGO также является подтипом основной GO/NOGO-парадигмы. Суть теста заключается в таком предъявлении пар стимулов, которое позволило бы испытуемому непроизвольно быть готовым к реализации действия после первого стимула в последовательности из двух стимулов и как можно быстрее реагировать в ответ на предъявление второго. Существует два варианта данного исследовательского теста. В одном случае первый стимул пробы выполняет функцию обычного предупреждающего стимула. В другой модификации по первому стимулу для испытуемого становится ясно, следует реагировать на второй стимул или нет. Второй вариант двухстимульного теста в GO/NOGO-парадигме был специально разработан для наших исследований и использовался при создании нормативной HBI базы данных.

Аффективная система

Тестовые задания, создаваемые для исследования аффективной системы мозга, обычно формируют условия для возникновения двух основных типов эмоций: радости и грусти. Для индукции этих эмоций используются две категории эмоционально значимых стимулов — предъявления изображений соответствующих эмоций и ситуаций. Это могут быть изображения грустных и радостных лиц людей, эмоционально значимых сцен человеческой жизни. Следует принять во внимание тот факт, что для генерации и выражения эмоций необходимо некоторое время. Следовательно, предполагается, что межстимульный интервал должен быть достаточно большим. Более того, эмоции крайне субъективны: одни и те же изображения у одних испытуемых могут вызывать положительные эмоции, а у других — отрицательные. Поэтому стимулы должны подбираться с учетом индивидуальных особенностей. Парадигма провокации настроения удовлетворяет всем указанным выше требованиям.

Парадигма провокации настроения. Тестовая задача, сформированная в рамках данной парадигмы, базируется на двух допущениях: 1) все люди разные, и если у одних определенные ситуации могут приводить к возникновению положительных эмоций, то у других они же могут вовсе не вызывать эмоций или даже приводить к негативным переживаниям; 2) восприятие как эмоциональной экспрессии других людей, так и различных событий жизни сильно зависит от текущего фонового эмоционального состояния субъекта. И действительно, из собственного опыта мы знаем, что, будучи в плохом расположении духа, все происходящее воспринимаем в серых тонах. Наоборот, в приподнятом настроении все проблемы «кажутся столь далекими». Более того, переход от одного настроения к другому требует определенного времени. В тестовых условиях испытуемым предлагается пройти опрос, касающийся их собственной жизни. В частности, просят вспомнить по пять жизненных ситуаций (историй) каждого эмоционального типа (позитивную, негативную, нейтральную), сопровождавшихся либо соответствующими эмоциональными переживаниями радости, грусти, либо их отсутствием. Далее формируют так называемое напоминание длительностью около 8 секунд, которое предъявляется перед презентацией изображения лица с определенной эмоцией. Напоминание может выглядеть следующим образом: «С помощью предъявляемого изображения грустного лица вспомните свои переживания, когда на похоронах вашего отца плакала мама». Изображения лиц с выражением разных эмоций (например, 100% радостное, грустное или нейтральное) выбираются из стандартизованных специализированных наборов (Ekman and Friesen, 1976). Испытуемые участвуют в двух 6-минутных сессиях, в рамках которых предъявляется по десять 36-секундных блоков эмоционально значимых и нейтральных стимулов. Последовательность блоков в каждой сессии, как и самих сессий, обычно рандомизирована и уравновешена по всем испытуемым.

Эпизодическая память

Парадигма старого — нового. За день до исследования испытуемым предъявляется список слов, которые необходимо запомнить. Предполагается, что в течение ночи они консолидируются в эпизодической памяти. В день исследования испытуемым предъявляются слова из предварительно показанного списка (т.е. «старые») и слова, не вошедшие в него («новые»). ВП, зарегистрированные в ответ на «старые» и «новые» слова, вычитаются друг из друга, получаемый разностный потенциал характеризует так называемый эффект старого — нового.

Практика

Введение

Основная идея спектрального анализа заключается в разложении ЭЭГ на простые компоненты — синусоидальные волны. Как было показано в ч. 1, осцилляции разных частотных диапазонов отражают разные режимы саморегуляции коры. Для разложения фоновой ЭЭГ на простые компоненты используется быстрое преобразование Фурье, вейвлет-преобразование и метод независимых компонент. В настоящей главе мы представим также основные методы анализа вызванных потенциалов, которые представляют несколько иной способ наблюдения за активностью мозга по сравнению с анализом длительной ЭЭГ. Если ВП отображают этапы информационных процессов, протекающих на уровне нейронных сетей, то фоновая ЭЭГ отражает модуляцию потоков информации. Несмотря на столь качественное различие, основные идеи анализа ВП и ЭЭГ-данных сопоставимы. Анализ ВП заключается в разложении на простые составляющие элементы — независимые компоненты, каждая из которых отражает специфические операции процессов обработки информации мозгом.

Методы вычисления и обработки вызванных потенциалов могут быть подразделены на следующие этапы: 1) организация психологических задач; 2) предварительная обработка ЭЭГ, как, например, установка монтажа электродов, коррекция и устранение артефактов; 3) применение метода независимых компонент к набору единичных проб одного испытуемого; 4) усреднение фрагментов ЭЭГ-проб разных категорий индивидуально для каждого испытуемого; 5) размещение получаемых ВП заданной группы испытуемых или пациентов во встроенную базу данных для обеспечения возможности их дальнейшего анализа: усреднения ВП по группе выделенных исследований или анализа независимых компонент для усредненных ВП; 6) получение ВП, усредненных по группе испытуемых; 7) выявление общих для всей группы испытуемых независимых компонент, характеризующих заданные условия исследовательского теста, а также формирование пространственного фильтра для каждой компоненты с учетом топографии компонент; 8) сравнение индивидуальных ВП или компонент ВП с нормативными данными, выявленными при анализе репрезентативной выборки здоровых испытуемых того же возраста и пола; 9) составление заключений, т.е. представление результатов обработки данных в краткой и доступной форме, с основными выводами и рекомендациями к лечению.

Все перечисленные этапы обработки вызванных потенциалов продемонстрированы на рис.1. Они представлены также и в нормативной HBI базе данных. Во множестве известных коммерческих ЭЭГ-систем (Neuroscan, Nicolet и т.д.) есть некоторые из этих методов анализа ВП, а остальные могут быть также реализованы в среде Matlab (приложение EEG-lab). Следует подчеркнуть, что мы не собираемся полностью рассматривать всю систему обработки данных. А цель обучающего программного обеспечения — дать возможность пользователю освоить основные методы обработки вызванных потенциалов.

Этапы анализа вызванных потенциалов
Рис.1. Этапы анализа вызванных потенциалов

Ряды сверху вниз: 1) формирование психологических заданий; 2) предварительная обработка ЭЭГ; 3) использование метода независимых компонент в анализе отдельных проб одного испытуемого; 4) усреднение фрагментов ЭЭГ отдельных проб; 5) размещение файлов с ВП-данными каждого испытуемого в базу данных; 6) усреднение ВП по группе испытуемых; 7) применение метода независимых компонент в анализе групповых ВП; 8) сравнение индивидуальных Bl 1 или компонент ВП с нормативными данными. Элементы анализа, которые представлены в программном обеспечении EdEEG, отмечены галочками.

Формирование тестового задания

В состав обучающего программного обеспечения входит приложение Psytask, которое позволяет исследователю создавать психологические тестовые задания и осуществлять их запуск с одновременной регистрацией ЭЭГ. Psytask работает синхронно с программным обеспечением по регистрации ЭЭГ и обеспечивает подачу синхронизирующих меток во время ее записи. Для этого предъявляющий (Подчиненный) и регистрирующий (Основной) компьютеры соединяются с помощью СОМ-портов. Программа Psytask может быть также использована для измерения времени реакции, пропусков и совершения ошибок при выполнении психологических тестов.

После установки программы Psytask™ появится следующее диалоговое окно (рис.2). Кнопка Начать новый тест используется для запуска психологического тестового задания из списка созданных заданий. Кнопка Просмотреть базу данных открывает встроенную базу данных результатов тестирования (время реакции, пропуски и т.д.). Кнопка Показать список тестов используется для запуска встроенного редактора протоколов психологических тестов. Эта же кнопка используется и при создании новых тестовых заданий. Кнопка Переключиться в режим подчиненного позволяет переводить предъявляющий компьютер в режим подчиненного, который во время записи ЭЭГ получает синхронизирующие команды от регистрирующего компьютера. Для этого оба компьютера соединяются через COM-порт. Кнопка Установить базу данных используется для изменения имени (пути) базы данных с целью ее открытия или создания новой. Кнопка Изменить параметры синхронизации используется для изменения параметров COM-порта, используемых для синхронизации. Выход из программы производится нажатием кнопки Выйти.

Окно приложения Psytask
Рис.2. Окно приложения Psytask

Сверху вниз, кнопки: 1)Начатъ новый тест — запускает психологические тестовые задания из списка созданных заданий; 2) Просмотреть базу данных — открывает базу данных с результатами выполнения психологических заданий; 3) Показать список тестов — отображает список стандартных заданий, поддерживающихся программой; 4) Переключиться в режим подчиненного — переводит предъявляющий компьютер в режим подчиненного; 5) Установить базу данных — используется для создания базы данных поведенческих параметров (количество ошибок, время реакции); 6) Изменить параметры синхронизации — применяется для изменения параметров COM-порта, связывающего предъявляющий и основной компьютер; 7) Выйти — закрывает программу

Ядром программы Psytask является протокол предъявления тестового задания. Протокол определяет стимулы, которые будут предъявляться в задании, время их предъявления и длительность, последовательность проб, а также способ реагирования испытуемых на стимулы пробы. Вся эта информация, за исключением стимулов, хранящихся в отдельных файлах, содержится в файлах-протоколах предъявления стимулов с расширением .PRO. Файлы протоколов и соответствующие файлы стимулов хранятся в отдельной папке. Зрительные стимулы хранятся в файлах формата .ВМР или .JPEG. Звуковые стимулы сохраняются в файлах формата WAV. При создании нового тестового задания задается его имя (например, GONOGO или какое-либо другое), а также имя папки (например, GONOGO). Папка, содержащая все соответствующие данному тесту файлы, создается в корневой папке программы Psytask (рис.3). Туг же содержится файл PSYTASK. CFG, содержащий список всех имеющихся тестовых заданий. Протокол тестового задания автоматически генерируется при нажатии Новый в окне, вызываемом командой Показать список тестов, и состоит из следующих закладок: Свойства теста (имя теста, имя папки, разрешение экрана), Список стимулов, Список проб, Список предъявления проб и команд, Обработка ответной реакции.

Для создания списка стимулов (Список стимуловсначала нужно приготовить все необходимые звуковые файлы и файлы изображений. Далее эти файлы стимулов должны быть помещены в папку с тестовым заданием с помощью кнопки Добавить из файла в закладке Список стимулов.

После определения списка стимулов следует задать временную структуру проб, используя закладку Список проб. Типично проба включает предъявление одного или нескольких стимулов. Список стимулов в пробе описывается именами стимулов, временем включения стимула от начала пробы и экспозициями. Параметры проб представлены на рис.4.

Размещение файлов протокола двухстимульного GO/NOGO тестового задания
Рисунок 3. Размещение файлов протокола двухстимульного GO/NOGO тестового задания

В папке приложения Psytask содержатся соответствующие папки с описанием всех тестовых заданий. Папка GONOGO представлена в качестве примера. Файл GONOGO.PRO содержит информацию о всех параметрах задания — списке стимулов, времени предъявления стимулов в пробе. Звуковые и зрительные стимулы (изображения) представлены отдельными файлами.

Параметры пробы
Рис.4. Параметры пробы

В качестве примера представлены параметры двухстимульного задания. Параметры задаются пользователем с помощью приложения Psytask. Обозначения: Ст. 1 — стимул 1, Ст. 2 — стимул 2.

В меню Список предъявления проб и команд необходимо определить: 1) порядок предъявления проб, паузы между ними (т.е. временные интервалы между пробами); 2) метку конкретной категории проб (например, 1 для GO-категории и 2 для NOGO-категории). В меню Обработка ответной реакции необходимо определить следующие параметры: 1) устройство, регистрирующее ответы испытуемого — это может быть микропереключатель (компьютерная мышь) с правой и левой кнопкой, а также некоторые из кнопок клавиатуры предъявляющего компьютера; 2) временной интервал для корректных ответов (например, от 200 до 1000 мс); 3) способ реагирования (например, нажатие левой кнопки или его отсутствие).

В качестве примера на рис.5 представлен протокол двухстимульного GO/ NOGO-теста, использовавшийся при создании нормативной HBI базы данных. Для более детального ознакомления с программой Psytask используйте руководство пользователя, которое расположено в папке DOC корневого каталога программы.

Пример протокола двухстимульного GO/NOGO тестового задания
Рис.5. Пример протокола двухстимульного GO/NOGO тестового задания

На рисунке изображен файл из рис.3. Файл включает описание стимулов, проб и последовательности проб тестового задания.

Программа EdEEG

Шаг 1. Открытие ЭЭГ-файла

Установите программное обеспечение EdEEG в соответствии с процедурой, описанной в гл. «Практика» ч. 1. Запустите EdEEG.exe файл. В окне главного меню вы увидите меню: Файл, Правка, Вид, Формат, Запись, Анализ, Настройка и др. Каждое меню имеет свои собственные команды. В дополнение к окну основного меню изображены также меньшие по размеру окна — Окно топограмм и Окно диполей. Для просмотра 19-канальной записи ЭЭГ во время выполнения двухстимульного GO/NOGO-теста в меню Файл выберите команду Открыть файл.

Шаг 2. Просмотр ЭЭГ

Окно ЭЭГ используется для просмотра записей ЭЭГ и содержит следующие разделы: Панель названия электродов в левой части окна, Строка текущего состояния, расположенная внизу, а также Панель фильтров в верхней части окна. Непосредственно над кривыми записи ЭЭГ в виде прямоугольников с числами, отображающими номер пробы и категорию стимула, располагаются отметки проб (на рис.6, например, в верхнем левом прямоугольнике Т23[ 1 ] обозначает, что предъявлена 23-я проба категории 1 — проба с GO-стимулом). Левая часть прямоугольника соответствует началу пробы. В нижней части окна ЭЭГ представлены отметки нажатий кнопки. Левая часть метки нажатия кнопки соответствует времени начала ответа испытуемого.

Коррекция движений глаз
Рис.6. Коррекция движений глаз

Пример 19-канальной ЭЭГ, зарегистрированной при выполнении двухстимульного GO/NOGO тестового задания: до (вверху) и после (внизу) процедуры коррекции артефактов движения глаз.

Шаг 3. Предварительная обработка ЭЭГ — установка монтажа

Зарегистрированная ЭЭГ по умолчанию сохраняется на диске в монтаже с «объединенными ушами» в качестве референтов и полной полосой пропускания усилителей ЭЭГ. Для просмотра и анализа ЭЭГ предусмотрена возможность выбора другого монтажа электродов. Для этого в меню Вид нужно выбрать команду Выбор монтажа. После чего появится окно Задание монтажа. При создании нормативной базы данных HBI Database мы использовали три разных варианта монтажа: монтаж с «объединенными ушами», средний референт и взвешенный средний референт (по Лемосу). В качестве примера на рис.6 был выбран взвешенный средний референт.

Шаг 4. Предварительная обработка записи ЭЭГ — коррекция артефактов движения глаз

Три метода коррекции артефактов: 1) ручное удаление; 2) автоматическое вырезание; 3) автоматическая коррекция артефактов посредством пространственной фильтрации.

Шаг 5. Расчет вызванных потенциалов посредством усреднения проб

Индивидуальные ВП получаются в результате усреднения фрагментов ЭЭГ, синхронизированных с началом проб. На рис.7 проиллюстрирован ВП, построенный при усреднении 92 проб для одного из группы здоровых испытуемых. ВП вычислялись в Cz-отведении для двух условий с GO- и NOGO-стимулами (изображения животных) в GO/NOGO-парадигме. Необходимо отметить, что до момента предъявления второго стимула пробы ВП для двух состояний фактически идентичны, поскольку первый стимул в GO- и NOGO-пробах один и тот же — изображение животного. Сопоставимость ВП на временном отрезке от первого стимула пробы до начала предъявления второго является так называемым показателем теста/ ретеста. Этот показатель может быть использован для оценки степени надежности ВП, рассчитываемых для определенного испытуемого.

Для осуществления процедуры усреднения нужно в меню Анализ выбрать команду Вызванные потенциалы. В результате появится окно с параметрами ВП (рис.8).

ВП в GO и NOGO-пробах
Рис.7. ВП в GO и NOGO-пробах

Пример ВП, усредненных в условиях проб GO (тонкая линия) и NOGO (толстая линия) при выполнении двухстимульного тестового задания GO/NOGO. ВП рассчитывались для отведения Cz. Следует обратить внимание на то, что паттерны ВП для GO- и NOGO-условий выглядят одинаковыми. Это обусловлено тем, что первый стимул двух проб одинаков — изображение животного.

Окно построения вызванных потенциалов
Рис.8. Окно построения вызванных потенциалов

Пользователь определяет названия категорий проб. Например, для пробы GO выбрана категория (метка) «1», а разница между GO- и NOGO-пробами обозначается как разница категорий «2 - 1». Метки задаются в протоколе приложения Rsytask. Дополнительно пользователь устанавливает время корректного ответа и способ синхронизации, т.е. каким образом будет запускаться усреднение ВП — синхронно с предъявлением стимула или ответом испытуемого.

Окно сравнения индивидуальных ВП с нормативной базой данных
Рис.9. Окно сравнения индивидуальных ВП с нормативной базой данных

Данное окно открывается при выборе команды Сравнение результатов меню анализа данных Анализ после нажатия кнопки Загрузить базу данных.

В верхней части подокна располагается список групп проб (Группы проб). Для двухстимульного GO/NOGO-теста (рис.8) будут высчитываться ВП для следующих категорий (групп) проб: GO-пробы (АД), обозначенные цифрой 1; NOGO-пробы (АР), обозначенные цифрой 2; пробы, в которых предъявление первого стимула пробы сигнализирует об отмене реакции на второй в зрительной модальности (РР), обозначенные цифрой 3, и аналогичные пробы с дополнительным предъявлением «нового» (неожиданного) стимула в слуховой модальности (PH), маркированные цифрой 4. Пробы 1-й и 2-й категории объединены в группу, обозначенную «+» как группа проб с подготовкой действия. Пробы 3-й и 4-й категории объединены в группу, в которой подготовка к действию отменяется после предъявления первого стимула («—»). Во время операции усреднения программа рассчитывает также количество корректных и некорректных ответов (пропуски и ошибки), а также удаляет из обработки пробы с артефактами (см. секцию Удаление артефактов). Дополнительно будут рассчитываться и разностные вызванные потенциалы для выявления компонент, связанных с разными психологическими операциями. Пары сравниваемых ВП перечислены в подокне Разности групп проб. Также с помощью команды Выбрать можно выбирать любые сочетания сравниваемых ВП из списка доступных ВП.

Содержание других полей касается коррекции артефактов (Удаление артефактов), параметров синхронизации (Синхронизация проб) и обработки ответов испытуемых (Обработка ответной реакции). Реализованная в данной программе процедура устранения артефактов основана на сравнении текущей амплитуды сигнала ЭЭГ с предустановленным порогом. Мы рекомендуем устанавливать значение порога, равное 100 мкВ. Обратите внимание на то, что для удаления артефактов следует выбирать только каналы записи ЭЭГ. В противном случае все пробы с ответами испытуемых могут быть выброшены из анализа ВП.                 

Обычно рекомендуется выбирать синхронизацию по первому стимулу пробы. Другие установки параметров синхронизации могут применяться в тех случаях, когда проба состоит из двух и более стимулов с разными межстимульными интервалами и существует необходимость синхронизировать ВП со вторым или третьим стимулом пробы. ВП могут быть также синхронизированы и с нажатием кнопки испытуемым, т.е. с инициацией ответов на предъявляемые стимулы.

Также в отдельном подокне определяются параметры обработки ответов испытуемых, которые включают: 1) интервал времени, в пределах которого ответ испытуемого считается корректным (Интервал), 2) группы проб, при предъявлении которых ожидается ответ; 3) стимулы, после которых должен реализовываться ответ; 4) категория ответа, т.е. нажатие правой или левой кнопки. Обращаем внимание на то, что в нашей версии оборудования существует много устройств регистрации времени реакции, таким образом, использованное устройство должно быть определено как канал для правой или левой кнопки (Канал кнопки для ответа 1 (2)).

Определив все параметры вычисления ВП, вы можете сохранить их в отдельном файле (срасширением .par) и при необходимости загрузить снова. Параметры для вычисления ВП для всех тестов нормативной HBI базы данных хранятся в отдельной папке (Parameters).

При использовании нормативной HBI базы данных нет необходимости всякий раз выставлять параметры обработки ВП: они могут быть загружены из базы данных простым нажатием кнопки Загрузить из базы данных (рис.8 внизу).

Шаг 6. Сравнение с нормативными данными

Теперь, когда мы получили индивидуальный вызванный потенциал пациента, нам может понадобиться выяснить, насколько он отличается от нормативных ВП, зарегистрированных в группе здоровых испытуемых того же возраста. Существует два варианта такого сравнения: 1) сравнение индивидуального ВП с ВП, усредненным по группе здоровых испытуемых; 2) сравнение индивидуальных компонент ВП с компонентами ВП, полученными методом анализа независимых компонент и усредненных по группе испытуемых. В обоих случаях необходимо в меню анализа данных (Анализ) выбрать команду сравнения результатов (Сравнение результатов). Далее при нажатии кнопки Загрузить базу данных появится окно с содержанием базы данных (рис.9).

Как видно из рис.9, существует две опции сравнения ВП, зарегистрированных в условиях тестового задания GO/NOGO. Для сравнения вызванных потенциалов следует выбрать Event Related Potentials/Visual СРТ, а для сравнения компонент ВП, выявленных у пациентов с помощью пространственной фильтрации, — опцию Event Related Potentials Components/Visual CPT.

Окно сравнения индивидуальных ВП с ВП нормативной базы
Рис.10. Окно сравнения индивидуальных ВП с ВП нормативной базы

Окно появляется после нажатия кнопки ОК окна Сравнение ВП. Сравнение может быть сделано, если для испытуемого, базы данных и разностного ВП выбрать категории стимулов проб, для которых рассчитывались ВП (GO, NOGO). Обозначения: [1] — ВП испытуемого; [2] — ВП нормативной базы; [D] — разностный ВП, получаемый при вычитании ВП нормативной базы из индивидуального ВП.

Окно сравнения независимых компонент индивидуальных ВП с компонентами нормативной базы
Рис.11. Окно сравнения независимых компонент индивидуальных ВП с компонентами нормативной базы

После нажатия кнопки ОН в окне Сравнение компонент ВП появится окно сравнения. Для проведения сравнения нужно выбрать компоненты ВП (P3bGО, P3NОGО) для испытуемого, нормативной базы и расчета разности копмонент ВП. Обозначения: [1] — независимая компонента индивидуального ВП; [2] — соответствующие данные нормативной базы; [D] — разница между независимой компонентой ВП испытуемого и данными нормативной базы.

Сравнение независимых компонент индивидуального ВП и данных нормативной базы
Рис.12. Сравнение независимых компонент индивидуального ВП и данных нормативной базы

Слева — независимые компоненты ВП пациента (тонкая линия) и ВП, усредненного по группе здоровых испытуемых одинакого с пациентом возраста. Справа — топография компонент сравнения (P2NOGO) и мониторинга (P3NOGO). В середине — отклонения от нормальных значений. Вертикальными столбцами, расположенными под графиком разностной волны, отмечены временные интервалы, на которых уровень значимости девиации достигает р < 0,001.

Позвольте начать с простого сравнения ВП. На рис.10 представлена часть окна, которое появляется после нажатия кнопки ОКь окне сравнения результатов (рис.9). В верхней части рис.10 расположены названия категорий ВП. Нажимая ↓, можно выбирать различные категории стимулов, для которых рассчитывались ВП («а-а GO», «а-p NOGO» и т.д.). Символ в квадратных скобках справа от названия ВП означает следующее: [1] — индивидуальный ВП; [2] — ВП из нормативной базы данных; [D] — разностный потенциал, получаемый при вычитании [2] из [1].

Кроме сравнения ВП, обучающая программа (EdEEG) позволяет читателю сравнить независимые компоненты ВП, выявленные у отдельных испытуемых, с компонентами ВП нормативной базы группы испытуемых того же возраста. На рис.11 представлена часть окна, появляющаяся в данном виде анализа ВП. В верхней части рис.12 расположены названия компонент ВП. Нажимая 3, можно выбирать различные независимые компоненты ВП, зарегистрированных в GO/NOGO-тесте: например, P3GO, P3NOGO, P2NOGO и др. Символы в квадратных скобках справа от имени категории означают: [1] — независимая компонента индивидуального ВП; [2] — соответствующие нормативные данные; [D] — разница между независимой компонентой индивидуального ВП и данными нормативной базы.

Пример сравнения индивидуальных независимых компонент с нормативными данными представлен на рис.12.

В левой части рис.12 изображены независимые компоненты одного пациента (тонкая линия графика) и компоненты усредненного по группе ВП (здоровые испытуемые такого же возраста). В правой части представлены топограммы двух компонент сравнения (P2NOGO) и мониторинга (P3NOGO). Разница между соответствующими компонентами ВП пациента и компонентами ВП нормативной базы данных приведены в средней части рисунка. Обращает на себя внимание сильное отклонение от нормальных значений компоненты ВП, связанной с операцией сравнения. При этом компонента ВП, ассоциирующаяся с операцией мониторинга, не отличается от нормы. В средней части рис.12 под графиком ВП столбцами черного цвета обозначен уровень статистической значимости отклонения компоненты индивидуального ВП от нормативных значений. Столбец наименьшего размера соответствует уровню значимости р < 0,05, а максимального размера — р < 0,001.

Упражнения

Обучающее программное обеспечение EdEEG снабжено записями ЭЭГ, зарегистрированными у здорового испытуемого и пациента (оба в возрасте 13—14 лет) в условиях выполнения двухстимульного GO/NOGO исследовательского теста.

Мы предлагаем читателю потренироваться в обработке этих двух файлов с ЭЭГ и ответить на следующие вопросы:

  1. Какой из файлов относится к ЭЭГ здорового испытуемого и пациента?
  2. Какая из независимых компонент соответствует нормативным данным, а какая нет?
  3. Какой тип дисфункции мозга виден на полученных ВП пациента?
  4. С каким типом заболевания (синдром нарушения внимания с гиперактивностью, навязчивое состояние или дислексия) может быть связана наблюдаемая дисфункция?

Для ответа на поставленные вопросы выполните все шаги обработки и анализа ВП, представленные выше. Краткое описание необходимых действий:

  1. Запустите программу EdEEG.exe.
  2. В меню Файл выберите команду Открыть файл.
  3. Откройте файлы S3 VCPT и S4_VCP, которые находятся в подпапке Data папки EdEEG (при обычной установке располагается на диске С). Далее анализируйте каждый файл по отдельности.
  4. Просмотрите запись ЭЭГ, используя кнопки панели управления ввода ■   ◄ ► ►►). Функциональное значение кнопок следующее: Остановка, Быстрая перемотка назад, Медленная перемотка назад, Медленное воспроизведение записи, Быстрое воспроизведение записи. Вы также можете просматривать запись ЭЭГ, используя полосу прокрутки, расположенную в нижней части, под окном ЭЭГ
  5. Выберите команду Выбрать монтаж из меню Вид. В списке Имя монтажа выберите DataBase Version 1 montage. Это имя монтажа — последнее в списке монтажей. Нажав диалоговое окно Референты в окне Параметры монтажа, убедитесь в том, что выбран монтаж Взвешенный средний по Lemos. После этого нажмите Принять. Запись ЭЭГ появится в конфигурации выбранного монтажа.
  6. Самостоятельно просмотрите запись ЭЭГ на предмет артефактов вертикальных и горизонтальных движений глаз.
  7. Выделите всю запись ЭЭГ целиком. Это можно сделать, кликнув левой кнопкой мыши на начале записи и после этого — на окончании записи. Нажатия должны осуществляться на шкале времени, расположенной сверху записи ЭЭГ. После нажатия правой кнопки мыши шкала времени должна приобрести желтый цвет.
  8. Выберите команду Коррекция артефактов из меню Анализ. На голограммах в правой части появившегося окна красным кругом обозначена первая голограмма (сверху вниз), отображающая наиболее выраженную компоненту, обычно соответствующую артефакту вертикального движения глаз. Убедитесь в том, что это действительно так, — нажмите кнопку ICA в списке Метод. Нажмите Принять. Программа отфильтрует этот тип артефактов из всей записи ЭЭГ. Внимательно просмотрите результат фильтрации и убедитесь в том, что артефакты скорректированы.
  9. В меню Анализ выберите команду Отметить артефакты. Из базы данных загрузите параметры удаления артефактов, выбрав команду Загрузить из базы данных. После нажатия кнопки Принять программа отметит все артефакты, соответствующие заданным критериям.
  10. В меню Анализ выберите команду Вызванные потенциалы. Из базы данных загрузите параметры расчета ВП, выбрав команду Загрузить из базы данных. Программа рассчитает ВП для условий VCPT теста отдельно для каждого электрода и представит в форме 19 графиков ВП, расположенных с учетом схемы локализации отведений на скальпе.
  11. В меню Анализ выберите команду Сравнение результатов. Появится окно сравнения результатов Сравнение результатов обработки. Для загрузки ВП из нормативной базы нажмите Загрузить базу данных. В левой части появившегося окна будет расположено название индивидуального ВП, а в правой его части будут представлены две опции: Event Related Potentials (ВП) и Event related Components computed (выявленные компоненты ВП) для VCPT-теста.
  12. Сначала сравните ВП с данными нормативной базы. Слева выберите из списка Event Related Potentials исследуемые вызванные потенциалы, а справа нажмите Event Related Potentials/Visual VCPT. Нажмите Принять.
  13. В окне вызванных потенциалов (см. рис.10) появится разностный ВП (индивидуальный ВП — нормативный ВП) с четырьмя категориями стимулов (а-а GO, а-p NOGO, р-р and p-h). Статистическая значимость отклонения от нормативных значений отображается под графиком ВП вертикальными столбцами черного цвета. Для рассмотрения ВП и разностных ВП на графике ВП одного из состояний (например, GO) сделайте следующее: а) нажмите 3 в первом списке Группы и выберите условие а-а GO[ 1] — ВП пациента в GO-условии; б) далее во втором списке Группы нажмите ↓ и выберите условие а-а GO[2] — ВП усредненные по группе здоровых испытуемых того же возраста из нормативной базы в GO-условии; в) выберите разностный ВП — условие а-а GO[D], нажав ↓ в третьем окне списка Группы.
  14. Далее сравните независимые компоненты индивидуального ВП с нормативной базой. В меню Анализ выберите команду Сравнение результатов. Снова появится окно Сравнение результатов обработки. Загрузите нормативные ВП из базы данных, нажав Загрузить базу данных. В левой части окна будут расположены названия ВП испытуемых, а в правой — две опции выбора: Event Related Potentials и Event Related Components.
  15. Выберите вторую опцию. Слева выберите из списка Event Related Potentials исследуемые вызванные потенциалы, а справа нажмите Event Related Potentials. Components/Visual VCPT. Нажмите Принять.
  16. В окне вызванных потенциалов (рис.12) появятся разности независимых компонент ВП (компонента индивидуального ВП — компонента нормативного ВП) для четырех независимых компонент (Pl, P3GO, P2NOGO и P3NOGO). Уровень статистической значимости отклонения от нормативных значений отображается под графиком ВП вертикальными столбцами черного цвета. Для рассмотрения компонент ВП и их разностей на графике ВП одного из компонент (например, P3GO) сделайте следующее: а) нажмите ↓ в первом списке Группы и выберите компоненту P3GO[7/; б) далее во втором списке Группы нажмите ↓ и выберите компоненту P3GO[2]\ в) выберите разность компонент — P3GO[D], нажав ↓ в третьем списке Группы.