У 27 практично здорових юнаків і 29 дівчат у віці від 18 до 22 років досліджували взаємозв'язок показників інтелекту і точності сприйняття часу з високочастотної електричної активністю мозку гамма-ритмом. Виявлено зв'язок показників інтелекту і точності сприйняття часу з рівнем коркових взаємодій на частотах гамма-ритму і фазовими взаємодіями між гамма-ритмом і низькочастотними складовими ЕЕГ.

Анотація наукової статті з хімічних наук, автор наукової роботи - Бушов Юрій Валентинович, Светлик Михайло Васильович, Крутенкова Олена Павлівна


By 27 apparently healthy youth and 29 girl teen-age was investigated the interrelation of intellectual measure and accuracy of time perception with high frequency of electrical brain activity gamma-rhythm. Connection of intellectual measure and accuracy time perception with level of cortical interaction on frequency gamma-rhythm activity and fazes of interaction between gamma-rhythm and low frequency composes of EEG was discovered.


Область наук:
  • хімічні науки
  • Рік видавництва: 2009
    Журнал: Вісник Томського державного педагогічного університету

    Текст наукової роботи на тему «Кореляція інтелекту і точності сприйняття часу з високочастотної електричної активністю мозку»

    ?УДК 612. 821.3: 51-76

    КОРЕЛЯЦІЯ ИНТЕЛЛЕКТА І ТОЧНОСТІ ВОСПРИЯТИЯ ЧАСУ З високочастотного електричного АКТИВНІСТЮ МОЗКУ

    Томський державний університет

    В останні роки пильну увагу дослідників привертає високочастотна електрична активність мозку, так званий гамма-ритм. Частота цього ритму варіює за даними різних авторів [1-3] від 30 до 80, 200 Гц і більше, а амплітуда не перевищує 5-10 мкВ. Присутність цього ритму виявлено не тільки у людини, але і у тварин [4]. Є дані про те, що основну роль в електрогенеза гамма-ритму частотою від 30 до 80 Гц грають постсинаптические потенціали, а коливання більш високої частоти є відображенням сумарної синхронизованной імпульсної активності нейронів [4]. Згідно з популярною в даний час гіпотезі, гамма-ритм у людини відіграє ключову роль в забезпеченні когнітивних процесів. Це підтверджують отримані останнім часом дані про зв'язок гамма-ритму з процесами сприйняття [5], уваги [1], свідомості [6] і обробки семантичної інформації [7]. Є дані про те, що ампли-

    туди і частота цього ритму залежать від стану людини та виду виконуваної когнітивної завдання [8, 9]. Оскільки частотні параметри гамма-ритму близькі до нейронної активності, вважають, що він відображає активність нейронних мереж. Вважають [6], що саме на частоті гамма-ритму відбувається синхронізація активності і функціональне об'єднання просторово віддалених популяцій нейронів при здійсненні свідомої діяльності. Все це дозволяє припустити наявність певного зв'язку між активністю головного мозку на частоті гамма-ритму, з одного боку, і показниками інтелекту і успішністю виконання різних видів інтелектуальної діяльності - з іншого. Разом з тим аналіз літератури показав, що спеціальні дослідження в цьому напрямку фактично не проводилися. У зв'язку з цим, метою цього дослідження було вивчення взаємозв'язку показників інтелекту і точності сприйняття часу з

    високочастотної електричної активністю мозку - гамма-ритмом.

    Методика

    В якості моделі інтелектуальної діяльності іспитуемиш пропонували діяльність, пов'язану зі сприйняттям коротких інтервалів часу. Для вирішення поставлених завдань проведено 2 серії спостережень з репродукцією і відмірюванням інтервалів часу тривалістю 200 і 800 мс при наявності і під час відсутності зворотного зв'язку про результати діяльності. У дослідженнях брали участь добровольці, практично здорові юнаки (27 осіб) і дівчата (29 осіб) у віці від 18 до 22 років, учні томських вузів. ЕЕГ записували монополярних за допомогою 24-канального енцефалографа-аналізатора «Енцефалан-131-03» в 15 відведеннях по системі 10-20%: F3, F4, Fz, C3, C4, C5, C6, Cz, P3, P4, P5, P6, Pz, O1, O2. Об'єднаний референтний електрод встановлювався на мочки лівого і правого вуха випробуваного, а земляний фіксувався на зап'ястя правої руки. Запис ЕЕГ здійснювалася в спокої при закритих і відкритих очах (не менше 20 с) на початку і в кінці досліду, а також при сприйнятті часу. З метою виключення артефактів, пов'язаних з рухом очей, реєстрували електроокулограмми. При введенні аналоговий сигналів в ЕОМ частота дискретизації становила 250 Гц. Інтервали часу в одній серії задавалися невербальними стимулами (світлий квадрат зі стороною 2 см, що з'являється в центрі затемненого екрану монітора), в інший -ціфрамі (при вимірюванні тривалості). Як сигнал зворотного зв'язку використовували виражену у відсотках відносну помилку репродукції або відмірювання в указаний час. Сигнал помилки з'являвся на 1 секунду на екрані монітора, через секунду після відтворення або відмірювання кожного інтервалу часу. При цьому розмір цифр, що характеризують величину і знак відносної помилки відтворення (отмеривания), відповідав шрифту 16 у редакторі Word. Про точність репродукції або відмірювання інтервалів часу судили за величиною відносної помилки відтворення (отмеривания). Інтервали часу висувалися багаторазово і в довільному порядку. Їх тривалість відтворювалася і відмірювати подвійним натисканням на клавішу пробіл. В ході попереднього обстеження за допомогою графічного, математичного і лінгвістичного тестів Г. Айзенка [10] досліджували вербальний (ВІ) і невербальний інтелект (НІ). З метою виділення цікавить частотного діапазону (30-40, 40-49, 51-60 і 60-70 Гц) ЕЕГ попередньо фільтрували. Епоха аналізу складала 4 с. Обраний ділянку ЕЕГ обов'язково включав етап пред'явлення стимулу, етап отмеривания або відтворення заданого інтервалу часу, а в разі режимів з про-

    ратної зв'язком також етап пред'явлення сигналу помилки. При дослідженні просторової синхронізації електричної активності мозку на частоті гамма-ритму в кожному частотному діапазоні ЕЕГ (3040, 40-49, 51-60, 61-70 Гц) підраховували середнє значення функції когерентності. З метою контролю мозкового походження гамма-ритму використовували метод дипольної локалізації [11]. При вивченні фазових взаємодій між гамма-коливаннями і низькочастотними складовими ЕЕГ використовували вейвлетного біспектр ал ьний аналіз [12]. Як інтегральної характеристики рівня фазових взаємодій між високо- і низькочастотними ритмами ЕЕГ (0,5-30 Гц) використовували полусумму значень функції бікогерентності в досліджуваному частотному діапазоні ЕЕГ. При аналізі кореляційних зв'язків між досліджуваними показниками підраховували рангові коефіцієнт кореляції Спірмена (ККС). Статистичну обробку даних проводили за допомогою пакетів прикладних програм «81ай81юа-5.5» і «Ма1ЬаЬ-6.5».

    Результати дослідження та їх обговорення

    1) Вивчення взаємозв'язку показників інтелекту і точності сприйняття часу з рівнем коркових взаємодій на частоті гамма-ритму. При сприйнятті часу у чоловіків виявлена ​​переважно позитивна кореляція НІ з рівнем коркових зв'язків на частоті гамма-ритму. Для всіх режимів сприйняття часу характерно помітне збільшення числа значущих кореляцій з підвищенням частоти гамма-ритму до 51-60 Гц. У діапазоні 61-70 Гц спостерігається деяке зниження числа значущих кореляцій між досліджуваними показниками. У всіх досліджених режимах сприйняття часу найбільшу кількість кореляцій виявлено між НІ і рівнями міжпівкульової і правополушарной когерентності. Порівняння різних режимів сприйняття часу показало, що максимальне число значущих кореляцій між НІ і показниками когерентності спостерігається при репродукції інтервалів часу за відсутності і при наявності зворотного зв'язку про результати діяльності, а мінімальне - при вимірюванні тривалості тих же інтервалів без зворотного зв'язку (див. Рис. 1).

    На осі ординат відкладена частка значущих ККС у відсотках від максимально можливого їх числа. Горизонтальні лінії на малюнках відповідають рівням 20, 40, 60, 80 і 100%:

    1 - частка значущих кореляцій інтелекту з рівнем лівопівкулевих зв'язків;

    г - частка значущих кореляцій інтелекту з рівнем правопівкульових зв'язків;

    г-1 - частка значущих кореляцій інтелекту з рівнем міжпівкульна зв'язків;

    ЙВ про Відтворення без зворотного зв'язку

    | 1? г | І Про VI? ? -Г

    X

    г 2

    (0 I ет |

    с; про ""

    30-40 40-49 51-60 61-70 Частотні діапазони, Гц

    Відмірювання без зворотного зв'язку

    У

    л

    Лщ

    30-40 40-49 51-60 61-70

    Частотні діапазони, Г ц

    II

    ? г

    ІІ-Г

    ? V-!

    Оу-г

    Відтворення зі зворотним зв'язком

    1 - 1

    В. | 1 ,

    Частотні діапазони, Гц

    Відмірювання зі зворотним зв'язком

    У

    жм

    | г

    30-40 40-49 51-60 61-70

    Частотні діапазони, Гц

    II

    ? г

    І І-Г

    ? V-!

    ? У-Г

    Мал. 1. Кореляція невербального інтелекту з показниками когерентності при сприйнятті часу у чоловіків

    у-1 - частка значущих кореляцій інтелекту з рівнем зв'язків між областю вертекса і областями лівої півкулі;

    у-г - частка значущих кореляцій інтелекту з рівнем зв'язків між областю вертекса і областями правої півкулі.

    У жінок, так само як і у чоловіків, кореляції між НІ і показниками когерентності в основному позитивні, але кількість цих кореляцій значно менше. Зокрема, виявилося, що при

    сприйнятті часу без зворотного зв'язку про результати діяльності кількість кореляцій менше, ніж при її наявності (рис. 2).

    Інші позначення ті ж, що і на рис. 1.

    При сприйнятті часу характер кореляцій ВІ 1, який оцінювався за результатами лінгвістичного тесту, з показниками когерентності у чоловіків та жінок. У чоловіків у всіх досліджених режимах сприйняття часу найбільшу кількість значущих кореляцій спостерігається в диапазо-

    яв Відтворення без зворотного зв'язку

    й

    | I? г

    X

    г 2 Т | до

    I ет? У-І

    про | | -п? У-Г

    30-40 40-49 51-60 61-70 Частотні діапазони, Гц

    ?

    Відмірювання без зворотного зв'язку

    30-40 40-49 51-60 61-70

    Частотні діапазони, Гц

    | I

    ? г

    |І І-Г

    ? VI

    ? У-Г

    Відмірювання зі зворотним зв'язком

    ?

    про V

    X

    ?

    2 т

    (0

    зі 1

    ц

    ІГ | Ш1 - Л Г1

    30-40 40-49 51-60 61-70

    Частотні діапазони, Гц

    | I

    ? Г

    | 1-г

    ? V-!

    ? у-г

    Мал. 2. Кореляція невербального інтелекту з показниками когерентності при сприйнятті часу у жінок

    НЕ 61-70 Гц, а при вимірюванні тривалості зі зворотним зв'язком ще і в діапазоні 51-60 Гц. У жінок при відтворенні тривалості без зворотного зв'язку в трьох з чотирьох досліджених частотних діапазонах (виняток - діапазон 40-49 Г ц) виявлені значущі кореляції між ВІ1 і показниками когерентності. При відтворенні тривалості зі зворотним зв'язком найбільшу кількість значущих кореляцій спостерігається в частотних діапазонах 40-50 і 51-60 Гц. Це характерно для всіх досліджуваних коркових областей. При вимірюванні тривалості без зворотного зв'язку спостерігається та ж картина, що й при відтворенні тривалості зі зворотним зв'язком, але кількість значущих кореляцій в діапазоні 40-50 Г ц трохи вище, а в діапазоні 30-40 Гц, навпаки, нижче. При вимірюванні тривалості зі зворотним зв'язком про результати діяльності найбільшу кількість значущих кореляцій виявлено в діапазонах 61-70 і 40-49 Г ц. Причому, чим вище ВІ1, тим вище рівень когерентності в лівій півкулі і вище рівень зв'язків між Вертекс і лівою півкулею. Як у чоловіків, так і у жінок кількість значущих кореляцій між ВІ2, який оцінювався за результатами математичного тесту, і рівнем когерентності при сприйнятті часу, невелика. У чоловіків відносно велику кількість значущих кореляцій між ВІ2 і рівнем когерентності спостерігається при відтворенні тривалості зі зворотним зв'язком в частотному діапазоні 61-70 Гц. У жінок більше значущих кореляцій між ВІ2 і показниками межполушарной когерентності в діапазоні 51-60 Гц. У них же більше кореляцій ВІ2 з когерентними зв'язками між різними ділянками кори в діапазоні 61-70 Гц .

    Таким чином, проведені дослідження дозволили виявити статистично значущі кореляції вербального і невербального інтелекту з рівнем коркових зв'язків на частотах гамма-ритму. Характер виявлених кореляцій відрізняється у юнаків і дівчат, що, ймовірно, обумовлено пов'язаними з підлогою особливостями латеральної організації мозку [13]. Він також залежить від виду виконуваної роботи і частотного діапазону гамма-ритму. Отримані дані добре узгоджуються з роботами ряду авторів [14-17], в яких виявлена ​​залежність коркових взаємодій від стану та індивідуальних особливостей людини, від виду і етапу виконуваної діяльності в низькочастотному діапазоні ЕЕГ. Однак наші дослідження показали, що при сприйнятті часу на частотах гамма-ритму спостерігається не негативна, а переважно позитивна кореляція вербального і невербального інтелекту з рівнем коркових зв'язків. Характер виявлених кореляцій свідчить про те, що чим вище рівень інтелекту, тим сильніше виражена просторова синхронізація електричної активності мозку на частотах гамма-ритму.

    Крім того, проведений аналіз показав, що точність сприйняття часу статистично значимо пов'язана з рівнем коркових взаємодій на частотах гамма-ритму. Виявилося, що характер цих зв'язків залежить від частотного діапазону гамма-ритму, від способу шкалювання інтервалів часу, а також від наявності або відсутності зворотного зв'язку про результати діяльності. Так, наприклад, у чоловіків, значимі позитивні кореляції рівня коркових зв'язків з модулем відносної помилки репродукції інтервалу 200 мс спостерігаються в трьох частотних діапазонах ЕЕГ (30-40, 40-49 і 51-60 Гц) і тільки при відтворенні тривалості цього інтервалу без зворотного зв'язку про результати діяльності. При цьому в діапазоні 30-40 Гц кількість кореляцій найбільше у всіх досліджуваних областях кори, а в діапазоні 40-50 Гц спостерігається кореляція модуля відносної помилки репродукції зазначеного інтервалу з рівнем левополушарной когерентності.

    Кореляційний аналіз, зокрема, показав, що на різних частотах гамма-ритму і в різних режимах сприйняття часу можуть спостерігатися як позитивні, так і негативні кореляції між рівнем коркових зв'язків і точністю сприйняття часу. Ці результати не збігаються з раніше отриманими даними про переважно позитивної кореляції зазначених показників в частотному діапазоні ЕЕГ від 0,5 до 30 Гц [17]. Можливо, ці відмінності обумовлені різною функціональною значущістю високочастотних і низькочастотних складових ЕЕГ.

    2) Вивчення фазових взаємодій між гамма-ритмом і низькочастотними складовими ЕЕГ. Проведений аналіз дозволив виявити статистично значущі кореляції вербального і невербального інтелекту з рівнем фазових взаємодій між гамма-ритмом і низькочастотними складовими ЕЕГ Найбільша кількість значущих кореляцій виявлено на етапі «початок стимулу» при репродукції тривалості зорових сигналів без зворотного зв'язку про результати діяльності. У дівчат все кореляції (6) виявилися негативними, а у чоловіків в основному позитивні (3 з 4). У ряді випадків величина знайдених ККС досягає по абсолютній величині

    0,98 (р = 0,003). Виявлено також статистично значущі позитивні і негативні кореляції відносної помилки репродукції і відмірювання коротких інтервалів часу з рівнем фазових взаємодій між гамма-ритмом і низькочастотними складовими ЕЕГ. Встановлено, що і загальна чисельність і рівень цих кореляцій відрізняються у юнаків і дівчат, залежать від місця відведення, виду і етапу виконуваної діяльності. Так, наприклад, на етапі «початок стимулу» при вимірюванні інтервалів часу без зворотного зв'язку у дівчат

    виявлені 8 значущих ККС (з них 7 негативні), а у юнаків тільки 2 і обидва негативні. Причому рівень знайдених кореляцій по абсолютній величині варіював від 0,56 до 0,94.

    висновок

    Таким чином, проведені дослідження показали, що високочастотна електрична активність мозку, так званий гамма-ритм частотою від 30 до 80 Гц, грає важливу роль в процесах сприйняття часу. Це підтверджують виявлені зв'язку цього ритму з рівнем інтелекту і точністю сприйняття часу. На це вказують виявлені кореляції показників інтелекту і точності сприйняття часу з рівнем фазових взаємодій між гамма-ритмом і низькочастотними складовими ЕЕГ. Характер виявлених зв'язків, зокрема, свідченням-

    ет про те, що чим вище рівень інтелекту, тим сильніше виражена просторова синхронізація електричної активності мозку на частотах гамма-ритму. Отримані результати дозволяють припустити, що індивідуальні відмінності рівня інтелекту і точності сприйняття часу можуть бути пов'язані з різною здатністю нервових клітин до функціонального об'єднання шляхом синхронізації їх активності на частоті гамма-ритму, шляхом формування певних фазових співвідношень між гамма-ритмом і іншими частотними складовими ЕЕГ. На користь цього свідчать і деякі літературні дані. Зокрема, відомо, що при різних дегенеративних захворюваннях і старінні, які супроводжуються зниженням розумових здібностей, спостерігається зниження потужності гамма-ритму.

    Це дослідження виконано за фінансової підтримки гранту РГНФ № 07-06-00167а.

    література

    1. Данилова Н. Н., Астаф'єв С. В. Увага людини як специфічна зв'язок ритмів ЕЕГ з хвильовими модуляторами серцевого ритму // Журнал вищої нервової діяльності. 2000. Т. 50. Вип. 5. С. 791-803.

    2. Hermann C. S., Demiralp T. Human EEG gamma oscillations in neuropsychiatric disorders // Clin. Neurophysiol. 2005. V. 116. P. 2719-2733.

    3. Сорокіна Н.Д., Селицкий Г.В., Косіцін Н.С. Нейробіологічні дослідження біоелектричної активності мозку в діапазоні гамма-ритму у людини // Успіхи фізіологічних наук. 2006. Т. 17. № 3. С. 3-10.

    4. Думенко В.М. Високочастотні компоненти ЕЕГ і інструментальне навчання. М .: Наука, 2006. 151 с.

    5. Singer W. Response synchronization of cortical neurons: an epiphenomenon or solution to the binding problem? // Ibro News. 1991. V. 19. No. 1. P. 6-7.

    6. Crick F., Ко ^ З ^ Аге Wе aware оf пе ^ а1 ас ^^ у in рг ^^ visual сог1ех? // Nature. 1995. V. 375. No. 11. P. 121-123.

    7. Pu1vеrmu11ег F., Priessl Н., Lutzen ^ rger W. etc. Sресtга1 responses in the gamma-band: рhуziologiса1 signs of hidher cognitive processes? // Neuro Rероrt. 1995. V. 6. P 2057-2064.

    8. Ваnquet J. P. Sресtral аnаlysis of the EEG meditations // ЕЕС аnd din. Nегорhysiol. 1973. V. 35. P 143.

    9. Spidel J. D., Fort М. R., Shееr D. E. Таsk dереndent сегеЬга1 1аtега1zation of the 40 to EEG Thythm // Psусhорhуsiо1оgу. 1979. V. 16. P. 347-350.

    10. Айзенк Г. Ю. Класичні IQ тести. М .: ЕКСМО-Прес, 2001. 192 с.

    11. Коптєлов Ю.М., Гнездіцкій В.В. Аналіз скальпового потенційних полів і тривимірна локалізація джерел епілептичної активності мозку людини // Журн. невропатології і психіатрії. 1989. Т. 89. № 6. С. 11.

    12. Куренівський А. А., Храмов А. E. Безперервний вейвлетного аналіз і його додатки. М .: Физматгиз, 2003. 176 с.

    13. Вольф Н. В. Статеві відмінності функціональної організації процесів полушарной обробки мовної інформації. Pост на / Д: Вид-во ТОВ «ЦВВP», 2000. 240 с.

    14. Свідерська Н. E. Синхронна електрична активність мозку і психічні процеси. М .: Наука, 1987. 156 с.

    15. Свідерська Н. E., Королькова Т. А. Вплив властивостей нервової системи і темпераменту на просторову організацію ЕЕГ // Журнал вищої нервової діяльності. 1996. Т. 46. № 5. С. 849-858.

    16. Свідерська Н. E., Королькова Т. А. Просторова організація ЕЕГ і індивідуальні психологічні характеристики // Журнал вищої нервової діяльності. 1996. Т. 46. № 4. С. 689-698.

    17. Бушов Ю. В., Ходановіч М. Ю., Іванов А. С., Светлик М. В. Системні механізми сприйняття часу. Томськ: Вид-во Том. ун-ту, 2007. 150 с.

    Надійшла до редакції 19.01.2009


    Ключові слова: ІНТЕЛЕКТ / ГАММА-РИТМ / Низькочастотні РИТМИ ЕЕГ / коркові Взаємодія / ФАЗОВІ ЗВ'ЯЗКУ / СПРИЙНЯТТЯ ЧАСУ / INTELLECT / GAMMA ACTIVITY / LOW FREQUENCY RHYTHM EEG / CORTICAL INTERACTION / FAZES CONNECTION / TIME PERCEPTION

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити