Электр о физиологические методы исследования динамики психического развития

В возрастной психофизиологии используются практически все те методы, которые применяются при работе с контингентом взрослых испытуемых (см. главу 2). Однако в применении традиционных мето­дов существует возрастная специфика, которая определяется ря­дом обстоятельств. Во-первых, показатели, получаемые с помощью этих методов, имеют большие возрастные различия. Например, элек­троэнцефалограмма и соответственно получаемые с ее помощью по­казатели значительно изменяются в ходе онтогенеза. Во-вторых, эти изменения (в их качественном и количественном выражении) могут выступать параллельно и как предмет исследования, и как способ оцен­ки динамики созревания мозга, и как инструмент/ средство изучения возникновения и функционирования физиологических условий пси­хического развития. Причем именно последнее представляет наи­больший интерес для возрастной психофизиологии.

Все три аспекта изучения ЭЭГ в онтогенезе безусловно связаны между собой и дополняют друг друга, но содержательно они раз­личаются весьма существенно, и, поэтому, их можно рассматривать отдельно друг от друга. По этой причине и в конкретных научных исследованиях, и на практике акцент нередко делается только на од­ном или двух аспектах. Однако, несмотря на то, что для возрастной психофизиологии наибольшее значение имеет третий аспект, т.е. как показатели ЭЭГ могут быть использованы для оценки физио­логических предпосылок и/ или условий психического развития, глубина изучения и понимания этой проблемы решающим образом зависит от степени проработанности первых двух аспектов изуче­ния ЭЭГ.

329

13.2.1. Изменения электроэнцефалограммы в онтогенезе

Главная особенность ЭЭГ, делающая ее незаменимым инстру­ментом возрастной психофизиологии, — спонтанный, автономный характер. Регулярная электрическая активность мозга может быть зафиксирована уже у плода, и прекращается только с наступлени­ем смерти. При этом возрастные изменения биоэлектрической активности мозга охватывают весь период онтогенеза от момента ее возникновения на определенном (и пока точно не установлен­ном) этапе внутриутробного развития головного мозга и вплоть до смерти человека. Другое важное обстоятельство, позволяющее продуктивно использовать ЭЭГ при изучении онтогенеза мозга, — возможность количественной оценки происходящих изменений.

Исследования онтогенетических преобразований ЭЭГ весьма многочисленны. Возрастную динамику ЭЭГ изучают в состоянии покоя, в других функциональных состояниях (сон, активное бодр­ствование и др.), а также при действии разных стимулов (зритель­ных, слуховых, тактильных). На основании многих наблюдений вы­делены показатели, по которым судят о возрастных преобразова­ниях на протяжении всего онтогенеза, как в процессе созревания (см. главу 12.1.1.), так и при старении. В первую очередь это осо­бенности частотио-амплитудного спектра локальной ЭЭГ, т.е. ак­тивности, регистрируемой в отдельных точках коры мозга. С це­лью изучения взаимосвязи биоэлектрической активности, реги­стрируемой из разных точек коры, используется спектрально-кор­реляционный анализ (см. главу 2.1.1) с оценкой функций когерент­ности отдельных ритмических составляющих.

Возрастные изменения ритмического состава ЭЭГ.Наибо­лее изучены в этом плане возрастные изменения частотно- ампли­тудного спектра ЭЭГ в разных областях коры мозга. Визуальный анализ ЭЭГ показывает, что у бодрствующих новорожденных в ЭЭГ преобладают медленные нерегулярные колебания частотой 1 —3 Гц амплитудой по 20 мкВ. В спектре частот ЭЭГ у них, однако, при­сутствуют частоты в диапазоне от 0,5 до 15 Гц. Первые проявления ритмической упорядоченности появляются в центральных зонах, на­чиная с третьего месяца жизни. В течение первого года жизни на-

330

блюдается нарастание частоты и стабилизации основного ритма электроэнцефалограммы ребенка. Тенденция к нарастанию доми­нирующей частоты сохраняется и на дальнейших стадиях развитая. К 3 годам это уже ритм с частотой 7 — 8 Гц, к 6 годам — 9 —10 Гц (Фарбер, Алферова, 1972).

Одним из наиболее дискуссионных является вопрос о том, как квалифицировать ритмические составляющие ЭЭГ детей раннего возраста, т.е. как соотносить принятую для взрослых классифи­кацию ритмов по частотным диапазонам (см. главу 2.1,1) с теми рит­мическими компонентами, которые присутствуют в ЭЭГ детей пер­вых лет жизни. Существуют два альтернативных подхода к ре­шению этого вопроса.

Первый исходит из того, что дельта-, тета-, альфа- и бета-час­тотные диапазоны имеют разное происхождение и функциональ­ное значение. В младенчестве более мошной оказывается медлен­ная активность, а в дальнейшем онтогенезе происходит смена до­минирования активности от медленных к быстрым частотным рит­мическим составляющим. Другими словами, каждая частотная по­лоса ЭЭГ доминирует в онтогенезе последовательно одна за дру­гой (Garshe, 1954). По этой логике было выделено 4 периода в фор­мировании биоэлектрической активности мозга: 1 период (до 18 мес.) — доминирование дельта-активности, преимущественно в центрально-теменных отведениях; 2 период (1,5 года — 5лет) — доминирование тета-активности; 3 период (6 — 10 лет) — домини­рование альфа-активности (лабильная фаза); 4 период (после 10 лет жизни) доминирование альфа-активности (стабильная фаза). В двух последних периодах максимум активности приходится на за­тылочные области. Исходя из этого, было предложено рассматри­вать отношение альфа- к тета-активности как показатель (индекс) зрелости мозга (Matousek, Petersen, 1973).

Другой подход рассматривает основной, т.е. доминирующий в электроэнцефалограмме ритм, независимо от его частотных па­раметров, как онтогенетический аналог альфа-ритма. Основания для такого толкования содержатся в функциональных особенностях доминирующего в ЭЭГ ритма. Они нашли свое выражение в «прин-

331

ципе функциональной топографии» (Kuhhnan, 1980). В соответ­ствии с этим принципом идентификация частотного компонента (ритма) осуществляется на основании трех критериев: 1) частоты ритмического компонента; 2) пространственного расположения его максимума в определенных зонах коры мозга; 3) реактивности ЭЭГ к функциональным нагрузкам.

Применяя этот принцип к анализу ЭЭГ младенцев, Т.А.Стро­ганова, показала, что частотный компонент 6 — 7 Гц, регистриру­емый в затылочной области, можно рассматривать как функцио­нальный аналог альфа-ритма или как собственно альфа-ритм. По­скольку этот частотный компонент имеет небольшую спектраль­ную плотность в состоянии зрительного внимания, но становится доминирующим при однородном темном поле зрения, что, как из­вестно, характеризует альфа-ритм взрослого человека (Строгано-вассоавт.,1999).

Изложенная позиция представляется убедительно аргументи­рованной. Тем не менее проблема в целом остается нерешенной, потому что невыяенено функциональное значение остальных рит­мических компонентов ЭЭГ младенцев и их соотношение с ритма­ми ЭЭГ взрослого человека: дельта-, тета- и бета-.

Из вышесказанного становится ясным, почему проблема соот­ношения тета- и альфа-ритмов в онтогенезе является предметом дискуссий. Тета-ритм по-прежнему нередко рассматривается как функциональный предшественник альфа-, и таким образом призна­ется, что в ЭЭГ детей младшего возраста альфа-ритм фактиче­ски отсутствует. Придерживающиеся такой позиции исследовате­ли не считают возможным рассматривать доминирующую в ЭЭГ детей раннего возраста ритмическую активность как альфа-ритм (Шеповальников с соавт., 1979).

Однако независимо оттого, как интерпретируются эти час­тотные составляющие ЭЭГ, возрастная динамика, свидетельству­ющая о постепенном сдвиге частоты доминирующего ритма в сто­рону более высоких значений в диапазоне от тета-ритма к высо­кочастотному альфа-, является неоспоримым фактом ( например, рис. 13.1).

332

О 5 10 15 20 25

средняя частота, Гц

Рис. 13.1 Сравнение спектров ЭЭГдетей в 1, 2иЗ классах (но А.В.Ковалевой, 1999)

Гетерогенность альфа-ритма.Установлено, что альфа-диапазон неоднороден, и в нем в зависимости от частоты можпо выделить ряд субкомпонентов, имеющих, по-видимому, разное функциональное зна­чение. Существенным аргументом в пользу выделения узкополос­ных поддиапазонов альфа служит онтогенетическая динамика их со­зревания. Три поддиапазона включают: альфа-1 — 7,7 — 8,9 Гц; аль-фа-2 — 9,3 — 10,5 Гц; альфа-3 —10,9 —12,5 Гц (Алферова, Фарбер, 1990). От 4-хдо 8 лет доминирует альфа-1, после 10 лет — альфа-2, ив 16 —17 годам в спектре преобладает альфа-3.

Составляющие альфа-ритма имеют и разную топографию: ритм альфа-1 более выражен задних отделах коры, преимуществен­но в теменных. Он считается локальным в отличие от альфа-2, ко­торый широко распространен в коре, имея максимум в затылоч­ной области. Третий компонент альфа, так называемый мю-ритм, имеет фокус активности в передних отделах; сенсомоторных зо­нах коры. Он также имеет локальный характер, поскольку его мощность резко убывает по мере удаления от центральных зон.

Общая тенденция изменений основных ритмических составля­ющих проявляется в снижении с возрастом выраженности медлен­ной составляющей альфа-1. Этот компонент альфа-ритма ведет се­бя как тета- и дельта-диапазоны, мощность которых снижается с

333

возрастом, а мощность компонентов альфа-2 и альфа-3, как и бе­та-диапазона возрастает. Однако бета-активность у нормальных здоровых детей низка по амплитуде в мощности, и в некоторых ис­следованиях этот частотный диапазон даже не подвергается обра­ботке из-за его относительно редкой встречаемости в нормальной выборке.

Особенности ЭЭГ в пубертате.Прогрессивная динамика час­тотных характеристик ЭЭГ в подростковом возрасте исчезает. На начальных стадиях полового созревания, когда увеличивается ак­тивность гипоталамо-гипофизарной области в глубоких структурах мозга, существенно изменяется биоэлектрическая активность ко­ры больших полушарий. В ЭЭГ возрастает мощность медленно-волновых составляющих, в том числе альфа-1, и уменьшается мощ­ность альфа-2 и альфа-3.

В период пубертата заметно выступают различия в биологиче­ском возрасте, особенно между полами. Например, у девочек 12 — 13 лет (переживающих IIи Ш стадии полового созревания) ЭЭГ ха­рактеризуется большей по сравнению с мальчиками выраженно­стью мощности тета-ритма и альфа-1 компонента. В 14 — 15 лет наблюдается противоположная картина. У девочек проходят завер­шающие (1У и У) стадии пубертата, когда снижается активность гипоталамо-гипофизарной области, и постепенно исчезают отрица­тельные тенденции в ЭЭГ. У мальчиков в этом возрасте преобла­дают IIи IIIстадии полового созревания и наблюдаются перечис­ленные выше признаки регресса.

К 16 годам указанные различия между полами практически ис­чезают, поскольку большинство подростков входят в завершающую стадию полового созревания. Восстанавливается прогрессивная на­правленность развития. Частота основного ритма ЭЭГ вновь воз­растает и приобретает значения, близкие к взрослому типу.

Особенности ЭЭГ при старении.В процессе старения проис­ходят существенные изменения в характере электрической актив­ности мозга. Установлено, что после 60 лет наблюдается замедле­ние частоты основных ритмов ЭЭГ, в первую очередь в диапазоне альфа-ритма. У лиц в возрасте 17 — 19 лет и 40 — 59 лет частота альфа-ритма одинакова и составляет приблизительно 10 Гц. К 90 годам она снижается до 8,6 Гц. Замедление частоты альфа-ритма

334

называют наиболее стабильным «ЭЭГ-симптомом» старения моз­га {Фролькис, 1991). Наряду с этим возрастает медленная актив­ность (дельта- и тета-ритмы), и количество тета-волн больше у лиц с риском развития сосудистой психологии.

Наряду с этим у лиц старше 100 лет — долгожителей с удовле­творительным состоянием здоровья и сохранными психическими функциями — доминантный ритм в затылочной области находится в пределах 8 — 12 Гц.

Региональная динамика созревания.До сих нор, обсуждая воз­растную динамику ЭЭГ, мы специально не анализировали пробле­му региональных различий, т.е. различий, существующих между по­казателями ЭЭГ разных зон коры в том и другом полушарии. Меж­ду тем такие различия существуют, и можно выделить определен­ную последовательность созревания отдельных зон коры по пока­зателям ЭЭГ.

Об этом, например, говорят данные американских физиологов Хадспета и Прибрама, которые прослеживали траектории созрева­ния (от 1 до 21 года) частотного спектра ЭЭГ разных областей моз­га человека. По показателям ЭЭГ они выделили несколько стадий созревания. Так, например, первая охватывает период от 1 года до 6 лет, характеризуется быстрым и синхронным темпом созревания всех зон коры. Вторая стадия длится от 6 до 10,5 лет, причем пик созревания достигается в задних отделах коры в 7,5 лет, после это­го ускоренно начинают развиваться передние отделы коры, кото­рые связаны с реализацией произвольной регуляции и контроля по­ведения.

После 10,5 лет синхронность созревания нарушается, и выде­ляются 4 независимые траектории созревания. По показателям ЭЭГ центральные области коры мозга — это онтогенетически наи­более рано созревающая зона, а левая лобная, наоборот, созре­вает позднее всего, с ее созреванием связано становление веду­щей роли передних отделов левого полушария в организации про­цессов переработки информации (Hudspeth, Pribram, 1992). Срав­нительно поздние сроки созревания левой фронтальной зоны ко­ры отмечались также неоднократно и в работах Д. А.Фарбер с со­трудниками.

335

Количественная оценка динамики созревания по показателям

ЭЭГ.Неоднократно предпринимались попытки количественного анализа параметров ЭЭГ с целью выявления имеющих математи­ческое выражение закономерностей их онтогенетической динами­ки. Как правило, использовались различные варианты регресси­онного анализа (линейная, нелинейная и множественная регрес­сии), которые применялись для оценки возрастной динамики спек­тров плотности мощности отдельных спектральных диапазонов (от дельта- до бета-) (например, Gasser et al, 1988). Полученные результаты в целом говорят о том, что изменения относительной и абсолютной мощности спектров и выраженности отдельных рит­мов ЭЭГ в онтогенезе носят нелинейный характер. Наиболее аде­кватное описание экспериментальные данные получают при ис­пользовании в регрессионном анализе полиномов второй — пя­той степени.

Перспективным оказывается применение многомерного шкали­рования. Так, например, в одном из недавних исследований была предпринята попытка усовершенствовать метод количественной оценки возрастных изменений ЭЭГ в диапазоне от 0,7 до 78 лет. Многомерное шкалирование спектральных данных из 40 точек ко­ры позволило обнаружить присутствие особого «возрастного фа­ктора», который оказался связан с хронологическим возрастом нелинейно. В результате анализа возрастных изменений спектраль­ного состава ЭЭГ была предложена Шкала Созревания Электри­ческой Активности мозга, определяемая на основе логарифма от­ношения возраста, предсказываемого по данным ЭЭГ, и хроноло­гического возраста (Wackerman, Matousek, 1998).

В целом, оценка уровня зрелости коры и других структур мозга с использованием метода ЭЭГ имеет очень важный клинико-диаг­ностический аспект, и особую невосполнимую статистическими методами роль в этом по-прежнему играет визуальный анализ ин­дивидуальных записей ЭЭГ. С целью стандартизованной и унифи­цированной оценки ЭЭГ у детей был разработан особый метод ана­лиза ЭЭГ, базирующийся на структурировании экспертных знаний в области визуального анализа (Мачинская с соавт., 1995).

336

Структурный анализ ЭЭ1 и оценка функциональной зрелости мозга детей