Электрофизиологические корреляты мышления

В подавляющем большинстве случае основными в этих исследо­ваниях служат показатели работы головного мозга в диапазоне от нейронной до суммарной биоэлектрической активности. Дополни­тельно в качестве контроля используют регистрацию миограммы, электрической активности кожи и глазных движений (см. главу 2). При выборе мыслительных задач нередко опираются на эмпириче­ское правило: задания должны быть адресованы топографически разнесенным областям мозга, в первую очередь коры больших по­лушарий. Типичным примером служит сочетание задач вербально-логических и зрительно-пространственных.

9.1.1. Нейронные корреляты мышления

Исследованиям нейронных коррелятов мышления придается в настоящее время особое значение. Причина в том, что среди раз­ных электрофизиологических явлений импульсная активность ней­ронов наиболее сопоставима с процессами мышления по своим вре­менным параметрам.

Предполагается, что должно существовать соответствие ме­жду временем переработки информации в мозге и временем ре­ализации мыслительных процессов. Если, например, принятие ре­шения занимает 100 мс, то и соответствующие электрофизиологи­ческие процессы должны иметь временные параметры в пределах 100 мс. По этому признаку наиболее подходящим объектом изуче­ния является импульсная активность нейронов. Длительность им­пульса (потенциала действия) нейрона равна 1 мс, а межимпульс­ные интервалы составляют 30 — бОмс. Количество нейронов в моз­ге оценивается числом десять в десятой степени, а число связей, возникающих между нейронами, практически бесконечно. Таким образом за счет временных параметров функционирования и мно­жественности связей нейроны обладают потенциально неограни­ченными возможностями к функциональному объединению в це­лях обеспечения мыслительной деятельности. Принято считать, что сложные функции мозга и, в первую очередь, мышление обес­печивается системами функционально объединенных нейронов.

Нейронные коды.Проблема кодов, т.е. «языка», который ис­пользует мозг человека на разных этапах решения задач, является первоочередной (см. главу 5.1). Фактически эта проблема опреде­ления предмета исследования: как только станет ясно, в каких фор­мах физиологической активности нейронов отражается (кодирует­ся) мыслительная деятельность человека, можно будет вплотную подойти к пониманию ее нейрофизиологических механизмов.

До недавних пор основным носителем информации в мозге счита­лась средняя частота последовательности импульсов, т.е. средняя ча­стота импульсной активности нейрона за короткий промежуток вре­мени, сопоставимый с реализацией того или иного умственного дей­ствия. Мозг сравнивали с информационно-управляющим устройст­вом, языком которого является частота. Однако есть основания пола-

233

гать, что это не единственный вид кода, и, возможно, существуют и другие, учитывающие не только временные факторы, но простран­ственные, обусловленные взаимодействием нейрональных групп, рас­положенных в топографически разнесенных отделах мозга.

Весомый вклад в решение этой фундаментальной проблемы вне­сли исследования Н.П. Бехтеревой и ее сотрудников.

Нейронные корреляты мыслительных операций.Изучение импульсной активности нейронов глубоких структур и отдельных зон коры мозга человека в процессе мыслительной деятельности проводилось при помощи метода хронически вживленных электро­дов. Первые данные, свидетельствующие о наличии закономерных перестроек частотных характеристик импульсной активности (пат­тернов) нейронов были получены при восприятии, запоминании и воспроизведении отдельных вербальных стимулов (см. главу 8.7).

Дальнейшие исследования в этом направлении позволили вы­явить специфические особенности процессов ассоциативно-логи­ческой обработки человеком вербальной информации вплоть до раз­личных смысловых оттенков понятий. В частности, было установ­лено, что смысловая значимость стимула может кодироваться ча­стотой разряда нейронов, т.е. паттерны текущей частоты активно­сти нейронов некоторых структур мозга способны отражать общие смысловые характеристики слов.

Оказалось также, что паттерн текущей частоты разрядов функ­ционально объединенной группы нейронов можно рассматривать как структуру или последовательность, включающую несколько компонентов. Эти компоненты, представленные всплесками (или падениями) частоты разрядов, возникают на определенных стадиях решения задачи и, по-видимому, отражают включение или пере­ключение работы нейронов на новый этап решения задачи.

Таким образом, при изучении динамики импульсной активно­сти нейронов в определенных областях головного мозга были вы­явлены устойчивые пространственно-временные картины (паттер­ны) этой активности, связанные с конкретным видом мыслитель­ной деятельности человека. После выделения таких паттернов мож­но достаточно точно определять, где и когда в мозге человека бу­дут развиваться специфические изменения активности нейронных объединений в процессе решения задач определенного типа. При

234

этом закономерности формирования паттернов импульсной актив­ности нейронов по ходу выполнения испытуемым различных психо­логических тестов иногда позволяли предсказывать результат вы­полнения конкретной ассоциативно-логической операции.

9.1.2. Электроэнцефалографические корреляты мышления

Уже со времен первых, ставшими классическими, работ Бер­гера (1929), Эдриана и Мэтьюза (1934), хорошо известно, что ум­ственная деятельность вызывает устойчивую десинхронизацию аль­фа-ритма и что именно десинхронизация оказывается объективным показателем активации.

Ритмы ЭЭГ и мышление.Установлено, что при умственной деятельности происходит перестройка частотно-амплитудных па­раметров ЭЭГ, охватывающая все основные ритмические диапазо­ны от дельта до гамма. Так при выполнении мыслительных заданий может усиливаться дельта- и тета-активность. Причем усиление последней составляющей положительно соотносится с успешно­стью решения задач. В этих случаях тета-активность наиболее вы­ражена в передних отделах коры, которая соответствует по време­ни периодам наибольшей концентрации внимания человека при ре­шении задач и обнаруживает связь со скоростью решения задач. Следует подчеркнуть, однако, что разные по содержанию и слож­ности задания вызывают неодинаковые изменения тета-диапазона.

По данным ряда авторов, умственная активность у взрослых сопро­вождается повышением мощности бета-ритма, причем значимое уси­ление высокочастотной активности наблюдается при умственной де­ятельности, включающей элементы новизны, в то время как стерео­типные, повторяющиеся умственные операции, сопровождаются ее снижением. Установлено также, что успешность выполнения вербаль­ных заданий и тестов на зрительно-пространственные отношения ока­зывается положительно связанной с высокой активностью бета-ди­апазона ЭЭГ левого полушария. По некоторым предположениям эта активность связана с отражением деятельности механизмов сканиро­вания структуры стимула, осуществляемой нейронными сетями, про­дуцирующими высокочастотную активность ЭЭГ.

Динамика альфа-активности при умственной деятельности имеет

235

1ШШн«шмм< ■ #iiji!i1Wii)i:.i- •. •

сложный характер. При анализе альфа-ритма в последнее время при­нято выделять три (иногда две) составляющие: высоко-, средне- и низкочастотную. Оказывается, что эти субкомпоненты альфа-ритма по-разному связаны с умственной деятельностью. Низкочастотный и высокочастотный альфа-ритм в большей мере соотносится с когнитив­ными аспектами деятельности, тогда как среднечастотный альфа-ритм в основном отражает процессы неспецифической активации.

Пространственно-временная организация ЭЭГ и мышление.Изменения биоэлектрической активности мозга в процессе мыс­лительной деятельности, как правило, имеют зональную специ­фику. Другими словами, ритмы ЭЭГ в различных зонах коры по-разному ведут себя при решении задач. Существует несколько спо­собов оценить характер пространственно-временной организации ЭЭГ в процессе решения задач.

Одним из наиболее распространенных способов является иссле­дование дистантной синхронизации биопотенциалов и когерентно­сти спектральных составляющих ЭЭГ в разных зонах мозга (Лива­нов, 1977). Известно, что для состояния покоя обычно характерен не­который средний уровень синхронности и когерентности ЭЭГ, ко­торый отражает активное поддержание межзональных связей и то­нуса зон коры в покое. При предъявлении заданий эти типичные для покоя межзональные отношения существенно меняются.

Установлено, что при умственной деятельности происходит рез­кое увеличение числа участков коры, корреляционная связь меж­ду которыми по различным составляющим ЭЭГ обнаруживает вы­сокую статистическую значимость. При этом, однако, в зависи­мости от характера задачи и избранного показателя картина меж­зональных отношений может выглядеть по-разному. Например, при решении как вербальных, так и арифметических задач возраста­ет степень дистантной синхронизации биопотенциалов в лобных и центральных отделах левого полушария, но помимо этого при ре­шении математических задач возникает дополнительный фокус ак­тивации в теменно-затылочных отделах.

Меняется степень пространственной синхронизации биопотен­циалов и в зависимости от степени алгоритмизации действия. При выполнении легкого по алгоритму действия возрастает степень син­хронизации в задних отделах левого полушария, при трудном алго-

236

ивттш- »:шттш<1ЩЩЩ

ритмическом действии фокус активации перемещается в передние зоны левого полушария.

Более того, характер межзональных отношений существенно за­висит от того, какую стратегию реализует человек в процессе ре­шения задачи. Например, при решении одной и той же математи­ческой задачи разными способами, арифметическим или простран­ственным, фокусы активации располагаются в разных участках ко­ры. В первом случае — в правой префронтальной и левой те-менно-височной, во-втором — сначала в передних, а затем задних отделах правого полушария. По другим данным при последователь­ном способе обработки информации (сукцессивном) наблюдается преимущественная активация передних зон левого полушария, при целостном схватывании (симультанном) — тех же зон правого по­лушария. Заслуживает также внимания и тот факт, что межзональ­ные отношения изменяются в зависимости от степени оригиналь­ности решения задачи. Так, у испытуемых, использующих стандарт­ные приемы решения, преимущественно преобладает активность левого полушария, напротив, у испытуемых, которые применяют нестандартные (эвристические) решения, характерно преоблада­ние активации в правом полушарии, наиболее сильное в лобных от­делах, причем как в покое, так и при решении задачи.