Введение к работе
Актуальность проблемы. Среди теоретических проблем изучения механизмов взаимодействия полушарий головного мозга и функциональной межполушарной асимметрии мозга проблема участия в регулировании различных функций со стороны левого и правого полушарий, особенно психоэмоционального напряжения и вегетативных систем организма, остается наименее изученной.
Принято считать, что большинство высших функций мозга реализуется на фоне функциональной межполушарной асимметрии [Спрингер, Дейч, 1983, Бианки, 1989, Brown et all, 1993] и что асимметрия возникает как способ обеспечения развития функций мозга, в том числе обучения [Адрианов, 1979, Айрапетянц, 1982, Боголепова и др., 1983, Кураев, 1995]. Считается, что левое полушарие доминирует п организации вербальных процессов, а правое в распознавании пространственных образов, организации эмоций и т л. В последнее время не признается, что существует полное распределение функций между полушариями головного мозга. Многие авторы придерживаются мнения о взаимодополняющем взаимодействии между левым и правым мозгом. Среди многих нерешенных вопросов остается вопрос о доминирующем полушарии в организации неспецифических реакций, в том числе и психоэмоционального напряжения. Не выяснены особенности специализации полушарий в инициализации и последующей регуляции таких реакций [Александров, Беллер,1990, Brown et all, 1993].
Актуальность этой проблемы определяется и тем, что изучение роли правого и левого полушарий мозга в формировании психоэмоционального напряжения и возможности управления этими состояниями у человека важно для понимания процессов обучения, снятия и предупреждения состояний отрицательно влияющих на здоровье и т.д.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы было изучение характера и особенностей участия полушарий головного мозга в процессах регуляции психоэмоционального напряжения на примере динамики активности структур мозга и ее корреляции с состоянием вегетативных систем организма.
В работе решались следующие задачи:
-
Изучение корреляции нейродинамических и вегетативных характеристик психоэмоционального напряжения на примере корреляции электроэнцефалографнческих показателей активации мозга и показателей сердечного ритма.
-
Выявление ЭЭГ-характеристик активации полушарий головного мозга, динамика которых была бы максимально связана с динамикой сердечного ритма.
-
Изучение особенностей асимметрии активации полушарий мозга по ЭЭГ-показа-телям при развитии психоэмоционального напряжения.
Научная новизна результатов исследования. Впервые методами кросскорреляцион-ного анализа показана взаимосвязь динамики активационных процессов в коре (использовано представление суммарной мощности альфа- и бета-диапазонов ЭЭГ в виде временных
рядов мгновенных спектров мощности) и динамики длительностей кардиоиитервалов при развитии психоэмоционального напряжения.
Показано, что мощность бета-диапазона ЭЭГ в лобных отделах коры может отражать процессы оптимизации психоэмоционального напряжения.
Обнаружено, что при психоэмоциональном напряжении максимальные активацион-ные сдвиги в деятельности сердца, оцениваемые по частоте сердечных сокращений, опережают максимальный рост выраженности бета-активности лобной коры больших полушарий.
Предложена модель одного из возможных звеньев регуляции психоэмоционального напряжения, учитывающая участие полушарий головного мозга
Положения выносимые па защиту
Психоэмоциональное напряжение сопровождается преимущественной активацией правого полушария: в правом полушарии по сравнению с левым более выражена депрессия альфа-активности и рост мощности бета-диапазона ЭЭГ. В правом полушарии активацион-ные изменения биоэлектрической активности имеют более высокий зровень линейной связи с вегетативными проявлениями психоэмоционального напряжения в сравнении с левым полушарием.
Процессы регуляции психоэмоционального напряжения наиболее тесно связаны с лобными отделами мозга. При отсутствии перенапряжения симпатического звена в исходном вегетативном балансе, активация сердечно-сосудистой системы при психоэмоциональном напряжении линейно связана с суммарной мощностью бета-диапазона ЭЭГ в лобных отделах коры больших полушарий: повышению частоты сердечных сокращения соответствует рост бета-активности.
Психоэмоциональное напряжение является результатом параллельной работы нескольких контуров регуляции в организме. Нервный контур регуляции обеспечивает наиболее быстрые реакции. В оптимизации психоэмоционального напряжения принимает участие медленный контур управления с гуморальным звеном обратной связи. Существование такого контура елсдуег из временного рассогласования максимального повышения частоты сердечных сокращений при психоэмоциональном напряжении и максимального увеличения спектральной мощности бета-диапазона ЭЭГ.
Эффективная регуляция психоэмоционального напряжения возможна лишь при отсутствии перенапряжения симпатического звена регуляции. У испытуемых с преобладанием тонуса симпатической нервной системы в вегетативном балансе данный адаптационный процесс затруднен.
При психоэмоциональном напряжении наблюдается депрессия альфа-акгивпости в лобных и затылочных отделах коры головного мозга, сохраняющаяся на всем протяжении психоэмоционального напряжения. Выраженность депрессии альфа-активности не имеет значимой корреляционной связи с интенсивностью психоэмоционального напряжения и указывает только на наличие такого напряжения.
Теоретическое и практическое значение работы. В теоретическом плане работа расширяет представления об особенностях участия разных полушарий головного мозга в формировании психоэмоционального состояния и его корреляции с деятельностью сердеч-
но-сосудистой системы. В практическом плане результаты исследования могут быть использованы в задачах профотбора операторов, особенно для работ связанных со слежением и быстрым реагированием
Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались на X Всесоюзной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 1992), на XI Международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-па-Дону, 1995), на международном симпозиуме "Физиолого-биохимнчсские основы жизнедеятельности мозга" (Санкт-Петербург, 1994), на конференции "Физиологические исследования молодых ученых Северо-Кавказского региона" (Ростов-на-Дону, 1995).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.
Структура работы. Диссертация изложена на 120 страницах машинописного текста и состоит из "Введения", "Обзора литературы", "Методики исследования", "Результатов исследования", "Обсуждения результатов", "Заключения", "Выводов" и "Списка литературы". Результаты исследований представлены в 7 таблицах и иллюстрированы 20 рисунками. Список литературы содержит 168 наименований, из них 44 иностранных источников.
В электрофизиологическом исследовании приняли участие 24 правши (18 мужчин и 6 женщин) в возрасте 17-39 лет, с выраженным альфа-ритмом, без признаков сердечной и мозговой патологии.
С целью снижения влияния индивидуальных особенностей для электрофизиологического обследования отбирались испытуемые, которые при тестировании по Айзенку [1985] показали как по шкале нейротизма, так и по шкале экстра-интроверсип от б до 18 баллов, и у которых личностная и реактивная тревожность по тесту Спилбергера-Ханина [Ханин, 1976], была не более 45 баллов по каждой из шкал в отдельности. Перед началом исследования и после его завершения проводилась субъективная оценка состояния испытуемых с помощью теста "САН" [Доскин В.Л. и др., 1973].
Каждый испытуемый участвовал в трех вариантах исследования. Варианты отличались способом формирования состояния психоэмоционального напряжения. В двух первых вариантах для формирования психоэмоционального напряжения использовалась модель слежения за движущимся объектом. В третьем варианте использовалась модель "ожидания" [Симонов, 1981] при определении минутных временных интервалов.
В ходе исследований испытуемые располагались внутри экранированной камеры в кресле и могли манипулировать ручкой потенциометра или кнопкой, находящихся на правом подлокотнике кресла. При операторской деятельности рабочее поле формировалось на экране черно-белого телевизора телеприставкой "Экси - видео 01", управляемой ПЭВМ "Искра 226". Пространство, внутри которого перемешался объект слежения, изображалось светлым контуром верхней, нижней и левой границ экрана. Испытуемый, манипулируя ручкой потенциометра, управлял положением отражателя - вертикально ориентированного светлого прямоугольника заданного размера. Траектория перемещения отражателя являлась
правой границей рабочего поля На экране по случайной траектории, прямолинейно, с заданной скоростью двигался светлый квадрат - объект. Встретившись с границей поля или отражателем объект менял траекторию своего движения на заданный по определенному закону угол. Задачей испытуемого было, управляя отражателем, не пропустить объект за правую границу поля деятельности. Успешное отражение объекта фиксировалось как правильная реакция, в противном случае фиксировалась ошибка. Комбинация трех параметров (размер отражателя, угол отражения объекта и скорость ею движения), каждый из которых имел два фиксированных значения, давала возможность сформировать восемь уровней сложности деятельности.
Первый (основной) вариант исследований представлял собой операторскую деятельность, которая состояла из 8 - 12 периодов длительностью 60 - 100 сек каждый, с изменением сложности деятельности после каждого предыдущего периода. Сложность очередного периода зависела от успешности деятельности испытуемого. Автоматический анализ качества деятельности в течение каждого периода определялся как отношение количество правильных реакций к количеству ошибок
Если число правильных реакций превосходило число ошибок, то сложность автоматически повышалась. В противном случае сложность снижалась. Исходя из того, что изменение сложности деятельности вызывало изменение напряжения систем и функций организма и сопровождалось регуляцией уровня этого напряжения, мы проводили оценку корреляции показателей активации работы сердца и мозга именно в этом варианте исследований.
В связи с тем, что для проведения вариационного и спектрального анализа сердечного ритма необходимо иметь стационарные процессы длительностью 1.5-2 минуты, а основной вариант исследований содержал множество переходных процессов, связанных с изменением сложности деятельности, и стационарные участки были недостаточно длительными, проводился второй вариант исследований, в котором нагрузка испытуемому предъявлялась в виде периода операторской деятельности длительностью 8-10 минут на фиксированном минимальном уровне сложности. Спектральный анализ сердечного ритма, а также оценку вегетативного баланса мы проводили только для второго варианта.
Потребность в третьем варианте была обусловлена необходимостью убедиться в том, что модель, используемая в основном эксперименте, адекватна для изучения психоэмоционального напряжения, и в том, что наблюдаемые изменения вегетативных и нейродина-мических характеристик преимущественно определяются именно состоянием психоэмоционального напряжения, а не спецификой операторской деятельности. В этом варианте исследований испытуемый сидел в кресле с закрытыми глазами и в 10 попытках нажатием на кнопку отмечал субъективно определенный временной интервал длительностью 60 сек. При отклонении от эталона более чем на 2 сек испытуемый "наказывался" включением сирены.
Перед началом электрофизнологического обследования испытуемым в первом и втором варианте опытов предлагалась в качестве тренировки поработать 10-15 минут, в течение которых они знакомились с предстоящей деятельностью. В ходе исследований на лен-
ту магнитографа непрерывно регистрировались ЭЭГ и ЭКГ. Использовались монополярные отведения ЭЭГ F3, F4, 01, 02 по системе 10-20. 13 качестве референтного электрода применялся объединенный ушной электрод. ЭКГ записывалась во втором стандартном отведении. В отсроченном режиме запись оцифровывалась с частотой 128 Гц и вводилась в компьютер.
Анализ ЭЭГ и сердечного ритма производился с помощью специальных компьютерных программ, а также с помощью программного пакета анализа статистических данных "STATGRAPHICS".
Спектры ЭЭГ рассчитывались по односекундным отрезкам и усреднялись по 30 реализациям. Применялся визуальный контроль отсутствия артефактов. На основе спектров мощности нами определялись усредненная спектральная мощность основных диапазонов ЭЭГ: дельта (1-3 Гц), тета (4-7 Гц), альфа (8-13 Гц), бета (14-30 Гц) и условные мощности (отношение мощности диапазона к суммарной мощности всех диапазонов). Коэффициент активации (Ка) определялся как отношение суммарной мощности бета-диапазона к суммарной мощности альфа-диапазонаОпределение коэффициентов билатеральной асимметрии (К6а) ЭЭГ-показатслей (суммарных спектральных мощностей, коэффициентов активации) производилось но формуле
D-S
Кба — ,
D + S
где D и S - показатели для правого н левого полушарий соответственно.
При построении временных рядов динамики суммарной спектральной мощности альфа- и бета-диапазонов ЭЭГ для каждого отведения нами рассчитывались спектры мощности последовательных односекундных отрезков ЭЭГ. Такой прием применяется для анализа нестационарных процессов и известен как "осредненный по времени спектр" [Бендат, Пирсол, 1989]. С помощью визуального анализа исходных данных определялись участки записи, содержащие артефакты. Соответствующие таким участкам спектральные характеристики выбраковывались и замещались на полученные в результате линейной интерполяции по смежным безартефактным участкам. Временные ряды суммарной спектральной мощности диапазонов ЭЭГ сглаживались методом скользящего среднего.
Согласно методике, предложенной Баевским [1979], определялись средняя длительность кардноинтервала (М), вариационный размах (dX), мода (Мо), амплитуда моды (АМо), индекс напряжения (ИИ). Путем линейной интерполяции определялась длительность кар-дионнтервалов с постоянным шагом в 1 секунду. В соответствии с задачами исследования, применялось сглаживание полученной последовательности методом скользящего среднего. Исходные и сглаженные временные ряды кардиоинтервалов после удаления трендов с помощью вычитания соответствующих полиномов первой степени подвергались спектральному анализу с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ). Эпоха анализа составляла 64 секунды.
Кросскорреляционные функции для длительностей кардиоинтервалов и суммарных мощностей диапазонов ЭЭГ рассчитывались на последовательностях 300-600 секунд с ша-
гом смещения 1 секунда. При таких размерах выборки незначимые значения кросскорреля-ционной функции были меньше 0.1 для р < 0.01.