Особенности биоэлектрической активности мозга при когнитивной деятельности у спортсменов

ОСОБЕННОСТИ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ МОЗГА ПРИ КОГНИТИВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ У СПОРТСМЕНОВ

Ю.И. Корюкалов, Д.А. Марокко ЮУрГУ, г. Челябинск

Выявлены определенные особенности биоэлектрической активности мозга, касающиеся различных частотно-амплитудных перестроек и пространственно-временной организации ЭЭГ у спортсменов при когнитивной деятельности. Отмечается ведущая роль правого полушария в стратегии решения поставленных задач у спортсменов.

Многими исследователями показано, что умственная деятельность вызывает «десинхронизацию» (подавление) альфа-ритма [6, 12], и что именно десинхронизация оказывается объективным показателем активации мозга. Принято выделять три составляющие альфа-ритма: 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.

Сложнее обстоит дело с динамикой тета-ритмов. Рост тета-мощности ассоциируется с усилением ориентировочной реакции [5] и концентрацией внимания, эффективностью кодирования в памяти новой информации [10].

Таким образом, в литературе приводятся неоднозначные точки зрения на функциональную роль основных ритмов электроэнцефалограммы при выполнении когнитивных заданий разного характера.

На организацию различных функциональных состояний влияет физическая тренированность. В литературе имеется достаточно сведений по параметрам электроэнцефалограмм у спортсменов в состоянии покоя [4], другие функциональные состояния у спортсменов исследованы недостаточно.

Изучение биоэлектрической активности у лиц с различной степенью тренированности при разных функциональных состояниях является актуальной задачей физиологии спорта.

Цель настоящего исследования состояла в изучении особенностей организации биоэлектрической активности мозга при когнитивной деятельности различного содержания и уровня сложности у спортсменов ациклических видов спорта (рукопашный бой, бокс, кикбоксинг).

Методика исследования

Испытуемыми являлись студенты ЮУрГУ в возрасте от 17 до 23 лет (всего 19 человек). Группу наблюдения составили спортсмены, занимающиеся ациклическими видами спорта (KMC - МС);

контрольную группу составили испытуемые того же возраста и пола, не занимающихся спортом (II группа).

При помощи прибора Нейрон-Спектр (Нейрософт, Россия) осуществляли многоканальную регистрацию ЭЭГ с 8 чашечных электродов, соединенных с ушными электродами и локализованных в соответствии с системой 10-20. Производили несколько функциональных проб: фоновая запись с открытыми глазами (ФЗ), закрывание глаз (ЗГ), решение арифметической задачи по вычитанию (ЗВ), когнитивной задачи по составлению комплекса слов из одного шаблонного слова (СС), проба с запоминанием составленных слов (ПС), по оценке знака эмоции (Э) (на предъявляемые через монитор фотографии). Частота квантования ЭЭГ составляла 250 Гц. Компьютерная электроэнцефалография включала спектральный, периодометрический и корреляционный анализ.

Результаты исследований и их обсуждение

Фоновые различия биоэлектрической активности мозга между двумя группами заключались в том, что почти у всех спортсменов на электроэнцефалограммах отмечена альфа-активность в покое при открытых глазах, в отличие от испытуемых контрольной группы, у которых она выявлялась лишь в 2/3 случаев. У спортсменов амплитуда и индекс альфа-ритма в среднем были на 25-30% больше, а межполушарная асимметрия по амплитуде меньше, чем у незанимающихся спортом.

Амплитуда высокочастотного (20-35 Гц) бета-ритма у спортсменов в фоновой записи была на 10-15% больше. Доминирование низкочастотного бета-ритма у них наблюдалось в лобноцентральных отведениях, в отличие от центрально-затылочных у испытуемых контрольной группы. Бета-активность у спортсменов в большинстве случаев преобладает в правом полушарии.

Анализ биоэлектрической активности мозга при выполнении тестовых заданий выявил определенные различия у спортсменов и испытуемых контрольной группы. У большинства спортсменов при выполнении задания по мысленному вычитанию (ЗВ), в отличие от испытуемых контрольной группы, наблюдался рост альфа-активности с до-

минированием во фронтальных и затылочных отделах.

В группе спортсменов изменения индекса низкочастотного бета-ритма при ЗВ носили иной характер, чем в контрольной группе. Рост индекса ритма наблюдался во фронтально-центральных и затылочных отведениях преимущественно правого полушария с доминированием в лобно-центральных отведениях у лиц, наиболее успешно выполнивших задание (рис. 1).

а)

Я Т А БН БВ СЗД1

1

Л т А БН Б0

сти альфа- и бета-ритма, а при составлении слов (СС) его снижение (рис. 2).

Рис. 2. Графики результатов анализа (Ш-ий, 21 лет.

Спектр и частоты) 468 с - 503 с, Фоновая запись -Составление слов. Снижение мощности альфа-ритма.

Обозначения те же, что и в рис. 1

Бета-ритм доминировал в височных отведениях, особенно правого полушария в пробе СС (рис. 3).

В контрольной груше, можно отметить более выраженную роль фронтальных отделов обоих полушарий и левой височной области и более значительный рост бета-активности в пробе по составлению слов, чем при мысленном арифметическом счёте.

Рр1А1 .....76 |Рр2А2....76

Д т А БН БВ С4А2

Л

Д Т А БН БВ

Д Т А БН БВ

Д Ї А '6Й’: БВ

Рис. 1. Гистограммы результатов анализа (Периодометрия, Индекс ритма,%) (Ш-ий, 21 лет).

622 с, Фоновая запись (а).

668 с, Вычитание в уме

Высокочастотный бета-ритм доминировал во фронтальных областях правого полушария. Характерно, что наибольшая эффективность в выполнении когнитивного задания выражалась у лиц с доминированием бета-ритма во фронтальных областях обоих полушарий. В среднем группа спортсменов выполнила данное задание на 12% эффективней, не сбиваясь со счёта, в отличие от испытуемых контрольной группы.

Анализ биоэлектрической активности при умственной нагрузке дивергентного (вариативного) характера (СС) выявил определенные отличия от ЗВ. В группе спортсменов при ЗВ отмечался рост мощно-

Рис. 3. Гистограммы результатов анализа

Проба составление слов (3-ов, 20 лет). Рост индекса бета-ритма в правой фронтальной области и височных отделах обоих полушарий. Обозначения те же, что и в рис. 1.

Данные электроэнцефалограмм свидетельствуют, что у спортсменов фокус активности в когнитивном задании по СС находится в правом полушарии, в отличие от испытуемых контрольной группы, у которых он локализуется в левом полушарии. В пробе с ЗВ между группами не наблюдается достоверных отличий.

Различия в организации решения поставленных когнитивных задач, сочетаются с разной результативностью и эффективностью выполнения данных заданий.

Физиология двигательной активности и спорта

Анализ альфа-активности при проведении пробы по оценке знака эмоции (на предъявляемые через монитор фотографии) (Э) показал, что в отличие от контрольной группы, в группе спортсменов наблюдалось снижение спектральной мощности альфа-активности на 10-15%. Доминирующая частота низкочастотного альфа-ритма была несколько ниже, чем в контрольной группе и составляла 8,3 Гц.

При выполнении данной (Э) пробы индекс низкочастотного бета-ритма в группе спортсменов, в отличие от контрольной группы, снижался в большинстве отведений. По высокочастотному диапазону бета-ритма у спортсменов и у испытуемых контрольной группы различия были незначительными.

Более эффективное выполнение спортсменами арифметических действий по вычислению, вероятно, свидетельствует о лучшей внутренней концентрации внимания и сосредоточенности по сравнению с испытуемыми контрольной группы, которые нередко сбивались со счёта.

В соответствии с вышеприведенными данными можно предположить наличие связи между ростом мощности преимущественно низкочастотного альфа-ритма (8 Гц) и уровнем концентрации внимания у спортсменов.

Индивидуальный анализ показателей испытуемых свидетельствует, что лучше всех с заданием справились лица с фокусом активности в лобно-центральных областях обоих полушарий и ви-сочно-центральных левого полушария. Билатеральная активация в префронтальной, париетальной и премоторной коре при выполнении задачи мысленного вычитания была выявлена также при картировании активности мозга методом магнитного резонанса [7].

Наши данные свидетельствуют, что в удержании информации в кратковременно памяти немаловажную роль кроме фронтальных отделов играют височно-центральные области преимущественно того полушария, которое доминировало в процессе формирования этой информации.

Основываясь на полученных данных в когнитивной пробе по составлению слов, можно сказать, что в целом группа наблюдения оказалась более успешной по количеству составленных слов. Необходимо отметить, что данная группа характеризовалась меньшей межполушарной асимметрией. Согласно данным разных авторов, для высококреативных персон межполушарная асимметрия выражена в меньшей степени, чем для низкокреативных (т.е. лиц с более низкими показателями творческой деятельности) [2, 8].

По нашим данным успешность в решении креативного задания была связана со снижением активации в бета-диапазоне по большинству отведений в основном левого полушария, которое наблюдалось преимущественно в группе спортсме-

нов, в отличие от контрольной группы, где степень активации левого полушария была выше.

В пробе по определению знака эмоций на предъявляемых фотографиях в обеих группах нами была отмечена активация правого полушария, особенно его фронтальных и затылочных отделов. Различение знака эмоций связывают преимущественно с фронтальными корковыми областями [1,9].

Анализ индивидуальных данных свидетельствует, что среди всех испытуемых быстрее выполняли задание те, у кого наблюдался рост мощности высокочастотного бета-ритма не только во фронтальных, но и в затылочных отведениях, при этом в группе спортсменов особое место можно выделить правой височной области.

Таким образом, в результате проведенного электро-энцефалографического исследования когнитивной деятельности разного содержания и уровня сложности среди спортсменов высокой квалификации и нетренированных лиц были выявлены определенные особенности электроэнцефалограмм, касающиеся различных частотно-

амплитудных перестроек и пространственно-временной организации ЭЭГ. Полученные факты свидетельствуют о наличии определённых областей мозга, определяющих, по-видимому, стратегию решения поставленных задач, основанных на числовом, вербальном и визуально-эмоцио-

нальном материале и связанных с эффективностью их выполнения.

Выводы

1. При выполнении арифметических действий

в уме в группе спортсменов наблюдается общее повышение активации коры с преобладанием в альфа-ритме низкочастотного диапазона. Доминирующими областями в данной задаче являлись

фронтальные области правого и височно-

центральные и затылочные - левого полушария. В контрольной группе активация коры больших полушарий была слабо выражена, как в альфа-, так и бета-диапазоне, особенно в лобных областях обоих полушарий.

2. Электроэнцефалографические паттерны дивергентной задачи вербального содержания, в отличие от задачи с эмоциональным содержанием характеризуются снижением уровня активации и меньшей межполушарной асимметрией в группе спортсменов. При этом фокус активности в данной группе при выполнении обеих задач находился во фронтальных и височно-затылочных областях правого полушария, в отличие от преимущественной активации левого полушария у испытуемых контрольной группы.

3. Высокая результативность в выполнении когнитивных заданий наблюдалась у лиц с доминированием бета-ритма в лобных отделах обоих полушарий.

4. Судя по показателям биоэлектрической активности, обе группы использовали разные под-

ходы в решении поставленных когнитивных задач, что сочеталось с разной результативностью выполнения заданий.

Литература

1. Афтанас Л.И. Эмоциональное пространство человека: психофизиологический анализ. -Новосибирск, 2000. —120 с.

2. Исследование мозговой организации творчества. Сообщение II. Данные позитронно-эмисионной томографии/ Н.П. Бехтерева, М.Г. Старченко, В.А Ключарев и др.// Физиология человека. - 2000. -№ 5. - С. 12.

3. Ливанов М.Н., Хризман Т.П. Пространственно-временная организация биопотенциалов мозга у человека // Естественнонаучные основы психологии. - М.: Педагогика, 1978. - С. 206-233.

4. Тристан ВТ., Фрис Н.А., Крикуха Ю.А. Обоснование метода релаксации при нейробиоуправлении // Биоупровление в медицине и спорте: Материалы I Всероссийской конференции 26-27 апреля 1999 года. - Омск: ИМБК СО РАМН, Сиб-ГАФК, 1999. - С. 64-66.

5. Basar Е, Schumann М, Basar-Eroglu С, Karakas S. Alpha oscil-lations in brain functioning: an integrative theory. //Int.J.Psychophysiol. - 1997. -V.26.-N1-3. P.5-29.

6. Berger H. Uber das Elektroenkephalogramm des Menschen. //Arch. Psychiat. - Nervenkr., 1929. -B.87.-S.527-570.

7. Laterali/a-tion of prefrontal activation during internal mental calculation: a functional magnetic resonance imaging study / P.Burbaud, P.Degreze, JM.Franconu et al. // J. Neurophysiol. - 1995. -V. 75.-P. 2194.

8. Carlsson I., Wendt P.E., Risberg J. On the ncurobiology of creativity. Differences in frontal activity between high and low creative subjects // Neu-ropsychologia. - 2000. - V. 38. - P. 873.

9. Davidson RJ. Anterior cerebral asymmetry and the nature of emotion // Brain. Cogn. - 1992. -V. 20. -P. 125.

10. Klimesch W. EEG alpha and theta oscillations reflect cognitive and memory performance: a review and analysis // Brain Research Reviews. -1999. - V. 29. - № 2-3. - P. 169.

11. Brain oscillations and human memory: EEC correlates in the upper alpha and theta band/ W. Klimesch, M. Doppelmayr, Th. Pachmger, B. Ripper// Neurosci. Lett. - 1997. - V. 238. — P. 9.

12. Martinson D.M. A study of brain potentials during mental blocking // J. of Experimental Psychol. - 1939. -V. 24. -P. 143-156.

13. Ray W.Y., Cole H. W. EEG alpha activity reflects amotivational demands and betha activitinp reflects emoti and cognitive processes // Science. -1985. - V. 270. -№ 4700. -P. 750.

14. Razoumnikova O.M. Functional orguni/ation of different brain areas during convergent and divergent thinking: an EEG investigation // Cogn. Brain Res.-2000.-V. 10.-P. 11.