Особенности организации системной деятельности мозга у незрячих школьников

КОМПЛЕКСНАЯ ДИАГНОСТИКА И КОРРЕКЦИЯ ОТКЛОНЯЮЩЕГОСЯ РАЗВИТИЯ

УДК 376.1-058.262 ББК 74.33

А. Н. Шеповальников, Е. И. Гальперина, Л. Г. Кацап Особенности организации системной деятельности мозга у незрячих школьников

В статье раскрываются особенности системной деятельности мозга у незрячих школьников в процессе чтения по Брайлю по сравнению с пространственной организацией межрегиональных связей корковых полей при чтении глазами. Показано, что кора обладает удивительной кросс-модальной пластичностью сенсорных корковых полей.

The article covers specific features of system brain activity of blind schoolchildren during the process of reading based on the methodics by Brail in comparison with the spatial organisation of inter-regional links of cortical areas during the process of reading by eyes. The authors point at cerebral cortex offering srange cross-modal flexibility of sensory cortical areas.

Ключевые слова: первичные поля коры, вторичные поля коры, незрячие школьники, рельефно-точечный шрифт Брайля, системная деятельность мозга, функциональные и компенсаторные способности мозга.

Key words: elementary cortical areas, secondary cortical areas, blind schoolchildren, relief-dot type font by Brail, system brain activity, functional and compensatory brain abilities.

Значительное ограничение сенсорного потока, которое происходит у лиц, лишенных зрения, приводит к глубокой перестройке в пространственно-временной организации межцентрального взаимодействия различных церебральных структур. Долгое время не находили объяснения неоднократно подтвержденные данные об отсутствии атрофических процессов в первичных и вторичных полях коры, ответственных за восприятие и обработку зрительной информации у людей, давно потерявших зрение и даже у лиц, родившихся слепыми. Привлекает внимание также то важное обстоятельство, что значительно более выраженное уменьшение сенсорной афферентации у слепых (примерно, на 90 %) по сравнению с глухими (у которых эти значения близки к 8 %) не сказывается слишком радикально на их интеллекте и эмоциональном статусе, тогда как люди, имеющие от рождения стойкие дефекты слуха, но сохраняющие в полной мере функции оптического анализатора, намного реже, чем незрячие, достигают высоких показателей по показателям когнитивной, в особенности в креативной деятельности. В чем же причина?

Расширение методических возможностей и успехи нейрофизиологов, опирающиеся на развитие биотехнологии, применение функциональных магнитно-резонансных томографов, а также на использование более совершенных приемов обработки результатов электрофизиологических наблюдений позволили подойти к ответу на многие интригующие вопросы.

Например, почему у слепых на протяжении многих лет не атрофируется зрительная кора, и как объяснить сравнительную легкость усвоения даже 7-8летними незрячими школьниками навыков чтения по Брайлю, тогда как их зрячие педагоги, прекрасно знающие «сигнальную структуру» выпуклых знаков и без труда читающие этот шрифт глазами, руками читать не могут?

Оказалось, что кора обладает удивительной кросс-модальной пластичностью сенсорных корковых полей. Недавно выявлена возможность у рано потерявших зрение людей широко использовать первичную зрительную кору для анализа тактильных и слуховых сигналов, в том числе в условиях освоения чтения по Брайлю [11, 13, 14]. Таким образом, афферентные импульсы, поступающие от кончиков пальцев при тактильном опознании выпуклых букв, следуют не только в соматосенсорные поля коры, но и в затылочные отделы, которые находятся у незрячего человека как бы в оперативном резерве. Использование этого функционального резерва, по-видимому, существенно облегчает процесс обучения чтению кончиками пальцев (впрочем, при необходимости, при достаточном уровне освоения выпуклого шрифта, дети способны читать и губами, или даже кончиком носа). Результаты нейрофизиологических наблюдений позволяют, с одной стороны, объяснить неэффективность попыток зрячих людей читать тексты по Брайлю посредством осязания, а с другой - демонстрируют феноменальную пластичность мозга в реализации компенсаторных процессов. Весьма вероятно, что для дополнительной обработки тактильных и слуховых сигналов задействуются не только «классические» зрительные поля коры (т. е. 17е, 18-е и 19-е по Бродману), но и многие другие, дистантно отдаленные, поскольку в норме для обработки зрительной информации, как стало недавно известно [6], мозг использует тридцать два (!) поля, иначе говоря, большую часть коры.

На начальных этапах обучения детей чтению и письму по Брайлю в специализированной школе исследователи отмечают, что учащиеся с остаточным зрением осваивают навыки работы с выпуклым шрифтом обычно медленнее, чем ученики тотально незрячие. Возможно, в свете приведенных выше нейрофизиологических данных это объясняется тем обстоятельством, что еще частично функционирующая зрительная кора в достаточной степени «не подключается» к анализу тактильных сигналов, как это происходит у давно (или от рождения) и полностью слепых детей. Преподаватели отмечают также, что успехи в обучении чтению и письму по Брайлю существенно коррелируют с развитием тонкой моторики, точности координации движений и навыками восприятия пространства. Учащиеся с недостаточной степенью развития этих функций испытывают трудности в овладении навыками чтения и письма по Брайлю. У таких детей характерны также сложности с дифференцировкой букв, имеющих сходную, но «зеркальную» конфигурацию в расположении информативных выпуклых точек (например, буквы в, р, и ,е, с, ш).

Примечательно, что учащиеся младших классов, страдающие дефектами речи (заикание, алалия, дизартрия), нередко испытывают трудности и при освоении чтения и письма по Брайлю, а также при реализации уже казалось бы хорошо усвоенных навыков. Так, им обычно трудно инициировать процесс чтения, но после его начала дальнейшие этапы чтения особых трудностей не вызывают. Очевидно, эти факты правомерно связать с недостаточностью развития у таких детей «общемозговых систем», что отражается нарушением вербальной деятельности и распространяется на навыки письма и чтения (когда используются тактильные и моторно-кинестетические функции).

Еще одно интересное наблюдение, сделанное дефектологом, обучающим чтению и письму по Брайлю, при работе с учениками-левшами. Оказывается, эти дети устойчиво предпочитают писать по Брайлю правой, а не левой рукой, хотя

рисуют - левой. Эти сведения заслуживают специального нейрофизиологического анализа.

Если попытаться проанализировать современные нейрофизиологические данные об организации системной деятельности мозга у детей, подростков и взрослых и сопоставить их с результатами наблюдений (пока сравнительно немногочисленными, но выполненными на высоком методическом уровне), которые посвящены особенностям функционирования коры больших полушарий у незрячих, то выявляется не только феномен стереотипного перераспределения афферентных потоков у лиц, давно утративших зрение, но и сведения, позволяющие серьезно обсуждать наличие у слепых некоторых дополнительных резервов в анализе речевой информации и высших форм вербальной памяти. Может быть в этом обстоятельстве - ключ к ответу на вопрос: почему же при столь драматическом снижении афферентного сенсорного потока развивающиеся в мозгу компенсаторные процессы столь эффективны, что среди незрячих лиц впечатляюще обширен список выдающихся людей, писателей, профессоров и даже членов академий?

Так, в работе Amedi et all. [10, 11] приводятся сведения о результатах исследования десяти слепых от рождения людей с помощью функционального магнитного томографа (fMRI). Они обнаружили, что при чтении испытуемыми текста по Брайлю, так же как и в период продуцирования ими вербальной информации и даже при выполнении вербально-мнестического теста в условиях полного отсутствия сенсорной нагрузки, выявляется четкая активация зрительных полей коры в затылочной области. Более того, выяснилось, что процесс чтения по Брайлю активировал преимущественно передние отделы зрительных полей, тогда как вербально-мнестическая деятельность (в том числе и в условиях отсутствия сенсорного воздействия) вызывала усиление активности преимущественно задних отделов затылочной области. Было также обнаружено, что наиболее высокий уровень активации этих отделов коррелировал со сложностью вербально-мнестической задачи. Это позволило авторам сделать вывод, что выявленное ими дополнительное усиление активности затылочных отделов может играть роль своего рода функционального резерва, который используется слепыми при обработке наиболее сложных вербальных памятных следов. Важно, что результаты исследований, проведенных этими авторами с контрольной группой зрячих испытуемых, не показали каких-либо существенных изменений активности в затылочных областях коры.

Таким образом, есть основания полагать, что у детей и взрослых, давно утративших зрение, не только существенно улучшается центральная обработка тактильных сигналов за счет рекруитированния первичных и вторичных зрительных полей коры [11, 14, 13], но и появляются дополнительные функциональные возможности для более успешной вербально-мнестической деятельности. Очевидно, мозг слепого ребенка по сравнению с глухим развивается значительно эффективнее не только под влиянием своевременной и полноценной речевой коммуникации со взрослыми и со сверстниками (что, безусловно, стимулирует формирование многих корковых полей и межрегиональных связей!), но и благодаря резервам кросс-модальной пластичности корковых полей. Следовательно, высшие специфически человеческие функции у незрячего могут успешно реализовываться благодаря использованию того функционального резерва, который обеспечивает «подключение» к процессам центральной обработки как памятных следов, так и полисенсорных, а также вербальных сигналов обширных и богатых ипсилатеральными и контрлатеральными связями затылочных полей,

«свободных» от запрограммированной природой обработки оптической

информации. Принимая во внимание широкое представительство нервных структур коры и глубоких отделов мозга, связанных с обработкой зрительных сигналов (напоминаем, что большая часть корковых полей прямо или косвенно обслуживает зрение!), можно предполагать наличие у незрячих лиц функциональных резервов церебральной пластичности, которые не ограничиваются рекруитированием 17-19 (по Бродману) корковых полей, но способны использовать многие другие отделы мозга.

Естественно, возникает вопрос: если столь демонстративно проявляются пластические свойства мозга при зрительной депривации и мозг незрячего приобретает особые свойства (что позволяет существенно расширить его функциональные возможности), то почему то же самое не происходит у глухих? Очевидно, это объясняется двумя обстоятельствами. Во-первых, «классические» слуховые поля занимают значительно меньшую площадь коры больших полушарий мозга, чем зрительные. А во-вторых, многие отделы коры, обслуживающие зрение, связаны одновременно и с обработкой речевых сигналов, и поэтому соответствующие области коры у глухих развиты, очевидно, в недостаточной степени.

Исследования феноменальной способности мозга перестраивать свои функциональные способности, используя пластичность, были выполнены с применением fMRI на 47 испытуемых. Наблюдения продолжались в течение шести дней. Испытуемым на пять дней надежно завязывали глаза, эта оптическая депривация поддерживалась непрерывно и строго контролировалась. Ежедневно, в течение шести часов каждого испытуемого интенсивно обучали чтению по Брайлю. В остальное время испытуемые имели возможность тренировать свои тактильные навыки на других объектах. Несмотря на сравнительно небольшую продолжительность зрительной депривации и ограниченность периода тренировок, оказалось, что, с одной стороны, испытуемые уже в первые дни наблюдений стали делать заметные успехи в освоении навыков чтения руками по Брайлю, а с другой стороны, в затылочных полях коры появлялись и постепенно нарастали признаки усиления локальной активации. Интенсивность уровня процесса активации различных корковых полей с большой разрешающей способностью ежедневно на количественном уровне оценивалась во время чтения руками.

Контрольные исследования, проведенные на пятые сутки исследования, показали четко выраженное повышение уровня активации непосредственно при проведении теста (чтение пальцами незнакомого текста по Брайлю) в районе шпорной борозды как в левом, так и в правом полушарии. Таким образом, при интенсивном использовании тактильного анализатора на фоне тотальной, но непродолжительной зрительной депривации (и с учетом интенсивных тренировок!) удалось выявить атипичное перераспределение сенсорного потока за счет пластичности мозга и поступление тактильных сигналов не только в заднюю центральную извилину (где, как известно, локализуются соматосенсорные корковые поля), но и в первичные зрительные поля коры. Примечательно, что в районе островка с двух сторон и в области левой средне-теменной борозды одновременно с усилением активности в затылочных областях было зарегистрировано не увеличение, а уменьшение активности.

Этой группой авторов было также обнаружен интересный феномен. Если в процессе тестирования (чтение руками по Брайлю) испытуемого облучали направленным электромагнитным полем - активность затылочных областей уменьшалась, а успешность выполнения задания ухудшалась. Очевидно, этот факт может указывать на высокую чувствительность процессов пластичности и способности мозга к перераспределению сенсорных потоков к

экстерорецепторному воздействию. Выявленные закономерности в эволюции функциональных возможностей мозга по мере его возрастного развития [7, 8, 5,

12] позволяют предполагать, что для полноценной реализации любых достаточно сложных нервно-психических процессов, в частности для обеспечения вербально-мнестической деятельности, необходим не только достаточный уровень сформированности корковых и подкорковых структур, непосредственно связанных с центральной регуляцией той или иной функции, но и сообразная с возрастом зрелость нервных центров, нервных путей и интегративных механизмов мозга, ответственных за пространственно-временную организацию его системной деятельности. Особое место принадлежит филогенетически самым молодым нижне-теменным и лобным [1] отделам мозга. В полной мере требование о достаточном уровне зрелости «общемозговых механизмов» как непременном условии для нормального обеспечения любой специализированной функции распространяется на развитие речи у детей. Было бы глубоким анахронизмом в наши дни утверждать, что речевосприятие и речепродукция зависит лишь от центров Вернике и Брока. В центральном обеспечении этих функций несомненно участвуют в той или другой степени все или почти все корковые поля, хотя завершение процессов созревания нейрофизиологических механизмов, ответственных за регуляцию восприятия различных уровней языка, завершается в разные сроки: в начале для фонетического уровня, позже для семантического и грамматического [3].

Гетерохронность становления церебральных функций в постнатальном онтогенезе у детей и подростков - нормальная закономерность, изученная во многих деталях. Однако в современной школе для незрячих и слабовидящих детей весьма вероятно представительство значительного количества учащихся с поражением не периферических отделов зрительного анализатора, а его центральных звеньев. Эти нарушения нередко сочетаются с дефектом морфофункционального развития различных церебральных структур и требует целенаправленной медико-педагогической коррекции.

Субклиническими формами проявлений нарушения процессов центральной регуляции могут быть нарушения моторики (гиперактивность, затруднения координации и пространственного восприятия, легкие формы гиперкинезов), нарушения поведения и эмоциональная неустойчивость. Подобные нарушения, конечно, довольно часто встречаются и среди учащихся нормальной школы. Однако при работе с учащимися школы слепых дефекты, связанные с нарушением или задержкой развития центральных регуляторных организмов, могут с большой долей вероятности сказаться на ограничении возможности использования той замечательной пластичности мозга, которая помогает незрячему ребенку осваивать навыки чтения и письма по Брайлю и более успешно адаптироваться к миру видящих. Может быть, именно поэтому в послевоенные годы, когда среди учащихся школ для незрячих доминировали военноослепшие (с локальным поражением глаз при полной сохранности мозга), количество выдающихся талантов из числа выпускников этих школ было весьма значительным.

Для объективной оценки функционального состояния мозга, определения уровня возможной ретардации, а в некоторой степени и для выявления потенциальных возможностей развития компенсаторных процессов у незрячих детей адекватным приемом можно считать анализ пространственно-временных отношений колебаний биопотенциалов коры больших полушарий. Ниже приводятся краткие сведения о предварительных результатах электрофизиологических наблюдений, выполненных сотрудниками Лаборатории нейрофизиологии ребенка на группе учащихся школы-интерната № 1 имени К.К.

Грота для слепых и слабовидящих детей. Для регистрации ЭЭГ использовался компьютерный электроэнцефалограф с полосой пропускания) 0,3-30 Гц и частотой дискретизации - 185 в секунду.

ЭЭГ регистрировалась от 20 стандартных монополярных отведений с усредненным электродом от мочек обоих ушей. После исключения артефактов производился автоматизированный корреляционный анализ ЭЭГ. Уровень корреляции каждой пары отведений ЭЭГ подсчитывался в последовательных эпохах анализа продолжительностью по 4 секунды. Общее количество эпох анализа при каждом из состояний - от 40 до 50. Полученная при проведении функциональных нагрузок корреляционная матрица ЭЭГ сопоставлялась с результатами анализа ЭЭГ, зарегистрированными в состоянии покоя с закрытыми глазами.

После обработки данных результаты наблюдений визуализировались в удобной для анализа форме - в виде карт с абсолютными (без учета знака изменений значения коэффициентов корреляции) и относительными (с учетом знака) показателями зарегистрированных изменений. Кроме того, определялся вклад каждого отведения ЭЭГ в формирование общей структуры поля биопотенциалов мозга и строились схемы, отражающие изменение (в сторону усиления или ослабления уровня корреляции) в процесс проведения функциональной нагрузки, например, при выполнении учащимся задания -«чтение по Брайлю».

В своем исследовании мы попытались выявить особенности организации системной деятельности мозга у незрячих детей в процессе чтения по Брайлю по сравнению с пространственной организацией межрегиональных связей корковых полей при чтении глазами. При чтении глазами четко прослеживается активация височных отделов левого полушария. Чтение по Брайлю также сопровождается активацией «речевых центров» (т. е. нижнелобные и задневисочные отведения левого полушария), несмотря на изменение сенсорного входа. Это наблюдение можно рассматривать как отражение доминантности процесса чтения в системе организации системной деятельности мозга. С другой стороны, выполнение стереогностических тестов незрячими и слабовидящими детьми сопровождается активацией центральных отделов, соответствующих соматосенсорным полям коры.

Анализ данных, полученных при исследовании организации системной деятельности мозга на основе изучения динамики пространственно-временных отношений колебаний биопотенциалов мозга у зрячих детей младшего школьного возраста [4] и у слепых детей того же возраста при выполнении стереогностического теста, показал, что по сравнению с фоном при такой функциональной нагрузке регистрируется статистически достоверное усиление контрлатеральных связей, особенно между височными областями коры. Примечательно, что если при выполнении стереогностического теста левой или правой рукой зрячими детьми 8-9-летнего возраста различия мало выражены (максимальные различия коэффициента корреляции ЭЭГ не превышает 0,02), то у незрячих детей того же возраста эти значения достигают уровня 0,17, т. е. оказываются весьма существенными.

При чтении текста по Брайлю незрячими детьми младшего школьного возраста отмечается не только усиление контрлатеральных связей, но и некоторое ослабление ипсилатеральных связей, что может быть связано с изменением пространственно-фазовых отношений колебаний биопотенциалов мозга и, возможно, отражает усиление уровня активации и перераспределение зон коры с оптимальным уровнем возбудимости.

Таким образом, анализ литературных данных, а также полученные нами предварительные данные позволяют полагать, что незрячие дети, освоившие чтение по Брайлю, используют такие компенсаторные возможности мозга, которые, в принципе, недоступны зрячим.

Список литературы

1. Гольдберг Э. Управляющий мозг: Лобные доли, лидерство и цивилизация / пер. с англ. Д. Бугакова. - М.: Смысл, 2003. - 335 с.

2. Цапарина Д.М., Цицерошин М.Н, Шеповальников А.Н Возрастные особенности формирования нейрофизиологических механизмов обеспечения различных уровней языка: фонематического, грамматического и семантического // Физиология человека. - 2008. - Т. 34. - № 5. - С. 13-25.

3. Гальперина Е.И. Возрастные особенности системной реорганизации пространственно-временных отношений биопотенциалов мозга у детей и взрослых при различных видах деятельности: автореф. дис. ... канд. биол. наук. СПб., 2003.

4. Черниговская Т.В. Зеркальный мозг, концепты и язык: цена антропогенеза // Российский физиологический журнал им. И.М.Сеченова РАН М. - 2006. - Т. 92. -№ 1.

5. Шевелев И.А., Материалы I съезда физиологов СНГ. - М., 2005.

6. Шеповальников А.Н. Анализ пространственно-временной организации ЭЭГ - путь к познанию нейрофизиологических механизмов интегративной деятельности мозга // Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова. -2007. - Т. 57. - № 6. - С. 673-683.

7. Шеповальников А.Н. Цицерошин М.Н. Эволюционные аспекты становления интегративной деятельности мозга человека Российский физиологический журнал имени. И.М. Сеченова. - 1999. - Т. 85. - № 9-10. - С. 1187-1207.

8. Amedi A; Jacobson G; Hendler T; Malach R; Zohary E. Convergence of visual and tactile shape processing in the human lateral occipital complex. Cereb Cortex. 2002; 12:1202-1212.

9. Amedi A; Raz N; Pianka P; Malach R; Zohary E. Early ‘visual’ cortex activation correlates with superior verbal memory performance in the blind. Nat Neurosci. 2003;6:758-766.

10. Cohen LG, Celnik P, Pascual-Leone A, Corwell B, Falz L, Dambrosia J, Honda M, Sadato N, Gerloff C, Catala MD, Hallett M. Functional relevance of cross-modal plasticity in blind humans. Nature. 1997. Sep 11;389(6647):180-3.

11. Fox M.D., Snyder A.Z., Vincent J.L., Corbeta M., van Essen D.C. Raichle M.E. The human brain is intrinsically organized into dynamic, anticorrelated functional networks // PNAS, July 2005 V.102, No.27, 9673-9678.

12. Merabet LB, Rizzo JF, Amedi A, Somers DC, Pascual-Leone A .What blindness can tell us about seeing again: merging neuroplasticity and neuroprostheses. Nat Rev Neurosci. 2005.

Jan;6(1):71-7.

13. Merabet L; Thut G; Murray B; Andrews J; Hsiao S, et al. Feeling by sight or seeing by touch? Neuron. 2004; 42:173-179.

14. Merabet LB; Swisher JD; McMains SA; Halko MA; Amedi A, et al. Combined activation and deactivation of visual cortex during tactile sensory processing. J Neurophysiol. 2007;97:1633-1641.

15. Merabet LB, Hamilton R, Schlaug G, Swisher JD, Kiriakopoulos ET, Pitskel

NB, Kauffman T, Pascual-Leone A.Rapid and reversible recruitment of early visual cortex for touch. PLoS

ONE. 2008. Aug 27;3(8):e3046.