Связь гамма-колебаний с уровнем интеллекта и точностью восприятия времени

ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

№ 321 Апрель 2009

БИОЛОГИЯ

УДК 612. 821.3:51-76

Ю.В. Бушов, М.В. Светлик, Е.П. Крутенкова

СВЯЗЬ ГАММА-КОЛЕБАНИЙ С УРОВНЕМ ИНТЕЛЛЕКТА И ТОЧНОСТЬЮ

ВОСПРИЯТИЯ ВРЕМЕНИ

Настоящее исследование выполнено при финансовой поддержке гранта РГНФ №07-06-00167а.

Обнаружена связь показателей интеллекта и точности восприятия времени с уровнем корковых взаимодействий на частоте гамма-ритма. Установлено, что характер этих связей отличается у юношей и девушек, зависит от состояния человека, частотного диапазона гамма-ритма и способа шкалирования интервалов времени. Полученные данные позволяют предположить, что индивидуальные различия уровня интеллекта и точности восприятия времени могут быть связаны с разной способностью нейронов к функциональному объединению путем синхронизации их активности на частоте гамма-ритма.

Ключевые слова: интеллект; гамма-ритм; корковые взаимодействия; восприятие времени.

Изучение нейрофизиологических основ интеллекта является серьезной фундаментальной проблемой. Ее решение имеет важное значение для понимания самой природы интеллекта и формирования на этой основе новых методов повышения интеллектуальных способностей человека, создания искусственного интеллекта.

В то же время однозначного ответа на вопрос о том, какие нейрофизиологические механизмы и какие особенности ЭЭГ связаны с интеллектом, нет. Кроме того, значительная часть исследований в этой области направлена на изучение взаимосвязи интеллекта с основными ритмами ЭЭГ частотой от 0,5 до 30 Гц. Вместе с тем известно, что когнитивные процессы (внимание, память, мышление и др.), непосредственно связанные с интеллектом, сопровождаются усилением электрической активности мозга в диапазоне гамма-ритма [1-4]. Поскольку частотные характеристики гамма-ритма близки к импульсной активности нейронов, многие исследователи считают, что пространственная синхронизация их активности на частоте гамма-ритма отражает взаимодействие между нейронными популяциями, включение их в совместную деятельность.

Все это позволяет предположить наличие определенной связи между активностью головного мозга на частоте гамма-ритма, с одной стороны, и показателями интеллекта и успешностью выполнения различных видов интеллектуальной деятельности - с другой. Вместе с тем анализ литературы свидетельствует о том, что специальные исследования в этом направлении фактически не проводились. В связи с этим целью настоящего исследования явилось изучение взаимосвязи показателей интеллекта и точности восприятия времени с уровнем корковых взаимодействий на частоте гамма-ритма.

В задачу исследования входило:

- изучить взаимосвязь показателей интеллекта и точности восприятия времени с уровнем корковых взаимодействий в частотных диапазонах ЭЭГ 30-40 Гц, 40-49 Гц, 51-60 Гц и 61-70 Гц.

- изучить зависимость указанных связей от состояния и индивидуальных особенностей человека, способа шкалирования интервалов времени и частоты гамма-ритма.

Методика

В качестве модели интеллектуальной деятельности испытуемым предлагали деятельность, связанную с

восприятием коротких интервалов времени. Для решения поставленных задач проведены 2 серии наблюдений с репродукцией и отмериванием коротких интервалов времени (200 и 800 мс) при наличии и в отсутствии обратной связи о результатах деятельности. В исследованиях участвовали добровольцы, практически здоровые юноши (11 человек) и девушки (7 человек) в возрасте от 18 до 22 лет, учащиеся томских вузов. ЭЭГ записывали монополярно с помощью 24-канального энцефалографа-анализатора «Эн-цефалан-131-03» в 15 отведениях по системе 10-20%: F3, F4, Fz, C3, C4, C5, C6, Cz, P3, P4, P5, P6, Pz, O1, O2. Объединенный референтный электрод устанавливался на мочки левого и правого уха испытуемого, а земляной фиксировался на запястье правой руки. Запись ЭЭГ осуществлялась в покое при закрытых и открытых глазах (не менее 20 с) в начале и в конце опыта, а также при восприятии времени. С целью исключения артефактов, связанных с движением глаз, регистрировали электроокулограмму. При вводе аналоговых сигналов в ЭВМ частота дискретизации составляла 250 Гц.

Интервалы времени в одной серии задавались невербальными стимулами (светлый квадрат со стороной 2 см, появляющийся в центре затемненного экрана монитора), в другой - цифрами (при отмеривании длительности). В качестве сигнала обратной связи использовали выраженную в процентах относительную ошибку репродукции или отмеривания заданного интервала времени. Сигнал ошибки появлялся на 1 с на экране монитора, спустя секунду после воспроизведения или отмеривания каждого интервала времени. При этом размер цифр, характеризующих величину и знак относительной ошибки воспроизведения (отмеривания), соответствовал шрифту 16 в редакторе Word. О точности репродукции или отмеривания интервалов времени судили по величине и модулю относительной ошибки воспроизведения (отмеривания). Интервалы времени предъявлялись многократно и в случайном порядке. Их длительность воспроизводилась и отмеривалась двойным нажатием на клавишу пробел.

В ходе предварительного обследования с помощью графического, математического и лингвистического тестов Г. Айзенка исследовали вербальный (ВИ) и невербальный интеллект (НИ) [5].

Для анализа выбирали 4-секундные отрезки записи ЭЭГ, лишенные артефактов. Выбранный участок ЭЭГ обязательно включал этап предъявление стимула, этап отмеривания или воспроизведения заданного интервала времени, а, в случае режимов с обратной связью, также этап предъявление сигнала ошибки. О пространственной синхронизации электрической активности мозга на различных частотах гамма-ритма судили по результатам когерентного анализа. При этом подсчитывали средние значения функций когерентности в частотных диапазонах ЭЭГ 30-40 Гц, 40-49 Гц, 51-60 Гц и 61-ТО Гц. При анализе связей между уровнем корковых взаимодействий, показателями интеллекта и точности восприятия времени подсчитывали ранговый коэффициент корреляции Спирмена (ККС). Статистическую обработку результатов проводили с помощью пакета прикладных программ «81аИ8Йса-6.0».

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты изучения взаимосвязи показателей интеллекта с уровнем корковых взаимодействий на частоте гамма-ритма. В состоянии спокойного бодрствования характер корреляций НИ, который оценивался

с помощью графического теста, с уровнем корковых связей на частотах гамма-ритма у мужчин и женщин не одинаков. У мужчин значимые корреляции этих показателей обнаружены практически во всех исследуемых частотных диапазонах ЭЭГ. При этом у мужчин в диапазоне 30-40 Гц НИ положительно коррелирует с уровнем правополушарной когерентности и когерентными связями между областью вертекса и областями коры правого полушария, а в диапазоне 61-70 Гц - с межполушарной когерентностью и когерентными связями между зоной вертекса и корковыми областями правого полушария. В диапазоне 40-49 Гц и 51-60 Гц преобладают отрицательные корреляции НИ с уровнем когерентности в левом полушарии. Отрицательные корреляции НИ обнаружены также с когерентными связями между областью вертекса и различными зонами коры левого полушария (рис. 1).

У женщин в состоянии спокойного бодрствования значимые корреляции НИ с уровнем когерентности обнаружены только в двух диапазонах: 30-40 Гц и 4049 Гц. По сравнению с мужчинами, эти корреляции немногочисленны (4), в основном положительные и касаются связей между областью вертекса и различными корковыми областями правого полушария.

Рис. 1. Корреляция невербального интеллекта с уровнем корковых связей на частотах гамма-ритма в состоянии спокойного бодрствования у мужчин: А - в частотном диапазоне 30-40 Гц; Б - 40-49 Гц; В - 51-60 Гц; Г - 61-70 Гц. Сплошной линией показаны корковые связи, с которыми обнаружены статистически значимые положительные корреляции невербального интеллекта, пунктирными - отрицательные корреляции

При восприятии времени у мужчин обнаружена преимущественно положительная корреляция НИ с уровнем корковых связей на частотах гамма-ритма. Для всех режимов восприятия времени характерно заметное увеличение числа значимых корреляций с повышением частоты гамма-ритма до 51-60 Гц. В диапазоне 61-70 Гц наблюдается некоторое снижение числа значимых корреляций между изучаемыми показателями. Во всех режи-

мах восприятия времени наибольшее количество значимых корреляций обнаружено между НИ и уровнями межполушарной и правополушарной когерентности. Сравнение различных режимов восприятия времени показало, что максимальное число значимых корреляций между НИ и показателями когерентности наблюдается при репродукции интервалов времени в отсутствии и при наличии обратной связи о результатах деятельности,

а минимальное - при отмеривании длительности тех же интервалов без обратной связи (рис. 2).

У женщин, как и у мужчин, корреляции между НИ и показателями когерентности в основном положительные,

но количество этих корреляций значительно меньше. В частности оказалось, что при восприятии времени без обратной связи о результатах деятельности количество корреляций меньше, чем при ее наличии (рис. 3).

Рис. 2. Корреляция невербального интеллекта с показателями когерентности при восприятии времени у мужчин.

На оси ординат отложена доля значимых коэффициентов корреляции Спирмена в процентах от максимально возможного их числа. Горизонтальные линии на рисунках соответствуют уровням 20, 40, 60, 80 и 100%.

I - доля значимых корреляций интеллекта с уровнем левополушарных связей; г - доля значимых корреляций интеллекта с уровнем правополушарных связей; г—1 - доля значимых корреляций интеллекта с уровнем межполушарных связей;

V— - доля значимых корреляций интеллекта с уровнем связей между областью вертекса и корковыми областями левого полушария; у—г - доля значимых корреляций интеллекта с уровнем связей между областью вертекса и корковыми областями правого полушария

Рис. 3. Корреляция невербального интеллекта с показателями когерентности при восприятии времени у женщин

Значимые корреляции между ВИЬ который оценивался по результатам лингвистического теста, и показателями когерентности в состоянии спокойного бодрствования как у мужчин, так и у женщин единичны -их значительно меньше, чем с НИ.

При восприятии времени характер корреляций ВИ1 с показателями когерентности у мужчин и женщин отличается. У мужчин во всех исследованных режимах восприятия времени наибольшее количество значимых корреляций наблюдается в диапазоне 61-70 Гц, а при отмеривании длительности с обратной связью - еще и в диапазоне 51-60 Гц (рис. 4).

У женщин при воспроизведении длительности без обратной связи в трех из четырех исследованных частотных диапазонах (исключение - диапазон 40-49 Гц) обнаружены значимые корреляции между ВИ1 и пока-

зателями когерентности. При воспроизведении длительности с обратной связью, наибольшее количество значимых корреляций наблюдается в частотных диапазонах 40-50 Гц и 51-60 Гц. Это характерно для всех исследуемых корковых областей. При отмеривании длительности без обратной связи наблюдается та же картина, что и при воспроизведении длительности с обратной связью, но количество значимых корреляций в диапазоне 40-50 Гц несколько выше, а в диапазоне 30-40 Гц, наоборот, ниже. При отмеривании длительности с обратной связью о результатах деятельности наибольшее количество значимых корреляций обнаружено в диапазонах 61-70 Гц и 40-49 Гц. Причем, чем выше ВИ1, тем выше уровень когерентности в левом полушарии и выше уровень связей между вертексом и корковыми областями левого полушария (рис. 5).

Рис. 4. Корреляция вербального интеллекта

Рис. 5. Корреляция вербального интеллекта

В состоянии спокойного бодрствования количество значимых корреляций между ВИ2, который оценивался по результатам математического теста, и показателями когерентности как у мужчин, так и у женщин невелико.

Однако у мужчин в диапазоне 60-70 Гц наблюдается большее количество значимых корреляций, особенно с межполушарными связями. У женщин значимые корреляции между ВИ2 и показателями меж-полушарной когерентности наблюдаются, как и у мужчин, в диапазонах 61-70 Гц, а также в диапазоне 40-50 Гц.

Как у мужчин, так и у женщин количество значимых корреляций между ВИ2 и уровнем когерентности при восприятии времени невелико (рис. 6, 7).

У мужчин относительно большое количество значимых корреляций между ВИ2 и уровнем когерентности наблюдается при воспроизведении длительности с обратной связью в частотном диапазоне 61-70 Гц (рис. 6).

У женщин больше значимых корреляций между ВИ2 и показателями межполушарной когерентности в диапазоне 51-60 Гц. У них же больше корреляций ВИ2 с когерентными связями между разными областями коры в диапазоне 61-70 Гц (рис. 7).

Рис. 6. Корреляция вербального интеллекта

Воспроизв едение без обратной связи

ПП н

ЛИ.

30-40 40-49 51-60 61-70

Частотные диапазоны, Гц

в I

г  к

V-!

н v-r

а

Отмеривание без обратной св язи

30-40 40-49 51-60 оі-

Частотные диапазоны, Гц

61-70

0 I

г  к

V-!

н v-r

Воспроизв едение с обратной св язью

30-40 40-49 51-60 61-70

Частотные диапазоны, Гц

0 I

г  к

V-! н у-Г

Отмеривание с обратной связью

У  I

а -О  г

гг  к

X со сс  V-!

и п - я гШ ЕІЬта ы у-г

30-40 40-49 51-60 61-70 Частотные диапазоны, Гц

Рис. 7. Корреляция вербального интеллекта

Таким образом, проведенные исследования позволили обнаружить наличие статистически значимых

корреляций между показателями вербального и невербального интеллекта и уровнем корковых связей на

частотах гамма-ритма. Оказалось, что характер указанных связей отличается в состоянии спокойного бодрствования и при восприятии времени, зависит от пола, вида выполняемой деятельности и частотного диапазона гамма-ритма. Полученные данные хорошо согласуются с работами ряда авторов [6-9], в которых обнаружена зависимость корковых взаимодействий от состояния и индивидуальных особенностей человека, от вида и этапа выполняемой деятельности в частотном диапазоне ЭЭГ от 0,5 до 30 Гц. Однако в отличие от ранее полученных данных [9], при восприятии времени нами обнаружена преимущественно положительная корреляция вербального и невербального интеллекта с уровнем корковых связей на частотах гамма-ритма. Характер обнаруженных корреляций свидетельствует о том, чем выше уровень интеллекта, тем сильнее выражена пространственная синхронизация электрической активности мозга на этих частотах. Полученные данные указывают на особую роль гамма-ритма в формировании интеллектуальных способностей человека.

Изучение взаимосвязи точности восприятия времени с уровнем корковых взаимодействий на частоте гамма-ритма. Проведенный анализ показал, что точность восприятия интервалов времени длительностью 200 и 800 мс статистически значимо связана с уровнем корковых взаимодействий на частотах гамма-ритма. Характер

этих связей зависит от частотного диапазона гамма-ритма, от способа шкалирования интервалов времени, а также от наличия или отсутствия обратной связи о результатах деятельности. Так, например, у мужчин значимые положительные корреляции уровня корковых связей с модулем относительной ошибки репродукции интервала 200 мс наблюдаются в трех частотных диапазонах ЭЭГ (30-40 Гц, 40-49 Гц и 51-60 Гц) и только при воспроизведении длительности этого интервала без обратной связи о результатах деятельности (рис. 8). При этом в диапазоне 30-40 Гц количество корреляций наибольшее во всех исследуемых областях коры, а в диапазоне 40-50 Гц наблюдается корреляция модуля относительной ошибки репродукции указанного интервала с уровнем левополушарной когерентности.

Корреляционный анализ в частности показал, что на разных частотах гамма-ритма и в разных режимах восприятия времени могут наблюдаться как положительные, так и отрицательные корреляции между уровнем корковых связей и точностью восприятия времени. Эти результаты не совпадают с ранее полученными данными о преимущественно положительной корреляции указанных показателей в частотном диапазоне ЭЭГ от 0,5 до 30 Гц [9]. Возможно, эти отличия обусловлены разной функциональной значимостью высокочастотных и низкочастотных составляющих ЭЭГ.

р

и

30-40

Воспроизведение 200 мс Сез обратной связи

“

—

1 .п !Ъ П

si

г  1-г

v-l av-r

40-50 51-60

Частотные диапазоны, Гц

61-70

Рис. 8. Корреляция модуля относительной ошибки репродукции интервала 200 мс с показателями когерентности у мужчин

Таким образом, проведенные исследования выявили отчетливые связи показателей интеллекта и точности восприятия времени с уровнем корковых взаимодействий на частотах гамма-ритма.

Установлено, что характер этих связей отличается у юношей и девушек, зависит от состояния человека, частотного диапазона гамма-ритма и способа шкалирования интервалов времени.

Важно отметить, что при разных режимах восприятия времени обнаружена преимущественно положительная корреляция показателей вербального и невербального интеллекта с уровнем внутри- и межполушарной когерентности на частотах гамма-ритма. Эти данные свиде-

тельствуют о том, чем выше уровень интеллекта, тем сильнее выражена пространственная синхронизация электрической активности мозга на частотах гамма-ритма.

Полученные данные позволяют предположить, что индивидуальные различия уровня интеллекта и точности восприятия времени могут быть связаны с разной способностью нейронов к функциональному объединению путем синхронизации их активности на частоте гамма-ритма. В пользу этого свидетельствуют и некоторые литературные данные. В частности, при различных дегенеративных заболеваниях и старении, которые сопровождаются снижением умственных способностей, наблюдается снижение мощности гамма-ритма.

ЛИТЕРАТУРА

1. Данилова Н.Н., Астафьев С.В. Внимание человека как специфическая связь ритмов ЭЭГ с волновыми модуляторами сердечного ритма

// Журнал высшей нервной деятельности. 2000. Т. 50, вып. 5. С. 791-803.

2. Singer W. Response synchronization of cortical neurons: an epiphenomenon or solution to the binding problem? // Ibro News. 1991. Vol. 19, № 1.

P. 6-7.

3. CrickF., Косh Ск. Ате wе aware оf пєш^ асіїуіїу in рпта^ visual согїех? // Nature. 1995. Vol. 375, № 11. Р. 121-123.

4. Риіуегтиііег F., Friessl Н., ЬШгеше^ег W. 8ресга! responses in the gamma-band: рhуsiologiса1 signs of hidher cognitive processes? // Neuro

Rероrt. 1995. Vol. 6. Р. 2057-2064.

5. Айзенк Г.Ю. Классические IQ тесты. М.: ЭКСМО-Пресс, 2001. 192 с.

6. СвидерскаяН.Е. Синхронная электрическая активность мозга и психические процессы. М.: Наука, 1987. 156 с.

7. Свидерская Н.Е., Королькова Т.А. Влияние свойств нервной системы и темперамента на пространственную организацию ЭЭГ // Журнал

высшей нервной деятельности. 1996. Т. 46, № 5. С. 849-858.

8. Свидерская Н.Е., Королькова Т.А. Пространственная организация ЭЭГ и индивидуальные психологические характеристики // Журнал выс-

шей нервной деятельности. 1996. Т. 46, № 4. С. 689-698.

9. Бушов Ю.В., Ходанович М.Ю., Иванов А.С, Светлик М.В. Системные механизмы восприятия времени. Томск: Изд-во ТГУ, 2007. 150 с.

Статья представлена научной редакцией «Биология» 18 ноября 2008 г.