Ээг-анализ возрастных особенностей влияния произвольной релаксации на когнитивную деятельность у детей 10-12 лет

ЭЭГ-АНАЛИЗ ВОЗРАСТНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ВЛИЯНИЯ ПРОИЗВОЛЬНОЙ РЕЛАКСАЦИИ НА КОГНИТИВНУЮ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ У ДЕТЕЙ 10-12 ЛЕТ

А.С. Горев1

ФГБНУ «Институт возрастной физиологии Российской академии образования», Москва

В двух группах подростков 10-11 и 11-12 лет исследовалась способность к произвольной регуляции функционального состояния (релаксация). Показано, что даже неглубокая релаксация оказывает позитивное влияние на функциональное состояние ЦНС, что проявляется в улучшении в пострелаксационном состоянии произвольного внимания и кратковременной памяти. В группе подростков 10-11 лет этот эффект выражен сильнее. У подростков 10-11 лет более выражены и изменения в организации биоэлектрической активности коры головного мозга ( высокочастотный диапазон альфа-полосы) при произвольном внимании на пострелаксационном фоне по сравнению с дорелаксационным. В обеих группах отмечается повышение уровня когерентности по связям лобных отделов коры мозга с каудальными областями. В группе 10-11 лет усиление кортико-кортикальных связей сопровождается появлением фокусов в лобных областях и нижневисочной области левого полушария.

Ключевые слова: функциональное состояние, релаксация, ЭЭГ, возрастные особенности, произвольное внимание, кратковременная память.

Age-specific neurophysiological basis of voluntary regulation of functional state in children aged 10-12. In two aged groups 10-11 and 11-12 years we studied the ability to control the functional state (relaxation). It was shown that even a slight relaxation can positively affect the functional state of the central nervous system resulting in the improvement of voluntary attention and short-term memory during the post relaxation period. In group 10-11 years the effect was more pronounced. In schoolchildren aged 10-11 changes in organization bioelectrical activity brain cortex (high frequency EEG alpha-range) during the post relaxation period(as compared to before relaxation) are more pronounced. In both groups there is an increase in the coherence of the frontal and caudal regions. In schoolchildren aged 10-11 there is and strengthening of the cortico-cortical connectivity between the central areas focused on the frontal and the left hemisphere inferior temporal regions.

Keywords: functional state, relaxation, EEG, age specificity. voluntary attention, short-term memory.

Одним из перспективных физиологически-ориентированных подходов к повышению психофизиологических ресурсов школьников является использование релаксационных методик. Известно, что в состоянии релаксации резко интенсифицируются процессы восстановления функциональных ресурсов мозга, что создает предпосылки для оптимизации работы всех его систем [4]. Эти процессы являются физиологической основой эффекта пострелаксационного

Контакты:1 Горев А.С. - E-mail: <asgorev@rambler.ru>

улучшения психофизиологических функций - произвольного внимания и кратковременной памяти [7; 14].

Вышеизложенное определяет существующий на сегодняшний день интерес к изучению возможностей использования состояния релаксации для повышения эффективности когнитивной деятельности. Особенно актуальным представляется проведение подобного рода исследований в возрастном аспекте, поскольку их результаты позволяют учитывать возрастные особенности детей при создании физиологически-ориентированных технологий направленных на повышение эффективности школьного обучения. Вопрос о возрастных психофизиологических особенностях имеет особую значимость для подросткового возраста.

Как известно с этим периодом онтогенеза связан процесс полового созревания, когда, как у мальчиков, так и у девочек. отмечаются существенные сдвиги в функционировании системы нейроэндокринной регуляции. При этом нарушается устойчивая возрастная тенденция к повышению психофизиологического статуса. Признаки этого нарушения могут проявляться на всех уровнях регуляции: поведенческом, психическом, физиологическом, в том числе нейрофизиологическом [11; 12].

Учитывая особенности подросткового этапа развития и отсутствие четких данных о времени его наступления есть все основания полагать наличие у детей 10-12 лет выраженных особенностей в сфере произвольной (в данном случае релаксационной ) регуляции.

Предмет данного исследования - изучение нейрофизиологического обеспечения произвольной релаксации и ее влияния на эффективность когнитивной деятельности у подростков 10-12 лет.

ОРГАНИЗАЦИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В исследовании приняли участие 32 подростка 10-11 лет и 28 подростков 1112 лет. По результатам анализа ЭЭГ покоя из них были отобраны дети, в ЭЭГ которых не было выраженных признаков функциональной незрелости мозга [2; 10].

Эксперимент включал четыре экспериментальные ситуации (во всех ситуациях глаза закрыты). Первая ситуация - состояние спокойного бодрствования (ССБ). Для стандартизации этого состояния испытуемому предлагалась психологическая модель пассивного ожидания. Вторая ситуация -произвольное внимание (ПВ1) при восприятии значимой информации с необходимостью ее запомнить (проба на кратковременную память (КП). Проведение слухоречевой пробы включало проведение шести последовательных циклов. Каждый цикл начинался с предупреждения "Приготовились", затем выдерживалась пауза 5 сек. По инструкции испытуемый в это время должен был наилучшим образом настроиться на восприятие слуховых стимулов. Далее зачитывался очередной блок из шести широко употребляемых слов со скоростью 1слово в 2 сек. (в эксперименте использовалось шесть различных блоков). После зачитывания очередного блока испытуемому предлагалось воспроизвести

услышанные слова в любом порядке. Объем КП оценивался по среднему по шести блокам количеству правильно воспроизведенных слов.

Третья ситуация - состояние релаксации (СР). Для погружения в это состояние испытуемому предварительно объясняли простейшие приемы нервно-мышечной релаксации. Для более полного отключения от внешней обстановки и лучшего сосредоточения на собственном внутреннем состоянии создавался способствующий этому звуковой фон (использовалась магнитозапись шума морского прибоя). Уровень громкости звукового сигнала подбирался индивидуально и оценивался как субъективно приятный.

Четвертая ситуация - повторение второй ситуации на пострелаксационном фоне (ПВ2).

При первом выполнении слухоречевой пробы (ПВ1) испытуемому предлагалось вспомнить состояние, в котором он "работает" на уроке с учителем. При повторном ее проведении (ПВ2) ребенку предлагалось, не думая о результате, выполнять пробу, по возможности, оставаясь в том состоянии, которого ему удалось достичь в результате произвольной релаксации.

Контроль динамики общего функционального состояния испытуемого в процессе эксперимента осуществлялся по показателю электрокожной проводимости (ЭКП) с помощью прибора БИОС-ИП.

ЭЭГ регистрировали монополярно в затылочных (О1, О2), теменных (Р3, Р4), нижне-височных (Т5, Т6), центральных (С3, С4) и лобных (Б3, F4) отведениях.

Для обработки в ситуациях (состояниях) ССБ, СР использовалось по десять 5-секундных участков ЭЭГ. При обработке ЭЭГ в ситуациях ПВ1 и ПВ2 использовалось по шесть 5-ти сек. отрезков (интервалы после получения испытуемым предупреждения «Приготовились» до начала предъявления слухоречевых стимулов). С помощью математического анализа рассчитывали спектральную плотность мощности (СМП) и функции когерентности (Ког-показатели). Динамика ЭЭГ-показателей анализировалась в трех субдиапазонах альфа-полосы - 7-9, 9-11, 11-13 гц. и более низкочастотном тэта диапазоне ЭЭГ -5,5-7 гц.

У каждого испытуемого для выделенных субдиапазонов оценивали спектральную плотность мощности (СПМ) ЭЭГ в различных отведениях и когерентность (Ког) между отведениями (внутри и межполушарные связи). Использовался индивидуальный сравнительный статистический анализ по экспериментальным ситуациям (критерий Вилкоксона для сопряженных вариант).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

На рисунке 1 представлена динамика ЭКП испытуемых обеих обследованных возрастных групп в ходе последовательной смены экспериментальных ситуаций. Как известно из психофизиологических исследований, изменения величины ЭКП однозначно отражают изменения в уровне общей симпатической активации [13; 19]. С учетом этого обстоятельства характер изменений ЭКП при последовательной смене экспериментальных ситуаций может быть легко интерпретирован - он полностью соответствует функциональному состоянию испытуемых в различных экспериментальных ситуациях. Общей для обеих групп

закономерностью является повышение уровня ЭКП при переходе от ССБ к ситуации ПВ1, выраженное снижение в СР и его повышение при переходе к ПВ2. Повышение ЭКП в ситуации ПВ1 отражает повышение функциональной активности мозга во второй экспериментальной ситуации (направленное внимание). В ситуации произвольной релаксации ЭКП снижается. Для испытуемых обеих групп характерно соотношение: чем больше повышение ЭКП в ситуации ПВ1, тем менее выражено относительно фона (ССБ) снижение ЭКП в ситуации релаксации.

А

6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00

19

п в1 р в2

1  2

3  4

5  6

7  8

9  10

11  12

13  14

15  16

17  18

19  20

Б

1  2

3  4

5  6

7  8

9  10

11  12

13  14

15  16

17  18

19  20

21  22

23

6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00

п в1 р в2

Рис. 1. Динамика индивидуальных значений электрокожной проводимости (вусл.ед.) по этапам эксперимента.

Примечание: А - группа 10-11лет, Б- группа 11-12 лет, п - состояние спокойного бодрствования, в1 - произвольное внимание в привычном состоянии, р - релаксация, в2 - произвольное внимание в пострелаксационном состоянии. 1,2,3......п - порядковые номера испытуемых.

Как показал анализ частотных характеристик ЭЭГ (рассматривалась частота пика доминирующего ритма в затылочной области левого полушария) при смене экспериментальных ситуаций выявляются определенные их изменения (табл. 1).

Таблица 1

Возрастные особенности изменения частоты доминирующего ритма при смене экспериментальной ситуации

Экспер. сит. ССБ ПВ1 СР ПВ2

гц гц гц гц

Среднее по группе 10-11 лет 9,3+0,1 9,6+0,1* 9,2+0,1 9,8+0,1**

Среднее по группе 11-12 лет 9,1+0,1 9,4+0,1* 9,0+0,1 9,4+0,1*

* - увеличение относительно ССБ, Р<0,05

** - увеличение относительно ССБ, P<0,01

Как видно из таблицы 1, выявленные закономерности в группах 10-11 лет и 11-12 лет носят сходный характер. При смене экспериментальных ситуаций отмечаются значимые изменения, проявляющиеся в повышении пиковой частоты доминирующего ритма в ситуациях ПВ относительно ситуаций ССБ и СР. Вместе с тем видно, что пострелаксационный эффект - большее повышение значения пиковой частоты доминирующего ритма в ситуации ПВ2 по сравнению с ситуацией ПВ1, отчетливо проявляющийся у подростков 10-11 лет, в возрастной группе 11-12 лет практически отсутствует.

Имеющиеся в литературе данные о наличии положительных корреляций между частотой доминирующего ритма и скоростью оперативной переработки информации [8] позволяют рассматривать выявленный эффект как отражение позитивного влияния СР на функциональное состояние мозга, более характерного для 10-11, чем для 11-12 лет.

Как видно из таблицы 2, сравнительный анализ динамики показателей кратковременной памяти выявляет определенные различия между группами подростков 10-11 лет 11-12 лет: в старшей группе эффект пострелакса-ционного повышения объема КП выражен слабее. Что позволяет говорить о меньшей выраженности в группе 11 -12 лет позитивного влияния релаксации на эффективность мнестической деятельности в пострелаксационном состоянии.

Таблица 2

Возрастные особенности изменения в объеме кратковременной памяти

после релаксации.

Объем КП до релаксации слов после релаксации слов

Подростки 10-11 лет 4,45+0,13 4,83+0,11**

Подростки 11-12 лет 4,75+0,15 5,02+0,13*

Примечание: * - Р<0,05, ** - P<0,01.

Совместное рассмотрение динамики показателей ЭКП и частоты доминирующего ритма и объема КП, имеющих различную физиологическую природу и характеризующих различные уровни регуляции в нервной системе (а-ритм - центральный, ЭКП - вегетативный, КП - поведенческий), позволяет говорить об оптимизирующем эффекте релаксации - повышение функционального состояния коры (повышение частоты альфа-ритма, улучшение КП по данным слухоречевой пробы) без повышения уровня вегетативного напряжения (близкие значения ЭКП в ситуациях ПВ1 и ПВ2 ). Иными словами повышение эффективности когнитивной деятельности имеет место без роста ее физиологической стоимости.

Сравнительный анализ ЭЭГ данных показал, что в обеих группах амплитуда доминирующего ритма (среднечастотная составляющая альфа-полосы) в СР у большей части испытуемых оказалась более низкой, чем в ситуации ССБ. При этом практически у всех испытуемых подобные сдвиги сочетались с динамикой показателя ЭКП, свидетельствующей о снижении при релаксации уровня симпатической активации. Это позволяет говорить о наличии определенных качественных особенности состояния релаксации: сочетание признаков активации и дезактивации. Таким образом подтверждается правомерность подхода к релаксации как к определенному виду деятельности (активности), направленной не на внешний объект, а на собственное функциональное состояние [17]. Несомненно использование психотехнических приемов для усиления процессов тормозного контроля при релаксации требует определенного рода активности, что может быть причиной отмеченного выше снижения амплитуды доминирующего ритма, которое можно интерпретировать как повышение уровня корковой активации. Это повышение, по-видимому, касается каких-то специфических для произвольной релаксации нейрофизиологических структур. Если же рассматривать изменения активации на поведенческом уровне, где она рассматривается как готовность реагировать на внешние стимулы, то релаксация несомненно приводит к ее снижению, что отражается в соответствующей динамике вегетативных показателей.

Анализ динамики спектров ЭЭГ испытуемых исследуемых групп при переходе к ситуациям произвольного внимания в обеих группах выявил тенденцию к снижению мощности ритмических составляющих ЭЭГ в ситуациях ПВ1и ПВ2, что вполне соответствует содержанию этих экспериментальных ситуаций (преднастройка на восприятие значимой информации). Отмеченное снижение мощности было более выраженным в задних областях, в особенности в затылочных и характерно для всех ритмических составляющих альфа-диапазона ЭЭГ. В большинстве случаев изменения носили симметричный по полушариям характер.

Анализ динамики показателей когерентности ритмических составляющих (КОГ) при сопоставлении ситуаций СР и ССБ, также не выявил существенных различий между обследованными группами. В обеих группах повышение уровня когерентности по связям переднецентральных отделов с каудальными корковыми областями наблюдается в основном в низко- и среднечастотном поддиапазонах альфа-полосы. Подобная картина отмечалась нами ранее для школьников 9-10 лет

[5; 6]. При отмеченном сходстве исследуемых групп отмечается более низкая частота встречаемости значимых сдвигов в группе 11 -12 лет.

Наибольший интерес в соответствии с основной задачей исследования представлял анализ показателей когерентности при сопоставлении ситуаций ПВ1 и ПВ2 ( произвольное внимание до и после релаксации). Проведенный для обеих групп сравнительный анализ индивидуальных значений Ког-показателей в ситуациях ПВ1 и ПВ2 по сравнению с ССБ показал, что при наличии выраженной индивидуальной вариативности в топографии значимых сдвигов наибольшая частота встречаемости характерна для дистантных внутриполушарных и межполушарных связей в средне- и высокочастотном диапазонах. При этом частота встречаемости этих изменений в ситуации ПВ2 выше.

Сравнение рисунков 2 и 3 дает возможность сопоставить исследованные возрастные группы по выраженности пострелаксационного эффекта: отчетливо видна большая выраженность пострелаксационнного эффекта в группе 10-11 лет.

ПВ1 ПВ2

5,5-7 гц 7-9 гц 5,5-7 гц 7-9 гц

торых отмечается повышение (относительно спокойного бодрствования) уровня когерентности в ситуации преднастройки на прослушивание и удержание в памяти слуховых стимулов до (ПВ1) и после (ПВ2) релаксации. Подростки 10-11 лет.

- - повышение уровня когерентности не менее чем в 20 % случаев

— - не менее чем в 40% случаев

ПВ1

ПВ2

5,5-7 гц

7-9 гц

5,5-7 гц

7-9 гц

9-11 гц

11-13 гц

9-11гц

11-13 гц

Рис. 3. Частота встречаемости и топография межцентральных связей , для которых отмечается повышение (относительно спокойного бодрствования) уровня когерентности в ситуации преднастройки на прослушивание и удержание в памяти слуховых стимулов до (ПВ1) и после (ПВ2) релаксации. Подростки 11-12 лет.

- - повышение уровня когерентности не менее чем в 20% случаев

— - не менее чем в 40% случаев

Хотя в группе 11-12 лет тоже можно констатировать повышение частоты встречаемости случаев повышения когерентности по дистантным и межполушарным связям в ситуации ПВ2 относительно ПВ1 и также преимущественно в диапазоне 11-13 гц, видно, что тенденции эти в группе 11-12 лет проявляются слабее. В особенности это относится к высокочастотному альфа-диапазону альфа-полосы 11-13 гц. В старшей группе отсутствуют дистантные связей с фокусом в лобных и височных областях характерные для группы 10-11 лет.

Принимая во внимание имеющиеся в литературе данные о функциональной специфике высокочастотной ритмической составляющей альфа- полосы [15; 18] выявленный в отношении этого поддиапазона пострелаксационный эффект в ситуации внимания можно связать с повышением в пострелаксационном состоянии эффективности функционирования механизмов локальной избирательной активации коры больших полушарий, в данном случае, височных зон и обеспечения их взаимосвязей. Характер топографии значимых изменений в

уровне когерентности исследованных ритмических составляющих ЭЭГ в состоянии преднастройки на восприятие значимых стимулов выявляет сложную перестройку межцентральных отношений корковых структур, в частности, функциональную значимость лобных областей и левой височно-теменно-затылочной области.

Функциональная значимость лобных областей хорошо согласуется с данными нейропсихологических и нейрофизиологических исследований, указывающих на ключевую роль фронтального неокортекса в системе регуляции корковой активации [1; 9; 16]. Об этом свидетельствуют и результаты электрофизиологических исследований, согласно которым именно лобным областям принадлежит ведущая роль в организации дистантных связей фронтального неокортекса с задними корковыми областями [20].

Что касается левой височно-теменно-затылочной области, то она, как и фронтальный неокортекс, относится к числу наиболее молодых корковых формаций, с деятельностью которых связываются наиболее сложные формы поведения [3]. В этом плане заслуживает внимание тот факт, что связи с фокусом в левой височно-теменно-затылочной области в ситуации произвольного внимания выявились только на пострелаксационном фоне (ПР2). С учетом результатов поведенческого эксперимента (улучшение запоминания) активацию этой системы межцентральных связей можно рассматривать как отражение позитивных изменений в функциональном состоянии ЦНС (влияние релаксации) и соответственно в когнитивном функционировании мозга (организация произвольного внимания).

Как было отмечено выше, влияние релаксации на функциональное состояние ЦНС подростков в возрасте 11 -12 лет в ситуации произвольного внимания оказалось менее выраженным, чем в возрасте 10-11 лет. По-видимому, этот факт отражает процесс снижения эффективности в работе регулирующих систем мозга подростков в связи с процессом полового созревания, что согласуется с физиологическими данными о существенных перестройках в этом возрасте в системе нейроэндокринной регуляции организма.

ВЫВОДЫ

1. В группах детей 10-11 и 11-12 лет динамика показателей электрокожной проводимости, кратковременной памяти и спектральных параметров ЭЭГ носит сходный характер

2. Различия выявляются в динамике показателей когерентности. У детей 1011 лет по сравнению с детьми 11 -12 лет в пострелаксационном состоянии наблюдается более частая встречаемость роста значений функции когерентности в диапазонах высокочастотного альфа-ритма в парах отведений, включающих лобную или нижневисочную корковые зоны.

3. По результатам мнестической деятельности у подростков 11 -12 лет выявляется снижение позитивного влияния релаксации на когнитивные процессы по сравнению с 10-11 летним возрастом: повышение объема кратковременной памяти в старшей группе оказывается менее выраженным.

4. Полученные данные рассматриваются как следствие отрицательного влияния на регуляторные функции нейроэндокринных изменений на начальном этапе полового созревания в возрасте 11-12 лет.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Батуев А.С. Высшие интегративные системы мозга. - Л.: Наука,1981. -252 с.

2. Безруких М.М. Комплексная методика диагностики познавательного развития детей предшкольного возраста и первоклассников: Методическое пособие / М.М. Безруких, Е.И. Логинова, Р.И. Мачинская, О.А. Семенова, Т.А. Филиппова. - М., МГПИ, 2006. - 124 с.

3. Бехтерева Н.П. Здоровый и больной мозг человека. - Л.: Наука, 1988. - 260

с.

4. Гримак Л.П. Психология активности. Психологические механизмы и приемы саморегуляции. - М.: Либроком, 2010. - 378 с.

5. Горев А.С. Динамика ЭЭГ-параметров младших школьников при| изменении функционального состояния (релаксация) под воздействием ритмической стимуляции // Физиология человека. - 2000. - Т. 26, № 2. - С. 37-41.

6. Горев А.С. Влияние кратковременной релаксации на организацию биоэлектрической активности мозга в состоянии спокойного бодрствования у младших школьников // Физиология человека. - 2004. - Т. 30, № 5. - С. 30.

7. Горев А.С. Влияние произвольной регуляции функционального состояния (релаксация) на организацию корковых процессов при мнестической деятельности у школьников 9-10 лет // Физиология человека. - 2007. - 33, № 2. -С. 35-42.

8. Забродин Ю.М., Лебедев А.Н. Психофизиология и психофизика. - М.: Наука, 1977. - 288 с.

9. Лурия А.Р. Функциональная организация мозга // Естественно-научные основы психологии / под ред. А.А. Смирнова, А.Р. Лурия, В.Д. Небылицына. - М., 1978. - С. 120.

10. Мачинская Р.И. Функциональное созревание мозга и формирование нейрофизиологических механизмов избирательного произвольного внимания у детей младшего школьного возраста // Физиология человека. - 2006. - Т. 32, № 1. - С. 26-36.

11. Развитие мозга и формирование познавательной деятельности ребенка / Под ред. Д.А. Фарбер, М.М. Безруких. - М.: Изд-во МПСИ, Воронеж, 2009. -432 с.

12. Структурно-функциональная организация развивающегося мозга.- Л., Наука, 1990. - 177 с.

13. Хэссет Дж. Введение в психофизиологию. - М.: Мир, 1981. - 228 с.

14. Lindsay WR, Morrison FM The effects of behavioural relaxation on cognitive performance in adults with severe intellectual disabilities // J Intellect Disabil Res. -1996. - Aug; 40 (Pt 4):285-90.

15. Osaka M,, Peak alpha frecuency of EEG during a mental task: task difficulty and hemispheric differences // Psychophysiol. - 1984. - Vol. 21. - P. 101.

16. Pribram K.H. The frontal cortex as executive processor: proprieties, priorities and practical inference // Downward Proctss in the Perception Representation Mechanisms / Eds.i-Ferreti Cl. and Musio K. - Singapure, New-Jersey, London, Hong-Kong. : World Scientific, 1998. - P. 546.

17. Sebastiani L, Simoni A, Gemignani A, Ghelarducci B, Santarcangelo EL. Relaxation as a cognitive task // Arch Ital Biol. - 2005. - Vol. 143(1). - P. 1-8.

18. Sheferd R., Gale a. EEG correlates of hemispheric differences during a rapid calculation task // Brit. J. Psychol. - 1982. - V. 73. - P. 73.

19. Steptoe A., Greer K. Relaxation and skin conductance feedback in the control of reactions to cognitive Tasks // Biol Psychol. - 1980. - V. 10, № 2. - P. 127.

20. Wang G, Takigawa M., Matsushita T. Correlation of alpha-activity between the frontal and occipital cortex // Japanize journal of physiology. - 1992. - V. 42, № 1. -P. 1.