Электрофизиологические индикаторы как эндофенотипы когнитивного развития

ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ КАК ЭНДОФЕНОТИПЫ КОГНИТИВНОГО РАЗВИТИЯ

Т.М.Марютина*

Московский городской психолого-педагогический университет

Одним из наиболее значимых фактов, установленных в психогенетике в ХХ веке, является генотипическая обусловленность показателей психометрического интеллекта. Доля генетических влияний в наследуемости интеллекта в среднем составляет 50% [8;16]. Однако показатели интеллекта не имеют очевидной связи с материальным субстратом, и как таковые в генах не кодируются. Для изучения механизмов, опосредствующих влияния факторов генотипа на психометрический интеллект, принципиально важным является понятие эндофенотипа. В настоящее время понятие эндофенотипа (как и понятие промежуточного фенотипа) включает любые проявления организма, регистрирующиеся на биохимическом, физиологическом, морфологическом уровнях, коррелирующие с поведенческими (психологическими) проявлениями. Эндофенотипы являются промежуточным звеном между действием гена и его проявлением на уровне поведения [2; 7; 19 и др.].

Функции и показатели, претендующие на роль эндофенотипов, должны отвечать определенным критериям [13]. Они должны быть надежны и стабильны(1); наследуемы (2). Их параметры должны коррелировать с исследуемой когнитивной функцией или когнитивным признаком (3). Эндофенотип и когнитивная функция должны иметь общий генетический источник (генетическую корреляцию) (4). Наконец, статистическая связь между эндофенотипом и когнитивной функцией должна быть теоретически обоснована(5).

Собственно генетическими среди перечисленных являются два критерия: наследуемость эндофенотипа (2) и наличие генетической корреляции между эндофенотипом и показателем интеллекта (4). Причем генетическая корреляция является наиболее существенным критерием, так как отражает степень совпадения (генетической общности) между генетическими компонентами вариативности сопоставляемых показателей. Именно генетическая корреляция позволяет говорить о наличии (или отсутствии, в зависимости от значения ее коэффициента) общей генетической основы в происхождении сравниваемых показателей.

Таким образом, выявление нейрофизиологических показателей переработки информации, имеющих общую генетическую основу с особенностями интеллекта, дает основания для решения вопроса о каналах трансляции влияний генотипа на психологический уровень. Круг реальных и потенциальных эндофенотипов весьма широк [11;15; 17; 19; 21; 22 и др.]. Наряду с биохимическими и морфофункциональными характеристиками в роли промежуточных фенотипов или эндофенотипов интеллекта рассматриваются электрофизиологические ответы коры больших полушарий на стимулы разного типа (вызванные потенциалы) [6]. Они отвечают всем критериям, позволяющим квалифицировать признак как эндофенотип. Это индивидуально-специфические, относительно стабильные реакции, параметры которых в той или иной степени обнаруживают наследуемость. Эти реакции и их отдельные параметры и свойства демонстрируют связь с психометрическим интеллектом, которая получает теоретическое обоснование в контексте ряда признанных гипотез (нейронной эффективности, миелиновой гипотезы) [1; 10; 12; 14 и др.]

В современной психогенетике вопрос о роли генотипа в межиндивидуальной вариативности любого психологического признака, и в первую очередь, интеллекта решается в контексте его онтогенетического развития [3; 9; 16]. В лонгитюдных исследованиях установлено, что показатели интеллекта обладают достаточно высокой онтогенетической стабильностью. Кроме того, в младенчестве выявлены психологические характеристики, которые обладают прогностической валидностью по отношению к оценке интеллекта в более позднем возрасте [8]. На этом фоне мало исследованным остается прогностическое значение психофизиологических показателей. Между тем современные представления о структуре индивидуальности позволяют поставить вопрос о существовании преемственности процессов биологического созревания и психического развития и роли факторов генотипа в этом процессе.

Цель данной работы, во-первых, оценить возможность получения достоверных межвозраст-ных связей между психофизиологическими характеристиками когнитивного функционирования (вызванными потенциалами), полученными в младшем школьном и подростковом возрастах, и

Контакты: * Т.М.Марютина — Московский городской психолого-педагогический университет

— 11 —

показателями интеллекта, зафиксированными во взрослом возрасте, и, во-вторых, проанализировать природу связей между показателями зрелого интеллекта и параметрами вызванных потенциалов в младшем школьном и подростковом возрастах и определить роль генотипа в их формировании. Эмпирическая часть исследования была выполнена совместно с А.Г.Замахиным [4].

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Основу работы составляют данные регистрации зрительных вызванных потенциалов (ВП) у моно- и дизиготных близнецов (МЗ,ДЗ) в возрасте 8 и 11 лет в период с 1985 г. по 1989 г., а также результаты тестирования интеллекта тех же близнецов в возрасте 21—24 года (средний возраст — 22 года 8 мес.) по тесту Векслера (в адаптации Филимоненко, Тимофеева, 1995).

В детском возрасте в младшую группу входили по 20 пар МЗ и однополых ДЗ близнецов 8—9 лет /средний возраст 8 лет 6 мес./, в подростковую группу — 26 пар МЗ и 24 пары ДЗ близнецов 10—12 лет/средний возраст 11 лет 2 мес./. У всех близнецов в идентичных условиях были зарегистрированы зрительные потенциалы (ВП) на семь видов стимулов (вспышка, конверт, дмо, бесструктурный, слово дом, рисунок дома, шахматное поле). Все стимулы были уравнены по освещенности, выполнены светлыми штриховыми линиями на темном фоне и проецировались на матовый черный экран бинокулярно блоками по 20—25 в каждом. Время экспозиции и паузы варьировало в пределах 1сек и 5сек соответственно. Интервалы между блоками составляли 3—5 мин.

Регистрация ЭЭГ и ВП проводилась на электроэнцефалографе МЕ-175Е фирмы Нихон Кохден (Япония) и магнитографе ТЕАС Р-250 (Япония). ЭЭГ и ВП регистрировались монополярно в зонах: затылочной /Ог/, вертексе /Сг/, задневисочных /Т5,Т6/, верхнелобных ^3^4/ (система «10—20»). Референтным служил сдвоенный ушной электрод. Контроль глазных движений проводился с помощью электроокулограммы (ЭОГ). Для исключения артефактов отрезки ЭЭГ с явными двигательными реакциями при обработке не учитывались. Анализ изменений ВП на разные виды стимулов проводился в каждой зоне для выделенных компонентов отдельно по двум параметрам: латентному периоду и амплитуде. Латентные периоды подсчитывались от начала стимуляции до пика компонента (в мсек), амплитуды измерялись от пика до пика (в мкв).

Для оценки связи между показателями интеллекта во взрослом возрасте и параметрами зрительных вызванных потенциалов в младшем школьном и подростковом возрастах использовался множественный регрессионный анализ, а также вычислялись генетические корреляции (Марю-тина, Трубников, 1994). Обработка данных проводилась в два этапа по следующей схеме:

I этап

— 12 —

-6-

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Прогноз зрелого интеллекта по промежуточным фенотипам, зарегистрированным в подростковом возрасте. Эффективность прогноза показателей интеллекта по параметрам ВП на стимулы разного типа оценивалась путем сравнения множественных коэффициентов детерминации, полученных с помощью регрессионного анализа. Из диаграммы следует, что вариативность показателей зрелого интеллекта зависит от особенностей амплитудно-временных параметров ВП в подростковом возрасте (рис.1).

При этом заметно выступает влияние специфики стимула. Наиболее отчетливая связь между параметрами ВП и показателями вербального и общего интеллекта обнаруживается для ответов на элементарный стимул - вспышку. Коэффициенты детерминации составляют 0,47, 0,20 и

0,45 соответственно для параметров ВИП, НИП и ОИП. Для невербального интеллекта более информативны ответы на графические стимулы (бесструктурный, дом и шахматное поле).

Прогностическая ценность различных параметров ВП приблизительно одинакова. Для показателей вербального и общего интеллекта латентности и амплитуды обеспечивают в среднем примерно равный вклад в их прогноз. При этом основной вклад вносят поздние эндогенные компоненты ВП, отражающие специфику когнитивного функционирования неспецифических мозговых систем, вовлеченных в обработку информации (Яешуап^,1999). В то же время для прогноза невербального интеллекта характерно преобладание амплитудных параметров (в совокупности более 80 % переменных в уравнениях прогноза представлены амплитудами Р160-Ш00 и Ш00-Р250).

Установленные связи могут быть детерминированы влияниями как генотипа, так и среды. Для оценки вклада генотипа были вычислены генетические корреляции. Анализ межвозраст-ных генетических корреляций показал, что наиболее значительны их величины для показателей вербального и общего интеллекта. Усредненные по всем стимулам значения составляют соответственно 0,91 и 0,79. Для невербального интеллекта этот показатель ниже: 0,58. Надо также подчеркнуть, что генетически опосредствованная взаимосвязь проявляется наиболее отчетливо для амплитуд эндогенных компонентов Р160-Ш00-Р250.

Топографическое распределение межвозрастных фенотипических и генетических корреляций показателей ВП и интеллекта имеет зонально-специфический характер. Наиболее высокие генетические корреляции (от 0,5 и выше) преобладают в передних отделах левого полушария в зонах F3 и Т5 (Рис.2а). Характерно определенное совпадение топографического паттерна распределения высоких значений генетических корреляций и зон коры больших полушарий, ВП которых вносят наибольший вклад в прогноз интеллекта (рис.2б). Так, параметры ВП, зарегистрированных в левом полушарии и вертексе в возрасте 11 лет, обнаруживают наиболее значительную связь с вербальным интеллектом, которая почти на 90% определяется генетическими влияниями. Для невербального интеллекта совпадение высоких генетических и фенотипических корреляций обнаруживается в зонах правого полушария Т6, F4.

Для показателя общего интеллекта нет столь же четкой картины совпадения генетических и фенотипических индикаторов степени связи между изучаемыми характеристиками. Однако взятые в совокупности эти данные свидетельствуют о том, что особенности функционирования мозговых систем, ответственных за переработку информации у подростков, оказывают пролонгированное влияние на формирование интегральных когнитивных характеристик вплоть до периода зрелости, и это влияние в определенной степени направляется факторами генотипа.

— 13 —

вип нип оип

Рис.2а. Топографическое распределение средних значений генетических корреляций между параметрами вызванных потенциалов и показателями интеллекта

Серые кружки — зоны, где средние генетические корреляции лежат в диапазоне [0,5—0,8]

Черные кружки — зоны, в которых средние генетические корреляции превышают 0,8 Белые кружки — зоны, где средние генетические корреляции не превышают 0,5.

вип нип оип

Рис.2б. Топографическое распределение вклада отдельных областей коры больших полушарий в прогноз интегральных когнитивных характеристик.

Серые кружки - зоны коры, где в уравнения прогноза вошли отдельные параметры ВП Черные кружки - зоны коры, где параметры ВП обеспечивают наибольший вклад в прогноз Белые кружки — зоны, где параметры ВП не участвуют в прогнозе

Межвозрастной прогноз интеллекта в 22 года по показателям вызванных потенциалов, зарегистрированных в младшем школьном возрасте. Как и в случае прогноза зрелого интеллекта по параметрам ВП в подростковом возрасте, аналогичные уравнения, основанные на параметрах ВП в 8-летнем возрасте, демонстрируют влияние специфики стимула на межвозрастную связь оценок интеллекта и параметров ВП (рис. 3). Наиболее эффективный прогноз возможен по параметрам ВП на рисунок дома. В отличие от подростковой группы наименее адекватный прогноз возможен по параметрам ВП на вспышку. Следует подчеркнуть, что эффективность прогноза в обеих возрастных группах приблизительно одинакова. Различия между группами определяются составом стимулов, ответы на которые дают основу для прогноза

Амплитудно-временные параметры ВП, выступающие в роли предикторов интеллекта в младшей группе, также отличаются по составу от старшей группы. По относительному вкладу отдельных

Рис. 3 Диаграмма множественных коэффициентов детерминации прогноза показателей интеллекта, измеренных в22 года поамплитудно-временным параметрам вызванных потенциалов, зарегистрированных в 8 лет

0,40

0,30

0,20

0,10

0,00

вип

г нип оип

±л

0,10

0,07

0,14

0,14

Штш

ДМО Бесстр. ДОМ

0,14

0,23

0,18

032

(*16

015

0,37

0,38

417

й18

ВИП

НИП

оип

-14-

-6-

параметров ВП наибольшая нагрузка приходится на амплитуду Р160-Ш00, вклад которой высок для межвозрастного прогноза всех показателей интеллекта, составляя от 38% (ОИП) до 50% (ВИП) от общего числа значимых связей. Для остальных параметров, включая латентности, соответствующий вклад колеблется в пределах от 0 до 30% (латентный период компонента Р250).

Эффективность прогноза в младшей и старшей группах в целом приблизительно одинакова, но генетические корреляции между параметрами ВП и показателями вербального и общего интеллекта у детей 8 лет меньше по абсолютной величине. Для показателей невербального интеллекта вклад генотипа в межвозрастные связи в двух группах различается мало. Если сопоставить вклад генотипа и среды в формирование связи между параметрами ВП и когнитивными характеристиками, то наиболее выражено влияние генотипа для связей показателей интеллекта и латентного периода компонента Р160. Генетические корреляции здесь превышают значение 0,5. Влияние генотипа заметно для амплитуды Р160-Ш00 (среднее значение генетической корреляции для показателей интеллекта равно 0,55).

Анализ топографии генетических корреляций свидетельствует о том, что наиболее выражен вклад генотипа в связи показателей интеллекта и параметров ВП в зонах Т5 и Ог. При этом наблюдается несовпадение профиля распределения зон коры, дающих наибольший вклад в прогноз интегральных характеристик интеллекта, и средних генетических корреляций. Так, например, параметры ВП вертекса входят в уравнение прогноза общего и вербального показателей интеллекта. В то же время генетические корреляции, характеризующие связь тех же параметров ВП и показателей интеллекта, в среднем дают значение не более 0,35.

Таким образом, особенности функционирования мозговых систем (на этапе младшего школьного возраста), участвующих в приеме и обработке поступающей зрительной информации, находят частичное отражение в индивидуальных характеристиках интеллектуальной сферы на более поздних этапах онтогенеза. Связи между показателями ВП и интегральными интеллектуальными характеристиками в зависимости от вида контекста достаточно выражены и находятся под влиянием генотипа.

Анализ фенотипических и генетических корреляций, существующих между электрофизио-логическими коррелятами переработки информации (ВП) и интегральными когнитивными характеристиками, имеет принципиальное значение для понимания природы межуровневых связей в когнитивной сфере человека. Как было показано на выборке взрослых близнецов, генетические корреляции между показателями ВП и интеллекта варьируют в зависимости от вида стимула, зоны регистрации ВП и специфики параметра [5]. В целом генетические корреляции выше для ВП на семантические стимулы по сравнению с элементарными сенсорными, для ВП фронтальных зон и вертекса по сравнению с ВП затылочной зоны, для амплитуд по сравнению с латентностями. Таким образом, в периоде зрелости в роли промежуточных фенотипов интеллекта с наибольшим основанием могут выступать параметры ВП, отражающие активность фронтальных зон коры больших полушарий при обработке семантической информации, что совпадает с представлениями о роли фронтальных областей коры мозга в обеспечении общего интеллектуального фактора и возможной роли генотипа в его межиндивидуальной вариативности [22].

Из общих принципов генетико-статистического анализа следует: межвозрастная генетическая корреляция свидетельствует о том, в какой степени генетическая составляющая дисперсии в одном возрасте связана (коррелирует) с генетической составляющей дисперсии того же или иного признака в другом возрасте, независимо от того, какова наследуемость этих признаков в каждом из анализируемых возрастных периодов (Равич-Щербо с соавт., 2006). Однако, чем выше коэффициенты наследуемости сравниваемых признаков и больше величина генетической корреляции, тем больше оснований говорить о генетическом опосредовании наблюдаемой между показателями фенотипической связи, причем даже в том случае, если коэффициент фенотипической корреляции имеет небольшую величину [16]. Последнее может говорить о том, что генетические и средовые влияния действуют в противоположном направлении.

Обобщая полученные результаты, можно заключить, что когнитивные характеристики в зрелом возрасте и показатели функционирования мозговых систем переработки визуальной информации как в периоде взрослости, так и на более ранних этапах онтогенезе обнаруживают отчетливую фенотипическую связь, которая выражается по-разному в зависимости от стимула, параметра, зоны регистрации ВП.В целом проведенное исследование свидетельствует о том, что параметры вызванных потенциалов, которые представляют корковые механизмы переработки зрительной информации в младшем школьном и подростковом возрастах, могут быть использованы для прогноза показателей интеллекта на более поздних этапах онтогенеза.

— 15 —

Эффективность построения такого прогноза обнаруживает зависимость от параметра вызванного потенциала, вида стимула, зоны регистрации и возраста испытуемых.

Электрофизиологические показатели когнитивного функционирования в подростковом возрасте в совокупности позволяют объяснить до 45% вариативности оценок вербального и общего интеллекта и около 30% невербального. Первые лучше прогнозируются по параметрам вызванных потенциалов на элементарный сенсорный стимул (вспышку). Для невербального показателя более информативными являются параметры ответов на пространственно-структурированный стимул (шахматное поле). Наиболее значимые связи с интеллектом имеют амплитуды эндогенных компонентов Р160 — N200 — Р250, которые непосредственно связываются с когнитивными операциями формирования образа, сличения его с памятью и принятия решения. Топографически более тесные связи с интеллектом обнаружены в ассоциативных зонах коры левого полушария.

Электрофизиологические показатели когнитивного функционирования, зарегистрированные в младшем школьном возрасте, определяют менее 40% вариативности показателей зрелого интеллекта, которые лучше прогнозируются по ответам на семантический стимул — рисунок дома. Доминирующую роль в прогнозе всех показателей зрелого интеллекта играют амплитуды Р160-Ш00 и латентный период позднего компонента Р250 вызванных потенциалов затылочной и левой височной зон. Наличие генетических корреляций между параметрами ВП и показателями интеллекта свидетельствует о существовании общих генетических факторов, включенных в формирование межвозрастных межуровневых фенотипических связей различных показателей когнитивных функций индивидуальности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В онтогенезе механизмов переработки информации существует преемственность процессов созревания и развития, которая отражает целостность индивидуальности и определяет взаимосвязь психологического, психофизиологического и генетического уровней в ее структуре. Об этом свидетельствует тот факт, что показатели зрелого интеллекта обнаруживают достоверные связи с электрофизиологическими показателями когнитивного функционирования на более ранних этапах онтогенеза, и эти связи зависят от генотипа. Параметры вызванных потенциалов, которые рассматриваются как корреляты функционирования мозговых систем, участвующих в приеме и обработке зрительной информации в младшем школьном и подростковом возрастах, с одной стороны, и как эндофенотипы интеллекта, с другой, могут быть использованы для прогноза показателей интеллекта на более поздних этапах онтогенеза. Эффективность построения такого прогноза обнаруживает зависимость от параметра вызванного потенциала, вида стимула, зоны регистрации и возраста испытуемых. Наличие генетических корреляций между параметрами ВП и показателями интеллекта свидетельствует о существовании общих генетических факторов, включенных в формирование межвозрастных межуровневых фенотипических связей различных показателей когнитивных функций индивидуальности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Айзенк Г. Интеллект: новый взгляд. // Вопросы психологии, 1995, N 1, стр. 111—131.

2. Анохин А.П., Веденяпин А.Б. Генетические влияния на функционирование мозга человека. // Психогенетика. Хрестоматия. Под ред. М.В.Алфимовой, И.В.Равич-Щербо. М., «Академия», 2006, стр. 113—142.

3. Ван Баал Г.К.М., ван Бейстервельдт К.Е.М., де Геус Е.Дж.К. Генетическая перспектива развивающегося мозга: показатели функционирования мозга у близнецов в детском и юношеском возрасте. // Иностранная психология, 2001 N 14, 35—48.

4. Замахин А.Г. Онтогенетические предпосылки интеллекта в структуре индивидуальности. Автореф. канд дисс. М., 2004.

5. Марютина Т.М. Промежуточные фенотипы интеллекта в контексте генетической психофизиологии. // Психология. Журнал Высшей школы экономики. 2007, том 4, № 2, стр.22—47.

6. Марютина Т.М., Трубников В.И. Генетические корреляции психофизиологических характеристик человека. Сообщение I. Генетические корреляции вызванных потенциалов. // Физиология человека. 1994. Т. 20. №5. С. 19—26.

7. Мешкова Т.А. Психогенетика. Учебное пособие. М., МГППУ, 2004.

8. Равич-Щербо И.В., Марютина Т.М., Григоренко Е.Л. Психогенетика., М., Аспект, 2006.

9. Равич-Щербо И.В., Марютина Т.М., Трубников В.И., Белова Е.С. Кириакиди Э.Ф. Психологические предикторы индивидуального развития. //Вопросы психологии. 1996, N 2, стр.42—54.

— 16 —

10. Рийсдийк Ф.В., Бумсма Д.И. Генетическая связь между проводимостью в периферической нервной системе и интеллектом.// Иностранная психология, 2001, N 14, с.24—34.

11. Baare W.F., Hulshoff P. H.E., Boomsma D.I., Posthuma D., de Geus E.J., Quantitative genetic modeling of variation in human brain morphology. // Cerebral Cortex, 2001, Sep. N 11, рр. 816 —824.

12. Deary I.J., Caryl P.G. Neuroscience and human intelligence differences.// Trends in Neuroscience, 1997, Vol.20, pp. 365—371.

13. De Geus E.J.C., Wright M.J., Martin N.G., Boomsma D.I. Genetics of Brain Function and Cognition. // Behavior Genetics, 2001, Vol.31, No 6. pp.489—495.

14. Miller Е.М. Intelligence and brain myelination: a hypothesis. // Personality and Individual Differences., 1994, Vol. 17, pp. 803—832.

15. Pennington B.F., Filipek P.A., Lefly D., Chhabildas N., Kennedy D.N., Simon J.H., Filley C.M., Galaburda A., DeFries J.C. A twin MRI study of size variations in human brain. //Journal of Cognitive Neuroscience, 2000, Vol.12,N1,pp.223—232.

16. Plomin R., DeFries J.C., McClearn G.E. Behavioral Genetic. A primer. Freeman a. Company.

N. Y., 1990.

17. Posthuma D., Neal M.C., Boomsma D.I., De Geus E.J.C. Are smarter brains running faster?

Heritability of alpha peak frequency, IQ, and their interrelations. // Behavior Genetics, 2001,Vol.

31, No 6, pp. 567— 579.

18. Posthuma D., De Geus E.J.C., Baare W.F.C., Hulschoff Pol H.E. Kahn R.S.,Boomsma D.I.

The association between brain volume and intelligence is of genetic origin.// Nature Neuroscience,

2002,Vol.5, pp.83—84.

19. Rangaswamy M., Porjesz B. Uncovering genes for cognitive (dys)function and predisposition for alcoholism spectrum disorders: A review of human brainoscillations as effective endopheno-types. // Brain Research, 2008, Vol. 1235, pp. 153—171.

20. Reinvang I. Cognitive event-related potentials in neuropsychological assessment.// Neuropsychology Review, 1999, v.9, N 4, pр.231—247.

21. Smith D.J.A., Posthuma D., Boomsma D.I. , De Geus E.J.C. Heritability of background EEG across the power spectrum.// Psychophysiology, 2005, Vol.42, pp.691—697.

22. Winter G., Goldman D. Genetics of human prefrontal function.// Brain Research Reviews,

-Q- 2003,v.43, p.134—163. -Q-