Введение к работе
Актуальность проблемы. Ключевым механизмом целенаправленного поведения человека и животных является внимание, лежащие в основе поведенческой адаптации организма к условиям окружающей среды. Оно позволяет выделять значимые сигналы из всей совокупности стимулов и своевременно реагировать на них. Такие когнитивные функции как обучение и память не могут быть реализованы в отсутствии внимания. Внимание, как процесс выделения ресурсов центральной нервной системы для четкого восприятия, эффективной обработки и правильной интерпретации значения сигналов внешней и внутренней среды, определяет эффективность большинства видов деятельности человека и животных, связанной с необходимостью быстро и точно реагировать на поступающие сигналы.
Нарушение внимания наряду с расстройствами других когнитивных функций развивается при ряде патологий центральной нервной системы, таких как нейр о дегенеративные заболевания, шизофрения, депрессия, синдром дефицита внимания/гиперактивности и другие (Lee et al., 2003; Hasler et al., 2004; Herrmann, Demiralp, 2005; Kozak et al., 2007; Volkow et al., 2007; Kemp et al., 2010). Изучение внимания и наиболее информативных его показателей проводится в связи с деятельностью человека-оператора (Коган, Ермаков, 1987; Изнак, 1989; Изнак, Чаянов, 1989; Лебедева и др., 2009; Berka et al., 2007 и др.), с созданием интерфейса «мозг-компьютер» (Шишкин и др., 2009; Farwell, Donchin, 1988; Guger et al., 2009; Shishkin et al., 2009; Brunner et al., 2011; Liu et al., 2011), с разработкой медикаментозных средств для восстановления функций нервной системы, с проблемой реабилитации человека с поражением центральной нервной системы.
Изучение внимания является одним из наиболее актуальных и интенсивно развивающихся направлений как фундаментальной, так и прикладной нейробиологии. Исследования внимания носят междисциплинарный характер и находятся на стыке нейробиологии, психологии, медицины, фармакологии, педагогики.
В настоящее время ведется активное изучение глубинных физиологических механизмов внимания, что определяется большой теоретической и практической значимостью данной проблемы.
Физиологическими коррелятами, доступными для электрофизиологического изучения внимания на человеке и животных, являются длиннолатентные вызванные потенциалы (Иваницкий, Стрелец, 1976; Костандов, 1995; Наатанен, 1998; Мачинская, 2003; Squires et al., 1975; Polich, 1990; Kemp et al., 2010 и др.) и кортикальная гамма-активность (Думенко, 2006, 2007; Данилова, Астафьев, 2000; Сорокина и др., 2006; Engel et al, 2001; Debener et al., 2003 и др.).
Так, в исследованиях, проведенных преимущественно на людях, но также и на животных с вероятностным предъявлением стимулов (парадигма «одд-болл»,
согласно которой низковероятный редкий стимул привлекает внимание и является значимым для организма) показано, что амплитудно-временные параметры длиннолатентных позитивных компонентов Р200 и, в большей степени, Р300 зависят от уровня селективного внимания при выполнении дискриминационных задач (Наатанен, 1998; Чернышев и др., 2005; Wilder et al., 1981; O'Connor, Starr, 1985; Ito et al., 1992; Kim et al, 2008; Lijffijt et al., 2009; Rostmrg et al., 2009 и др.).
Эти показатели широко используются при исследовании когнитивной деятельности животных и человека, а также являются эффективным диагностическим инструментом в медицине и объективным средством оценки результативности лечения когнитивных нарушений (Алешина и др., 2009).
Наряду с когнитивными потенциалами маркерами внимания являются ритмы суммарной кортикальной электрической активности мозга. Так, при помощи методики одд-болл на людях было установлено, что значимые стимулы вызывают значительно большую активацию гамма -ритма, чем незначимые. Такие работы проводились на людях с применением как зрительных стимулов (Herrmann et al., 1999; Foucher et al., 2003), так и слуховых (Tiitinen et al., 1993; Marshall et al., 1996; Debener et al., 2003).
Подавляющее большинство работ, посвященных вниманию, проведено на человеке, в том числе с использованием методики одд-болл, и существенно в меньшем числе на животных преимущественно при простых формах стимуляции, предполагающих проявление внимания. Однако многие аспекты центральных механизмов внимания в исследованиях на человеке остаются практически недоступными. В связи с этим исследования внимания на животных становятся актуальными и обусловлены необходимостью изучения структурных, нейронных и медиаторных механизмов разнообразных форм внимания и наиболее объективных его показателей. Разработка экспериментальных поведенческих моделей для изучения внимания на животных, сопоставимых с применяемыми на человеке, становится перспективным направлением нейрофизиологии внимания.
В настоящее время целый ряд вопросов, связанных с исследованием внимания на животных требует специального изучения. К ним относятся такие, как: возможность моделирования на животных экспериментальных парадигм внимания и установление их тождественности применяемым на человеке; соответствие электрографических показателей внимания, регистрируемых у животных и, в частности у кроликов, наблюдаемым у человека; специфика влияния изменения уровня внимания на динамику гамма-активности и связанных с событием потенциалов у животных в связи с определением значимости стимулов, правильностью их распознавания и выполнением поведенческих реакций.
Целью данной работы стало исследование кортикальной гамма-активности и слуховых связанных с событием потенциалов как показателей внимания при
целенаправленном поведении кроликов в условиях вероятностного предъявления стимулов.
Задачи исследования:
1. Апробирование поведенческой модели активного одд-болла,
модифицированной для кроликов:
а. Изучение закономерности дифференцирования стимулов, определения их
значимости и выполнения/невыполнения инструментальной реакции при
реализации задачи «активный одд-болл».
б. Изучение взаимодействия активационного и тормозного поведенческих
навыков в условиях низкой вероятности предъявления значимого стимула.
2. Исследование кортикальной гамма-активности и связанных с событием
потенциалов при реализации задачи «активный одд-болл»:
а. Изучение гамма-активности и связанных с событием потенциалов при
определении значимости и правильности распознавания стимулов.
б. Изучение динамики гамма-ритма и связанных с событием потенциалов
при выполнении и невыполнении инструментальной реакции на значимый и
незначимый стимулы.
Положения, выносимые на защиту:
1. При целенаправленном поведении животного в ситуации низковероятного
предъявления значимого стимула мощность кортикальной фоновой гамма-
активности является показателем тонического непрерывного внимания,
предшествующего предъявлению стимула. Модуляция мощности фонового гамма-
ритма обусловлена изменением уровня тонического внимания, отражающего
процесс настройки нервной системы на распознавание стимулов, правильность
интерпретации их значимости и на совершение/несовершение поведенческой
реакции.
Мощность гамма-активности и амплитудно-временные параметры связанных с событием потенциалов являются показателями селективного внимания, направленного на выделение редкого значимого стимула. Изменение уровня внимания находит отражение в динамике мощности гамма-активности и амплитудно-временных параметрах вызванных потенциалов. Наибольшее значение мощности гамма-ритма, а также амплитуды и латентного периода вызванных потенциалов наблюдаются в ответ на значимый стимул при правильной поведенческой реакции. Снижение уровня селективного внимания, приводящее к нарушению процессов идентификации стимулов, вызывает понижение мощности гамма-активности и амплитуды когнитивных потенциалов на незначимый стимул при совершении ошибочных реакций.
Закономерные изменения гамма-активности, отражающие уровень тонического и селективного внимания кролика, достоверно выражены в лобном, центрально- и латерально-теменных отведениях; значимые изменения амплитудно-
временных параметров потенциалов Р200 и Р300, коррелирующие с уровнем селективного внимания, зарегистрированы в лобном и латерально-теменном отведениях, в центрально-теменном локусе отмечена сходная тенденция.
4. Поведенческие показатели внимания, гамма-активность и связанные с событием позитивные потенциалы, зарегистрированные у кроликов в условиях целенаправленного поведения при низкой вероятности предъявления значимого стимула, идентичны по своим характеристикам, закономерности изменений электрографической активности и локализации этого процесса, наблюдаемым у человека при реализации парадигмы «активный одд-болл» и интерпретируемым как нейрофизиологические корреляты внимания.
Научная новизна.
Впервые с целью изучения процесса внимания на животных использована оригинальная методика дифференцирования стимулов при целенаправленном поведении в условиях низкой вероятности предъявления значимого, разработанная для кроликов и представляющая собой модификацию парадигмы «активный одд-болл», применяемой в аналогичных исследованиях на человеке.
Впервые на кроликах установлена закономерность дифференцирования стимулов при выполнении задачи «активный одд-болл». Показано, что высокая вероятность предъявления незначимого, неподкрепляемого и не требующего ответной реакции стимула, приводит к снижению уровня внимания к значимому стимулу.
Впервые продемонстрировано, что мощность кортикальной фоновой гамма-активности является показателем тонического непрерывного внимания, предшествующего предъявлению стимула. Модуляция мощности фоновой гамма-активности при выполнении задачи активного одд-болла обусловлена изменением уровня непрерывного тонического внимания, отражающего настройку нервной системы на их распознавание, правильность интерпретации их значимости и на совершение/несовершение поведенческой реакции.
Впервые показано, что мощность гамма-активности и амплитудно-временные параметры связанных с событием потенциалов, зарегистрированные у кролика, являются показателями селективного внимания, направленного на выделение редкого значимого стимула и планирование ответной двигательной инструментальной реакции.
Впервые показано, что закономерные изменения мощности гамма-активности и амплитудно-временных параметров позитивных связанных с событием потенциалов у кроликов вызваны изменением уровня селективного внимания при совершении/несовершении инструментальной поведенческой реакции на значимый или незначимый стимулы.
Впервые продемонстрировано снижение мощности гамма-активности и амплитуды Р200 и Р300 в ответ на незначимый стимул при совершении ошибочных
поведенческих реакций по сравнению с реакцией на значимый стимул при правильным выполнением инструментальной реакции, что обусловлено понижением уровня селективного внимания.
Научно-теоретическое и практическое значение работы. Проведенное исследование характера и закономерности поведения животных, амплитудно-временных параметров когнитивных потенциалов и мощности гамма-активности в процессе дифференцирования стимулов с низкой вероятностью предъявления значимого (парадигма «активный одд-болл»), направленное на изучение внимания, имеет фундаментально-теоретическое значение. Полученные данные существенно расширяют и дополняют представление о характере взаимодействия формируемых при выполнении задачи «активный одд-болл» поведенческих навыков и о его влиянии на уровень распознавания стимулов; о влиянии уровня фонового и селективного внимания на электрическую активность головного мозга в связи с определением значимости стимулов и принятием решения о выполнении/невыполнении ответной реакции.
Проведенные исследования показали, что поведенческие показатели внимания, мощность гамма-активности и параметры связанных с событием позитивных потенциалов, зарегистрированные у кроликов, идентичны по своим характеристикам, закономерности изменений энцефалографической активности и локализации этого процесса наблюдаемым у человека при реализации парадигмы «активный одд-болл. Это позволяет использовать поведенческую модель активного одд-болла, модифицированную для кроликов, в фундаментальных исследованиях нейрофизиологических механизмов внимания, его структурных, медиаторных и нейронных основ на животных. Кроме того, данная модель парадигмы «активный одд-болл» может быть использована в прикладных целях при моделировании патологии внимания, при разработке медикаментозных средств для восстановления когнитивных функций у человека.
Выявленные закономерности генерации когнитивных потенциалов могут быть учтены при настройке интерфейсов мозг-компьютер и улучшении точности и скорости распознавания вводимой оператором команды.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Россия, Москва, 2008); на Третьей международной конференции по когнитивной науке (Россия, Москва, 2008); на II съезде физиологов СНГ «Физиология и здоровье человека» (Молдова, Кишинэу, 2008); на XV Международной конференции по нейрокибернетике (Россия, Ростов-на-Дону, 2009); на Четвертой международной конференции по когнитивной науке (Россия, Томск, 2010); на XXI Съезде Физиологического общества им. И.П. Павлова (Россия, Калуга, 2010); на V Международной научной конференции
«Психофизиологические и висцеральные функции в норме и патологии» (Украина, Киев, 2010).
Диссертация апробирована на заседании кафедры высшей нервной деятельности Биологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова 27 июня 2011 г.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 11 научных публикациях, включая 1 статью в журнале, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 149 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, главы с описанием методики исследования, трех глав, содержащих собственные экспериментальные данные и обсуждение полученных результатов, заключения, выводов, списка литературы. Диссертация иллюстрирована 35 рисунками, содержит 4 таблицы. Список литературы включает 227 источников, 40 из которых на русском языке, 187 на иностранных.
