Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Климатогеографические и экологические особенности Коношского района Архангельской области и здоровье человека на Севере 12
1.2. Возрастные особенности морфофункционального развития мозга детей и подростков и их отражение в биоэлектрической активности головного мозга 15
1.3. Влияние факторов Севера на возрастное развитие детей и подростков 32
Глава 2. Методы исследования
2.1. Экспериментальная база, контингент испытуемых и объем исследований 41
2.2. Методики исследования 41
2.3. Методы математической обработки данных 44
Глава 3. Результаты исследований
3.1. Особенности возрастного формирования амплитудно-частотных и пространственных характеристик электроэнцефалограммы детей и подростков, проживающих в условиях Европейского Севера 49
3.2. Возрастные особенности структуры взаимодействия компонентов ЭЭГ у детей-северян 62
3.3. Структурный анализ ЭЭГ
3.4. Оценка возрастных особенностей развития интеллектуальных функций у школьников в сельском районе Архангельской области и их сопоставление с параметрами ЭЭГ 99
3.5. Формирование нейрофизиологических механизмов внимания (по данным исследования «когнитивных» вызванных потенциалов мозга в сопоставлении с данными психологического тестирования) 105
Обсуждение 115
Выводы 134
Список использованных источников
- Климатогеографические и экологические особенности Коношского района Архангельской области и здоровье человека на Севере
- Возрастные особенности морфофункционального развития мозга детей и подростков и их отражение в биоэлектрической активности головного мозга
- Экспериментальная база, контингент испытуемых и объем исследований
- Особенности возрастного формирования амплитудно-частотных и пространственных характеристик электроэнцефалограммы детей и подростков, проживающих в условиях Европейского Севера
Введение к работе
Возможность живых организмов, в том числе и человека, приспосабливаться (адаптироваться) к постоянно меняющимся условиям внешней среды является важнейшим биологическим свойством, сформировавшимся в процессе длительной эволюции (Орбели, 1961). Однако возможности приспособления не беспредельны. Существует ряд природных факторов (низкие температуры, выраженная гипоксия, радиация и т.п.), при которых происходят выраженные структурные и функциональные нарушения, несовместимые с жизнью, т.е. адаптация к ним не наступает (Миррахимов, 1971; Авцын, 1972; Казначеев, 1980; Агаджанян, 1983, 2007; Султанов, 1991; Мату сов, 1981; Медведев, 2003).
Одной из важнейших задач возрастной физиологии является выяснение основных принципов и закономерностей морфологического и функционального развития мозга и базовых нейрофизиологических механизмов, обеспечивающих не только поддержание жизнедеятельности организма, но и постепенное расширение адаптивных возможностей, поведенческих реакций, когнитивных функций. Согласно современным данным, развитие мозговых структур, формирование закономерностей и алгоритмов взаимодействия между ними претерпевает существенные изменения в процессе возрастного развития ребенка (Фарбер, 1969-1995; Suzuki, 1974; Thatcher et al., 1986, 1992; Niedermeyer, 1993; Nunez, 1995; Фарбер. Вильдавский, 1996; Futagi et al., 1998; Мачинская, 2001; и др.). Показано, что как в пренатальном, так и в постнатальном периоде различные структуры мозга созревают постепенно и гетерохронно. Любые нарушения в протекании беременности, особенно токсикозы, осложнения во время родов, родовые травмы, токсикомании и наркомании родителей, неблагоприятные социальные и экологические условия в раннем периоде развития неизбежно сказываются на темпах созревания отдельных структур мозга, чаще всего, приводя к отставанию в развитии или умственной неполноценности.
Показано, что, несмотря на жесткость генетической программы индивидуального развития ребенка, неблагоприятные факторы внешней среды в северных районах (как природные, так и социальные) не только предъявляют повышенные требования к его физиологическим системам, психической сфере, но и существенно влияют на скорость морфофункционального созревания организма, вызывая задержки в развитии тех или иных систем или функциональные отклонения в физическом и психическом развитии (Козинец, 1993; Ткачев, 2000; Добродеева, 2001; Щеголева, 2004; Сороко и др., 2006; Бойко, 2007; Максимов, Бартош, 2007 и
ДР-) Экстремальность условий внешней среды на Севере определяется не только суровыми климатическими условиями (низкие температуры, ветер, высокая влажность), повышенной активностью гелиогеомагнитных факторов (резкие перепады электромагнитного поля Земли, повышенное космическое излучение), но и необычной светопериодикой, бедностью окружающего ландшафта. К природным факторам добавляются и факторы социально-экономические: значительная социальная и информационная изоляция, особенно сельских жителей, далекие от комфорта жилищно-бытовые условия, однообразие питания с дефицитом необходимых для организма витаминов и микроэлементов и др. (Панин, 1978, 1979; Казначеев, 1980; Кривощеков, 2000; Ыесветаева, 2001; Максимов, 2003; Бойко, 2004). Бурное освоение северных территорий в 60-70-е годы привело к значительной деградации весьма ранимой окружающей среды, последствия которой в виде химического загрязнения почвы и воды проявляются до сих пор, несмотря на значительное свертывание программы экономического освоения Севера в последние 10-15 лет.
Весь этот сложный природный, техногенный и социальный комплекс факторов не может не сказываться на состоянии здоровья населения, в первую очередь детей. Известно, что уровень рождаемости, детская заболеваемость и смертность в нашей стране в последние годы имеют отрицательную тенденцию, что привело к принятию Правительством РФ специальных социальных программ, направленных на улучшение этой ситуации. По данным Всероссийской диспансеризации детей в 2002г., только 32,1% детей признаны здоровыми, 51,7% имеют функциональные отклонения или факторы риска развития заболеваний, 16,2% - хронические заболевания. Показано, что в сельской местности удельный вес здоровых детей достоверно ниже, чем в городах. В структуре заболеваний детей, заканчивающихся инвалидностью, ведущее место принадлежит инфекционным и соматическим заболеваниям (37,2%), второе — психическим расстройствам (21,2%), третье - заболеваниям нервной системы (20,6%). Согласно официальным данным, в северных регионах показатели заболеваемости, инвалидности и смертности значительно выше, чем в средней полосе России (Государственный доклад о состоянии здоровья населения Российской федерации в 2002 году, 2003). Самые высокие показатели младенческой смертности, превышающие среднероссийский уровень в 2,7 раза, отмечается в Корякском (35,6%), Чукотском (32,2%), Эвенкийском (30,3%) автономных округах.
Анализ данных по детской заболеваемости, приведенных в официальных документах (Региональный доклад о санитарно-эпидемиологической обстановке в Архангельской области в 2003 году, 2004), показал, что ситуация в Коношском районе Архангельской области (район, где проводились наши исследования) неблагополучна, несмотря на его более южное расположение. Так, рождаемость существенно ниже, чем в других районах области (7,4), высокая смертность (19,9). Коношский район оказался одним из самым неблагополучных в области по темпам прироста врожденных пороков развития (42,0%).
Последние исследования отечественных и зарубежных нейрофизиологов показывают, что требуется проведение широких фундаментальных исследований в различных климатогеографических регионах Земли по разработке специальных объективных методов контроля за развитием мозга ребенка вплоть до совершеннолетия с учетом влияния всех экологических факторов (природных, техногенных, социальных). Необходимо создание научно обоснованных методов контроля за функциональным состоянием нервной системы в процессе обучения в школе с целью адаптации школьной нагрузки, создание современных способов диагностики возможных функциональных нарушений, методов их профилактики и своевременной коррекции.
Одним из основных объективных методов оценки динамики функциональной организации мозга в процессе индивидуального развития ребенка является электроэнцефалография. Современные методы компьютерного анализа электроэнцефалограммы (ЭЭГ) позволили выявить наиболее критические периоды в развитии мозговых функций детей, половые различия, судить о тех или иных нарушениях в корково-подкорковых отношениях (Фарбер, 1969; Фарбер, Алферова, 1972; Фарбер, Фрид, 1982; Фарбер и соавт., 1990; Фарбер, Дубровинская, 1991; Рожков, 1994; Шеповальников, 1997; Цицерошин и соавт., 2000; Мачинская, Соколова, 2007). Однако, несмотря на огромные успехи в расшифровке нейрофизиологических механизмов становления и развития мозговых функций в процессе возрастного развития, до сих пор клиническая нейрофизиология и практическая педиатрия не располагают достаточно эффективными методами контроля за нормальным развитием мозга детей и функциональными отклонениями, способами направленной их коррекции.
Для диагностики отклонений в психическом развитии ребенка до сих пор в основном используются психофизиологические методы, специальные зрительные и вербальные тесты. Между тем, с каждым годом появляется все большее и большее число детей с задержками психомоторного развития, выраженной умственной патологией, уродствами. Это является не только трагедией для родителей, но и ведет к значительным социальным потерям, так как требует значительных материальных затрат на содержание специальных школ и интернатов, подготовку соответствующих специалистов, выплату социальных компенсаций. Учитывая большую индивидуальную вариабельность амплитудно-частотных характеристик и пространственной организации биоэлектрической активности мозга, необходимо разработать физиологические нормативы для всех возможных вариантов нормального развития мозга, без которых невозможен объективный контроль. К сожалению, общепринятые методы анализа ЭЭГ (спектральный, корреляционный, периодограммный, когерентный и др.) до сих пор не принесли в этом отношении желаемых успехов. Это связано в основном с тем, что анализ обычных диапазонов ритмики ЭЭГ (бета, альфа, тета, дельта) у детей не отражает истинной картины возрастных особенностей созревания отдельных структур головного мозга. Показано, что одновременно с морфологическими изменениями в нейронных структурах меняется внутренняя структура каждого ритма, его роль в организации и поддержании паттерна ЭЭГ (Веденеева, Сороко, 1998, 1999; Рожков, Сороко, 2000). В связи с этим, более обнадеживающие результаты в изучении электрофизиологических коррелятов зрелости мозговых структур и оценки интегративной деятельности мозга детей разных возрастных групп получены при детальном рассмотрении внутренней структуры альфа-ритма (Fischer, Rose, 1994; Лукашевич и соавт., 1995; Klimesch, 1996 и др.). Однако требуется фундаментальная разработка новых подходов для выявления не только особенностей становления амплитудно-частотных характеристик отдельных структур и зон мозга, но и расшифровки индивидуальных алгоритмов внутрицентральных взаимодействий, лежащих в основе организации системной деятельности мозга, создание специальных компьютерных программ анализа данных, соответствующих баз данных и обучающих выборок, в конечном итоге позволяющих подойти к разработке возрастных региональных нормативов, диагностике нарушений в развитии, способов их коррекции и профилактики.
Диссертационная работа выполнена в рамках Программы № 16 фундаментальных исследований Президиума РАН «Влияние глобальных изменений климата: природные катастрофы и связанные с ними процессы» и темы НИР ИЭФБ РАН «Изучение центральных механизмов регуляции в организме при изолированном и комбинированном воздействии экологических факторов внешней среды» (Гос. per. №01.2.06 14341).
Климатогеографические и экологические особенности Коношского района Архангельской области и здоровье человека на Севере
Европейский Север занимает более 1 млн. кв. км, или 8,1% всей территории Российской Федерации, значительную часть которого составляет Архангельская область (587,3 тыс. кв. км). Климат Европейского Севера России характеризуется холодом, резкими колебаниями атмосферного давления, повышенной влажностью, высокой активностью гелиокосмических факторов, резким нарушением фотопериодичности, частыми и большими возмущениями в ионосфере, возрастающей к северу напряженностью и изменчивостью магнитного поля Земли. Отмечается низкая минерализация питьевой воды, дефицит биологически активных элементов, недостаточная обеспеченность витаминами (Бойко, 2005; Грибанов, Волокитина, 2006).
Деревня Климовская Коношского района Архангельской области (где проводились все наши исследования) находится на территории геобиосферного стационара РАН «Ротковец» - 6 Г с.ш. и 41 восточной долготы. Это так называемая буферная (переходная) зона между территориями с дискомфортными условиями проживания и умеренными широтами. По материалам районирования Европейского Севера России (Рощевский М.П. и соавт., 2004), Коношский район относится к умеренно дискомфортной зоне, интегральная оценка дискомфортности 56,0 (в то время как, например, для г. Мурманска этот коэффициент равен 33,3 - абсолютно дискомфортная зона).
Для обоснования дискомфортности северных территорий используется четыре фактора: природно-климатический, экономико-географический, социально-экономический и фактор риска проживания. Для оценки природно-климатического фактора используется биоклиматический индекс суровости метеорежима (БИСМ) и географическая широта местности. В умеренно дискомфортной зоне, куда относится рассматриваемый район, БИСМ составляет 6,0-6,99, в то время как при идеальных комфортных условиях он составляет 10 баллов, а при полной экстремальности равен нулю (Рощевский М.П. и соавт., 2004). С позиций физико-географического районирования, деревня Климовская расположена на юго-востоке Фенноскандинавии. В ландшафтном отношении район стационара принадлежит к среднетаежной подпровинции Северо-Западной провинции Русской равнины с наличием многочисленных рек, озер и болот (Государственная геологическая карта РФ, 2001).
Климат района умеренно континентальный со среднегодовой температурой воздуха +1,0-1,2С. Зимой выпадает 270-295 мм осадков. Лето прохладное и холодное. Средняя температура июля +16С. Район находится в зоне избыточного увлажнения, годовая сумма осадков составляет в среднем 788 мм. Среднегодовая влажность воздуха высокая (80-81%). Средняя продолжительность безморозного периода 105-115 дней (Атлас Архангельской области, 1976).
Полученные Ю.Г. Шварцманом и соавт. (2004) результаты анализов проб на содержание тяжелых металлов в почвах в округе д. Климовская показали, что их концентрации не превышают ГТДК, и лишь в одной пробе, отобранной в карьере вблизи с. Гора отмечено двукратное превышение ПДК по цинку. Невысокое загрязнение почв тяжелыми металлами связано с преимущественно аграрным и лесохозяйственным профилем района. Радиационный фон изменялся в диапазоне от 7 до 12 Мкр / час, что соответствует фоновой обстановке.
Ландшафты района отличаются высокой степенью антропогенной трансформации, связанной, прежде всего с лесопользованием, сельским хозяйством и торфоразработками (Шварцман и соавт., 2004).
В настоящее время сельское1 хозяйство района резко сократилось. Наблюдается процесс зарастания луговых сенокосных угодий, эвтрофизация озер. Многие деревни заброшены в связи с оттоком населения в города и поселки городского типа. После распада колхоза жители д. Климовская и окрестных деревень в количестве 611 человек из пяти окрестных деревень занялись натуральным хозяйством. Мелиорированные и пахотные земли составляют около 3% от всей площади. Освоение минеральных ресурсов (большей частью строительных материалов) производится выборочно, в основном для строительства дорог, производства кирпича, минеральных удобрений. Большая мощность ледниковых отложений создает неблагоприятные условия для разведки и добычи полезных ископаемых (Шварцман и соавт., 2004). Дискомфортные климатогеографические условия жизни на Севере обуславливают развитие двух видов негативных реакций: торможение возрастного развития и сокращение резервных возможностей. Задержка возрастного развития детей, родившихся на Севере, подтверждается дефицитом роста и окружности грудной клетки, отставанием возрастного формирования эндокринной, репродуктивной, иммунной систем (Ткачев, 2004).
Более раннее сокращение резервов человека на Севере проявляется повышенным уровнем заболеваемости (на 12-23%), нарушением иммунитета, «омоложением» болезней. Распространенность в южных районах Архангельской области иммунно-эндокринных нарушений составляет 35-39%, что наиболее достоверно отражает степень дискомфорта проживания. На Севере на семь-десять лет раньше происходит истощение резервных возможностей организма (в особенности репродуктивных способностей), т.е. наступает преждевременная старость (Ткачев, 2004).
Ключевым отличием жителей Севера от населения умеренных широт является формирование полярного адаптивного метаболического типа (Панин, 1979; Бойко, 1996). При этом наблюдается комплексная перестройка функциональных систем, в основе которых лежат соответствующие трансформации тканевого метаболизма (Бойко, 2004).
Основу метаболических изменений составляет активизация использования липидных энергоносителей с целью компенсации повышенных энергозатрат, так называемое переключение метаболизма с «углеводного» типа на «жировой» (Панин, 1978). В то же время у северян наблюдается целый комплекс своеобразных метаболических трансформаций.
Специфика северной фотопериодики может приводить к разбалансированности гормонального гомеостаза и более раннему истощению функциональных резервов (Ткачев и соавт., 1992; Ткачев, Кляркина, 1997). Так, для щитовидной железы характерно увеличение массы и гиперсекреция, что может быть связано с холодовой адаптацией, обеспечиваемой тиреоидными гормонами. При этом типичный для северных территорий дефицит йода еще больше осложняет ситуацию (Ткачев, Суханов, 1990; Максимов, Горбачев, 2001). Для северян характерно изменение функционирования системы дыхания: вдыхание холодного воздуха вызывает бронхоспазм, что приводит к гипертензии малого круга кровообращения и развитию воспалений легочной ткани (Милованов, 1981). Вместе с тем возникает гипертрофия правого желудочка - «легочное сердце» (Авцын, Жаворонков, 1985; Евдокимов, Варламова, 1999; Варламова, 2004). Артериальное давление у северян выше, чем у жителей умеренных широт (Солонин, 1994; Евдокимов, Варламова, 1998, 1999; Евдокимов, 2004).
Своеобразие питания северян проявляется дефицитом витаминов, особенно группы В, кальция, калия, магния и практически всех микроэлементов из-за слабой минерализации воды (Бойко, 2005).
Образ жизни северян характеризуется длительным нахождением в замкнутом пространстве помещений в течение суток, что приводит к уменьшению двигательной активности, и как следствие - к изменению массы и структуры мышц и костей, к падению динамической и статической работоспособности, к заболеваниям венозных сосудов нижних конечностей, сердечно-сосудистой системы (Чермных М.А., 2004).
Сниженная информационная нагрузка, особенно в сельской местности, вызывает возникновение информационных неврозов (Хананашвили, 1942), психоэмоциональной неустойчивости, что сопровождается неадекватными формами поведения, развитием алкоголизма или наркомании (Чермных М.А., 2004).
Возрастные особенности морфофункционального развития мозга детей и подростков и их отражение в биоэлектрической активности головного мозга
В процессе онтогенеза человека все системы и органы претерпевают ряд преобразований, заключающихся в росте, дифференцировке и интеграции частей развивающегося организма. Мозг, будучи главным регулятором всех жизненных функций, также развивается, обеспечивая адекватное приспособление человека к окружающей среде.
Становление нервной деятельности в пренатальном и постнатальном онтогенезе проявляется в развитии и усложнении рефлекторных реакций (Windle, 1940), в гетерохронном созревании функциональных систем (Анохин, 1978). В основе этих процессов лежит прогрессирующее морфологическое созревание клеточных элементов и структур спинного и головного мозга: уменьшение плотности клеток в мозговых структурах, увеличение внутрицентральных связей, расширение контактов афферентных волокон с мотонейронами и промежуточными нейронами, повышение количества синапсов на телах и отростках нейронов, развитие внутрицентральных и межцентральных взаимоотношений, усовершенствование цитоархитектоники корковых полей, миелинизация проводящих путей. Вследствие этого происходит повышение скорости проведения возбуждения в рефлекторных дугах, усложнение координационных механизмов спинного и головного мозга (Tennyson, 1970).
Формирование системной организации интегративных процессов теснейшим образом связано с ходом постнатального морфогенеза неокортекса (Фарбер и соавт., 1990). Как показали исследования Л.К. Семеновой и соавт. (Фарбер и соавт., 1990)., в различных областях коры большого мозга, а таюке в различных полях каждбй области изменение ширины коры, ее слоев и подслоев, изменение размеров и уровня дифференцировки нейронов всех типов происходит в разные сроки и с различной интенсивностью. При этом наиболее поздно достигают полной дифференцировки ассоциативные области коры большого мозга.
Электроэнцефалограмма является важнейшим объективным показателем работы мозга (Бреже, 1978). Биоэлектрическая активность отражает функциональную активность и сложное взаимодействие различных структур мозга и таким образом зависит от степени организации мозговых систем (Зенков, Ронкин, 1993). Еще И.П. Павлов подчеркивал модулирующее влияние подкорковых центров на кору головного мозга. Л.А. Орбели (1949) развивал представления об адаптационно-трофическом действии высших вегетативных центров промежуточного мозга на функциональное состояние коры. По данным М.Н. Ливанова (Ливанов, 1972, 1981, 1989; Ливанов и соавт., 1988) существует две системы, регулирующие корковую активность: ретикулосептальная, действующая диффузно, и мамиллоталамическая, оказывающая пространственно избирательное действие. Вместе с тем убедительные данные о значении таламических структур в генезе основного ритма ЭЭГ (Green, Arduini. 1954; Morison, Dempsey, 1943) не исключают роли нервных элементов коры больших полушарий в генерации биоэлектрической активности мозга. Еще Г. Уолтер (1966) высказал гипотетическую точку зрения о наличии двух процессов, принимающих участие в генерации альфа-ритма, - корково-подкорковом и корково-корковом. А.Н. Шеповальников и соавт. (1979) считают, что «движущиеся волны» (распространяющееся последовательное вовлечение в синхронную деятельность нейрональных элементов (Petsche, Rappelsberger, 1970) распространяются по системе корковых диполей в пределах ограниченных областей коры, деятельность которых координируется прямыми и обратными таламо-кортикальными и кортико-кортикальными связями. Взаимодействие биопотенцалов этих «генерирующих областей» формируется с возрастом ребенка медленно, и даже к 18 годам жизни иногда еще наблюдаются признаки незрелости.
В организации координированной деятельности дистантно разобщенных корковых центров особую роль играют длинные ассоциативные пути. Морфологическое созревание этих путей, по мнению А.Н. Шеповальникова и соавт. (1979) является одним из определяющих факторов становления интегративной деятельности мозга у детей в процессе онтогенеза. Формирование этих сложных отношений находит отражение в возрастных изменениях пространственной организации доминирующей ритмической активности мозга.
Структурно-функциональные изменения мозга являются основой перестроек биоэлектрической активности в процессе онтогенеза. В работах многих авторов показана высокая прогностическая ценность ЭЭГ-характеристик для определения симптомов функциональной незрелости мозга (Кудрякова, 1991; Лукашевич и соавт., 1995, 2002; Артеменко, Кудрякова, 1995; Фарбер и соавт., 1995; Фишман и соавт., 1996, 1998; Шеповальников и соавт., 1997). Вопросы изучения биоэлектрической активности мозга у детей постоянно занимали значительный объем исследований по электроэнцефалографии - свыше 20% (Руководство «Эволюционная физиология» под ред. Е.М. Крепса, 1979), особенности биоэлектрической активности мозга у детей изучены в деталях. Благодаря этим исследованиям А.Н. Шеповальников и соавт. (1979) выделяют признаки, характеризующие «уровень зрелости» биоэлектрической активности головного мозга у бодрствующих детей: 1) особенности частотно-амплитудного спектра ЭЭГ; 2) наличие устойчивой ритмической активности; 3) средняя частота доминирующих волн; 4) топические особенности ЭЭГ по областям мозга; 5) особенности генерализованной и локальной вызванной активности мозга; 6) особенности пространственно-временной организации биопотенциалов мозга. Эти признаки, по мнению авторов, необходимо рассматривать комплексно. Практическая оценка возрастных вариантов нормы при исследовании ЭЭГ детей младшего возраста является нелегкой задачей, т.к. критерии патологии, установленные для ЭЭГ взрослых, могут оказаться типичными компонентами ЭЭГ здорового бодрствующего ребенка (Шеповальников и соавт., 1979).
По мере созревания мозга происходят поэтапные изменения ЭЭГ, прежде всего направленные на изменения частоты, которая имеет тенденцию к увеличению, а также топографии выявления волн. На основании этих характеристик ЭЭГ создан ряд схем, образующих динамику развития ЭЭГ (Сороко, Сидоренко, 1993).
Согласно данным R. Garsche (1954), формирование ЭЭГ заканчивается к 14 годам и содержит 4 периода. Первый период охватывает возраст от рождения до 18 месяцев, характеризуется доминированием дельта-ритма с амплитудой 5-50 мкВ во всех зонах коры. Иногда на фоне медленной активности проявляется более быстрый ритм, возможна асимметрия. Риъмичность появляется в основном после двухмесячного возраста. По данным R.W. Thatcher (1992), окончательное формирование ЭЭГ наступает к 18-20 годам.
Важным этапом является наличие локального выявления тета-активности и в прецентральной области на третьем месяце жизни ребенка. Затем данная активность распространяется на соседние области и во втором периоде (от 18 месяцев до 5 лет) преобладает во всех отведениях, тогда как роль дельта-ритма сводится до субдоминирующего в лобных зонах. В это время во всех анализируемых отведениях могут встречаться отдельные волны альфа-диапазона и в конце второго периода они могут выявляться в затылочных зонах в виде полиморфных веретен.
Экспериментальная база, контингент испытуемых и объем исследований
Исследование проводилось на всех школьниках 1-11 классов (81 человек) средней общеобразовательной школы деревни Климовская Коношского района Архангельской области в ходе семи экспедиций 2005-2008 гг. Экспедиции проводились дважды в год: в мае-июне и сентябре-октябре.
Использовался метод электроэнцефалографии, когнитивных вызванных потенциалов, исследования интеллекта и ряд психофизиологических методик.
Для выявления возрастных особенностей ЭЭГ все испытуемые были разделены на пять возрастных групп, в соответствии с делением на группы, использованным Д.А. Фарбер, В.В. Алферовой (1972). Исключение составляли дети 7 лет, которые в силу малочисленности в данной популяции были отнесены в группу 8-9 лет с образованием группы 7-9 лет, в отличие от исследования Д.А. Фарбер, где группы детей 7 лет и 8-9 лет были разделены.
Для оценки соответствия параметров электрической активности мозга паспортному возрасту полученные результаты сравнивались с данными Института возрастного развития Российской академии образования (Фарбер и соавт., 1972, 1990; Мачинская и соавт., 2001), данными отечественной и зарубежной литературы, а также с базой данных лаборатории, содержащей результаты обследования школьников г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области.
Исследования проводились с разрешения Комиссии по этике биомедицинских исследований ИЭФБ РАН и с согласия родителей. Экспериментальная часть работы осуществлялась с помощью аппаратурно-программного комплекса компьютерной электроэнцефалографии и ряда психофизиологических методик. Для оценки биоэлектрической активности мозга (242 исследования) регистрировали ЭЭГ с помощью компьютерного электроэнцефалографа «Телепат 104» (ООО «Потенциал», Санкт-Петербург, Россия) и электроэнцефалограф а анализатора ЭЭГА 21/26 «Энцефалан-131-03», модификция 10, версия «Элитная-М» 5.4-10-2.0. (НПКФ «Медиком» МТД, Таганрог, Россия). Частота оцифровки 256 в сек. Фильтр низких частот 0,03 сек. Фильтр высоких частот 30 Гц. Режекторный фильтр 50 Гц. Применяли 21 монополярное отведение. В качестве референтного использовали объединенные электроды на мочках ушей. Электроды располагались по международной схеме 10-20% (Jasper, 1958) симметрично в передне-лобных (Fpl, Fp2), задне-лобных (F3, F4), нижне-лобных (F7, F8), центральных (СЗ, С4), средне височных (ТЗ, Т4), задне-височных (Т5, Т6), теменных (РЗ, Р4) и затылочных (01, 02) областях, а также по центральной линии (Fpz, Fz, Cz, Pz, Oz). ЭЭГ регистрировали непрерывно, фоновую запись с закрытыми глазами - в течение 5 минут, далее функциональные нагрузки, стандартные для клинического электроэнцефалографического исследования: проба с открытыми глазами, фотостимуляция, трехминутная гипервентиляция. Запись ЭЭГ производилась в положении сидя.
Слуховые длиннолатентные вызванные потенциалы (57 исследований) регистрировали с помощью электроэнцефалографа-анализатора «Энцефалан-131-03». Параметры регистрации и схема отведений как для ЭЭГ-исследования. Исследовались вызванные потенциалы на стимулы: тоні - 2000 Гц, 65 дБ, 50 мс, тон2 - 1000Гц, 65 дБ, 50 мс. При выделении когнитивной составляющей (РЗОО) ВП редко предъявляющимися были стимулы с параметрами «тоні», часто предъявляющимися — «тон2». Стимулы предъявлялись в случайном порядке с интервалом около 1,2 сек, в соотношении 1:9 при «пассивном» (без инструкции) и 2:8 при «активном» (счет редких стимулов) восприятии. Стимулы предъявлялись через аудионаупшики.
Изучение структуры интеллекта (61 исследование) проводилось с помощью интеллектуального теста для детей - Wechsler intelligence scale for children, WISC (Wechsler D., 1949). Перевод и адаптация материалов субтестов WISC на русский язык осуществлены А.Ю. Панасюком (1973), доработка Ю.И. Филимоненко и В.И. Тимофеевым (2001). Использовалось пять вербальных субтестов: осведомленность, понятливость, арифметический, сходство, словарный и пять невербальных: недостающие детали, последовательные картинки, кубики Коса, складывание фигур, шифровка. После получения суммы баллов по субтестам для отдельного испытуемого, балл по каждому субтесту переводился в шкальную оценку в соответствии с возрастом испытуемого. Шкальные оценки суммировались отдельно по вербальным и невербальным тестам, полученные суммы переводились в итоговый вербальный показатель IQ и невербальный показатель IQ, соответственно. Из общей суммы шкальных оценок вычислялся общий показатель IQ. По установленным Д.Векслером (1949) границам, вычисленные показатели IQ относили к одной из градаций: весьма высокий интеллект, высокий интеллект, хорошая норма интеллекта, средний уровень интеллекта, сниженная норма интеллекта, пограничный уровень, умственный дефект.
Для исследования особенностей активного внимания использовалась корректурная проба Бурдона (57 исследований) (Альманах психологических тестов, Москва, 1995). Бланк представлял собой лист бумаги, на котором по строчкам расположены буквы русского алфавита (40 букв в строке, 40 строк). Испытуемый инструктировался вычеркивать в каждой строке ту букву, с которой она начинается, и по команде каждую минуту отмечать знак, просматриваемый в этот момент (всего проба выполнялась пять минут или меньше, в случае досрочного выполнения теста). Обработка производилась путем наложения ключа. Подсчитывалось количество правильно зачеркнутых и количество пропущенных букв. Количественно выражался уровень концентрации внимания К по формуле: К=(П1-П2-П3):ПхЮ0%, где П] - сумма правильно зачеркнутых букв, П2 - сумма пропущенных букв, П3 -сумма ошибочно зачеркнутых букв, П - общее количество букв в просмотренных строчках, подлежащих зачеркиванию. Кроме этого, вычислялся показатель скорости выполнения задания А: А= S : t, где S - количество знаков в проработанной части задания, t - время, затраченное на эту часть. Диагностика зрительной памяти (57 исследований) осуществлялась с помощью теста ВВР — воспроизведение визуальных репродукций (Benton, 1962). Испытуемые инструктировались внимательно рассмотреть и запомнить изображение на листе бумаги за определенное время и постараться в точности воспроизвести увиденное, после чего на время 10-25 секунд, в зависимости от возраста, предъявлялся для запоминания стандартный бланк. Оценивалась правильность воспроизведения изображения, по специальной шкале подсчитывался балл.
Особенности возрастного формирования амплитудно-частотных и пространственных характеристик электроэнцефалограммы детей и подростков, проживающих в условиях Европейского Севера
Результаты визуальной оценки и данные спектрального анализа ЭЭГ у школьников различных возрастных групп свидетельствуют об уменьшении с возрастом представленности в ЭЭГ составляющей в дапазонах дельта- и тета-частот и возрастании мощности альфа- и бета-диапазонов частот (рис. 2). Эта динамика отражает завершение процесса перехода от физиологически «незрелого» паттерна ЭЭГ в форме доминирования (или феномена полиритмии) тета-ритмов ЭЭГ к дефинитивному паттерну с доминированием альфа-ритма.
Спектральные характеристики ЭЭГ детей отдельных возрастных групп представлены в табл. 1-5.
Динамика таких перестроек (уменьшение вклада тета-диапазона частот и увеличение альфа-диапазона частот) с возрастом имеет топические особенности. В ячейках таблиц на рис. 3 и 4 (ячейки соответствуют отведениям ЭЭГ соответственно схеме на рис. 3, А) приведены величины коэффициентов корреляции (КК) между значением относительной спектральной мощности (нормированной по мощности всего спектра) колебаний потенциалов в анализируемом диапазоне частот ЭЭГ и возрастом школьников. Слабые отрицательные корреляции, свидетельствующие об уменьшении с возрастом спектральной мощности, выявлены для колебаний потенциалов в дельта- и тета-диапазонах частот для всех отведений ЭЭГ (рис. 3). Тенденция к снижению спектральной мощности колебаний в дельта2-диапазоне частот с возрастом наиболее выражена в центральных и лобных отведениях ЭЭГ (КК до -0,52) с относительным преобладанием динамики в правой гехмисфере. Возрастное снижение активности в тета 1-диапазоне включает большее число (с учетом значимости КК) регионов и преобладает в центрально-теменных регионах билатерально и височной области правого полушария.
В числе отличительных особенностей возрастных изменений активности как в тетаї-, так и в тета2-диапазонах следует отметить наибольшую выраженность снижения мощности этих составляющих ЭЭГ в височно-темешю-центральных регионах. При этом, если для тетаї-диапазона характерно «вовлечение» височно-лобных областей, то для тета2-диапазона - височно-затылочных областей.
Для колебаний потенциалов более высоких - альфа- и бета-частотных диапазонов ЭЭГ выявлены преимущественно положительные корреляции с возрастом (рис. 4). Примечательно отсутствие значимой тенденции изменений с возрастом для альфа 1-диапазона частот. Слабо увеличивается с возрастом относительная мощность альфа2-частот с небольшим преобладанием в лобных и височных областях. Fie выявлено статистически значимых изменений альфа 1- и альфа2-диапазонов частот в затылочных областях.
Полученные результаты свидетельствуют о продолжающемся в течение всего периода обучения в школе процессе формирования ЦНС у детей. В организации биоэлектрической активности мозга наиболее демонстративно снижение с возрастом активности в дельта- и тета-диапазонах частот ЭЭГ, и относительное повышение мощности колебаний потенциалов в бета-диапазоне. Судя по динамике возрастных изменений мощности этих частотных составляющих ЭЭГ, у школьников более высокой скоростью морфофункционального созревания отличаются лобно-центральные и височные регионы коры мозга, а наименьшими - затылочные, поскольку созревают раньше и в степень их изменения в школьном возрасте не так высока, как степень изменения фронтальных отделов мозга. Обращает на себя внимание также относительное преобладание изменений в отведениях правого полушария.
По результатам спектрального анализа можно выделить школьников с нормальными и задержанными сроками формирования биоэлектрической активности, поскольку известны нормальные частоты альфа-ритма для ЭЭГ детей и подростков разных возрастов. Так, на рис. 5 представлена возрастная динамика значений доминирующей частоты в диапазоне альфа-ритма (п=50). Красными квадратами представлены значения доминирующих частот в диапазоне альфа-ритма в затылочной области у отдельных школьников. Синими кружками - значения доминирующих частот в диапазоне альфа-ритма в лобной области у отдельных школьников. Красная и синяя линии — полиномиальная экстраполяция значений доминирующих частот для затылочной и лобной области соответственно.
