Введение к работе
Актуальность исследования
В последние годы представления о внимании в психологии были существенно пересмотрены в результате прорыва в знаниях о нейрофизиологических основах процессов внимания (Desimone & Ungerleider, 1989; Pribram & McGuinnes, 1992; Posner & Raichle, 1994; Desimone, 1996; Rafal & Robertson, 1997; Vinogradova et al., 1998; Kahana et al., 2001). В современной науке понятие «внимание» объединяет множество разноуровневых процессов, обеспечиваемых сложной системой мозговых механизмов. Эти процессы осуществляют регуляцию обработки информации мозгом, модулируя состояние нейронных сетей. Понимаемое в таком широком смысле, внимание с необходимостью присутствует в любой когнитивной деятельности, регулируя протекание процессов восприятия, обработки информации, сохранения её в памяти, формирования поведенческого ответа. Поскольку процессы внимания составляют неотъемлемый компонент различных когнитивных способностей (Pennington & Ozonoff, 1996; Barkley, 1997; Tannock, 1998; Schweizer et al., 2005), формирование нейросистем внимания в онтогенезе может служить важным источником когнитивного развития.
В соответствии с культурно-исторической теорией (Выготский, 1982–1984), социальная среда ребёнка выступает как главный источник его психического развития. Внимание ребёнка служит тем окном, через которое среда (прежде всего при участии взрослого) воздействует на его когнитивные способности. В настоящее время изучение влияния тренировки внимания на интеллект ребёнка только начинается (Klinberg et al., 2002; Rueda et al., 2005).
Для изучения внимания наибольшую ценность представляют работы, совмещающие в себе психологический подход с нейрофизиологическим. Такое построение исследования позволяет приблизиться к пониманию базовых механизмов внимания, описать закономерности формирования этих механизмов в онтогенезе, исследовать причины различных нарушений внимания, разработать методы коррекции этих нарушений.
Перспективным для изучения механизмов внимания в комплексе с его поведенческими проявлениями у детей представляется метод электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Это неинвазивный, безопасный, относительно дешёвый метод исследования функционального состояния мозга. В характеристиках ритмов ЭЭГ, зарегистрированной при различных когнитивных нагрузках, отражаются процессы функциональной модуляции активности нейронных сетей коры, которые служат нейрофизиологической основой внимания. Анализ функциональной динамики ритмов ЭЭГ показал свою плодотворность в исследованиях процессов внимания у взрослых (Ray & Cole, 1985; Pfurtscheller & Klimesch, 1992; Pfurtscheller & Neuper, 1994; Klimesch et al., 1999; Suffczynski et al., 2001), детей школьного возраста (Дубровинская, 1985; Мачинская с соавт., 1992; Фарбер с соавт., 2000), младенцев (для обзора см. Stroganova & Orekhova, 2007).
Изучению процессов регуляции внимания с помощью методов ЭЭГ у детей дошкольного возраста посвящено лишь небольшое количество исследований (Бетелева с соавт., 1977; Дубровинская, 1985; Фарбер с соавт., 2000). Вместе с тем знание о механизмах внимания именно в возрасте 5–6 лет имеет важное теоретическое и практическое значение. Переход к систематическому школьному обучению сопряжён с общим повышением требований к произвольной регуляции поведения ребёнка, в том числе с нагрузкой на процессы произвольного внимания. Знание об особенностях внимания детей в возрасте 5–6 лет позволит создавать программы школьного обучения с оптимальным распределением нагрузки на различные нейросистемы внимания детей. Диагностика индивидуальных особенностей функционирования разных модулей в структуре внимания может помочь родителям в выборе адекватной образовательной среды для ребёнка.
Ввиду высокой ценности знания о механизмах внимания в дошкольном возрасте представляется актуальным выявить возрастную специфику известных ЭЭГ-индикаторов внимания на этом этапе онтогенеза, исследовать стабильность межиндивидуальных различий в ЭЭГ-индикаторах устойчивого зрительного внимания, оценить вклад генетических и средовых факторов в популяционную изменчивость этих различий, изучить взаимосвязь механизмов внимания с когнитивными способностями у детей дошкольного возраста.
Методолого-теоретическая база исследования: представление о социальной среде как источнике психического развития ребёнка (Выготский, 1982–1984); теория системной динамической локализации высших психических функций (Лурия, 1970), идея функциональных систем и функционального органа (Анохин, 1978; Леонтьев, 1983, 1981; Ухтомский, 1978); представление об уровневом строении психических процессов (Бернштейн, 1966; Norman & Shallice, 1986), теории избирательного внимания (Broadbent, 1958; Deutch & Deutch, 1963; Treisman, 1964), концепция модульной организации внимания и распределённых нейросистем внимания (Pribram & McGuinness, 1992; Posner & Raichle, 1994).
Объект исследования: индивидуальные различия в организации механизмов устойчивого внимания у детей в возрасте 5–6 лет.
Предмет исследования: индивидуальные различия в ЭЭГ-маркёрах механизмов устойчивого внимания у детей в возрасте 5–6 лет.
Цель исследования: природа индивидуальных различий в ЭЭГ-маркёрах механизмов устойчивого внимания и вклад этих различий в индивидуальные особенности уровня когнитивного развития у детей в возрасте 5–6 лет.
Задачи исследования
-
При помощи функционально-топографического подхода в сочетании с анализом узких частотных полос определить частотные границы диапазонов дельта-, тета- и альфа-ритмов ЭЭГ в старшем дошкольном возрасте.
-
Исследовать возрастную специфику реактивных изменений дельта-, тета- и альфа-ритмов ЭЭГ в состояниях покоя («закрытые глаза», «затемнение») и устойчивого речевого (речь взрослого) и/или зрительного внимания у детей в возрасте 5–6 лет.
-
Исследовать стабильность индивидуальных особенностей ЭЭГ-маркёров активности двух модулей внимания (селекции канала и выбора мишени внимания) при речевой и зрительной функциональных нагрузках у детей в возрасте 5–6 лет.
-
Исследовать при помощи методов внутрипарной корреляции и структурного моделирования генетические и средовые источники индивидуальных различий в спектральных параметрах дельта-, тета- и альфа-ритмов ЭЭГ в покое и при устойчивом внимании к зрительной и речевой стимуляции у близнецов в возрасте 5–6 лет.
-
Выявить природу индивидуальных различий в оценках интеллекта в старшем дошкольном возрасте. Оценить вклад устойчивых индивидуальных различий в ЭЭГ-маркёрах внимания в оценки интеллекта у детей 5–6 лет.
Гипотезы исследования
-
У детей в возрасте 5–6 лет возрастная специфика функционально значимых ритмических компонентов ЭЭГ, соответствующих альфа-, тета- и дельта-ритмам, будет проявляться в особенностях частотных характеристик ритмов и своеобразии их функциональной реактивности при внимании к эмоционально значимой социальной (речевой) стимуляции.
-
Будут обнаружены устойчивые межиндивидуальные различия в ЭЭГ-маркёрах активности отдельных модулей внимания (селекция канала и мишени внимания) при функциональных нагрузках «внимание к речи взрослого» и «внимание к зрительной стимуляции». Вклад генетических и средовых факторов в эти различия будет специфичным для каждого из ЭЭГ-маркёров – степени синхронизации альфа- или тета-ритмов при устойчивом внимании.
-
Устойчивые межиндивидуальные различия в ЭЭГ-маркёрах внимания в дошкольном возрасте будут существенно влиять на степень когнитивной компетентности детей, в частности, на возможности их интеллекта.
Научная новизна и теоретическая значимость
В настоящей работе впервые на основании функционально-топографического подхода была исследована возрастная специфика частотных границ основных ритмов ЭЭГ (дельта, тета, альфа) у детей в возрасте 5–6 лет. Использование выделенных параметров ЭЭГ в дальнейших исследованиях детей дошкольного возраста повысит эффективность применения метода ЭЭГ в возрастной психофизиологии и возрастной психогенетике.
Была обнаружена возрастная специфика функциональной реактивности альфа- и тета-ритмов у дошкольников при устойчивом зрительном внимании и социальной (речевой) стимуляции. Одной из важных возрастных особенностей детей этого возраста в сравнении со взрослыми людьми и младенцами является высокий уровень относительной синхронизации тета-осцилляций ЭЭГ в теменно-височно-затылочных областях коры мозга в ситуациях устойчивого внимания к речи взрослого. В контексте имеющихся данных литературы о роли активации распределённой тета-системы внимания (Demiralp et al., 1994; Vinogradova et al., 1998; Orekhova et al., 1999; Kahana et al., 2001; Orekhova et al., 2006) эта особенность организации речевого внимания указывает на особую важность речевого канала в процессах пластических изменений нейронных сетей мозга у детей в предшкольном возрасте, обучения и развития ребёнка.
Впервые было показано, что у детей дошкольного возраста спектральные параметры альфа- и тета-ритмов ЭЭГ являются устойчивыми индивидуальными характеристиками не только в состоянии «покоя» (как известно из литературы: Vogel, 1970; Lykken et al., 1974, 1982; van Beijsterveldt et al., 1996, van Baal et al., 1996; Smit et al., 2005), но и при функциональных состояниях, вовлекающих механизмы регуляции внимания. При этом природа популяционной изменчивости альфа- и тета-осцилляций различна: степень синхронизации альфа-ритмов при устойчивом внимании определяется генетическими факторами, тогда как в различиях между детьми по синхронизации тета-ритмов ЭЭГ существенную роль играет систематическая среда. Эти различия в структуре фенотипической дисперсии спектральной мощности альфа- и тета-ритмов ЭЭГ однотипны для зрительного и речевого внимания и сохраняются даже в состояниях так называемого сенсорного покоя – при затемнении камеры и закрытых глазах ребёнка. С учётом того, что взаимодействие корково-лимбических структур мозга, регулирующих процессы удержания мишени внимания, является основой генерации синхронных тета-осцилляций в ЭЭГ (Demiralp et al., 1994; Vinogradova et al., 1998), полученные данные свидетельствуют о важности условий семейной среды в формировании способности ребенка фокусировать и удерживать внимание на информации, обладающей высокой субъективной значимостью. С другой стороны, так как функциональная модуляция альфа-ритмов ЭЭГ при внимании связана с процессами тормозной регуляции сенсорного входа в кору, или «гейтингом» (Suffczynski et al., 2001), результаты настоящей работы указывают на то, что способности детей этого возраста удерживать канал внимания (например, внимание к зрительной или слуховой модальности стимуляции), складываются под влиянием наследственных факторов.
Было экспериментально подтверждено важное теоретическое положение о том, что индивидуальные особенности в организации нейрофизиологических механизмов внимания существенно влияют на уровень интеллекта (Rueda et al., 2005). Обнаружено влияние устойчивых индивидуальных особенностей функционирования нейрофизиологических механизмов внимания на уровень интеллекта у детей предшкольного возраста. Специфика этого влияния определена прежде всего надёжной связью между высоким уровнем относительной синхронизации тета-ритма в ассоциативных областях коры мозга при внимании и высоким уровнем интеллекта ребёнка. Это означает, что индивидуальные особенности функционирования лимбико-кортикальной системы, обеспечивающей удержание мишени внимания, могут влиять на успешность решения ребёнком новых проблем и опосредованно проявляться в оценках его когнитивных способностей. Данный вывод работы имеет важное теоретическое значение, поскольку в предыдущих исследованиях детской ЭЭГ высокий уровень общей синхронизации тета-ритма рассматривался исключительно как признак незрелости (Clarke et al., 2001; Somsen et al., 1997, Мачинская с соавт., 1997) и/или даже патологии мозга ребенка (Clarke et al., 2002; Fernandez et al., 2002; Gasser et al., 2003; Marshall & Fox, 2004; Matsuura et al., 1993). Нами впервые было обнаружено, что у детей с типичным развитием высокая относительная амплитуда тета-ритма ЭЭГ в ассоциативных областях коры мозга при внимании – черта индивидуальности ребёнка, благоприятная для его когнитивного развития.
Научно-практическое значение
В работе были экспериментально идентифицированы частотные границы дельта-, тета- и альфа-диапазонов ЭЭГ, получены нормативные данные о характеристиках основных ритмических компонентов ЭЭГ бодрствования, показана высокая внутрииндивидуальная стабильность спектральных характеристик ритмов ЭЭГ для ряда функциональных состояний бодрствования у детей старшего дошкольного возраста. Эти результаты работы могут служить основой нормативной базы данных для компьютерного анализа ЭЭГ дошкольников и экспертной и/или автоматической детекции патологических изменений фоновой ЭЭГ в клинической практике.
Было обнаружено, что функциональные состояния «затемнение» и «закрытые глаза» в дошкольном возрасте идентичны в отношении вызываемых ими реактивных изменений спектральных амплитуд альфа- и тета-ритмов. Эти данные открывают возможность надёжного оценивания характеристик альфа- и тета-ритмов ЭЭГ покоя у детей, не выполняющих речевую инструкцию вследствие нарушений умственного развития, аутизма, других эмоциональных и поведенческих расстройств.
Впервые было показано, что функциональные пробы, вызывающие устойчивое внимание к зрительной и речевой стимуляции, характеризуются у дошкольников дифференцированной реактивностью ритмов ЭЭГ, предположительно связанной с активацией механизмов регуляции внимания и эмоций. Перспективно использования этих проб для дифференцированной диагностики отклонений в мозговых механизмах регуляции психических процессов / функциональных состояний у детей.
Исследование показало высокую внутрииндивидуальную стабильность тета- и альфа-индикаторов регуляции внимания. Дальнейшее исследование этих ЭЭГ-индикаторов у детей с нарушениями развития, прежде всего с синдромом дефицита внимания, может дать результаты, полезные для коррекционной работы с этими детьми.
Было установлено влияние систематических средовых факторов на межиндивидуальные различия в ЭЭГ-показателях функционирования механизма фокусировки внимания на целевом стимуле. Полученные результаты о взаимосвязи этого механизма внимания с уровнем когнитивного развития указывают на перспективность исследований по поиску конкретных средовых факторов, благоприятных для формирования эффективной работы механизма фокусировки внимания и в конечном итоге повышающих возможности обучения у детей дошкольного возраста.
Применённые подходы к анализу данных и полученные в работе данные используются в курсе «Общий психологический практикум. Измерение в психологии», который читается автором студентам факультета «Клиническая и специальная психология» Московского городского психолого-педагогического университета.
Положения, выносимые на защиту
-
В старшем дошкольном возрасте существует возрастная специфика в частотно-амплитудных характеристиках альфа- и тета-ритмов ЭЭГ. Для альфа-ритма взвешенная частота составляет 8,6 Гц, границы частотного диапазона – 8,0–10,4 Гц; для мю-ритма взвешенная частота составляет 9,5 Гц, границы частотного диапазона – 8,8–11,2 Гц, для тета-ритма частотные границы составляют 3,6–7,6 Гц. Возрастные особенности функциональной реактивности ритмов ЭЭГ связаны с высоким уровнем реактивной синхронизации тета-осцилляций при внимании к эмоционально значимой стимуляции положительной и отрицательной валентности (внимание к речи взрослого и слабому стрессовому воздействию в условиях однородного поля зрения).
-
ЭЭГ-маркёры отдельных подсистем регуляции внимания – спектральные амплитуды альфа- и тета-ритмов ЭЭГ при устойчивом внимании – обладают высокой внутрииндивидуальной стабильностью. Структура фенотипической дисперсии специфична для каждого из ЭЭГ-маркеров. Источником межиндивидуальных различий в спектральных амплитудах альфа-ритмов, связанных с тормозной регуляцией сенсорного входа в кору – «гейтингом», – являются генетические факторы. Спектральные амплитуды тета-ритмов, отражающие процессы селекции и удержания мишени внимания, испытывают влияние как генетических факторов, так и систематической среды.
-
Индивидуальные особенности в функционировании механизмов внимания, отражающиеся в спектральных амплитудах тета- и альфа-ритмов ЭЭГ при устойчивом внимании к зрительной и речевой стимуляции, существенно влияют на уровень интеллекта (шкала симультанной обработки информации К-АВС) у детей предшкольного возраста.
Апробация диссертации
Материалы исследования докладывались на конференциях: 4-я городская научно-практическая конференция молодых учёных и студентов учреждений высшего и среднего образования городского подчинения «Молодые учёные – московскому образованию», Москва, 2005 г.; Межвузовская конференция студентов и молодых учёных «Научные труды и творческое наследие И. П. Павлова как основа личностного и профессионального становления психолога», Рязань, 2006 г.; Вторая международная конференция по когнитивной науке, Санкт-Петербург, 2006 г.; 13th World Congress of Psychophysiology: The Olympics of the Brain, Istanbul, 2006; Международная научно-практическая конференция «Развитие научного наследия Б. М. Теплова в отечественной и мировой науке (к 110-летию со дня рождения)», Москва, 2006 г.; IV съезд Российского психологического общества, Ростов-на-Дону, 2007 г.; 37th Annual Meeting of the Behavior Genetics Association, Amsterdam, 2007. Результаты исследования неоднократно обсуждались на заседаниях лаборатории возрастной психогенетики Психологического института РАО.
Структура работы
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы, содержит 14 таблиц и 11 рисунков. Основной текст диссертации изложен на 178 страницах. Список литературы содержит 298 наименований, из них 250 – на иностранных языках.
