Л.М. Качалова

С.Ф. Боголепова

В.В. Плыплин

Е.В. Чикин

 

Нейрофизиологические механизмы нарушения полного

запоминания

 

Одно из важных преимуществ дистанционного обучения – возможность адаптировать учебный процесс не только к запросам конкретного человека, но и к его индивидуальным особенностям, в том числе и возрастным, обусловленным процессом естественного старения организма. Возрастные перестройки когнитивных функций можно заметить уже после 30 лет [1]. Снижаются показатели памяти, внимания, происходят изменения в эмоционально-волевой сфере. Кроме того, с возрастом большинство людей приобретают хронические заболевания, что также ослабляет способность к обучению.

Учебные программы в системе дистанционного образования ориентированы на показатель «время полного усвоения материала». По данным лаборатории психофизиологии НИИ ПО и СО этот показатель с возрастом, как и следовало ожидать, неуклонно растет: для полного запоминания испытуемым старших возрастных групп (особенно 50–60 лет) требовалось гораздо больше времени, чем студентам. Причем некоторые из них так и не смогли запомнить весь материал (список из 20 слов) – несмотря на увеличение времени заучивания и количества попыток. Чем старше возрастная группа, тем больше в ней испытуемых, неспособных запомнить весь список. Этот факт заставляет предположить, что применительно к обучению взрослых «модель полного усвоения знаний» [2] нуждается в поправках.

Основная идея модели полного усвоения знаний заключается в том, что постоянным, фиксированным параметром должны быть высокие результаты обучения. Другие же параметры учебного процесса подстраиваются под достижение заданного результата. При этом основная переменная – темп обучения: предполагается, что если снять временные ограничения, все учащиеся полностью реализуют свои возможности и достигнут одинаково высоких результатов.

Но при обучении взрослых, как оказалось, темп обучения не может быть решающим фактором. Под достижение «полного усвоения» необходимо подстраивать и другие параметры. Какие именно – предстоит выяснить.

Первый шаг в решении этого вопроса – анализ психофизиологических особенностей лиц, неспособных к полному запоминанию списка из 20 слов.

 

Методика

 

Испытуемые. В эксперименте приняли участие 14 сотрудников СГУ 39–50 лет. Испытуемых отбирали по результатам запоминания списка из 20 слов с установкой на 100-процентное воспроизведение материала. В первую группу (далее I группа) вошли 7 человек, запомнивших весь список, во вторую группу (далее II группа) – 7 человек, запомнивших от 8 до 16 слов.

Процедура тестирования включала:

– измерение показателя оперативной памяти;

– субъективную оценку интервалов времени;

– регистрацию электроэнцефалограммы (ЭЭГ) – в состоянии покоя и при умственной нагрузке.

Измерение показателя оперативной памяти. Испытуемому зачитывают ряд из пяти чисел (например: «5, 2, 7, 1, 4»). Испытуемый должен запомнить числа в том порядке, в котором они прочтены. Затем в уме сложить первое число со вторым, второе с третьим, третье с четвертым, четвертое с пятым – и полученные 4 суммы (в даном случае «7, 9, 8, 5») записать в соответствующей строке бланка. Всего зачитывается 10 рядов. При обработке результатов подсчитывают количество правильно вычисленных сумм (максимальный результат – 40, норма взрослого человека – 30 и выше).

Субъективная оценка интервалов времени. Испытуемый должен как можно точнее отмерить на секундомере «вслепую» заданные интервалы времени – 5, 10 и 30 с. Фиксируется как абсолютное значение ошибки, так и ее сдвиг. Например, если испытуемый вместо 30 с отмерил 25 с, регистрируется результат –5,0 с, если вместо 30 с он отмерил 35 с – +5,0 с.

Регистрация и анализ ЭЭГ. Для записи ЭЭГ использовали симметричные отведения стандартной схемы 10/20: лобные (Fp1, Fp­­­2, F3,  F4); центральные (С3, С4); теменные (P3, P4); височные (Т3, Т4); затылочные (О1, О2). ЭЭГ pегистpиpовали монополяpно относительно объединенных ушных электродов. Частота дискретизации – 128 Гц, полоса пропускания 0,3 – 35 Гц.

Запись ЭЭГ производили:

– в состоянии спокойного бодpствования (фоновая ЭЭГ);

– при фотостимуляции (вспышка света, подаваемая на фоне хорошо выраженного альфа-ритма);

пpи умственной нагрузке (счет в уме –  вычитание по 17 из 500).

Обработка ЭЭГ включала спектральный анализ и картирование абсолютных и нормированных значений мощности частотных диапазонов ЭЭГ. Эпоха анализа – 2,56 с.

Две группы испытуемых сравнивались по характеру фоновой ЭЭГ, ее реактивным изменениям – при фотостимуляции и при умственной нагрузке.

Фоновую ЭЭГ оценивали по следующим критериям:

– мощность и максимальная частота основных частотных диапазонов ЭЭГ (тета, альфа, бета);

– соотношение частотных поддиапазонов альфа-ритма ( альфа1 – 8,99–9,77 Гц; альфа2 – 9,77–10,94 Гц; альфа3 – 10,94–11,72 Гц);

Реактивные изменения ЭЭГ оценивали по выраженности эффектов:

– депрессии альфа-ритма в ответ на одиночную вспышку стандартного фотостимулятора;

– депрессии альфа-ритма при умственной нагрузке, т.е. коэффициенту депрессии альфа-ритма (степень падения мощности альфа-ритма по отношению к фону – в процентах).

Для статистической обработки данных использовали непараметрический критерий Манна-Утни.

 

Результаты и обсужление

 

Показатель оперативной памяти. Индивидуальные результаты измерения показателя оперативной памяти в двух группах испытуемых представлены в табл. 1.

 

Таблица 1

Показатель оперативной памяти (ОП) у испытуемых, способных (I  группа) и неспособных (II группа) к полному запоминанию

I группа

II группа

Испытуемый

Показатель ОП

Испытуемый

Показатель ОП

М.Н.

32

Л.И.

34

Г.В.

36

К.Т.

20

Д.В.

30

Е.Ф.

26

Е.М.

27

И.Г.

9

Е.В.

29

Д.Д.

22

Г.И.

31

Л.А.

22

И.В.

37

Н.В.

15

 

Большинство испытуемых I группы (способных к полному запоминанию) имели нормальный показатель оперативной памяти (30 и выше). Во II группе испытуемых (неспособных к полному запоминанию) этот показатель достоверно ниже (p < 0,01).

Субъективная оценка интервалов времени.  Для каждого испытуемого рассчитывали среднюю ошибку по результатам оценки всех интервалов – 5, 10 и 30 с (табл. 2).

 

 

Таблица 2

Средняя ошибка оценки интервалов времени у испытуемых, способных

(I группа) и неспособных (II группа) к полному запоминанию

 

I группа

II группа

Испытуемый

Средняя ошибка, с

Испытуемый

Средняя

ошибка, с

М.Н.

1,0

Л.И.

3,7

Г.В.

3,2

К.Т.

9,0

Д.В.

2,3

Е.Ф.

3,0

Е.М.

1,7

И.Г.

4,0

Е.В.

2,0

Д.Д.

9,7

Г.И.

2,7

Л.А.

2,3

И.В.

3,0

Н.В.

10,3

 

 

У испытуемых II группы (неспособных к полному запоминанию) этот показатель достоверно выше (p < 0,01), т.е. точность оценки интервалов времени у них значительно хуже, чем у испытемых I группы.

По показателю «сдвиг ошибки» у испытуемых II группы заметна тенденция к субъективному сжатию интервалов времени (рис. 1).

Таким образом, испытуемые, неспособные к полному запоминанию, менее точно оценивают интервалы времени и склонны преуменьшать их длительность.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 1. Индивидуальные результаты оценки интервалов времени у испытуемых.

По вертикальной оси – длительность субъективного интервала времени в секундах

Показатели электроэнцефалограммы. Общая характеристика фоновой ЭЭГ. Фоновая ЭЭГ большинства испытуемых I группы (способных к полному запоминанию) принадлежала к наиболее распространенному типу с хорошо выраженным альфа-ритмом, максимально представленным в теменно-затылочной области. Такую фоновую ЭЭГ имели 6 человек. У одного испытуемого в состоянии спокойного бодрствования с закрытыми глазами регистрировалась так называемая «плоская» ЭЭГ – содержащая все диапазоны частот, но с очень малой (менее 20 мкВ) амплитудой биопотенциалов.

            Во II группе (неспособных к полному запоминанию) преобладал «плоский» тип фоновой ЭЭГ – он отмечался у 5 испытуемых. Фоновую ЭЭГ с хорошо выраженным альфа-ритмом имели только 3 испытуемых.

            «Плоские» ЭЭГ встречаются в норме, но достаточно редко – в 3–10% случаев [3]. Низкоамплитудный паттерн биоэлектрической активности мозга свидетельствует о стойком повышении активирующих влияний со стороны неспецифических систем мозга, причем для лиц со сниженной амплитудой ЭЭГ характерны невротические реакции и повышенная тревожность [4]. Плоский тип ЭЭГ встречается также при неврозах, астенических состояниях [5], а также некоторых заболеваниях, в частности при нарушениях мозгового кровообращения и болезнях щитовидной железы [6].

            Таким образом, характерное отличие испытуемых II группы – низкоамплитудный паттерн фоновой ЭЭГ, отражающий усиление неспецифических активирующих влияний.

            Частотные характеристики фоновой ЭЭГ. Фоновая ЭЭГ испытуемых II группы (неспособных к полному запоминанию) отличалась более низкой частотой тета-ритма (p < 0,05). У большинства испытуемых I группы (6 человек) максимальная мощность тета-ритма отмечалась в диапазоне в 5,08–6,25 Гц, а у большинства испытуемых II группы (5 человек) – в диапазоне 3,91–5,08 Гц. (рис. 2). Такие различия могут быть связаны с преимущественным влиянием разных регуляторных систем. Если частотный диапазон 4–5 Гц связан в основном с реакциями активациии, то диапазон 6–7 Гц в большей мере отражает развитие интегративных процессов [7].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Распределение доминирующей частоты тета-ритма

            *   I группа (способные к полному запоминанию)

*  II группа (неспособные к полному запоминанию)

 

по горизонтальной оси – частотные диапазоны тета-ритма (в Гц);

по вертикальной оси – количество испытуемых       

     

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 


Альфа-ритм у испытуемых II группы отличается большей вариабельностью доминирующей частоты. Если у большинства испытуемых I группы (5 человек) отмечался среднечастотный альфа-ритм (9,77–10,94 Гц), то во II группе преобладал низкочастотный (8,99–9,77 Гц) и высокочастотный (10,94–11,72 Гц) альфа-ритм (рис. 3).

Показатели альфа-ритма, по сравнению с другими ритмами ЭЭГ, в наибольшей мере подвержены возрастным изменениям. Есть данные о постепенном замедлении частоты альфа-ритма на всем протяжении возрастного периода от 20 до 90 лет [8]. В то же время показано, что замедление доминирующей частоты альфа-ритма отмечается только у пожилых, а в среднем возрасте повышается разброс значений этого показателя [9]. Замедление альфа-ритма коррелирует с возрастным ухудшением показателей памяти [10] и связано с ослаблением активирующего влияния на кору неспецифических ядер таламуса [11].

Медленный альфа-ритм характерен для повышенного уровня тревожности – если речь идет о тревожности как индивидуально-типологическом свойстве [12]. Тревожность в контексте невротических расстройств связана, напротив, с преобладанием быстрого, высокочастотного альфа-ритма, отражающего усиление активирующих влияний [13].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 3.  Распределение доминирующей частоты альфа-ритма

  II группа (способные к полному запоминанию)

  II группа (неспособные к полному запоминанию)

      по горизонтальной оси – частотные диапазоны альфа-ритма (в Гц);

по вертикальной оси у – количество испытуемых

    

           

Таким образом, амплитудно-частотные характеристики фоновой ЭЭГ также указывают на особенности неспецифической регуляции у испытуемых, неспособных к полному запоминанию.

 

            Реактивные изменения ЭЭГ. Эффект фотостимуляции. В ответ на одиночную вспышку стандартного фотостимулятора в норме возникает четкая, одномоментная во всех отведениях  депрессия альфа-ритма. Этот эффект длится примерно 3–4 с, после чего альфа-ритм восстанавливается [3].

            У большинства испытуемых, способных к полному запоминанию (6 человек), длительность участка депрессии альфа-ритма соответствовала норме и составляла 3–5 с.

В группе неспособных к полному запоминанию продолжительность депрессии альфа-ритма соответствовала норме только у двух испытуемых. У трех испытуемых участок десинхронизации альфа-ритма был резко удлинен – до 10–25 с. У двух испытуемых отмечалась парадоксальная реакция: в ответ на вспышку возникала кратковременная (около 1 с) десинхронизация, после чего альфа-ритм усиливался.

 


Рис. 4. Варианты изменения ЭЭГ при умственной нагрузке:

А – эффект десинхронизации (резкого снижения мощности) альфа-ритма;

Б – эффект усиления мощности альфа-ритма; наблюдается у испытуемых, неспособных к полному запоминанию.

По горизонтальной оси – время;

по вертикальной оси – мощность альфа-ритма (мкВ2)

 

Подобные изменения эффекта депрессии альфа-ритма связаны с дисфункцией активационных процессов и встречаются при невротических расстройствах, состояниях напряжения и тревоги [5; 14].

Реакция ЭЭГ на умственную нагрузку. Обычно умственная нагрузка сопровождается депрессией альфа-ритма. Именно этот эффект наблюдался у всех испытуемых, способных к полному запоминанию (рис. 4, А).

В группе неспособных к полному запоминанию депрессия альфа-ритма при умственной нагрузке наблюдалась только у трех человек – менее, чем у половины испытуемых. У остальных умственная нагрузка вызывала гораздо менее известный феномен – усиление альфа-ритма (рис. 4, Б). Подобное явление объясняют снижением уровня неспецифической активации, причем склонность к такой парадоксальной реакции свойственна лицам с повышенной базовой тревожностью [14; 15].

В наших предыдущих исследованиях было установлено, что степень депрессии альфа-ритма при умственной нагрузке отражает индивидуальный уровень неспецифической активации и коррелирует со скоростью запоминания – показателем ТУЗ (темп усвоения знаний). У студентов в возрасте 19–23 лет наиболее высокая скорость запоминания отмечается при некотором среднем падении мощности альфа-ритма (в диапазоне 20–50%). Снижению показателя ТУЗ соответствует либо уменьшение, либо увеличение коэффициента депрессии альфа-ритма [16]. Результаты данного исследования показывают, что у взрослых 39–49 лет соотношение показателя ТУЗ и коэффициента депрессии альфа-ритма подчиняется той же закономерности (рис. 5). При этом у испытуемых, неспособных к полному запоминанию, коэффициент депрессии альфа-ритма повышен. Иначе говоря, неспособность к полному запоминанию отмечается у лиц с избытком неспецифических активационных влияний.


Рис. 5. Соотношение ТУЗ и коэффициента депрессии альфа-ритма (К%) у студентов 19–23 лет (данные предыдущих исследований) и взрослых 39–50 лет

            – студенты

            – взрослые, способные к полному запоминанию

            – взрослые, неспособные к полному запоминанию

            – аппроксимирующая кривая, полученная методом наименьших вариантов

 

 

Таким образом, ЭЭГ испытуемых, неспособных к полному запоминанию, имеет ряд особенностей:

            – низкоамплитудный, «плоский» тип фоновой биоэлектрической   активности;

            – замедление тета-ритма;

            – ускорение или замедление альфа-ритма;

            – при фотостимуляции: либо удлинение участка десинхронизации, либо    парадоксальная реакция – усиление альфа-активности;

            – при умственной нагрузке: либо усиление эффекта десинхронизации, либо   парадоксальная реакция – повышение альфа-активности.

            Все перечисленные особенности ЭЭГ имеют общий нейробиологический «знаменатель»: нарушение функции активирующих систем мозга.

Причиной такой дисфункции могут быть индивидуальные особенности нервной системы, функциональные расстройства и соматические заболевания. Но общим итогом в любом случае будет развитие состояния тревожности, в различной степени ее проявления – от тревожности как индивидуального свойства личности до тревожных расстройств и неврозов, требующих специального лечения. Соответственно могут быть выражены и нарушения целого спектра личностных свойств, в том числе когнитивных: от малозаметного снижения до значительных расстройств познавательной деятельности.

Специальное исследование индивидуально-типологических особенностей неспецифической регуляции позволило более подробно описать механизм дисфункции активирующих систем. Оказалось, что у лиц с высокой тревожностью доминирует ретикулярная активирующая система, в то время как у низкотревожных – таламическая [17]. Несмотря на структурную и функциональную связь двух неспецифических систем мозга, влияние их на активность мозга проявляется по-разному. Если ретикулярная система вызывает активацию обширной территории коры больших полушарий, то система неспецифических ядер таламуса способна создавать ограниченные очаги возбуждения в отдельных участках коры [18]. Недостаточность активирующих влияний со стороны неспецифического таламуса неизбежно ведет к нарушению нейробиологического субстрата внимания – избирательной активации структур мозга.

Интересно, что при естественном старении сдвиги во взаимоотношении активирующих систем имеют то же направление. С возрастом активирующее влияние ретикулярной формации усиливается, а неспецифических ядер таламуса – ослабевает [11], т.е. возрастное снижение памяти объясняется ослаблением концентрациии внимания и уменьшением скорости реакции на внешние стимулы [19; 20]. Ту же природу, по-видимому, имеют снижение скоростных характеристик памяти (показатель ТУЗ)  и снижение показателя оперативной памяти, обнаруженные в наших исследованиях у испытуемых старших возрастных групп.

Еще одно проявление дисфункции активирующих систем мозга – нарушение чувства времени. Склонность к значительному «сжатию» временных интервалов продемонстрировали практически все испытуемые, неспособные к полному запоминанию. Это означает, что заучивание происходит у них на фоне субъективного дефицита времени и, как следствие, нарастающей эмоциональной напряженности.

Таким образом, нарушение полного запоминания представляет собой внешнее проявление многоуровнего, системного процесса. Нейробиологическая основа процесса – дисбаланс активирующих систем мозга, обусловленный индивидуальными свойствами нервной системы, функциональными расстройствами или соматическими заболеваниями. Фактор возраста играет в данном случае предрасполагающую роль, т.е. способствует проявлению и усиливает уже имеющийся дисбаланс систем неспецифической регуляции.

Такой же многоуровневой должна быть и система воздействий, позволяющая достичь полного усвоения знаний.

К главным параметрам, воздействие на которые повысит результаты обучения, относятся:

            – функциональное состояние (баланс активирующих систем мозга);

            – индивидуально-типологические свойства (в частности, тревожность);

            – когнитивные характеристики (в первую очередь показатели внимания и памяти).

Даже по предварительным данным можно заключить, что при обучении старших возрастных групп следует избегать стрессогенных ситуаций, отдавая предпочтение индивидуальным формам занятий. При этом «снятие временных ограничений», как главный принцип модели полного усвоения знаний, необходимо именно при проверке знаний, когда эмоциональное напряжение особенно велико. Более того, тестирование на некоторых этапах обучения вполне можно заменить самотестированием. Снижение концентрации внимания, ухудшение механической памяти можно компенсировать за счет повышения структурированности учебного материала, за счет использования логических схем и системы подсказок. Максимального эффекта следует ожидать от мультимедийных средств обучения, поскольку слухоречевая память при нормальном старении страдает в большей степени, чем зрительная [20; 21]. При обучении взрослых, особенно старших возрастных групп, необходимы специальные дидактические приемы и методики, которые предусматривают не только компенсацию возрастного снижения когнитивных функций, но и опору на возрастные преимущества – высокую мотивированность, самостоятельность, жизненный опыт и т.д.

Специфика обучения взрослых является предметом самостоятельной науки – андрогогики. Одним из ее приоритетных направлений может стать адаптация дистанционных образовательных технологий к условиям обучения взрослых.

 

Литература

 

1.    Физиология человека / Под ред. Р. Шмидт,  Г. Тевс.  М., 1996. Т. 3.

2.    Bloom B.S. All our children learning: A primer for parents, teachers and other educators. N.Y., 1981.

3.    Зенков Л.Р., Ронкин М.А. Функциональная диагностика нервных болезней. М., 1991.

4.    Василевский Н.Н., Сороко С.И., Зингерман А.М. Психофизиологические основы индивидуально-типологических особенностей человека // Механизмы деятельности мозга человека. Ч. 1. Нейрофизиология человека. Л., 1988.

5.    Поворинский А.Г., Заболотных В.А. Пособие по клинической электроэнцефалографии. Л., 1987.

6.    Жирмунская Е.А. Клиническая электроэнцефалография. М., 1991.

7.    Adey W., Tokizane T. Progress in Brain Research. 1967. V. 27.

8.    Friedlander W.Y. Electroencephalographic alpha-rate in adults as a function of age // Geriatrics. 1978. V. 13.

9.    Hughes J.R., Cayaffa J.J. The EEG in patients ast different ages without organic cerebral disease // Ibid. 1977. V. 42.

10.  Klimesch W. EEG-alfa-rhythms and memory processes // Intern. J. Psychophysiol. 1997. V. 26.

11.  Анохин А.П. Источники индивидуальной изменчивости электроэнцефалограммы человека // Индивидуально-психологические различия и биоэлектрическая активность мозга человека. М., 1988.

12.  Вербицкий Е.В., Топчий И.А., Чигринов И.А., Колпакова Н.Ф.
Повышенная тревожность: Нейрофизиологические корреляты и перспективы валеологического мониторинга // Валеология. 1998. № 1.

13.  Панюшкина С.В. Электроэнцефалографические закономерности динамики нейромедиаторных процессов у больных с невротическими расстройствами: Автореф. дис. ... д-ра мед. наук. М., 2000.

14.  Nowak S.M., Marczynski T.J. Trait anxiety is reflected in EEG alpha response to stress // Electroencephalogr. clin. Neurophysiol. 1981. V. 52 .

15.  Morrell L.K. Some characteristics of stimulus-provoked alpha activity // Electroencephalogr. clin. Neurophysiol. 1966. V. 21.

16.  Качалова Л.М., Боголепова С.Ф., Чмыхова Е.В. Нейрофизиологические корреляты темпа усвоения знаний // Психология и социология образования. Труды СГУ. М., 2001.

17.  Топчий И.В. Изучение индивидуально-типологических особенностей неспецифической регуляции межанализаторных взаимодействий у человека: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Ростов н/Д., 1997.

18.  Адрианов О.С. О принципах организации интегративной деятельности мозга. М., 1976.

19.  Mayeux R., Stern Y., Rogen G. Depression and intellectual impairment in Parkinson’s disease // Neurology. 1981. V. 31.

20.  Kopelman M.D. The cholinergic neurotransmitter system in human memory and dementia: a review // Quart J Exp Psychol. 1986. V. 38.

21.  Litvan I. Memory impairment in patients with progressive supranuclear palsy // Arch. Neurol. 1989. V. 46.