Л.М. Качалова

С.Ф. Боголепова

В.В. Плыплин

 

Альфа-ритм и темп усвоения знаний

 

Для разработки современных обучающих технологий необходимы методы точного измерения скорости обучения. В НИИ психологии обучения и социологии образования СГУ разработан принципиально новый, количественный показатель – темп усвоения знаний (ТУЗ). Экспериментально доказано, что величину показателя ТУЗ определяют такие факторы, как когнитивный стиль, уровень развития интеллекта – особенно вербального [1], а также преобладающий тип вегетативной регуляции [2]. Поиск нейрофизиологических коррелятов ТУЗ привел к заключению, что скорость запоминания соотносится с выраженностью эффекта депрессии альфа-ритма при умственной нагрузке. Был предложен количественный показатель – коэффициент сжатия альфа-ритма (падение амплитуды альфа-ритма в %).  По предварительным данным определились его диагностические диапазоны: менее 30% – средний ТУЗ; 30–50% – высокий ТУЗ; свыше 50% – низкий ТУЗ.

Когнитивные процессы во многом зависят от уровня общей, неспецифической активации, которую обеспечивает сложная система активирующих и тормозных структур мозга [3]. Соотношение эффективности обучения и степени неспецифической активации  выглядит как куполообразная кривая: наиболее высокие результаты совпадают не с самой высокой активацией, а с ее некоторой средней степенью, получившей название оптимального функционального состояния [4, 5].

Коэффициент сжатия альфа-ритма по сути является количественным показателем уровня неспецифической активации. Поэтому низкий ТУЗ может, по идее, соотноситься не только со слишком высоким, но и со слишком низким коэффициентом сжатия альфа-ритма. Иными словами, диагностические диапазоны коэффициента сжатия альфа-ритма необходимо уточнить.

Для объективной оценки функционального состояния необходимо учитывать и фоновые параметры ЭЭГ [5, 7, 8]. Известна связь между показателями памяти и частотной структурой альфа-ритма [9, 10]. Считается, что альфа-диапазон ЭЭГ подразделяется как минимум на три функционально различных субдиапазона: медленный, средний и быстрый [11]. Субдиапазоны альфа-ритма имеют разное функциональное значение [5, 12], поэтому анализ частотной структуры альфа-ритма даст дополнительную информацию о нейрофизиологической природе показателя ТУЗ.

В данном исследовании предполагалось:

1)      уточнить диагностические диапазоны коэффициента сжатия альфа-ритма; проверить гипотезу, согласно которой показатель ТУЗ обусловлен индивидуальным уровнем неспецифической активации мозга;

2)      выяснить особенности частотной структуры альфа-диапазона ЭЭГ у испытуемых с разным уровнем ТУЗ.

 

Методика

В эксперименте приняли участие 40 студентов 19–23 лет (15 юношей и 25 девушек).

Методика измерения ТУЗ при воспроизведении. Испытуемому предъявляют список из 20 пар слов: слева – редко употребляемые, неизвестные испытуемому слова, справа – их русские эквиваленты. Дается инструкция: запомнить как можно больше неизвестных слов за минимальный срок. Заучивание происходит в три этапа (3 попытки). Каждый этап состоит из времени заучивания, которое фиксируется секундомером, и времени воспроизведения, которое не учитывается. При воспроизведении испытуемый получает бланк только с русскими эквивалентами, напротив которых он пишет слова, которые запомнил. ТУЗ на уровне воспроизведения вычисляют по формуле:

                         n

    S  =       ,

                         t

где:

n  количество правильно воспризведенных незнакомых слов (в линках) в последней попытке;

t – суммарное время заучивания во всех трех попытках (в перерасчете на академические часы).

Регистрация и анализ ЭЭГ.  Для записи ЭЭГ использовали симметpичные отведения из стандаpтной схемы 10/20:  лобные (Fp1 и Fp­­­2; F3 и F4),  центpальные (С3; С4),  теменные (P3; P4), височные (Т3; Т4;), затылочные (О1; О2). ЭЭГ pегистpиpовали монополяpно относительно объединенных ушных электpодов. Частота дискретизации –  128 гц, полоса пропускания 0,3–35 гц.  ЭЭГ pегистpиpовали 1)   в состоянии спокойного бодpствования (фоновая запись); 2)  пpи выполнении теста; 3) после завеpшения теста.

Обработка ЭЭГ включала спектральный анализ, картирование амплитуд и мощности основных ритмов ЭЭГ, вычисление коэффициента сжатия альфа-ритма, анализ частотной структуры альфа-ритма.

 

Коэффициент сжатия альфа-ритма вычисляли по формуле:

 

                                          SaiSaiн

                           k% =                              100% ,

                                                Sai

где: 

ai н  — амплитуда альфа-pитма пpи интеллектуальной нагpузке (н) (в нашем случае i= 1,… N ; N = 12);

ai  — амплитуда фонового альфа-pитма (до интеллектуальной нагpузки) по i-му отведению ЭЭГ у того же испытуемого.

 

 При анализе частотной структуры альфа-ритма фоновой ЭЭГ вычисляли сумму амплитуд в каждом из трех частотных субдиапазонов альфа-ритма: 7,5–9,0 гц; 9,0–10,5 гц; 10,5–12,5 гц. Соотношение субдиапазонов альфа-ритма оценивали  в  процентах (к сумме амплитуд альфа-диапазона в целом).

 

Результаты и обсуждение

1. Количественная оценка депрессии альфа-ритма у испытуемых с разным уровнем показателя ТУЗ

Фоновая ЭЭГ всех испытуемых принадлежит к наиболее распространенному типу – с хорошо выраженным альфа-ритмом, максимально представленным в теменно-затылочном отделе коры головного мозга. При измерении ТУЗ у всех испытуемых наблюдается эффект депрессии альфа-ритма: по всем отведениям ЭЭГ амплитуда его заметно снижается.

Степень депрессии альфа-ритма закономерно соотносится с уровнем показателя ТУЗ.

Высокий ТУЗ (более 80 линк/ак. час). К данной группе принадлежат 8 испытуемых с показателем ТУЗ  80–150 линк/ак. час. Коэффициент сжатия альфа-ритма варьирует у них в пределах 15–45%, но при наиболее высоких показателях ТУЗ (100 и выше) занимает достаточно узкий диапазон: 35–45%. Двое испытуемых имеют пограничный, средне-высокий показатель ТУЗ –  80 линк/ак. час, которому соответствуют наиболее низкие значения коэффициента сжатия альфа-ритма (17% и 18%). Таким образом, диапазон коэффициента сжатия альфа-ритма, соответствующий высокому ТУЗ, находится в пределах 25–45%.

 Средний ТУЗ (30–80 линк/ак. час). К данной группе принадлежат 23 испытуемых с показателем ТУЗ 33–75 линк/ак. час. Коэффициент сжатия альфа-ритма варьирует у них в пределах 10–60%. При этом  значения коэффициента сжатия альфа-ритма группируются в двух диапазонах: 10–30% и 40–60% .

 Низкий ТУЗ (меньше 30 линк /ак. час). К данной группе принадлежат 9 испытуемых с показателем ТУЗ 10–30 линк/ак. час. Значения коэффициента сжатия альфа-ритма занимают у них два «фланговых» диапазона:  5–25% и 55–80%.

Соотношение ТУЗ и коэффициента сжатия альфа-ритма: основная тенденция. На рис. 1 представлен обобщенный график соотношения ТУЗ и коэффициента сжатия альфа-ритма по всем испытуемым. Прослеживается основная тенденция: высокому ТУЗ соответствует средний, «оптимальный» коэффициент сжатия альфа-ритма; снижение показателя ТУЗ коррелирует либо с уменьшением, либо и с увеличением коэффициента сжатия альфа-ритма.


Рис.1. Соотношение ТУЗ и коэффициента сжатия альфа-ритма (К%) у всех испытуемых. Аппроксимирующая кривая (черные кружки) получена методом наименьших квадратов

 

Таким образом, соотношение показателя ТУЗ и коэффициента сжатия альфа-ритма в целом соответствует куполообразной кривой, которая описывает зависимость успешности обучения от уровня неспецифической активации мозга.

Вместе с тем заметна «зона перекрытия»: в диапазоне 10–30% представлены испытуемые как с низким, так и со средним и даже высоким показателем ТУЗ.

Объяснение «размытости» границ диагностических диапазонов удалось получить при анализе частотной структуры альфа-ритма.

 

2. Частотная структура альфа-ритма у испытуемых с разным уровнем ТУЗ

По процентному соотношению амплитуд субдиапазонов альфа-ритма определились три основных типа ЭЭГ (рис. 2):

1) со «средним» альфа-ритмом (преобладает частотный диапазон 9–10.5 гц);

2) с «быстрым» альфа-ритмом (преобладают частотные диапазоны 9–10.5 гц и 10–12.5 гц);


3) с «медленным» альфа-ритмом (преобладают частотные диапазоны 7.5–9 гц и 9–10.5 гц).

 

 

Рис. 2. Процентное соотношение амплитуд субдиапазонов альфа-ритма (среднее значение и среднее квадратичное отклонение). Три основных типа альфа-ритма: средний (1); быстрый (2); медленный (3)

 

Тип альфа-ритма и уровень ТУЗ. На рис. 3 показано процентное соотношение трех основных типов альфа-ритма в группах испытуемых с разным уровнем показателя ТУЗ.

В группе испытуемых с высоким ТУЗ в равной степени представлен быстрый и средний тип альфа-ритма; в группе со средним ТУЗ есть все три типа альфа-ритма, представленные приблизительно в равных долях; в группе с низким ТУЗ отчетливо доминирует медленный альфа-ритм.

Таким образом, пропорционально снижению показателя ТУЗ увеличивается процент испытуемых с медленным альфа-ритмом.

            1                               2                              3

 
 

 



Рис. 3. Распределение быстрого, среднего и медленного типов альфа-ритма в группах испытуемых с высоким (1), средним (2) и низким (3) показателем ТУЗ

 

Соотношение ТУЗ­­_коэффициент сжатия альфа-ритма у испытуемых с разными типами альфа-ритма. Сопоставление уровня ТУЗ и коэффициента сжатия альфа-ритма в группах, сформированных по типу ЭЭГ, позволяет в какой-то мере преодолеть «размытость» границ диагностических диапазонов коэффициента сжатия альфа-ритма.

В группе испытуемых со среднечастотным альфа-ритмом соотношение показателя ТУЗ и коэффициента сжатия альфа-ритма в наибольшей степени приближается к куполообразной кривой (рис. 4). Высокому ТУЗ соответствует диапазон 25–45%, среднему ТУЗ – 10–25% и  45–60%, низкому – менее 25% и более 60%.


 

Рис. 4. Соотношение показателя ТУЗ и коэффициента сжатия альфа-ритма (k%) у испытуемых со среднечастотным альфа-ритмом. Аппроксимирующая кривая (черные кружки) получена методом наименьших квадратов

 

 

 

 

 

 


Рис. 5. Соотношение показателя ТУЗ и коэффициента сжатия альфа-ритма (k%) у испытуемых с низкочастотным альфа-ритмом. Аппроксимирующая кривая (черные кружки) получена методом наименьших квадратов

 

Для группы испытуемых с медленным, или низкочастотным альфа-ритмом характерно распределение значений коэффициента сжатия альфа-ритма «по флангам», границы между средним и низким ТУЗ – 10% и 60% (рис. 5).

Таким образом, испытуемые с медленным и средним альфа-ритмом формируют наиболее «правильную» часть графика ТУЗ_коэффициент сжатия альфа-ритма, которая в наибольшей степени приближается к куполообразной кривой. Если рассматривать только эти две группы испытуемых, диагностические диапазоны коэффициента сжатия альфа-ритма приобретают следующий вид:

низкий ТУЗ – менее 10% и более 60%;

средний ТУЗ – 10–25% и 45–60%;

высокий ТУЗ – 25–45%.

Своеобразное соотношение показателя ТУЗ и коэффициента сжатия альфа-ритма прослеживается в группе испытуемых с быстрым, или высокочастотным альфа-ритмом (рис. 6): на графике видна зауженная куполообразная кривая. Это означает, что уровень индивидуальной активации мозга у испытуемых с быстрым альфа-ритмом менее вариабелен, чем у испытуемых с медленным и средним альфа-ритмом.

Кроме того, область оптимального функционального состояния у таких испытуемых сдвинута влево – то есть для эффективного запоминания им требуются меньшие энергетические затраты (напомним, что в данной группе нет испытуемых с низким ТУЗ).


Рис. 6. Соотношение показателя ТУЗ и коэффициента сжатия альфа-ритма (k%) у испытуемых с высокочастотным альфа-ритмом. Аппроксимирующая кривая (черные кружки) получена методом наименьших квадратов

 

Таким образом,  анализ частотной структуры альфа-диапазона ЭЭГ значительно повышает информативность коэффициента сжатия альфа-ритма.

 

Результаты исследования обосновывают следующие выводы:

1.             Соотношение показателя ТУЗ и коэффициента сжатия альфа-ритма в целом совпадает с куполообразной кривой, которая описывает зависимость успешности обучения от уровня неспецифической активации мозга.

2.             Диагностические диапазоны коэффициента сжатия альфа-ритма имеют «зоны перекрытия»: то есть области его значений, где вероятны как высокий, так и средний или даже низкий ТУЗ.  

3.             Анализ частотной структуры альфа-диапазона ЭЭГ значительно повышает информативность коэффициента сжатия альфа-ритма. У испытуемых с медленным и средним альфа-ритмом соотношение показателя ТУЗ и коэффициента сжатия альфа-ритма  в наибольшей степени приближено к куполообразной кривой.

4.             Уровень индивидуальной активации мозга у испытуемых с  быстрым альфа-ритмом менее вариабелен, чем у испытуемых с медленным и средним альфа-ритмом.

5.             Показатель ТУЗ определяют генетически обусловленные особенности нервных процессов – в частности, индивидуальный уровень неспецифической активации мозга.

6.             Коэффициент сжатия альфа-ритма позволяет оценивать индивидуальный уровень активации количественно и может быть применен в различных вариантах мониторинга функционального состояния человека.

 

 

Литература

 

1.      Изюмова С.А. Индивидуальная память и процесс обучения // Труды СГУ. М.,1997. Вып. 4.

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

3.      Лурия А.Р. Внимание и память. М.: Изд-во МГУ, 1975.

4.      Mangina C.A., et als. Learning abilities and disabilities – effective diagnosis and treatment // Intern. J. Psychophysiol. 1988. V. 6. P. 79–89.

5.      Данилова Н.Н. Психофизиология. М., 1998.

6.      Бехтерева Н.П.  Здоровый и больной мозг человека. Л., 1980.

7.      Ливанов М.Н. Ритмы электроэнцефалограммы и их функциональное значение // Высшая нервная деятельность. 1984. Т. 34. С. 613–626.

8.      Жирмунская Е.А. В поисках объяснения феноменов ЭЭГ. М., 1997.

9.      Голубева Э.А. Индивидуальные особенности памяти человека: психологическое исследование. М., 1980.

10.  Лебедев А.Н. и др. Нейрофизиологические детерминанты элементарных психических процессов // Нейрофизиологические детерминанты процессов переработки информации человеком. М., 1987.

11.  Фарбер Д.А., Дубровинская Н.В. Функциональная организация развивающегося мозга // Физиология человека. 1991. Т. 17. С. 17–25.

12.  Klimesch W. EEG-alpha rhythms and memory processes // Intern. J. Psychophys. 1997. V. 26. P. 319–340.