Л.М. Качалова

            С.Ф. Боголепова

            В.В. Плыплин

 

Нейрохимические факторы вариабельности

показателя «темп усвоения знаний»

 

В НИИ психологии обучения и социологии образования  СГИ разработан принципиально новый, количественный показатель скорости обучения – темп усвоения знаний (ТУЗ). Экспериментально доказано, что величину показателя ТУЗ определяют такие факторы, как когнитивный стиль и уровень развития интеллекта – особенно вербального.  Уровню  ТУЗ соответствует также индивидуальный «психофизиологический профиль», который включает как минимум три показателя:

1)      коэффициент депрессии альфа-ритма;

2)      частотный состав альфа-диапазона ЭЭГ;

3)      преобладающий тип вегетативной регуляции [1, 2].

Процессы обучения и памяти, в том числе их скоростные характеристики, тесно связаны с механизмами синаптической передачи, где главную роль играют нейромедиаторы  – химические передатчики нервного возбуждения. Химическое картирование мозга  показывает, что нейроны, содержащие тот или иной медиатор (холинэргические, катехоламинэргические, серотонинэргические и т.д.) распределены в нервной системе не в случайном порядке, а в виде организованных групп – в соответствии с определенными физиологическими функциями. Так, холинэргические нейроны,  расположенные в подкорковых ядрах мозга, обеспечивают выделение ацетилхолина в локальных участках коры и гиппокампе  – то есть структурах, непосредственно участвующих в процессах памяти. Аксоны катехоламинэргических нейронов достигают практически всех отделов головного мозга – коры, лимбических  структур, гипоталамуса, тем самым обеспечивая согласованность когнитивных, эмоциональных и сенсорных процессов [3, 4, 5]. 

В опытах на животных показано, что снижение содержания в мозге ацетилхолина нарушает обучение, а повышение – ускоряет выработку условных рефлексов. Вещества, нарушающие обмен ацетилхолина, вызывают амнезию, а фармакологическая активация рецепторов ацетилхолина облегчает и ускоряет обучение.  Умеренная активация норадренэргических процессов стимулирует выработку реакций с болевым подкреплением, однако чрезмерное увеличение содержания этого медиатора в мозге приводит к нарушению выработки всех условных реакций.  Дофамин, как и норадреналин, способствует выработке условных реакций на отрицательное подкрепление, участвуя в синаптических процессах, связанных с фиксацией следов памяти [6]. Серотонин, напротив, облегчает выработку и хранение навыков, основанных на положительном подкреплении [7]. Известно также, что различные сдвиги нейромедиаторного обмена (изменение концентрации нейромедиаторов или баланса их активности) приводят к клиническим формам нарушения когнитивных процессов (болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, шизофрения, депрессии). При лечении подобных заболеваний  используются психотропные препараты, механизм действия которых заключается в коррекции нарушенных звеньев нейромедиаторного обмена [8]. Таким образом, в числе факторов, определяющих скоростные характеристики памяти,  обязательно должен быть такой показатель, как индивидуальный уровень активности нейромедиаторных систем.

До последнего времени подобные исследования требовали применения сложных и дорогостоящих биохимических методик. Сравнительно недавно в практику был внедрен метод количественной фармако-ЭЭГ, который позволяет хотя и косвенно, но достаточно обоснованно судить о состоянии и динамике нейромедиаторных процессов. Доказано, что уровень активации нейромедиаторных систем отражает спектральная мощность  определенных узких частотных полос ЭЭГ. Так, увеличение или уменьшение мощности в полосе 20–24 гц свидетельствует о повышении или снижении уровня активации катехоламинэргических систем (норадреналин, дофамин). Увеличение или уменьшение спектральной мощности в полосе 8–11 гц указывает на повышение или снижение уровня активации холинэргической системы [9]. Узкополосный анализ ЭЭГ  применяется в клинических исследованиях, где важно предсказать действие психотропного препарата. Адаптация метода к условиям психофизиологического эксперимента позволит рассмотреть нейрохимические корреляты  скоростных характеристик памяти.

 

Методика

 

В экспериментах приняли участие 33 студента в возрасте 19–23 лет.

Для измерения показателя ТУЗ применяли разработанную в НИИ ПО и СО методику «ТУЗ-воспроизведение». Испытуемому предъявляли список из 20 пар слов: слева – редко употребляемые, неизвестные испытуемому слова, справа – их русские эквиваленты. Давали инструкцию: запомнить как можно больше неизвестных слов за минимальный срок. Заучивание происходило 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:

где:

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

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

Для записи ЭЭГ использовали симметричные отведения из стандартной схемы 10/20:  лобные (Fp1 и Fp­­­2; F3 и F4),  центральные (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.

Обработка ЭЭГ включала вычисление нормированных, представленных в процентах спектров мощности стандартных частотных диапазонов (тета-, альфа-, бета-), а также  диапазонов  8–11 гц  и 20–24 гц.

 Группы испытуемых с низким (до 35 линк/ак. час), средним (35–70 линк/ак. час) и высоким (более 70 линк/ак. час) ТУЗ сопоставляли по следующим показателям:

¾    активность холинэргической и катехоламинэргической систем (процентные значения мощности частотных диапазонов 8–11 и 20–24 гц, усредненные по всем отведениям ЭЭГ);

¾    корреляция уровня ТУЗ и  активности холинэргической системы (по усредненным  процентным значениям мощности диапазона 8–11 гц);

¾    корреляция уровня ТУЗ и  активности катехоламинэргической системы (по усредненным процентным значениям мощности диапазона 20–24 гц.

При обработке данных использовали методы непараметрической статистики (критерий Манна-Уитни; коэффициент ранговой корреляции Спирмена).

 

 

Результаты и обсуждение

 

Для анализа были отобраны ЭЭГ 29 испытуемых – с отчетливо выраженным альфа-ритмом, максимально представленным в теменно-затылочной области.

 

Активность холинэргической и катехоламинэргических систем у испытуемых с низким, средним и высоким показателем ТУЗ

Уровень активации нейромедиаторных систем в группах с низким, средним и высоким уровнем ТУЗ сравнивали при помощи непараметрического критерия Манна-Уитни. Достоверных различий по показателю активности холинэргической системы (мощность  частотного диапазона 8–11  гц) и по показателю активности катехоламинэргических систем (мощность  частотного диапазона 20–24  гц)  не обнаружено.

Соотношение уровня активации нейромедиаторных систем  и показателя ТУЗ. Низкий ТУЗ (до 35 линк/ак. час). В группе испытуемых с низким показателем ТУЗ (12 чел.) прослеживается:

1)         достоверная положительная корреляция между уровнем ТУЗ и активностью холинэргической системы (r =0,64; p<0.05);

2)                   слабая отрицательная корреляция между уровнем ТУЗ и активностью катехоламинов (r = -0,23) .

Средний ТУЗ (35-70 линк/ак.час). В  группе испытуемых со средним показателем ТУЗ (10 чел.) прослеживается:

1)       достоверная отрицательная корреляция между показателем ТУЗ и активностью холинэргической системы (r =-0,74;  p<0.05);

2)       достоверная положительная корреляция между  уровнем  ТУЗ и активностью катехоламинов (r =0,92; p<0.01).

Высокий ТУЗ (более 70 линк/ак. час). В данной группе испытуемых (7 чел.) обнаружены:

1)       достоверная положительная корреляция между показателем ТУЗ и активностью холинэргической системы (r =0,54; p<0,05);

2)       слабая отрицательная корреляция между показателем ТУЗ и активностью катехоламинов (r = -0,32).

Общая тенденция

Рис. 1.  Основные тенденции в соотношении ТУЗ и уровня активации нейромедиаторных систем: А - холинэргическая система; Б - катехоламинэргические системы

 
. На рис. 1 представлен график соотношения ТУЗ и уровня активации нейромедиаторных систем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 1. Основные тенденции в соотношении ТУЗ и уровня нейромедиаторных систем:

А – холинэргическая система; Б – катехоламинэргические системы

 

Отчетливо видно, что по мере роста показателя ТУЗ уровень активации холинэргической системы вначале нарастает, затем снижается и вновь нарастает. «Переломы» графика совпадают с пограничными зонами показателя ТУЗ: 35 и 70 линк/ак. час. Такая же тенденция, но в «зеркальном» варианте, заметна в соотношении показателя ТУЗ с уровнем активации катехоламинов.

Полученные данные с трудом поддаются трактовке. Очевидна лишь причина отсутствия различий групп по среднему уровню активности нейромедиаторных систем: разнонаправленность корреляции с показателем ТУЗ.

Вместе с тем известно, что темп психофизиологических процессов находится в прямой зависимости от уровня активации холинэргической системы [9]. Часть полученного графика соответствует этой зависимости, часть – противоречит. Объяснить, почему низкая активность холинэргических процессов соответствует не только низкому, но и среднему, и даже высокому показателю ТУЗ, достаточно сложно. Даже если применить традиционную для нейрохимических исследований логику «взаимовлияния нейромедиаторных систем».

«Зеркальные» изменения активности катехоламинов в данном случае вторичны. Дело в том, что мощность частотного диапазона 20–24 гц (катехоламинэргического) на порядок ниже мощности частотного диапазона 8–11 гц (холинэргического). Поэтому при повышении в спектре ЭЭГ процента холинэргического диапазона процент катехоламинэргического диапазона пропорционально уменьшается, при понижении – возрастает. Таким образом, полученный график  означает, что у всех испытуемых  баланс активности ацетилхолина и катехоламинов практически одинаков. За исключением группы с низким показателем ТУЗ: непропорционально слабая корреляция активности катехоламинов с уровнем ТУЗ позволяет говорить об относительно повышенной активности данных нейромедиаторов.

Заметим, что выборки испытуемых были сформированы по показателю ТУЗ. При этом не исключено, что границы диапазонов ТУЗ, выделенные на материале психологического тестирования, не совпадают с диапазонами физиологических и нейрохимических показателей. Так, на обобщенном графике соотношения ТУЗ и активности катехоламинов (рис. 2) заметно существенное различие между двумя группами испытуемых – с показателем ТУЗ до 50 линк/ак. час и с показателем ТУЗ более 50 линк/ак. час. Если ориентироваться на эту "нейрохимическую" границу (которая совпадает  с эмпирически найденным на больших выборках "средним ТУЗ"), полученные данные предстают в другом ракурсе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.  "Нейрохимическая" граница диапазонов ТУЗ, выделенная на основе показателя активности катехоламинэргических систем

 
 

 

 


Активность холинэргической и катехоламинэргических систем у испытуемых с показателем ТУЗ  до 50 линк/ак. час и выше  50 линк/ак. час

Уровень активации нейромедиаторных систем в двух группах испытуемых сравнивали при помощи непараметрического критерия Манна-Уитни. У испытуемых с показателем ТУЗ выше 50 линк/ак. час  уровень активации холинэргической системы оказался достоверно ниже (p < 0,05). По показателю активности катехоламинэргических систем достоверных различий между двумя группами испытуемых не обнаружено. Cоотношение уровня активации нейромедиаторных систем с показателем ТУЗ. ТУЗ до 50 линк/ак. час. В данной группе испытуемых (17  человек) прослеживается достоверная  положительная корреляция между уровнем ТУЗ и активностью холинэргической системы (r=0,50; p<0,05). Корреляция между показателем ТУЗ и активностью катехоламинов практически отсутствует (r=0,16).

ТУЗ выше 50 линк/ак. час. В данной группе испытуемых (12 человек) обнаружены:

1)      близкая к достоверной положительная корреляция между показателем ТУЗ и активностью холинэргической системы (r=0,54);

2)      отрицательная корреляция между  показателем ТУЗ и активностью катехоламинов (r = -0,56).

Общая тенденция. Прежде всего, две группы испытуемых отличаются средним уровнем активации холинэргической системы  – при показателе ТУЗ до 50 линк/ак. час он достоверно выше. Тем не менее, в обеих группах прослеживается одна и та же закономерность: чем выше активность холинэргических процессов, тем выше показатель ТУЗ (рис. 3).  Ориентируясь на эту тенденцию, можно предположить, что при показателях ТУЗ выше 100 линк/ак. час более высокой будет и активность холинэргических процессов. В таком случае достоверных различий между группами по показателю активности холинэргической  системы не окажется.

 

Подпись: АХ%Подпись: КХ% 

 

 

 

 

 


           

 

 

 

 

 

 

Рис.3. Основная тенденция в соотношении ТУЗ и активности нейромедиаторных систем:  А – холинэргической;  Б – катехоламинэргических

 
 

 

 


В группе с показателем ТУЗ выше 50 линк/ак. час активность катехоламинэргических систем пропорциональна активности холинэргической системы – иначе говоря, у испытуемых с высокой скоростью запоминания  основные нейромедиаторные процессы сбалансированы.

В группе с показателем ТУЗ до 50 линк/ак. час активность катехоламинов непропорциональна активности холинэргической системы. Этот факт свидетельствует об изменении баланса основных нейромедиаторных процессов –  по-видимому,  за счет нарушения обмена катехоламинов.

Изменения в состоянии центральных катехоламинэргических систем играют важную роль в патогенезе синдрома дефицита внимания с гиперактивностью. Данное расстройство характеризуется низкими показателями внимания, памяти, слабостью мыслительных процессов при нормальном уровне интеллекта [10, 11]. Синдром дефицита внимания является одной из форм минимальных мозговых дисфункций, которые диагностированы  у  16,5% московских школьников [12]. Минимальные мозговые дисфункции рассматривают как последствие ранних локальных повреждений мозга. Причем с возрастом нарушения когнитивных функций не проходят, а лишь приобретают другие формы [13]. Нарушения обмена катехоламинов при синдроме дефицита внимания проявляются в виде гиперактивации симпато-адреналовой системы [14]. С этим фактом согласуются данные, полученные в лаборатории психофизиологии НИИ ПО и СО: показано, что у студентов с низким уровнем ТУЗ преобладает симпатический тип вегетативной регуляции.

Таким образом, не исключено, что показатель ТУЗ ниже 50 линк/ак. час в ряде случаев может быть проявлением минимальных мозговых дисфункций. Показатель ТУЗ ниже 50 линк/ак. час следует рассматривать как повод для индивидуального дозирования учебной нагрузки, применения методов нейропсихологической коррекции, а в некоторых случаях, при наличии дополнительных медицинских показаний – лекарственной терапии (препаратами ноотропного ряда).

Выводы

1.      Чем выше уровень активации холинэргической системы, тем выше показатель ТУЗ.

2.      Показатель ТУЗ зависит от баланса активности холинэргической и катехоламинэргических систем.

3.      При показателе ТУЗ ниже 50 линк/ак. час  нарушена пропорция холинэргических и катехоламинэргических процессов.

4.      Показатель ТУЗ ниже 50 линк/ак. час может быть проявлением минимальных мозговых дисфункций.

5.      При показателе ТУЗ ниже 50 линк/ак. час рекомендуется индивидуальное дозирование учебной нагрузки, применение методов нейропсихологической коррекции или (по медицинским показаниям) лекарственной терапии.

 

 

Литература

 

1.      Качалова Л.М., Боголепова С.Ф., Чмыхова Е.В. Нейрофизиологические корреляты темпа усвоения знаний // Труды СГУ. М., 2000. Вып. 17. С. 123–129.

2.      Качалова Л.М.,  Попова Н.С. Неспецифические активирующие системы мозга и обучение // Когнитивные процессы и обучение: Тез. междисциплинар. науч. практ. конф. М., 2002. С. 39–42.

3.      Глебов Р.Н., Крыжановский Г.Н. Функциональная биохимия синапсов. М.: Медицина, 1978. С. 328.

4.      Кругликов Р.И. Нейрохимические механизмы обучения и памяти. М., 1981. С. 211.

5.      Хухо Ф. Нейрохимия. Основы и принципы. М., 1990. С. 383.

6.      Agranoff B.W., Uhler M.D. Learning and memory // Basic Neurochemistry / Ed. G.J. Siegel at als. NY. 1994. P. 1025–1044).

7.      Семенова Т.П. Оптимизация процессов обучения и памяти. Пущино, 1992. С.155.

8.      Bloom F.E., Kupfer D.J. Psychopharmacology: the fourth generation of progress. NY, 1995. P. 1498.

9.      Панюшкина С.В. Электроэнцефалографические закономерности динамики нейромедиаторных процессов у больных с невротическими расстройствами (патогенетические и фармакотерапевтические аспекты): Автореф. дис. д-ра. мед. наук. М., 2000. 36 с.

10.  Barkley R. A. Commentary on the multimodal treatment study of children with AD/HD // Journal of Abnormal Child Psychology. 2000. V. 28. P. 595598.

11.  Elia, J., Ambrosini, P.J., Rapoport, J.L. Treatment of attention-deficit-hyperactivity disorder // New England Journal of Medicine. 1999. V. 340. P. 780788.

12.  Заваденко Н.Н., Петрухин А.С., Суворинова Н.Ю., Румянцева М.В., Овчинникова А.А. Минимальные мозговые дисфункции у детей: разработка принципов систематизации. М., 2001.

13.  Weiss M., Hechtman, L.T, Weiss, G. ADHD in Adulthood: A Guide to Current Theory Diagnosis and Treatment. Baltimore, 1999.

14.  Касатикова Е.В., Ларионов Н.П., Попкова Е.В., Брязгунов И.П. Исследование особенностей обмена катехоламинов у детей с синдромом дефицита внимания и гиперактивностью // Вопросы медицинской химии. 2000. №5.