Обсуждение результатов. 
Исследование параметров электроэнцефалографии при когнитивных нагрузках

В литературных источниках существует множество данных о функциональной роли ритмов мозга. Это стробирование информационных потоков, удержание информационных паттернов в кратковременной памяти и интегрирование частной информации в целое. Наиболее доказаны эти функции ритмов для сенсорных систем. Вероятно, что три вышеперечисленные функции ритмов должны осуществляться в мозге и во время выполнения когнитивных заданий, причем на разных частотах. В зрительной коре эти процессы протекают при восприятии стимула, предъявляемого на экране. В ассоциативных областях коры — во время выполнения собственно когнитивных операций. В дополнительной моторной коре и в моторной коре — при планировании и осуществления испытуемыми ответов; в коре больших полушарий и в лимбической системе одновременно — при оценке биологической значимости стимула и задания, при включении внимания, активации среднесрочной памяти, и т. д. Таким образом, широкий спектр самых разных информационных процессов в мозге может быть связан с его ритмами [Платонов, 2010, с. 263].

Результаты настоящей работы не предоставляют нам возможности однозначно судить о том, какие именно психофизиологические механизмы лежат в основе наблюдаемых нами характерных воспроизводящихся ритмических паттернов, однако мы постараемся оценить степень участия тех или иных физиологических процессов в их формировании.

Значительный вклад в формирование ритмических паттернов вносит мю-ритм, а именно подготовка или планирование движения проявляется появлением мю-ритма на спектрах. Действительно, мысленное вращение и перемещение фигур, которые испытуемый производит во время решения пространственных задач, представляют собой скрытый моторный акт. Эти действия сходны с воображаемыми движениями, когда планирование движений в моторной коре осуществляется, но команды на их исполнение тормозятся другими отделами коры. Таким образом, при мысленном или реальном выполнении движения наблюдается десинхронизация мю-ритма, однако при планировании движения наблюдается синхронизация этого ритма [Виноградов, 2011, с. 407].

Также вклад мю-ритма в общий спектр Фурье может наблюдаться, когда испытуемый мысленно проговаривает ход рассуждений про себя. При этом активируется зона Брока, примыкающая к моторной коре, что тоже может вызывать изменение параметров мю-ритма.

В целом, можно упомянуть работу Форд и Маталона, где они высказывают свой взгляд на то, что такое мышление: «абстрактное мышление есть высший моторный акт» (Ford & Mathalon, 2004), и эта фраза находится в очень хорошем соответствии с результатами современных исследований.

Эмоциональные процессы играют, по-видимому, одну из ключевых ролей в формировании характерных ритмических паттернов. Согласно проведенному опросу испытуемых, разные типы заданий получали у них разную эмоциональную окраску. Задания одного типа мышления некоторым испытуемым решать интересно, а другого — скучно; другим же испытуемым — наоборот. По результатам психологических тестов проявляется индивидуальная эмоциональная окраска тех или иных заданий. Таким образом, возможно, что при выполнении определенных заданий конкретными испытуемыми, у них проявлялся вполне определенный эмоциональный фон, что отражалось в спектрах ЭЭГ.

Значительный вклад в формирование характерных ритмических паттернов вносят также ритмы тетаи альфа-диапазонов, отражающие процессы памяти и внимания [Николаева, 2013, с. 544].

В соответствии с данными В. Климеша, процессы внимания и активации процедурной памяти находят свое отражения в изменении ритмов верхнего тетаи нижнего альфа-диапазонов, а активация семантической памяти — в изменении параметров ритмов верхнего альфаи нижнего бета-диапазонов (Klimesch, 1997). На спектрах и весовых функциях некоторых испытуемых мы можем видеть эти процессы. Вернемся к усредненным спектрам испытуемого RM (рис. 4). Ранее упоминались наиболее заметные ритмы у этого испытуемого: ритмы альфа диапазона 8,3 Гц и 10,2 Гц, а также ритм тета-диапазона 6 Гц. Можно предположить, что у данного испытуемого решение пространственной задачи было в большей степени связано с процессами внимания и процедурной памяти, а решение вербальной задачи — с семантической обработкой. Тета-ритм связывают с влиянием лимбической системы на кору больших полушарий мозга (Симонов, 1981; Miller, 1991), поэтому ритм 6 Гц на рис. 4 можно ассоциировать с мотивационными и эмоциональными процессами, которые у данного испытуемого оказались одинаково выражены при решении заданий обоих типов мышления.

Индивидуальные спектры, очевидно, отражают особенности индивидуальных схем вовлечения мотивационных, эмоциональных ресурсов, а также ресурсов памяти и внимания, которые вырабатываются у каждого человека в ходе его развития. Конкретные схемы вовлечения указанных ресурсов окончательно формируются и приобретают устойчивый характер в процессе выполнения заданий, предъявляемых испытуемым в течение эксперимента [Николаева, 2013, с. 544].

Фазический характер процессов, отраженных в характерных ритмах.

Характерная ритмическая активность носит фазический характер, т. е. предположение о том, что в процессе решения задания устанавливаются несколько ритмов и эта активность преобладает, пока задание не исчезнет с экрана монитора, неверно. Оказывается, ритмическая активность определенной частоты проявляется в какие-то моменты времени, а затем исчезает. Внимательно анализируя вейвлет-спектры, можно заметить, что большую часть времени решения задания наблюдается отсутствие какой-либо активности, и только в некоторые короткие интервалы времени мы наблюдаем мощную активность того или иного ритма. Таким образом, на спектрах Фурье мы наблюдаем усредненный по эпохе анализа индикатор какого-либо ритмического процесса, который, в свою очередь, является проявлением мозговой активности определенного рода в отдельные, короткие интервалы времени. Естественным образом возникает вопрос: в какие интервалы времени испытуемый совершает когнитивные операции, а в какие имеет место «отдых» от когнитивной нагрузки?

Возможно, ответ на поставленный вопрос таков: процесс выполнения когнитивного задания состоит из интервалов готовности к выполнению конкретных когнитивных актов (тогда мы наблюдаем всплеск активности ритмов определенных частот, их синхронизацию) и интервалов выполнения самих когнитивных актов (тогда ритмы десинхронизированы вследствие того, что порождающие их структуры мозга находятся под «нагрузкой» выполнения когнитивных операций). Моменты перехода между различными когнитивными операциями проанализировать без помощи дополнительных алгоритмов достаточно сложно. В работах А. Я. Каплана с соавторами был предложен принципиально новый подход к сегментному анализу, суть которого заключается в нахождении моментов резких перестроек ритмов мозга. Как было показано авторами, такие моменты часто проявляются синхронно в разных структурах мозга и при этом могут касаться ритмов разных частот (Каплан, 1999; Каплан & Борисов, 2003; Шишкин, 1998; Фингелькурц Ан. и Ал., 1998). Авторы вводят понятие операциональной синхронности, смысл которой можно представить следующим образом. Допустим, несколько структур мозга, являющихся источниками ритмической активности, осуществляют какую-либо конкретную когнитивную операцию. Для выполнения другой когнитивной операции этими же структурами необходимо сменить частоту генерации постсинаптических токов. Для этого источники ритмов на какое-то время должны быть инактивированы, а затем должны перейти в состояние готовности к выполнению следующей операции. Эти процессы сопровождаются резкими изменениями в локальной синхронизации ритмической активности и, как следствие, в амплитуде порождаемых источниками ритмов. При этом в процессе перехода к осуществлению следующей когнитивной операции несколько источников могут изменить параметры порождаемых ими ритмов одновременно. Такая картина взаимодействия источников ритмов, возможно, наблюдается и в наших исследованиях, что проявляется в форме полученных вейвлет-спектров. Мы наблюдаем появление ритмов различных частотных диапазонов в один и тот же момент времени в различных отведениях, иногда в одном отведении, что может говорить об операциональной синхронизации различных структур мозга.

Особенности метода классификации с помощью искусственной нейронной сети Примененный нами обучаемый классификатор производит взвешенную оценку одновременно нескольких признаков, характеризующих ментальное состояние. Это придает методике помехоустойчивость, а помехоустойчивость, в свою очередь, позволяет различать когнитивные состояния по нескольким секундам записи ЭЭГ, т. е. практически в реальном времени.

Важно отметить, что классификатор с настраиваемыми в процессе обучения весами сам по себе может оказаться полезным исследовательским инструментом. Анализ графиков весовых функций позволяет выявить наиболее значимые для классификации (а, следовательно, и наиболее важные по существу) признаки состояний. Так, например, визуальный анализ позволяет выявить наиболее выраженные признаки на спектрах Фурье, такие как мощность ритма или его смещение по частоте, однако эти признаки не всегда могут быть значимыми. В некоторых случаях мало заметные на усредненных спектрах ритмы вносили значимый вклад в настройку весовых функций. Таким образом, для классификации важна не мощность ритма, а его повторяемость в одинаковых экспериментальных условиях.