Характеристика негативности рассоглассования

Метод потенциалов связанных с событием (ПСС, на англ. event-related potential) является неинвазивной техникой при изучении когнитивных функций мозга человека. Метод позволяет исследовать ответы мозга, которые были вызваны стимулами. Данный метод широко используется когнитивными исследователями, так как является достаточно интересным видом физиологической активности мозга. При ПСС используется процедура усреднения кривых ЭЭГ, сопровождающих последовательные стимулы. Достаточное повторение стимула вызывает электрическую активность в виде последовательности позитивных и негативных волн, они были записаны в виде ЭЭГ. В результате усреднения не синхронизированная со стимулом фоновая активность удалялась, а тот ответ, который она скрывала, проявлялся. Таким образом, процедура усреднения устраняет фоновый шум. Однако, усреднение потенциалов не всегда необходимо, например, в случаях, когда вызванная активность является достаточно большой (реакция на первый стимул после продолжительной тишины).

Не смотря на некоторые ограничения метода, с его помощью можно получить пространственно-временную картину потока событий, возникающих до и во время стимула в мозге или при выполнении задания. На основе данных вызванных потенциалов можно иметь представление, какие области мозга активированы, когда возникает активация, что в свою очередь, может дать возможность понять процесс переработки информации в мозге человека. Но также важно помнить, что ПСС можно записать, если мозговые явления достаточно синхронизированы и организованы для сформирования на черепе электрических полей. В то время как, большая часть мозговой активности не влечет за собой генерацию электрической активности, которая не может быть записана от черепа.

Потенциалы связанные с событиями (ПСС) подразделяют на эндогенные и экзогенные компоненты в зависимости от того, каким источником (из какой среды) они вызваны. Экзогенные компоненты ПСС зависят главным образом от характеристик внешнего стимула, а эндогенные компоненты в большей степени — от намерений и действий субъекта. Экзогенные компоненты могут принудительно вызываться появлением сенсорного стимула и не зависят от меняющихся состояний организма, тем самым они являются относительно стабильными. Главное отличие эндогенных компонентов ПСС это то, что они показывают вариабельность внутреннего состояния и поведения субъекта, часто отсутствует их внешняя стимуляция, и их характеристика только частично зависит от физических параметров вызывающего их стимула. Негативность рассогласования является компонентом потенциалов связанных с событием (ПСС).

Исследование активности нейронов с использованием электрои магнитоэнцефалографии (ЭЭГ, МЭГ) представляют собой мониторинг неинвазивных пространственно-временных характеристик мозговых процессов. МЭГ дает точную пространственную локализацию, в отличие от ЭЭГ, которая дает точную временную характеристику, эти два метода взаимно дополняют друг друга, именно поэтому часто их используют совместно именно из-за различий в чувствительности к разным аспектам мозга. Таким образом, негативность рассогласования может регистрироваться и в электрическом и магнитном мозговых ответах. На длинные апикальные дендриты корковых пирамидных нейронов приходят возбуждающие постсинаптические потенциалы, вызывая электрическое поле. Это поле делает кору на ее поверхности относительно отрицательной и относительно положительной у основания (Мицдорф, 1985). Усредненные ответы от всех нейронов могут быть собраны в сигналы ЭЭГ, в усредненных потенциалах связанных с событиями (ПСС). Магнитное поле головного мозга возникает вследствие электрической активности нейронов, измеряемое сверхпроводящим квантовым интерференционным устройством (СКВИД, на англ. SQUID), включенным в настоящие системы магнитоэнцефалографии. Магнитные поля, исходящие от мозга и окружающие голову, слабее, чем те поля, которые генерируются сердцем или скелетной мускулатурой. Следовательно, устройства записи МЭГ должны быть высокочувствительными к слабым магнитным стимулам. Негативность рассогласования можно выявить и в ЭЭГ как потенциалы связанные с событиями, так и в МЭГ, как связанные с событиями поля.

Активность нервной системы может быть измерена также через увеличение скорости мозгового метаболизма и кровотока, сопровождающие увеличение нейрональной активности. Такие изменения лежат в основе работы функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Технологии функциональной МРТ и позитронно-эмиссионной томографии позволяют с высокой точностью локализовать источники нейронной активности в пространстве. Однако, их временное разрешение (несколько секунд) ниже скорости реально протекающих нейронных процессов. Более точную временную информацию позволяют получить МЭГ и ЭЭГ. Среди преимуществ МЭГ следует отметить также, что МЭГ исследование проходит в тихой обстановке, в то время регистрация фМРТ проходит при постоянном шуме аппаратуры. При использовании ПЭТ используются радиоактивные вещества, в других же технологиях они не применяются. МЭГ отличается большей чувствительностью (большое количество сенсоров). Это позволяет производить запись одновременно с разных областей мозга и тем самым достигается более полная картина пространственно-временных паттернов головного мозга.

Феномен негативности рассогласования (англ. Mismatch negativity (MMN)) был открыт финским ученым Ристо Наатаненом (Risto Naatanen) во второй половине XX века. Негативность рассогласования отражается на электроэнцефалограмме как негативный всплеск биоэлектрической активности мозга, возникающий при столкновении организма с чем-то, что было неожидаемо в окружающей среде или тем, что не соответствовало ранее установленному прогнозу. Негативность рассогласования представляет собой разницу волн компонентов предвнимания с латентностью 150−250 мс связанных с событием вызванных потенциалов, которые генерируются как ответ на стандартные и девиантные (неожиданные) стимулы в последовательностях событий. Здесь используется так называемая парадигма необычного стимула (англ. odd-ball), связанная с введением девиантного (отличающегося) стимула.

Ристо Наатанен предположил, что существованию подобного типа ответа можно дать два объяснения. Первое заключается в том, что негативность рассогласования генерируется новыми афферентными элементами, которые в свою очередь имеют отношение скорее к частоте девиантного, нежели к частоте стандартного стимула. Во время предъявления блоков стимулов такие нейроны сохраняют свою реактивность, а нейроны, отвечающие за частоту стандартного стимула, реагируют на два типа частот и из-за этого становятся сильно рефрактерными. Второе объяснение состоит в том, что негативность рассогласования генерируется процессом, регистрирующим различия или изменения в стимуле. То есть в памяти существует модель стимул — стандарт (след памяти). В настоящее время приводится ряд работ, где исследователи придерживаются именно этой интерпретации.

В работах Наатанена и его коллег этот компонент был отделен от волны Н2 на два ответа: с более короткой латенцией — негативность рассогласования (НР) и с более длинной Н2б, описанной Клинке, Фрусторфером и Финкенцеллером. Волна Н2б вызывалась нечасто или наиболее ранним стимулом, который входил в последовательность соматосенсорных стимулов. Волна НР появляется в ответ на отклонения, или девиацию физических характеристик стимула. Важно отметить, что волна негативности рассогласования может вызываться, когда изменение возникает внутри последовательности стандартных стимулов и не может возникнуть в начале последовательности стимулов или при очень длительном межстимульном интервале (больше 20 с). При очень длительном межстимульном интервале происходит угасание функции следа памяти (нейрональная репрезентация), и она либо генерирует очень маленькую волну НР либо не генерирует ее вообще. НР представляет собой негативность, возникающую примерно через 100 мс от начала стимула и длится около 250 мс после стимула. Считается общепринятым, что негативность рассогласования генерируется автоматически мозговыми структурами, а значит, не зависит от внимания испытуемого на объект. И, следовательно, может генерироваться даже тогда, когда разница между физическими характеристиками стандартного и девиантного стимулами мала, субъект не обязательно может сознательно различать эту разницу.

Негативность рассогласования в слуховой системе появляется при изменении частоты, интенсивности, локализации в пространстве, длительности, а также фонетической структуры стимула.

Интенсивность девиантного стимула может, как уменьшаться, так и увеличиваться. При ослаблении интенсивности стимула возникает любопытная картина. Если девиантный стимул (77 дБ) лишь немного отличается от стандартного (80дБ), то волна негативности рассогласования будет небольшой. Если же и дальше продолжать увеличивать разницу между стандартным (80дБ) и девиантными стимулами (77дБ, 70дБ, 57дБ), то волна негативности рассогласования будет постепенно увеличиваться по амплитуде, но до определенного предела. Сильно уменьшенная амплитуда девиантного стимула воспринимается как пропуск стимула. У некоторых испытуемых при таких условиях обнаруживается небольшая волна типа НР, у других испытуемых ее нет.

Когда в качестве девиантного стимула используется стимул с увеличенной интенсивностью (83 дБ, 90 дБ, 95 дБ), то волна негативности рассогласования вызывается вновь. При этом амплитуда ее растет с увеличением интенсивности девиантного стимула. Таким образом, можно сделать вывод, что волна негативности рассогласования появляется на уменьшение и на увеличение интенсивности.

Возникновение волн негативности при изменении временных характеристик стимула были продемонстрированы Наатаненом, Паавилайненом, Рейникайненом. В своей работе они использовали стандартные и девиантные стимулы одинаковые по частоте, но длительность девиантного стимула была в два раза короче стандартного. Они использовали постоянный межстимульный интервал, равный 200 мс, стимулы предъявлялись в случайном порядке, а испытуемый читал книгу. Волна негативности рассогласования отчетливо проявлялась. Волна НР появлялась даже, если длительность стимула была 200 мс. Негативность рассогласования была получена и при увеличении длительности девиантного стимула. Возникновение волны негативности рассогласования при увеличении или уменьшении длительности девиантного стимула были получены также в работах Форда и Хилларда. Следовательно, изменение временных характеристик стимула вызывает волну негативности.

Волна негативности рассогласования появляется также при изменении локализации источника звука в пространстве. Это было продемонстрировано Паавилайнен и др. В данном эксперименте один громкоговоритель располагался прямо перед испытуемым и использовался как стандартный стимул, а в качестве девиантных стимулов использовались громкоговорители, расположенные на 10, 45,90 градусов правее. Даже при самом малом угловом различии (справа) волна негативности рассогласования была получена достаточно большой.

Негативность рассогласования вызывается при таких сложных изменениях стимула, как изменение фонем. Возникновение фонетической НР было доказано Самсом и др. В своем исследовании они использовали (bae) как стандартный стимул, а девиантный стимул создавался различными значениями (bae)-(dae). Было установлено, что если девиантный стимул разделяет фонетическую категорию со стандартным стимулом, он все равно вызывает волну НР. НР на фонетические различия были значительно большей длительности, чем те НР, которые возникают на изменения простого стимула. Было также сделано замечание, что с увеличением различий стимулов амплитуда НР растет не параллельно.

Негативность рассогласования может быть записана во время сна. На основе данных своих исследований Кэмпбелл, Бэлл и Бастьен предположили, что возможно волна негативности возникает в конце второй стадии медленноволнового сна и во время быстрого сна во второй половине ночи. Исследователи описали ее как совсем малую по амплитуде и необычно раннюю по появлению. Однако записать НР в начале ночи или во второй половине ночи бывает достаточно сложно, например Паавилайнен с сотрудниками не удалось записать НР у спящего человека.

Интересно влияние веществ на НР. Есть доказательства, что НР усиливается веществами, которые оказывают активирующий эффект на центральную нервную систему, и наоборот, ослабевает под действием веществ, которые вызывают деактивационные эффекты. Например, Борн, Бозер и др. и Борн, Фем-Вольфдорф, Лутценбергер и др. обнаружили, что амплитуда НР увеличивалась под влиянием лизина-вазопрессина, гормона, который усиливает активацию коры и принадлежащего к гипоталамо-гипофизарной системе. Другие гормоны, например, глюкокортикоиды, наоборот снижали чувствительность к стимульным изменениям. Таким образом, можно сделать заключение, что состояние организма оказывает влияние на НР, т. е. усиление кортикальной активности увеличивают, а изменения, направленные на снижение активации, наоборот уменьшают амплитуду НР. Однако если же присутствуют нормальные колебания, то они не могут полностью устранить негативность рассогласования.

Негативность рассогласования связана с более высоким порядком восприятия процессов, лежащих в дискриминации стимула, а не вызвана просто физическими различиями между стандартным и девиантным стимулами (Наатанен 1993). Если субъекты не могут различить физическую разницу между стимулами, они дадут минимальный MMN или же никакую. Однако, когда эти субъекты научились различать стимулы, их MMN станет надежно вызванной (Kraus et al., 1995; Kujala et al., 2003; Naatanen et al., 1993; Schroger, 1996; Schroger et al., 1994).

Негативность рассогласования применяется при исследовании языка, и в последние годы было накоплено много данных. Они указывают на наличие долгосрочных лингвистических следов памяти, которые влияют на дискриминацию родного языка от неродного, на обучение иностранного языка. Акустическая негативность рассогласования, связанная с обнаружением изменений, имеет двустороннее или праводоминантное распределение (Paavilainen et al., 1991), фонетическая же негативность рассогласования латеризована в левом полушарии (Naatanen et al., 1997), что было показано с использованием МЭГ.

Основные свойства, по которым негативность рассогласования является адекватным инструментом для изучения мозговой основы языка: автоматизм, быстрая обработка входящего стимула, точное изучение индивидуальных речевых стимулов.

Автоматизм означает, что для получения НР необязательно, чтобы субъект сосредотачивал внимание на стимулах, субъект даже может отвлекаться (читать книгу, смотреть немое кино во время проигрывания звуковых стимулов). Обработка информации происходит автоматически и быстро.

Входящий стимул (например, слово) обрабатывается уже в течение первых 200 мс. То есть негативность рассогласования выявляется после 200мс представления физически различного стимула. По современным представлениям все типы лингвистической информации обрабатываются почти одновременно. Лексическая НР генерируется при 130−150 мс, семантическая НР140−180 мс, а синтаксическая НР была замечена в нескольких временных интервалах, начиная со 100 мс и расширяющиеся до 200 мс, фонологические показатели НР гласных наблюдались в более широком интервале времени — при 100−200 мс после начала стимула (Dehaene-Lambertz, 1997; Eulitz И Лахири, 2004 год; Naatanen, 2001; Naatanen et al., 1997).

Третье свойство — это то, что негативность рассогласования может обработать различные физические несоответствия между языковыми стимулами. Например, выявляет различия в продолжительности, высоте, длине слова, замене гласной. Такие изменения характеристик стимула ведут к изменчивости ранних ответов мозга.

Основные выводы, которые возникают при исследовании НР — обработка языка является быстрой и различной. Типы информации при этом доступны почти одновременно. Таким образом, НР является ранним нейрофизиологическим индикатором лексической, семантической и синтаксической информации, отражает ранний доступ к хранимым языковым символам. То есть НР указывает на совпадение или несоответствие между стимулом и соответствующему ему символическому следу памяти в мозге. Следы памяти представлены как сильно связанные сети корковых нейронов (клеточные сборки) (Hebb, 1949), нейронные ансамбли (Braitenberg and Schu, z, 1998; Palm, 1982) распределенные функциональные сети (Roland and Gulyas, 1994), нейрокогнитивные сети (Mesulam, 1998), функциональные схемы (Feldman and Narayanan, 2004) или когнитивные функции (Fuster, 2003). Поэтому можно представить, что НР состоит из двух частей: первая отражает автоматическое обнаружение акустической среды (Наатанен, 1990), вторая часть, отражает активацию сети корковых нейронов, которые образуют долгосрочные следы памяти для выученных когнитивных представлений (Наатанен, 2001). Корковые генераторы обнаружения акустических изменений НР имеются в верхне-височной доле, тогда как сети памяти могут быть распределены по различным кортикальным областям (лобная, теменная, затылочная кора). Таким образом, НР состоит из двух субкомпонентов: сенсорно-специфического компонента (верхнее-височная доля при слуховом стимуле) и фронтального компонента. Сенсорно-специфический компонент входит в механизм неосознанной детекции отклонения стимула от стандарта, и который в последующем активирует фронтальные механизмы. Предполагают также, что последующая активация в лобной коре говорит о том, что девиантный стимул связан с ориентировочной реакцией и становится осознаваем субъектом. О расположении генераторов НР (левое или правое полушарие) есть много противоречащих данных. При объяснении преобладания НР в правом полушарии, ссылаются на то, что недоминантное полушарие больше вовлекается в выполнение задания, которое требует автоматического процесса переработки информации. Однако позже были получены данные, которые могут дать предположение о том, что разные типы НР (различные свойства звуковых стимулов) генерируются в различных локусах слуховой коры.

Как уже упоминалось, негативность рассогласования не зависит от внимания. Существует несколько подтверждающих доказательств.

Первое, это использование парадигмы необычного стимула (англ. odd-ball), негативность рассогласования вызывается даже при слабых вариациях стимула, когда испытуемый концентрирует свое внимание на выполнении другого процесса (например, при чтении). В опытах Люутинена в качестве основного задания использовалось решение трудных проблемных задач (матрицы Равена). И волна негативности рассогласования была четко определена. Таким образом, негативность рассогласования вызывается тогда, когда при выполнении основного задания, требующего сосредоточенности, одновременно применяется необычный стимул (odd-ball).

Второе доказательство нечувствительности НР к вниманию были получены в опытах по исследованию влияния межстимульных интервалов (МСИ) к НР. В них независимо от того был ли испытуемый внимателен к стимулам или же игнорировал их, результаты получились почти идентичные. Таким образом, разрушение следа памяти (презентация стимула) в сенсорной слуховой памяти не зависит от внимания. То есть внимание в таких условиях (увеличение межстимульного интервала) не может влиять, а именно улучшать, качество сенсорной информации, содержащейся в этих следах.

Также к доказательствам относят существование НР во сне (не только у человека, но и у животных), эффектами, которые оказывают различные вещества и анестезия.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что вероятно НР дает возможность предсказывать, как протекает сенсорный анализ, запоминание, различение конкретных свойств стимулов и можно предположить, что она станет полезной для диагностики различных заболеваний. Например, может быть использована для тестирования конкретных специфических функций слуха при разных формах его поражения, оценке перцептивных способностей индивида, которые создают основу для звукового различения, необходимого для понимания иностранного языка, восприятия музыки и исполнения музыкального произведения.

Негативность рассогласования может быть полезна для людей с афазическими расстройствами. Если девиантный стимул не вызывает НР, то это может быть растолковано как-то, что в слуховой коре нарушены соответствующие функции детектирования специфических признаков. Если же при афазии возникает НР на предъявленный девиантный стимул, то это говорит, что причина афазии не затрагивает нарушения функций запоминания и сравнения, а имеют более центральное происхождение.

Поражения фронтальной коры ведут к ослаблению амплитуды НР, регистрируемой от нее. Такие разрушения могут воздействовать на генератор фронтального субкомпонента НР, который, как предполагают, контролирует направленность внимания. С этим связывают синдром дефицита внимания. Синдром дефицита внимания характеризуется тем, что субъект не может длительно концентрироваться на одном деле, не может задержать ответную реакцию на изменения в окружающей среде для более внимательного анализа этих изменений, постоянной отвлекаемостью на любой внешний раздражитель. Он отмечается у 5−10% школьников и не позволяет нормально адаптироваться в школе и семье, влечет за собой плохую успеваемость, негативные реакции со стороны сверстников и родителей, а в дальнейшем может стать причиной более серьезных антисоциальных проявлений (алкоголизм, наркомания). Именно из-за этих последствий синдром дефицита внимания должен находиться под более пристальным вниманием. Негативность рассогласования может быть использована для диагностики подобного рода заболеваний. И кроме этого помочь понять, как и почему поражения мозга вызывают ухудшение внимания.