Влияние генотипа и факторов среды на субъективный отсчет времени и скорость выполнения когнитивных заданий

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность и значимость исследования.

Актуальной задачей современной науки является изучение взаимодействия средовых и генетических факторов в формировании личности. Полиморфизмы генов, регулирующих активность различных медиаторных систем мозга, оказывают влияние на когнитивные функции человека, однако это влияние корректируется влиянием среды. Так, ген транспортера серотонина (5-НТТ) способствует формированию нейротизма, но только при наличии особых неблагоприятных условиях среды и травматических событий в жизни человека, приводящих к формированию этого качества (Canli T., Lesch K.P., 2007).

Восприятие времени является одной из базисных психических функций человека, так как все психические процессы развертываются во времени, и оно постоянно отслеживается в организме человека. В современной психологии существуют типологии, основанные (Цуканов Б.И. 1988) или учитывающие (Ясперс К. 1996, Zakay D. 2004) процессы субъективного отражения времени. Таким образом, субъективное отражение времени является устойчивой характеристикой личности. Показана связь восприятия времени с активностью серотонина и дофамина в мозге (Meck, 1996, Rammsayer, 1998, Wackermann et al., 2008, Witmann, 2009). Поэтому исследования восприятия времени представляют собой хорошую модель для преодоления разрыва между работами молекулярного и системного уровней. Данная диссертационная работа направлена на выстраивание единой логической цепочки от гена до сознания, так как включает исследования как «крайних» звеньев этой цепи в виде психической функции и генотипа, так и «промежуточного звена» в виде мозговых процессов.

Современные технологии ставят все более жесткие требования к скорости и качеству выполнения тех или иных действий. Цена «человеческого фактора» при этом возрастает. Поэтому сейчас очень важно найти эффективные способы воздействия на ход выполнения когнитивных задач. В данной диссертации исследуется влияние звуковой ритмической стимуляции на субъективное течение времени и скорость выполнения когнитивных тестов, что может представлять не только теоретический, но и значительный практический интерес.

Таким образом, представленная работа демонстрирует влияние генетического и средового факторов на субъективное течение времени и решение когнитивных задач, также описывая мозговые корреляты данного процесса. Выражается надежда, что использованный подход имеет хорошую перспективу для выстраивания единой логической цепочки от гена до сознания.

Цель исследования. Целью данной работы было изучить влияние генотипа и факторов среды на субъективный отчет времени и скорость выполнения когнитивных заданий.

Задачи исследования.

Работа направлена на решение следующих задач.

· Исследовать связь полиморфизмов генов, регулирующих обмен серотонина и дофамина в тканях мозга, с особенностями психического отражения времени.

· Выявить влияние звуковой ритмической стимуляции различной частоты, близкой к 1 Гц, на субъективное течение времени и решение когнитивных задач у взрослых и детей.

· Описать мозговые процессы, сопровождающие изменение субъективного отсчета времени, в зависимости от полиморфизма генов и под воздействием внешней ритмической звуковой стимуляции.

· Выявить взаимовлияния внешнего (звуковой стимуляции) и генетического (полиморфизм генов) факторов на субъективное течение времени и скорость выполнения когнитивных задач.

Научная новизна. В данной работе впервые была продемонстрирована связь полиморфизмов генов, регулирующих обмен серотонина и дофамина в тканях мозга, с особенностями психического отражения времени. Впервые описаны феномен уменьшения времени решения задач при замедленной ритмической звуковой стимуляции и мозговые корреляты данного процесса. Впервые на экспериментальном уровне было показано взаимовлияние генетических и средовых факторов в процессе восприятия времени на скорость решения когнитивных задач.

Теоретическая ценность. В диссертационном исследовании предпринята попытка преодолеть существующий разрыв между работами системного и молекулярного уровней, который не дает возможности воссоздать целостную картину работы мозга. Показана связь субъективного течения времени с полиморфизмом генов, контролирующих обмен дофамина и серотонина. В частности, показано, что носители варианта Met/Met гена COMT переотмеривают 1-2 секундные интервалы, и быстрее решают когнитивные задачи. Субъективное течение времени является устойчивой характеристикой личности, однако, как и на любую другую психическую функцию, на нее оказывают влияния и внешние воздействия. Так, в данном исследовании показано, что звуковая стимуляция, имитирующая тиканье часов, в замедленном темпе (0,75 Гц), способна изменять субъективное течение времени и ускорять решение когнитивных задач. Причем это влияние выражено лишь для носителей варианта Val/Val гена СОМТ, т. е. для того варианта гена, носители которого изначально медленнее решают сложные когнитивные задачи. Таким образом, данная работа демонстрирует возможность компенсации генетического фактора внешним влиянием. Однако, этот эффект проявляется только у носителей генотипа Val/Val, склонных к более медленному решению задач. Выражается надежда, что использованный подход имеет хорошую перспективу для выстраивания единой логической цепочки от гена до сознания.

Практическая значимость. В данном исследовании впервые продемонстрирована возможность ускорять выполнение сложных когнитивных тестов путем изменения скорости внешней звуковой стимуляции. Описаны мозговые корреляты данного процесса. Более того, выявлены индивидуальные, генетически детерминированные особенности как субъективного течение времени и выполнения когнитивных задач, так и влияния внешних факторов на этот процесс. Эти данные, безусловно, имеют большую практическую значимость в сфере подбора кадров и обучения, т.к. позволяют выработать новые программы диагностики и в соответствии с ними выбирать правильную стратегию обучения и коррекции имеющихся недостатков. Прежде всего, это важно в сферах, где требуется быстрая и точная реакция, например, у операторов и спортсменов. Возможно, что данные результаты могут быть использованы и в клинической сфере, в работе с больными у которых наблюдается расстройства субъективного течения времени.

Основные положения, выносимые на защиту:

§ Существуют генетически детерминированные особенности восприятия времени, связанные с активностью дофаминергической и серотонинергической систем мозга.

§ Более низкая частота (0,75 Гц) ритмического звукового сопровождения приводит к «растягиванию субъективного времени» и ускорению времени решения сложных когнитивных задач, что сопровождается увеличением компонента ВП Р300 и уменьшением альфа-ритма в правых фронтальной, центральной и височной областях коры.

§ Субъективное течение времени и скорость решения сложных задач может определяться генетическими факторами. Показано, однако, что у лиц-носителей генотипа Val/Val гена СОМТ, затрачивающих больше времени на решение когнитивных заданий, это отставание может быть скорректировано влиянием факторов среды.

Апробация работы. Апробация работы прошла 2.11.09 на совместном заседании лаборатории высшей нервной деятельности человека и лаборатории психофизиологии Учреждения Российской Академии Наук Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на Конференции «молодых ученых» в Институте Высшей нервной деятельности РАН (Москва, 2006, 2007, 2008), на Международной конференции Sinapsa Neuroscience (Любляна, 2007), на IX Международной конференции "Когнитивное моделирование в лингвистике" (CML-2007) (София, 2007). Работа поддержана грантом РГНФ № 07-06-00471а.

1. Методы исследования

полиморфизм генетический когнитивный серотонинергический

Диссертационное исследование включало три экспериментальных серии, обозначаемых далее как эксперименты 1, 2 и 3.

Первый эксперимент (эксперимент 1) состоял в исследовании взаимосвязи вариантов генов, связанных с активностью серотонина и дофамина, с особенностями восприятия времени. Второй эксперимент (эксперимент 2) состоял в исследовании влияния звуковой ритмической стимуляции на субъективное течение времени и решение сложных когнитивных задач (категоризация слов, определение длительности стимула), а также мозговых механизмов данного процесса. Кроме того, участники эксперимента были исследованы на носительство того или иного варианта гена СОМТ. Третий эксперимент (эксперимент 3) был направлен на изучение влияние звуковой стимуляции на решение более простых задач (реакция выбора и простая зрительно-моторная реакция) у взрослых испытуемых и детей.

Испытуемые:

В эксперименте 1 приняло участие 89 спортсменок, занимающихся синхронным плаванием. Возраст девочек составлял от 10 до 18 лет. Все испытуемые были отгенотипированы по генам СОМТ, 5НТ-2а, МАОА, 5-НТТ.

В эксперименте 2 участвовало 30 испытуемых в возрасте от 18 до 30 лет, среди них было 14 мужчин и 16 женщин с высшим или неполным высшим образованием. 26 из 30 испытуемых, принявших участие в основном эксперименте, были исследованы на носительство того или иного варианта гена СОМТ.

В эксперименте 3 участвовали: группа взрослых из 12 человек (6 женщин и 6 мужчин в возрасте от 18 до 30 лет) и группа из 42 здоровых детей в возрасте от 5 до 12 лет. Дети были разделены на четыре возрастные группы: дошкольники - 11 детей в возрасте 5-6 лет, 12 школьников в возрасте 7-8, 10 детей в возрасте 9-10 лет, и 9 детей в возрасте 11-12 лет.

Процедура исследований.

В первом эксперименте испытуемым предлагалось выполнить ряд нейропсихологических и психометрических проб. Сначала предлагалось отмерить субъективную минуту, затем оценить несколько интервалов между щелчками секундомера (5, 15, 10 сек). В конце обследования испытуемых просили, не сверяясь с часами, определить, сколько сейчас времени (ориентация в текущем времени). С помощью компьютерной программы проводился тест на отмеривание временных интервалов в 1, 2, 3, 4 и 5 секунд: испытуемым предлагалось в случайном порядке отмерить эти интервалы двукратным нажатием на клавишу компьютерной мыши. Испытуемые также заполняли опросник Ясперса, направленный на выявление скорости субъективного течения времени в разных ситуациях.

Во втором эксперименте испытуемым на экране монитора предъявлялись слова длинной от 4 до 7 букв, среди которых были 300 абстрактных, 300 конкретных и 300 псевдо-слов (подобранных по словарю частотности слов Шарова С.А.). Предъявление стимулов было организовано по стандартной схеме. Для фиксации взгляда за 500 + 100 мс до появления стимула предъявлялся «+», длительность предъявления слов составляла 600, 1000 и 1400 мс и варьировала в случайном порядке. После ответа нажатием соответствующей клавиши мыши снова появлялся «+». В различных блоках эксперимента испытуемым предлагалось выполнить две различные задачи: оценить длительность предъявления стимула как короткую, среднюю или длительную (левая клавиша - короткий стимул, правая - длительный, и средняя - промежуточная длительность) или же определить категорию слова: нажать на левую клавишу, если слово конкретное, на правую, если слово абстрактное, и на среднюю - если это псевдо слово. Параллельно предъявлению зрительных стимулов в течение всей серии предъявлялся звуковой стимул, напоминающий тиканье часов с частотой 0,75, 1,00 или 1,25 Гц. Для каждой задачи эксперимент был разделен на 9 серий (по 3 серии для каждой частоты ритмического сопровождения, предъявляемые в случайном порядке). Длительность серии в среднем составляла от 3 до 7 минут. Кроме того, для части испытуемых были введены две серии с отсутствием звукового фонового ритма. После каждой серии испытуемый должен был оценить ее длительность. По ходу выполнения заданий осуществлялась запись ЭЭГ. Был использован электроэнцефалограф Sagura Medical Soft c 64-канальной схемой электродов Leonardo и двумя височными мастоидами. Обработка данных ЭЭГ осуществлялась при помощи программ BESA и MathLab, оценивались амплитуда различных компонентов вызванных потенциалов, а также мощность спектра мозгового ритма. Анализ ЭЭГ проводился методом усреднения ВП с синхронизацией на начало и конец предъявления стимула для задач оценки категории и длительности стимулов соответственно. Эпоха анализа составляла 700 мс (100 мс до стимула - базовая линия). ВП суммировался по всем стимулам для каждого испытуемого и по всем испытуемым. Спектры мощности рассчитывались при помощи быстрого преобразования Фурье (FFT) отдельно для каждой частоты звуковой стимуляции как среднее значение, полученное по двухсекундным, безартефактным отрезкам. Значимость различий между ВП по каждому из отведений в каждой временной точке для каждого канала оценивалась при помощи парного t-теста Стьюдента.

В третьем эксперименте испытуемым в произвольном порядке предъявлялось 8 серий (по 2 серии для каждого условия звуковой ритмической стимуляции), для каждой из которых было необходимо выполнить одну из задач. Первой задачей была простая моторная реакция. Испытуемым надо было как можно быстрее реагировать на появление визуального стимула (желтого квадратика) на экране монитора нажатием на левую кнопку мыши. Другой задачей была реакция выбора: необходимо было нажимать одну из трех клавиш мыши в ответ на предъявление красного, желтого или зеленого квадратика (левую - для красного, среднюю для желтого, правую - для зеленого). Звуковая ритмическая стимуляция предъявлялась с частотой 0,75, 1 или 1,25 Гц в виде тиканья часов. Анализировались время реакции, количество ошибок и фальстартов. Идентичная схема эксперимента предъявлялась взрослым испытуемым (эксперимент 3а) и детям (эксперимент 3б).

Молекулярно-генетический анализ.

Статистическая обработка материала. Для статистической обработки исходных данных, полученных в ходе проведения исследования, использовался комплекс одномерных (расчет параметров вариации признаков, t-критерия Стьюдента) и многомерных (корреляционный, дисперсионный, факторный анализы) методов анализа данных по стандартным программам для ПК («Statistica 6.0»). При анализе результатов применяли как параметрические, так и непараметрические методы статистического анализа. Для оценки различия в уровне какого-либо признака между двумя группами с разными генотипами использовался t-критерий Стьюдента для независимых выборок (при оценке ошибки в текущем времени) или непараметрический критерий U Манна-Уитни, который не требует нормальности распределения переменных и интервальности шкалы измерений. Если групп было больше двух, то использовался дисперсионный анализ (ДА), позволяющий оценить связь между несколькими полиморфизмами одного гена и измеряемыми психологическими показателями. В этом случае генотип выступал как категориальный независимый фактор, состоящий из нескольких уровней - полиморфизмов. Апостериори применялся метод множественного парного сравнения (Рost-hoc Neumann-Keul test, Fisher test) для выявления фактора, лежащего в основе выявленных различий. Дополнительно, вместе с ДА всегда проводился тест на гомогенность выборки (Levene's test) для проверки адекватности использования данного метода. Нормальность распределения проверялась с помощью критерия 2 Пирсона.

Для статистического сопоставления уровня признака внутри одной группы использовался t-критерий Стьюдента для связанных выборок, а также многофункциональный непараметрический критерий ц*- угловое преобразование Фишера, позволяющий оценить различие долей встречаемости признака. Корреляционный анализ использовался для проверки связи исследуемых параметров с возрастом.

2. Результаты работы и их обсуждение

Результаты эксперимента 1.

Результаты первого эксперимента показали, что для испытуемых с полиморфизмами СС гена 5-НТ2а и, следовательно, с меньшим количеством рецепторов серотонина, было характерно более быстрое субъективное течение времени (3,57+0,05) по сравнению с носителями Т/Т и С/Т полиморфизмов (3,30+ 0,08) Различия для средних значений опросника оказались значимыми (р=0,01). Показатели по отдельным шкалам различались сходным образом, однако статистической значимости достигали различия только для шкалы «когда я свободен» (р<0,01).

Были также обнаружены статистически значимые различия между полиморфизмами МАОА и субъективным течением времени по двум шкалам опросника Ясперса: когда я читаю и когда я один. В ситуации, когда испытуемых просили оценить, насколько быстро для них течет время, когда они одни, лица с полиморфизмами 3/3, и следовательно, менее активным разрушением серотонина, оценивали время как текущее значимо медленнее, чем испытуемые с полиморфизмом 4/4 и 4/3 (тест Манна-Уитни, p<0.05).

При анализе связей между особенностями отмеривания «индивидуальной (субъективной)» минуты и полиморфизмами исследованных генов были также получены значимые результаты. Статистическая обработка данных (ANOVA) обнаруживала различия между полиморфизмами гена МАОA и точностью отмеривания «индивидуальной минуты» (F(2, 78)=3.2836, p<.05). Лица с полиморфизмами, которым соответствовала большая активность серотонина, точнее отмеривали «субъективную» минуту (т. е. меньше ее недоотмеривали). Испытуемые, у которых серотонин разрушался быстрее, и вследствие этого, серотонинэргическая система была менее активна, были склонны сильнее недооценивать субъективную минуту.

Для носителей MM полиморфизма гена СОМТ было характерно значительное переотмеривание 1 и 2 секундных интервалов. Для статистической обработки результатов использовался однофакторный дисперсионный анализ (ДА), в котором генотип выступал как категориальный фактор, состоящий из трех уровней (Val/Val, Val/Met и Met/Met). ДА выявил значимую связь воспроизведения коротких интервалов времени в 1 и 2 секунды с полиморфизмом данного гена, F(2, 51) = 5.6918, p<0.01. Апостериори анализ (Newman-Keuls test) выявил, что воспроизведенная длительность значимо больше для Met/Met полиморфизма, по сравнению с Val/Met (p<0.01) и Val/Val (p=0.01). Интервалы в 3, 4 и 5 секунд не обнаружили такой связи. Видно, что субъективное отмеривание 3, 4 и 5 секунд практически не отличается от объективной длительности и не зависит от полиморфизма исследуемого гена. В то же время для 1 и 2 секунд характерно переотмеривание (то есть воспроизведение по памяти больших, чем реально, показанных на мониторе интервалов времени), причем, только для носителей Met/Met полиморфизма. Внутри группы лиц с Met/Met полиморфизмом выявлена тенденция к различному отношению субъективной и реальной длительности между длительностями 1, 2 и 3, 4, 5 секунд (критерий Стьюдента для связанных выборок, t(11)=2.12, p=0.57), т.е. в то время как 1 и 2 секунды переотмеривались, интервалы в 3, 4 и 5 секунд этими лицами отмеривались правильно.

Рис. 1. Воспроизведение интервалов 1, 2, 3, 4, 5 сек по образцу при различных полиморфизмах гена СОМТ. На рисунке представлены средние для 1 и 2 сек, а также для 3, 4 и 5 секунд

Помимо коротких временных интервалов ген СОМТ оказался связан и с ориентировкой в текущем времени. Данные результаты оказались значимыми для первого обследования. Полиморфизм Met/Met значимо отличался от объединенных полиморфизмов Val/Val и Met/Val (р=0,036, t-тест Стьюдента). Было выявлено, что спортсменки с полиморфизмом Met/Met были склонны недоотмеривать текущее время в среднем на 17,6+11,1 минут, в то время как спортсменки с полиморфизмами Val/Val и Val/Met переотмеривали его в среднем на 7+5,9 минут.

Оценка текущего времени оказалась зависима не только от гена разрушающего дофамин, но и гена транспортера серотонина. На основе двух этапов исследования этого параметра были выделены две группы: точно ориентирующиеся (средняя ошибка по двум исследованиям меньше или равна 10 минутам, 24 человек) и плохо ориентирующихся (ошибка в оценивании больше или равна 25 минутам, 26 человек). Доли людей с различными генотипами в каждой из этих групп сопоставлялись с помощью непараметрического многофункционального статистического критерия - углового преобразования Фишера (ц*).

Оказалось, что доля лиц с генотипом ss среди точно ориентирующихся была значимо больше, чем среди плохо ориентирующихся (19.2% (5 из 26) и 4.2% (1 из 24), ц*=1.75, p=0.04). Среди лиц с генотипом ss, максимальная ошибка в оценке текущего времени была 25 минут, поэтому мы и выбрали этот порог. Понятно, что при повышении порога до 30 минут и выше, значимость полученного результата возрастает, но условия использования данного критерия при этом нарушаются.

Обсуждение результатов эксперимента 1.

Результаты проведенного исследования свидетельствуют о том, что носители разных вариантов генов, отвечающих за активность двух основных медиаторов мозга - серотонина и дофамина, различаются по характеристикам восприятия времени. Причем, согласно полученным данным, восприятие времени - сложный психический процесс, каждая операция которого может регулироваться активностью нескольких различных генов, а они могут быть различны для разных интервалов времени.

Так, индивидуальные различия в воспроизведении коротких интервалов времени в 1 и 2 секунды оказались обусловлены различиями в полиморфизмах гена COMT, расщепляющего дофамин. У лиц с низкоактивным вариантом гена, а именно полиморфизмом Met/Met (соответственно большим содержанием дофамина) при воспроизведении данных интервалов наблюдалось их переотмеривание. В то же время, воспроизведение более длительных интервалов в 3-5 секунд, у тех же лиц, и у лиц с другими вариантами гена было точным. На наш взгляд, такое различие происходит из-за того, что при воспроизведении одно- и двухсекундных интервалов затрагивается только короткая рабочая память, временной ресурс которой ограничен несколькими секундами. Ранее К.Поппель (Poppel, E., 1997) на основе экспериментов Вундта, Виерорта и данных изучения иллюзий предположил, что «психическое настоящее» длится не более 3 секунд. Таким образом, механизм оценки времени внутри и вне этого интервала должен быть различным. «Психическое настоящее» - это собственно то, что человек может удержать в сознание одновременно. Логично, что эта важная психическая константа оказывается связанной с префронтальной корой, участвующей в организации рабочей памяти. Известно также, что многие нейроны данной коры используют в качестве медиатора дофамин. Большая активность префронтальной коры, связанная с повышенной концентрацией дофамина у носителей Met/Met генотипа, ведет при воспроизведении к переотмериванию одно- и двухсекундных интервалов. В то же время в отмеривании (в отличие от воспроизведения) тех же временных интервалов участвует уже не кратковременная, а долговременная память, из которой и извлекается эталонное представление о секунде. Как показали наши исследования, хранение этого эталона не зависит от исследуемых нами генов или, по крайней мере, зависит не только от них. Воспроизведение трех- и пяти секундных интервалов тоже выпадает из временного диапазона «психического настоящего», поэтому также имеет другие механизмы.

Оценка более длительных, порядка нескольких минут интервалов, заполненных деятельностью, таких как оценка серий, также оказалась связанной с полиморфизмами гена СОМТ. Лица с генотипом Met/Met гена СОМТ были склонны переоценивать длительность серий, заполненных когнитивной задачей. Другая важная функция сознания - ориентация в текущем времени - также оказалась связанной с геном СОМТ. Причем на этот раз лица с полиморфизмом Met/Met уже значимо преуменьшали текущее время по сравнению с носителями других полиморфизмов, склонных, наоборот, преувеличить время. Таким образом, полученные результаты подтверждают данные о том, что временной континуум неоднороден по механизмам, лежащим в основе восприятия разных интервалов времени. Тот факт, что короткие интервалы времени (порядка минут и секунд) обычно переоцениваются, а длительные (порядка часов, дней) недооцениваются, известен давно под названием закона Виерорта (Vierort , 1868). Наше исследование уточняет, что подобный закон не универсален и выполняется только для носителей Met/Met полиморфизма гена COMT.

Необходимо отметить, что ориентировка в текущем времени также представляет собой сложный процесс, который, кроме собственно «внутренних часов», зависит и от многих других факторов, таких как когнитивные и эмоциональные процессы, внимание, тревожность и других. Неудивительно поэтому, что отсчет времени оказался связан не только с геном COMT, но еще и с геном транспортера серотонина 5-HTT, учитывая важную роль серотонина в этих процессах. Так, лица с полиморфизмом ss и большей активностью серотонина, характеризуются точностью ориентации во времени. Лица с другим полиморфизмом по данному гену могут быть как точными, так и неточными.

Генетические различия, влияющие на активность серотонина, оказались также связаны с пробами, используемыми в клинике для оценки аффективного состояния больных («субъективная минута», оценка субъективного течения времени по опроснику Ясперса). В целом оказалось, что чем больше активность серотонина, тем медленнее течет субъективное время. Так, ген рецептора серотонина 5-НТ2a был связан с суммарными и средними показателями всех шкал (и особенно для шкалы «когда я свободен»), а также с недооценкой длительности абстрактных стимулов. Ген МАОА, расщепляющий серотонин, показал значимую связь только со шкалами «когда я один», «когда я читаю». Таким образом, большее количество рецепторов серотонина, и, следовательно, большая его активность, приводят к замедлению субъективного времени во всех ситуациях, в то время как меньшая активность МАОА замедляет время в ситуации одиночества.

Проведенное исследование является одной из первых попыток установить причинную связь между структурой генов и их вариабельностью и протеканием такой достаточно сложной психической функции как восприятие времени. Причинная связь от гена к психической функции в данном случае предполагается не столько по результатам статистических методов (которые, в большинстве своем могут лишь свидетельствовать о связи между исследуемыми переменными, но не о влиянии), а вытекает из логики нашего исследования (именно ген влияет на поведение, а не наоборот). Данная работа способствует преодолению имеющегося разрыва между исследованиями системного и молекулярного уровней с выстраиванием единого логического ряда от гена до сознания.

Результаты эксперимента 2. Поведенческие ответы.

При выполнении задания на оценку длительности и категории слов различная частота звуковой ритмической стимуляции оказывала влияние на оценку длительности серий и время решения задач. При быстрой ритмической стимуляции по сравнению с медленной испытуемые значимо переоценивали длительность серий, в которых требовалось оценить длительность (t=2,1; р<0,05) или категорию стимулов (t=2,2; р<0,05). При оценке длительности стимулов в 1400 мс медленная скорость ритмической стимуляции (0,75 Гц) приводила к значимому уменьшению времени реакции, по сравнению с частотой ритма 1 Гц (t= 2,9; р= 0,02) и 1,25 Гц (t= 3,2; p= 0,004). При оценке категории слов время реакции для частоты ритмической стимуляции 0,75 Гц было значимо меньше (t=2,5; p=0.01) по сравнению с частотой 1,25 Гц. Время реакции при ритмической стимуляции 0,75 Гц также было значимо меньше по сравнению с частотой 1 Гц (t=2,1; p=0,04). При отсутствии ритмической стимуляции время реакции испытуемых было максимально, по сравнению с любой частотой фонового ритма. Таким образом, звуковой ритм, предъявляемый с частотой 0,75 Гц, способствовал уменьшению времени решения задач.

полиморфизм генетический когнитивный серотонинергический

Рис. 2

При оценке длительности стимулов предъявление слов различных категорий не влияло на общую картину - время реакции было минимальным при частоте звуковой ритмической стимуляции 0,75 Гц. Влияние частоты фонового ритма было наиболее выражено для псевдо-слов. При оценке категории слов при звуковой ритмической стимуляции 1,25 Гц время реакции увеличивалось, и было минимальным при частоте 0,75 Гц для всех категорий слов. Время реакции при предъявлении абстрактных слов было максимальным при любой частоте ритмической стимуляции.

Результаты эксперимента 2. Особенности мозгового ответа.

Влияние различной частоты ритмической стимуляции оказалось связанным не только с поведенческими ответами испытуемых, но и с различиями в мозговых процессах. На рис.3а представлены вызванные потенциалы, полученными в ответ на предъявление слов в сериях с разной ритмической стимуляцией при задаче оценки категории слов, отведение E124. Амплитуда позитивного (компонента ВП на латентностях от 300 до 450 мс) была значимо больше при медленном ритме (0,75 Гц) по сравнению с быстрым (1,25 Гц) в правых височных, фронтальных и центральных областях. На рис.3а и 3б приведена топография значимых различий между ВП, полученными в сериях с медленной и быстрой звуковой стимуляцией. Выделенная область составляет кластер, объединенный по значимости различий на основе смежности в пространственном и временном распределении. Влияние звуковой ритмической стимуляции на амплитуду компонента Р300 в правых центральных, лобных и височных областях для абстрактных, конкретных или псевдо слов было практически одинаковым и не достигало статистической значимости.

Рис. 3

При решении заданий на оценку длительности стимулов анализ ВП осуществлялся за период времени после выключения стимула, усреднение синхронизировано по выключению стимула. На рис.3б представлены эти ВП в сериях с быстрой и медленной ритмической стимуляцией, а также топографическое распределение различий между амплитудами компонента Р300 (различия достигали значимости для стимулов длительностью 1400 мс). Также как и в серии с категоризацией слов амплитуда компонента Р300 в правой фронтальной, височной и центральной областях была значимо больше при частоте ритмической стимуляции 0,75 Гц по сравнению с частотой 1,25 Гц.

При оценке категории слов разница в амплитуде компонента Р300 между сериями с медленной и быстрой звуковой стимуляции коррелировала с разницей во времени реакции между медленной и быстрой ритмической стимуляцией. Значимые корреляции обнаружены для центральных, центрально-фронтальных и центрально-височных областей (им соответствуют электроды E81 (р=0,022; r=-0,52), E32 (р=0,006; r=-0,6), E129 (р=0,002; r=-0,66), E111 (р=0,022; r=-0,66), E103 (р=0,012; r=-0,51), как раз в тех, где выявлены значимые различия в амплитуде Р300 между сериями. Чем сильнее у испытуемых снижалось время решения задачи на категоризацию при медленным фоновом ритме по сравнению с быстрым, тем амплитуда компонента Р300 была больше для медленной ритмической стимуляции по сравнению с быстрой. При задаче на оценку длительности данные корреляции обнаруживаются лишь на уровне тенденций.

Спектральный анализ мозговой активности при выполнении задания на категоризацию стимулов показал также значимые различия между мощностями спектральных составляющих, особенно в диапазоне альфа-ритма, при предъявлении внешнего фонового ритма различной частоты. На рис.4 изображены спектры мощности для 3 отведений, E109, E46, E86. По оси y- отложена мощность (мкВ2), по оси x-частоты спектра. Оказалось, что мощность альфа- ритма была значимо больше при частоте фонового ритма 1,25 Гц, по сравнению с медленным фоновым ритмом - 0,75 Гц. Значимые различия были обнаружены по каналам E46, E129, E105, E32, E81, E109, E86, E111, E13, E113. При отсутствии звуковой стимуляции амплитуда альфа-ритма оказалась максимальной и превышала значения мощности при наличии фонового ритма.

Рис. 4. Мощность альфа-ритма при различной частоте звуковой стимуляции и ее отсутствии. По оси ординат: мощность альфа-ритма (мВт), по оси абсцисс: частота (Гц). Е109 - Е86 - электроды

Влияние звукового ритма на оценку длительности коротких интервалов (от 600 до 1400 мс) было характерно только для женщин, они были склонны переоценивать длительность предъявления слов при стимуляции в 0,75 Гц по сравнению с частотой стимуляции в 1,25 Гц. При медленной ритмической стимуляции женщины были склонны классифицировать предъявляемый стимул как длинный (правая кнопка мыши) и реже как короткий (левая кнопка мыши).

При выполнении задания на оценку длительности для ритмической стимуляции с частотой 0,75 Гц по сравнению с частотой 1,25 Гц у испытуемых увеличивался компонент Р300 для ВП на конец предъявления стимула. Изменения компонента Р300 на включение стимула оказались специфичными только для женщин. У женщин, по сравнению с мужчинами, при замедленном фоновом ритме был менее выражен фронтально-центральный компонент Р300 (связываемый с вниманием к началу стимула), и более выражен компонент N100 (связан с сенсорными характеристиками).

Амплитуда компонента Р300, регистрируемая на включение стимула при выполнении задания на оценку длительности, коррелировала с большим предпочтением левой клавиши мыши, соответствующей короткому стимулу, при быстром фоновом ритме по сравнению с медленным, если стимул был конкретным или псевдо словом. Корреляции обнаружены по каналам Е113, Е111, Е105, соответствующим правой центральной области.

Амплитуда компонента N100 коррелировала с частотой нажатий левой клавиши мыши при решении задач на оценку длительности. Чем более был выражен компонент N100 для медленного ритма по сравнению с быстрым, тем чаще испытуемые выбирали левую клавишу мыши, соответствующую короткому стимулу, если предъявлялись псевдо-слова или конкретные слова. Значимости данные различия достигали только по каналу Е109, соответствующему правой височной области.

ВП мозга на начало предъявления стимула значимо различались между задачами оценки длительности и оценки категории в правых центральных и центрально-париентальных областях. ВП в этих областях был более негативен на латентностях 250-600 мс для задачи оценки длительности, по сравнению с задачей на семантическую категоризацию для всех типов слов, в том числе и для псевдо. Можно предположить, что данные области являются специфичными для процесса оценки длительности.

Результаты эксперимента 2. Генетические особенности влияния звуковой ритмической стимуляции на решение когнитивных задач

Испытуемые с различными полиморфизмами гена COMT также отличались во времени реакции при решении задач на оценку длительности. Носители полиморфизма Мet/Мet решали эти задачи значимо быстрее в отличие от носителей других полиморфизмов не зависимо от категории слова и от длительности его предъявления. Данная закономерность была выявлена для быстрого и медленного фонового ритма.

Кроме того, носители полиморфизмов Met/Met гена СОМТ реже нажимали клавишу длинный стимул, по сравнению с носителями аллелей Val/Val, при ритмической стимуляции. Носители генотипа Val/Val были склонны переоценивать длительность абстрактных слов и стимулы 1400 мс и чаще выбирали правую клавишу (соответствующую длительному стимулу). Носители аллелей Met/Met, напротив, при предъявлении абстрактных слов и стимулов длительностью 1400 мс, были склонны недооценивать эти стимулы - они чаще выбирали клавишу, соответствующую короткому стимулу, и реже клавишу, соответствующую длительному стимулу.

Испытуемые с различными полиморфизмами гена СОМТ по-разному оценивали длительность серий. Носители полиморфизма Met/Met значимо переоценивали длительность серий как при оценке длительности, так и при оценке категории.

Испытуемые с различными полиморфизмами гена COMT, ответственного за активность дофамина, различались в выраженности влияния ритмической стимуляции на амплитуду компонента Р300 при решении задачи на категоризацию. У индивидов, имеющих мутантную аллель Met (Met/Met), практически отсутствовала разница в амплитуде компонента Р300 между медленной и быстрой ритмической стимуляцией. У индивидов, имеющих генотип Val/Val, амплитуда компонента Р300 была больше при ритмической стимуляции с частотой 0,75 Гц по сравнению с частотой 1,25 Гц. Данные различия между генотипами были обнаружены в центральных и центрально-фронтальных областях справа для электродов Е81, Е129, Е113, Е111, Е4 (на латентности 200 - 300 мс) и Е6 (на латентности 200 - 400 мс).

Та же закономерность обнаружена и для амплитуды компонента Р300 при оценке длительности интервалов на конец предъявления стимула. Значимые различия обнаружены для каналов Е109, Е129, Е32, Е111, Е124, Е4, Е105, Е11 (на латентности от 300 до 500 мс).

Исследование амплитуды компонента Р300 вызванного потенциала (усреднено для различных частот ритмической стимуляции и ее отсутствия) показало, что у носителей полиморфизма Met/Met амплитуда Р300 максимальна в правых лобных, центральных и теменных областях, по сравнению с носителями полиморфизма Val/Met и Val/Val.

У носителей полиморфизма Met/Met гена СОМТ также были менее выражены различия во времени реакции и мощности альфа ритма между быстрой и медленной ритмической стимуляцией.

Рис. 5. Выраженность отличий в мощности альфа-ритма и времени решения задач у испытуемых с различными полиморфизмами гена СОМТ при медленной ритмической стимуляции по сравнению с быстрой

Анализ мощности спектра мозговой активности в диапазоне альфа-ритма показал, что для носителей полиморфизма Val/Val гена СОМТ характерно уменьшение амплитуды альфа-ритма при предъявлении звуковой ритмической стимуляции 0,75 Гц, по сравнению с носителями полиморфизма Мet/Мet, у которых этой зависимости обнаружено не было.

Результаты эксперимента 3 (а).

Влияние частоты ритмической стимуляции на моторный ответ зависело от сложности выполняемой задачи. В нашем исследовании дополнительно был проведен эксперимент, целью которого было оценить влияние ритмической стимуляции на решение более простых задач. Одной из таких задач была простая моторная проба. Испытуемому надо было как можно быстрее нажать клавишу мыши при появлении на экране монитора желтого квадратика. Ритмическая стимуляция предъявлялась при помощи наушников в виде тиканья часов, громкость подбиралась индивидуально, благодаря измерению индивидуального звукового порога.

Анализ показал, что время реакции при предъявлении визуального стимула оказалось минимально при максимальной частоте внешнего фонового ритма (1,25 Гц). Среднее время реакции (267,6 +6,4) при частоте ритмической стимуляции 1,25 Гц значимо отличалось от времени реакции при частоте 0,75 Гц (280,1 +8,8) (t=2,9; p=0,02) и при отсутствии ритмической стимуляции (275,1+7,8) (t=3,1; p=0,007).

Рис. 6

При решении задачи на реакцию выбора (выбрать одну из трех клавиш мыши для соответствующего цвета визуально предъявляемого квадратика), оказалось, что минимальное время решения задачи наблюдается при частоте ритмической стимуляции 0,75 Гц. Время реакции при данной частоте значимо отличается от времени реакции при отсутствии ритмической стимуляции (t= -2,4; р=0,02), различия между звуковой ритмической стимуляцией 0,75 и 1 и 1,25 Гц близки к значимым (р<0,1).

Результаты эксперимента 3 (б).

Дополнительно к экспериментальному исследованию на взрослых испытуемых было проведено исследование, целью которого было изучить закономерности формирования описанных явлений в онтогенезе и их устойчивость к возрастному фактору. С этой целью исследование было проведено на группе испытуемых из 42 детей в возрасте от 5 до 12 лет. Исследовалось влияние внешней ритмической стимуляции на выполнение простых когнитивных тестов (моторной реакции и реакции выбора). Одной из важных характеристик выполнения простой моторной пробы у детей было количество фальстартов. Оказалось, что количество фальстартов коррелировало у детей с максимальной скоростью теппинг-теста (r= -0,65, p=0,016) и количеством ошибок при копировании домика (s=0,55 р=0,0015). Кроме того, была обнаружена корреляционная связь между количеством фальстартов и выраженностью дефекта согласно нейропсихологическому комплексному обследованию (s=0,4 р=0,029).

Влияние ритмической стимуляции на скорость моторной реакции при решении простых задач взрослыми и детьми оказалось аналогичным. При выполнении моторной пробы, дети также как и взрослые быстрее всего решали задачи при быстрой ритмической стимуляции (1,25 Гц) по сравнению с медленной ритмической стимуляцией (0,75 Гц) (р=0,01) и ее отсутствием (р=0,01). Данные различия касались и различий в стандартных отклонениях времени реакции. Стандартное отклонение времени моторной реакции при ритмической стимуляции с частотой 0,75 Гц было значимо больше по сравнению с частотой 1, 25 Гц (р=0,02).

Различия между взрослыми и детьми были связаны со скоростью выполнения заданий не зависимо от отсутствия или наличия ритмической стимуляции или ее частоты: взрослые значимо быстрее выполняли задачи на моторную пробу (p<0,001). Кроме того, было обнаружено, что при отсутствии ритмической стимуляции дети решали задачи значимо дольше по сравнению с наличием ритмической стимуляции(р<0,05. У взрослых подобных различий между стимуляцией 1 Гц, 0,75 Гц и отсутствием стимуляции обнаружено не было.

Изменения закономерностей между различными возрастными группами детей также не достигали уровня статистической значимости.

Рис. 7

При выполнении детьми задания на реакцию выбора было обнаружено, что при частоте звуковой ритмической стимуляции 0,75 Гц по сравнению с частотой 1,25 Гц наблюдалось значимое уменьшение времени моторной реакции (t=2,16; p=0,04). Кроме того, оказалось, что количество ошибок также было связано с частотой ритмической стимуляции. При частоте 0,75 Гц по сравнению с 1,25 Гц ошибок в выборе нужной клавиши было значимо меньше (t=2,27; p=0,03). Время реакции оказалось связанным с возрастом детей. Чем старше были дети, тем быстрее они решали задачи на реакцию выбора не зависимо от наличия или отсутствия ритма.

Обсуждение результатов эксперимента 2 и 3.

В данной работе испытуемым предъявлялось два типа сложных когнитивных задач: оценка длительности стимулов и категоризация слов. Различия в мозговой активности при решении этих задач были обнаружены на начало предъявления стимула в правых центральных и центрально-париентальных областях. ВП в этих областях был более негативен на латентностях 250-600 мс для задачи оценки длительности, по сравнению с задачей на семантическую категоризацию для всех типов слов, в том числе и для псевдо. Специфика решения вербальных задач, к которым и категоризация предполагает анализ структуры слов и соответственно заинтересованность левых областей мозга. Различия в активности этих областей между решением задач на категоризацию и оценку длительности характерно прежде всего для абстрактных слов. При оценке категории псевдо-слов, анализ вербальной структуры слова практически не требуется, в результате чего различия в активности левополушарных структур между различными задачами не значимы. Различия в активации правых центральных и центрально-париетальных областях при решении двух типов задач были характерны для всех категорий слов, что позволяет предположить специфическое участие данных областей в процессе оценки длительности стимулов.

В работе было установлено, что фоновая ритмическая звуковая стимуляция изменяет как субъективный отсчет времени, так и скорость выполнения некоторых когнитивных задач. Были показаны также изменения некоторых мозговых функций, которые могут лежать в основе этих феноменов.

Так, под влиянием ритмической звуковой стимуляции изменялась оценка длительности экспериментальных серий. При этом ускоренная частота звуковой стимуляции по сравнению с замедленной приводила к большей переоценке длительности серий. Это может быть объяснено тем, что внешние звуки действительно воспринимались как тиканье часов, и оценка серий зависела от скорости их предъявления. При более высокой частоте звуковой стимуляции (по сравнению с медленной) за объективно равные промежутки времени воспринималось больше звуков (ударов секундной стрелки), что и приводило к впечатлению том, что прошло больше времени, чем это было в действительности.

Исследование воздействия звуковой ритмической стимуляции на время моторной реакции может быть рассмотрено с точки зрения гипотезы повышенной активации при ускоренном звуковом фоне, по сравнению с замедленным. Согласно этой гипотезе при ускоренной ритмической стимуляции можно было ожидать уменьшения скорости реакции. При выполнении простой задачи (моторная реакция при предъявлении визуального стимула) был обнаружен подобный эффект: время реакции при предъявлении визуального стимула оказалось минимальным при максимальной частоте внешнего фонового ритма (1,25 Гц). Более того, данный эффект оказался устойчивым и наблюдался даже у детей от 5 до 12 лет. Однако в случае выполнения более сложной задачи (например, реакция выбора) подобной закономерности обнаружено не было. У взрослых испытуемых различия в моторном ответе при различной частоте ритмической стимуляции не достигали значимости. Однако на уровне тенденции при ритмической стимуляции 0,75 Гц испытуемые решали задачи реакции выбора быстрее, чем при 1,25 Гц. Для детской выборки данные различия уже достигали значимости: при частоте ритмической стимуляции 0,75 Гц время моторного ответа у детей было значимо меньше по сравнению с ритмической стимуляцией 1,25 Гц. При выполнении достаточно сложной когнитивной задачи (оценка длительности или категории слова) гипотеза повышенной активации при ускоренном звуковом фоне также не подтвердилась. Время моторной реакции было минимально при наличии медленной ритмической стимуляции (0,75 Гц). Замедление частоты ритма (0,75 Гц) оказывало положительное влияние на скорость решения задач по оценке категории слов и оценке длительности стимулов 1400 мс. Данный эффект оказался наиболее выражен именно при решении задач на категоризацию слов, тогда как при оценке длительности стимулов данный эффект выражен меньше.

При решении задач различной когнитивной сложности от субъекта требуется различный уровень активности, которому может соответствовать определенный ритмический фон, предъявление которого способствует более эффективному решению задачи. Предъявление звукового сопровождения могло способствовать активации дополнительных механизмов произвольного и непроизвольного внимания. Кроме того, время реакции при решении как простых, так и сложных задач было больше при отсутствии ритмического фона, чем при его наличии. Наличие ритмического фона (специфического по частоте для различных задач в зависимости от их сложности) приводило к ускорению моторного ответа, а также к увеличению количества правильных ответов при оценке длительности стимулов.

Изменение внешней звуковой стимуляции приводило также к изменению ВП на предъявляющийся стимул: амплитуда компонента ВП Р300 была максимальной при медленном ритме звуковой стимуляции, то есть в том случае, когда задача решалась лучше и быстрее. В литературе амплитуду позитивной волны с латенцией пика около 300 мс связывают с разными психическими явлениями, такими как привлечение внимания к стимулу, появление ориентировочного рефлекса, возрастание неопределенности ожидаемого стимула, усложнение задания на дифференцирование стимулов, принятие решения, рост уверенности субъекта в правильности идентификации сигнала (Brown SW, 1990). Был выделен позитивный париетальный компонент Р300, связываемый с опознанием стимула как значимого (Наатанен Р., 1998). Кроме того, в последние годы показано, что компонент Р300 является не столько показателем процесса обновления («updating») рабочей памяти, сколько показателем торможения, являющегося следствием принятия решения о стимуле, его категоризации (Molnar M., 1995). Эти данные, в основном, поддерживают убеждение, что Р300 - это компонент, который не зависит от физических параметров предъявляемого стимула и может возникать даже в его отсутствие (Molnar M., 1995).

В нашей работе испытуемым предлагалось выполнить две различные задачи в разных экспериментальных сериях (оценка длительности или категории слова), изменения в поведенческих тестах при решении этих задач (например, время моторного ответа) оказались корреляционно связанными с амплитудой компонента Р300, локализованного во фронтальных и центральных областях. Предъявление звуковой ритмической стимуляции может способствовать активации дополнительных механизмов произвольного и непроизвольного внимания, которые проявляются в активации фронтальных и центральных областей мозга. Различия, обнаруженные в активации мозговых структур при различной частоте ритмического фона, были локализованы в правой височной, центральной и лобной областях, и связаны при этом с изменениями амплитуды компонента Р300. Данные результаты согласуются и с другими исследованиями. В частности было показано (Каменская, 1995) устойчивое возрастание по амплитуде слухового вызванного потенциала как центрального, так и нижнелобного отделов при уменьшении частоты следования ритмически организованных стимулов.

Компонент Р300 регистрировался как на включение, так и на выключение стимула (Molnar M., 2004). При наличии инструкции оценивать длительность стимула была выявлена связь этого компонента ВП с длительностью стимула, наиболее ярко выраженная во фронтальных отведениях, что позволяет предположить важное участие лобных долей в процессе оценивания длительности стимула.

У нормальных взрослых испытуемых задача дифференцировать предъявляемые зрительные стимулы по длительности приводит к появлению ВП не только в затылочно-теменных, но и в центрально-лобных отделах коры, причем эти потенциалы имеют значительно больший латентный период (от 120 до 260 мс). Также было показано, что при правильной оценке длительности коротких интервалов времени увеличивается амплитуда волны Р300, по сравнению с неправильной оценкой (Костандов, 1985). В связи с этим, увеличение компонента Р300 ВП в центрально-лобных отделах коры в нашем исследовании при предъявлении медленной звуковой стимуляции может быть связано более эффективным выполнением задачи дифференцировки стимулов, что и приводит к уменьшению времени решения задач.