Возрастные особенности функционального развития мозга у школьников, проживающих в условиях Европейского Севера

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

03.00.13 - физиология

ВОЗРАСТНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ МОЗГА У ШКОЛЬНИКОВ, ПРОЖИВАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ЕВРОПЕЙСКОГО СЕВЕРА

Сергеева Елена Геннадьевна

Санкт-Петербург - 2009

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Возможность живых организмов, в том числе и человека, приспосабливаться (адаптироваться) к постоянно меняющимся условиям внешней среды является важнейшим биологическим свойством, сформировавшимся в процессе длительной эволюции (Орбели, 1961).

Одной из актуальных задач возрастной физиологии является выяснение основных принципов и закономерностей морфологического и функционального развития мозга и базовых нейрофизиологических механизмов, обеспечивающих не только поддержание жизнедеятельности организма, но и постепенное расширение адаптивных возможностей, формирование поведенческих реакций, когнитивных функций.

Известно, что формирование структурно-функциональной организации мозга в постнатальном онтогенезе продолжается в течение длительного периода развития, включая не только подростковый, но и юношеский возраст (Шеповальников и соавт., 1979; Фарбер и соавт., 1990; Цицерошин и соавт., 2007). По данным некоторых исследователей (Фарбер, Алферова, 1972; Фарбер, Дубровинская, 1991; Thatcher, 1991, 1992), окончательное формирование внутрицентральных и межцентральных отношений, которые находят свое отражение в формировании паттерна биоэлектрической активности мозга (ЭЭГ), заканчивается к 20-25 годам. Созревание отдельных структур мозга идет неравномерно. Так, структурные компоненты нейронных центров в проекционных и ассоциативных областях коры формируются окончательно в разные сроки (Васильева, 1986; Шумейко, 1986; Цехмистренко, 1987; Гурова, 1996). Наибольшие структурно-функциональные перестройки нейронной организации мозга происходят в 9-10 лет, когда нейроны объединяются в ансамбли, формируется сложная система горизонтальных связей, обеспечивающая взаимодействие нейронов как в пределах одного ансамбля (короткие связи), так и между различными дистантно-удаленными центрами (длинные связи) (Фарбер и соавт., 1990; Цицерошин и соавт., 1997). В период дальнейшего возрастного развития продолжается дифференцировка корковых нейронов, рост и разветвление нервных волокон, развитие нейро-глиальных взаимодействий, формирование микроциркуляторного русла. Другими словами, формируется необходимый морфологический эквивалент функций (Струков и соавт., 1983). Все это создает структурно-функциональную основу для оптимальной адаптации организма к постоянно меняющимся условиям внешней среды и осуществления разнообразной сенсорной и интегративной деятельности мозга, высшим проявлением которой является когнитивная и психическая деятельность человека.

Экстремальность внешней среды на Севере определяется не только суровыми климатическими условиями (низкие температуры, ветер, высокая влажность), повышенной активностью гелиогеомагнитных факторов (резкие перепады электромагнитного поля Земли, повышенное космическое излучение), но и необычной светопериодикой, бедностью окружающего ландшафта. К природным факторам добавляются и факторы социально-экономические: значительная социальная и информационная изоляция, особенно сельских жителей, далекие от комфорта жилищно-бытовые условия, однообразие питания с дефицитом необходимых для организма витаминов и микроэлементов и др. (Панин, 1979; Авцын и соавт., 1985; Кривощеков, 2000; Максимов, 2003; Агаджанян и соавт., 2007; Бойко, 2007; Евдокимов и соавт., 2007).

Несмотря на жесткость генетической программы индивидуального развития ребенка, неблагоприятные факторы внешней среды в северных районах (как природные, так и социальные) не только предъявляют повышенные требования к его физиологическим системам, психической сфере, но и существенно влияют на скорость морфофункционального созревания организма, вызывая задержки в развитии гормональной и иммунной систем, физическом развитии (Ткачев, 2000; Добродеева, 2001; Поскотинова и соавт., 2003, 2004; Рощевский, 2004; Щеголева, 2004; Кривоногова, 2006; Максимов и соавт., 2007 и др.).

Головной мозг является главным регулирующим и координирующим центром, обеспечивающим восприятие и анализ параметров внешней среды, поиск врожденных и приобретенных в процессе жизни оптимальных программ взаимодействия с окружающей средой. От морфофункционального состояния мозга ребенка зависят не только его адаптация к окружающей среде, но и успешность обучения необходимым навыкам, взаимоотношения со сверстниками, успеваемость в школе. Вместе с тем, особенности морфофункционального развития мозга детей и подростков Севера, чей растущий организм непрерывно подвергается воздействию суровых климатических условий, вызывающих повышенное напряжение всех регуляторных механизмов, остаются практически не изученными.

Диссертационная работа выполнена в рамках Программы № 16 фундаментальных исследований Президиума РАН «Влияние глобальных изменений климата: природные катастрофы и связанные с ними процессы» и темы НИР ИЭФБ РАН «Изучение центральных механизмов регуляции в организме при изолированном и комбинированном воздействии экологических факторов внешней среды» (Гос. рег. № 01.2.06 14341).

Цель и задачи исследования. Основной целью работы являлось изучение особенностей возрастного развития структурно-функциональной организации и интегративных функций головного мозга детей и подростков школьного возраста, проживающих в условиях Европейского Севера.

Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Изучить особенности возрастного формирования амплитудно-частотных параметров ЭЭГ у сельских школьников в условиях Европейского Севера.

2. Изучить локальные и пространственные особенности возрастной организации характера межцентральных отношений по структуре временной организации паттерна ЭЭГ (структуре взаимодействия компонентов ритмики ЭЭГ).

3. Провести оценку функционального созревания коры головного мозга и подкорковых регуляторных структур с помощью структурного анализа пространственно-временной организации паттерна ЭЭГ.

4. Изучить формирование нейрофизиологических механизмов непроизвольного и произвольного внимания по данным исследования вызванных потенциалов мозга в сопоставлении с результатами психологического тестирования.

5. Изучить особенности формирования уровня и структуры интеллекта у детей с нормальными и замедленными темпами развития.

Научная новизна результатов исследования. Впервые исследовано возрастное становление амплитудно-частотных и временных параметров биоэлектрической активности мозга и их соответствие паспортному возрасту у детей и подростков 7-17 лет, проживающих в условиях Европейского Севера. Четырехлетний мониторинг за изменением параметров ЭЭГ у одних и тех же школьников позволил проследить за темпами формирования электрогенеза разных областей мозга, впервые подробно описать перестройки частоты основной ритмики и их топографические особенности.

Установлено, что возрастное развитие детского организма на фоне адаптации к комплексу суровых факторов Севера сопровождается задержкой темпов возрастного формирования биоэлектрической активности головного мозга, структуры межцентральных отношений у 70 % школьников, что совпадает с задержкой сроков полового созревания, показанной другими авторами для данной популяции детей и подростков. Впервые изучены особенности становления интегративных функций мозга (произвольного и непроизвольного внимания, объема оперативной памяти, скорости и качества выполнения тестовых задач) у школьников с нормальными и задержанными темпами возрастного развития.

Показано, что для оценки возрастного функционального развития мозга детей и возможных отклонений (задержки темпов развития, нарушения формирования интегративных функций) необходим комплексный подход с изучением локальных и пространственных параметров биоэлектрической активности, структуры взаимодействия компонентов ЭЭГ, структурно-функционального анализа уровня функциональной «незрелости» ЭЭГ, вызванных потенциалов с оценкой латентности и выраженности компонентов Р300, уровня и структуры интеллекта, когнитивно-мнестических функций.

Положения, выносимые на защиту.

1. Возрастное физическое и психическое развитие детей-северян в суровых климатогеографических и сложных социально-экономических условиях Европейского Севера осуществляются на фоне напряжения адаптационных механизмов основных функциональных систем, что отражается на морфофункциональном развитии головного мозга в виде отставания темпов формирования амплитудно-частотных и временных параметров биоэлектрической активности в отдельных зонах коры больших полушарий, характера межцентральных связей, характеристик когнитивных вызванных потенциалов и структуры интеллекта.

2. Основными показателями задержки темпов возрастного развития мозга являются:

а) низкая частота (8-9 Гц) и недостаточная выраженность альфа-ритма в затылочных и теменных областях коры больших полушарий и нарушение его пространственной локализации (по сравнению с имеющимися возрастными нормативами); б) наличие более высокого уровня тета- и дельта-активности, особенно в височных и лобных зонах;

в) возрастная «незрелость» организации волновой структуры взаимосвязей основных компонентов (волн) паттернов ЭЭГ с отсутствием характерных «функциональных ядер» в отдельных зонах коры больших полушарий; г) возрастное несоответствие амплитуды и латентного периода когнитивных вызванных потенциалов, объема оперативной памяти и скорости переработки информации.

3. Суровые природные условия, относительная информационная изоляция, специфика сельского уклада жизни в отдаленных районах Севера и обнаруженные особенности возрастного развития центральной нервной системы определяют возрастную специфику формирования структуры интеллекта детей-северян. Установлено, что у детей-северян младшего школьного возраста преобладает невербальный интеллект (по методике Векслера). Вербальный интеллект у детей этой возрастной группы ниже нормативной шкалы. В процессе обучения в школе структура интеллекта претерпевает изменения и к 15-17 годам у большинства школьников начинает преобладать вербальный интеллект. Уровень развития интеллекта и его структура достоверно коррелируют с выявленными темпами возрастного развития мозга.

Теоретическое и практическое значение работы. Полученные результаты имеют теоретическое значение для понимания особенностей процессов возрастного развития мозга у детей, проживающих в суровых климатогеографических условиях Севера.

Данные о сроках возрастного формирования амплитудно-частотных параметров, структуры взаимодействия компонентов ЭЭГ, их локальных и пространственных особенностей свидетельствуют о том, что внутрицентральные отношения формируются позже, чем электрическая активность отдельных структур, что позволяет понять механизмы становления интегративных функций мозга.

Результаты исследования формирования электрогенеза мозга детей в процессе возрастного развития являются экспериментальным подтверждением фундаментальных данных о гетерохронном (неравномерном) созревании разных зон коры больших полушарий и их участии в обеспечении системной деятельности мозга.

Основные результаты работы могут быть использованы в возрастной физиологии для оценки степени функциональной «зрелости» мозга детей и подростков школьного возраста, а также в практическом здравоохранении при проведении медицинского обследования детского населения. Результаты могут явиться основой разработки региональных возрастных физиологических нормативов для детей Европейского Севера.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на XIII Международном совещании и VI школе по эволюционной физиологии (Санкт-Петербург, 2006); Всероссийской конференции молодых исследователей с международным участием «Человек и его здоровье» (Санкт-Петербург, 2007); Всероссийской конференции с международным участием «Медико-физиологические проблемы экологии человека» (Ульяновск, 2007); VI конференции молодых ученых, специалистов и студентов (Москва, 2007); XI Всероссийской конференции молодых исследователей с международным участием «Человек и его здоровье» (Санкт-Петербург, 2008); Всероссийской Конференции, посвященной 125-летию со дня рождения академика Л.А. Орбели, «Структурные и функциональные основы эволюции функций. Физиология экстремальных состояний» (Санкт-Петербург, 2008); на Секции эволюции высшей нервной деятельности Ученого совета ИЭФБ РАН (Санкт-Петербург, 2008).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, из них 4 статьи и 6 тезисов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методики, результатов исследования, их обсуждения, выводов, списка литературы из 336 источников, включая 244 отечественных и 92 зарубежных. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста, иллюстрирована 46 рисунками и 24 таблицами.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводилось на всех школьниках 1-11 классов (81 человек) средней общеобразовательной школы деревни Климовская Коношского района Архангельской области в ходе семи экспедиций 2005-2008 гг. Экспедиции проводились дважды в год: в мае-июне и сентябре-октябре.

Для оценки соответствия параметров электрической активности мозга паспортному возрасту полученные результаты сравнивались с данными Института возрастного развития человека Российской академии образования (Фарбер и соавт., 1972, 1990; Мачинская и соавт., 2001; Безруких, Фарбер, 2005), данными отечественной и зарубежной литературы, а также с базой данных лаборатории, содержащей результаты обследования школьников г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области.

ЭЭГ регистрировали на компьютерных электроэнцефалографах «Энцефалан-131-10» (НКПФ «Медиком» МТД, Таганрог) и «Телепат-104» (фирма «Потенциал», С-Петербург) в 21 отведении по международной схеме «10-20» непрерывно в течение 40-60 мин. Осуществляли фоновую запись с закрытыми глазами в течение 5 минут, функциональные нагрузки, стандартные для клинического электроэнцефалографического исследования (проба с открыванием и закрыванием глаз, фотостимуляция, трехминутная гипервентиляция), последействие. Запись ЭЭГ производилась в положении сидя. Для оценки спектров мощности, индексов частот, построения ЭЭГ-карт использовалось программное обеспечение электроэнцефалографов.

При частотном анализе использовали восемь диапазонов: бета2 (18, 0-30, 0 Гц), бета1 (12, 5-18, 0 Гц), альфа2 (9, 0-12, 5 Гц), альфа1 (7, 0-9, 0 Гц), тета2 (5, 0-7, 0 Гц), тета1 (3, 5-5, 0 Гц), дельта2 (2, 5-3, 5 Гц), дельта1 (0, 5-2, 5 Гц). Для оценки спектров мощности каждой из частотных составляющих выбранного безартефактного фрагмента ЭЭГ в каждом отведении и степени выраженности и топики распределения каждого вида активности проводился спектральный анализ. Выбранный фрагмент ЭЭГ разбивался на ансамбли в 1024 отсчета (четырехсекундные отрезки), которые поочередно обрабатывались и спектральные характеристики которых усреднялись. Для отдельных отведений в каждом частотном диапазоне вычисляли абсолютную мощность и относительную мощность в процентах. По полученным значениям средствами программы анализа электрической активности мозга строили ЭЭГ-карты, отражающие топическое распределение спектральной плотности мощности ЭЭГ.

Компьютерный анализ временной организации паттерна ЭЭГ осуществлялся с помощью оценки вероятности взаимосвязей компонентов (волн) ЭЭГ по методу С.И. Сороко, С.С. Бекшаева (1976, 1980).

Параметры регистрации и схема отведений для слуховых вызванных потенциалов были как для ЭЭГ-исследования. Исследовались вызванные потенциалы на стимулы: тон1 - 2000 Гц, 65 дБ, 50 мс, тон2 - 1000 Гц, 65 дБ, 50 мс. При выделении когнитивной составляющей (P300) ВП редко предъявляющимися были стимулы с параметрами «тон1», часто предъявляющимися - «тон2». Стимулы предъявлялись через аудионаушники в случайном порядке с интервалом 1, 2 сек, девиация 20%, в соотношении 1:9 при «пассивном» (без инструкции) и 2:8 при «активном» (счет редких стимулов) восприятии.

Для анализа вызванных потенциалов одновременно с их записью проводилось усреднение вызванных ответов (отдельно на значимые и незначимые стимулы). Далее выделялись компоненты вызванных ответов: N1, P1, N2, P2, N3, P3 и определялись их латентности и амплитуды. По полученным данным строились карты, визуализирующие топику распределения амплитуд компонентов ВП всех отведений.

Изучение структуры интеллекта проводилось с помощью интеллектуального теста для детей - Wechsler intelligence scale for children, WISC (Wechsler, 1949) в адаптации теста для России А.Ю. Панасюком (1973) с модификацией Ю.И. Филимоненко и В.И. Тимофеева (2001). Для исследования особенностей активного внимания использовалась корректурная проба Бурдона. Количественно выражался уровень концентрации внимания и показатель скорости выполнения задания. Диагностика зрительной памяти осуществлялась с помощью теста ВВР - воспроизведение визуальных репродукций (Benton, 1962). Оценивалась правильность воспроизведения изображения, по специальной шкале подсчитывался балл.

Оценка достоверности результатов осуществлялась с помощью t-критерия Стьюдента и F-критерия. Достоверность влияния пола и возраста на изменение параметров ЭЭГ производилась с помощью дисперсионного анализа (ANOVA). Расчеты выполнены с помощью пакета «Statistica for Windows», версия 6.0.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ литературных данных по изучению особенностей развития ребенка в условиях высоких широт показывает, что для детей и подростков Севера характерно отставание в половом развитии (Раппопорт, 1979; Becker-Сhristensen, 2003; Губкина, 2004; Демин и соавт., 2004; Кубасов и соавт., 2004; Juul et al., 2006), замедление темпов становления иммунной системы (Добродеева, 2001; Добродеева, Ткачев, 2004), снижение, по сравнению со средними и южными широтами, морфометрических показателей (Раппопорт, 1994; Zammit et al., 1993; Копосова и соавт., 2000; Рощевский и соавт., 2004; Гречкина и соавт., 2005; Годовых и соавт., 2007).

Результаты наших исследований показали, что эти закономерности характерны и для возрастного формирования электрогенеза и морфофункционального развития мозга детей-северян. Однако, суровые климатические условия, специфика проживания в отдаленной сельской местности, изолированной от крупных городов, деревенский уклад жизни, социально-экономические трудности предъявляют к развивающемуся организму ребенка повышенные требования, вызывая перенапряжение регулирующих механизмов всех систем организма, что неизбежно сказывается и на возрастном морфофункциональном развитии его нервной системы.

Особенности формирования биоэлектрической активности мозга у школьников Севера.

Амплитудно-частотные параметры ЭЭГ. Традиционный метод спектрального анализа ЭЭГ позволяет описать локальные и пространственные особенности электрической активности мозга у детей разного возраста (Шеповальников и соавт., 1979; Gasser et al., 1988; Фарбер, Вильдавский, 1996; Фарбер и соавт., 2000; Цицерошин и соавт., 2006, и др.).

Анализ формирования различных показателей ЭЭГ обследованных нами детей-северян показал, что изменение амплитудно-частотного спектра с возрастом имеет нелинейный характер. Так, наиболее быстрый рост альфа-ритма у мальчиков и девочек происходит в период от 13 до 14 лет. А в период с 14 до 15 лет происходит даже некоторое снижение индекса альфа-ритма. В данный период у мальчиков происходит уменьшение темпов снижения индекса тета-ритма, а у девочек даже его увеличение. Подобное увеличение представленности медленных ритмов, как бы «регресс» ЭЭГ, многими авторами связывается с гормональными перестройками, имеющими место в данном возрасте (Фарбер, Алферова, 1972; Новикова, Фарбер, 1975; Фарбер, Дубровинская, 1991).

В литературе имеется большое количество данных, позволяющих по локальным и пространственным особенностям спектральной мощности ЭЭГ судить о соответствии амплитудно-частотных параметров тому или иному возрасту ребенка, о наличии задержек морфофункционального созревания мозга или отклонениях в развитии (Gasser et al., 1988; Thatcher, 1992; Фарбер, Вильдавский, 1996; Фарбер и соавт., 2000).

Результаты наших исследований показали, что в спектрах ЭЭГ детей после 10-11 лет с нормальными сроками возрастного развития наблюдается преобладание спектральной мощности в альфа-диапазоне с доминирующей частотой 10, 2-10, 4 Гц. В ЭЭГ детей с задержкой в развитии наблюдается преобладание спектральной мощности в дельта- и тета-диапазонах (рис. 1).

Рис. 1. Спектры мощности ЭЭГ у детей с нормальным возрастным развитием (А, Б-на, 12 лет, контрольная группа) и при задержке темпов формирования параметров ЭЭГ (Б, Г-на, 12 лет).

F3…O2 - отведения ЭЭГ в соответствии с международной схемой «10-20». По оси абсцисс - частота, Гц; по оси ординат - мощность частотных составляющих, мкВ².

Динамика амплитудно-частотных перестроек с возрастом имеет топические особенности (рис. 2). Слабые отрицательные корреляции, свидетельствующие об уменьшении с возрастом спектральной мощности, выявлены для колебаний потенциалов в дельта- и тета-диапазонах частот для всех отведений ЭЭГ (рис. 2, Б, В, Г). Тенденция к снижению спектральной мощности колебаний в дельта2-диапазоне частот с возрастом наиболее выражена в центральных и лобных отведениях ЭЭГ (КК до -0, 52) с относительным преобладанием динамики в правом полушарии. Возрастное снижение активности в тета1-диапазоне включает большее число (с учетом значимости КК) регионов и преобладает в центрально-теменных регионах билатерально и височной области правого полушария.

В числе отличительных особенностей возрастных изменений активности как в тета1-, так и в тета2-диапазонах следует отметить наибольшую выраженность снижения мощности этих составляющих ЭЭГ в височно-теменно-центральных регионах. При этом, если для тета1-диапазона характерно наибольшее снижение в височно-лобных областях, то для тета2-диапазона - в височно-затылочных областях.

Рис. 2. Региональные особенности возрастных изменений относительной мощности спектра ЭЭГ (нормированной по отношению к суммарной мощности) у школьников 1-11 классов. А - расположение отведений ЭЭГ на схемах (с соответствующими стандартными обозначениями отведений в ячейках). Б…З - величины коэффициентов корреляции между относительной величиной спектральной мощности данного диапазона частот ЭЭГ и возрастом учащихся (цифры в ячейках). * - р < 0, 05, ** - р < 0, 01, *** - р < 0, 001, **** - р < 0, 0001.

Для колебаний потенциалов более высоких (альфа- и бета-) частотных диапазонов ЭЭГ выявлены преимущественно положительные корреляции с возрастом (рис. 2, Д, Е, Ж, З). Примечательно отсутствие значимой тенденции изменений с возрастом для альфа1-диапазона частот. Слабо увеличивается с возрастом относительная мощность альфа2-частот с небольшим преобладанием в лобных и височных областях.

Изменения в бета-диапазоне частот выражены больше, чем в альфа-диапазоне. Для бета2-частот повышение относительной мощности значимо для лобно-центральных областей (КК до 0, 57), для бета1-диапазона оно происходит более генерализованно, с включением теменных и височных областей. При этом формирование электрогенеза правого полушария несколько опережает левое. По данным Смирнова и Резниковой (1988), наблюдаемая гетерохрония изменений в правом и левом полушариях приводит к увеличению и стабилизации функциональной дифференцировки полушарий к старшему школьному возрасту.

Полученные результаты свидетельствуют о продолжающемся процессе формирования ЦНС у детей в течение всего периода обучения в школе. В организации биоэлектрической активности мозга наиболее демонстративно снижение с возрастом активности в дельта- и тета-диапазонах частот ЭЭГ и относительное повышение мощности колебаний потенциалов в бета-диапазоне.

Исследования одних и тех же школьников в течение нескольких лет позволили проследить динамику формирования биоэлектрической активности мозга с возрастом, изменение частотного спектра и их топографические особенности.

На рис. 3 приведены сравнительные данные двух школьников, которые были обследованы дважды, в возрасте 14 лет в 2004 году и в возрасте 17 лет в 2007 году. Видно (рис. 3, А), что у школьника с нормальными темпами развития с возрастом происходит значительное снижение мощности тета- и дельта-ритмов и разлитого альфа-ритма с преимущественным формированием альфа-ритма в затылочных и теменных областях.

У подростка с задержками темпов возрастного развития, хотя и происходит редукция дельта-ритма, тета-ритм распространен по всем зонам коры, а альфа-ритм имеет разлитой характер как при первом, так и при втором обследовании (рис. 3, Б).

Рис. 3. Возрастная динамика пространственно-временной организации спектров ЭЭГ у школьников с нормальными (А) и задержанными (Б) темпами морфофункционального развития мозга.

Возрастные особенности формирования временной структуры паттерна ЭЭГ у детей-северян. Принцип целостной (системной) организации деятельности мозга подразумевает динамическую координацию между всеми биоэлектрическими процессами. Если анализ амплитудно-частотного спектра ЭЭГ позволяет судить о степени зрелости отдельных корковых и подкорковых структур головного мозга, то формирование системных регулирующих функций мозга находит свое отражение в алгоритмах взаимодействия основных компонентов (волн) ЭЭГ, их временной и пространственной организации, в особенностях динамических перестроек при смене вида деятельности. Было показано, что возрастное становление временной организации паттерна ЭЭГ у детей запаздывает по сравнению с амплитудно-частотными характеристиками (Рожков, 1994; Веденеева и соавт., 1998; Рожков, Сороко, 2000), что согласуется с данными о том, что морфологическое созревание отдельных структур мозга и формирование межструктурных связей идет неравномерно (Поликанина, 1980; Симерницкая, 1985), а электрофизиологические показатели становления системной деятельности мозга (когерентные отношения, биопотенциальное поле мозга, перестройки поддиапазонов внутри отдельных ритмов и т.д.) формируются в более позднем возрасте, чем организуется основная ритмика ЭЭГ в тех или иных зонах мозга (Шеповальников и соавт., 1985, 1997).

Наши исследования показали, что в основе регионально-специфических перестроек ЭЭГ лежит изменение роли низко- и высокочастотных диапазонов в организации взаимодействия волновых компонентов ЭЭГ в динамике возрастного развития у школьников. Общей тенденцией организации такого взаимодействия является постепенное замещение тета2- и альфа1-«ядра» альфа2-«ядром» («стоком», по терминологии теории графов) функционального взаимодействия. Чем больше возраст ребенка, тем более дельта-, тета- и альфа1-диапазоны ЭЭГ в лобно-центральных, теменных и затылочных регионах становятся только «истоками» волновых компонентов. При этом повышается значение альфа2-диапазона в теменно-височных регионах и бета1-диапазона в центральных и лобных отведениях в качестве «стоков» волновых компонентов ЭЭГ, что позволяет рассматривать их в роли «ядер» функционального взаимодействия. Напротив, для височно-лобных регионов на фоне относительно высоких значений спектральной мощности тета-активности сохраняется значение тета2-диапазона как субдоминирующего ядра функционального взаимодействия волновых компонентов ЭЭГ.

Интересно соотношение количества школьников с замедленными темпами формирования биоэлектрической активности, выявленных по результатам спектрального анализа и анализа взаимодействия компонентов ЭЭГ. Если по локальным значениям доминирующих частот в диапазоне альфа-ритма ЭЭГ соответствует норме у 50 % школьников, то по структуре паттернов взаимодействия компонентов ЭЭГ - только у 20 %.

На рис. 4 представлены особенности взаимодействия волновых компонентов ЭЭГ (дельта2, тета1, тета2, альфа1, альфа2, бета1, бета2) у детей с нормальным морфофункциональным развитием мозга и с задержками развития.

Видно, что у ребенка с нормальными темпами возрастного морфофункционального развития (рис. 4, А) во всех зонах мозга структура паттерна ЭЭГ хорошо организована, основная последовательность переходов направлена в диапазон альфа-ритма, то есть альфа-ритм является «функциональным ядром», организующим алгоритм взаимодействия между всеми компонентами ЭЭГ. Структура взаимодействия компонентов паттерна ЭЭГ у ребенка с замедленными темпами развития (рис. 4, Б) имеет четкую организацию с наличием «функционального ядра» в диапазоне альфа-ритма только в затылочных и теменных отделах. В лобных и теменных отделах этот алгоритм взаимодействия компонентов еще не сформирован, что свидетельствует о некоторой задержке морфофункционального созревания передних отделов мозга. В данном случае структура паттерна ЭЭГ 14-летнего школьника соответствует паттерну ЭЭГ 12-13-летнего.

При оценке морфофункциональной зрелости мозга большое значение имеет анализ способности мозга к быстрым динамическим перестройкам внутрицентральных отношений (Шеповальников и соавт., 1979; Фарбер и соавт., 1990; Кануников и соавт., 1999). Это свойство может быть оценено по временной динамике фазового лидирования ритмов и структуры корреляционных связей между отдельными отведениями ЭЭГ. На рис. 5 приведены данные анализа фазового лидирования ритмов ЭЭГ и корреляционные отношения по всем каналам. Видно, что у ребенка с нормальными темпами возрастного развития мозга фазовое лидирование ритмов имеет выраженную пространственную мозаику как по совпадающим ритмам по фазе, так и по опережающим и запаздывающим фазам в разных областях (рис. 5, I). Это свидетельствует о выраженной динамичности внутримозговых процессов, их взаимной связи и постоянной смене лидирования той или иной зоны мозга в обеспечении и поддержании системной деятельности целого мозга.

Рис. 4. Особенности структуры взаимосвязей компонентов паттерна ЭЭГ у школьников с нормальными (А, К-ин, 14 лет) и задержанными (Б, М-ин, 14 лет) сроками возрастного развития.

В виде графов представлены матрицы условных вероятностей переходов волн основных субдиапазонов ЭЭГ (д2, и1, и2, б1, б2, в1, в2). Величины условных вероятностей, превышающие порог 0.2, обозначены линиями, толщина линий пропорциональна величине условной вероятности. Fp1…O2 - отведения ЭЭГ.

У школьника c задержкой формирования биоэлектрических процессов мозга этого разнообразия в фазовом лидировании ритмов по зонам мозга практически нет, биоэлектрическая активность различных зон мозга совпадает по фазе (рис. 5, II), что свидетельствует о наличии мощных стволовых синхронизирующих влияний. При этом, если при нормальном развитии мозга преобладают межполушарные отношения, то при выраженной задержке это преобладание отмечается в основном для внутриполушарных связей.

Описанный характер локальных и пространственных перестроек амплитудно-частотного спектра ЭЭГ, структуры взаимодействия волновых компонентов и их динамики отражают постепенное морфофункциональное созревание мозга как системы, формирование межцентральных отношений, которые, в конечном итоге, и обеспечивают специфику механизмов саморегуляции, координацию межсистемных взаимодействий на разных возрастных этапах развития ребенка, направленных на поддержание его жизнедеятельности и приспособление к окружающему миру.

Структурно-функциональный анализ локальных и пространственных особенностей паттернов ЭЭГ и их связь с системными механизмами саморегуляции мозга. Рассмотренные количественные методы анализа ЭЭГ, с одной стороны, позволяют унифицировано подойти к оценке соответствия детской ЭЭГ возрастной норме, максимально исключая субъективный фактор. С другой стороны, в результате использования количественного описания структуры ЭЭГ теряется связь между электроэнцефалографическими феноменами и функциональным состоянием мозга в целом и его отдельных систем. Главным образом, это касается функционального состояния глубинных подкорковых структур, активность которых проявляется на ЭЭГ в виде особых паттернов (Жирмунская, 1991; Мачинская, 2001).

Рис. 5. Топограммы фазового лидирования (А) и корреляционных отношений (Б) ЭЭГ различных зон мозга у детей с нормальным возрастным развитием (I, Р-на, 11 лет) и при выраженной задержке (II, Б-ва, 11 лет) (компьютерная программа Я.Р. Магеррамова). А - топограммы фазового лидирования: а, г - опережение по фазе (в мс), б, д - отставание по фазе (в мс), в, е - совпадение по фазе (в мс). Верхний ряд топограмм получен для эпохи анализа 4 с, нижний - для 20 с. На шкале справа - временной сдвиг по фазе в мс. Б - корреляционные отношения различных отведений ЭЭГ: а - корреляционные связи (r > 0, 6), б - топограммы доминирующих коэффициентов корреляции. На шкале справа показаны величины коэффициентов корреляции.

При анализе структуры отклонений ЭЭГ от возрастной нормы по методике Р.И. Мачинской и соавт., (2001) нами было обнаружено, что в 79 % случаев наблюдается незрелость основного ритма электрической активности мозга с выраженной дезорганизованной ЭЭГ (30 %) или полиритмией основного ритма (49 %). В 83% незрелость основного ритма сочетается с дисфункцией регуляторных структур мозга. При этом, всего у 12 % человек, имеющих дисфункцию регуляторных структур, выявлен зрелый основной ритм. В соответствии с приводимыми в научной литературе принципами определения топической локализации уровня дисфункции регуляторных структур мозга (Мачинская и соавт., 2001), было установлено, что большая часть источников дисфункции относится к диэнцефальному и мезодиэнцефальному уровню - по 55 %, к нижнестволовому - 51 %.

Л.П. Латаш (1968) показал, что нарушение функции гипоталамических образований отражается в показателях мозгового электрогенеза, а именно, в билатерально-синхронных вспышках медленной активности, в полиритмии основного ритма, замедленном альфа-ритме. Это, в свою очередь, сочетается с затрудненной адаптацией к внешнесредовым факторам, отражает склонность к неоптимальному варианту регулирования. Следовательно, можно предположить, что несовершенство регулирующих структур мозга, проявляющееся аномальной активностью на ЭЭГ, связано с напряжением этих структур, которое в свою очередь может возникать по причине гормональных перестроек в связи с пубертатными процессами (Фарбер, 1972, 1990) или в связи с суровостью внешних условий, к которым приходится адаптироваться (суровые факторы Севера).

Особенности ЭЭГ и развитие интегративных функций (интеллекта, памяти, внимания).

Интеллект. Изучение психофизиологической структуры интеллекта (его вербального и невербального компонентов) у детей позволяет выявить особенности возрастного формирования системных, интегративных, функций мозга, его познавательную и аналитическую деятельность, зависимость от степени морфофункциональной «зрелости» и характера отклонений в развитии. Несмотря на имеющиеся данные (Трауготт, 1947; Панасюк и соавт., 1975; Фишман, 1989; Безруких, Логинова, 2006) о формировании вербально-логического и наглядно-образного мышления, внимания, памяти, зрительно-моторных координаций, организации деятельности и о роли каждой из этих характеристик в комплексной оценке интеллектуального развития, практически нет сведений об особенностях формирования интеллекта у детей, проживающих на северных территориях. В то же время ясно, что информационная среда и социальное окружение играют существенную роль в развитии этих психофизиологических функций ребенка. В связи с этим, нами были проведены исследования структуры формирования интеллекта у детей сельской местности в зависимости от возраста и характера отклонений в формировании параметров биоэлектрической активности мозга.

Балльные оценки уровня общего интеллекта (n=61) были соотнесены с принятой в методике Векслера градацией интеллекта. Оценки распределились следующим образом: весьма высокий интеллект - 2 человека, высокий интеллект - 6 человек, хороший интеллект - 16 человек, средний уровень интеллекта - 22 человека, сниженный интеллект - 12 человек, пограничный уровень - 3 человека, уровень дефекта - случаев не выявлено. Обращает на себя внимание, что процент детей с хорошим интеллектом составляет 27, 5% (выше такового для приведенных в методике Векслера нормативных данных - 16, 1%). Напротив, процент детей со средним уровнем интеллекта (37, 5%) оказался ниже среднего норматива (50%). Процентные показатели оценок детей, отнесенных к другим градациям, статистически не отличаются.

При анализе распределения оценок отдельных составляющих интеллекта (вербального и невербального) можно отметить следующее. В процентном отношении число обследованных детей, у которых вербальный интеллект соответствовал низкому уровню (19, 5%), оказалось существенно выше нормы (6, 7%). Это справедливо и в отношении детей со сниженным уровнем вербального интеллекта - 32%, что в два раза превышает нормативные данные (16, 1%). Процент обследованных детей со средним и хорошим уровнями интеллекта существенно ниже нормы: 30% со средним уровнем интеллекта (норматив - 50%) и 10% с хорошим уровнем интеллекта (норматив - 16, 1%). Можно сделать общий вывод о том, что уровень вербального интеллекта обследованных детей ниже среднеевропейских нормативов.

При рассмотрении оценок невербального интеллекта обращает на себя внимание то, что процент детей с весьма высоким (15, 2%) и высоким (32%) уровнями интеллекта выше соответствующих нормативных показателей - 2, 2% и 6, 7%. Среди обследованных школьников отсутствуют дети с самыми низкими оценками невербального интеллекта, соответствующими уровню дефекта и пограничному уровню, а число лиц со сниженным интеллектом ниже норматива.

При анализе интеллекта в группе лиц с выраженной задержкой (рис. 6, Б) в формировании биоэлектрической активности обращает на себя внимание преобладание средних (33%), сниженных (42%) и низких (17%) оценок. Хороших оценок интеллекта всего 8%, отсутствуют высокие оценки. В группе лиц с нормальным развитием ЭЭГ (рис. 6, А) присутствуют оценки всех уровней, но при этом сниженных (20%) и низких (5%) оценок значительно меньше, чем в группе детей с задержкой формирования ЭЭГ, а процент хороших (26%) оценок выше и есть высокие (10%) и весьма высокие (3%) оценки.

С возрастом происходит увеличение уровня вербального интеллекта. Так, в группе детей старше 15 лет количество оценок ниже среднего уровня составляет 33%, а в группе младше 15 лет - 52%. Особое внимание обращает на себя значительное уменьшение низких оценок пограничного уровня. Из 20 детей старше 15 лет оценки такого уровня были только у двоих, а из 41 ребенка младше 15 лет - у 7 детей.

При рассмотрении оценок невербального интеллекта выявлено, что весьма высокие оценки интеллекта в возрасте до 15 лет встречались значительно чаще. Из 41 ребенка этой возрастной группы такие оценки были у 8 человек, а из 20 детей старше 15 лет - у двоих. Таким образом, с возрастом происходит изменение структуры интеллекта - увеличение уровня вербального интеллекта и некоторое уменьшение (за счет самых высоких оценок) невербального.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Структура интеллекта у школьников с нормальным развитием (А) и с задержкой возрастного развития (Б).

Это хорошо согласуется с данными других авторов (Панасюк и соавт., 1975; Безруких, Логинова, 2006), что формирование структуры интеллекта претерпевает определенные изменения с возрастом, основными особенностями которых является постепенное увеличение с возрастом составляющей вербального компонента (связанная с преобладанием регулирующей функции речи и совершенствованием механизмов организации деятельности). Нами было обнаружено, что у сельских школьников младшего возраста уровень невербального интеллекта даже выше, чем у их городских сверстников. По-видимому, это связано с особенностями уклада жизни на селе, когда уже в раннем возрасте дети должны принимать активное участие во многих хозяйственных работах, выполнение которых в основном связано не столько с вербальным, сколько с невербальным интеллектом. Однако следует отметить, что у всех детей с задержкой формирования электрогенеза мозга уровень интеллекта был ниже, чем у детей с нормальными сроками развития. При этом в структуре интеллекта преобладал невербальный компонент.

Повторное исследование структуры интеллекта через два года у тех же школьников показало, что вербальный интеллект стал иметь более высокие оценки у 81% школьников. Невербальный интеллект стал выше у 43%, а ниже - у 24%. Более низкие оценки невербального интеллекта во второй раз показали самые старшие школьники. Это подтверждает гипотезу об изменении структуры интеллекта с возрастом: возрастание уровня общего интеллекта, главным образом за счет повышения оценок вербального интеллекта, и вместе с тем, некоторое снижение уровня невербального интеллекта.

Таким образом, у обследованных детей с возрастом происходят изменения в структуре интеллекта. Они проявляются в увеличении уровня вербального интеллекта и некотором снижении невербального, главным образом за счет уменьшения количества самых высоких оценок невербального интеллекта. Наиболее заметны эти изменения в возрасте старше 15 лет. В этом же временном диапазоне происходят значительные изменения в формировании биоэлектрической активности мозга. Имеет место увеличение частоты доминирующего ритма, снижение амплитуды и уменьшение количества человек, у которых ЭЭГ «отстает» от возрастной нормы. Поэтому ряд фактов, относительно взаимосвязи параметров ЭЭГ и интеллекта, можно рассматривать как отражение в характере биоэлектрической активности условий для преобразования с возрастом структуры интеллекта.

Когнитивные функции. При оценке интегративных функций мозга было важно выяснить, как соотносятся задержанные темпы созревания мозга у сельских школьников Европейского Севера с когнитивными функциями, напрямую не связанными с социальным укладом жизни северного села, и не зависящими от уровней информационной нагрузки.

Известно, что развитие процессов внимания у детей в значительной степени определяет формирование школьных навыков. Объективную оценку степени зрелости нейрофизиологических механизмов внимания может дать исследование вызванных потенциалов (ВП) мозга, которые позволяют оценить не только организацию сенсорно-перцептивных процессов, но и когнитивно-мнестических функций (Иваницкий, 1976, 1984; Рутман, 1979, 1990; Кануников, Ветошева, 1988; Костандов, 1992; Chudzik et al., 2004; Кропотов, 2005). Изучение вызванных потенциалов (ВП) позволяет проследить за функциональным созреванием различных отделов мозга в процессе онтогенеза (Fuchigami et al., 1993).

Наши исследования показали, что с возрастом у школьников латентность компонента Р300 уменьшается. Для школьников с задержкой возрастного формирования биоэлектрической активности мозга характерна большая длительность латентного периода волны Р300 и меньшая ее амплитуда (рис. 7).

Зависимость между возрастом и латентностью Р300 отличается от линейной (рис. 8, А): наибольшие изменения наблюдаются у детей младшего школьного возраста. После 12-13 лет, в среднем, отмечается стабилизация латентности Р300 (различия между детьми среднего и старшего школьного возраста незначимы). Также не выявлено значимых корреляций амплитуды волны P300 с возрастом. Такая же динамика уменьшения латентности P300 с возрастом показана в работе R.Jr. Johnson (1989): наиболее значимые изменения происходят в возрасте около 12 лет, после чего латентность P300 существенно не изменяется. По данным. S.J. Johnstone и R.J. Barry (1996), амплитуда P300 на целевой стимул увеличивается от 8 до 18 лет, а латентность уменьшается. F. Zenker и J.J. Barajas (1999) выявили значительную отрицательную корреляцию с возрастом для латентности, но не амплитуды P300.

Рис. 7. Амплитуда и латентный период волны Р300 у школьника с нормальными (А, К-ин, 12 лет) и задержанными (Б, Б-ва, 12 лет) сроками формирования параметров биоэлектрической активности мозга и пространственное распределение максимальных амплитуд Р300 по конвекситальной поверхности (В, Г).

Нами выявлена статистическая зависимость между увеличением объема оперативной памяти и увеличением амплитуды волны Р300, а также уменьшением латентности Р300 как в условиях пассивного восприятия, так и счета девиантных стимулов.

На рис. 8 представлена возрастная динамика латентности волны Р300, объема оперативной памяти и показателя скорости выполнения корректурной пробы. Видно, что с уменьшением латентного периода волны Р300 с возрастом (рис. 8, А) увеличивается объем оперативной памяти (рис. 8, Б) и скорость выполнения корректурной пробы (рис. 8, В). Разброс индивидуальных параметров в каждой возрастной группе довольно высок. Наши исследования показали, что у школьников с задержкой темпов возрастного формирования электрогенеза мозга латентные периоды волны Р300 лежат выше средней кривой, а показатели объема оперативной памяти и скорости выполнения корректурной пробы ниже. Это хорошо согласуется с данными других исследователей, показавших зависимость указанных параметров от уровня зрелости мозговых структур и их функциональных нарушений. Так, было показано, что организация произвольного внимания связана с активацией лобных областей коры (блок «программирования» по А.Р. Лурия, 1973), при этом эффективность выполнения теста на внимание обнаружила зависимость от характеристик объема оперативной памяти (блок «приема и переработки информации», теменные области). Отрицательная корреляция латентности волны P300 и объема памяти была обнаружена и в исследованиях J. Polich et al. (1990).

В работе Р.И. Мачинской и О.А. Семеновой (2004) показано, что дефицит функции программирования, регуляции и контроля деятельности наблюдается при незрелости фронто-таламической системы у 7-8-летних детей. Наиболее существенные отклонения отмечаются для компонентов организации произвольной деятельности, связанных с избирательностью внимания (Мачинская, Дубровинская, 2003; Мачинская, 2006).

Рис. 8. Возрастная динамика латентности волны Р300 (А), объема оперативной памяти (Б) и скорости выполнения корректурной пробы (В) у школьников-северян.

Каждый школьник представлен точкой. Линия тренда - полиномиальная экстраполяция второй степени, с границами-предикторами 90%.

Наши исследования показали, что по результатам анализа вызванных потенциалов мозга могут быть выявлены школьники с замедленными темпами формирования когнитивных процессов. Это имеет большое значение для применения своевременной коррекции нарушений обучения (Kыgler, 1996; Фарбер и соавт., 2000; Puente et al., 2002; Кропотов, 2005; Steczkowska-Klucznik, Kroczka, 2006).

Таким образом, особенностью формирования биопотенциального поля мозга у детей-северян является более высокая степень неравномерности темпов созревания ЭЭГ различных областей коры. Важную роль в определении этих темпов играют регуляторные влияния со стороны подкорковых структур, прежде всего лимбико-ретикулярного комплекса, занимающих ключевые позиции в обеспечении адаптивных реакций целого организма в сложных природно-климатических условиях Севера. По-видимому, эти влияния не только модулируют текущую корковую активность, но и при определенной степени напряжения регуляторных механизмов могут обусловить регионально-специфичную задержку темпов формирования ЭЭГ в области соответствующих корковых проекций регуляторных систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Детский организм, тонко реагирующий на любые воздействия, гармонично развивается, если его системы и органы находятся в равновесии с факторами природной и социальной среды, и в случае их суровости или неблагоприятного социального окружения, формирование адаптаций и поддержание гомеостаза может предъявлять повышенные требования к физиологическим системам ребенка, влиять на скорость морфофункционального созревания организма и развитие интегративных функций (Данишевский, 1968; Кандрор, 1968; Раппопорт, 1979).

Комплексный анализ полученных нами результатов показал, что из всей исследуемой популяции школьников-северян параметры ЭЭГ, полностью соответствующие возрастным нормативам (паспортному возрасту), обнаружены только у 30% школьников (I группа). У 60% (II группа) школьников имеются незначительные отклонения в виде недостаточной организованности временнуго паттерна ЭЭГ, в основном в лобных и височных отделах мозга, повышенного содержания тета- и дельта-ритма, отсутствия четко выраженных «функциональных ядер» в диапазоне основного ритма (альфа-ритма), отражающих оптимальный характер межцентральных отношений.

Выраженные нарушения характера и структуры биоэлектрической активности головного мозга, свидетельствующие об имеющих место задержках в возрастном развитии с сопутствующими им проблемами в обучении и поведении, обнаружены нами у 10% детей (III группа). Анамнез матерей указанной группы детей показал, что одной из возможных причин отставания являются осложнения в протекании беременности, нарушения нормального родового акта с гипоксией новорожденного, а также социальное неблагополучие в семье, затрудняющее нормальное развитие ребенка. Известно, что осложненные роды могут быть причиной смещения шейных позвонков и их нестабильности у новорожденных с последующим развитием нарушения гемодинамики и ликвородинамики мозга, сопровождающихся функциональными расстройствами мозговой деятельности (Москаленко и соавт., 1975, 1989, 2006).

A. Nahas и E. Krynski (1978) полагают, что большая выраженность тета-ритма у детей с трудностями обучения отражает незрелость мозговых структур. У детей с задержкой развития церебрально-органического генеза примерно в 50% наблюдений выявлены изменения ЭЭГ, свидетельствующие об органическом поражении диэнцефальных структур и коры головного мозга (Зислина, 1971).