Зрительная когнитивная установка у детей предшкольного и младшего школьного возраста

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И НЕЙРОФИЗИОЛОГИИ

03.00.13 - "Физиология"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Зрительная когнитивная установка у детей предшкольного и младшего школьного возраста

Ашкинази Марина Леонидовна

Москва 2007

Работа выполнена в Лаборатории нейрофизиологии когнитивных процессов (заведующий - к.б.н. Н.С. Курова) Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН (директор Института - д.б.н., профессор П.М. Балабан)

Научный руководитель:

доктор медицинских наук, профессор Э.А. Костандов

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук Е.С. Михайлова

кандидат биологических наук, доцент А.С. Горев

Ведущая организация:

кафедра Физиологии высшей нервной деятельности биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова

Защита состоится "25" апреля 2007 г. в 14 часов на заседании специализированного Ученого совета (Д-002.044.01) при Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН (Москва, 117485, ул.Бутлерова, д. 5а).

Факс: (495) 3388500, E-mail: admin@ihna.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ВНД и НФ РАН

Автореферат разослан "22" марта 2007 г.

И.о. ученого секретаря специализированного Ученого совета

доктор биологических наук, профессор В.В.Раевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации рассматриваются свойства неосознаваемой установки, формируемой на зрительные стимулы, у детей дошкольного (5.3-6.8 лет) и младшего школьного (9-10 лет) возраста.

В последнее время все больше лабораторий и научных школ стало заниматься изучением психологии и физиологии "сознания" и "бессознательного". Особое внимание уделяется исследованию неосознаваемых установок, являющихся одним из видов бессознательного. Установки, формирующиеся на стимулы разных модальностей, могут, согласно литературным и экспериментальным данным (Узнадзе, 1958; Асмолов, 1985; Костандов с соавт., 1996, 1998) оказывать воздействие на поведение человека. У ребенка способность к формированию и смене установок может служить одной из важных характеристик его когнитивной деятельности, влияющей на способность к обучению в школе. Исследование характеристик неосознаваемых установок, зависящих как от внешних факторов среды, так и от физиологических особенностей организма, помогает лучше понять механизмы их влияния на поведение человека и когнитивные функции его мозга. Степень такого влияния зависит от подвижности установки.

Современное представление о зрительном восприятии включает в себя понятие о восходящих и нисходящих потоках нервных импульсов, взаимодействие и интеграция между которыми организуют процесс опознания стимула (Deco, Schьrmann, 2000; Костандов, 2004). Под восходящим потоком нервных импульсов подразумевается поступающая в данный момент сенсорная информация о свойствах стимула. Под нисходящим потоком - информация об уже сформировавшемся на основе ранее воспринятых стимулов внутреннем представлением об их свойствах, т.е. установка. Представление формируется не только об уже предъявленных стимулах, но и о тех, которые будут предъявлены позднее (Найсер, 1981; Узнадзе, 1958). Поэтому каждый раз, когда человек воспринимает новую зрительную информацию, она перерабатывается с учетом такого внутреннего представления. Одним из механизмов этого явления может быть интеграция восходящих и нисходящих потоков нервных импульсов. При этом в случаях, когда внутреннее представление об объекте совпадает с его реальными характеристиками, процесс восприятия упрощается. Но если новый стимул не совпадает со сложившимся о нем представлении, возможно рассогласование между ними, что может привести к искажению восприятия, например, в виде зрительных иллюзий (Узнадзе, 1966). Следовательно, можно говорить о двух возможных аспектах влияния установки на зрительное опознание - в зависимости от того, совпадают или нет реальные стимулы со сложившимся о них внутренним представлением, установка может облегчать или, наоборот, усложнять процесс восприятия.

О механизмах формирования и смены установок известно немного. В исследованиях установок, проводившихся на людях с использованием Висконсинского Теста Сортирования Карточек (Konishi et al, 1999a,b; Monchi et al, 2001) и на высших приматах (Passingham, 1972; Dias R. et al., 1996) было показано значительное участие в процессе формирования и смены установок различных областей префронтальной коры. Именно в ней наблюдалась сильная активация во время непосредственно смены установки (set-shifting) при выполнении Висконсинского Теста, а испытуемые с теми или иными разрушениями в этой области не были способны к смене сформированных ранее установок, или же она происходила у них значительно медленнее и с большими трудностями, чем у здоровых испытуемых.

В связи с этим особый интерес представляет изучение роли префронтальной коры в формировании и смене установок на онтогенетической модели, т.е. сравнение этих процессов у испытуемых с разным уровнем ее зрелости.

Кроме того, в онтогенетических исследованиях было убедительно показано, что лобная и, в частности, префронтальная кора наиболее поздно созревают в онтогенезе и имеют бУльшую индивидуальную вариабельность по толщине различных слоев и выраженности цитоархитектонических полей, чем другие области неокортекса. В созревании префронтальной коры существует несколько критических периодов, один из которых приходится на возраст 6-ти лет (Фарбер с соавт., 2000; Цехмистренко с соавт, 2000).

В лаборатории нейрофизиологии когнитивных процессов Института высшей нервной деятельности в течение последних лет исследовались различные свойства зрительных установок, вырабатываемых у взрослых испытуемых на вербальные и невербальные стимулы - окружности, слова, эмоциональные выражения лиц. Исследовалось влияние установки на функцию рабочий памяти и характеристики корковой мозговой активности (Костандов с соавт., 1998; 2000; 2002; 2005), а также связь степени пластичности установки с личностными факторами (Яковенко, Черемушкин, 1998). Исследование зрительной установки у детей мы проводим впервые, однако в том, что касается постановки экспериментов, обработки и интерпретации результатов исследовании, данная работа является логическим продолжением исследований, проводившихся в лаборатории в течение последних лет. В этих исследованиях была выработана адекватная методика формирования у испытуемых зрительной установки и регистрации как корковой электрической активности, так и поведенческих проявлений, характерных для ее формирования и смены. Эта методика применялась и в настоящей работе.

Предпосылками для нашего исследования послужили упомянутые выше данные о том, что процесс формирования и смены установок в значительной степени связан с работой префронтальных отделов лобной коры, в развитии которой наблюдается в возрасте 6-ти лет значительный скачок. Однако в настоящее время остается неисследованным вопрос о зависимости свойств установки, таких, как степень ее подвижности от зрелости префронтальной коры, т.е., в конечном итоге, от возраста испытуемого, и от функциональных взаимосвязей лобной и префронтальной коры с другими корковыми областями. Такое исследование может иметь большое значение в изучении механизмов информационных процессов в развивающемся мозге.

Актуальность исследования. В последнее время, благодаря наличию данных об участии префронтальной коры в формировании зрительных установок, а также данных о ее созревании в онтогенезе, появилась возможность исследовать влияние возраста детей и, следовательно, степени зрелости префронтальной коры на свойство пластичности зрительной установки. Эти данные позволяют выработать научно обоснованные критерии дифференцированного подхода к обучению.

Гипотеза. Степень подвижности неосознаваемой зрительной установки у детей в значительной мере зависит от уровня зрелости префронтальной коры.

Цель исследования:

Изучение мозговых механизмов формирования установки в онтогенезе. Экспериментальная проверка гипотезы о наличии связи между подвижностью когнитивной установки на зрительные стимулы и возрастом детей 5-7 и 9-10 лет, у которых, согласно литературным данным, префронтальная кора имеет разный уровень зрелости.

Задачи исследования:

Формирование в эксперименте зрительной невербальной установки у детей предшкольного возраста (5.3-6.8 лет) и учеников третьего класса 9-10 лет. невербальный зрительный когнитивный внимание

Анализ связи степени подвижности сформировавшейся у испытуемых установки с их возрастом, с целью выявления зависимости подвижности установки от, предположительно, зрелости их префронтальной коры.

Изучение функции переключения внимания, определяемой по времени двигательной реакции на пробный стимул, на разных стадиях установки - при ее формировании, актуализации и угашении. Данная задача направлена на определение субъективной сложности эксперимента для испытуемых с подвижной и ригидной установкой на отдельных ее стадиях.

Анализ спектральной мощности и функции когерентности ЭЭГ на разных стадиях установки с целью выявления мозговых механизмов ее формирования и смены, а также степени функциональной взаимосвязи корковых областей на разных стадиях установки.

Объект исследования. Дети-предшкольники двух возрастных групп (5.3-6.1 и 6.2-6.8 лет) и дети младшего школьного возраста (9-10 лет).

Предмет исследования. Особенности формирования, актуализации и угашения зрительной установки у детей-предшкольников двух возрастных групп (5.3-6.1 и 6.2-6.8 лет) и у детей младшего школьного возраста (9-10 лет). Зависимость подвижности вырабатываемой установки от возраста испытуемого. Динамика спектральной мощности и функции когерентности ЭЭГ в альфа-диапазоне по стадиям установки.

Научная новизна исследования. Впервые показано, что подвижность формирующейся у детей зрительной установки зависит от возраста. У детей в возрасте 9-10 лет формируется более подвижная установка, чем у предшкольников 5.3-6.8 лет. Внутри последней группы также наблюдается зависимость подвижности установки от возраста - у детей 6.2-6.8 лет формируется более подвижная установка, чем у детей в возрасте 5.3-6.1 года.

Теоретическая значимость исследования состоит в выявлении связи между возрастом ребенка и степенью подвижности формируемой у него неосознаваемой установки. Показано, что у детей старше 6-ти лет, с предположительно более зрелой префронтальной корой формируется более подвижная установка, т.е. ее смена на новую установку, актуальную изменившимся стимулам, происходит быстрее. Наши данные говорят о том, степень подвижности формирующейся у детей установки зависит от их возраста и от того, как изменяются у них функциональное состояние мозга и уровень взаимодействий между корковыми областями при формировании установки. Анализировались значения спектральной мощности и функции когерентности в альфа-диапазоне и динамика времени реакции на пробный стимул, зависящего от сложности оценки испытуемым зрительных стимулов, предъявляемых при выработке и тестировании установки. На основании этого анализа было показано, что у испытуемых с ригидной установкой, даже после прекращения ее непосредственного эффекта, сформировавшееся в результате нее внутреннее состояние усложняет выполнение когнитивного задания.

Практическая значимость исследования. Полученные нами данные о различиях в степени подвижности неосознаваемой установки у детей разного возраста свидетельствуют о необходимости дифференцированного подхода к школьному и предшкольному обучению. При составлении учебного плана для детей в том возрастном периоде, когда лобная и, в частности, префронтальная кора еще недостаточно зрелая, чтобы в полной мере осуществлять контроль над высшими когнитивными функциями, необходимо учитывать тот факт, что дети с ригидной установкой могут тяжелее переключаться с выполнения одного задания на другое. С другой стороны, следует учитывать и то обстоятельство, что формирование установки может иметь как положительные, так и отрицательные последствия для осуществления текущей когнитивной деятельности, в зависимости от ее характера. Полученные нами результаты могут помочь педагогам в составлении учебных планов, в большей степени адаптированных к способностям учащихся.

Положения, выносимые на защиту:

Смена установки зависит от возраста ребенка и степени зрелости лобной коры. После 6-ти лет смена установки происходит быстрее.

При исследовании нейрофизиологических механизмов формирования и смены зрительной установки выявлена связь ее подвижности с функцией переключения избирательного внимания и с пространственной синхронизацией корковых потенциалов альфа-диапазона.

Апробация работы. Результаты исследования были доложены: на Конференции молодых ученых в Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН (Москва, октябрь 2004), на Конференции молодых ученых в Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН (Москва, октябрь 2005), на Conference on Neural Control of Behavior: Convergent Principles from Divergent Model Systems. University of California in Los Angeles (Лос-Анжелес, февраль 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 7 работ.

Структура и объем диссертации. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов. Содержит 6 таблиц и 21 рисунок. Библиографический указатель включает 166 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Объект и методы исследования.

Испытуемые. Исследовано 73 здоровых мальчиков и девочек: 30 детей в возрасте от 5.3 лет до 6.8 лет (15 мальчиков и 15 девочек, средний возраст 6.0 + 0.07 лет), учащихся прогимназии № 1268. г. Москвы, и 43 ребенка в возрасте от 8.7 лет до 10 лет (21 мальчик, 22 девочки, средний возраст 9.2 + 0.05 лет), учеников 3 класса школы-гимназии № 710 г. Москвы. Все испытуемые были здоровыми, праворукими детьми с нормальным или корректированным зрением. Никто из них ранее в экспериментах с установкой не участвовал.

Предварительно испытуемых знакомили с характером исследования, и экспериментатор убеждался, что ребенку понятна полученная им инструкция, он в состоянии и согласен ее выполнять и понимает, что ему не будет причинено никаких неприятностей. Для этого ему заранее несколько раз показывали отдельные стимулы на том же экране, на котором они впоследствии предъявлялись во время опыта. Кроме того, испытуемого предварительно обучали нажимать на кнопку, расположенную на пульте в его правой руке так, чтобы при этом он научился не совершать лишних движений и количество мышечных артефактов было сведено к минимуму. Все испытуемые участвовали в эксперименте добровольно, без принуждения. Руководство школы, родители и педагоги были подробно информированы о характере экспериментов и убедились, что они не могут оказать на организм ребенка вредного воздействия.

Стимулы. Стимулы предъявлялись в центре монитора SVGA (Самсунг, Корея), который находился прямо перед испытуемым на расстоянии 70 см от его глаз. Для формирования установки на неравенство объектов были использованы изображения двух окружностей зеленого цвета (значение цветовой константы в режиме ”Graph” - 10) на темно-сером фоне, предъявляемые одновременно: слева от центра экрана - окружность диаметром 15 мм, справа - 30 мм. Расстояние между центрами окружностей - 45 мм, толщина линий - 1 мм. Длительность экспозиции составляла 200 мс. Затем, после паузы в 800 мс в центре экрана появлялось световое пятно зеленого цвета диаметром 3 мм (пробный стимул).

Процедура исследования. Испытуемый находился перед монитором в кресле в затемненной (уровень освещенности около глаз испытуемого составлял 1 люкс) и экранированной кабине. Непосредственно перед началом эксперимента он получал следующую инструкцию: "Сиди спокойно. Положи палец правой руки на кнопку. Смотри на экран. На нем появится слово "СТАРТ", извещающее о начале исследования. После этого в центре экрана появится зеленая точка. Смотри на точку. Будь внимателен. В центре экрана на короткое время появятся две окружности. Ты должен определить: какая из них, левая или правая, больше. Изображения окружностей погаснут, и затем появится точка в центре экрана. В ответ на ее появление ты должен как можно быстрее нажать на кнопку и после этого сказать, какая из двух увиденных тобой окружностей больше или же они равны. Говори только одно слово: “справа” - если больше правая окружность; “слева” - если больше левая окружность; “равны” - если окружности одного размера". После предъявления инструкции экспериментатор убеждался, что она понята ребенком, и он готов ее выполнять.

На стадии формирования установки испытуемым 15 раз предъявляли неравные окружности, а на следующей без перерыва тестирующей стадии - 30 раз окружности одинакового размера (30 мм). Во всех пробах, вслед за предъявлением окружностей, после паузы в 800 мс, предъявлялся пробный стимул, не связанный с задачей оценки соотносительной величины окружностей (рис. 1). Паузы между комплексами стимулов составляли от 3 до 7 с и менялись в случайном порядке.

Рис. 1. Стимулы, предъявлявшиеся испытуемым на стадиях формирования и тестирования установки.

Аппаратура, регистрация и анализ данных.

Управление экспериментом, регистрация скрытого периода двигательной реакции и запись ЭЭГ проводились с помощью компьютера IBM на базе процессора "Pentium 1". Речевые ответы фиксировал экспериментатор в протоколе опыта.

В результате многократного предъявления неравных окружностей практически у всех испытуемых вырабатывалась зрительная установка. Она проявлялась в том, что в течение определенного числа проб на стадии тестирования установки он видел неравные окружности, хотя в действительности они были равны, и говорил об этом экспериментатору. При этом бУльшую окружность испытуемый видел слева, т.е. на том месте, где на стадии формирования установки предъявлялась окружность меньшего диаметра. Данный феномен называется "контрастной иллюзией". Соответственно, стадия тестирования установки делилась на стадию ее актуализации, в течение которой регистрировались контрастные иллюзии, и стадию ее угашения, в течение которой контрастные иллюзии уже не регистрировались, и испытуемый правильно отвечал, что окружности равны.

В отдельных случаях наблюдались так называемые "симулятивные иллюзии" - когда на стадии тестирования установки испытуемый видел меньший круг слева, т.е. там, где на стадии ее тестирования предъявлялся меньший круг. В таком случае он продолжал отвечать, что большая окружность находится справа. Количество таких проб было небольшим (не больше одной пробы на испытуемого), и они исключались из дальнейшего анализа.

Мы делили испытуемых на тех, у кого сформировалась ригидная установка, и на тех, у которых сформировалась подвижная установка. Если число контрастных иллюзий при восприятии соотносительной величины окружностей на стадии тестирования установки было не больше 5, установка считалась подвижной, в противном случае - ригидной. Это деление испытуемых на группы согласно степени ригидности/подвижности установки, принятое в школе Д.Н. Узнадзе, является условным, однако результаты исследований установки типа Einstellung показали, что оно оправдано, а именно, испытуемые, поделенные на группы таким образом, достоверно различаются по своим когнитивным способностям и характеристикам корковой электрической активности (Костандов Э.А., 1997).

Регистрируя время двигательной реакции на пробный стимул, не связанный с основной когнитивной задачей, мы могли судить о длительности скрытого периода реакции и о скорости переключения испытуемого с задачи оценки соотносительной величины окружностей на выполнение этой двигательной реакции. Тем самым мы могли судить о величине так называемого "психологического рефрактерного периода", зависящего от субъективной сложности оценки соотносительной величины окружностей. По величине дисперсии времени реакции мы судили о степени нестабильности внимания на разных стадиях установки. Анализ времени двигательной реакции на пробный стимул проводился отдельно для тех испытуемых, у которых сформировалась подвижная установка, и для тех, у которых установка была ригидной.

Усиление и фильтрация ЭЭГ осуществлялись с помощью усилителей MBA-32 (“Медикор”, Венгрия), полоса пропускания - 0.5-30 Гц. Оцифровка сигнала осуществлялась АЦП L780 ("Л-Кард", Россия), разрядность - 14 бит, частота дискретизации - 128 Гц. ЭЭГ регистрировалась с помощью хлорсеребряных электродов (“Медикор”, Венгрия). При этом сопротивление в месте соприкосновения электродов с кожей головы было не более 5 кОм.

Для регистрации ЭЭГ использовалась программа "in780", написанная на основании библиотеки файлов, предоставленной разработчиками АЦП ("Л-Кард", Россия).

Биоэлектрическая активность мозга отводилась от симметричных точек черепа, проецирующихся на 6 областей коры левого и правого полушарий: затылочной (О1, О2), теменной (P3, P4), задневисочной (Т5, T6), центральной (С3, C4), лобной (F3, F4) и задне-лобной (F7, F8), в соответствии с международной схемой "10-20%". Отведение ЭЭГ было монополярным, в качестве референтного использовался объединенный ушной электрод.

ЭЭГ регистрировалась в состоянии спокойного бодрствования с закрытыми и открытыми глазами перед экспериментом, при формировании установки, ее актуализации и угашении, а также в состоянии спокойного бодрствования с закрытыми глазами после эксперимента.

Статистическая обработка результатов по величине времени реакции на пробный стимул, ее дисперсии и по количеству зрительных иллюзий на стадии тестирования установки проводилась в программе STATISTICA. Использовался критерий ч2 Пирсона, дисперсионный анализ ANOVA, а также критерии Стьюдента и Манна-Уитни.

Спектральный и когерентный анализ электроэнцефалографических данных проводился только для группы предшкольников. Электроэнцефалографические данные анализировались отдельно для испытуемых-предшкольников с подвижной и ригидной установкой и отдельно - для младшей (5.3-6.1 лет) и старшей (6.2-6.8 лет) групп предшкольников. Таким образом, нами проводилось два независимых друг от друга сравнения групп предшкольников - по возрасту и по степени подвижности установки.

При вычислении спектральной мощности в ситуации спокойного бодрствования (далее - фон) анализировались шесть восьмисекундных отрезков ЭЭГ, на остальных стадиях эксперимента - трехсекундные отрезки ЭЭГ перед предъявлением каждого стимула.

Для каждого отрезка записи ЭЭГ с шагом в 0.5 Гц вычислялись ненормированные спектры с использованием преобразования Фурье. Для этого вычисления использовалась авторская программ М.К.Козлова. Для каждого испытуемого спектры усреднялись по стадиям установки. Поскольку на стадии выработки установки предъявляли 15 неравных окружностей, число усредненных эпох анализа было равно 15 для каждого испытуемого. Стадия тестирования установки включала в себя стадии ее актуализации (когда испытуемый давал неправильные ответы о соотношении величин предъявляемых окружностей) и угашения (когда испытуемый давал правильные ответы о соотношении величин предъявляемых окружностей). Таким образом, на стадиях актуализации и угашения установки число усредненных эпох анализа было индивидуальным для каждого испытуемого и зависело от количества правильных и неправильных ответов. Например, если испытуемый отвечал, что окружности неравные, на протяжении 7 проб на стадии тестирования установки, а затем отвечал, что они равны, то для этого испытуемого число усредненных эпох анализа на стадии актуализации установки было равно 7, а на стадии ее угашения - 23.

Спектры, усредненные по стадиям установки для каждого испытуемого, повторно усредняли по группам с ригидной и подвижной установкой и по двум возрастным группам предшкольников - младшей (5.3-6.1 лет) и старшей (6.2-6.8 лет). В полученных спектрах находили максимумы функции спектральной мощности в диапазоне альфа-ритма (7-13). Подобное ограничение исследуемого диапазона объясняется тем, что согласно литературным данным (Фарбер, Алферова, 1972), у детей предшкольного и младшего школьного возраста граница альфа-диапазона ЭЭГ сдвинуты в более низкочастотную область, чем у взрослых испытуемых. Спектральные характеристики обрабатывали с помощью дисперсионного анализа ANOVA (Repeated Measures) в программе STATISTICA. Оценивали влияние факторов "стадия" установки (3 уровня), "возраст" испытуемого (2 уровня), "пластичность" установки (ригидная или подвижная установка сформировалась у испытуемого, 2 уровня), "отведение" (12 уровней), "полушарие" (2 уровня), а также взаимодействия этих факторов.

Для каждого исследованного отведения ЭЭГ проводилось сравнение средних значений максимумов спектральной мощности в диапазоне альфа-ритма у предшкольников двух возрастных групп и двух групп с разной степенью подвижности установки. Кроме того, проводилось постадийное сравнение этих же значений внутри каждой исследованной группы между стадиями опыта. Из средних значений максимумов спектральной мощности на стадиях формирования, актуализации и угашения установки вычитались эти же значения, полученные, соответственно, при записи фона с открытыми глазами, на стадиях формирования и актуализации установки. Для определения уровня значимости получившейся разницы использовался критерий Манн-Уитни. В случаях, когда уровень значимости был меньше 0.05, результаты считались достоверными.

На основании преобразования Фурье для безартефактных записей ЭЭГ, сделанных в состоянии спокойного бодрствования с закрытыми и открытыми глазами, а также для отрезков предстимульной ЭЭГ длинной по 2 секунды с шагом в 1 Гц вычислялась функция когерентности (КОГ) по всем возможным парам отведений. Для данного вычисления использовалась авторская программа сотрудника Института ВНД М.К.Козлова. Для приближения распределения значений КОГ к нормальному проводилось Z-преобразование Фишера. По каждому испытуемому усреднялись показатели КОГ отрезков ЭЭГ, регистрируемых на каждой из стадий эксперимента. Выделялись максимумы усредненных КОГ в частотном диапазоне альфа-ритма. Если у функции в данном диапазоне было несколько пиков, то среди них выбирался наибольший. Для дальнейшего анализа использовались величины максимумов КОГ, превышающие 0.35. Это ограничение необходимо для процедуры их статистической оценки (Бендатт, Пирсол, 1984).

Статистическая обработка проводилась с помощью дисперсионного анализа RM ANOVA (метод повторных измерений) в программе SPSS. Анализировались максимальные значения КОГ диапазона альфа-ритма во всех возможных парах отведений. В качестве внутрииндивидуального (within-subjects) фактора использовалась "стадия" эксперимента (5 уровней); в качестве межиндивидуальных (between-subjects) факторов - "возраст" испытуемого (2 уровня) и "пластичность" установки (2 уровня).

Наряду с дисперсионным анализом оценивалось распределение изменений параметров КОГ по областям отведения ЭЭГ. Для максимумов КОГ по всем парам отведений для всех экспериментальных ситуаций вычислялись 5%-ные доверительные интервалы (Бендатт, Пирсол, 1984). Проводилось сравнение параметров КОГ в фоне с закрытыми глазами с параметрами КОГ в остальных экспериментальных ситуациях. Оно проводилось методом вычитания из значений функции КОГ на каждой из стадий эксперимента значений функции КОГ при записи фона с закрытыми глазами. Если доверительные интервалы для соответствующих пар отведений не перекрывались (т.е. если нижняя граница доверительного интервала для большего из пары значений оказывалась выше, чем верхняя граница доверительного интервала для меньшего из пары значений) то считалось, что имеется значимое изменение исследуемого параметра КОГ в той или иной экспериментальной стадии по сравнению с фоном. Результаты сравнения отображались на картах-схемах. При этом если в фоне величина параметра была меньше, то на карте-схеме, которая соответствует той или иной стадии эксперимента, между данной парой отведений проводилась сплошная линия, а в противном случае проводилась пунктирная линия. Уровень значимости отображенных таким образом изменений функции КОГ был p<0.05. Для вышеописанного вычисления использовалась авторская программа сотрудника Института ВНД Е.А.Чермушкина.

Результаты.

Подвижность зрительной установки и возраст. Подвижность установки и величина времени реакции на пробный стимул.

Мы судили о формировании установки у испытуемых по наличию у них иллюзорного восприятия зрительных стимулов. У подавляющего большинства испытуемых-предшкольников (n=27, возраст от 5.3 до 6.8 лет) и учеников 3-го класса (n=42, возраст от 9 до 10 лет) выработалась неосознаваемая зрительная установка на восприятие величины окружностей. На стадии тестирования установки, когда им предъявлялись равные окружности, они давали отчет о том, что большая окружность находится слева - там, где на стадии формирования находилась меньшая окружность.Эти контрастные зрительные иллюзии наблюдались у испытуемых в течение определенного числа предъявлений на тестирующей стадии, причем у некоторых испытуемых они сохранялись до самого конца эксперимента (рис.2). У трех из исследованных испытуемых-предшкольников и у одного испытуемого-третьеклассника на стадии тестирования установки не наблюдалось зрительных иллюзий, и они давали правильный отчет о величине окружностей в течение всего эксперимента. Эти дети были включены в число испытуемых, у которых выработалась подвижная установка.

Рис.2. Нормированная гистограмма, отражающая распределение предшкольников и учеников 3-го класса по числу проб, с контрастными иллюзиями. По вертикали - число испытуемых; по горизонтали - число проб с контрастными иллюзиями (бин - 5).

У всей группы испытуемых-предшкольников была определена медиана по возрасту. Она практически совпала с возрастом 6-ти лет, в котором происходит упоминавшийся ранее скачок в созревании префронтальной коры. В результате предшкольники разделились на две возрастные группы - младшую (5.3 - 6.1 лет) и старшую (6.2 - 6.8 лет). В младшую возрастную группу попало 14 испытуемых, в старшую - 16 испытуемых. Испытуемым младшей возрастной группы для угашения и смены старой установки на новую, адекватную изменившимся стимулам, понадобилось на стадии тестирования установки 15.9+3.3 пробы с предъявлением новых стимулов. Испытуемым старшей возрастной группы для смены установки понадобилось 8.0+2.7 пробы с новыми стимулами. Эта разница между двумя возрастными группами в необходимом для смены установки числе проб с новыми стимулами значима по критерию Манна-Уитни (U=63.0; p<0.04). Таким образом, можно говорить о наличии достоверной связи между возрастом испытуемых и длительностью, т.е. подвижностью, сформировавшейся у них зрительной установки. У испытуемых старшей возрастной группы формировалась более подвижная установка, чем у испытуемых младшей возрастной группы.

У детей в возрасте 9-10 лет установка была достоверно более подвижной, чем у предшкольников (ч2=14.1, p<0.004). Для ее угашения им понадобилось в среднем 9.1+0.9 проб с новыми стимулами.

Величина времени реакции на пробный стимул, а также дисперсия этой величины зависели как от подвижности сформировавшейся у испытуемого установки, так и от стадии опыта (формирование, актуализация, угашение установки) (рис.3).

Рис.3. Динамика времени реакции на пробный стимул у детей предшкольного возраста с ригидной и подвижной установкой. По вертикали - время реакции, мс; по горизонтали - стадии установки: 1 - формирование; 2 - актуализация; 3 - угашение. Сплошная линия - ригидная установка, пунктирная линия - подвижная установка.

Самые высокие значения времени реакции у всех испытуемых наблюдались на стадии актуализации установки. У испытуемых с ригидной установкой увеличение времени реакции от стадии ее формирования ко всей стадии ее тестирования (актуализация и угашение установки) было значимо (F(1.30) = 6.08; p<0.02). Однако изменения величины времени реакции от стадии актуализации к стадии угашения установки у этих испытуемых были очень малы и статистически недостоверны. Тот факт, что испытуемые начинали адекватно воспринимать предъявляемые окружности и давать правильный отчет о соотношении их размеров, в их случае практически не оказывал значимого влияния на величину времени реакции на пробный стимул.

В отличие от вышеописанной группы, у испытуемых с подвижной установкой хоть и наблюдалось увеличение времени реакции от стадии формирования установки к стадии ее актуализации, это увеличение не было статистически значимым. На стадии же угашения установки время реакции на пробный стимул у них не только значительно (F(1.26) = 11.5; p<0.003) уменьшалось по сравнению со стадией ее актуализации. Оно также было достоверно меньше по сравнению со стадией ее формирования (p<0.01 по Стьюденту).

У детей в возрасте 9-10 лет динамика величины времени реакции была практически такой же, как у предшкольников, за исключением того факта, что если у предшкольников различия в величине времени реакции между испытуемыми, сформировавшими ригидную и подвижную установку, на стадии ее угашения составили почти 200 мс, то у третьеклассников эти различия составили около 50 мс. Следовательно, уменьшение психологического "рефрактерного периода" у испытуемых с подвижной установкой по сравнению с испытуемыми, у которых сформировалась ригидная установка, наблюдавшееся во всех возрастных группах, было более выражено у предшкольников, чем у третьеклассников.

Мы исследовали время двигательной реакции как показатель состояния переключения селективного внимания с одной задачи на другую. Первая задача, когнитивная - оценка величины окружностей. Вторая - простая моторная реакция - нажатие на кнопку в ответ на предъявление фиксационной точки в центре экрана. Контекст первой задачи менялся в течение эксперимента, в то время как вторая задача оставалась абсолютно неизменной. Очевидно, что трудности, возникающие при переключении с первой задачи на вторую, зависят именно от сложности первой задачи. Чем сложнее было испытуемому оценить соотношение величин окружностей, тем больше времени требовалось на переключение селективного внимания на вторую задачу, и, соответственно, тем больше было время реакции на пробный стимул. Величина времени реакции отражала длительность так называемого психологического "рефрактерного периода". Неудивительно, что у всех испытуемых, независимо от подвижности выработанной у них установки и от их возраста, наибольшая величина времени реакции наблюдалась именно на стадии актуализации установки, когда происходило рассогласование между сформировавшейся установкой и новыми стимулами, и оценка соотношений величин окружностей была не только ошибочной (в результате чего наблюдались зрительные иллюзии), но и наиболее сложной.

Интересным является тот факт, что у испытуемых-предшкольников с ригидной установкой время реакции на пробный стимул практически не менялось от стадии ее актуализации к стадии ее угашения (рис.3). Очевидно, что в случае этих испытуемых исчезновение явных проявлений установки - контрастных зрительных иллюзий - не оказало заметного влияния на функцию селективного внимания. Сложность задачи и внутреннее психическое напряжение при этом, по-видимому, у них тоже практически не менялись. По всей видимости, в случае этих испытуемых, сформированная установка продолжает оказывать влияние на когнитивные функции даже после того, как ее непосредственный эффект прекращается.

Динамика спектральной мощности и функции когерентности корковых электрических потенциалов в диапазоне альфа-ритма на отдельных стадиях эксперимента со зрительной установкой.

В дисперсионном анализе ANOVA было показано достоверное влияние на величину спектральной мощности в диапазоне альфа-ритма некоторых из исследовавшихся факторов и их взаимодействий. Эти факторы представлены в таблице 1.

Таблица 1. Факторы и их взаимодействия, для которых было показано достоверное влияние на спектральную мощность альфа-ритма у предшкольников.

Кроме того, у всех групп предшкольников была показана достоверная депрессия альфа-ритма в состоянии спокойного бодрствования при открывании глаз, однако эти результаты не оказали влияния на результаты дисперсионного анализа ANOVA, т.к. стадии эксперимента "фон с закрытыми глазами" и "фон с открытыми глазами" были исключены из него. Что касается влияния фактора "ОТВЕДЕНИЕ", то, как и ожидалось, самые высокие значения СПМ альфа-ритма как в состоянии спокойного бодрствования, так и при деятельности, у всех групп детей наблюдались в затылочных отведениях.

Высокая достоверность влияния на спектральную мощность взаимодействия факторов "СТАДИЯ * ОТВЕДЕНИЕ * ВОЗРАСТ" отображена на рис. 4.

А. Младшая возрастная группа

Б. Старшая возрастная группа

Рис.4. Достоверные изменения величины СПМ альфа-ритма по стадиям установки у испытуемых-предшкольников двух возрастных групп. Увеличение СПМ по сравнению с предыдущей стадией обозначено стрелкой, направленной вверх, уменьшение - стрелкой, направленной вниз. Схема отведений приведена в левом верхнем углу.

Видно, что у предшкольников двух возрастных групп наблюдалась различная динамика спектральной мощности альфа-ритма по стадиям эксперимента. У предшкольников старшей возрастной группы на стадии формирования установки наблюдались изменения спектральной мощности в лобной и затылочной областях левого полушария, а на стадии угашения установки у них наблюдалось изменение спектральной мощности альфа-ритма в теменных областях. У предшкольников младшей возрастной группы вышеуказанных изменений не наблюдалось. Мы предполагаем, что депрессия альфа-ритма в левой лобной области у старших предшкольников может быть связана с функционированием рабочей памяти (Луриа, 1969). Интересно, что при сравнении динамики спектральной мощности альфа-ритма у предшкольников с ригидной и подвижной установкой у обеих групп детей наблюдалась такая депрессия альфа-ритма. По-видимому, у младшей группы детей рабочая память в меньшей степени участвует в процессе сравнения окружностей, чем у всех остальных групп детей. Кроме того, у старших предшкольников, по-видимому, левая затылочная область в большой степени включается в анализ зрительной информации, чем у младших детей. Возможно, в силу этого у них быстрее происходит смена зрительных установок.

У предшкольников старшей возрастной группы, в отличие от младших предшкольников, наблюдалась разнонаправленная динамика альфа-ритма в теменных областях на стадии угашения установки. Этот факт может быть связан с тем, что у них в большей степени на этой стадии эксперимента в обработку информации включались теменные области, в которых, как известно (Mishkin et al., 1983; Яковлев с соавт., 1982; Глезер с соавторами, 1982) происходит анализ информации о пространственных свойствах стимула.

Что касается различий между группами предшкольников с разной степенью подвижности установки, то нами была выявлена более высокая спектральная мощность альфа-ритма у испытуемых с подвижной установкой на всех стадиях установки (наиболее ярко выраженная на стадии ее угашения), а также в фоне с открытыми и закрытыми глазами. Этот факт можно проинтерпретировать в свете данных, полученных Mechelse et al. (1975) и Fuller (1977). Они показали, что у детей, имеющих трудности в обучении, альфа-ритм в диапазоне 9.5-12.4 Гц имеет меньшую реактивность и более низкую спектральную мощность, чем у детей из контрольной группы. Можно предположить, что те дети, у которых смена установок в соответствии с меняющимися внешними условиями происходит относительно быстро, легче приспосабливаются к этим условиям, имеют более высокие когнитивные способности, более успешны в жизни, что у них выше уровень интеллекта. Соответственно, спектральная мощность их альфа-ритма выше, чем у детей с ригидной установкой. Тот факт, что у испытуемых с подвижной установкой альфа-ритм был выражен в большей степени, чем у испытуемых с ригидной установкой, особенно на стадии ее угашения, может говорить и о том, что они испытывали меньшее психическое напряжение на протяжении всего опыта, и что они в большей степени "расслабились", когда зрительные иллюзии прекратились, и процесс восприятия упростился.

При анализе функции когерентности ЭЭГ в диапазоне альфа-ритма с помощью дисперсионного анализа ANOVA также было выявлено достоверное влияние на ее величину некоторых из анализировавшихся факторов и их взаимодействий, представленных в таблице 2.

Таблица 2. Факторы и их взаимодействия, для которых было показано достоверное влияние на величину функции когерентности в диапазоне альфа-ритма у предшкольников.

Рисунок 5 иллюстрирует влияние на функцию когерентности взаимодействия факторов "СТАДИЯ*ПЛАСТИЧНОСТЬ". Видно, что у испытуемых с подвижной установкой суммарная когерентность альфа-потенциалов по всей области отведения наиболее высока на стадии актуализации установки (по сравнению со стадией ее формирования F=32.3; df=1; p<0.0001; по сравнению со стадией ее угашения F=42.2; df=1; p<0.0001).

Рис.5. Изменение усредненных по стадиям установки максимумов оценок функции когерентности ЭЭГ (КОГ) в диапазоне альфа-ритма у групп с ригидной (сплошная линия) и пластичной (пунктир) типами когнитивной установки. По вертикали - значение функции КОГ; по горизонтали - стадии эксперимента: 1 - фон при закрытых глазах, 2 - фон при открытых глазах, 3 - формирование установки, 4 - актуализация установки, 5 - угашение установки.

У испытуемых с ригидной установкой наблюдалась совершенно другая динамика функции когерентности: различия в ее уровне между стадиями формирования и актуализации установки были недостоверными (F=0.4; df=1; p<0.6), а на стадии угашения установки уровень когерентности достоверно увеличивался (F=6.8; df=1; p<0.02). Эти различия обусловили достоверность значения взаимодействия факторов "стадия опыта" и "тип установки" в дисперсионном анализе ANOVA.

Далее подробно рассмотрена топография изменений функции когерентности альфа-потенциалов на разных стадиях опыта отдельно для групп испытуемых с ригидной и подвижной установкой и для двух возрастных групп.

Мы анализировали изменение величины функции когерентности корковых потенциалов в альфа-диапазоне между всеми возможными парами отведений на следующих стадиях опыта: фон с открытыми глазами перед экспериментом, формирование, актуализация и угашение установки. Из значений функции когерентности на каждой из вышеперечисленных стадий опыта вычитались значения функции когерентности между соответствующими отведениями при записи фона с закрытыми глазами перед экспериментом. Полученные результаты представлялись на картах-схемах.

Наиболее интересные возрастные различия по динамике функции когерентности были выявлены на стадиях актуализации и угашения установки. У испытуемых старшей возрастной группы наблюдалось значительное увеличение когерентности на стадии актуализации установки (по сравнению со стадией ее формирования) и уменьшение когерентности на стадии угашения установки. Во время указанного усиления когерентных связей образовывались особенно ярко выраженные фокусы взаимосвязанной активности в левой лобно-височной и правой теменной областях, полностью исчезавшие на стадии угашения установки. У испытуемых младшей возрастной группы не наблюдалось усиления когерентных связей на стадии актуализации установки. Очевидно, что у старших предшкольников в большей степени происходила активизация мозговых ресурсов и усиление взаимодействия между корковыми областями именно на той стадии опыта, когда происходит рассогласование между сформировавшейся установкой и новыми стимулами, в результате чего наблюдаются зрительные иллюзии, и когда, следовательно, необходима согласованная работа отдельных корковых областей, чтобы "выйти" из состояния установки. Кроме того, как известно, увеличение когерентности альфа-ритма в ситуации направленного внимания (в нашем случае - во время ожидания очередного стимула на стадии актуализации установки) происходит в тех областях, которые в большей мере задействованы в предстоящей деятельности (Мачинский с соавт., 1987). По данным Н.В. Дубровинской (1988), та же тенденция характерна и для непроизвольного внимания. Также известно, что качественные изменения в созревании фронто-таламической системы избирательного внимания происходят как раз после 6-ти лет (Мачинская, Дубровинская, 1996; Мачинская, Дубровинская, 1994; Rueda et al., 2004). По всей видимости, у испытуемых старшей возрастной группы на стадии актуализации установки практически все корковые зоны были вовлечены в анализ поступающей зрительной информации, а левая лобно-височная и правая теменная области оказывали регулирующее влияние на этот процесс.

На стадии угашения установки уровень когерентности у испытуемых старшей возрастной группы значительно уменьшался, а вышеуказанные фокусы взаимосвязанной активности в левой лобной и правой теменной областях исчезали полностью. Интересно отметить, что, по мнению Е.Н. Соколова (1964), десинхронизация альфа-ритма у детей 6-8 лет с высоким уровнем познавательной деятельности может отражать распад сложившейся системы и готовность к анализу новой информации. Окружности равного размера в данной ситуации могут выступать как такая "новая информация".

У испытуемых младшей возрастной группы наблюдалось значительное усиление когерентных связей на стадии угашения установки. По-видимому, у этих испытуемых словесный отчет не отражал в полной мере процесса смены установок. Кроме того, можно предположить, что у испытуемых младшей возрастной группы после смены установок старая установка продолжает влиять на работу мозга и на процесс восприятия.

Наиболее интересные различия по динамике когерентных связей между испытуемыми, сформировавшими ригидную и подвижную установку также наблюдались на стадиях актуализации и угашения установки. У испытуемых с ригидной установкой на стадии ее актуализации наличествовала только одна когерентная связь, во многих корковых областях наблюдался распад когерентных связей, и в целом картина мало отличалась от того, что наблюдалось на стадии формирования установки. У испытуемых с подвижной установкой на этой стадии эксперимента образовывались многочисленные внутри- и межполушарные когерентные связи в обоих полушариях, с главными фокусами активности в левом лобно-височном, левом затылочном, правом лобном, правом лобно-височном и правом теменном отведениях. Такое различие в картинах когерентных связей на этой стадии эксперимента у испытуемых двух групп можно объяснить тем, что, по-видимому, у тех испытуемых, у которых выработалась подвижная установка, на стадии ее актуализации в оценку размеров стимулов включалось большее число корковых областей, и они работали более согласованно. В результате более активного участия различных корковых областей в анализе зрительной информации эффект контрастной иллюзии у испытуемых с подвижной установкой быстро прекращается. Более согласованная и активная работа коры (в том числе ее лобных областей) помогает быстрее перейти к адекватному восприятию соотношения величин предъявляемых стимулов. У испытуемых с ригидной установкой мозг во время восприятия окружностей разной величины работает менее активно и согласованно, в результате эффект установки наблюдается намного дольше.

Интересно, что участие в процессе зрительного восприятия теменной коры наблюдалось у испытуемых с подвижной установкой не только на стадии ее формирования, но и на стадиях актуализации и угашения. Как известно, в задней теменной коре находятся ассоциативные области, в которые поступают проекции т.н. "дорзального зрительного пути". По этому зрительному пути передается информация, определяющая локализацию и диспозицию внешних объектов в данный момент времени, т.е. обеспечивающая ответ на вопрос "Где?" (Mishkin et al., 1983). Ответ на этот вопрос может включать в себя и анализ соотносительной величины внешних объектов. Кроме того, известно, что теменная и теменно-затылочная области участвуют в опознании пространственных отношений между объектами (Яковлев с соавт., 1982). В.Д. Глезер с соавторами (1982) показали, что после удаления передней части теменной коры животные теряют способность оценивать размер объектов. Вышеописанное участие у испытуемых с подвижной установкой теменных областей в анализе поступающей зрительной информации также может обуславливать тот факт, что они быстрее, чем испытуемые с ригидной установкой, у которого такого участия не наблюдается, "выходят" из состояния установки.

На стадии угашения установки у детей с пластичным ее типом наблюдалось исчезновение практически всех когерентных связей. У детей с ригидной установкой, напротив, когерентные связи, по сравнению со стадией ее актуализации, несколько усиливались. Напомним, что такая же тенденция была характерна и для младшей группы испытуемых. Исходя из этого, мы сделали предположение, что у испытуемых с ригидной установкой она продолжает влиять на работу мозга и на процесс восприятия даже после смены ее на новую. На это указывают также и вышеописанные данные по времени реакции на пробный стимул, которое не уменьшалось достоверно у испытуемых с ригидной установкой на стадии ее угашения.

Обсуждение полученных результатов.

В нашем исследовании испытуемые, сформировавшие ригидную и подвижную установку, различались как по величине времени реакции на пробный стимул и дисперсии этой величины, так и по динамике спектральной мощности и функции когерентности в альфа-диапазоне. Эти различия, несмотря на несколько условное, хотя и научно обоснованное (Узнадзе, 1958) деление испытуемых на группы с подвижной и ригидной установкой, во многих случаях были достоверно значимыми, а в других выявлялись на уровне тенденции.

Из наших данных по времени реакции, величина которого, как мы считаем, отражает субъективную сложность для испытуемого задачи оценки соотносительной величины окружностей, видно, что если на стадиях формирования и актуализации установки эта задача была субъективно более сложна для испытуемых с подвижной установкой, то на стадии угашения установки она была сложнее для испытуемых с ригидной установкой. Испытуемые с подвижной установкой, субъективно воспринимая задание как более сложное, нежели испытуемые с ригидной установкой, лучше и быстрее с ним справлялись - у них смена установки на новую, адекватную предъявляемым стимулам, происходила быстрее. Испытуемым с ригидной установкой задача оценки предъявляемых окружностей представлялась более легкой, восприятие предъявляемых стимулов и принятие решения об их соотносительной величине происходило у них быстрее (судя по тому, что они быстрее переключались на выполнение двигательной реакции). По-видимому, в результате этого, смена старой, уже неактуальной установки на новую, адекватную изменившимся стимулам, у них была затруднена. Также интересно, что у испытуемых с ригидной установкой значимые изменения величины времени реакции происходили на стадии актуализации установки по сравнению со стадией ее формирования (p<0.002), т.е. возникшее в результате предъявления новых стимулов рассогласование между ними и сформированной установкой значимо усложнило для них оценку соотносительной величины этих новых стимулов. На стадии угашения установки у этих испытуемых уменьшение времени реакции было статистически незначимым, исходя из чего можно предположить, что даже исчезновение непосредственных проявлений установки - иллюзий восприятия - незначительно упрощает для этих испытуемых задачу оценки зрительных стимулов. Что же касается испытуемых с подвижной установкой, то у них значимое изменение величины времени реакции на пробный стимул происходило на стадии угашения установки по сравнению со стадией ее актуализации (p<0.003). Таким образом, можно казать, что после исчезновения эффекта установки задача оценки зрительных стимулов для них намного упростилась. Об этом говорит и бУльшая, чем у предшкольников с ригидной установкой, спектральная мощность альфа-ритма у этих детей на стадии ее угашения. Данные когерентного анализа, показавшие достоверное ослабление когерентных связей между многими корковыми областями у испытуемых с подвижной установкой на стадии ее угашения, также говорят в пользу этого предположения.