Кодирование особенностей когнитивной деятельности в ритмическом рисунке ЭЭГ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.03.01, кандидат биологических наук Роик, Анастасия Олеговна

• Роик, Анастасия Олеговна
• кандидат биологических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Роик, Анастасия Олеговна

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Типы когнитивной деятельности с точки зрения научной психологии

Когнитивная деятельность и ритмы мозга

Подходы к изучению ритмов мозга методом ЭЭГ

Исследования ритмов мозга в зависимости от вида, уровня сложности и количества предъявляемой информации

Когнитивное пространство

ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

МЕТОДИКА

Испытуемые, стимульный материал и ход эксперимента

Регистрация данных

Отбор данных и отстройка от артефактов

Вычисление спектральных характеристик ЭЭГ

Процедура вычисления индекса различия спектров мощности

Отображение когнитивных состояний на плоскость в соответствии с измеренными индексами различия между ними

Экспертная оценка степени пространственности, образности и вербальности когнитивных заданий

Разделение заданий на «трудные» и «легкие»

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Среднее время выполнения заданий

Спектры мощности, их индивидуальность и вариабельность

Индивидуальность и устойчивость спектральных паттернов

Типы спектральных паттернов

Зависимость ритмических паттернов от сенсорной модальности когнитивных стимулов

Зависимость ритмических паттернов от трудности задания

Несмешиваемость ритмических признаков пространственно-образного и вербально-логического мышления

Отображение когнитивных состояний на плоскость

Сопоставление субъективного и объективного когнитивных пространств

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Когнитивное пространство

Несмешиваемость пространственно-образного и вербально-логического мышления

Точечный и обобщенный подходы к исследованию ритмов мозга. Паттерн ЭЭГ как целостный конструкт, отражающий целостное состояние сознания

Форма констелляций когнитивных состояний - инвариант

Возможная роль центрального мю-ритма в формировании «когнитивных» ритмических паттернов

Невозможность сравнения спектров при слуховой и зрительной стимуляции путем вычисления индекса различия

Подтверждение малой зависимости ритмических паттернов от трудности задания

ВЫВОДЫ

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Рисунки к разделу «Методика»

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Рисунки к разделу «Результаты исследования»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кодирование особенностей когнитивной деятельности в ритмическом рисунке ЭЭГ»

ВВЕДЕНИЕ

Проблема изучения мышления давно вышла за рамки отдельной области научного знания, приобретя мультидисциплинарный характер. Традиционно мышление изучалось в рамках научной психологии, но большой интерес представляет психофизиологический аспект проблемы. Перспективным является изучение процессов мышления путем анализа современными компьютерными методами доступных психофизиологических показателей, в частности, параметров биоэлектрической активности мозга. К такому подходу можно отнести, например, исследования функциональной асимметрии полушарий мозга, связанной с креативностью (Разумникова, 2001; Martindale, 1999) и особенностями поиска и принятия решений (O'Boyle et al., 2002; Jung-Beeman et al., 2004).

В 1929 году австрийский психиатр Ганс Бергер впервые осуществил запись электрических потенциалов с поверхности головы человека и предложил в дальнейшем называть такую запись «электроэнцефалограмма» (Berger, 1929). Метод получил широкое признание и по сей день является одним из основных методов регистрации мозговой активности. Спустя некоторое время после первых опытов Ганса Бергера, в которых тот увидел ритм ЭЭГ частотой ~10 Гц, подавляемый открыванием глаз или мыслительным усилием, английские ученые Эдриан и Мэттьюс подробно описали «ритм Бергера» (Adrian, Mattews, 1934), предложив ныне общепринятое название «альфа-ритм». Из этой и впоследствии многих других работ (Lehman, 1980; Gath et al., 1983, Шишкин, 1997) стало ясно, что ритмы ЭЭГ обладают веретенообразным характером и весьма подвижной динамикой.

На сегодняшний день тот факт, что когнитивная деятельность человека

неразрывно связана с процессами, протекающими в центральной нервной

системе, сомнения не вызывает, равно как и тот факт, что эти процессы 4

находят свое отражение в электрической активности мозга человека. В течение XX века для анализа ЭЭГ было разработано немалое количество различных математических методов, однако до сих пор функциональное значение многих ритмов, проявляющихся во время когнитивной деятельности, остается невыясненным.

В настоящем исследовании была предпринята попытка связать ритмы мозга человека с решением пространственных, образных и вербальных когнитивных заданий, а также изобразить данные виды когнитивной деятельности на плоскости, основываясь на количественном анализе ритмов ЭЭГ, с помощью методов многомерного шкалирования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Роик, Анастасия Олеговна, 2012 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Аладжалова Н.А.(1979) Психофизиологические аспекты сверхмедленной ритмической активности головного мозга. - М.: Наука, 1979.

2. Анохин А.П. (1988) Источники индивидуальной изменчивости электроэнцефалограммы человека. Индивидуально-психологические различия и биоэлектрическая активность мозга человека. М.: Наука, 1988.

3. Бардин К.В.(1976) Проблема порогов чувствительности и психофизические методы. М.: Наука, 1976.

4. Бехтерева Н.П. (1974) Нейрофизиологические аспекты психической деятельности человека. Л.:, 1974.

5. Бехтерева, Н.П. (1966) Физиологические методы в практике Электроэнцефалография в клинике. Л.: Наука, 1966, с.293-334.

6. Бехтерева, Н.Щ1977) Мозговые коды психической деятельности. Л.:Наука, 1977, 165с.

7. Бовин Б.Г. (1988) Нейрофизиологическая модель многоальтернативного выбора и ее психологическое содержание: Дисс. канд. Психол. Наук. М. 1988.

8. Болдырева Г.Н. (2000) Электрическая активность мозга человека при поражении диэнцефальных и лимбических структур. М.: Наука, 2000.

9. Величковский Б.М.(1982) Современная когнитивная психология. М:, 1982.

10. Вундт В.(1976) Сознание и внимание. Хрестоматия по вниманию. М.:Изд-во МГУ, 1976, с. 8-14.

11. Данилова H.H. (1985) Функциональные состояния: механизмы и диагностика. М. Изд-во МГУ, 1985.

12. Забродин Ю.М., Лебедев А.Н. (1977) Психофизиология и психофизика. М.: Наука, 1977.

13. Иваницкий A.M., Стрелец В.Б., Корсаков И. А. (1984) Информационные процессы мозга и психическая деятельность. М.: Наука, 1984.

14. Измайлов Ч.А., Соколов E.H., Черноризов А.М.(1989) Психофизиология цветового зрения. М.: Изд-во МГУ, 1989. 206 с.

15. Измайлов Ч.А. Сферическая модель цветоразличения (1980). М.: Изд-во МГУ, 1980.

16. Каплан А.Я., Борисов C.B. (2003) Динамика сегментных характеристик альфа-активности ЭЭГ человека в покое и при когнитивных нагрузках. Журн.высш.нервн.деятельности. Т.53, с.22-23.

17. Князева Т.С., Лебедев А.Н., Торопова А.В.(2001) Диагностика музыкальности по электроэнцефалограмме. Психол. журн.,2001. Т.22 №6. с.87-91.

18. Лебедев А.Щ1993) Нейрофизиологические параметры памяти человека. Журн. высш. нервн. Деят., 1993. Т. 43. вып. 2. с.227-285.

19. Лебедев А.Н., Артеменко О.И., Белехов Ю.Н.(1997) Диагностика интеллектуальной одаренности по электроэнцефалограмме. Психол. обозрение, 1997, №1, с.34-38.

20. Ливанов М.Н. (1972) Пространственная организация процессов головного мозга. М.: Наука, 1972.

21. Ливанов М.Н. (1989) Пространственно-временная организация потенциалов и деятельность головного мозга. Избр.тр. М.: Наука, 1989.

22. Ливанов, М.Н. (1962) О замыкании условных связей (по материалам электрофизиологических исследований) Электрофизиологические исследования высшей нервной деятельности. М.: Наука, 1962, с. 174-180.

23. Ломов Б.Ф. (1977) О взаимосвязи психологии и физиологии в исследовании восприятия. Физиология человека. 1977, Т.З, №6, с.951-960.

24. Ломов Б.Ф., Николаев В.И., Рубахин В.Ф. (1976) Некоторые вопросы применения математики в психологии. Психология и математика. М.: Наука, 1976, с.6-43.

25. Мачинская Р.И., Мачинский Н.О. (1984) ЭЭГ-исследование функциональной организации правого и левого полушарий при решении вербальных и пространственных задач. Журн.высш.нервн.деят.,1984, Т.34, №3, с.412-420.

26. Николаев А.Щ1997) Частотные диапазоны ЭЭГ при восприятии и мысленной ротации дву- и трехмерных объектов. Журн. высш.нервн.деят. 1997, Т.47, №5,с. 908-917.

27. Николаев А.Р., Анохин А.П., Иваницкий Г.А., Кашеварова О.Д., Иваницкий A.M. (1996) Спектральные перестройки ЭЭГ и организация корковых связей при пространственном и вербальном мышлении. Журн.высш.нервн.деят 1996, Т 46, №5, с.831-848.

28. Павлова Л.П., Романенко А.Ф. (1982) Системный подход к психофизиологическому исследованию мозга человека. Л.: Наука, 1988.

29. Палей А.И. (1982) Модальностная структура эмоциональности и когнитивный стиль. Вопросы психологии, 1982,№1.

30. Разумникова О.М. (2001) Особенности пространственной организации ЭЭГ в зависимости от характеристик темперамента. Физиология человека. 2001, Т. 27, №4, с.31-41.

31. Русалов В.М., Русалова М.Н., Калашникова И.Г. и др. (1993) Биоэлектрическая активность мозга человека у представителей различных типов темперамента//Журн.высш.нервн.деят., 1993, Т. 43, №. 3, с.530.

32. Свидерская Н.Е. (1987) Пространственная организация электрической активности мозга и психические процессы. М: Наука, 1987.

33. Свидерская Н.Е. (1987) Синхронная электрическая активность мозга и психические процессы. М.: Наука, 1987.

34. Свидерская Н.Е., Прудников В.Н., Антонов А.Г. (2001) Особенности ЭЭГ-признаков тревожности у человека. Журн.высш.нервн.деят. Т.51,№2, с. 15-21.

35. Свидерская, Н.Е, Королькова Т.А. (1996) Влияние свойств нервной системы и темперамента на пространственную организацию ЭЭГ. Журн. высш. нервн. деят. Т. 46, №.5, с 849.

36. Сергиенко Е.А. (2003) Когнитивное развитие. Психология XXI века. Под ред. В.Н. Дружинина. М.: PerSe, 2003. с.526-570.

37. Симонов П.В. (1981) Эмоциональный мозг. М.: Наука, 1981.

38. Соколов E.H. (1962) Природа фоновой ритмики коры больших полушарий. Основные вопросы электрофизиологии центральной нервной системы. Киев, 1962, с. 157-188.

39. Сомьен, Дж. (1975) Кодирование сенсорной информации в нервной системе млекопитающих. М.: Мир, 1975.- 415с.

40. Солсо Р. (2002) Когнитивная психология, СПб: Питер, 2006.

41. Сухо дольский Г.В.(1997) Математическая психология. Спб.: Изд-во СПГУ, 1997.

42. Терехина А.Ю. (1983) Многомерное шкалирование в психологии. Психол. Журн. 1983. Т.4, №1. с.77-88.

43. Шеповальников, А.Н. (1979) Формирование биопотенциального поля мозга человека. JL: Наука, 1979, 163с.

44. Шишкин C.JL, Бродский Б.Е., Дарховский Б.С., Каплан А.Я. (1997) ЭЭГ как нестационарный сигнал: подход к анализу на основе непараметрической статистики. Физиология человека. 1997, Т.23, №4, с.124-126.

45. Фингелькурц Ан. А., Фингелькурц Ал. А., Ивашко P.M., Каплан А .Я. (1998) Электроэнцефалографический анализ операциональной синхронизации корковых образований головного мозга у человека при мнестической деятельности Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 16. Биология. № 1, с. 311.

76

46. Яковенко, И. А. (1996) Сопоставление перестроек пространственно-временной организации потенциалов коры больших полушарий мозга человека с частотными характеристиками ЭЭГ при решении когнитивной задачи. Журн.высш.нервн. деят. 1996, Т.46, №3, с.469-478.

47. Adrian E.D., Matthews В.Н.С. (1934) The Berger rhythm: potential changes from occipital lobes in man. Brain. 1934, V. 57, N 2, p.355-385.

48. Adrian, E.D. (1934) The interpretation of potential waves in the cortex. J.Physiol. 1934, Vol.81, p.440-471.

49. Aftanas, L.I., Golocheikine, S.A., (2001) Human anterior and frontal midline theta and lower alpha reflect emotionally positive states and internalized attention: high-resolution EEG investigation of meditation. Neurosci. Lett. Vol. 310, p.57-60.

50. Andersen P., Andersson S.A. (1968) Physiological Basis of the Alpha Rhythm. Appleton-Century-Crofts, NY, 1968.

51. Basar E. (1980) EEG-Brain Dynamics. Relations between EEG and brain evoked potentials. Amsterdam: Elsevier, 1980.

52. Basar E., Schurmann M. (1996) Alpha rhythms in the brain: functional correlates. News in Physiol. Sci. 1996, V. 11, p. 90-96.

53. Carlson S., Martinkauppi S., Rama P., Salli E., Korvenoja A., Aronen H.J. (1998) Distribution of cortical activation during visuospatial n-back tasks as revealed by functional magnetic resonance imaging. Cerebral Cortex. Vol.8, p.743-752.

54. Coull J.T and Frith C.D (1998) Differential activation of right superior parietal cortex and intraparietal sulcus by spatial and nonspatial attention. Neuroimage Vol., p.176-187.

55. Davidson R.J., (1998). Affective style and affective disorders perspectives from affective neuroscience. Cognit. Emot.Vol. 12, p.307-330.

56. Doppelmayr, M., Klimesch, W., Schwaiger, J., Auinger, P.,Winkler, T., (1998b) Theta synchronization in the human EEG and episodic retrieval. Neurosci. Lett. 257, p.41-44.

57. Doppelmayr, M., Klimesch, W., Sauseng, P., Hodlmoser, K., Stadler, W., & Hanslmayr, S.(2005) Intelligence related differences in EEG-bandpower. Neuroscience Letters, 381, p.309-313.

58. Earle J.B. (1988) Task difficulty and EEG alpha asymmetry. An amplitude and frequency analysis: Review. Neuropsychobiol. 1988, V.20, N2, p.96-112.

59. Fernandez T., Harmony T., Rodriguez M., Bernal J., Silva J., Reyes A., Marosi E. (1995) EEG activation patterns during the performance of tasks involving different components of mental calculation. Electroencephalogr. clin. Neurophysiol. 1995, V.94, N3, p.175-182.

60. Ford J.M., Mathalon D.H. (2004) Schizophrenia and hallucinations: evidence from event related brain potentials and functional magnetic resonance imaging. Int. J. Psychophysiol. V. 54, p. 3.

61. Gale A. ( 1983) Electroencephalograph^ correlates of extraversionintroversion. Psychophysiology 1980: Memory, motivation and event-related potentials in mental operation. Eds. R. Sinz, M. Rosenzweig. Amsterdam: Elsevier, 1983

62. Gath I., Lehmann D., Bar-On E. (1983) Fuzzy clustering of the EEG signal and vigilance performance. Intern. J. Neuroscience. 1983, V.20, N3-4. p.303-312.

63. Gevins A., Leong H., Smith M.E., Le J., Du R.( 1995) Mapping cognitive brain function with modern high-resolution electroencephalography. Trends Neurosci. 1995, V.18, p.429-436.

64. Giannitrapani D. (1985) The electrophysiology of intellectual function. Basel, 1985.

65. Giesler C.D. (1961) The surface EEG in relation to its sources. EEG a

Clin. Neurophysiol. 1961, V.13, N 6, p.927. 78

66. Haenshel C. (2000) Gamma and beta frequency oscillations in response to novel cognitive auditory stimuli: A comparison of human electroencephalogram. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2000,V.97, p.7645-7650.

67. Hunt E. (1980). Intelligence as an information processing concept //. Brit. J. of Psychology. V. 71, p.449-474.

68. Jausovec, N. (2000). Differences in cognitive processes between gifted, intelligent, creative, and average individuals while solving complex problems: aEEG study. Intelligence, 28, p.213-237

69. Jung-Beeman M, Bowden EM, Haberman J, Frymiare JL, Arambel-Liu S, Greenblatt R, Reber PJ, Kounios (2004) Neural activity when people solve verbal problems with insight. J.PLoS Biol. 2004 Apr;2(4):E97.

70. Kaplan A.Ya., Byeon J-G., Lim J-J., Jin K-S., Park B-W. (2005) Unconscious operant conditioning in the paradigm of brain-computer interface based on color perception. Intern. J. Neuroscience. V. 115, p. 781-802.

71. Kiroy V.N., Burikov A., Litvinenko S. (1996) Contex-Dependent Analysis of the Human EEG. J.Sleep res. 1996, V.5, Suppl.l, 1996.

72. Klimesch W., Schimke H., Ladurner G., Pfurtscheller G. (1990) Alpha frequency and memory performance. J. Psychophysiol. 1990, V.4, N4, p.381-390.

73. Klimesch, W., (1999). EEG alpha and theta oscillations reflect cognitive and memory performance: a review and analysis.Brain Res. Brain Res. Rev. 29, p.169-195.

74. Krause, C.M., Viemero, V., Rosenqvist, A., Sillanmaki, L.,Astrom, T., (2000). Relative electroencephalographic desynchronization and synchronization in humans to emotional film content: an analysis of the 4-6, 6-8, 8-10 and 10-12 Hz frequency bands. Neurosci. Lett. 286, p.9-12.

75. Lebedev A.N., Artemenko O.I., Anochin A.P. (1995) In search of EEG indices of mental abilities. Phenomena and architectures of Cognitive Dynamics: Symposium devoted to Ernst Heinrich Weber. Abstract. Leipzig: Leipzig University, 1995. P.20.

76. Lehmann D. (1980) Fluctuation of functional state: EEG patterns, and perceptual and cognitive strategies. Functional states of the brain: their determinants. Elsevier: Amsterdam. 1980, p. 189-202.

77. Lopes da Silva F.H., van Lierop T.H.M.T., Schrijer C.F.M., Storm van Leeuwen W. (1973) Organization of thalamic and cortical alpha rhythm: spectra and coherences. Electroenceph. clin. Neurophys. 1973a, V.35, p.627-639.

78. Martindale C. (1999) Biological bases of creativity. In: Sternberg, R. (Ed.), Handbook Of Creativity. University Press, Cambridge, p. 13 7-152.

79. Martinson D.M. (1939) A study of brain potentials during mental blocking. J. of Experimental Psychol. 1939, V.24, p. 143-156.

80. Molle, M., Marshall, L., Pietrowsky, R., Lutzenberger, W., Fehm, H. L., &Born, J. (1996). Enhanced dynamic complexity in the human EEG during creative thinking. Neuroscience Letters, 208, p. 1-4.

81. Niedermeyer N. (1997) Alpha rhythms as physiological and abnormal phenomena. Int. J. Psychophysiol. V. 26, p. 31-49.

82. O'Boyle, Edward J. (2002) An Ethical Decision-Making Process for Computing Professionals Ethics and Information Technology. 4 (2002) p.267-277.

83. Petsche H., Rappelsberger P. (1992) Is there any message hidden in the human EEG? Induced Rhythms in the Brain. Boston: Birkhauser, 1992. -p.103-116.

84. Pfurtscheller G., Klimesch W. (1992) Event-related synchronization and desynchronization of alpha and beta waves in cognitive tasks. In: Basar E., Bullock T.H. (Eds). Induced rhythms in the brain. Birkhauser, Boston, 1992.

85. Pfurtscheller G., Flotzinger D., Mohl W., Peltoranta M. (1992) Prediction of the side of hand movements from single trial multi-channel EEG data using neural networks. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. V. 82, p. 313-315.

86. Pfurtscheller G., Neuper Ch., Andrew C., Edlinger G. (1997) Foot and hand area mu rhythms. Int. J. Psychophys. V. 26, p. 121-135.

87. Pfurtscheller G., Lopes da Silva F.H. (1999) Event-related EEG/MEG synchronization and desynchronization: basic principles. Clin. Neurophysiol. V. 110, p. 1842-1857.

88. Pitts W., McCulloch W.S. (1947) How we know universals: the perception of auditory and visual forms. Bull. Math. Biophys. V.9, p. 127-147.

89. Ray W.J., Cole H.W. (1985) EEG alpha activity reflects attentional demands, and beta activity reflects emotional and cognitive processes. Science. 1985, V.228. p.750-752.

90. Rougeul-Buser A., Buser P. (1997) Rhythms in the alpha band in cats and their behavioral correlates. Int. J. Psychophysiol. V. 26, p. 191-203.

91. Rugg M.D., Dickens A.M. (1982) Dissociation of alpha and theta activity as a function of verbal and visuospatial tasks. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 1982, V.53 (2), p.201-207.

92. Sammon J.W. (1969) A nonlinear mapping for data structure analysis. IEEE Trans. Comput. 1969. 18: p.401-409.

93. Sauseng P., Klimesch W. (2008) What does phase information of oscillatory brain activity tell us about cognitive processes? Neuroscience and biobehavioral reviews. 2008; 32(5).

94. Shevelev I.A., Kamenkovich V.M., Bark E.D., Verkhlutov V.M., Sharaev G. A., Mikhailova E. S. (2000) Visual illusions and travelling alpha waves produced by flicker at alpha frequency. Int. J. Psychophysiol. V.39, p.9-20.

95. Weiss, S., Rappelsberger, P. (2000) Long-range EEG synchronization during word encoding correlates with successful memory performance. Cogn. Brain Res. 9, p.299-312.

96. Weiss S., Mueller H.M., Schack B., King J.W., Kutas M., Rappelsberger P. (2005) Increased neuronal communication accompanying sentence comprehension. Int. J. Psychophysiol. V. 57, p.129-141.