Разработка полиграфа для оценки реорганизации когнитивных

В.В.Логинов, И.К.Сергеев, А.В.Курносов
Разработка полиграфа для оценки реорганизации когнитивных
процессов
Современная гуманитарная академия (СГА)
Москва
Концептуальная разработка прибора
В настоящее время в качестве базисного механизма реализации различных
когнитивных процессов головного мозга, в том числе - и реализации мнестических
функций в процессе обучения рассматривается ориентировочная реакция – ОР. Известны
критерии отнесения того или иного физиологического феномена к ОР. Главными из них
являются привыкание (habituation), экспоненциальный характер угашения ОР и
неспецифичность модальности (звук, свет, запах и т. д.) стимула, вызывающего ОР.
Запуск ОР осуществляется самым ранним и быстро угасающим активационным
компонентом ОР. Этот компонент зависит, главным образом, от физических
характеристик стимулов (интенсивность, продолжительность воздействия, спектральный
состав и пр.). Чаще всего его связывают с новизной ситуации и/или отдельного стимула и
оценивают по частоте сердечных сокращений, пневмограмме и депрессии альфа-ритма.
Активационный компонент ОР чрезвычайно важен, поскольку только при определенной
(оптимальной)
его
выраженности
возможна
реализация
таких
тонких
психофизиологических механизмов, как внимание, восприятие, оценка значимости
стимулов, фиксация прагматической информации в памяти и пр. Резкое увеличение или,
наоборот, чрезмерное снижение выраженности активационного компонента ОР
дезорганизуют или блокирует обучение и запоминание.
Протекание ОР в большей степени зависит от двух других компонентов ОР - от
эмоционально-мотивационного и когнитивного.
Эмоционально-мотивационный компонент ОР - первичный «фильтр»
поступающей информации, санкционирующий дальнейшую ее переработку в случае
эмоционально-мотивационной
значимости. Этот
компонент имеет
большую
продолжительность, чем активационный, зависит от значимостных характеристик
ситуации и/или отдельного стимула, а объективной количественной его мерой является
наличие и выраженность кожно-гальванической реакции – КГР.
Функция когнитивного компонента ОР – интегрирование переработанной
информации, оценка вероятности позитивного результата при решении новой задачи,
выбор оптимальной схемы действий, принятие решения и т. п. Этот компонент наиболее
продолжителен, реализуется, главным образом, в корково-подкорковых структурах и
оценивается объективно по амплитуде поздних (после 50 мс) волн вызванных
потенциалов – ВП (чаще всего по вертекс-потенциалу).
Структурно компоненты ОР относительно
независимы и в целом соответствуют
основным морфологическим подсистемам
головного мозга человека (см. рис. 1):
активационный
компонент
–
неспецифическая
активационная
подсистема ствола мозга, обеспечивающая
прямые неспецифические активирующие
влияния на подсистемы более высокого
уровня;
в
реализации
эмоциональномотивационного
компонента
ОР
задействованы срединные структуры мозга,
Рис.1. Локализация основных
входящие в состав круга Пейпица;
подсистем систем мозга.
1
- когнитивный компонент ОР –
главным образом корково-подкорковые
реверберационные контуры запоминания и воспроизведения информации.
Функционально активационный, эмоционально-мотивационный и когнитивный
компоненты ОР реализуются не последовательно, а с существенным перекрытием
временных периодов, отражая сложный процесс реорганизации текущей когнитивной
деятельности.
К концу 70-х годов прошлого столетия была сформулирована концепция, согласно
которой первым звеном восприятия является формирование ожидания (формирование
перцептивной гипотезы). Эту гипотезу подтверждает (или опровергает) поступающая в
процессе восприятия информация, что, в свою очередь, ведет к созданию новой гипотезы.
По Е.Н. Соколову именно в процессе habituation реализуется перцептивное
ожидание и формируется «нервная модель стимула». Она – не столько реактивное
отображение стимула, сколько формирующаяся на основании анализа его свойств
гипотеза. В дальнейшем каждый поступающий стимул сличается с этой моделью, и в
случае рассогласования возникает новая ОР, величина которой пропорциональна
величине рассогласования между вновь поступившим стимулом и моделью.
Дальнейшее развитие теории нервной модели стимула связано с определением
новизны через понятие энтропии (неопределенности), создаваемой сигналом. Новая
схема ОР предусматривала существование у субъекта не только модели стимула, но и
модели ситуации в целом. Допустим, вслед за Е.Н. Соколовым, что априорная
вероятность гипотезы A = p(A), что вероятность стимула K = p(K) и, что при наличии
гипотезы A условная вероятность стимула K = p(K/A). Тогда апостериорная вероятность
гипотезы A после поступления стимула K будет вычисляться по формуле: p(A/K) =
p(A)p(K)/p(K). Из полученной величины количество энтропии выводится по известной
формуле: H = -p.log p.
Отсюда следует, что величина ОР пропорциональна величине неопределенности
т.е:
OР = n[H (A/K) – a]
где а – «порог новизны». ОР, следовательно, представляет собой информационный
регулятор, «включающийся при возникновении неопределенности и работающий в
направлении получения информации, снимающей эту неопределенность». Последнее
означает, что поведение индивида развивается в континууме, на одном конце которого
находится ОР (максимальная неопределенность: вероятности всех гипотез равны), а на
другом – условная реакция (максимальная определенность: вероятность одной гипотезы
равна единице, а всех остальных – нулю). Следовательно, если условный рефлекс есть
подготовка к определенному, автоматизированному действию, то ОР есть формирование
готовности к действию при отсутствии высоковероятной модели будущего.
Таким образом представление ОР через понятие энтропии хорошо объясняет
«генерализованную» (неспецифическую) фазу ОР, при которой создаются
оптимальные условия для получения широкой информации от внешней среды.
Однако любая неселективная система, реагирующая тотально на все новые стимулы
чрезвычайно энергозатратна и биологически не состоятельна.
Научно обосновано, что чем более низкий уровень регуляции поведения
задействован при решении новой, ранее не известной задачи, тем больше энергии
тратится на двигательную активность. Самое эенергозатратное регулирование поведения
происходит на уровне неспецифической активационной подсистемы ЦНС. В чистом виде
это можно наблюдать у ланцетника - примитивного позвоночного, головной мозг
которого ограничивается недоразвитым продолговатым мозгом.
Предъявление внешних воздействий этому животному (вспышки лампы, хлопки в
ладоши, тактильные воздействия и т.д.) вызывают генерализованную, практически без
habituation, целостную поведенческую реакцию - зарывание в песок. Это примитивное
2
животное в силу недоразвитости ЦНС вынуждено одну и ту же задачу каждый раз решать
заново. Ланцетник не способен определить значимость стимулов и зафиксировать
прагматическую информацию в памяти. Отсутствие механизмов оценки значимости
воздействия, нейрофизиологического субстрата которых эволюционно еще не возникло,
приводит к существенным энергозатратам, очень быстрому утомлению всего организма и
прекращению реакции.
Представление об ОР существенно обогатило обнаружение ее полиграфической
многокомпонентности. Г.В. Гершуни отмечал резкое замедление угашения КГР и реакции
зрачка на стимул при достижении последним болевого порога. Е.Н. Соколовым
констатируется, что придание стимулу сигнального значения увеличивает амплитуду ОР и
делает ее трудно угашаемой. В связи с этим Л.П. Латаш сформулировал новую
концепцию ОР:
1. ОР возникает не на любой стимул, а только на такой, который предварительно
оценивается как биологически значимый. Иначе, мы переживали бы ОР
ежесекундно, так как новые раздражители действуют на нас постоянно.
2. Восприятие значимого стимула должно сопровождаться формированием
целостной адекватной ответной реакции. Уже наличие моторных компонентов
ОР говорит о том, что она представляет собой единство афферентных и
эфферентных механизмов. ОР, в связи с этим, понимается как организация
новых видов деятельности, в том числе и как формирование когнитивных
навыков.
3. Всякий процесс организации нового действия в том числе и когнитивного,
включает механизмы (функциональные системы) ОР.
4. Одним из важных механизмов ориентировочной деятельности является
механизм
принятия
решения,
эмоционально-мотивационного
санкционирования новой деятельности. Этот механизм является как бы
связующим звеном между ОР и системой эмоций как организаторов поведения.
5. Периферическим проявлением момента принятия решения служит КГР.
Понимание связи ОР не только с новизной, но и со значимостью отдельных
стимулов или ситуации в целом приводит к представлению о том, что в процессе ОР
происходит оптимизация энергозатрат, поскольку энергетическая цена той или иной
деятельности всегда значима.
Эволюционно возникновение ЦНС и ее развитие связано с необходимостью (с
целью энергосбережения) оптимально распределять всегда ограниченные энергетические
резервы. Энергосберегающая регуляция поведения возрастает в континууме его основных
подсистем - активационной, эмоционально-мотивационной и когнитивной. Формирование
основных подсистем головного мозга происходило исключительно с целью повышения
КПД организма.
Таким образом, с позиций современной психофизиологии, ОР отражает
перераспределение энергетического ресурса в ЦНС при переходе от:
- безусловного рефлекса к условному по И.П.Павлову;
- активного состояния к реактивному по Н.А.Бернштейну;
-генерализованной неспецифической активации к формированию «нервной модели
стимула» по Е.Н. Соколову;
- поискового поведения к стереотипному по В.С.Ротенбергу;
-«контроля, требующего усилий» - КТУ (международный термин) к формированию
когнитивных навыков;
- предметного обучения к разработке собственных способов познания (по
А.Л.Венгеру).
Перераспределение
активности
(энергетических
напряженностей)
в
активационный, эмоционально-мотивационный и собственно когнитивный
подсистемах головного мозга происходит каждый раз в периоде от запуска ОР до
3
формирования стереотипного «паттерна» активности при снятии неопределенности
в отношении новизны и значимости ситуации.
Полиграф для регистрации компонентов ОР
Для объективной оценки реорганизации когнитивных процессов головного мозга в
СГА разработан, успешно прошел испытания и валидизацию специализированный
полиграф.
Полиграф
состоит
из:
быстро
действующего
аналогово-цифрового
преобразователя, трехканального усилителя, наушников, сенсорных датчиков,
соединительных проводов, интерфейса и программного обеспечения, установленного на
ноутбуке (см. рис 2).
Пример полиграфической первичной записи ВП, КГР и ФПГ.
Рис. 2.
В представляемой версии полиграфа показателями динамики энергетического
напряжения в подсистемах головного мозга являются:
- дисперсия R-R интервалов в ФПГ (активационная подсистема);
- мощность спектра КГР (эмоционально-мотивационная подсистема);
4
выраженность ОР
- амплитуда N1-P2 компонентов ВП (вертекс-потенциала - когнитивная
подсистема).
В процессе полиграфической регистрации анализируются три экспоненты,
отражающие угашение соответствующих компонентов ОР в ответ на индифферентный
короткий звуковой тон в состоянии испытуемых, характеризующимся как спокойное
бодрствование с закрытыми глазами.
Эмпирические значения экспонент вычисляются:
- как дисперсия R-R межпиковых интервалов ФПГ за период предъявления 10
последовательных стимулов при суммации с 1 по 10, с 2 по 11, с 3 по 12 …;
- как суммарный спектр мощности КГР за период предъявления
10
последовательных стимулов при суммации с 1 по 10, с 2 по 11, с 3 по 12 …;
- как амплитуда N1-P2 компонентов вертекс-потенциала, выделенного в ответ на 10
стимулов при суммации с 1 по 10, с 2 по 11, с 3 по 12 …
Получение нормативных данных проводили на студентах различных ВУЗ-ов
города Москвы. На рисунке 3. Представлена динамика ФПГ (красная линия), КГР
(зеленая линия) и ВП (синяя линия) в процессе угасания ОР в ответ на незначимые
(индифферентные) звуковые щелчки, зарегистрированная с помощью представляемого
полиграфа у 148 испытуемых. Данные нормированы по величине первой реакции на
стимул (ордината).
1
0,95
0,9
0,85
0,8
0,75
0,7
0,65
0,6
0,55
0,5
0,45
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
порядковый номер суммации по 10 стимулов
Рис. 3. Динамика ВП (синяя линия), ФПГ (красная линия) и КГР (зеленая линия) в процессе
угашения ориентировочной реакции в ответ на незначимые (индифферентные) звуковые щелчки,
зарегистрированная с помощью комплекса «ВИГОРОС» у 148 испытуемых.
Видно, что порядковый номер суммации до полного, монотонного угашения
активационного компонента ОР (ФПГ) - 7, а относительный размах изменений равен
10%. Порядковый номер суммации до полного, монотонного угашения эмоциональномотивационного компонента ОР (КГР) – 15, а относительный размах изменений равен
55%. Монотонное угашение когнитивного компонента ОР (практически с одним и тем же
декрементом) происходит на протяжении всего периода наблюдения – в течение 30
суммаций, а относительный размах изменений в процессе угашения равен 20%.
Если провести экстраполяцию по экспоненциальной функции – получаем систему
уравнений, описывающую перераспределение энергетических напряженностей в
основных подсистемах головного мозга человека при переходе от запуска ОР до
формирования стереотипного «паттерна» активности при снятии неопределенности в
отношении новизны и значимости ситуации в состоянии спокойного бодрствования:
Таблица 1.
5
Система уравнений
Угашение ФПГ
Угашение КГР
Yфпг = 0,99e-0,017X
Yвп = 0,94e-0,005X
0,93
0,834
0,95
Yкгр = 0,92e-0,050X
Угашение ВП
0,89
0,634
0,91
0,85
0,434
0,87
1
3
5
7
0,81
1
5
9
13
1
9
17
25
Таким образом, впервые с помощью специально разработанного полиграфа
получены нормативные данные, которые могут быть использованны для
объективной и количественной оценки реорганизации когнитивных процессов при
формировании безусловного и условного рефлексов, активного и реактивного
состояний, поведенческих установок, КТУ и когнитивных навыков в процессе
обучения.
Основной предпосылкой для апробации и опытной эксплуатации полиграфа
послужило уточненное понимание пассионарности и введение нового понятия –
вигоросности.
В предыдущих исследованиях нами было обосновано, что в современных
психофизиологических, психологических и социально-психологических определениях
пассионарности скрываются два принципиально разных явления.
Одно из них носит социально-исторический характер и проявляется в наличии в
определенном месте и в определенное время заметного числа людей с особыми
качествами, сопровождается экономическими, культурными, социальными, духовными и
иными преобразованиями. Это собственно пассионарность – именно в таком понимании
она является краеугольным камнем пассионарной теории этногенеза Л.Н. Гумилева.
Другое явление характеризует энергетический потенциал конкретных людей и их
стремление к участию в пассионарном явлении, осуществлению пассионарных
преобразований, как всего этноса, так и отдельных его групп. Такие особенности
личности не обязательно приводят к пассионарности как социально-историческому
явлению, но являются необходимой предпосылкой последней.
Для того чтобы разделить эти два явления, изучить взаимосвязь между ними и
постараться научится управлять пассионарностью через отдельных ее представителей –
пассионариев, М.П. Карпенко предложил обозначить это личностное явление термином
«вигоросность». Вигоросность (от лат. vigorous – бодрый, сильный, энергичный) качество личности, характеризующееся высокой энергичностью, активностью,
стремлением к достижению цели и преодолению препятствий.
Апробацию полиграфа проводили на двух группах испытуемых, сопоставимых по
полу и возрасту, сформированных на основе специализированного опросника
вигоросности личности – ОВЛ. Тестирование с помощью ОВЛ прошли 493 студента. Из
общего числа обследованных были сформированы две полярные группы – вигоросы (10
человек) и субвигоросы (11 человек).
6
Таблица 2.
Система экспонент ОР субвигоросов
Yфпг = 0,96e0,028x
Система экспонент ОР вигоросов
Yфпг = 1,15e-0,048x
Yкгр = 0,99e-0,056х
Yкгр = 0,8e-0,023x
Yвп = 0,92e-0,0024х
Yвп = 0,92e-0,005х
Угашение ФПГ
Угашение КГР
Угашение ВП
0,06
12000
34
0,05
9000
31
0,04
6000
28
0,03
3000
25
1
3
5
7
1
5
9
13
1
9
17 25
Рис. 4.
В таблице 2 представлены системы экспонент, отражающие habituation компонентов
ОР вигоросов (синий цвет) и субвигоросов (красный). На рис. 4. графически изображены
результаты сравнения абсолютных величин привыкания соответствующих компонентов
ОР в разных исследуемых группах (цветовое обозначение соответствует таблице 2).
Видно, что вигоросы существенно отличаются от субвигоросов. Для первых из них
характерно выраженное угашение всех компонентов ОР. Различия между первой и
последней суммацией ФПГ, КГР и ВП значимы при p<0,05 во всех трех сравнениях. При
этом, в процессе реорганизации текущей деятельности основное энергетическое
напряжение приходится на когнитивный компонент ОР. Менее эффективные и более
энергоемкие активационный и эмоционально-мотивационный компоненты ОР у
вигоросов реализуются на существенно более низком пороге энергетического уровня.
Различия в паттерне реорганизации энергетической напряженности значимы при p<0,001
(критерий знака).
В отличие от этого у субвигоросов отсутствуют существенные различия между
первой и последней суммацией по ФПГ и ВП. Значимые различия имеют место только по
спектру мощности КГР (p<0,05). При этом, на рис.4 видно, что дисперсия R-R интервалов
у субвигоросов не уменьшается, а, наоборот, увеличивается. Иными словами у
субвигоросов отсутствует habituation и такое реагирование ФПГ нельзя отнести к ОР.
Чрезмерные, монотонно возрастающие влияния со стороны неспецифической
активационной подсистемы мозга не позволяют в полной мере решить вопрос значимости
использованной парадигмы обследования и санкционировать обработку информации
более высокого уровня. Поэтому субвигоросам требуется для решения той же задачи, что
и вигоросам, существенно большие энергозатраты.
Таким образом, способность вигоросов эффективно решать новые с
неизвестным исходом задачи за счет исключительно энергосберегающей
7
когнитивной подсистемы головного мозга выгодно отличает их от субвигоросов.
Отсюда вигоросы имеют поведенческую установку на поисковую активность и
чаще других относятся к санотипу «спортивная форма» при тестировании с
помощью экспертной системы «Пульсар А». В связи с полученными данными
представляемый полиграф получил название «ВИГОРОС».
Валидизация полиграфа «Вигорос».
По определению валидизация – подтверждение результатов, полученных на основе
разрабатываемого метода другим, независимым методом. В настоящем исследовании
изучалась возможность подтвердить результаты тестирования с помощью полиграфа
«Вигорос» биохимическими методами оценки общей антиокислительной активности.
В результате изучения опубликованных работ было установлено, что у лиц с
высокими значениями уровня стремления к достижению цели имеются особенности
биохимических реакций системы «оксиданты-антиоксиданты». Недавно были получены
данные о том, что астенический тип людей
характеризуется, как аэробный и
неустойчивый к гипоксии, в то время, как гиперстенический тип, наоборот, - как
обладающий повышенной антигипоксической резистентностью. Это дает основание
предполагать, что система ГЕН - ФЕРМЕНТ- РЕАКЦИЯ у гиперстеничных людей
запускает биохимические реакции с более низким, чем у прочих, выбросом свободных
радикалов в кровь. В связи с этим на их нейтрализацию при прочих равных условиях
затрачивается меньший энергетический ресурс, чем у астеничных.
В процессе реализации обмена белков, жиров и углеводов, включая механизм
обмена нуклеиновых кислот (ядерный хроматин клетки) выделяются агрессивные
окислители - свободные радикалы. Свободные радикалы:
- блокируют анаболические и катаболические процессы;
-разрушают аэробное и анаэробное дыхание;
- разрушают клеточную мембрану;
-блокируют проведение по нервному волокну и т. п.
В связи с столь высокой агрессивностью свободных радикалов и витальной
необходимостью быстрой и эффективной их нейтрализации, энергетический потенциал
клетки фактически делится между обеспечением реализации своих фенотипических
функций и на антиокислительную защиту. Отсюда следует, что повышенная
работоспособность, психо-эмоциональная устойчивость и быстрое восстановление
клеточных резервов, характерные для вигоросов обеспечиваются системой ГЕН ФЕРМЕНТ- РЕАКЦИЯ с пониженным выбросом в кровь свободных радикалов.
Таким образом, у вигоросов должна быть существенно снижена общая
антиокислительная активность крови т. е. вигоросы должны являться лицами с
высоко гарантированным выполнением клетками своих специфических функций в
полном объеме.
Изучали общую антиоксидантную активность (ОАА) сыворотки крови вигоросов
(10 человек) и субвигоросов (11 человек), выделенных с помощью представляемого
комплекса «Вигорос».
Анализ крови по общей антиокислительной активности системы «оксиданты антиоксиданты» показал достоверно низкое значение этого показателя в группе вигоросов
в сравнении с лицами, отнесенными к группе субвигоросов. Средние статистики
приведены в Таблице 3.
8
Таблица 3
Групповые статистики общей антиоксидантной активности (АОА) сыворотки крови
вигоросов и субвигоросов
OAA
N
Средние статистики
vigouros
10
46, 0 + 1,1
subvidouros
11
50,9 + 1,2
Различия достоверны при уровне значимости p < 0,05
Низкая общая антиокислительная активность свидетельствует о том, что у вигоросов
система ГЕН - ФЕРМЕНТ- РЕАКЦИЯ запускает биохимические реакции с более низким,
чем у субвигоросов выбросом свободных радикалов в кровь. В связи с этим, клетки
организма у лиц с высокой вигиросностью эффективнее, чем у субвигоросов выполняют
свои фенотипические функции. Отсюда следует, что высокая эффективность работы клеток
головного мозга вигоросов или всех клонов клеток организма в целом является
биохимическим маркером вигоросности и полученные нами различия на
психофизиологическом уровне являются генетически детерминированными.
Это означает, что в СГА впервые разработан инструментальный метод объективной
и количественной оценки вигоросности Вигоросность реализуется не за счет каких-то
дополнительных, имеющихся только у них энергоресурсов, а за счет повышенного КПД
работы центральной нервной системы - более быстрого формирования и эффективного
использования когнитивных навыков.
Таким образом, пограммно-аппаратный комплекс «Вигорос» разработанный в
СГА для объективной и количественной оценки реорганизации когнитивных
процессов успешно прошел стадии НИР и ОКР, а также – валидизацию на
биохимическом уровне. В настоящее время получено Уведомление о регистрации
заявки на патентование комплекса «Вигорос» (заявка № 2008131674; входящий №
039526; приоритет от 01.08.08) из Федеральной службы по интеллектуальной
собственности, патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) и планируется
производство опытной партии прибора.
9