В современных психофизиологических исследованиях активно используются классические методы для изучения электрической активности центральной и вегетативной нервной системы, томографические и полиграфические методы, а также метод анализа движения глаз и метод функциональной ближней инфракрасной спектроскопии. Ниже будут представлены краткие описания самых популярных методов психофизиологических исследований.
Электроэнцефалография. Метод электроэнцефалографии (ЭЭГ) – это нейрофизиологический метод, который позволяет изучать электрическую активность мозга путем регистрации биоэлектрических потенциалов с поверхности кожи головы. ЭЭГ основывается на измерении волнообразных изменений электрических потенциалов, которые генерируются нейронами мозга. Предполагается, что ЭЭГ в каждый момент отражает суммарную электрическую активность клеток мозга.
Для записи ЭЭГ используются специальные электроды, которые обычно размещают на коже головы согласно стандартизированной схеме 10–20. Основные характеристики сигналов ЭЭГ – амплитуда (интенсивность сигнала) и частота (скорость колебаний). Эти параметры помогают в анализе мозговой активности.
При анализе ЭЭГ принято выделять следующие ритмы:
– Альфа-ритм (7–13 Гц) – спокойное бодрствование с закрытыми глазами, связан с расслаблением.
– Бета-ритм (13–40 Гц) возникает при напряженной умственной деятельности, связан с процессами памяти и внимания.
– Гамма-ритм (>40 Гц) связывают с познавательным процессами и переработкой информации.
– Дельта-ритм (<4 Гц) регистрируется во время фазы глубокого сна. В бодрствовании он может быть зафиксирован при наличии опухолей или когда человек находится в коме.
– Тета-ритм (4–7 Гц) регистрируется в фазе быстрого сна (REM), связан с запоминанием и эмоциями.
ЭЭГ используется для диагностики различных морфологических и функциональных нарушений. В основе ЭЭГ-диагностики лежат экспериментальные факты, свидетельствующие о том, что определенным ЭЭГ-феноменам или паттернам соответствуют определенные состояния мозга. В основном ЭЭГ-методы применяются в следующих областях: медицина (диагностика эпилепсии, оценки уровня сознания, оценка нарушения сна и т. д.), психофизиология (взаимосвязь особенностей ЭЭГ с функциональным состоянием, психическими процессами или личностными особенностями человека), диагностика нарушений мозга, оценка функционального состояния мозга, также метод применяют в маркетинговых исследованиях.
Brain-computer interface (BCI), или интерфейс мозг-компьютер – это технология, позволяющая напрямую связывать мозговую активность человека с внешними устройствами. Она позволяет пользователям взаимодействовать с компьютерами или другой техникой без использования обычных методов ввода, таких как клавиатура или мышь, используя исключительно мозговые ритмы.
Интерфейс “мозг—компьютер” применяют для помощи людям с нарушениями двигательных функций, вызванными травмами спинного мозга, инсультами или нейродегенеративными заболеваниями, а также у детей с двигательными расстройствами. Данная технология может позволить пользователям взаимодействовать с окружающей средой, управляя курсорам на экране, вводить текст, манипулируя протезами, синтезировать речь. Также интерфейс “мозг – компьютер” применяется в видеоиграх и VR-технологиях. Один из способов применения этой технологии был направлен на восстановление коммуникационных возможностей у людей после инсульта или черепно-мозговой травмы, когда повреждены моторные центры и человек не может говорить, но у него сохранен альфа-ритм. С помощью тренировок можно научить такого пациента использовать изменения альфа-ритма для выбора букв и ввода текста на специализированном компьютере.
Вызванные потенциалы (ВП) – метод суммации и выделения слабых и сверхслабых изменений электрической активности мозга (ЭЭГ) в ответ на стимул сенсорной модальности. Метод ВП позволяет получить объективную информацию о состоянии периферических и центральных звеньев различных сенсорных систем. Вызванный потенциал состоит из серии отдельных пиков или волн, которые могут быть описаны по их негативной или позитивной полярности, количеству компонентов, латенции, амплитуде и форме.
Также ВП используется в оценке сложных когнитивных процессов, где особое внимание уделяется амплитуде и латенции пика P300 (позитивная волна, которая возникает примерно через 300 миллисекунд после предъявления стимула). Этот компонент связывают с когнитивными процессами восприятия и обработки информации.
В клинической практике метод ВП используется при оценке когнитивных нарушений, деменций различного генеза, а также при оценке работы сенсорных систем.
Магнитоэнцефалография (МЭГ) – это нейрофизиологический метод, который позволяет изучать активность мозга путем измерения магнитных полей, генерируемых электрической активностью нейронов. В отличие от ЭЭГ, которая регистрирует электрическую активность, МЭГ фокусируется на магнитных сигналах. У МЭГ высокая временная и пространственная разрешающая способность, которая позволяет отслеживать быстро происходящие процессы в мозге. Также у МЭГ лучшая пространственная разрешающая способность по сравнению с ЭЭГ, что позволяет более точно локализовать источники мозговой активности.
МЭГ широко используется для изучения функциональной активности мозга, включая изучение восприятия, когнитивных процессов, моторных функций и языковых способностей. Метод позволяет исследовать, как различные области мозга взаимодействуют друг с другом при выполнении разнообразных задач.
Также МЭГ часто используется в сочетании с другими методами изображения мозга, такими как магнитно-резонансная томография. Совместное использование данных методов позволяет получить более полную картину мозговой активности, которая сочетает в себе информацию о функциональной активности с детализированными анатомическими данными.
Томографические методы исследования – это группа медицинских визуализационных технологий, используемых для получения подробных изображений внутренних структур тела в виде пересекающихся срезов или трехмерных моделей. В психофизиологии томографические методы активно используются для изучения морфологических особенностей мозга и визуализации его работы.
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) – это радионуклидный метод, который используется для сканирования внутренних органов человека или животного. В основе метода лежит регистрация пары гамма-квантов, которые образуются при аннигиляции позитронов с электронами. Позитроны появляются в результате позитронного бета-распада радионуклида, который входит в состав радиофармпрепарата, вводимого в организм перед исследованием. Когда позитрон сталкивается с электроном в теле, происходит аннигиляция, порождающая два гамма-кванта с одинаковой энергией, которые разлетаются в противоположные стороны. Система детекторов, расположенных вокруг пациента, фиксирует эти гамма-кванты, а компьютерная обработка данных позволяет создать трехмерное изображение распределения радионуклида в организме.
При сканировании ПЭТ на первом этапе пациенту вводится инъекция, в состав которой входит специальное радиоактивное вещество (как правило это глюкоза). Это вещество маркируется позитронно-излучающим радиоизотопом. Различные вещества могут быть спроектированы для целенаправленного связывания с конкретными тканями или клетками, что позволяет изучать различные метаболические процессы. После введения вещество распространяется по организму и накапливается в областях повышенного потребления и соответственно активности. Радиоизотопы испускают позитроны, которые вступают во взаимодействие с электронами в тканях, в результате чего происходит аннигиляция и излучаются гамма-фотоны. Гамма-фотоны обнаруживаются специализированным оборудованием ПЭТ-сканера, которое создает трехмерные изображения распределения вещества в организме. Эти изображения затем анализируются для оценки метаболической активности тканей.
ПЭТ используется для изучения метаболических процессов в мозге, включая кровоток, потребление глюкозы и распределение различных нейротрансмиттеров. Эти данные могут помочь исследователям понять, как метаболические изменения в мозге связаны с когнитивными функциями, личностными особенностями, возрастом, когнитивными нарушениями и нейродегенеративными заболеваниями.
Магнитно-резонансная томография – это метод визуализации, который позволяет создавать детализированные изображения внутренних органов и тканей человека. В основе метода лежитявление ядерного магнитного резонанса, при котором атомные ядра водорода в теле человека, содержащиеся преимущественно в воде и жирах, реагируют на воздействие мощного постоянного магнитного поля и введенных в это поле радиочастотных волн. Когда радиочастотный импульс прекращается, ядра водорода возвращаются в исходное состояние, при этом излучая сигналы, которые регистрируются специальными датчиками. Эти сигналы обрабатываются компьютером, создавая подробные изображения поперечных срезов исследуемой области тела. МРТ особенно эффективен для изучения мозга, спинного мозга, суставов и внутренних органов.
В психофизиологии МРТ используется для изучения морфологических различий между группами людей, при сравнении мозгов здоровых людей и пациентов с неврологическими или психиатрическими расстройствами, а также для рассмотрения взаимосвязи между когнитивными функциями и особенностями анатомии мозга.
Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) – это разновидность магнитно-резонансной томографии, используемая для измерения гемодинамических реакций, вызванных нейронной активностью в головном или спинном мозге. Метод основывается на том, что мозговой кровоток и активность нейронов связаны: при активности определённой области мозга увеличивается приток крови к ней. фМРТ позволяет определить, какие области мозга активируются в нормальных условиях или под влиянием различных физических факторов и при патологических состояниях. Метод широко применяется в психофизиологии для изучения динамики мозговых процессов, происходящих во время когнитивных и эмоциональных состояний.
Также в томографии используется диффузионно-тензорная визуализация, позволяющая оценить диффузию молекул воды вдоль миелиновой оболочки нервных волокон и получить информацию о связях между различными отделами головного мозга и целостности проводящих путей. С ее помощью изучается сетевая организация мозга и мозговая связанность (коннектон).
Коннектом (совокупность генетической информации в клетке) – это полная карта анатомических и функциональных связей нервной системы организма с учетом глии, которая в значительной степени определяет и регулирует эти связи на разных уровнях. Коннектомика – область нейронаук, предметом изучения которой является коннектом. Особая важность в изучении занимают функциональные сети, обладающие малой вариативностью внутри популяции.
Полиграфические методы исследования в психофизиологии. Полиграф – прибор, используемый в медицине и психофизиологии и предназначенный для одновременной регистрации нескольких физиологических процессов, происходящих в вегетативной нервной системе человека (работы сердца, проводимости кожи, частоты дыхания, напряжения мышц и т. д.). Также полиграф известен как «детектор лжи». Физиологические данные, считываемые полиграфом, дали название области исследования – полиграфии.
Деятельность вегетативной нервной системы автономна и не подчиняется воле человека. Симпатическая нервная система активируется в ответ на стресс, в то время как парасимпатическая может оказывать тормозящее воздействие на отдельные органы. Полиграф регистрирует изменения в работе вегетативной нервной системы, отражая реакции на значимые стимулы, которые человеку трудно контролировать осознанно. Это позволяет использовать его для выявления скрываемых сведений и создает затруднения для обмана детектора лжи.
Электрокардиограмма (ЭКГ) – методика регистрации и исследования электрических полей, образующихся при работе сердца. Результатом электрокардиографии является получение электрокардиограммы. Основные показатели, которые нужно оценивать на ЭКГ, включают в себя ось сердца, частоту и регулярность зубцов, а также интервалы и амплитуда каждого комплекса.
Регистрация ЭКГ происходит с поверхности тела и делается на разности электрических потенциалов, возникающих в результате сокращения сердечной мышцы. Необходимо отметить, что в области психофизиологии не анализируются нюансы нарушения сердечного ритма и проводимости, признаки изменения объемов полостей сердца, гипертрофии желудочков, а также другие патологические процессы в области сердца, которые отражаются в специфических изменениях паттерна PORST-комплекса в электрокардиограмме. В преобладающем большинстве случаев в психофизиологических исследованиях рассматриваются общесистемные процессы, которые отражаются в динамике вариабельности сердечного ритма.
ЭКГ позволяет изучать, как сердечно-сосудистая система взаимодействует с психологическими процессами. Существуют доказательства того, что сердечно-сосудистое здоровье связано с когнитивными функциями.
Вариабельность сердечного ритма (ВСР) – параметр изменчивости временных интервалов между последовательными ударами сердца (между R-зубцами). ВСР рассчитывается на основе записи ЭКГ и измеряется путем анализа RR-интервалов, которые представляют собой интервалы между последовательными R-зубцами на ЭКГ, отражающими моменты сокращения желудочков сердца. Для анализа показателей необходимо от 300 RR-интервалов.
Вариабельность сердечного ритма является показателем способности организма адаптироваться к изменяющимся внешним и внутренним условиям, отражая активность и баланс автономной нервной системы, которая включает симпатическую и парасимпатическую системы. Высокая вариабельность сердечного ритма обычно свидетельствует о низком стрессе, хорошем здоровье и способности организма быстро адаптироваться к изменению условий и хорошо восстанавливаться. Низкая вариабельность может быть признаком стресса, усталости или различных сердечно-сосудистых заболеваний.
Кожно-гальваническая реакция (КГР) – биоэлектрическая реакция, регистрируемая с поверхности кожи, которая отражает активность вегетативной нервной системы. Эта реакция является индикатором активности потовых желез, регулируемой симпатической частью вегетативной нервной системы, и отражает уровень эмоционального возбуждения или стресса. КГР используется в различных областях, поскольку предоставляет непроизвольный, трудно контролируемый индикатор эмоционального или когнитивного возбуждения.
КГР измеряется путем прикладывания электродов к поверхности кожи, обычно на пальцах рук, и записи изменений электрического сопротивления или проводимости кожи. Изменения в КГР тесно связаны с эмоциональным возбуждением, независимо от того, является ли эмоциональный опыт положительным или отрицательным. Более сильные эмоциональные реакции обычно вызывают более выраженные изменения в КГР.
КГР применяется в психологических исследованиях для анализа эмоциональных и когнитивных процессов, в клинической практике для оценки состояния тревоги или фобий, а также в нейромаркетинге для изучения реакций потребителей на рекламные материалы. В контексте возрастной психофизиологии КГР может использоваться для изучения изменений в эмоциональной реактивности и регуляции с возрастом, а также для анализа связи между эмоциональным возбуждением и физиологическими реакциями.
Электромиография (ЭМГ) – это диагностический метод, используемый для изучения и записи электрической активности, производимой мышцами. Этот метод позволяет оценить здоровье мышц и нервов, которые их контролируют. ЭМГ особенно полезна в обнаружении неврологических аномалий, которые могут влиять на мышцы и нервы. С помощью этого метода можно изучать структуру и функцию нейромоторного аппарата, который состоит из функциональных элементов – двигательных единиц, куда входят мотонейрон и иннервируемая им группа мышечных волокон.
Во время ЭМГ-исследования электроды прикрепляются к коже над мышцами для измерения электрической активности. Запись активности представляет собой серию волн, которые могут быть проанализированы на предмет аномалий. ЭМГ используется для диагностики ряда заболеваний, включая невропатии, миопатии, радикулопатии и моторонейронные заболевания.
Тренинги с использованием ЭМГ применяются для коррекции мышечной дисфункции, например, восстановление после травм и перенапряжения мышц, а также при наличии тиков. Эти тренинги также используются для облегчения хронической мышечной боли через расслабление мышц, при головных болях напряжения для расслабления мышц воротниковой зоны, и при спастичности, например, у детей с церебральным параличом и других заболеваниях. Кроме того, они находят применение в реабилитационной работе после неврологических повреждений и помогают улучшить спортивные результаты.
Биологическая обратная связь – это технология, которая включает в себя комплекс исследовательских, лечебных и профилактических физиологических процедур, направленных на визуализацию и воздействие на работу центральной и периферической нервной системы. Во время сеанса пациентам демонстрируют активность их нервной системы, её изменения и обучают методам, позволяющим влиять на эту активность.
Технология делится на два направления:
– Нейрообратная связь – диагностика и работа сосредоточены на изменении динамики электрофизиологических процессов в головном мозге с помощью электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Применяется для коррекции проблем внимания, снятия стресса, восстановления сна и т. д.
– Биологическая обратная связь – диагностика и работа сосредоточены на изменении динамики полиграфических показателей (ЭКГ, КГР, ФПГ и др.) и процессов в вегетативной нервной системе. Применяется для коррекции фобий, тревожных расстройств, мышечных спазмов, релаксации и т. д.
Транскраниальная магнитная стимуляция – метод, позволяющий неинвазивно стимулировать кору головного мозга при помощи коротких магнитных импульсов. Может применяться для лечения моторных нарушений, депрессии, спастичности, болевых синдромов, болезни Паркинсона, слуховых галлюцинаций, обсессивно-компульсивных расстройств, обострений шизофрении, наследственных дегенеративных болезней.
1. Баарс Б., Гейдж Н. Мозг, познание, разум: введение в когнитивные нейронауки: в 2 т. – Москва: Бином. Лаб. знаний, 2014. ISBN 978–5–9963–0171–3
2. Беар М. Ф., Коннорс Б. В., Парадизо М. А. Нейронауки: исследование мозга: в трёх томах – 4-е изд. – Москва: Диалектика; Санкт-Петербург: Диалектика, 2020. Т. 1: Основы. Т. 1. – 2021 – 416 с. ISBN 978–5–907458–25–3
3. Психофизиология под ред. Ю. И. Александрова. – 4-е изд., перераб. – Москва: Питер, 2014. – 463 с. ISBN 978–5–496–00756–6
О проекте
О подписке