Электрофизиологические методы

Наблюдение и тестирование – распространенные и обычные для практической психологии методы. Исследование электрических, магнитных, ультразвуковых и других параметров систем организма относится к тем случаям, когда имеют место органические нарушения функции жизненно важных органов, или выполняются научные исследования. Практикующий психолог должен иметь представление об этих методах, хотя сам выполнить их он вряд ли сможет. Однако, совместный анализ полученных результатов с опытным психофизиологом или клиницистом может выявить те проблемы, которые выходят за рамки психологии и представляют собой медицинский аспект.    

В основе электрофизиологических методов лежит представление о том, что клеточные ансамбли, образующие отдельные органы (сердце, головной мозг, мышцы, желудок, глазные яблоки), являют собой с точки зрения физики диполь, т.е. образование, имеющее элект­рический заряд, отрицательный и положительный полюса. Рабо­та перечисленных органов есть перемещение этих диполей в про­странстве, которое можно регистрировать, измеряя разность по­тенциалов. Эта измеренная и зафиксированная разность потен­циалов и образует графическую картину электрической активно­сти мозга, сердца, мускулатуры и др.

Электроэнцефалограмма. В 1875 г. английский хирург Ричард Кэйтон впервые показал, что у животного можно зарегистриро­вать электрическую активность мозга. Позднее аналогичные наблюдения были сделаны относитель­но человека австрийским психиатром Хансом Бергером (1929). Во время хирургических операций на мозге Бергер смог зафиксиро­вать электрические потенциалы мозга. Бергер считал, что обнаружил физиологический показатель, аналогичный электрокардиограмме (ЭКГ): подобно тому, как ЭКГ может быть индикатором общего состояния сердечной мышцы, электроэнцефалограмма (ЭЭГ) представляет собой индикатор общей активности мозга. Дальнейшие исследователи показали, что ЭЭГ как отражение кода работы мозга значительно более сложное образование, чем другие электрофизиологические характеристи­ки. Для интерпретации наблюдаемых волн существенно не только место их возникновения, но и многие другие показатели: частота, амплитуда и т.д. Дальнейшее развитие метода было связано с ус­пехами электронной техники. Как было установлено многочис­ленными исследованиями, обычная ЭЭГ отражает суммарную ак­тивность сотен тысяч клеток мозга. Есть указания на то, что свою составляющую в ЭЭГ имеют электрические процессы, происходящие при синаптической передаче. Для анализа характе­ристик ЭЭГ в настоящее время широко применяется вычислительная техника.

Вызванные потенциалы (ВП) — биоэлектрические колебания, возникающие в нервных структурах в ответ на внешнее раздражение и находящиеся в строго определенной временной связи с началом его действия. У человека ВП обычно включены в ЭЭГ, но на фоне спонтанной биоэлектрической активности трудно различимы (амплитуда одиночных ответов в несколько раз меньше амплитуды фоновой ЭЭГ). В связи с этим регистрация ВП осуществляется специальными техническими устройствами, которые позволяют выделять полезный сигнал из шума путем последовательного его накопления, или суммации. При этом суммируется некоторое число отрезков ЭЭГ, приуроченных к началу действия раздражителя, причем раздражителем может быть как единичный искусственный стимул, так и решение стандартной задачи, что серьезно расширяет возможности метода ВП в психофизиологии, где он рассматривается как коррелят познавательной деятельности мозга.

Топографическое картирование электрической активности мозга (ТКЭАМ)

ТКЭАМ — топографическое картирование электрической активности мозга — область электрофизиологии, оперирующая с множеством количественных методов анализа электроэнцефалограммы и вызванных потенциалов. Широкое применение этого метода стало возможным при появлении быстродействующих персональных компьютеров. Топографическое картирование существенным образом повышает эффективность ЭЭГ-метода. ТКЭАМ позволяет очень тонко и дифференцированно анализировать изменения функциональных состояний мозга на локальном уровне в соответствии с видами выполняемой испытуемым психической деятельности. Однако, следует подчеркнуть, что метод картирования мозга является не более чем очень удобной формой представления на экране дисплея статистического анализа ЭЭГ и ВП. Топографические карты представляют собой контур черепа, на котором изображен какой-либо закодированный цветом параметр ЭЭГ в определенный момент времени, причем разные градации этого параметра (степень выраженности) представлены разными цветовыми оттенками. Поскольку параметры ЭЭГ постоянно меняются по ходу обследования, соответственно этому изменяется цветовая композиция на экране, позволяя визуально отслеживать динамику ЭЭГ процессов. Параллельно с наблюдением исследователь получает в свое распоряжение статистические данные, лежащие в основе карт.

Использование ТКЭАМ в психофизиологии наиболее продуктивно при применении психологических проб, которые являются "топографически контрастными", т.е. адресуются к разным отделам мозга (например, вербальные и пространственные задания).

Компьютерная томография (КТ) — новейший метод, дающий точные и детальные изображения малейших изменений плотности мозгового вещества. КТ соединила в себе последние достижения рентгеновской и вычислительной техники, отличаясь принципиальной новизной технических решений и математического обеспечения.
Главное отличие КТ от рентгенографии состоит в том, что рентген дает только один вид части тела. При помощи компьютерной томографии можно получить множество изображений одного и того же органа и таким образом построить внутренний поперечный срез, или "ломтик" этой части тела. Томографическое изображение — это результат точных измерений и вычислений показателей ослабления рентгеновского излучения, относящихся только к конкретному органу. Помимо решения клинических задач (например, определения местоположения опухоли) с помощью КТ можно получить представление о распределении регионального мозгового кровотока. Благодаря этому КТ может быть использована для изучения обмена веществ и кровоснабжения мозга.

Ядерно-магнитно-резонансная томография мозга. Компьютерная томография стала родоночальницей ряда других еще более совершенных методов исследования: томографии с использованием эффекта ядерного магнитного резонанса (ЯМР-томография), позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ), функционального магнитного резонанса (ФМР). Эти методы относятся к наиболее перспективным способам неинвазивного совмещенного изучения структуры, метаболизма и кровотока мозга.

Позитронно-эмиссионная трансаксиальная Томография (ПЭТ-сканеры) сочетает возможности КТ и радиоизотопной диагностики. В ней используются ультракороткоживущие позитронизлучающие изотопы ("красители"), входящие в состав естественных метаболитов мозга, которые вводятся в организм человека через дыхательные пути или внутривенно. Активным участкам мозга нужен больший приток крови, поэтому в рабочих зонах мозга скапливается больше радиоактивного "красителя". Излучения этого "красителя" преобразуют в изображения на дисплее.

С помощью ПЭТ измеряют региональный мозговой кровоток и метаболизм глюкозы или кислорода в отдельных участках головного мозга. ПЭТ позволяет осуществлять прижизненное картирование на "срезах" мозга регионального обмена веществ и кровотока.

Регистрация ответов нейронов. Активность одиночного нейрона регистрируется с помощью так называемых микроэлектродов, кончик которых имеет от 0,1 до 1 микрона в диаметре. Специальные устройства позволяют вводить такие электроды в разные отделы головного мозга, в таком положении электроды можно зафиксировать и, будучи соединены с комплексом усилитель — осциллограф, они позволяют наблюдать электрические разряды нейрона. Исследования активности нейронов головного мозга человека осуществляются в клинических условиях, когда пациентам с лечебными целями вводят в мозг специальные микроэлектроды. В ходе лечения для полноты клинической картины больные проходят психологическое тестирование, в процессе которого регистрируется активность нейронов. Исследование биоэлектрических процессов в клетках, сохраняющих все свои связи в мозге, позволяет сопоставлять особенности их активности, с результатами психологических проб, с одной стороны, а также с интегративными физиологическими показателями (ЭЭГ, ВП, ЭМГ и др.)

Кожно-гальваническая реакция (КГР). Изменения электри­ческой активности кожи (ЭАК) регистрируются посредством по­лиграфа (специального аппарата, аналогичного электрокардиогра-фу). Одним из первых исследователей КГР был Карл Юнг, который рассматривал КГР как объективное физиологическое «окно» в бессознательные процессы. Он впервые предположил, что вели­чина электрической реакции кожи отражает, по-видимому, сте­пень эмоционального переживания. Чем сильнее переживания человека, связанные с каким-либо событием, тем выше амплиту­да колебаний разности потенциалов между участками кожи. ЭАК связывают, главным образом, с активностью потоотде­ления, однако физиологическая основа ее до конца не изучена.

Электромиография (ЭМГ). Это регистрация суммарных ко­лебаний потенциалов, возникающих в области нервно-мышечной передачи и мышечных волокнах при поступлении к ним импуль­сов от мотонейронов спинного или продолговатого мозга. В на­стоящее время применяются различные варианты подкожных (игольчатых) и накожных (поверхностных) электродов. Последние в силу их атравматичности и легкости наложения имеют более широкое применение. При готовности к движению, мысленному его вы­полнению, при эмоциональном напряжении и других подобных случаях, т.е. в ситуациях, не сопровождающихся внешне наблю­даемыми движениями, тоническая ЭМГ возрастает как по ампли­туде, так и по частоте. Например, чтение «про себя» сопровожда­ется увеличением ЭМГ активности мышц нижней губы, причем, чем сложнее или бессмысленнее текст, тем более выражена ЭМГ. При мысленном письме у правшей усиливается мышечная актив­ность поверхностных сгибателей правой руки, что выявляется на ЭМГ. Амплитуда и частота ЭМГ прежде всего определяются коли­чеством возбужденных двигательных единиц, а также степенью синхронизации развивающихся в каждой из них колебаний потен­циала.

Электроокулография. Это регистрация движений глаз, важ­ного показателя в психофизиологическом эксперименте. Окулография может производиться посредством записи движений глаза на видеокамеру, тогда как электроокулография — на специальную аппаратуру типа полиграфа. Его использование позволяет регис­трировать амплитуду движения глаз (определяется в угловых гра­дусах) и время фиксации. В психофизиологии профессиональной деятельности окулография применяется при анализе микроструктуры исполнительно­го действия. Есть данные о том, что момент принятия решения опе­ратором находит выражение в определенной глазодвигательной ак­тивности.

Реография. Метод, позволяющий изучить интенсивность и объемные характеристики кровотока в любых тканях, заключенных между двумя электродами, через которые пропускается слабый ток высокой частоты. Реография широко применяется для изучения кровообращения в головном мозгу, легких, конечностях, она может сочетаться с различными медикаментозными пробами (но-шпа, нитроглицерин), что позволяет сделать заключение о реакции сосудов изучаемой области на действие сосудоактивных препаратов. Для получения объемных характеристик применяется тетраполярная реография.

Психофизиологические модели. В науке под моделью понимается упрощенное знание, несущее определенную, ограниченную информацию об объекте/явлении, отражающее те или иные его свойства. С помощью моделей можно имитировать функционирование и прогнозировать свойства изучаемых объектов, процессов или явлений. В психологии моделирование имеет два аспекта: моделирование психики и моделирование ситуаций. Под первым подразумевается знаковая или техническая имитация механизмов, процессов и результатов психической деятельности, под вторым организация того или иного вида человеческой деятельности путем искусственного конструирования среды, в которой осуществляется эта деятельность.

Оба аспекта моделирования находят место в психофизиологических исследованиях. В первом случае моделируемые особенности деятельности человека, психических процессов и состояний прогнозируются на основе объективных физиологических показателей, нередко зарегистрированных вне прямой связи с изучаемым феноменом. Например, показано, что некоторые индивидуальные особенности восприятия и памяти можно прогнозировать по характеристикам биотоков мозга. Во втором случае психофизиологическое моделирование включает имитацию в лабораторных условиях определенной психической деятельности, с целью выявления ее физиологических коррелятов и /или механизмов. Обязательным при этом является создание некоторых искусственных ситуаций, в которых так или иначе включаются исследуемые психические процессы и функции. Примером такого подхода служат многочисленные эксперименты по выявлению физиологических коррелятов восприятия, памяти и т.д.

Значение экспериментов, выполненных на животных. Как уже отмечалось выше, многие задачи в психофизиологии решались и продолжают решаться в экспериментах на животных. (В первую очередь речь идет об изучении активности нейронов.) В связи с этим особое значение приобретает проблема, сформулированная еще Л.С. Выготским. Это проблема специфического для человека соотношения структурных и функциональных единиц в деятельности мозга и определения новых по сравнению с животными принципов функционирования систем, внутри- и межсистемных взаимодействий.

Один из основателей отечественной психофизиологии Е.Н. Соколов, решая проблему переноса результатов исследований, выполненных на животных, на человека, сформулировал принцип психофизиологического исследования следующим образом: человек — нейрон — модель. Это значит, что психофизиологическое исследование начинается с изучения поведенческих (психофизиологических) реакций человека, Затем оно переходит к изучению механизмов поведения с помощью микроэлектродной регистрации нейронной активности в опытах на животных, а у человека — с использованием электроэнцефалограммы и вызванных потенциалов. Интеграция всех данных осуществляется путем построения модели из нейроподобных элементов. При этом вся модель как целое должна воспроизводить исследуемую функцию, а отдельные нейроподобные элементы должны обладать характеристиками и свойствами реальных нейронов. Перспективы исследований такого рода заключаются в построении моделей "специфически человеческого типа" таких, например, как нейроинтеллект.