Functional organization of working memory during delayed coping of verbal and visuo-spatial sequences in children aged 10–12 years. Analysis of ERPS in response to imperative signals

Толық мәтін

Рабочая память (РП) в различных психологических и нейрокогнитивных исследованиях, несмотря на их концептуальные различия (для обзора см. (Величковский Б.М., 2006; D’Esposito, 2015; Adams et al., 2018; Working memory: State of the science, 2021)), определяется сходным образом, как способность индивида кратковременно удерживать информацию, недоступную для непосредственного восприятия, преобразовывать эту информацию и использовать ее для осуществления целенаправленной (в том числе ментальной) активности. Большинство современных исследователей отказались от первоначальных представлений об РП как унитарном образовании (Atkinson, Shiffrin, 1968), в котором временно хранится и извлекается по мере необходимости нужная информация, и рассматривают ее как систему взаимосвязанных компонентов. При этом как в психологических, так и в нейрокогнитивных моделях РП выделяются специфические, связанные с характеристиками удерживаемой информации (domain specific), и неспецифические (domain general), преимущественно регуляторные компоненты.

Термин функциональная организация РП используется в данном исследовании для характеристики топографии и реактивности корковых нейронных сетей, которые обеспечивают различные функционально-специфичные компоненты РП, в контексте данной работы – при кратковременном удержании и извлечении последовательно-организованной (серийной) информации.

Основная дискуссия авторов различных моделей РП касается преимущественно проблемы существования ограниченного количества специфических кодов (вербальных, зрительно-пространственных, отдельно зрительных и пространственных, отдельно статических и динамических (временных последовательностей), моторных, тактильных, обонятельных и пр.), в которые преобразуется и в которых хранится информация (например, (Li et al., 2014; Logie et al., 2020; Purcell et al., 2021)), а также роли различных специфических и ассоциативных корковых зон в кодировании и хранении релевантной информации (например, (Haque et al., 2021; Fulvio et al., 2023)).

В работах последних лет наряду с анализом зависимости внутренних репрезентаций и их нейрональных механизмов от характеристик удерживаемой информации интенсивно исследуется проблема преобразований домен-специфичных внутренних репрезентаций в соответствии с когнитивной задачей (Absatova et al., 2016; Rose, 2020; Samson,Van der Stigchel, 2021; Iamshchinina et al., 2021; Fulvio et al., 2023; Villacorta-Atienza, 2021; Logie et al., 2020). Изменчивость нейронных «кодов» релевантной информации в процессе ее удержания в РП показана в исследованиях электрической активности нейронов дорзолательной префронтальной коры макак (Spaak et al., 2017). В этом исследовании регистрировали нейронную активность при выполнении обезьянами отсроченных произвольных саккадических движений, которым предшествовал зрительный сигнал, указывающий направление саккады к цели, и императивный сигнал, разрешающий саккаду, который следовал с фиксированным или случайным интервалом после предупреждения. Были обнаружены изменения нейронной активности в период между предупреждающим и императивным сигналом в зависимости от способа предъявления последнего. В обзоре (Meyers, 2018) приводятся данные исследований активности отдельных нейронов у животных, которые говорят о том, что в период удержания информации внутренние репрезентации могут быть представлены не только длящейся (sustained) активностью определеенной группы нейронов, но и последовательной активацией разных групп нейронов – динамическими кодами. Такие динамические коды были обнаружены в нейронах префронтальной (prefrontal cortex, PFC) и нижневисочной коры, а также гиппокампе. По мнению K.Adam и соавт. (Adam et al., 2022), динамические нейронные коды в популяции нейронов ассоциативных корковых зон и гиппокампа создают нейрофизиологическую основу гибкого оперирования информацией, содержащейся в РП, при решении различных когнитивных задач.

Проблема преобразований внутренних репрезентаций является актуальной для исследований РП при удержании последовательностей информационных единиц, которые могут предъявляться как статически (единовременно), так и динамически (одна за другой). Отметим, что удержание последовательно организованной информации является функцией РП практически при всех видах деятельности человека и приобретает все большее значение в связи с распространением цифровых информационных технологий, увеличивающих долю динамического контекста. Вместе с тем данные о нейрональных механизмах удержания и трансформации внутренних репрезентаций последовательностей весьма ограничены. Открытыми остаются вопросы o наличии специальных механизмов сохранения порядка (Marshuetz, 2005; Dehaene et al., 2015; Majerus, 2019; Fulvio et al., 2023), их зависимости от входных характеристик информации, в том числе типа стимулов – вербальных или зрительно-пространственных (Logie et al., 2016; Guidali et al., 2019; Ginsburg et al., 2017; Hurlstone, Hitch, 2018; Majerus, 2019; Tian et al., 2022: Корнеев и др., 2022), и способа предъявления последовательностей – статического или динамического (Pickering et al., 2001; Корнеев, Курганский, 2013, 2014 и др.).

В ряде «поведенческих» работ приводятся аргументы в пользу существования отдельных механизмов кодирования зрительно-пространственных статических (spatial-simultaneous) и динамических (spatial-sequential) последовательностей в РП (Pickering et al., 2001; Mammarella et al., 2013; Roberts et al., 2018). R. Logie (1995, цит. по изданию 2014) связывал специфику репрезентаций статической (visual cash) и динамической (inner scribe) зрительно-пространственной информации с активацией вентрального и дорзального корковых путей соответственно. ФМРТ-исследование S. Robert и соавторов (2023) подтвердило существование функционально-специфичных нейрональных механизмов кодирования зрительной статической и динамической информации «на входе», однако картина оказалась гораздо более сложной. В этом исследовании использовались статические предметные изображения и их искусственные динамические копии – объектные кинематограммы (object kinematograms) в виде потоков движущихся по экрану точек. В предварительных экспериментах было показано, что взрослые здоровые испытуемые успешно классифицируют такие модифицированные изображения живых и неодушевлеенных объектов. Анализ гемодинамических процессов, с одной стороны, подтвердил более высокую активность вентрально расположенных областей затылочно-височной зоны при классификации статических объектов и более высокую активность дорзально расположенных областей при классификации динамических объектов, с другой стороны, обнаружил, что все зоны, кроме первичной зрительной коры, «участвуют» в классификации объектов на основе как статической, так и динамической информации. При этом зона интрапариетальной борозды активируется при декодировании статических и динамических свойств объектов в равной степени. По мнению авторов работы, эти данные указывают на формирование абстрактных нейронных кодов зрительных объектов, которые позволяют идентифицировать изображение на основе интеграции различных зрительных признаков. На возможность хранения внутренних репрезентаций зрительно-пространственной информации в виде абстрактных кодов, утерявших сенсорную специфичность, указывается и в работе (Villacorta-Atienza et al., 2020). Авторы работы полагают, что зрительная информация о событиях, возникающих последовательно в разных точках пространства, при удержании в РП преобразуется в статические образы (карты), которые содержат как координаты отдельных элементов и маршруты их передвижения (пространственную информацию), так и характеристики самих зрительных объектов, что сокращает время «считывания» такой информации во время деятельности.

Вместе с тем, по данным (Zimmer, Liesefeld; 2011; Bharti et al., 2020), особенности процессов удержания внутренних репрезентаций последовательностей, предъявляемых в статическом либо динамическом режиме, определяются не столько способом предъявления, сколько требованиями когнитивной задачи. К такому же выводу приходят и R. Logie с соавторами в своем более позднем теоретическом исследовании (Logie et al., 2020): авторы отмечают, что процессы преобразования информации на разных этапах реализации РП (запечатлении, удержании, извлечении и воспроизведении релевантной информации) зависят от требований задачи и стратегии решения, которую использует индивид. Представление о трансформации внутренних репрезентаций как статических, так и динамических зрительных последовательностей в зависимости от когнитивной задачи и фазы РП согласуется с результатами фМРТ-исследования (Fulvio et al., 2023). В этой работе в качестве эталонов для запоминания и последующего (после периода удержания в РП) сравнения с тестовым стимулом использовались три дискретно перемещающиеся по экрану окружности, заштрихованные линиями разной ориентации. Экспериментальная модель предусматривала три критерия сравнения окружностей: по ориентации линии, независимо от положения на экране (контекст-независимая проба), по сходству с окружностью, которая находилась в том же месте экрана (контекст-зависимая пространственная проба), и по сходству с окружностью с определенным порядковым номером (контекст-зависимая порядковая проба). Было показано, что гемодинамический ответ как в затылочных, так и в задних теменных зонах в период удержания информации зависит от экспериментальной задачи, а при извлечении информации из РП такая зависимость отмечалась только в теменных зонах, которые, по мнению авторов статьи, выполняют контролирующую функцию.

Для исследования проблемы преобразований внутренних репрезентаций последовательно организованной зрительной информации мы провели серию экспериментов с использованием модели отсроченного копирования ломаной линии. В этих экспериментах варьировался режим предъявления стимула (статическое изображение ломаной или динамическое последовательное предъявление отдельных отрезков, образующих ломаную) и время удержания информации в РП (задержка между эталоном и императивным звуковым сигналом). Анализ латентного времени двигательного ответа продемонстрировал исходно более короткое время начала копирования ломаной при статическом режиме, чем при динамическом, его общее сокращение и нивелирование разницы по мере увеличения времени удержания информации в РП (Курганский, Корнеев, 2013, 2014). Эти данные свидетельствуют в пользу трансформации внутренних репрезентаций зрительно-пространственных последовательностей из перцептивной в более абстрактную форму. Анализ вызванных потенциалов коры на императивный сигнал, запускающий процесс активации следов релевантной информации (Корнеев и др., 2016), позволил получить дополнительные аргументы в пользу динамических преобразований внутренних репрезентаций зрительной серийной информации. Было обнаружено, что увеличение задержки копирования приводит к росту активности корковых источников в билатеральных зонах верхней теменной дольки (около поля BA5L), а также в правой орбитофронтальной коре (верхняя орбитальная извилина). Верхняя теменная долька – часть задней теменной коры, активность которой ассоциируется с преобразованиями внутренних репрезентаций в зависимости от когнитивной задачи (Fulvio, 2023), а правая орбитофронтальная кора, согласно сравнительным исследованиям РП у пациентов с разной локализацией поражений лобной коры (Johnson et al., 2022), играет ключевую роль в процессах формирования, удержания и извлечения информации о порядке следования запоминаемых объектов.

Дополнительные сведения о характере изменений нейрональной активности в период удержания релевантной информации в РП получены при анализе связанных с событием потенциалов (ССП) на императивный сигнал в пространстве сенсоров (Курганский и др., 2022): увеличение времени задержки императивного сигнала от 500 до 3000 мс сопровождалось ростом амплитуды длиннолатентных позитивных компонентов (P200, P250 и P300), которые отражают семантические аспекты обработки и хранения информации. Значимый рост позитивных компонентов отмечался в симметрично расположенных заднеассоциативных (теменных и височно-теменно-затылочных) и переднеассоциативных (лобных, включая зоны лобного полюса, нижнелобных и передневисочных) зонах. Причем эти изменения оказались независимыми от способа предъявления ломаной линии (статического или поэлементного динамического), что еще раз указывает на трансформацию внутренних репрезентаций в сторону их большей удаленности от «входных» характеристик информации.

Учитывая актуальность вопроса о домен-специфичности механизмов сохранения и извлечения порядка элементов, а также тот факт, что в реальной жизни человек постоянно сталкивается с необходимостью удержания в РП последовательно организованной вербальной информации, мы провели сравнительный анализ выполнения отсроченного двигательного воспроизведения ломаной линии и последовательности букв (Корнеев и др., 2022). Исследование поведенческих показателей выявило различия в характере зависимости латентного времени воспроизведения двух типов последовательностей от длительности удержания информации в РП: обнаруженный ранее при копировании ломаной линии эффект сокращения времени реакции по мере увеличения длины задержки (Корнеев, Курганский, 2013) не проявился при воспроизведении последовательности букв, что может указывать на особенности сохранения порядка следования элементов вербальной последовательности. На модальную специфичность сохранения и преобразования серийной информации указывали также данные ССП, возникающих в ответ на императивный сигнал (Мачинская и др., 2023): увеличение времени удержания ломаной линии сопровождалось ростом амплитуды длиннолатентных позитивных компонентов ССП (P200, P250, P300) в лобных, височных, теменных и височно-теменно-затылочных зонах обоих полушарий с преобладанием изменений в правом полушарии, а увеличение времени удержания последовательности букв – сходными изменениями ССП преимущественно в лобно-височных зонах левого полушария, центральных билатеральных и сагиттальном теменном отведении.

Таким образом, наши предыдущие исследования свидетельствуют в пользу «активного» характера процессов удержания последовательно-организованной информации, вовлечения в этот процесс механизмов интеграции различных сенсорных признаков и формирования менее зависимых от сенсорных характеристик внутренних репрезентаций последовательностей. Вместе с тем вопросы о нейрональных механизмах преобразований домен-специфичных кодов в абстрактные в процессе кратковременного сохранения следов требуют проведения дополнительных исследований.

Один из путей получения дополнительной информации о механизмах преобразований внутренних репрезентаций – изучение функциональной организации РП у детей. Разная скорость созревания корковых и корково-подкорковых нейронных сетей и их «подключения» к нейрональным механизмам РП в онтогенезе (Фарбер, Бетелева, 2011; Бетелева и др., 2014) позволяет оценить их специфическую роль в общей функциональной организации РП.

Задача настоящего исследования, носящего поисковый характер, состояла в анализе возрастной специфики функциональной организации РП при отсроченном воспроизведении зрительно-пространственных и буквенных последовательностей у детей 10–12 лет. Мы использовали ту же экспериментальную модель, что ранее применялась в исследовании взрослых испытуемых, и те же параметры вызванной электрической активности коры на императивный сигнал. В этом исследовании мы пытались ответить на три основных вопроса: наблюдаются ли у детей изменения активности мозга в зависимости от режима предъявления последовательностей и времени удержания релевантной информации в РП; если наблюдаются, то зависят ли они от типа стимулов (вербальных или зрительно-пространственных); и, наконец, чем эти изменения, если они происходят, отличаются от выявленных ранее у взрослых.

МЕТОДИКА

Выборка. В эксперименте приняли добровольное участие 32 ребенка (17 девочек и 15 мальчиков) в возрасте 10–12 лет (11.09 ± 1.5 лет). После предварительного анализа качества записей ЭЭГ в итоговую выборку вошли 28 детей (из них 14 девочек).

Стимулы. В качестве эталонных стимулов использовали два типа последовательностей: вербальные – наборы согласных букв длиной от 3 до 5 символов без повторов – и зрительно-пространственные – незамкнутые ломаные линии, составленные из отрезков, число которых менялось от 4 до 6. Примеры последовательностей показаны на рис. 1. Оба вида последовательностей предъявляли в двух режимах: статическом и динамическом. В статическом режиме вся последовательность предъявлялась целиком на фиксированное время 2000 мс. В случае вербальной последовательности это были строки букв, а в случае зрительно-пространственной – изображение целой ломаной линии. В динамическом режиме буквы предъявлялись одна за другой, слева направо, с временем экспозиции каждого элемента 500 мс, а ломаные линии – в виде движущейся по ломаной траектории точки, имитирующей графические движения человека, рисующего такую линию, с временем движения по каждому отрезку ломаной 500 мс. В качестве императивного сигнала к воспроизведению последовательности использовался короткий тональный звуковой сигнал.

 

Рис. 1. Примеры вербальных и невербальных стимулов (a), режимы их предъявления (б) и последовательность событий в одной экспериментальной пробе (в).

Fig. 1. Examples of verbal and non-verbal stimuli (а), modes of their presentation (б) and the sequence of events in one experimental probe (в).

 

Экспериментальная проба

Ребенок должен был запомнить и воспроизвести тестовую последовательность после отсроченного императивного сигнала. Сначала на экране появлялся фиксационный крест, после чего предъявлялась последовательность стимулов для запоминания. Затем с псевдослучайно варьируемой задержкой в 500 или 3000 мс после окончания предъявления последовательности стимулов раздавался звуковой императивный сигнал. В случае невербальных последовательностей нужно было нарисовать запомненную траекторию пальцем на сенсорном экране. В случае вербальных – одновременно с императивным сигналом появлялась строка ранее показанных символов, перемешанных в случайном порядке, и ребенок должен был коснуться пальцем изображений букв на сенсорном экране в том порядке, в котором они были предъявлены в первый раз для запоминания.

Дизайн и процедура эксперимента

Эксперимент состоял из четырех блоков, соответствующих каждому из четырех сочетаний типов последовательностей (буквы или траектории) и режима предъявления (статического или динамического). Каждый блок включал в себя 48 проб. Пробы внутри каждого блока содержали последовательности разной длины (по 16 проб для каждой длины): для букв — из трех, четырех и пяти элементов, для траекторий — из четырех, пяти или шести элементов. Императивный сигнал представлял собой короткую тональную посылку частотой 440 Гц и длительностью 100 мс. В половине проб задержка императивного сигнала составляла 500 мс, в половине – 3000 мс, что соблюдалось для последовательностей каждой длины. Порядок проб с разной задержкой императивного сигнала внутри каждого блока был псевдослучайным, индивидуальным для каждого испытуемого. Порядок выполнения вербальных и невербальных блоков менялся от испытуемого к испытуемому в псевдослучайной последовательности. Каждый из четырех блоков предварялся короткой тренировочной сессией (четыре пробы), содержащей последовательности, не используемые в эксперименте. Во время проведения эксперимента ребенок сидел в кресле в затемненной камере. Сенсорный экран был расположен на таком расстоянии от него, чтобы было удобно рисовать пальцем (50–60 см). При этом до начала двигательного ответа нужно было удерживать указательный палец в определенной позиции (home position) – касаться небольшого прямоугольника на сенсорном экране.

Программное и техническое обеспечение эксперимента

Экспериментальная процедура была реализована с использованием пакета Psychtoolbox 3.0 в виде скрипта в вычислительной среде Octave 5.2.0 под управлением операционной системы Linux (дистрибутив Kubuntu). Управляющий скрипт выполнялся на компьютере Lenovo Yoga с сенсорным экраном (диагональ 14 дюймов, разрешение 1920 × 1080). Он использовался для предъявления стимулов, регистрации прикосновения и перемещения пальца испытуемого по экрану, а также управлял включением и выключением записи ЭЭГ и маркировкой экспериментальных событий на этих записях.

ЭЭГ высокой плотности записывалась при помощи компьютерного электроэнцефалографа (Electrical Geodesics, Inc.) в полосе частот 0.1–70 Гц (частота оцифровки – 250 Гц) от 129 электродов, расположенных в узлах сетчатого шлема HydroCel GSN (HCGSN), один из которых (вертексный электрод) использовался в качестве референтного во время записи. Созданные программой NetStation файлы данных содержали отдельные записи ЭЭГ для каждой пробы. В качестве референтного ЭЭГ-сигнала при анализе вызванной электрической активности использовалась полусумма сигналов от сенсоров, расположенных над левым и правым мастоидами.

Обработка ЭЭГ

В данном исследовании, так же как в аналогичном исследовании с участием взрослых испытуемых, мы использовали покомпонентный анализ ССП – метод, который широко распространен в электроэнцефалографических исследованиях нейрональных механизмов когнитивных процессов у человека (Luck, 2012). Анализировались амплитуды последовательных компонентов ССП (в мкв), регистрируемых в ответ на звуковой императивный сигнал. Императивный сигнал рассматривался в качестве «зонда» для оценки активности нейронных сетей коры, связанной с удержанием и подготовкой к воспроизведению внутренних репрезентаций эталонных последовательностей. Для выделения ССП с помощью вычислительной среды Octave из отдельных записей ЭЭГ, преобразованных к формату (*.mat), извлекались отрезки, привязанные по времени к началу императивного сигнала. Длительность отрезков составляла 660 мс, из них 160 мс составлял предстимульный период. Отрезки, содержащие артефакты, удалялись целиком в автоматическом режиме. Отрезок считался артефактным, если после удаления постоянной составляющей и последующей фильтрации в полосе частот 0.5–50 Гц амплитуда сигнала превышала 50 мкВ.

Индивидуальные ССП вычислялись для 20 псевдоотведений, соответствующих 8 парам латерально-симметричных отведений (Fp1/2, F3/4, F7/8, C3/4, P3/4, T3/4, P5/6, O1/O2) и четырем сагиттальным отведениям (Fz, Cz, Pz, Oz) стандартной схемы 10–20%. Для этого на шлеме HCGSN были выбраны 20 электродов, соответствующих указанным 20 отведениям схемы 10–20%, и для каждого такого электрода выбирались 4 или 5 ближайших датчиков, расположенных от основного на равном расстоянии. К безартефактным отрезкам ЭЭГ, принадлежащим каждой такой группе каналов (центральному каналу и его 4 или 5 соседям), применялся метод главных компонент, и первая главная компонента (компонента с наибольшей дисперсией) рассматривалась в качестве сигнала, характеризующего скоррелированную активность всей группы каналов. Полученный сигнал масштабировался таким образом, чтобы его средняя квадратичная амплитуда совпадала с таковой для всей группы исходных каналов. Таким образом, в результате описанной процедуры исходная 128-канальная ЭЭГ была заменена на сигналы от 20 подмножеств отведений, которые далее обозначены как псевдоотведения. Для каждого типа последовательностей для каждого испытуемого и каждого из 20 псевдоотведений на основе суммации безартефактных отрезков ЭЭГ вычислялись индивидуальные ССП, соответствующие четырем кросс-условиям – статическому и динамическому режиму при двух уровнях задержки (500 и 3000 мс). Если в каких-то из этих четырех кросс-условий не набиралось 16 безартефактных отрезков ЭЭГ в индивидуальной записи, то ССП для данного испытуемого в этом кросс-условии не вычислялся. В связи с этим количество случаев, которые учитывались при статистическом групповом анализе для разных кросс-условий, различалось.

Для определения положения компонентов ССП на временной оси использовался метод суперпозиции кривых: в одних осях строились усредненные по всем испытуемым графики ССП для всех анализируемых каналов отдельно для вербальной и зрительно-пространственной сессий эксперимента. Далее интерактивно, с помощью графического курсора, который вручную совмещали с графиком, определялись положения выраженных максимумов (для позитивных компонентов) или минимумов (для негативного компонента) на временной оси графика. Значения пиковых латентностей анализируемых компонентов ССП указаны в разделе «Результаты».

В данной работе представлены результаты анализа амплитудных характеристик 3 компонентов ССП, которые в соответствии с их порядком следования и средними пиковыми латентностями, согласно одной из принятых в электрофизиологической литературе классификаций (Luck, 2012; Ghani et al., 2020), условно обозначены N100, P200 и P300. Эти компоненты присутствовали на кривых ССП в большинстве экспериментальных условий у детей (см. рис. 2), а также присутствовали в аналогичных экспериментальных условиях в нашем предыдущем исследовании взрослых испытуемых (Курганский и др., 2022; Мачинская и др., 2023).

 

Рис. 2. Суперпозиция ССП в 20 псевдоотведениях в ответ на императивный сигнал при отсроченном копировании ломаной линии и воспроизведении порядка букв в последовательности: I, III – задержка 500 мс; II, IV – задержка 3000 мс; I, II – статический режим; III, IV – динамический режим

Fig. 2. Superposition of ERP to an imperative signal in 20 pseudo-leads during delayed copying of a broken line and reproducing of the order of letters: I, III – 500 ms delay; II, IV – 3000 ms delay; I, II – static mode; III, IV – dynamic mode

 

Статистический анализ проводился отдельно для сессий со зрительно-пространственными и вербальными заданиями. Влияние экспериментальных факторов оценивалось с помощью дисперсионного анализа по схеме повторных измерений (см. РЕЗУЛЬТАТЫ). Влияние количества элементов последовательностей в данной работе не анализировалось. При статистическом анализе параметров ССП в отдельных отведениях применялись поправки Бонферрони, учитывающие множественность сравнений. Исходя из количества латеральных отведений (16), в качестве статистически значимых рассматривались значения p < 0.05/16 = 0.003. Учитывая эксплораторный характер исследования, в анализ данных также включены статистические показатели с уровнем значимости 0.05 < p < 0.003 без поправок на множественные сравнения, что отдельно отмечено в описании результатов. В целом необходимо отметить существенный индивидуальный разброс отклонений амплитудных характеристик ССП на императивный сигнал у детей, что сказалось на результатах статистического анализа.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Методом суперпозиции усредненных по группе потенциалов в 20 псевдоотведениях были выделены основные компоненты ССП в ответ на императивный сигнал при отсроченном воспроизведении ломаной линии и последовательности букв у детей (рис. 2).

Для сопоставимости данных, полученных у взрослых (Курганский и др., 2022) и детей, статистический анализ в данном исследовании был ограничен тремя компонентами: N100, P200 и P300. У детей амплитуды компонентов индивидуальных ССП вычислялись как среднее арифметическое ССП во временном коридоре ±4 мс вокруг положения пика для следующих латентностей: при копировании ломаной линии – 116 мс (N100), 180 мс (P200), 320 мс (P300); при воспроизведении последовательности букв – 104 мс (N100), 184 мс (P200), 300 мс (P300).

Отсроченное копирование ломаной линии

Дисперсионный анализ компонентов ССП проводился по той же схеме, которая использовалась при анализе данных взрослых испытуемых (Курганский и др., 2022). Независимыми переменными дисперсионного анализа служили РЕЖИМ предъявления (статический, динамический), ДЛИТЕЛЬНОСТЬ удержания информации в РП (500 и 3000 мс), КОМПОНЕНТ ССП (N100, P200 и P300), ОТВЕДЕНИЕ ЭЭГ (8 отведений для анализа латеральных ССП или 4 отведения для анализа сагиттальных ССП), ПОЛУШАРИЕ (для латеральных ССП).

На первом этапе дисперсионного анализа для латеральных отведений были обнаружены значимые взаимодействия РЕЖИМ*КОМПОНЕНТ (F (1, 24) = 4.484, p = 0.05, η²_p = 0.378) и РЕЖИМ * КОМПОНЕНТ * ОТВЕДЕНИЕ * ПОЛУШАРИЕ (F (14, 11) = 5.806, p = 0.03, η²_p = 0.697). При анализе ССП сагиттальных отведений значимым оказалось взаимодействие ДЛИТЕЛЬНОСТЬ * ОТВЕДЕНИЕ (F(3, 22) = 3.138, p = 0.046, η²_p = 0.300).

Наличие значимых взаимодействий с фактором КОМПОНЕНТ при анализе вызванной активности в симметричных латеральных отведениях позволило перейти к дисперсионному анализу влияния экспериментальных факторов на амплитуды отдельных компонентов ССП. Усредненные по испытуемым значения амплитуд 3 анализируемых компонентов в симметричных отведениях левого и правого полушарий и их амплитудные карты представлены на рис. 3. Отрицательные значения P200 и P300 связаны со смещением пиков этих компонентов в части отведений ниже нулевой линии (см. рис. 2).

 

Рис. 3. Задача удержания и последующего воспроизведения ломаных линий. Усредненные значения 3 компонентов ССП на императивный сигнал (в мкв) и их амплитудные карты. Бары погрешностей отражают двусторонние значения SEM. Для каждого компонента I, III – задержка 500 мс; II, IV – задержка 3000 мс; I, II – статический режим; III, IV – динамический режим. Серые столбики – левое полушарие, черные столбики – правое полушарие. Обозначения псевдоотведений: Fp – Fp1/2; F – F3/4: Fi – F7/8; C – C3/4; P – P3/4; Ta – T3/4; Tp – T5/6, O – O1/O2. Цветовая шкала характеризует амплитуду соответствующего компонента, нормированную на абсолютную величину максимального отклонения этого компонента от 0, синий цвет – отклонение в сторону отрицательных значений, красный – в сторону положительных значений.

Fig. 3. The task of maintaining and reproducing broken lines. Averaged values of three ERP components of the ERP to an imperative signal (in μV) and their amplitude maps. Error bars reflect two-sided SEM values. For each component I, III – 500 ms delay; II, IV – 3000 ms delay; I, II – static mode; III, IV – dynamic mode. Gray columns – left hemisphere, black columns – right hemisphere. Designations of the pseudoleads: Fp – Fp1/2; F – F3/4: Fi – F7/8; C – C3/4; P – P3/4; Ta – T3/4; Tp – T5/6, O – O1/O2. The color scale characterizes the amplitude of the corresponding component, normalized to the absolute value of the maximum deviation of this component from zero, blue – deviation towards negative values, red – towards positive values.

 

Компонент N100

Дисперсионный анализ по схеме РЕЖИМ * ДЛИТЕЛЬНОСТЬ * ПОЛУШАРИЕ * ОТВЕДЕНИЕ в симметричных латеральных отведениях выявил значимое взаимодействие ДЛИТЕЛЬНОСТЬ * ПОЛУШАРИЕ (F(1, 24) = 5.599, p = 0.026, η²_p = 0.189). Данные амплитудных карт и графики средних значений этого компонента в одноименных латеральных отведениях обоих полушарий свидетельствуют об относительно большей амплитуде этого компонента в отведениях левого полушария по сравнению с правым при небольшой задержке императивного сигнала и вовлечении коры правого полушария при увеличении времени задержки.

Согласно средним значениям компонента N100, представленным на рис. 3, левополушарная асимметрия наблюдалась в случае статического режима во всех одноименных отведениях при короткой задержке, что подтверждается статистически для усредненных по полушариям значений (F(1,27) = 3.378, p = 0.035, η²_p = 0.181). При увеличении задержки эта асимметрия нивелировалась за счет роста амплитуды N100 в отведениях правого полушария, однако он оказался статистически незначимым. При этом амплитуда компонента N100 в отдельных отведениях не демонстрировала значимой зависимости ни от режима предъявления эталона, ни от длительности удержания информации в РП. Дисперсионный анализ влияния экспериментальных условий на амплитуду N100 в сагиттальных отведениях также не выявил статистически значимых зависимостей.

Компонент P200

Дисперсионный анализ по схеме РЕЖИМ * ДЛИТЕЛЬНОСТЬ * ПОЛУШАРИЕ* ОТВЕДЕНИЕ выявил тенденцию к взаимодействию РЕЖИМ * ОТВЕДЕНИЕ * ПОЛУШАРИЕ (F(7, 18) = 2.465, p = 0.068, η²_p = 0.611) и значимое взаимодействие ДЛИТЕЛЬНОСТЬ * ОТВЕДЕНИЕ (F (7, 18) = 3.047, p = 0.039, η²_p = 0.566). Наличие значимых взаимодействий фактора ОТВЕДЕНИЕ с основными экспериментальными условиями позволило провести анализ влияния режима предъявления эталона и длительности удержания информации в РП на амплитуду компонента P200 в различных отведениях. При анализе влияния фактора РЕЖИМ были обнаружены значимыe различия в виде более высокой амплитуды компонента P200 в случае использования статического режима в лобном полюсном (Fp1, F(1, 24) = 10.820, p = 0.001, η²_p = 0.246) и нижнелобном (F7, F(1, 24) = 10.121, p = 0.001, η²_p = 0.229) отведениях левого полушария

При анализе влияния фактора ДЛИТЕЛЬНОСТЬ значимые различия в виде более высокой амплитуды P200 при короткой задержке обнаружены в затылочных отведениях обоих полушарий (О1, (F(1,24) = 9.940, p = 0.005, η²_p = 0.492; O2, F(1,24) = 10.940, p = 0.003, η²_p = 0.381), при этом значимое влияние режима предъявления эталона на амплитуду P200 в затылочных отведениях не обнаружено. На рис. 3 видно, что в переднецентральных отделах левого полушария при статическом предъявлении эталона амплитуда P200, напротив, растет с увеличением задержки, однако эти изменения статистически незначимы.

Дисперсионный анализ влияния экспериментальных условий на амплитуду P200 в сагиттальных отведениях не выявил статистически значимых зависимостей.

Таким образом, у детей позитивность с латентностью 200 мс, возникающая в ответ на императивный сигнал, больше выражена в условиях статического предъявления эталонной ломаной линии. Эти различия преобладают в лобных полюсных и нижнелобных отведениях левого полушарии. Увеличение времени задержки императивного сигнала приводит к разнонаправленным изменениям амплитуды этого компонента ССП в передних ассоциативных и каудальных зрительных отделах, но значимые изменения в виде снижения амплитуды наблюдаются только в проекциях сенсорно-специфических зрительных зон.

Компонент P300

Дисперсионный анализ амплитуды P300 для симметричных латеральных отведений по схеме РЕЖИМ * ДЛИТЕЛЬНОСТЬ * ПОЛУШАРИЕ * ОТВЕДЕНИЕ выявил тенденцию к двойному взаимодействию ДЛИТЕЛЬНОСТЬ * ОТВЕДЕНИЕ (F(7, 8) = 2.343, p = 0.069, η²_p = 0.477) и тройному взаимодействию ДЛИТЕЛЬНОСТЬ * ОТВЕДЕНИЕ * ПОЛУШАРИЕ (F(7, 18) = 3.144, p = 0.061, η²_p = 0.455). Режим предъявления не оказывал влияния на амплитуду P300 ни в качестве основного эффекта, ни во взаимодействии с другими экспериментальными условиями. Для сагиттальных отведений значимых влияний экспериментальных факторов или их взаимодействий обнаружено не было.

Учитывая эксплораторный характер исследования и наличие взаимодействий факторов ДЛИТЕЛЬНОСТЬ и ОТВЕДЕНИЕ на уровне тенденции, мы провели анализ влияния времени задержки на амплитуду P300 в отдельных латеральных отведениях. Этот анализ выявил значимые различия (без учета поправки на множественные сравнения) между пробами с длительностью 500 и 3000 мс для левого лобного полюсного отведения (Fp1, (1,24) = 6.134, p = 0.021, η²_p = 0.204) и левого нижнелобного отведения (F7, F(1,24) = 5.662, p = 0.026, η²_p = 0.191). В обоих случаях позитивность P300 возрастала при удлинении времени задержки. При этом значимого влияния режима предъявления ломаной ни в одном из отведений обнаружено не было.

Отсроченное воспроизведение последовательности букв

Дисперсионный анализ амплитудных параметров ССП для латеральных отведений по схеме РЕЖИМ (статический, динамический), ДЛИТЕЛЬНОСТЬ (500 и 3000 мс), КОМПОНЕНТ ССП (N100, P200 и P300), ОТВЕДЕНИЕ ЭЭГ (8 отведений), ПОЛУШАРИЕ выявил значимое взаимодействие факторов ДЛИТЕЛЬНОСТЬ * ОТВЕДЕНИЕ (F(7,15) = 10.268, p < 0.0001, η²_p = 0.827), ДЛИТЕЛЬНОСТЬ * ПОЛУШАРИЕ (F(1,21) = 10.187, p = 0.004, η²_p = 0.327), ДЛИТЕЛЬНОСТЬ * ОТВЕДЕНИЕ*ПОЛУШАРИЕ (F(7,15) = 2.992, p = 0.048, η²_p = 0.547), РЕЖИМ * КОМПОНЕНТ * ОТВЕДЕНИЕ (F(14,8) = 2.904, p = 0.048, η²_p = 0.809) и РЕЖИМ * ДЛИТЕЛЬНОСТЬ * КОМПОНЕНТ* ОТВЕДЕНИЕ (F(14,8) = 3.660, p = 0.023, η²_p = 0.837). Наличие значимых взаимодействий фактора КОМПОНЕНТ с основными экспериментальными условиями позволило провести отдельные дисперсионные анализы для трех компонентов ССП. Дисперсионный анализ ССП для сагиттальных отведений значимых влияний экспериментальных факторов или их взаимодействий не выявил. Абсолютные значения 3 анализируемых компонентов в симметричных отведениях левого и правого полушарий и их амплитудные карты представлены на рис. 4. Отрицательные значения P200 и P300 связаны со смещением пиков этих компонентов в части отведений ниже нулевой линии (см. рис. 2).

 

Рис. 4. Задача удержания и последующего воспроизведения последовательностей букв. Усредненные по группе значения 3 компонентов ССП на императивный сигнал (в мкв) и их амплитудные карты. Бары погрешностей отражают двусторонние значения SEM. Для каждого компонента I, III – задержка 500 мс; II, IV – задержка 3000 мс; I, II – статический режим; III, IV – динамический режим. Серые столбики – левое полушарие, черные столбики – правое полушарие. Обозначения псевдоотведений и цветовая шкала амплитудных карт те же, что на рис. 3.

Fig. 4. The task of retaining and subsequent reproduction of letter sequences. Averaged values of three components of the ERP to an imperative signal (in μV) and their amplitude maps. Error bars reflect two-sided SEM values. For each component I, III – delay 500 ms; II, IV – delay 3000 ms; I, II – static mode; III, IV – dynamic mode. Gray columns – left hemisphere, black columns – right hemisphere. Designations of the pseudoleads and color scale of amplitude maps are the same as in Fig. 3.

 

Компонент N100

Для этого компонента обнаружено значимое взаимодействие ДЛИТЕЛЬНОСТЬ * ПОЛУШАРИЕ (F(1,21) = 18.166, p < 0.0001, η²_p = 0.464) и ЛИТЕЛЬНОСТЬ * ОТВЕДЕНИЕ * ПОЛУШАРИЕ (F(7,15) = 5.556, p = 0.003, η²_p = 0.722). На рис. 4 видно, что амплитуда компонента растет при увеличении времени задержки преимущественно в правом полушарии в переднецентральных отведениях. Однако анализ изменений N100 в зависимости от длительности удержания вербальной информации в отдельных отведениях значимых различий не выявил.

Компонент P200

Время удержания вербальной информации в РП оказывало значимое влияние на величину этого позитивного компонента в зависимости от локализации ССП. Значимыми оказались следующие взаимодействия: ДЛИТЕЛЬНОСТЬ * ОТВЕДЕНИЕ (F(7,15) = 7.889, p < 0.0001, η²_p = 0.789), ДЛИТЕЛЬНОСТЬ * ПОЛУШАРИЕ (F(1,21) = 9.848, p = 0.005, η²_p = 0.319) и ДЛИТЕЛЬНОСТЬ * ОТВЕДЕНИЕ * ПОЛУШАРИЕ (F(7,15) = 7.794, p = 0.002, η²_p = 0.730).

Анализ влияния экспериментальных факторов на позитивность P200 в отдельных отведениях выявил ее значимый (c поправкой на множественные сравнения) рост при удлинении периода удержания информации в РП в нижнелобном (F7, F(1,21) = 11.098, p = 0.003, η²_p = 0.346) и передневисочном (T3, F(1,21) = 11.776, p = 0.003, η²_p = 0.359) отведениях левого полушария, а также значимый (но без поправки на множественные сравнения) рост в теменном (P3, (F(1,21) = 4.967, p = 0.024, η²_p = 0.251) и центральном (C3, (F(1,21) = 6.124, p = 0.022, η²_p = 0.226) отведениях того же полушария. Значимого влияния фактора РЕЖИМ для этого компонента не обнаружено.

Компонент P300

Дисперсионный анализ величины этого компонента выявил значимые взаимодействия ДЛИТЕЛЬНОСТЬ * ОТВЕДЕНИЕ (F(7,15) = 4.986, p = 0.004, η²_p = 0.699) и ДЛИТЕЛЬНОСТЬ * ПОЛУШАРИЕ (F(7,15) = 4.411, p = 0.006, η²_p = 0.528).

Анализ влияния экспериментальных условий на ССП в отдельных отведениях левого и правого полушарий показал, что как в качестве основного эффекта, так и во взаимодействии с другими факторами значимое влияние оказывает только ДЛИТЕЛЬНОСТЬ удержания буквенных последовательностей. Значимый эффект длительности задержки с учетом поправки на множественные сравнения выявлен в передневисочном (T3, (F(1,21) = 10.824, p = 0.001, η²_p = 0.271), задневисочном (T5, (F(1,21) = 9.673, p = 0.003, η²_p = 0.215) и теменном (P3, (F(1,21) = 10.073, p = 0.002, η²_p = 0.284) отведениях левого полушария. Кроме этого, значимым без учета поправки на множественное сравнение оказался рост амплитуды P300 в левом центральном отведении (C3, (F(1,21) = 4.941, p = 0.037, η²_p = 0.190). Во всех случаях значение позитивности P300 было выше при задержке 3000 мс, чем при задержке 500мс.

Дисперсионный анализ величины P300 в сагиттальных отведениях выявил значимое взаимодействие ДЛИТЕЛЬНОСТЬ * ОТВЕДЕНИЕ (F(3,19) = 3.862, p = 0.024, η²_p` = 0.356). Наиболее выраженные и значимые (но без поправки на множественные сравнения) различия при этом были обнаружены в теменном сагиттальном отведении (Pz) в виде более высоких значений позитивности P300 при длительной задержке (F(1,21) = 6.135, p = 0.022, η²_p = 0.226).

Таким образом, при удержании и отсроченном воспроизведении буквенных последовательностей, так же как при удержании и копировании ломаной линии, активация корковых зон при извлечении релевантной информации в ответ на императивный сигнал зависела от времени удержания репрезентации эталона. В отличие от воспроизведения траекторий, режим предъявления буквенных последовательностей не оказывал значимого влияния на анализируемые параметры ССП.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В настоящем исследовании основные статистически значимые изменения ССП, которые мы наблюдали у детей 10–12 лет при варьировании экспериментальных условий удержания вербальных и невербальных последовательностей в РП, касались позитивных составляющих во временных интервалах 150–250 мс (P200, или P2) и 280–400 мс (P300, или P3). Для интерпретации полученных результатов с точки зрения отражения в них функциональной организации РП обратимся к данным о связи этих компонентов с когнитивными процессами.

Оба этих позитивных компонента выделяются в поверхностной ЭЭГ как во фронтальных, так и в каудальных отведениях и демонстрируют функциональную и нейрональную гетерогенность. Так, в интервале 150–250 мс (P200) в литературе описаны как минимум 2 позитивных компонента – фронтальный и каудальный. Каудальный P2 ассоциируется с обработкой категориальных признаков значимой информации при ее восприятии (Schendan, Kutas, 2007; Finnigan et al., 2011) и удержании в РП (Lefebvre et al., 2005), тогда как фронтальный – с влияниями со стороны мотивационных модулирующих систем, которые сигнализируют о соответствии анализируемого объекта параметрам целевого стимула (Potts et al., 2005), в том числе при подготовке к двигательному ответу (Berchicci et al., 2016). В работе (Клеева и др., 2020) высказывается предположение, что P2, регистрируемый в сенсорно-специфических зонах при восприятии релевантной информации, отражает процессы информационного синтеза между входящими стимулами и внутренними репрезентациями, хранящимися в РП.

Более позднюю позитивную волну ССП во временном интервале от 250 до 400 мс условно обозначают как компонент P300, или P3. Исследователи связывают P3 c механизмами сличения текущего сигнала со следами памяти и выделяют в нем два компонента – P3a и P3b: первый, более ранний, соотносят с автоматизированной ориентировочной реакцией, возникающей в ответ на новые и не требующие никаких действий события (например, при использовании novel oddball-парадигмы), а второй – с сопоставлением текущей целевой информации с информацией, хранящейся в РП, на этапе подготовки к совершению произвольного действия (для обзора см. (Soltani, Knight, 2000; Polich, 2007; Verleger, 2020)). В цитируемых обзорах, а также в работах (Huang et al., 2015; Hall et al., 2015) приводятся сведения о том, что функциональная гетерогенность двух компонентов P3 сочетается со спецификой их нейрональной и нейрохимической основы. Так, «фронтальный» P3a связан с активностью цингулярной и латеральной префронтальной корковых зон и усилением метаболизма дофамина и глютамата; более поздний P3b – c активностью височно-теменных и вентролатеральных префронтальных корковых зон, а также гиппокампа, и усилением метаболизма норадреналина.

Важно подчеркнуть, что за волнами ССП, регистрируемыми от поверхности головы, в том числе за компонентами P3a и P3b, лежит вызванная активность распределенных нейронных сетей коры, а не изолированных источников в отдельных корковых зонах. Об этом свидетельствуют результаты анализа кортикограммы у пациентов во время нейрохирургических операций с помощью вживленных в кору электродов (Halgren et al., 1998). В этом исследовании показано, что волна P3a генерируется нейронами фронто-парието-цингулярной системы, включающей дорзолатеральную префронтальную кору, теменную кору в области супрамаргинальной извилины и цингулярную кору. Эта активность наблюдается в ответ на редкие слуховые и зрительные стимулы независимо от того, являются ли они целевыми или нет, привлекают ли произвольное внимание или нет. Волна P3b генерируется нейронами, расположенными на медиальной поверхности височной доли, в области верхней височной и передней теменной борозд, а также в вентролатеральной префронтальной коре, в ответ на слуховые или зрительные стимулы, которые требуют привлечения произвольного внимания, связанного с их дополнительной обработкой. Множественность источников этих позитивных колебаний исключает их строгое топографическое размежевание и предполагает возможность изменений их распределения на скальпе в зависимости от характера когнитивной деятельности, возрастных и индивидуальных особенностей индивида. Исследования волн ССП, условно обозначаемых P3a и P3b, при решении различных когнитивных задач свидетельствуют о том, что они отражают активность последовательно развивающихся процессов обработки релевантной информации: (1) привлечения внимания к существенным свойствам внешних стимулов или избирательной активации внутренних репрезентаций в РП ; (2) соотнесения этой релевантной информации с планом будущих действий (Berti, 2016; Verleger, 2020; Filimonov et al., 2022; Hosseini et al., 2024). В нашем исследовании неоднократно повторяющийся императивный сигнал использовался как триггер нейрональных процессов, обеспечивающих актуализацию внутренних репрезентаций для подготовки к воспроизведению последовательностей. Это позволяет связать наблюдаемые изменения P300 с более поздним компонентом P3b, отражающим процессы реактивации внутренних репрезентаций, содержащих информацию, необходимую для построения последовательности будущих действий.

С учетом приведенных выше данных о функциональной специфике различных составляющих P200 и P300 рассмотрим полученные результаты с точки зрения ответов на поставленные во введении вопросы.

Наблюдается ли у детей зависимость ССП на императивный сигнал от режима предъявления последовательностей и времени их удержания в РП?

На этот вопрос наше исследование отвечает утвердительно. На рис. 5 в схематическом виде представлена топография зависимости, вызванной ЭА коры на императивный звуковой сигнал от длительности задержки (верхний ряд) и режима предъявления последовательностей (нижний ряд). Что касается режима предъявления последовательностей, то у детей, так же как и у взрослых (Курганский и др., 2022), ССП был выше при статическом режиме, чем при динамическом в задаче отсроченного копирования ломаной линии, что мы связывали с дополнительным привлечением ресурсов внимания при преобразовании статического зрительного образа траектории в последовательность отдельных зрительно-пространственных образов отрезков для последующего копирования. Сравнение временных и топографических характеристик изменений ССП, связанных с режимом предъявления траекторий, у детей и взрослых указывает на их возрастные особенности: у детей при статическом режиме увеличивался компонент P200 в переднеассоциативных зонах левого полушария, у взрослых же – негативный компонент N100 в лобно-центральных зонах обоих полушарий. При анализе зависимости ССП у детей от режима предъявления буквенных последовательностей значимых влияний этого фактора обнаружено не было, что согласуется с поведенческими данными, полученными на детской выборке, которые свидетельствуют об отсутствии различий в точности воспроизведения последовательности букв при статическом и динамическом режиме их предъявления (Корнеев и др., 2024).

 

Рис. 5. Топография зависимости величины ССП на императивный сигнал от длительности удержания и режима предъявления ломаной линии и последовательности букв. Обозначения: I, II – влияние фактора ДЛИТЕЛЬНОСТЬ; III, IV – влияние фактора РЕЖИМ; I, III – удержание ломаной линии; II, IV – удержание последовательности букв. Данные о статистической значимости различий ССП в отдельных отведениях указаны в тексте раздела РЕЗУЛЬТАТЫ. Кружок – P200, треугольник – P300. Сплошная линия – величина ССП больше при длительности задержки 3000 мс, пунктир – при длительности задержки 500 мс.

Fig. 5. Topography of the significant ERP changes due to the retention time and mode of presentation of the broken lines and the letter sequences. Designations: I, II – the influence of DURATION; III, IV – the influence of MODE; I, III – retention of broken lines; II, IV – retention of letter sequences. Data on statistical significance of ERP differences in individual leads are given in the text of RESULTS section. Circle – P200, triangle – P300. Solid line – ERP value is higher with delay duration of 3000 ms, dotted line – with delay duration of 500 ms.

 

Существенно большее влияние на параметры ССП оказывала длительность задержки между эталонной последовательностью и императивным сигналом: у детей, так же как и у взрослых (Курганский и др., 2022; Мачинская и др., 2023), удлинение периода удержания релевантной последовательно-организованной информации, как зрительно-пространственной, так и вербальной, сопровождалось изменениями реактивности нейронных сетей коры. При этом наиболее выраженные изменения касались позитивных составляющих ССП – P200 и P300. Общим для обеих модальностей был рост величины этих компонентов в зонах проекций переднеассоциативных и заднеассоциативных корковых зон по мере увеличения длительности задержки. Основываясь на приведенных выше данных о функциональной значимости P200 и P300, мы рассматриваем этот результат как свидетельство преобразования внутренних репрезентаций последовательностей в абстрактную (менее зависимую от входных характеристик информации) форму, что требует участия нейронных сетей ассоциативных корковых зон.

Зависят ли изменения активности мозга детей в процессе удержания последовательностей от типа стимулов (вербальных или зрительно-пространственных)?

На этот вопрос наше исследование отвечает также утвердительно. Наряду с домен-неспецифичными преобразованиями ССП мы наблюдали и изменения, связанные с модальностью последовательностей. С ростом времени удержания ломаной линии величины P200 и P300 изменялись разнонаправленно в зависимости от локализации отведения: величина P200 в зонах проекции зрительных сенсорно-специфических областей коры обоих полушарий (O1, O2) уменьшалась при удлинении задержки, а позитивность P300 в переднеассоциативных зонах левого полушария (Fp1, F7), напротив, росла. Учитывая функциональную специфичность компонентов P200 (см. выше), можно предположить, что в данном случае речь идет о P2a, который отражает процессы сенсорного кодирования, а уменьшение его амплитуды в затылочных отведениях с увеличением длительности задержки отражает снижение активности сенсорно-специфических нейронных сетей (по крайней мере, в данной экспериментальной задаче) в процессе удержания информации в РП. Рост Р300 в латеральных переднеассоциативных зонах (Fp1, F7), по-видимому, можно трактовать как активацию механизмов преобразования внутренних репрезентаций эталонной последовательности для реализации последовательности действий, что в литературе связывается с реактивностью P3b (см. обсуждение выше). Это предположение согласуется с функциональной специализацией латеральных лобных полюсных и нижнелобных зон префронтальной коры в формировании, сохранении и актуализации последовательности действий (Bludau et al., 2014; Papitto et al., 2020).

Топография значимых изменений ССП при увеличении длительности удержания буквенных последовательностей отличалась от наблюдавшейся при удержании ломаной линии: рост величины P200 и P300 отмечался преимущественно в височных, теменных и заднеассоциативных зонах левого полушария, что согласуется с функциональной специализацией этих корковых зон в процессах обработки и удержания в РП фонологических единиц и буквенных последовательностей (Ekert et al., 2021; Hodgson et al., 2023). При анализе вербальной сессии эксперимента обращает на себя внимание менее выраженное по сравнению со зрительно-пространственной сессией вовлечение переднеассоциативных зон левого полушария в процесс преобразования внутренних репрезентаций в последовательность действий. Это может быть связано как с особенностями стимульного материала, так и с особенностями воспроизведения последовательностей. Вербальные стимулы исходно представляли собой последовательно организованные (суксессивные) информационные единицы, в которых каждый элемент изначально характеризовался своим «местом» в ряду, в отличие от изображений ломаной линии, которая удерживалась в РП в виде симультанного образа, где важны пространственные характеристики отдельных элементов (отрезков) и их соотношения, а не сами отдельные элементы. Можно предположить, что это свойство вербальных последовательностей облегчало их преобразование в последовательность планируемых действий, а значит, требовало меньшей активации префронтальных корковых зон. Кроме этого, вербальная и зрительно-пространственные сессии отличались характером двигательного ответа: в первом случае требовалось запомнить место каждой буквы в ряду, а двигательный ответ представлял собой отдельные прикосновения к сенсорному экрану; во втором случае требовалось нарисовать ломаную линию, а значит, придать симультанному образу «новое», требуемое задачей качество последовательности, что увеличивало нагрузку на процесс преобразования внутренних репрезентаций и соответствующую активацию префронтальных корковых зон. О дополнительных преобразованиях внутренних репрезентаций ломаных линий по сравнению с репрезентациями буквенных последовательностей как у взрослых, так и у детей косвенно говорит наличие эффекта задержки (сокращение латентного времени двигательного ответа при увеличении времени удержания информации в РП) для невербальной информации и отсутствие такового – для вербальной (Корнеев и др., 2022; Корнеев и др., 2024).

В чем состоят возрастные особенности изменений активности мозга, выявленных в процессе удержания вербальных и невербальных последовательностей в РП?

Основные возрастные различия касаются задачи удержания и отсроченного копирования ломаной линии. Связанные с увеличением длительности задержки изменения позитивных компонентов ССП в этой задаче у детей выявлены преимущественно в переднеассоциативных зонах левого полушария, в отличие от билатерального (с доминированием активности правого полушария) вовлечения этих зон у взрослых (Корнеев и др., 2016; 2022). Преобладание левополушарных изменений ССП было выявлено у детей и при анализе влияния режима предъявления, тогда как у взрослых реактивными были лобно-центральные зоны обоих полушарий. Эти наблюдения согласуются с выводами метаанализа фМРТ-данных детей и подростков (Houdé et al., 2010) о более высокой активации передней островковой коры левого полушария у детей 9.2 ± 2 лет по сравнению с подростками 14.3 ± 2 лет и, напротив, более высокой активации симметричных структур правого полушария у подростков по сравнению с детьми при выполнении тестов на оценку эффективности управляющих функций (УФ). Преимущественное вовлечение левого полушария в обеспечение УФ, в частности при удержании информации в РП, у детей 10–12 лет может свидетельствовать о возрастной морфофункциональной незрелости префронтальной коры правого полушария (в особенности ее базальных и вентральных отделов). В пользу этого предположения говорят данные морфометрического исследования детей и подростков в возрасте от 4 до 20 лет (Shaw et al., 2009), в котором показан относительный прирост толщины коры правого полушария в зоне нижней лобной извилины, а также в передней островковой и орбито-фронтальной областях того же полушария на протяжении всего исследованного периода. О длительном морфофункциональном созревании фронтальных отделов правого полушария свидетельствуют также результаты исследований функциональной организации произвольного предстимульного внимания у детей 9–10 лет, а именно отсутствие у детей этого возраста свойственного взрослым усиления функционального взаимодействия между префронтальными и заднеассоциативными зонами правого полушария в процессе подготовки к решению сенсорной задачи (Мачинская, Дубровинская, 1994; Talalay et al., 2021). Еще одна возрастная особенность функциональной организации РП при удержании ломаной линии у детей заключается в более выраженной реактивности зрительных сенсорно-специфических зон обоих полушарий при короткой задержке императивного сигнала. Выше мы связали уменьшение амплитуды P200 в затылочных отведениях при увеличении длительности задержки императивного сигнала со снижением активности сенсорно-специфических нейронных сетей в процессе удержания информации в РП. Отсутствие этого эффекта у взрослых может быть обусловлено меньшей, чем у детей, нагрузкой на сенсорно-специфические зрительные зоны при извлечении следов в задачах на зрительную РП (Фарбер, Бетелева, 2011).

ВЫВОДЫ

1. Функциональная организация РП при удержании и отсроченном воспроизведении зрительно-пространственных и вербальных последовательностей у детей 10–12 лет исследовалась на основе анализа ССП на императивный сигнал.
2. Показана зависимость величины позитивных компонентов P200 и P300 от режима предъявления последовательностей (статического или динамического) и времени их удержания в РП (500 или 3000 мс), что указывает на преобразования нейрональной основы внутренних репрезентаций последовательно организованной информации в РП.
3. Обнаруженные эффекты режима предъявления и времени задержки императивного сигнала различаются для зрительно-пространственных и вербальных последовательностей.
4. При отсроченном копировании ломаной линии величина компонента P200 выше в лобном полюсном и нижнелобном отведениях левого полушария при использовании статического режима в сравнении с динамическим, тогда как в задаче воспроизведения последовательности букв эффект режима предъявления последовательности не обнаружен.
5. При отсроченном копировании ломаной линии удлинение интервала между эталонной последовательностью и императивным сигналом приводит к разнонаправленным изменениям P200 и P300 в каудальных и фронтальных отведениях: снижению P200 в затылочных отведениях обоих полушарий и увеличению P300 в нижнелобном и лобном полюсном отведениях левого полушария.
6. При отсроченном воспроизведении последовательности букв удлинение интервала между эталонной последовательностью и императивным сигналом приводит к увеличению P200 и P300 в латеральных лобно-височных и височно-теменных отведениях левого полушария.
7. Выявлена возрастная специфика влияния времени удержания информации на функциональную организацию РП при отсроченном копировании последовательностей у детей 10–12 лет: у детей, в отличие от взрослых (Курганский и др., 2022), не выявлено значимых изменений в зонах проекций переднеассоциативных и заднеассоциативных областей правого полушария и, напротив, обнаружены изменения в зонах проекций затылочных областей.

ИНФОРМАЦИЯ О ВКЛАДЕ КАЖДОГО АВТОРА

Р.И. Мачинская – статистическая обработка параметров ССП, написание текста; А.А. Корнеев – концепция исследования, статистическая обработка поведенческих данных; А.В. Курганский – концепция исследования, первичная обработка ЭЭГ-данных; Д.И. Ломакин – проведение экспериментального исследования.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

Работа выполнялась в рамках научно-исследовательского проекта ФГБНУ «ИРЗАР» (госзадание № 073-00073 на 2024 год).

УКАЗАНИЕ НА ОТСУТСТВИЕ ИЛИ НАЛИЧИЕ КОНФЛИКТА ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

Протокол исследования одобрен Этическим комитетом ФГБНУ ИРЗАР (протокол № 2 от 10.10.2024). Дети участвовали в исследовании добровольно. Родители детей дали письменное информированное согласие на участие детей в исследовании.

УКАЗАНИЕ НА ДОСТУПНОСТЬ ПЕРВИЧНЫХ ДАННЫХ

При необходимости можно запросить первичные данные у авторов.

Авторлар туралы

R. Machinskaya

Institute of Сhild Development, Health and Аdaptation; Russian Presidential Academy of National Economy and Public Administration

Email: regina_home@inbox.ru
Ресей, Moscow; Moscow

A. Korneev

Institute of Сhild Development, Health and Аdaptation; Lomonosov Moscow State University

Email: regina_home@inbox.ru
Ресей, Moscow; Moscow

A. Kurgansky

Institute of Сhild Development, Health and Аdaptation; Russian Presidential Academy of National Economy and Public Administration; Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology of the Russian Academy of Sciences

Email: regina_home@inbox.ru
Ресей, Moscow; Moscow; Moscow

D. Lomakin

Institute of Сhild Development, Health and Аdaptation

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: regina_home@inbox.ru
Ресей, Moscow

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар