Методы психофизиологических исследований

Регистрация вегетативных реакций. Первыми в психофизиологических исследованиях начали широко применяться и продолжают использоваться в настоящее время также в физиологии поведения методы регистрации вегетативных реакций. К ним относятся измерения проводимости кожи (кожно-гальваническая реакция, или кожно-гальванический рефлекс), деятельности сердечно-сосудистой системы, дыхания и др. Кожно-гальваническая реакция (КГР) – это измерение проводимости кожи, как правило, на ладони к слабому электрическому току. Электрическая проводимость кожи связана главным образом с активностью потовых желез, изменяющих ее сопротивление и находящихся под контролем вегетативной нервной системы. КГР чрезвычайно чувствительна к эмоциональному реагированию, состоянию тревоги, напряженности и часто используется для характеристики функционального состояния человека. Методы регистрации вегетативных реакций лежат в основе работы полиграфа, или «детектора лжи».

Физиологическое обеспечение психических процессов можно оценить по показателям деятельности сердечно-сосудистой системы. Изменения функциональной активности структур мозга требуют адекватного обеспечения необходимыми веществами и, прежде всего усиленного снабжения кислородом, что достигается интенсификацией кровоснабжения. Это обусловливает использование различных показателей деятельности сердечно-сосудистой системы для косвенной характеристики деятельности мозга. Признаками, отражающими напряженную работу сердца и усиление выброса крови, являются изменение минутного объема крови (количество крови, выбрасываемой сердцем в сосуды за 1 мин) и частота сердечных сокращений. Изменения в периферических сосудах изучаются с помощью реографии, плетизмографии, измерения кровяного давления и др.

Однако регистрация вегетативных реакций не относится к прямым методам измерения информационных процессов мозга. Одну и ту же вегетативную реакцию, например, появление кожно-гальванического рефлекса, можно наблюдать при разных информационных процессах: как при усилении внимания, так и при оборонительной реакции. Несмотря на то, что вегетативные показатели обладают достаточно высокой чувствительностью, они могут быть использованы только в качестве непрямого метода изучения информационных процессов. Это обусловлено тем, что они: 1) слишком тесно связаны с изменением функционального состояния и эмоциями; 2) слишком медленны и протекают с задержкой; 3) неспецифичны в отношении стимулов и задач.

Электроэнцефалография. В физиологии поведения широко используется метод регистрации электрической активности мозга – электроэнцефалография. Электрическая активность мозга характеризуется специфическими ритмами определенной частоты и амплитуды и может быть записана одновременно от многих участков поверхности головы. Это позволяет изучать их корреляцию с высшими психическими функциями. Метод электроэнцефалографии рассматривается как наиболее распространенный и адекватный для изучения нейрофизиологических основ психической деятельности. На записи электрической активности мозга – электроэнцефалограмме (ЭЭГ) в зависимости от частоты и амплитуды электрических колебаний выделяют следующие ритмы: альфа-ритм (α), бета-ритм (β), гамма-ритм (γ), дельта-ритм (δ), тета-ритм (θ), каппа-ритм (κ), лямбда-ритм (λ), сонные веретена, мю-ритм (μ), тау-ритм (τ). Электроэнцефалограмма меняется при изменении функционального состояния в период бодрствования, при переходе ко сну, при эпилептических припадках, потере сознания, заболеваниях мозга и др. ЭЭГ является записью текущей суммарной электрической активности огромного количества нейронов мозга, находящихся под электродами.

Вызванные потенциалы. Внешние сенсорные раздражения вызывают изменения в текущей электрической активности головного мозга, которые выглядят как последовательность из нескольких позитивных и негативных волн. Эти волны получили название вызванные потенциалы. Вызванные потенциалы отражают изменения функциональной активности областей коры, осуществляющих прием и обработку поступающей информации. Исследование вызванных потенциалов позволяет дать представление о психофизиологических механизмах внимания, обработки сенсорной информации и других процессах, протекающих в головном мозге человека.

Топографическое картирование. Метод топографического картирования – это метод изображения данных компьютерной обработки ЭЭГ, позволяющий представить пространственное распределение по коре больших полушарий ритмических компонентов ЭЭГ и вызванных потенциалов. В некоторых случаях этот метод позволяет обнаружить то, что принципиально не наблюдаемо в исходных записях. Многоканальная регистрация ЭЭГ и ее компьютерная обработка дают возможность представить полученные данные в наглядном виде удобном для восприятия. Построение последовательности таких карт дает представление о динамике процессов. На топографических картах, построенных на контуре черепа, цветом и его интенсивностью кодируются различные параметры ЭЭГ. Такое картирование позволяет охарактеризовать функциональную организацию мозга при его разных состояниях и видах деятельности.

Магнитоэнцефалография. Значительные успехи в локализации источников активности мозга связаны с развитием в последнее время метода магнитоэнцефалографии. Первые измерения электромагнитных полей мозга человека были сделаны в США в 1968 г. Магнитоэнцефалограмма (МЭГ) по сравнению с ЭЭГ обладает рядом преимуществ. Для ее регистрации не нужен контакт электродов с телом человека и поэтому нет искажений от кожи, подкожной жировой клетчатки, черепа, крови и др. В МЭГ (рис. 1) отражаются только источники активности, расположенные параллельно черепу. Благодаря этому без помех регистрируется активность различных участков коры больших полушарий и не воспринимаются электромагнитные колебания более глубоко расположенных отделов мозга. Поскольку и электрическая и электромагнитная активность мозга очень малы, то для получения достоверных результатов и в МЭГ и в ЭЭГ необходимо усреднение большого количества показателей.

Измерение локального мозгового кровотока. В 50–60-е годы 20-го века был разработан метод измерения локального мозгового кровотока. Поскольку мозговая ткань не имеет собственных энергетических ресурсов и зависит от поступления глюкозы и кислорода с кровью, то увеличение локального кровотока является косвенным показателем усиления активности соответствующих участков мозга (рис. 2). Метод основан на измерении скорости вымывания из тканей мозга предварительно введенных в организм (в кровь или с вдыхаемым воздухом) радиоактивных изотопов ксенона или криптона. Чем интенсивнее кровоток в данном участке мозга, тем быстрее в нем будет накапливаться содержание радиоактивных изотопов и быстрее происходить их вымывание. Увеличение кровотока наблюдается с ростом уровня метаболической активности участка мозга, что происходит при повышении его функциональной деятельности.

В других случаях применяют измерение скорости вымывания ионов водорода. Для этого в мозг вживляют ряд металлических электродов для регистрации сдвига электрохимического потенциала, который создается в результате подкисления тканей ионами водорода. По его уровню судят об активности локального участка мозга. Этот метод на человеке применяют в медицине для уточнения клинического диагноза при инсультах, опухолях и травмах мозга.

Существенным недостатком методов измерения локального мозгового кровотока является достаточно продолжительное время их осуществления. Каждое измерение длится около 2 минут. Поэтому методика измерения локального мозгового кровотока хороша для оценки тонических изменений или характеристики фоновой мозговой активности и малопригодна для изучения ее динамики.

Томографические методы исследования мозга. Методы компьютерной томографии применяются для изучения структур мозга и регистрации в его различных областях метаболических процессов, позволяющих судить об активности этих областей в процессе деятельности. С помощью компьютерной томографии, основанной на использовании новейших технических методов и вычислительной техники, можно получить множество плоских и объемных изображений одной и той же структуры мозга и оценить ее функциональную активность в данный момент времени.

Компьютерная рентгеновская томография позволяет получить как бы срезы мозга искусственным путем, используя просвечивание рентгеновскими лучами. Однако, в отличие от обычной рентгенографии, компьютерная рентгеновская томография позволяет получить снимок определенного поперечного слоя (среза) органа тела, в том числе и головного мозга. При этом орган можно исследовать слоями шагом в 1 мм. Рентгеновская томография относится к структурной, т.к. имея множество срезов всего объема объекта, компьютерные программы дают возможность можно воссоздать всю его структуру, получать объемные изображения. К примеру, компьютерная томограмма (рис. 3) позволяет увидеть поверхность головного мозга и очертания желудочков. По сравнению с мозгом здорового человека желудочки в мозгу шизофреника сильно увеличены, что свидетельствует о процессе разрушения нейронов мозга.

Благодаря высокой информативности и безопасности по сравнению с другими рентгеновскими методами компьютерная томография получила огромное распространение. Наибольшее значение она имеет для травматологии и нейрохирургии, когда необходимо определить наличие повреждения и его характер. В онкологии она используется для определения степени распространения опухолевого процесса. Также с помощью компьютерной рентгеновской томографии можно обнаружить воспалительные процессы, поражение лимфатических узлов, расширение сосудов, пороки развития и др.

ПЭТ основана на выявлении распределения в мозге различных химических веществ, которые принимают участие в мозговом обмене веществ. Для этого используют короткоживущие изотопы элементов, входящих в молекулы органических соединений мозга. Например, замещение в молекуле какого-либо вещества атома углерода, кислорода, азота или фтора соответственно изотопами С¹¹, О¹⁵, N¹³, F¹⁸ не влияет на химические свойства вещества, но позволяет проследить его движение в головном мозге методом ПЭТ. Чем выше в данный момент активность участка мозга, тем больше в нем накапливается изотопов и, следовательно, выше излучение, регистрируемое методом ПЭТ.

Совсем недавно появился метод ядерно-магнитной резонансной томографии, или магнитно-резонансной томографии (МРТ). МРТ используют как для получения карты структур мозга на основе контраста серого и белого вещества, т.е. в качестве структурной томографии, так и для выявления участков мозга с активно работающими нейронами, т.е. в качестве функциональной томографии. В структурной МРТ используется эффект резонансного поглощения атомами электромагнитных волн. Человека помещают в магнитное поле, которое создает аппарат. Молекулы в организме при этом разворачиваются согласно направлению магнитного поля. Если подействовать на человека радиочастотным сигналом, то ткани начнут излучать электромагнитные волны, которые можно измерить. Изменение состояния молекул фиксируется на специальной матрице и передается в компьютер, где проводится обработка полученных данных. Метод структурной МРТ позволяет обнаруживать в головном мозге опухолевые образования и зоны нарушения кровообращения в мозге.

Функциональная МРТ основана на использовании парамагнитных свойств особых веществ, которые можно ввести в организм. Такие вещества не обладают магнитными свойствами в обычных условиях, но приобретают их, попав в магнитное поле. Очень удобным веществом в этом отношении оказался гемоглобин. Гемоглобин, насыщенный кислородом, т.е. оксигемоглобин, не является парамагнитным. Но когда оксигемоглобин отдаст кислород и становится так называемым редуцированным гемоглобином, или деоксигемоглобином, то он приобретает парамагнитные свойства. Дополнительный приток с кровью кислорода к участку мозга снижает парамагнитные свойства этого участка. Таким способом можно определить активность локальных участков мозга и одновременно судить об объеме и скорости мозгового кровотока.

Преимущество МРТ состоит в том, что ее использование в отличие от ПЭТ не требует введения в организм радиоизотопов и вместе с тем так же, как ПЭТ, позволяет получить четкие изображения срезов мозга в различных плоскостях. Однако МРТ не может проводиться у тех людей, в организме которых находятся различные металлические конструкции – искусственные суставы, водители ритма сердца, дефибрилляторы, ортопедические конструкции, удерживающие кости и т.п.

Фармакологические методы. Фармакологические методы применяются как в клинике, так и для изучения механизмов здорового мозга. Результаты биохимического исследования продуктов выведения из мозга различных веществ позволяют оценить изменения физиологических механизмов в различных зонах мозга. Обнаружены вещества, образующиеся в мозге и влияющие на память (дельта-пептид памяти), на болевую чувствительность (эндорфины и энкефалины), на агрессию, гнев (адреналин) и др.

Вычитание карты активности мозга. Для изучения высших психических функции мозга применяют метод вычитания карты активности мозга, полученной во время выполнения менее сложной психической операции, из карты активности, соответствующей более сложной психической функции. Метод вычитания потенциалов применяется в различных видах электроэнцефалографии и томографии. На рисунке 5 приведена карта вычитания вызванных потенциалов на стандартный звук частотой 698 Гц (пунктирная линия) и различающийся по частоте на 12, 19, 25, 53 и 99 Гц (сплошная линия).

Термоэнцефалоскопия. Метод термоэнцефалоскопии основан на измерении локального метаболизма мозга и кровотока по теплопродукции. Мозг излучает лучи в инфракрасном диапазоне. В диапазоне 3–5 и 8–14 мкм тепловые лучи распространяются в атмосфере на большие расстояния и могут быть зарегистрированы тепловизором, расположенным на расстоянии от нескольких см до 1 м. В функционирующем мозге температура отдельных участков непрерывно меняется. Построение термокарты дает временной срез метаболической активности мозга.

Реоэнцефалография. Метод реоэнцефалографии основан на измерении электрического сопротивления ткани мозга при прохождении через него очень слабого электрического тока высокой частоты. Увеличение кровенаполнения тканей снижает их сопротивление электрическому току, что позволяет косвенно судить о состоянии мозгового кровообращения, тонусе кровеносных сосудов мозга, эффективности венозного оттока.

Эхоэнцефалография. В эхоэнцефалографии используется способность ультразвука по-разному отражаться от костей черепа и структур мозга, а также от цереброспинальной жидкости, опухолевых образований и др. Эти методом можно определять размеры и расположение глубинных структур мозга, обнаруживать наличие структурных новообразований, оценивать скорость и направление движения крови в сосудах мозга.

Моделирование функций мозга. В последние годы начало широко применяться компьютерное моделирование функций мозга. Созданы модели нервных сетей, осуществляющие отдельные мозговые функции. Сконструирован «детектор интеллекта», с помощью которого можно определять индивидуальные параметры отдельных стадий психической деятельности человека.

Таким образом, исследование психических процессов при помощи объективных психофизиологических и других методов открывает широкие перспективы для понимания механизмов работы мозга. Комплексное применение различных методических приемов намного повышает эффективность исследований.