Текст книги "Здоровый и больной мозг человека"

Детектор ошибок.
История, настоящее, перспективы

Лекция, прочитанная на 12-м конгрессе

Международной организации по психофизиологии. Салоники, 2004 г.

Н. П. Бехтерева, Н. В. Шемякина, М. Г. Старченко, С. Г. Данько, С. В. Медведев

Конец ХХ и начало XXI века без какого бы то ни было преувеличения могут быть охарактеризованы как «золотой период», и прежде всего – в плане изучения структурно-функциональной организации мозга. В этой, несомненно, важнейшей задаче в познании мозга и мозга человека в частности к настоящему времени получено множество принципиально новых сведений. На современном методическом уровне, созданном новыми технологиями и модернизацией так называемых старых, строятся все более близкие к реальности представления об организации мозга, и могут быть заново осмыслены сейчас почти «древние» теории локализационизма и холизма.

Однако действительное понимание того, как работает мозг, прежде всего – мозг человека, невозможно без проникновения в собственно механизмы мозга, в механизмы того, как мозг использует это свое огромное структурно-функциональное богатство. В открытии общих механизмов мозга, несомненно, центральная роль принадлежит таким корифеям прошлого, как И. М. Сеченов, И. П. Павлов, В. М. Бехтерев. Здесь имеются в виду ставшие уже классическими приложения рефлекторной теории к работе мозга и создание представлений об условных рефлексах, об анатомо-физиологической сущности сочетательных рефлексов.

Современные представления об общих механизмах работы мозга невозможно представить себе и без открытий активирующих систем (Moruzzi, Magoun, 1949). Многочисленные исследования вопроса внесли ряд корректив в первоначальные построения, однако основная идея этого важного мозгового механизма полностью прошла проверку временем. Представления об осуществлении деятельности мозга на основе меченых линий (Е. Н. Соколов, 1979), способствующие пониманию реализации целого ряда функций у низших животных и относительно простых функций у высших, были дополнены в плане понимания механизма осуществления высших функций концепцией о мозговой структурно-функциональной системе с жесткими и гибкими звеньями. Эта концепция создала новый подход для понимания базовых механизмов высших психических функций. Были также выдвинуты и подтверждены представления о защитных механизмах мозга и ряд других, открывающих возможности понимания механизмов не только здорового, но и больного мозга (Бехтерева, 1966, 1980).

Однако то, что мы сегодня знаем о механизмах мозга, все еще несопоставимо с огромным массивом данных о его структурнофункциональной организации. В связи с этим в понимании механизмов реализации деятельности здорового и больного мозга следует подчеркнуть важность изучения явления (феномена) детекции ошибок, открытого нами в 1968 году (N. P. Bechtereva, V. B. Gretchin, 1968) и являющегося сейчас предметом огромного числа работ.

История вопроса

В конце 1960-х годов в клинико-физиологических исследованиях у тех больных, которым по лечебно-диагностическим необходимостям вживляли долгосрочные электроды, многоплановый контроль за безопасностью пациентов обеспечивался регистрацией всех возможных физиологических показателей жизнедеятельности мозга в покое и при проведении различных, в том числе психологических, проб. Именно в этих исследованиях и было обнаружено, что физиологическая активность мозга в одних различных его зонах могла практически не изменяться или меняться невоспроизводимо (недостоверно), в других – меняться воспроизводимо, причем независимо от качества реализации психологического теста, в третьих – меняться также воспроизводимо, но различно избирательно, в зависимости от того, правильно или ошибочно выполнен психологический тест. Кроме того, было показано (Bechtereva, Grechin, 1968), что в нескольких зонах мозга физиологическая активность менялась воспроизводимо только при ошибочных выполнениях тестов (рис. 1, 2).

Феномен был описан нами в 1968 году, а «внутрилабораторное» название его «детектор ошибок» было введено нами в научную литературу в 1971 году (Н. П. Бехтерева, 1971, 1974, 1978).

Рис. 1. Различная воспроизводимая динамика наличного кислорода во время правильного (нижняя кривая) и неправильного (верхняя кривая) выполнения психологического задания.

I – выполнение задания; II – удерживание в памяти; III – ответ

Рис. 2. Динамика наличного кислорода во время правильного и неправильного выполнения заданий. А – воспроизводимые изменения наличного кислорода во время правильного выполнения тестовых заданий и отсутствие воспроизводимых изменений во время ошибочного выполнения. В – отсутствие воспроизводимых изменений наличного кислорода во время правильного выполнения заданий и наличие воспроизводимых изменений во время ошибочного выполнения заданий: I– выполнение задания; II—удержание в памяти; III – ответ

Этим термином мы обозначили нейронные популяции, избирательно или исключительно реагирующие на ошибочное выполнение психологического теста. Реакция такого рода была обозначена нами как детекция ошибок, а сам феномен – как отражение активности детектора ошибок. Детекция ошибок была зарегистрирована на основе воспроизводимых перестроек динамики наличного кислорода (напряжения кислорода) и позднее импульсной активности нейронных популяций в подкорковых структурах (n. caudatus, globus pallidus, c. medianum th, n. ventrolateralis th), а затем и в коре (Поле Бродманна 1–4, 7, 40).

Пациенты не всегда осознавали ошибочность ответа. Достаточно тонкий физиологический показатель – динамика импульсной активности нейронных популяций, которую мы начали исследовать позднее, – позволил нам наблюдать воспроизводимые изменения частоты разрядов в различные фазы ошибочного выполнения пробы.

Существенная разница динамики импульсной активности нейронов на предъявление различных, и в том числе намеренно искаженных, вербальных проб была зарегистрирована в области ВА 46/10 (Abdullaev, Bechtereva, 1993), хотя именно в этом случае можно было думать и об отражении в наблюдаемой реакции значения семантической составляющей проб.

В соответствии с полученными нами данными хочу отметить возможные перспективы развития новых работ, в частности, Ojemann (2003), Ojemann и коллег (2004). Эти авторы получили «элегантные» результаты при прямой регистрации нейронной активности у пациентов с височной эпилепсией во время операции. Были зарегистрированы различные реакции, отражающие правильное и неправильное выполнение психологического задания.

На основе множественности обнаружения таких зон в мозгу нами было высказано предположение о системном характере процесса, о существовании мозговой системы детекции ошибок. Общие изменения биоэлектрической активности мозга, развивающиеся соотносимо по времени с детекцией ошибок, легли в основу предположения, и в дальнейшем – концепции о возможной связи детекции ошибок с процессами оптимизации функционального состояния мозга (Bechtereva, Gretchin, 1968; Bechtereva, 1978, 1984, 1987, 1988, 1997; Bechtereva, Kropotov, 1986; Bechtereva et al., 1990, 1991, 2004).

Некоторые из этих работ опубликованы сравнительно недавно, однако методологически приведенные выше находки относятся к фазе первого прорыва ХХ века в изучении мозга человека (Н. П. Бехтерева, 1997). Как известно, эта фаза определялась возможностями лечебно-диагностического, прямого, точечного контакта с мозгом человека, возможностями получения многих точных сведений о различных состояниях и свойствах отдельных зон мозга.

Настоящее

Технологическая революция 80–90-х годов ХХ века, развивающаяся и сейчас, определила второй прорыв в возможностях изучения мозга, получение сведений уже о структурнофункциональной организации всего мозга.

Новые технологии, как и модернизация уже существующих, вносят свой вклад в исследование мозговых механизмов, в частности, мозгового механизма детекции ошибок. В последние декады ХХ и первые годы ХХI века феномен детекции ошибок стал одной из центральных тем для изучения в науке о мозге.

Исследования феномена детекции ошибок в последние годы наиболее интенсивно проводятся в США (Badgaiyan, Posner, 1998; Scheffers et al., 1996; Carter et al., 1999; Hajcak, Simons, 2002; Gehring et al., 1993; Gehring and Knight, 2000; Mathalon et al., 2003 и многие другие) и Германии (Falkenstein et al., 1997, 2001а, б; Johannes et al., 2001; Muller et al., 2003; Ullsperger, Von Cramon, 2001, и многие другие). Пока еще отдельные работы проведены в лабораториях Англии (Rubia et al., 2003), Ирландии (Garavan et al., 2002, 2003), Японии (Hiroaki Masaki et al., 2001), Канаде (Alain et al., 2000), Франции (Vidal et al., 2000).

Методически характерным для этих исследований является проведение их исключительно с помощью методики вызванных потенциалов (ВП).

Массивность и прицельность работ по изучению детектора ошибок с помощью метода вызванных потенциалов, в том числе и в сочетании с магниторезонансной томографией, принесла много важнейших сведений о пространственной и временно́й организации детектора ошибок. Современная техника (имеется в виду метод построения диполей) позволила говорить о наибольшем постоянстве реакции детекции ошибок в передних отделах цингулярной извилины (АСС), а по некоторым данным – и в задних отделах цингулярной извилины.

Большое количество работ, проведенных в сходных, а зачастую и идентичных условиях, обнаружило много общего, особенно в отношении существования самого феномена, но все же не привело к полной однозначности результатов, а использование разных психологических методик, естественно, усугубило их разнообразие (табл. 1, 2).

По тому количеству накапливаемой информации, которое происходит в указанной проблеме, «взрыв» интереса к явлению детекции ошибок едва ли можно переоценить. Он принес чрезвычайно ценные и важные данные для выяснения пространственных и временны́х проявлений феномена.

Таблица 1

Примеры зон, связанных с реакциями на выполнение ошибочных действий

Таблица 2

Примеры латентностей реакций на ошибки

В некоторых работах показана возможность вовлечения зон передней поясной извилины (ACC) в детекцию ошибок (феномены ERN – error related negativity, Ne – error negativity, Pe – error positivity), но также и в процессы правильного выполнения заданий (CRN – correct related negativity), как описано у Ullsperger and von Cramon (2001).

Процитированные выше исследования делают акцент на связи детекции ошибок с зонами передней поясной извилины. При этом другие зоны мозга обычно упоминаются, но без обсуждения их роли для феномена детекции ошибок, вероятно, поэтому и не подчеркивается системная природа механизма детекции ошибок в мозгу.

В использованной нами литературе мы не обнаружили данных о прямой регистрации электрической активности от зон поясной извилины в ситуации детекции ошибок.

В связи с клинической целесообразностью в Институте мозга человека РАН проводился сравнительный анализ средних амплитуд целостной ЭКоГ непосредственно с передних областей цингулярной извилины (АСС) справа и слева, а также с внутренней капсулы у больной Б. с болезнью Жиль де ла Туретта. С целью воздействовать на такие проявления болезни, как тики, гиперкинезы, спонтанные вокализации, больной ввели долгосрочные электроды (нейрохирург А. И. Холявин, стереотаксическое наведение – А. Д. Аничков) в передние области цингулярных извилин и внутреннюю капсулу. Для этой больной нами был сделан анализ параметров ЭкоГ в ответ на правильное и неправильное слуховое предъявление известных пословиц и поговорок (пословицы предварительно были записаны на диктофон). Целесообразность проведения данной когнитивной пробы была связана с оценкой состояния пациента, того, как электрические стимуляции указанных структур влияют на когнитивную деятельность, какова чувствительность указанных структур к стимуляции и каково влияние точечных лизисов. Исследование проводилось следующим образом. Пациент получал инструкцию: внимательно прослушать пословицу или поговорку и после (не раньше!) специального звукового сигнала дать ответ «Да» (если пословица была прочитана правильно) или «Нет» (если пословица была прочитана неправильно и содержала смысловую ошибку).

В одной серии предъявлялось 30 пословиц, 15 из которых содержали ошибки, а 15 произносились без ошибок. Одновременно производилась запись непрерывной ЭкоГ. Анализу подвергались отрезки времени от начала предъявления пословицы до звукового сигнала.

Как уже упоминалось, регистрация ЭКоГ осуществлялась от электродов, расположенных в области цингулярных извилин и внутренней капсулы (для цингулярной извилины ПБ 24 слева и справа – определяли по атласу Талейрака). Были обнаружены различия реакций ЭКоГ на правильное и неправильное слуховое предъявление общеизвестных пословиц в указанных зонах (табл. 3).

Результаты приведены без разбиения ЭкоГ на диапазоны, эквивалентные диапазонам ЭЭГ. Сравнение средних амплитуд ЭкоГ для анализируемых структур производилось с помощью Wilсохon matched paires test (при p<0,05).

Как видно из таблицы, до стимуляции зон цингулярной извилины средняя амплитуда ЭКоГ на правильное предъявление общеизвестных пословиц была меньше в зонах левой поясной извилины, зонах левой и правой внутренней капсулы. В зонах правой цингулярной извилины средние амплитуды на правильное и неправильное слуховое предъявление общеизвестных пословиц достоверно не отличались. После стимуляции зон левой цингулярной извилины принципиальных различий с тем, что наблюдалось до электрической стимуляции, не возникло (см. табл. 3).

Таблица 3

Результаты сравнения средних амплитуд целостной ЭКоГ при опознавании правильного и неправильного звучания общеизвестных пословиц

После электрической стимуляции зон правой цингулярной извилины в зонах левой цингулярной извилины и внутренней капсулы, а также правой внутренней капсулы значения средних амплитуд на правильное предъявление общеизвестных пословиц стали достоверно больше, чем на неправильное предъявление пословиц (знак эффекта поменялся на противоположный). В самой же правой цингулярной извилине различия остались статистически недостоверными (рис. 3).

Таким образом, прямая регистрация активности цингулярной извилины подтвердила наличие избирательной реакции на ошибочное выполнение пробы, то есть четкое наличие феномена детекции ошибок в данной зоне. Более того, данные, связанные с электрической стимуляцией, продемонстрировали и возможность функциональных перестроек, таких как подавление детекции ошибок, выявленное после точечной стимуляции передних отделов правой цингулярной извилины.

Рис. 3. Обозначение зон поясной извилины, в которых наблюдались различия в мощности ЭкоГ во время правильного и неправильного звучания общеизвестных пословиц и поговорок (до и после лечебных электрических стимуляций)

В продолжение наших ранних исследований детекции ошибок в Институте мозга человека развиваются прикладные и фундаментальные исследования вопроса. К практическому применению сведений о данном мозговом механизме позволили перейти уточненные данные о преимущественной локализации в мозгу зон детекции ошибок и представления о возможности функционального преобразования гиперактивного детектора ошибок в детерминатор ошибок, независимо от ситуации, сигнализирующей об ошибке (Медведев и др., 2003). В Институте выполнено более 350 стереотаксических операций двусторонней цингулотомии с помощью точечной криодеструкции (нейрохирург С. В. Можаев, стереотаксическое наведение А. Д. Аничков) у больных с обсессивно-компульсивным синдромом при наркоманиях. Положительный эффект наблюдался более чем в 60 %. Отсутствие психических дефектов после операций в этом случае косвенно свидетельствует в пользу выдвинутого нами ранее принципа системной мозговой организации детекции ошибок.

В последние годы результаты применения точечного разрушения передних отделов цингулярной извилины, осуществляющиеся на основе концепции о роли гиперактивности детектора ошибок в патофизиологии обсцессивно-компульсивного синдрома и некоторых других психических заболеваний, были опубликованы Devinsky и сотр. (1995), Swick and Turken (2002)., Ulsperger et al., 2002; Laurens и сотр. (2003), Ursu и сотр. (2003), Muller и сотр. (2003).

Надо сказать, что, несмотря на известную «сфокусированность» работ по исследованию детекции ошибок на электрофизиологическом выражении феномена и акцентированию его приоритетной пространственной привязанности к АСС, в подавляющем большинстве работ подчеркивается важнейшее значение данного мозгового механизма в реализации поведения (Garavan и сотр., 2002; Kerns и сотр., 2004).

Условия обнаружения детекции ошибок в наших и других исследованиях свидетельствовали о том, что функциональной сущностью детекции ошибок является рассогласование с возможным планом действий, релевантной матрицей памяти. В этой трактовке феномен детекции ошибок теснейшим образом сближается с феноменом рассогласования (так называемым «Mismatch Negativity» феноменом), описанным и подробно изученным в лаборатории R. Naatannen (см.: Naatanen, 2003).

Возможности и перспективы

Дальнейшая расшифровка физиологической сущности и роли механизма детекции ошибок в мозговой деятельности рассматривается нами как приоритетная задача фундаментальной науки в проблеме «Мозг Человека». Широкое, многоплановое дальнейшее изучение потенциала феномена детекции ошибок («его прав и обязанностей») как общего механизма мозга оказалось возможным, прежде всего, в связи с многочисленностью убедительных свидетельств реальности и надежности проявления феномена. Важно подчеркнуть, что именно приведенные выше свидетельства его реальности позволили изучать влияние этого важнейшего мозгового фактора в условиях, закономерно вызывающих его к жизни, но уже без обязательной одновременной регистрации нейрофизиологического выражения его местных проявлений. Это, как вполне понятно, позволило существенно расширить методические условия работы.

Именно таким образом и было предпринято нами изучение возможного влияния детекции ошибок в вербальном творчестве. Исследование и уточнение роли детектора ошибок в творческом процессе представляет особый интерес, так как по условиям его обнаружения предполагалось, что сигнализация «отхода от известного» должна играть отрицательную, угнетающую роль в деятельности, где важнейшим является фактор новизны (Bechtereva, 1978).

В развитие многолетнего изучения мозговой организации мыслительной деятельности в Институте мозга человека в последние годы (Bechtereva et al., 2004) проведено полиметодическое исследование мозговой организации наиболее сложного ее вида – деятельности творческой. На основе анализа ЭЭГ показано достоверное наличие местных и общих перестроек мозговой активности при реализации соответствующих вербальных психологических тестов. С помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) в теменно-височной области левого полушария обнаружены зоны, имеющие приоритетное значение для вербального творчества (ПБ 39, 40).

Одновременно обнаружено множество мозговых зон, «обслуживающих» вербальное творчество, то есть описана в основных чертах мозговая структурно-функциональная система организации вербального творчества, что позволило поставить задачу изучения собственно его мозговых механизмов. Исследования, о которых речь пойдет ниже, соединяют две приоритетные линии наших работ – мозгового механизма детекции ошибок и мозговой организации творческой деятельности. В связи с нашими априорными представлениями (см. выше) о том, что активация детекции (детектора) ошибок противостоит творческому процессу, ограничивает выход за рамки (матрицу) уже известного, нами было предпринято психофизиологическое исследование материального (мозгового) выражения этого угнетающего влияния детектора ошибок на вербальное творчество. При такой постановке вопроса мы получали реальную возможность в дополнение к ранее проведенным работам исследовать разные проявленияактивности детектора ошибок, и в частности свойственную некоторым мозговым механизмам и зависящую от конкретной ситуации поливалентность (в данном случае – положительную роль как сигнала об ошибке, отрицательную – как поддерживающего психопатологические проявления при наркоманиях, ограничительную роль в творческом процессе и т. д.).

При дальнейшем изучении детектора ошибок, по-видимому, имеет смысл не забывать о поливалентности многих мозговых механизмов и a priori исключать еще одну его возможную роль в поведенческом контроле и, в частности, в обеспечении нетривиальности и плодотворности творчества. Именно здесь, однако, в экспериментальном решении этой частной задачи, как вполне понятно, могут встретиться значительные методические трудности, прежде всего, в конструировании адекватных психологических тестов.

Исследования мозговых механизмов влияния активации детекции ошибок в вербальном творчестве проводились на группе здоровых испытуемых (25 человек: 14 девушек, 11 мужчин, средний возраст – 23 года). ЭЭГ регистрировалось с поверхности головы испытуемых от 19 отведений, расположенных согласно международной системе 10–20 % в момент выполнения специально разработанных заданий.

Тест состоял из двух пар заданий. В основном тестовом задании (творческое, Тв) испытуемым предъявлялись общеизвестные пословицы и поговорки с отсутствующим последним словом; требовалось вместо пропущенного слова придумать вариант окончания пословицы, возможно более радикально меняющий ее смысл. Контрольное задание (К) в целом было аналогично основному; отличалось требованием вспомнить и назвать недостающее в пословице слово. В тест входили еще два задания, такие же задания, что и в случаях Тв и К, однако тексты пословиц и поговорок в этих заданиях были написаны с орфографическими ошибками (характер ошибок – переставленные буквы или замена одной буквы на другую, т. е. длина слов не изменялась), что предполагало обязательную активацию детектора ошибок (соответственно задания ТвД и КД). Волонтерам требовалось не только выполнить инструкцию к заданиям Тв или К, но и определить количество орфографических ошибок в написании текстов пословиц или поговорок (одна, две, ноль).

В этом исследовании были проанализированы изменения локальной мощности ЭЭГ в различных диапазонах. Статистический анализ данных был осуществлен при использовании дисперсионного анализа ANOVA_{диапазон×состояние×зона} по плану персональных сравнений (within-subject design). Для иллюстрации различий в отдельных зонах мы использовали post-hoc-анализ с применением LSD критерия Фишера (p<0,05). Достоверные различия были выявлены в ЭЭГ не только для сравнения Тв–К, но и в контрасте ТвД–К. Достоверные различия были представлены в основном в бета-2 (18,5–30 Гц)– и гамма (31–40Гц)-диапазонах ЭЭГ (рис. 4).

Рис. 4. Изменения мощности ЭЭГ при выполнении творческих заданий «в» и «без» условий внешнего вовлечения в процесс детекции ошибок (p <0,05). Тв – творческое задание; К – задание на воспроизведение из долговременной памяти; ТвД – творческое задание при внешней активации детекции ошибок; КД – задание на воспроизведение из долговременной памяти при внешней активации процесса детекции ошибок треугольник, направленный вверх/вниз, – мощность ЭЭГ была больше/меньше в первом задании из двух сравниваемых

ЭЭГ испытуемых, зарегистрированные в условиях инициации творческой деятельности при корректном предъявлении текстов, характеризовались синхронизацией в гамма-диапазоне практически по всей поверхности коры и синхронизацией в бета2-диапазоне в ассоциативных зонах коры. Активация детектора ошибок (в задании ТвД) привела к исчезновению этого эффекта (сравнения ТвД–К, ТвД–Тв). Корреляты детекции ошибок при сопутствующем решении творческой задачи (сравнение ТвД– Тв) характеризовались локальной десинхронизацией в гаммадиапазоне ЭЭГ в большинстве зон коры. Похожие, но более слабые эффекты были получены в бета-2-диапазоне.

Одно из будущих направлений наших исследований – это разделение эффектов направленного внимания и, собственно, детекции ошибок. Наши начальные результаты выглядят весьма многообещающими, однако они требуют дальнейшего анализа для более детального обсуждения

В заключение следует отметить, что мы ни в коем случае не стараемся умалить важность возможного прогресса в исследованиях негативности, связанной с совершением человеком ошибочных действий (ERN), или других, связанных с событием феноменов в проблеме детекции ошибок. Однако исследование сущности детекции ошибок как общемозгового механизма с применением полиметодического подхода имеет много преимуществ. Мы рассматриваем наши последние результаты как многообещающий шаг в исследованиях роли детекции ошибок в различных видах мыслительной деятельности человека и надеемся на возможность подтверждения гипотезы о детекции ошибок как одном из общемозговых контролирующих механизмов.