Книги по психологии

ЭЭГ-СВЯЗИ ПРИ СЛЕЖЕНИИ ЗА ПЕРИОДИЧЕСКИМ СИГНАЛОМ
М - МОЗГ и психическая деятельность

В. А. ДЕНИСОВ

Использование электроэнцефалографических методов в инже­нерно-психологических исследованиях имеет свою специфику в должно опираться на общую концепцию инженерной психологии как науки об информационном взаимодействии человека и техни­ческих устройств в системах контроля и управления [6], поэтому для исследования организации мозговых процессов человека, вы­полняющего операторскую деятельность, необходим именно инже­нерно-психологический подход к анализу ЭЭГ. Он может базиро­ваться на концепции включения, предложенной А. А. Крыловым,— информационные процессы в системе «человек—машина» невоз­можны без их включения в систему мозга человека—оператора, при этом механизмом преобразования информации является такая внутренняя организация информации (мозговых процессов), ко­торая объединяет входную и выходную формы в единое целое [5].

По нашему мнению, подобная организация невозможна без об­разования системы мозговых каналов передачи и обработки ин­формации. Они необходимы для обмена и передачи информации между субсистемами: при их включении и работе в функциональ­ной системе деятельности.

Другим необходимым условием использования данных ЭЭГ должна быть опора на результаты инженерно-психологических ис­следований рассматриваемой операторской деятельности и выяв­ление механизмов ее регуляции.

Цель данной работы —разработка метода анализа и исследо­вание организации мозговых процессов человека—оператора по данным ЭЭГ, выявление возможных механизмов антиципации при сенсомоторном слежении. Для этого был использован метод срав­нительного анализа деятельности и ее срывов [3].

В данном исследовании совместно рассматривались слежение и его срыв, их отношения и переходы при дискретном изменении частоты сигнала, что представляет собой качественный метод анализа как психической деятельности, так и организации ритмов ЭЭГ. Математическое моделирование процесса слежения позволи­ло нам определять величину запаздывания управляющих движе­ний оператора при слежении за гармоническим сигналом. Для обученных операторов это запаздывание при слежении за высоко­частотными (несколько Гц) сигналами составляет 0,03—0,05 с. При слежении за скачкообразными сигналами обнаружено даже* опережение управляющими движениями оператора предъявляе­мого сигнала на 0,1—0,25 с. [3]. Эти факты показывают, что схе­ма «стимул—реакция» не может объяснить ряд вопросов опере­жающего отражения оператором изменений предъявляемого ему сигнала и тем более механизм слежения по представлению, когда при исчезновении «стимульной» информации управляющие дви­жения оператора остаются некоторое время адекватными сигналу.

Исследования [3] также выявили, что успешное слежение воз­можно при условии адекватности психического отражения и регуляции управляющих движений предъявляемому сигналу.. Основными требованиями для этого являются постоянство и ра­венство частоты управляющих движений частоте сигнала, а также определенная степень их синхронности: разность фаз не должна превышать Vв периода гармонического сигнала. Срыв слежения, в свою очередь, характеризуется неадекватностью отражения и воспроизведения частоты сигнала. Это выражается в том, что= частота управляющих движений смещена или колеблется относи­тельно частоты сигнала.

Рассмотренные данные, а также новая линия, наметившаяся в изучении психофизиологической проблемы на основе теории функ­циональной системы [1, 7, 9], заставили нас подойти к исследова­нию мозговой активности человека в контексте „ операторской деятельности не с позиций только спектрального и корреляцион­ного анализов ЭЭГ-процессов в разных отведениях, а с позиций поиска форм организации ЭЭГ-процессов и выявления возможных центральных каналов обработки информации.

Экспериментальная группа состояла из 10 человек. Испытуе­мый находился в экранированной камере и осуществлял пресле­дующее слежение за гармоническим сигналом, частота которого’ варьировала в диапазоне от 0,1 до 3,0 Гц. С помощью индикатора человеку-оператору отдельно и независимо предъявлялись мгно­венное значение исходного входного сигнала и мгновенное значе-

Рис. 1. Схема эксперимента £(г) —предъявляемый сигнал; ос (<)—управляющее движение оператора;

подпись: / 
 ( / 
 \. 
 v- 

Г (О —реакция объекта управле­ния

------

Индикатор

ЧелоВек~ оператор

X(t) —>■

ОВъект

Управле­

Ния

\g(t)

Генератор


1 — метка-цель,

2 — перекрестье прицела,

3 — экран индикатора.


Ниє выходной величины, которой он управлял с помощью ручки управления (рис. 1). Задача оператора состояла в том, чтобы свести к минимуму рассогласование между предъявляемым или контролируемым входным сигналом и сигналом на выходе объек­та управления. Регистрация и первичная обработка исследуемых процессов при слежении производились на комплексе аппаратуры (полиграф, магнитограф, компьютер) фирм «NIHON KOHDEN» и «ТЕАС» (Япония). Математическая обработка экспериментальных данных осуществлялась на ЭВМ ЕС-1020.

Для анализа ЭЭГ-ритмов нами был разработан комплексный метод выявления скрытых периодичностей (КМВСП) [2]. Он ос­нован на корреляции и использовании результатов, полученных с помощью двух методов, различных по природе избираемых свойств: преобразовании Фурье с улучшенными селективными свойствами непосредственно от исследуемого процесса и схемы Бюй-Балло (рис. 2). По сравнению с корреляционным методом спектрального анализа КМВСП позволяет: 1) выявлять частоты периодичностей с большей разрешающей способностью и надежно­стью; 2) определять амплитуду и фазу каждой периодичности; 3) определять формы периодичностей и их спектры; 4) анализиро­вать малоамплитудные ЭЭГ-периодичности.

Проведенный анализ ЭЭГ-периодичностей лобной, центральной ж затылочной областей мозга в диапазонах дельта - ж тета-ритмов показал, что в коре больших полушарий у человека-оператора, осуществляющего слежение при различных частотах сигнала, происходят сложные перестройки как ритмической активности отдельных областей, так и их взаимосвязей.

Периодичности, обнаруженные с цомощью КМВСП в трех. указанных областях мозга, условно можно разделить по их частот­ным соотношениям на три группы (рис. 3). В первую группу входят специфические или диспарные периодичности, которые не пмеют эквивалентных по частоте периодичностей в других об­ластях мозга. Вторую, межцентральную, группу образуют равные по частоте периодичности, имеющиеся одновременно в двух об-


Блок генерации Временных рядоВ



image040подпись: ввод параметров овравоткиподпись: нетimage043подпись: очистка временного ряда от найденной периодичности
 
печать результатов анализа выявленных перио- \ дичностей /

Чтение временных ряВоВ \ дЗГс магнитной ленты/

Построение периодограмм (схема Бюй-Балло и преоВ- разование Фурье)

©■

Поиск частот, соответству­ющих максимумам пооВеим периодограммам'

Уточнение частот по методу „ Вег [разы‘

Выделение периодичности на найденной частоте и построение графика

О

Разложение найденной 'пери­одичности В ряд Фурье (гармонический анализ)



Рис. 2. Алгоритм комплексного метода выявления скрытых пе­риодичностей

Ластях мозга. К третьей группе были отнесены периодичности; с одинаковыми частотами во всех трех областях, которые при дан­ном количестве отведений условно можно назвать общемозговы­ми. ЭЭГ-периодичности второй и третьей групп можно объединить названием «корреспондирующие периодичности». Понятно, что при большем количестве отведений ЭЭГ увеличится количество возможных групп корреспондирующих периодичностей (если: имеется К отведений, то можно выделить К групп 9ЭГ-периодич­ностей, из которых КА будут корреспондирующими).


.А, ед. АТАС

М

 

Рис. 3. Периодограмма ЭЭГ - дроцессов в трех отведениях при преследующем слежении за гармоническим сигналом с частотой 1,4 Гц

 

Рис. 4. Формы (7) и спектры (II) общемозговых ЭЭГ-перио - дичностей при преследующем слежении за гармоническим сигналом с частотой 1,4 Гц

 

Й 5ъ Щ

 
image045



image046




Ш


image047

111

 

Го 5т0 ЧНЩ

 

Рис. 5. Формы (/) и спектры (II) межцентральных ЭЭГ-периодичдостей при преследующем слежении за гармоническим сигналом с частотой 1,9 Гц

 



В том случае, если исследуемые области мозга не включены в функциональную систему сенсомоторной или какой-либо дру­гой деятельности, можно предположить, что частотные соотноше­ния между ЭЭГ-перио дичностями в них будут носить случайный характер. Тогда для конкретных параметров анализа, учитывая разрешающую способность метода и структуру спектра ЭЭГ, мож­но определить вероятность появления периодичностей каждой группы. В нашем случае расчеты показывают, что вероятность появления общемозговых периодичностей (для трех отведений) почти на порядок ниже вероятности появления периодичностей первой или второй группы. Таким образом, распределение ЭЭГ - перио дичностей по указанным группам (см. таблицу) должно характеризовать конструкцию ЭЭГ связей, т. е. возможную орга­низацию ритмической активности исследуемых областей мозга испытуемого в процессе слежения. Следует подчеркнуть, что по­явление корреспондирующих периодичностей в большем, чем три, количестве отведений имеет еще меньшую вероятность.

При устойчивом слежении (1,0 и 1,4 Гц) количество обще­мозговых периодичностей в несколько раз превышало расчетное количество для случайного частотного соотношения между ЭЭГ - периодичностями в разных отведениях. Отличительной чертой срыва слежения (2,1 Гц) является обычно отсутствие общемоз­говых периодичностей и превосходство диспарных периодичностей над корреспондирующими. Подобные распределения близки к ва­рианту случайного распределения ЭЭГ-периодичностей в разных областях мозга. Характерной чертой напряженности работы опе­ратора (1,9 Гц) является мобилизация ЭЭГ-периодичностей в третью общемозговую группу, что свидетельствует о включении дополнительных информационных каналов связи между областя­ми мозга для сохранения целостности его функционирования.

Особо следует подчеркнуть, что при устойчивом слежении за гармоническим сигналом в группу общемозговых периодичностей входят ЭЭГ-периодичности с частотой, равной частоте сигнала (рис. 3). Появление в ЭЭГ человека медленных потенциалов, частота которых соответствует темпу выполняемой циклической работы, отмечалось и ранее [8]. Эти медленные потенциалы, отражающие временную специфику деятельности, были названы «мечеными ритмами». По мнению Е. Р. Джона, структуры, в ко­торых подобные специфические ритмы появляются в ответ на условный периодический сигнал, можно рассматривать как вовле­ченные в процесс обработки информации об этом сигнале' [4].

подпись: 65С помощью КМВСП были проанализированы фазовые соотно­шения и формы корреспондирующих ЭЭГ-периодичностей. При устойчивом слежении сдвиг фаз между корреспондирующими ЭЭГ-периодичностями для большинства случаев мал или близок к нулю. Наибольшее фазовое рассогласование отмечалось при сле­жении оператора на пределе его возможностей, когда сдвиг фаз между «мечеными ритмами» в разных отведениях превышал 90 градусов. Это, по-видимому, характеризует уменьшение устой-

3 Мозг и психическая деятельность

Таблица

Предъявляемая частота, Гд

Показатели

ЭЭГ-периодичности

1,0

1,4

Группа

Л

Сз

Оі

%

Я»

С3

Оі

%

Количество периодич­ностей по группам

Отношение числа кор­респондирующих к числу диспарных пе­риодичностей

I

II

III

4

4

4

4

2

1,32

5

2

45

34

21

4

5

3

5

2

1,2

7

2

7

44

37

19

Предъявляемая частота, Гц

Показатели

ЭЭГ-периодичноети

1,9 (мобилизация)

2,1 (срыв}

^3

Сз

О]

%

^3

С3

О.

%

Количество периодич­

2

1

3

17

7

7

7

67

Ностей по группам

4

6

2

37

4

4

2

33

6

50

0

0

Отношение числа

5,00

0,48

Корреспондирующих

К числу дпспарных

Периодичностей

Чивости системы «меченых ритмов». Таким образом, увеличению - сдвига фаз между сигналом и управляющими движениями опера­тора (приводящему в конечном счете к срыву слежения) соот­ветствует увеличение сдвига фаз между корреспондирующими; «мечеными ритмами» в ЭЭГ.

Анализ форм ЭЭГ-пернодичностей мозга при устойчивом сле­жении на разных частотах выявил сходство форм корреспонди­рующих периодичностей в дельта - и тета-диапазонах для указан­ных областей мозга, что подчеркивает именно системный харак­тер связей единичных ЭЭГ~периодичностей, единую организацию» процессов во времени (рис. 4, 5). Подобные результаты были получены и при анализе форм и синхронности вызванных потен­циалов при осуществлении элементарного поведенческого акта [4, 9].

Таким образом, наши исследования показывают, что слежение' за периодическим сигналом требует определенной организации: ЭЭГ-процессов, основными моментами которой являются: согла­сование частот ЭЭГ-ритмов — формирование системы корреспон­дирующих ЭЭГ-периодичностей, образование системы «меченых: ритмов», синхронизация и сближение конфигураций корреспон­дирующих ЭЭГ-ритмов в областях мозга, включенных в функцио­


Нальную систему деятельности. Срыв слежения характеризуется нарушением указанной системной организации ЭЭГ-процессов. Выявленная синхронизация отдельных парциальных центральных процессов является, по-видимому, необходимым условием антици­пации человеком периодического сигнала для уменьшения запаз­дывания управляющих движений, поскольку она исключает по­следовательные прохождения и обработку информации в различных. отделах ЦНС, включенных в функциональную систему сенсомотор - ной деятельности. Стабилизирующим механизмом подобной орга­низаций выступает психическое отражение поэтапных результа­тов слежения — уменьшения рассогласования между сигналом и управляющими движениями. Устойчивость процесса слежения зависит от возможностей, резервов реорганизации, мобилизации функциональной системы при недостаточности полученного ре­зультата и определяется антиципационными возможностями че - л ов ека-опер атор а.

Проведенные исследования позволили выдвинуть гипотезу о корреспондирующих ЭЭГ-периодичностях как возможных кана - .лах обработки информации в системе мозга человека. Следует подчеркнуть, что анализ последовательных (следующих один за другим) отрезков ЭЭГ указывает на чрезвычайную лабильность ЭЭГ-связей. Корреспондирующие периодичности на разных часто­тах постоянно сменяют друг друга так, что на определенной - частоте корреспондирующие периодичности отмечаются не посто­янно, а через некоторые промежутки времени.

Наши дальнейшие исследования будут направлены на иссле­дование динамики указанных ЭЭГ-связей при разных видах опе­раторской деятельности и изучение закономерностей ритмической сонастройки субсистем в процессе операторской деятельности.

Литература

•1. Анохин П. К. Узловые вопросы теории функциональной системы. М.: Нау­ка, 1980. 196 с.

2. Денисов В. А. Выявление скрытых периодичностей в электроэнцефало­грамме.— Физиология человека, 1979, № 4, с. 625—633.

3. Денисов В. А. Об исследовании срыва операторской деятельности в ин­тересах проектирования систем «человек—машина».— В кн.: Вопросы ки­бернетики: Эффективность деятельности оператора. М., 1982, с. 84—96.

4. Джон Е. Р. Современные проблемы в электрофизиологических исследова­ниях памяти.—В кн.: Современные проблемы электрофизиологии цент­ральной нервной системы. М.: Наука, 1967, с. 84—95.

5. Крылов А, А. Человек в автоматизированных системах управления. Л.: Изд-во ЛГУ, 1972. 192 с.

‘6. Ломов Б. Ф. О путях построения теории инженерной психологии на ос­нове системного подхода.— В кн.: Инженерная психология. М.: Наука, 1977, с. 31-55.

'7. Ломов В. Ф., Швырков В. В. Предисловие.—В кн.: Теория функциональ­ных систем в физиологии и психологии. М.: Наука, 1978, с. 3—10.

8. Сологуб Е. Б. Электрическая активность мозга человека в процессе дви­гательной деятельности. Л.: Медицина, 1973. 248 с. й). Швырков В, Б. Нейрофизиологическое изучение системных механизмов поведения. М.: Наука, 1978. 240 с.