Интеграция эндогенных факторов в систему обработки экстероцептивных сигналов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, доктор биологических наук Полевая, Софья Александровна

• Полевая, Софья Александровна
• доктор биологических наук
• 2009

Оглавление диссертации доктор биологических наук Полевая, Софья Александровна

ВВЕДЕНИЕ: ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Информационные аспекты преобразования сенсорного сигнала

1.2. Общие механизмы трансдукции сенсорного сигнала

1.3. Общие механизмы обработки сенсорного сигнала

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интеграция эндогенных факторов в систему обработки экстероцептивных сигналов»

Ощущение и восприятие являются важнейшими процессами для изучения нейробиологических аспектов архитектуры и динамики когнитивной системы, поскольку эти первичные этапы познания более других когнитивных функций доступны прямому естественнонаучному эксперименту (Крик, 1980). Благодаря развитию интегративных методов регистрации и анализа метаболических и электрических реакций мозга на сенсорные стимулы вскрыты существенные рассогласования в амплитудных и временных масштабах между пространством физических стимулов, пространством нейрональных репрезентаций и пространством субъективных образов (Измайлов, Черноризов, 2005; Engel, 2008). В качестве источника рассогласования рассматривается активное участие в нейрональной обработке сенсорного сигнала эндогенных факторов, включающих психофизиологические, мотивационно-эмоциональные и нейрохимические особенности воспринимающего субъекта (Данилова, 1995; Наатанен, 1998; Александров, 2008; Damasio, 1999; Churchland, 2002). Актуально развитие экспериментальных и теоретических подходов, обеспечивающих исследование принципов и механизмов интеграции эндогенных сигналов в структуру субъективных сенсорных образов.

Для оценки индивидуальных и ситуативных характеристик восприятия, памяти, внимания, интеллектуальных ресурсов, эмоционального статуса уже существует целый набор традиционных инструментов. В арсенал психофизиологии входят измерения спектральной структуры ЭЭГ (Федотчев, 1996; Иваницкий, 1999; Каплан, 2003), кардиоритмография (Данилова, 1995), треморометрия (Антонец, 2003). Большие успехи достигнуты в дистанционном контроле эффекторных реакций, таких как движения глаз, мимика, тембр голоса (Величковский, 2006). Эти измерения весьма сложны, требуют уникального аппаратного и программного обеспечения, а также значительных знаний и квалификации для применения. В психологии f t I i

6 1 используется анкетирование, допускающее большой произвол в интерпретации результатов и исключающее режим мониторинга. Общим недостатком этих подходов является использование косвенных данных и эмпирических моделей для оценки когнитивной системы человека. Актуальной задачей является разработка неинвазивных инструментальных методов для прямого измерения режимов обработки информации, обеспечивающих точность, быстродействие, высокую достоверность, легкость интерпретации и мониторинг в широком диапазоне функциональных контекстов. Результатом измерения должно стать цифровое описание субъективного сенсорного пространства для конкретного индивидуума в конкретном функциональном состоянии.

Количественная характеристика преобразования объекта в мультимодальный образ приобретает особое значение в аспекте перехода к новой фазе развития системной нейробиологии. В последнее время появилось множество публикаций, отчетливо обозначивших движение от «стимульного» к «целевому» детерминизму, к утверждению системности и подчеркиванию активности индивида (Александров, 2001; Engel, 2005, 2008; Koch, Tononi, 2008). Традиционные экспериментальные парадигмы, ориентированные на исследование нейронных репрезентаций различных атрибутов объективного сигнала, оказались не эффективны для решения новых задач, поскольку экспериментально доказана вариабельность нейронных репрезентаций и субъективных образов для одного и того же стимула в одном и том же стационарном физическом контексте (Damasio, 1999; Robertson, 1997; Edelman, 2003; Pollen, 2007). Кроме того, стало очевидно, что когнитивный образ сенсорной сцены содержит больше информации, чем исходный сенсорный сигнал, а коллективная динамика нейронных систем обеспечивает разрешение по времени, пространству и амплитуде, недоступное для «медленных» нейронов с широкими настроечными характеристиками (Freeman, 1991). Ключом к выделению нейронных коррелятов, специфичных для конкретного образа, стало сопоставление активности мозга в условиях адекватного восприятия и искаженного (иллюзии, воображение) под влиянием эндогенных и экзогенных контекстов. Существенным ограничением в развитии знаний является отсутствие инструмента для отбора специфичных для когнитивной обработки откликов из многообразных нейронных и метаболических сигналов, а также отсутствие методов, которые могли бы обеспечить сочетание измерения когнитивных эффектов и регистрацию активности больших нейрональных систем с субклеточным разрешением по пространству и микросекундным по времени разрешением. Это ограничение можно преодолеть благодаря включению в цикл когнитивного исследования симуляторов когнитивных репрезентаций, как успешно продемонстрировал Дж. Эдельман в изучении механизмов формирования нейронных репрезентаций зрительных сигналов (Edelman, 1996; 2008). Парадигма симулятора требует разработки математических моделей, воспроизводящих нейроархитектуру и нейродинамику биологической системы обработки сенсорного сигнала, а также создание методов для измерения динамики субъективных образов в различных эндогенных контекстах. На решение этих задач направлена предлагаемая работа.

Применение симуляционного подхода позволит измерять, контролировать и совершенствовать качество и точность осознания сенсорной информации для конкретного человека в конкретной ситуации; подбирать и оценивать эффективность лекарственных средств в максимальном соответствии с целевыми функциями и, в будущем, заменить эксперименты на животных компьютерными экспериментами на симуляторе; определять оптимальный способ лечения до прямого воздействия на пациента. Эти возможности существенно снизят риски ошибочных и несвоевременных действий и обеспечат оперативную идентификацию измененных состояний сознания.

Цель и задачи исследования

Цель работы - изучить принципы интеграции вегетативных, эмоциональных и нейрохимических факторов в когнитивную обработку сенсорных сигналов для соматосенсорной, слуховой и зрительной систем человека.

Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать технологии для измерения амплитудно-временных порогов обработки экстероцептивных сигналов;

2. Исследовать взаимодействие экзогенных и эндогенных сигналов при формировании периферического сенсорного кода от совокупности рецепторов кожи;

3. Измерить амплитудно-временные пороги обработки экстероцептивных сигналов в различных эндогенных контекстах, в зависимости от тонуса вегетативной системы, в стрессовой ситуации, при очаговых нарушениях мозгового кровообращения, в условиях психофармакологической модуляции синаптической передачи;

4. Определить некоторые нейрохимические и нейроанатомические корреляты зрительных и слуховых образов;

5. Разработать математические модели, согласованные по входным и выходным параметрам с психофизическими данными и обосновать возможность построения биологоправдоподобного симулятора осознания сенсорных сигналов.

Научная новизна

В работе впервые определена и проанализирована система пространственно-временных паттернов электрической активности в афферентных волокнах кожного нерва, кодирующих сенсорную информацию от механорецепторов кожи, и выявлены физические детерминанты температурных сенсорных образов. Разработан комплекс новых инструментальных методов для измерения пороговых характеристик субъективного отображения экстероцептивных сигналов. Впервые определены количественные критерии для идентификации функциональных состояний человека по соотношению пороговых интерауральных задержек при дихотической стимуляции и порогов цветоразличения. Разработаны новые бнологоправдоподобные математические модели выделения пространственных и временных признаков в экстероцептивном сигнале, согласованные по входным и выходным параметрам с индивидуальными психофизическими данными.

Теоретическая и практическая значимость Работа вносит вклад в изучение взаимодействия эндогенного контекста и экзогенного физического сигнала при формировании разномодальных сенсорных образов. Представлено научное и технологическое обоснование новых принципов измерения когнитивных функций. Предложены гипотезы, позволяющие понять влияние вегетативной, эмоциональной и двигательной систем на осознание сенсорных сигналов. Разработаны неинвазивные инструментальные методы для прямого измерения режимов обработки сенсорных сигналов, обеспечивающие точность, быстродействие, высокую достоверность, легкость интерпретации и мониторинг в широком диапазоне функциональных контекстов.

В то же время, работа имеет выраженную практическую направленность. Созданная технология измерения пороговых характеристик сенсорных каналов человека позволит разработать новые способы диагностики для неврологии и психиатрии, а также технологии оперативного контроля за функциональным состоянием человека в человеко-компьютерных системах.

Положения, выносимые на защиту

1. Основой архитектуры программной среды для прямого измерения пороговых характеристик первичных субъективных образов для любых экстероцептивных сигналов является цикл: генерация физического сигнала — субъективный сенсорный образ — моторное управление значимыми параметрами сигнала - регистрация параметров физического сигнала в процессе управления.

2. Нейрональный код сенсорного сигнала содержит не только информацию о физических свойствах источника сигнала, но и компоненты, отображающие эндогенный и экзогенный контекст, соответствующий моменту действия стимула.

3. Система интегративных первичных кодов в кожном анализаторе обладает специфичностью, адаптивностью и избыточностью. Феномены «холодовых» и «тепловых» точек, адекватных и парадоксальных температурных ощущений имеют единую механорецепторную природу.

4. Структура субъективного сенсорного пространства специфична для стресса, симпатотонии и ваготонии. Амплитудные и временные пороги восприятия являются индикаторами риска психических и неврологических нарушений.

5. Звуколокализационная функция и функция цветоразличения интегрированы по структурным компонентам и разобщены по нейрохимическим механизмам: для обеих функций проявляется высокая значимость нарушений во фронтальной и теменной областях мозга и низкая значимость нарушений в области первичных проекционных зон; проявляется антагонизм звуколокализационной функции и функции цветоразличения по эффектам прицельной модуляции моноаминергических и ГАМК-ергических систем.

6. Симуляторы восприятия, включающие модуль измерения психофизических характеристик и согласованную с ним по входным и выходным характеристикам математическую модель, обеспечивают воспроизведение индивидуальных и ситуативных характеристик первичной когнитивной обработки сенсорных сигналов

Апробация работы. Материалы работы доложены и обсуждены на 7 съездах, 12 международных, 14 российских и 11 региональных конференциях, в том числе: на XVII (Ростов-на-Дону, 1998), XVIII (Казань, 2001), XX (Москва, 2007) съездах физиологов России; I (Пицунда, Грузия, 2005) и II (Кишинэу, Молдова, 2008) съездах физиологов СНГ; VII всероссийском съезде неврологов (Нижний Новгород, 1995); II съезде биофизиков России (Москва, 1999); на XI, XIII и XIV (Ростов-на-Дону, 1995,

2002, 2005) международных конференциях по нейрокибернетике («Проблемы нейрокибернетики»); международной конференции «Теплорадиометрия в науке и медицине» (С-Петербург, 1998); международной конференции «Биология - наука XXI века» (Пушино-на-Оке, 2001); международном симпозиуме "Topical problems of biophotonics (ТРВ-2007)" (Нижний Новгород - Москва, 2007); Всероссийской конференции с международным участием «Структурно-функциональные, нейрохимические и иммунохимические закономерности асимметрии и пластичности мозга» (Москва, 2007); III международной конференции по когнитивной науке (Москва, 2008); IX международной конференции «Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии» (Нижний Новгород,

2008); международном симпозиуме «Механика в физике и биологии» (Москва, 2006); V, VI, VII, VIII, IX, X и XI (Москва, 2003 - 2009, соответственно) Всероссийских научно-технических конференциях «Нейроинформатика»; VIII и IX (Нижний Новгород, 2006, 2008) Всероссийских конференциях по биомеханике; XVIII сессии Российского акустического общества (Москва, 2006); Всероссийской конференции «Нелинейная динамика в когнитивных исследованиях» (Нижний Новгород,

2009); на научных семинарах в Нижегородской государственной медицинской академии, Нижегородском государственном университете им. Н.И.Лобачевского, Нижегородском государственном педагогическом университете, Институте биофизики клетки РАН (Пущино-на-Оке), Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино-на-Оке), Институте прикладной физики РАН (Нижний Новгород); и др.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 88 работах, в числе которых 18 - в изданиях, рекомендованных ВАК, и 20 — в рецензируемых сборниках трудов и журналах. Получено 3 патента РФ (в соавторстве). Исследования проводились при частичной поддержке грантов РФФИ № 08-07-12058-офи, 05-08-33526-а и 08-07-99037-офи.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 1081 источник. Общий объём работы - 509 стр., включая 110 рисунков и 28 таблиц. Логика изложения потребовала незначительного отхода от традиционной структуры диссертационной работы: в обзоре литературы (глава 1) проанализированы общие принципы интеграционных процессов в сенсорной и перцептивной сфере, а в главах, посвящённых собственным экспериментальным исследованиям автора (Гл. 2-5), приведены результаты критического анализа литературных данных по конкретным проблемам интеграции - в соматовисцеральной, слуховой и зрительной системах, соответственно. Это привело к некоторому увеличению объёма рукописи, за что автор приносит свои извинения.

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Полевая, Софья Александровна

ВЫВОДЫ

1. Программно-аппаратные комплексы, поддерживающие измерение ошибок управления информационным сигналом, обеспечивают количественное описание субъективных образов экстероцептивных сигналов по базовым психофизическим параметрам в широком диапазоне амплитудных, пространственных и временных масштабов.

2. Первичный сенсорный код в периферическом отделе кожного анализатора формируется электрической активностью совокупности механорецепторов кожи, отображающей распределение вязких и упругих деформаций по слоям кожи под влиянием сенсорного стимула и вегетативной системы, управляющей внутрикожным кровотоком.

3. Интеграция компонентов, связанных с физическими свойствами стимула, и компонентов, отображающих состояние вегетативной, эмоциональной, моторной и когнитивной систем в момент сенсорного воздействия, является общим свойством нейронных репрезентаций разномодальных экстероцептивных сигналов.

4. Структура субъективного сенсорного пространства обладает индивидуальными особенностями и специфична для стресса, симпатотонии и ваготонии:

- В стационарном функциональном состоянии структуры субъективного цветового пространства и субъективного звукового пространства стабильны;

- Первичные когнитивные реакции в ситуации стресса подчинены закону минимизации. Стресс-индуцированная модуляция порогов восприятия дихотических и цветовых сигналов стандартизирует субъективное сенсорное пространство;

- Амплитудные и временные пороги восприятия являются индикаторами риска психических и неврологических нарушений.

5. Фармако-физиологический и нейропсихологический анализ механизмов когнитивной обработки зрительных и звуковых сигналов указывает на сочетание структурной интеграции с нейрохимическим разобщением звуколокализационной функции и функции цветоразличения:

Пороги латерализации дихотического стимула и пороги цветоразличения достоверно повышаются при структурных нарушениях мозгового кровообращения в областях мозга, включающих лобные и теменные зоны коры больших полушарий, и слабо зависят от нарушений в первичных проекционных зонах.

- Для цветоразличения критической является активация ГАМК-бенздиазепинового комплекса, приводящая к значительному снижению цветовой чувствительности, а для нарушения локализации звука базовыми являются моноаминергические механизмы.

6. Математические модели, описывающие коллективную динамику больших нейронных ансамблей при выделении пространственных и временных признаков экстероцептивного сигнала, воспроизводят превосходство разрешающей способности перцептивных отображений над отображениями в электрической активности одиночных специализированных нейронов и наиболее адекватны для формального описания нейронных механизмов формирования субъективных образов в различных эндогенных контекстах.

7. Програмно-аппаратные комплексы, обеспечивающие согласование по параметрам и циклическое взаимодействие между инструментальными методами измерения психофизических характеристик и биологопровдоподобной математической моделью перцепции, являются основой нового класса экспертных систем для диагностики и прогнозирования функциональных состояний человека при психологических и неврологических нарушениях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассогласования между пространством физических сигналов и пространством субъективных образов являются искажениями, связанными с конструкцией информационной системы, обеспечивающей когнитивное преобразование (Винер, 1968). Измерение пороговых характеристик осознания стандартного набора экстероцепторных сигналов в различных эндогенных контекстах позволило зарегистрировать следующие формы рассогласования:

1. Пороговые характеристики обнаружения и различения сигналов специфичны для эндогенного контекста:

- В стрессовой ситуации при высоком уровне тревожности значимо увеличиваются дифференциальные пороги по цветовому тону для «синего»;

- Вариабельность порогов обработки сенсорных сигналов при стрессе минимизируется;

- У 74% симпатотоников латерализация дихотического стимула влево эффективнее, чем вправо, что свидетельствует о функциональном доминировании правого полушария, у 75% ваготоников - обратное соответствие: латерализация дихотического стимула вправо эффективнее, чем влево, что свидетельствует о функциональном доминировании левого полушария;

- У 100% симпатотоников с симпатической активацией в субъективном цветовом пространстве доминирует «синий» оттенок и только у ваготоников наблюдается доминирование «красного» оттенка в субъективном цветовом пространстве;

- температурная чувствительность максимальна при естественной температуре кожи в термически нейтральных условиях; при экзогенном повышении стационарной температуры кожи чувствительность к нагреванию выше, чем к охлаждению; при экзогенном понижении стационарной температуры кожи чувствительность к охлаждению выше, чем к нагреванию;

- Время обработки одного звукового сигнала зависит от целевой функции: для различения 2 звуковых щелчков межстимульный интервал составлял от 20 мс до 70 мс для разных испытуемых; при счете - от 100 мс до 200 мс; для сенсомоторной реакции - от 280 мс до 490 мс;

- Порог обнаружения звукового и цветового сигналов выше при нарастании интенсивности сигнала от подпорогового уровня, чем при убывании от уровня четкого различения — эффект гистерезиса.

2. Субъективный образ содержит признаки, отсутствующие в сенсорном сигнале:

- Эффект «приписывания» синего в ситуации экзаменационного стресса и при симпатотонии; эффект «приписывания» красного при ваготонии;

- При дихотической стимуляции объективно предъявляется по одному сигналу в каждое ухо, а когнитивная репрезентация в форме пространственного звукового образа локализуется под разным азимутом на межушной дуге в соответствии с интерауральными задержками;

- Эффект прямой, обратной маскировки и ложной локализации при стимуляции серией дихотических импульсов с постоянными интерауральными задержками, но изменяющимся межстимульньш интервалом;

- При охлаждении кожи с изначально инвертированным температурным градиентом формируются два сенсорных образа: «тепло» и «холод».

Под влиянием эндогенного контекста происходят изменения в каждой из четырех базовых размерностей субъективного образа: количестве, качестве, пространстве и времени. Существенно, что описанные рассогласования стабильно воспроизводятся не только в рамках нашей экспериментальной парадигмы, но и при других экспериментальных подходах. Показано, что: - Симпатикотропные раздражители повышают чувствительность к синезеленой части спектра, а ваготропные агенты улучшают чувствительность к красному и желтому, а к синему и зеленому — снижают (Кравков, 1951; Мс Donald, 1982; Birren, 1961; Stolper, 1979);

- Повышение чувствительности к синей части спектра совпадет с эмоциональным напряжением (Дорофеева, 1970; Китаева-Смык, 1983) и поэтому особо предпочитаются людьми, испытывающими нужду в расслаблении и отдыхе;

- В эффекте перцептивного приписывания, обнаруженном Яныпиным (Яньшин, 2000), благодаря измерениям в парадигме подравнивания по желтому, отрицательные эмоции придают колориту желтого эталона синий оттенок, и воспроизведенный по образу цвет содержит синий, которого объективно не было в эталонном сигнале;

- Минимизация вариабельности порогов обработки сенсорных сигналов при стрессе согласуется с минимизацией вариабельности эмоциональных и физиологических реакций в соответствии с законом оптимальных нагрузок Йеркса-Додсона (Николаева, Леутин, 2008);

- Кожная термочувствительность тесно сопряжена с местными тепловыми процессами в коже и подлежащих мышцах (Диверт, 2004);

- Временные пороги различения сенсорных стимулов связаны с целевой функцией операции осознания сигнала при выполнении когнитивной задачи (Сергин, 1994).

Устойчивое воспроизведение соответствия между эндогенным контекстом и перцептивным эффектом свидетельствует о закономерности этой связи.

Ключом к пониманию механизма участия эндогенных сигналов в когнитивной обработке экстероцепторной информации стали результаты исследования алгоритмов кодирования и распознавания температурной информации при адекватной, парадоксальной и локальной температурной чувствительности. Мы установили, что идентификация модальности температурного сигнала связана с динамикой внутрикожного температурного градиента: при увеличении разницы между глубинной и поверхностной температурой кожи возникает ощущение холода; при инверсии внутрикожного температурного градиента возникает ощущение тепла. Периферический температурный код формируется механорецепторами кожи и является описанием термоиндуцированного распределения механических нагрузок по слоям кожи в форме распределения импульсных потоков по А(3-, А5- и С- волокнам кожного нерва. Внутрикожный температурный градиент, объединяющий экзогенный и эндогенный температурные сигналы, преобразуется в единую нейрональную репрезентацию и, соответственно, в энграммах образа тепла и образа холода экзогенный и эндогенный компоненты интегрированы на равных.

Если интеграция эндогенных и экзогенных компонентов в энграмме экстероцепторного сигнала является универсальным свойством когнитивных репрезентаций, то перцептивные эффекты должны сопрягаться с эндогенными факторами, специфичными для конкретного функционального состояния. Результаты наших измерений подтверждают согласованность эндогенных факторов в структурах перцептивно-вегетативных и перцептивно-эмоциональных комплексов, связанных с особенностями пороговых характеристик цветоразличения и латерализации дихотического стимула. Рассмотрим комплексы факторов, соответствующих типам цветоразичения (Табл. 27):

Список литературы диссертационного исследования доктор биологических наук Полевая, Софья Александровна, 2009 год

1. Акоев Г.Н., Алексеев Н.П. (1985). Функциональная организация механорецепторов. Л.: Наука. 1985. 223 с.

2. Александров Ю.И. (2004). Введение в системную психофизиологию / Психология XXI века. / Под ред. В.Н. Дружинина М.: Пер Се, 2004. С. 39-85.

3. Александров Ю.И. (1995). Макроструктура деятельности и иерархия функциональных систем. // Психол. журн. 1995. Т. 16, N 1. С. 26-30.

4. Альтман Я.А. (1990). Слуховая система. Л.: Наука. 1990. С.115-127.

5. Альтман Я.А. (1983). Локализация движущегося источника звука. Л.: Наука, 1983. 176 с.

6. Альтман Я.А. (1972). Локализация звука. Нейрофизиологические механизмы. Л.: Наука. 1972. 214 с.

7. Альтман Я.А. (2003). Функциональная асимметрия мозга и игнорирование среды. // Ж. эволюц. биохим. физиол. 2003. Т. 39. С. 2732.

8. Альтман Я.А., Бибиков Н.Г., Вартанян И.А. и др. (1960). Слуховая система (Под ред. Я.А. Альтмана). Л.: Наука. 1990. 620 с.

9. Альтман Я.А., Дубровский Н.А. (1972). Пространственный слух. Физиология сенсорных систем. Л.: Медицина. 1972. N 2. С. 398 -426.

10. Альтман Я. А., Вайтулевич С.Ф. (1992). Слуховые вызванные потенциалы человека и локализация источника звука. СПб.: Наука, 1992. 136 с.

11. Андреева И.Г., Вартанян И.А. (1997). Влияние временной интеграции громкости на восприятие удаления/приближения источников звука. // Физиол. чел. 1997. Т. 23. N 6. 5-11 с.

12. Анохин К.В. (1997). Молекулярные сценарии консолидации долговременной памяти. // Журн. высш. нервн. деят. им. И.П.Павлова. 1997. T.47.N2. С. 261-280.

13. Анохин П.К. (1975). Очерки по физиологии функциональных систем. М.: Медицина, 1975.

14. Антонец В.А., Полевая С.А., Еремин Е.В. (1999). Исследование сенсорной шкалы восприятия угловых координат слуховым анализатором. // Тез. докл. II съезда биофизиков России. М. 1999. Т. 2. С. 384-385.17.