6.4. Методы диагностики функциональных состояний

Диагностика состояний человека важна для многих сфер его жизни и деятельности. В психологии труда, спорта, военной и космической психологии знать, в каком состоянии находится человек, целесообразно по нескольким причинам. Во-первых, чтобы оценить уровень его активности, его самочувствия. Во-вторых, чтобы прогнозировать уровень его работоспособности и либо принять меры для ее повышения путем регуляции возникшего негативного состояния, либо принять решение о прекращении деятельности, чтобы сохранить здоровье человека или предупредить негативные последствия возникшего состояния. В сфере профессионального и педагогического общения, в переговорном процессе важно знать эмоциональное состояние партнера по общению, чтобы выбрать адекватные формы и способы обращения и избежать возникновения конфликта.

Все методы изучения психофизиологических состояний можно разделить на следующие группы:

1. наблюдение за поведением и экспрессией человека;

2. опрос человека о его переживаниях в данный момент;

3. измерение физиологических показателей: частоты пульса и дыхания, газообмена, ЭЭГ и т.д. (Рис.10)

4. измерение психологических показателей (времени реакции, концентрации и переключения внимания и т.п.);

5. пролонгированная фиксация эффективности деятельности [3].

При более общем разделении все психофизиологические методы изучения функциональных состояний человека можно разделить на физиологические и психологические методы.

6.4.1. Физиологические методы исследования

С момента появления психофизиологических исследований при их проведении наиболее широко применялись и продолжают использоваться вегетативные реакции: изменения проводимости кожи, сосудистые реакции, частота сердечных сокращений, артериальное давление и др.[4] Однако регистрация вегетативных реакций не относится к прямым методам измерения информационных процессов мозга. Скорее всего, они представляют некоторую суммарную и неспецифическую характеристику информационных процессов. Кроме того, одна и та же вегетативная реакция (например, кожно-гальванический рефлекс - КГР) может быть связана с информационными процессами самого различного содержания. Появление КГР можно наблюдать как при усилении внимания, так и при оборонительной реакции. Однако по некоторым вегетативным реакциям можно дифференцировать различные рефлексы. Так, Ф. Грэм и Р. Клифтон предложили использовать фазическую реакцию снижения частоты сердечных сокращений в качестве признака, отличающего ориентировочный рефлекс от оборонительного; в последнем случае частота сердечных сокращений меняется в противоположном направлении, то есть увеличивается.

Существует несколько причин, по которым вегетативные реакции могут быть использованы только в качестве непрямого метода изучения информационных процессов:

• они слишком медленны и протекают с задержкой;

• слишком тесно связаны с изменением функционального состояния и эмоциями;

• они неспецифичны в отношении стимулов и задач.

Однако это не означает, что вегетативные показатели не обладают высокой чувствительностью. Так, во время дихотического прослушивания значимые стимулы (произнесение имени испытуемого), хотя и подаются через игнорируемый слуховой канал, то есть не контролируемый произвольным вниманием, часто вызывают КГР.

Рис.10. Многоканальная регистрация наиболее часто изучаемых видов биоэлектрической активности человека (Пайяр, 1970).

Некоторое преимущество перед вегетативными реакциями имеет регистрация электрической активности мышц – электромиограмма (ЭМГ), которую отличает высокая подвижность. Кроме того по некоторым специфическим паттернам ЭМГ, зарегистрированным от мышц лица, с высокой степенью точности можно идентифицировать различные эмоциональные состояния. Регистрация движений глаз (окулограмма) находит применение в эргономике. В целях безопасности этот показатель используется для контроля за состоянием водителей, долго находящихся за рулем автомашины или локомотива.

Электроэнцефалография.

В традиционной психофизиологии широко используется также метод регистрации электрической активности мозга – электроэнцефалограмма (ЭЭГ). Спонтанная электрическая активность мозга характеризуется специфическими ритмами определенной частоты и амплитуды и одновременно может быть записана от многих участков черепа. Это позволяет изучать пространственные специфические паттерны ЭЭГ и их корреляцию с высшими психическими функциями.

ЭЭГ отражает колебания во времени разности потенциалов между двумя электродами. Выделяют следующие ритмы мозга:

• альфа-ритм с частотой 8-13 Гц и амплитудой 5-100 мкВ - регистрируется преимущественно в затылочной и теменной областях;

• бета-ритм имеет частоту 18-30 Гц и амплитуду колебаний около 2-20 мкВ – локализуется в прецентральной и фронтальной коре;

• гамма-колебания имеют частоту 30–120-170 Гц, а по данным некоторых авторов – до 500 Гц при их амплитуде около 2 мкВ – их можно наблюдать в прецентральной, фронтальной, височной теменной и специфических зонах коры;

• дельта-волны возникают в диапазоне 0,5-4,0 Гц, их амплитуда 20-200 мкВ – зона их появления варьирует;

• тета-волны имеют частоту 4-7 ГЦ и амплитуду 5-100 мкВ – чаще наблюдаются во фронтальных зонах;

• каппа-колебания имеют частоту 8-12 Гц и амплитуду 5-40 мкВ - наблюдаются в височной области;

• лямбда-колебания имеют частоту 12-14 Гц, амплитуду 20-50 мкВ – их фокус приходится на вертекс;

• сонные веретена имеют частоту 12-14 Гц и широкую зону распространения.

Выделяются также эквиваленты альфа-ритма, которые имеют ту же частоту колебаний, что и альфа-ритм, но другую локализацию, и чувствительны к другим видам модальности. В области роландовой борозды регистрируется мю-ритм (роландический, или аркообразный), отвечающий блокадой на проприоцептивные раздражения. В височной коре находят тау-ритм, который подавляется звуковыми стимулами.

С развитием компьютерной техники широкое распространение получили методы спектрального и корреляционного анализа ЭЭГ.

Рисунок ЭЭГ меняется с переходом ко сну и с изменениями функционального состояния в бодрствовании, во время эпилептического припадка. ЭЭГ удобно использовать для выявления случаев с потерей сознания [2].

Магнитоэнцефалография.

Биологические поля мозга и различных органов очень малы. Магнитное поле человеческого сердца составляет около одной миллионной доли земного магнитного поля, а человеческого тела – в 100 раз слабее. Магнитное поле сердца человека впервые было записано в 1963 году. Первые же изменения ЭМП мозга человека были сделаны Д. Коеном из Массачусетского технологического института в 1968 году. Магнитным методом он зарегистрировал спонтанный альфа-ритм у здоровых испытуемых и изменение активности мозга у эпилептиков.

Магнитоэнцефалограмма (МЭГ) по сравнению с ЭЭГ обладает рядом преимуществ:

1. бесконтактный метод регистрации;

2. МЭГ не испытывает искажений от кожи, подкожной жировой клетчатки, костей черепа, твердой мозговой оболочки, крови и др., так как магнитная проницаемость для воздуха и для тканей примерно одинакова;

3. МЭГ позволяет определять локализацию только корковых диполей, тогда как в ЭЭГ суммируются сигналы от всех источников независимо от их ориентации, что затрудняет их разделение;

4. МЭГ не требует индифферентного электрода и снимает проблему выбора места для реально неактивного отведения;

Из-за различной чувствительности ЭЭГ и МЭГ к источникам активности особенно полезно комбинированное их использование [2].

Измерение локального мозгового кровотока.

Мозговая ткань не имеет собственных энергетических ресурсов и зависит от непосредственного притока кислорода и глюкозы, поставляемых через кровь. Поэтому увеличение локального кровотока может быть использовано в качестве косвенного признака локальной мозговой активации. Метод разработан в 50-х и начале 60-х годов. Он основан на измерении скорости вымывания из тканей мозга изотопов ксенона или криптона (изотопный клиренс) или же атомов водорода (водородный клиренс). Скорость вымывания радиоактивной метки прямо связана с интенсивностью кровотока. Чем интенсивнее кровоток в данном участке мозга, тем быстрее в нем будет накапливаться содержание радиоактивной метки и быстрее происходить ее вымывание. Увеличение кровотока коррелирует с ростом уровня метаболической активности мозга. Регистрация метки производится с помощью многоканальной гамма-камеры. Используют шлем со специальными сцинтилляционными датчиками (до 254 штук). Изотопы вводятся либо непосредственно в кровяное русло (тогда можно исследовать только одно полушарие, связанное с сонной артерией, в которую сделана инъекция), либо неинвазивным способом через дыхательные пути (через дыхательную систему изотоп попадает в кровяное русло и достигает мозга, затем метка уходит из мозговой ткани через венозную кровь, возвращается к легким и выдыхается). При втором способе метка распространяется на два полушария.

При измерении водородного клиренса в мозг вживляют ряд металлических электродов для регистрации сдвига электрохимического потенциала, который создается подкислением тканей ионами водорода. По его уровню судят об активности локального участка мозга. Этот метод на человеке применяют в медицинских целях: для уточнения клинического диагноза при опухолях, инсультах, травмах.

Существенным недостатком этих методов является их низкое временное разрешение. Каждое измерение длится около двух минут. Поэтому техника измерения локального мозгового кровотока хороша для оценки тонических изменений или характеристики фоновой мозговой активности и малопригодна для изучения ее динамики [2].

Томографические методы исследования мозга.

Суть томографических методов исследования – получение срезов мозга искусственным путем. Для построения срезов используют либо просвечивание, например, рентгеновскими лучами, либо излучение от мозга, исходящее от изотопов, введенных предварительно в мозг. Последний принцип используется в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).

Общий принцип томографии был сформулирован в 1927 году австрийским физиком Дж. Родоном, занимавшимся проблемой гравитации. Он доказал, что имея множество изображений срезов объекта, можно получить изображение тех его срезов, которые исходно не были получены. Операции, которые выполняются при томографии, получили название прямого и обратного преобразования Родона: описание объекта множеством изображений – прямое преобразование Родона, восстановление всей внутренней структуры объекта по набору его проекций – обратное преобразование.

Различают структурную и функциональную томографию. Рентгеновская томография относится к структурной. ПЭТ, которую еще называют прижизненным методом функционального изотопного картирования мозга, относится к функциональной [2].

Метод магнитно-резонансной томографии.

В последние несколько лет на базе методов магнитно-резонансной томографии (МРТ), которые сначала применялись для структурной томографии – получения карты структур мозга на основе контраста белого и серого вещества, появилась функциональная МРТ. Техника функциональной МРТ (ФМРТ) основана на использовании парамагнитных свойств тех агентов, которые можно ввести в организм. Такие агенты не обладают магнитными свойствами, но приобретают их, лишь попав в магнитное поле. Функциональная МРТ использует парамагнитные субстанции гемоглобина. ФМРТ измеряет пространственное распределение гемоглобина, отдавшего свободный кислород (деоксигемоглобина), точнее соотношение деоксигемоглобина к гемоглобину. Когда гемоглобин теряет кислород, он становится парамагнитным. При активации организма возрастает метаболическая активность мозга. Это связано с увеличением объема и скорости мозгового кровотока. Дополнительный приток кислорода к участку мозга приводит к снижению в нем концентрации парамагнитного деоксигемоглобина. Существование многих локусов активации отражается в неравномерном распределении в мозге деоксигемоглобина, что создает неоднородность магнитного поля, которую используют для получения карт локальных активаций. Функциональная МРТ позволяет выявлять участки мозга с активно работающими нейронными клетками. Данный метод вытесняет ПЭТ, так как ему не нужен изотоп и его временное разрешение выше, чем у ПЭТ (сотни миллисекунд) [2].

Термоэнцефалоскопия.

Данным методом измеряют локальный метаболизм мозга и кровоток его теплопродукции. Мозг излучает теплолучи в инфракрасном диапазоне. Водяные пары воздуха задерживают значительную часть этого излучения. Но есть два диапазона частот (3-5 и 8-14 мкм), в которых тепловые лучи распространяются в атмосфере на огромные расстояния и поэтому могут быть зарегистрированы. Этот метод разработан в Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН и Институте радиоэлектроники. Инфракрасное излучение мозга улавливается на расстоянии от нескольких сантиметров до метра термовизором с автоматической системой сканирования. Сигналы попадают на точечные датчики. Каждая термокарта содержит 10-16 тысяч дискретных точек, образующих матрицу 128×85 или 128×128 точек. Процедура измерений в одной точке длится 2,4 мкс. В работающем мозге температура отдельных участков непрерывно меняется. Построение термокарты дает временной срез метаболической активности мозга.

Существует единая методология применения томографии для изучения высших психических функций мозга. Она предполагает процедуру вычитания карты активности мозга, полученной во время выполнения менее сложной когнитивной операции, из карты активности, соответствующей более сложной психической функции. Данная процедура применима и для обработки данных, извлекаемых методом картирования мозга по параметрам ЭЭГ. Это особенно ценно при объединении двух методов анализа: ПЭТ и ЭЭГ, МРТ и ЭЭГ – новая тенденция, намечающаяся в использовании данных методов.

В качестве возможных индикаторов динамики функциональных состояний рассматриваются самые разнообразные показатели работы центральной нервной системы и вегетативные сдвиги. Изменения параметров электрической активности мозга традиционно рассматриваются в качестве непосредственного индикатора уровня активации.

К числу наиболее информативных показателей динамики функциональных состояний относят различные параметры деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной систем: частоту сердечных сокращений, величину артериального давления, состояние различных отделов сосудистого русла, частоту и глубину дыхания и др. Развитие состояний напряженности и утомления, связанных с увеличением энергетических затрат, приводит к возрастанию частоты сердечных сокращений, усилению газообмена и других параметров, свидетельствующих об изменениях в энергетическом балансе организма [4].

Анализ динамики других вегетативных показателей: температуры тела, функционирования пищеварительных и выделительных систем и т.д., обычно используется для характеристики непроизвольных тонических сдвигов уровня активации в ходе, например, суточного цикла [4].

Обширная область исследований посвящена изучению особенностей гормональных сдвигов, происходящих под влиянием различных нагрузок и условий деятельности. Несмотря на значительные технические трудности их оценки, число разрабатываемых и уже применяемых на практике соответствующих методик непрерывно растет. Помимо изучения количественной динамики секреции различных гормонов как показателей суточной ритмики большое число исследований посвящено выявлению особенностей гормональных сдвигов в различных поведенческих ситуациях. В качестве типичных регуляторов повышенной напряженности и стресса обычно указывают на увеличение содержания в крови и моче работающего человека 17-оксикортикострероидов, «гормонов стресса» - адреналина и норадреналина.

Нет сомнения в том, что нагрузка и изменение функциональных возможностей организма сопровождаются динамикой физиологических показателей. К сожалению, существует много факторов, которые сходным образом влияют на одни и те же регистрируемые параметры.

В связи с этим при решении диагностических задач одной из центральных становится проблема индивидуальных различий. Типы физиологических ответов (паттерны реакций) в определенной ситуации широко варьируют у разных людей. В то же время существуют доказательства относительного постоянства типа реакций у одного человека в фиксированных условиях. Если существует возможность определить некий «исходный уровень» для конкретного индивида, то возможно проследить динамику его функционального состояния и построить так называемый «физиологический профиль личности».

Использование физиологических показателей в диагностических целях сдерживается существенными трудностями метрологического порядка. несмотря на относительную простоту (это не относится к сложной технике проведения исследований и дальнейшему трудоемкому процессу статистической обработки результатов) непосредственного количественного измерения наблюдаемых в эксперименте сдвигов физиологических функций, перед исследователем встает целый ряд проблем. К их числу относятся задачи создания и выбора адекватных исследуемому материалу теоретических средств анализа (математические модели и концептуальные схемы). Кроме того, существует целый ряд общих для всех видов физиологических измерений метрологических проблем, главные из которых – проблемы эталонного уровня функционирования и нелинейности шкал измерений.

Перечисленные факты, а также сохраняющееся методическое несовершенство процедур регистрации и обработки физиологических данных представляет собой реальные трудности в деле использования этих показателей для диагностики функциональных состояний в реальных условиях [2].