Главная » Научная работа » Психофизиологические основы деятельности человека »

Когнитивный контроль программирования саккадических движений глаз в норме и на ранних стадиях шизофрении

Руководитель: д.б.н. Славуцкая М.В.

Творческий коллектив:

​Котенев Алексей Валерьевич научный сотрудник системный администратор

Славуцкая Мария Валерьевна ведущий научный сотрудник доктор биологических наук

комната 431

Работа выполняется совместно с лабораторией «Нейровизуализации и мультимодального анализа» ФГБНУ «Научный Центр психического здоровья». Заведующая лабораторией д.б.н. Лебедева Ирина Сергеевна

Ведущие функции когнитивного контроля - внимание, принятие решения, память и произвольное торможение обеспечивают целенаправленное поведение человека - оценку стимулов, выбор целевого стимула и организацию моторной команды в соответствии с целями деятельности и текущей мотивацией.

В настоящее время саккадические движения глаз рассматривают как информативную модель для изучения роли когнитивных функций в двигательном поведении. Саккады как необходимый компонент зрения осуществляют постоянное сканирование внешнего пространства и участвуют в выборе значимых зрительных целей, определяющих адекватное поведение.

В психофизиологии взаимосвязь когнитивных функций внимания и программирования саккады изучается на протяжении более 30 лет, что позволило создать ряд концептуальных моделей программирования саккады. Программа саккадических движений глаз формируется в латентном периоде саккады. Согласно современным представлениям когнитивные функции внимания, принятия решения, торможения (фиксация глаз), памяти и прогнозирования непосредственно включены в процесс программирования саккады (рис. 1).

Несмотря на многолетние исследования, нейрональные механизмы различных функций когнитивного контроля и их интеграции на этапах подготовки и программирования саккадических ответов остаются недостаточно изученными и нуждаются в дополнительных исследованиях.

В психофизиологии разработаны стандартизованные схемы предъявления зрительных стимулов, которые позволяют исследовать специфические особенности вовлечения отдельных функций когнитивного контроля в подготовку саккады - «двойной шаг», «антисаккады», «go/no go», «саккады по памяти» и др.

Во время эксперимента испытуемый находится в затемненной камере. Зрительная информация предъявляется на экране дисплея. В соответствии с инструкцией испытуемый должен «решать» окуломоторную задачу. Одновременно проводится регистрация электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и движений глаз (ЭОГ). Во время эксперимента испытуемому предъявляется от 500 до 1000 зрительных стимулов и/или их сочетаний.

Процессы когнитивной регуляции программирования саккады находят отражение в характере саккадического ответа (рис 2), в величине латентного периода саккады (рис 3), усредненных потенциалах ЭЭГ, связанных с предъявлением стимулов (рис 4) или с опережающими процессами подготовки саккадического ответа в предстимульный период фиксации глаз (рис 5).

Для выделения и оценки локальных потенциалов ЭЭГ, соответствующих стадиям переработки зрительной информации и программирования саккады применяются компьютерные программы обработки экспериментальных данных. Для анализа пространственно-временной динамики распространения фокусов выделенных потенциалов по коре используется метод картирования их амплитуды с шагом 5-10мс, который позволяет оценить топографию нейрональных сетей когнитивного контроля на различных стадиях программирования саккады (рис 6, 8).

Мы проводили анализ параметров и топографии усредненных потенциалов ЭЭГ в латентном периоде саккады и медленных волн ЭЭГ в предстимульном периоде в различных экспериментальных парадигмах. Исследование обнаружило ЭЭГ корреляты когнитивных процессов перцептивного восприятия, пространственного внимания, моторного прогнозирования и принятия решения в период подготовки саккады. Полученные данные позволили высказать предположение, что когнитивный контроль программирования саккады осуществляется при участии фронто - париетальных сетей внимания и саккадического контроля, а также фронто-медио-таламической и таламо-париетальной модулирующих систем избирательного внимания. На всех стадиях подготовки и программирования, а также торможения саккадического ответа установлены нисходящие влияния ведущих зон префронтальной коры [Славуцкая и др., 2008, 2016].

Дополнительные возможности для исследования когнитивного контроля подготовки саккадических движений дают клинические исследования.

При шизофрении показано ослабление функций внимания, принятия решения и торможения, что сопровождается нарушением саккадических ответов [Benson et al., 2012; Broerse et al., 2001; Camchong et al., 2008]. Модель саккадических движений глаз широко используется в клинических исследованиях для изучения мозговых механизмов психических заболеваний.

Патогенез шизофрении связан с поражением многих структур головного мозга - префронтальной коры (особенно передней части поясной извилины – ACС), гиппокампа, мозжечка, стриатума, таламуса и др. Большинство этих структур также входят в иерархическую систему саккадического контроля.

Многочисленные изменения когнитивной сферы у больных шизофренией (нарушения сенсорного восприятия, внимания, принятия решения, прогнозирования и т.д.) отражаются в параметрах саккадических движений глаз. До настоящего времени генез окуломоторных нарушений при шизофрении, и точная локализация патологии остаются мало изученными.

Совместно с лабораторией «Нейровизуализация и мультимодальный анализ» ФГБНУ «Научный Центр психического здоровья». (Зав лаб. д.б.н. Лебедева И.С.) мы проводим исследования когнитивной регуляции саккадического программирования на больных с ультравысоким риском шизофрении (УВР) и с первым приступом шизофрении с использованием экспериментальных парадигм «двойной шаг», «go/no go» и «go/no go delay» и «саккады по памяти».

В экспериментальной парадигме «двойной шаг» с последовательным включением двух коротких целевых стимулов в противоположных полуполях показано достоверное уменьшение величины ЛП саккадического ответа и уменьшение латентности пиков компонентов Р100 и N150 ВП на включение сигнального стимула у больных шизофренией по сравнению со здоровыми испытуемыми (рис 7). Полученные факты свидетельствуют об ускорении переработки сенсорной информации при шизофрении, что может быть обусловлено нарушением тормозных механизмов сенсорной фильтрации (sensory gating).

В экспериментальной парадигме «Go/No go» показано увеличение числа ошибочных саккад на тормозный стимул в группе больных с ультравысоким риском (УВР) развития шизофрении по сравнению со здоровыми испытуемыми (46 ± 7% и 24 ± 4%, соответственно), что отражает нарушение контролирующих функций внимания и произвольного торможения.

Специфические отличия параметров и топографии компонентов P100 и N150 ВП на пусковые и тормозные стимулы у больных от нормы позволяют их рассматривать как ЭЭГ маркеры нарушения когнитивного контроля при УВР шизофрении (рис 8). Полученные данные выявили ослабление контролирующей роли префронтальной коры в процессах произвольного и непроизвольного внимания, влияющего на сенсорную оценку стимулов и принятие решения при шизофрении, и позволяют предполагать различные механизмы пространственной организации фронто-теменных сетей внимания, торможения и саккадического контроля в норме и при УВР шизофрении.

С помощью методов структурной МРТ проводился анализ взаимосвязей между структурными изменениями головного мозга больных с УВР шизофрении и нарушениями когнитивного контроля по данным величины ЛП и числа ошибок в парадигме «go/no go». Подобный подход позволяет изучить топографические особенности регуляторных взаимодействий различных зон коры головного мозга в процессе поддержания когнитивного контроля поведенческих реакций.

Применение МРТ методов исследования установило корреляцию уменьшения величины ЛП саккадических ответов в парадигме «go/no go» у больных с УВР шизофрении с увеличением объема серого вещества фронтальной, теменной и височной коры (рис 9). Этот факт может отражать функционирование компенсаторных механизмов на доманифестном этапе шизофрении в условиях «гипофронтальности».

Исследование методом диффузионно-взвешенной томографии (ДТ МРТ), которая позволяет оценить степень целостности белого вещества, выявило снижение показателя фракционной анизотропии височной части правого верхнего продольного пучка у больных шизофренией (рис 10). Эти данные свидетельствуют о микроструктурной патологии проводящих путей головного мозга, входящих во фронто-теменные сети саккадического контроля при шизофрении, что соответствует полученным нами нейрофизиологическим данным.

Сочетание нейрофизиологических и нейровизуализационных (МРТ) методов исследования позволяет выявить структурно-функциональные паттерны, которые могут быть использованы для оценки патологических изменений механизмов когнитивного контроля у больных шизофренией. Эти данные могут служить как вспомогательные нейробиологические маркеры, выявляющие степень нарушения когнитивных функций, что имеет высокую значимость для прогноза течения заболевания и выбора терапевтических средств лечения.

В настоящее время мы продолжаем исследования когнитивного контроля двигательного поведения и его нарушений методом оценки мощности и пространственно-временной динамики связанных с событием ритмов ЭЭГ различного диапазона (ERP/ERD метод) в парадигмах «Go/No go delay» и «саккады/антисаккады по памяти». Процессы вызванной синхронизации/ десинхронизации ЭЭГ отражают периодическую активность нейронных ансамблей распределенных нейрональных сетей мозга, ассоциированных с различными когнитивными операциями: избирательным вниманием (альфа, бэта и гамма диапазоны ЭЭГ), активным хранением информации в рабочей памяти (тэта и гамма диапазоны), активным торможением (альфа диапазон) и др.

Комплексный подход с использованием поведенческих, ЭЭГ и МРТ методов исследования позволит получить новые данные о нейрофизиологической природе процессов когнитивного контроля и их нарушениях на ранних стадиях шизофрении и выявить их нейробиологические маркеры. Использование парадигмы «саккады/антисаккады по памяти» позволит также оценить роль вероятностного прогнозирования и памяти в формировании адекватных двигательных ответов, а также выявить нейробиологические маркеры их нарушения на ранних стадиях шизофрении.

Приглашаем студентов для выполнения диссертационных работ бакалавров и магистров.

Темы для выполнения квалификационных работ:

1. Поведенческие и ЭЭГ маркеры процессов внимания и торможения в различных условиях предъявления зрительной информации на модели саккадических движений глаз.

2. Нарушения процессов когнитивного контроля при подготовке и программировании саккадических ответов в норме и на ранних стадиях шизофрении. ЭЭГ и МРТ исследование.

3. Особенности организации вызванных ритмов ЭЭГ в межстимульном интервале парадигмы «саккады/антисаккады по памяти» в норме и на ранних стадиях шизофрении.

Основные публикации:

1. Славуцкая М.В., Лебедева И.С., Карелин С.А., Омельченко М.А. Нейробиологические маркеры нарушения когнитивного контроля у больных с ультравысоким риском развития шизофрении у больных с ультравысоким риском развития шизофрении// Электронный научный журнал "Медицинская психология в России",2020, том 12, № 3, 62.

2. Славуцкая М.В., Лебедева И.С., Карелин С.А., Омельченко М.А. Позитивные компоненты зрительных вызванных потенциалов в саккадической парадигме «Go/no go» в норме и при ультравысоким риском развития шизофрении // Журнал высшей нервной деятельности им. И. П. Павлова, 2020, том 70, № 1, с. 12-24.

3. Шульговский В.В., Славуцкая М.В., Лебедева И.С., Карелин С.А., Моисеева В.В., Кулаичев А.П., Каледа В.Г. Особенности саккадических реакций на последовательные зрительные стимулы в норме и при шизофрении //Физиология человека/"Human Physiology", 2015, том 41, № 4, с. 37-43.

4. Котенев А.В., Карелин С.А., Томышев А.С., Славуцкая М.В. . 2016 Поведенческие и МРТ-изменения у больных с ультравысоким риском развития шизофрении в парадигме «Go/no go» //Медицинский академический журнал, 2016, том 16, № 3, с. 597-600.

5. Slavutskaya M., Moiseeva V., Kotenev A., Karelin S., Shulgovskiy V., Shulgovskiy V. EEG Correlates of Decision-Making and Preparation of Saccades in Human// GSTF Journal of Psychology (JPsych)//2014, том 1, № 1, с. 68-73.

6. Славуцкая М.В., Моисеева В.В., Шульговский В.В. Внимание и движения глаз. Строение глазодвигательной системы, феноменология и ссаккадическое программирование// Журнал высшей нервной деятельности им. И. П. Павлова, 2008, том 58, № 1, с. 12-29.

7. Славуцкая М.В., Моисеева В.В., Шульговский В.В. Внимание и движения глаз у человека: Психофизиологические концепции, нейрофизиологические модели и ЭЭГ корреляты // Журнал высшей нервной деятельности им. И. П. Павлова,2008, том 58, № 2, с. 133-152.

версия для печати