Инструментальные психофизиологические методы исследования
Лекция № 1 курса «Инструментальные психофизиологические методы исследования»
Методы изучения поведения
Согласно научной традиции, установленной И.П.Павловым и другими выдающимися физиологами, поведение трактуется как одно из важнейших проявлений деятельности мозга. Для физиологов изучение поведения является одним из способов изучения мозга. (В этом подход физиологов отличается от подхода, принятого в классической психологии!)
Методы изучения поведения : ● этологические – наблюдение за поведением в естественной среде обитания (либо имитируется естественная среда в лабораторных условиях) ● условнорефлекторные – изучение обучения животного в строго контролируемых воспроизводимых лабораторных условиях, при воздействии очень ограниченного количества повторяющихся стимулов и изоляции от всех остальных внешних воздействий ● когнитивные – исследуется поведение в сложных искусственно создаваемых ситуациях в лабораторных условиях; методы ориентированы на изучение способности сразу находить выход из новой ситуации
Один из основателей современной этологии нобелевский лауреат К.Лоренц за работой
Установка для исследования условных рефлексов по И.П.Павлову: А — внутренняя часть экспериментальной камеры; Б— внешняя часть
Камера Скиннера – один из самых востребованных способов исследования инструментальных условных рефлексов
8-лучевой радиальный лабиринт ( TSE Systems)
Беговое колесо
Челночная камера
Водный лабиринт, или лабиринт Морриса
Исследование рассудочной деятельности животных: установка для определения способности к экстраполяции (работы Л.В. Крушинского). А — общий вид установки для опытов с хищными млекопитающими, кроликами и птицами; Б — камера для экспериментов с мышами (пример когнитивной методики)
Эксперимент по оперированию эмпирической размерностью фигур (животное должно догадаться, что пища может быть спрятана внутри объемной фигуры, но не внутри плоской) (пример когнитивной методики)
Некоторые другие поведенческие методы: Открытое поле Челночная камера Y- образные лабиринты Многоальтернативные лабиринты … и др.
Методы изучения мозга
Методы изучения мозга (нервной системы) : ● морфологические – изучение строения нервной системы ● биохимические – изучение биохимических процессов в нервной системе ● физиологические: - разрушение (или функциональное выключение) структур мозга, - стимуляция структур мозга - регистрация процессов в работающей нервной системе Современные методы обычно сочетают в себе несколько подходов
На практике как правило сочетают несколько методов в одном эксперименте – например, вырабатывают у животного условный рефлекс и при этом регистрируют активность нейронов головного мозга или ЭЭГ, или же ставят перед испытуемым какую-либо когнитивную задачу и при этом получают томографическое изображение его мозга. Далее мы рассмотрим некоторые важнейшие методы регистрации активности мозга и важнейших физиологических показателей, отражающих работу мозга.
Регистрация: Микроэлектродные исследования
Металлический микроэлектрод в зрительной коре обезьяны.
Выразительный рисунок Куффлера, сделанный в первые годы современного этапа развития нейробиологии. Вооруженный надежным микроэлектродом, Дон Кихот хочет раскрыть секреты нейрона (А), однако оказывается, что нейрон активно защищается (Б). (Kuffler, 1958.)
Матрица микроэлектродов
Стеклянный внутриклеточный электрод
Эксперимент на переживающем срезе мозга
Переживающий срез мозга млекопитающих – это клеточно-тканевая модель центральной нервной системы, сохраняющая основные нейрональные элементы и их связи такими же, как и в соответствующем отделе мозга. По истечении определенного периода инкубации в растворе, срез становится электрофизиологически активным и позволяет в течение нескольких часов изучать импульсную активность отдельных нейронов или нейрональных сетей под влиянием различных фармакологических агентов и биологически активных веществ, а также целого ряда экстремальных факторов: гипоксии, гипер- и гипотермии, лазерного и электромагнитного излучения.
Регистрация одиночных нейронов у человека и сознательное восприятие: испытуемый видит одновременно два изображения, подаваемые в разные глаза (лицо и мяч), однако в каждый момент времени осознает лишь восприятие лишь одного из них. Это четко отражается в активности нейронов.
Лекция № 2 курса «Инструментальные психофизиологические методы исследования»
Регистрация: Электроэнцефалография и магнитоэнцефалография. Вызванные потенциалы.
Электроэнцефалография (ЭЭГ) : Метод основан на регистрации электрических потенциалов от кожи головы человека, возникающих как результат электрической активности нейронов мозга, совершенно безвреден, относительно не дорог, дает очень хорошее временное разрешение (порядка миллисекунд), однако не всегда позволяет однозначно связать наблюдаемые явления с анатомическим образованиями мозга. Существует также магнитоэнцефалография (МЭГ), основанная на регистрации магнитного поля, возникающего как следствие переменных электрических токов в мозге; череп и кожа головы вносят меньшие искажения в МЭГ, чем ЭЭГ, поэтому МЭГ позволяет более точно локализовать источники активности в мозге. В остальном МЭГ аналогична ЭЭГ (но существенно дороже ).
В энцефалограмме суммируется активность множества клеток мозга (нейронов) таким же образом, как в шуме стадиона суммируются крики отдельных болельщиков.
Электроды для энцефалографии на голове испытуемого
Портативный 8-канальный энцефалограф 80-х гг.
Современный электроэнцефалограф
Магнитоэнцефалограф На фото - магнитоэнцефалограф Elekta Neuromag, запущенный в 2010 г. в Центре нейрокогнитивных исследований (306 каналов МЭГ, 64 канала ЭЭГ)
Энцефалограмма
Обработка энцефалограммы
Накопление и усреднение записей реакции на одинаковые стимулы позволяет выявлять вызванные потенциалы. На одиночных записях вызванный потенциал обычно не виден, т.к. замаскирован спонтанной активностью мозга.
Пример вызванных потенциалов на стимулы при отсутствии внимания (синяя линия) и при наличии внимания к стимулу (красная линия). P3 N1 P2 N2
Еще одно понятие, родственное вызванным потенциалам - это потенциалы, связанные с событиями (ПСП). При исследовании ПСП применяют когерентное усреднение не только относительно стимула, но и относительно других событий (например, относительно нажатия испытуемым на кнопку, перемещения направления его взора и т.п.)
Вызванные потенциалы часто представляют в виде карт, показывающих цветом значение потенциала (в микровольтах) в заданные моменты времени. A – развитие вызванного потенциала во времени в одном отведении. B и C – пространственные карты
Регистрация: Окулография
Видеокулография: глаз снимают на видеокамеру в инфракрасном свете, и на изображении определяют координаты более темного зрачка. (В обычной окулографии для регистрации движений глаз накладывают электроды на кожу вокруг глаз).
Пример окулографической регистрации при разглядывания человеком изображения
Свободное рассматривание Оценить материальное положение семьи Определить возраст Чем занималась семья до прихода… Запомнить одежду Запомнить предметы и людей в комнате Сколько времени отсутствовал… Окулографическая регистрация рассматривания испытуемым картины при выполнении различных заданий (по Ярбусу)
Лекция № 3 курса «Инструментальные психофизиологические методы исследования»
Технология включающая в себя комплекс исследовательских, немедицинских, физиологических, профилактических и лечебных процедур, в ходе которых человеку посредством внешней цепи обратной связи, организованной преимущественно с помощью микропроцессорной и компьютерной техники, предъявляется информация о состоянии и изменении тех или иных физиологических процессов
Сайт американской ассоциации прикладной психофизиологии и биологической обратной связи https://www.aapb.org/
Свойство человеческого мозга, заключающееся в возможности изменяться под действием опыта, а также восстанавливать утраченные связи после повреждения или в качестве ответа на внешние воздействия. Ежи (в СССР — Юрий Маврикиевич ) Конорский Дональд Хебб
Основой для создания метода БОС послужили фундаментальные исследования механизмов регуляции физиологических и развития патологических процессов, а также результаты прикладного изучения рациональных способов активации адаптивных систем мозга здорового и больного человека. В связи с этим нужно упомянуть великих русских физиологов И. М. Сеченова и И. П. Павлова - авторов теории условных рефлексов. В ХХ веке идейными продолжателями исследований И. М. Сеченова и И. П. Павлова стали К. М. Быков (теория кортико-висцеральных связей), П.К. Анохин (теория функциональных систем), Н. П. Бехтерева (теория устойчивых патологических состояний).
Институт экспериментальной медицины Российской Академии Медицинских Наук (Санкт-Петербург, научные школы Н. Н. Василевского - Н. В. Черниговской, О. В. Богданова, Н. М. Яковлева, Д. Ю. Пинчука и др. ) Эти исследования ведутся: в рамках Санкт-Петербургской физиологической школы в Москве под руководством учеников члена-корреспондента РАМН А. М. Вейна. в МГУ им. Ломоносова под руководством С. А. Исайчева, в Научном Центре Психического Здоровья РАМН, в Научно-исследовательском институте молекулярной биологии и биофизики СО РАМН (Новосибирск) под руководством академика РАМН М. Б. Штарка и ряде других научных центров.
О. М. Базанова активно исследует использование индивидуальных характеристик ЭЭГ для повышения эффективности биоуправления http://creativity.ipras.ru/texts/basanova_avtoref.pdf
Клиническая практика – неврология, кардиология, гастроэнтерология, урология, педиатрия, гериатрия, восстановительная и превентивная медицина Неклиническая практика – в эффективном стресс-менеджменте, позволяющем повысить показатели эффективности в большом спорте, искусстве, а также в любой деятельности, требующей длительных усилий и большой ответственности, для коррекции пограничных состояний, вызванных неконтролируемым влиянием хронического стресса, в педагогике, где с помощью БОС технологий решаются вопросы коррекции нарушений, повышения эффективности обучения, развития творческих возможностей и т.п.
Социализация детей и взрослых с ОВЗ Нейрореабилитация и абилитация Восстановление и коррекция патологий опорно-двигательного и вестибулярного аппарата Коррекция нарушений функций кардиореспираторной и нервной систем организма Психоэмоциональная коррекция и профилактика аддикций Профилактика нарушений и коррекция зрения Активация и коррекция нарушений речи Стресс-менеджмент
Активизирует защитные силы организма Безболезнен Позволяет осуществить четкую диагностику и строго дозированную коррекцию, индивидуальный подход Высокая эффективность Снижение или отмена лекарственной нагрузки на организм Сочетаемость со всеми видами лечебных процедур и коррекционных занятий Не имеет абсолютных противопоказаний
Наиболее распространенное оборудование, которое включено в стандарты оказания социальных услуг и оснащения учреждений социальной сферы: Кабинеты ( комплексы, тренажеры) биологической обратной связи (БОС): Опорно-двигательный. Коррекции психоэмоционального состояния. Логотерапевтический. Коррекции зрения. Кардиопульмонологический. Урологический. Акушерско-гинекологический.
В стандартах и приказах Министерства здравоохранения РФ, указаны как тренажеры с биологической обратной связью, так и системы и комплексы с БОС: Стабилометрические платформы и стабилометрические системы (кабинеты) с БОС. Тренажеры для проведения диагностики и реабилитации: велоэргометры, беговые дорожки и прочие, которые могут сочетать в себе или работать совместно с оборудованием биоуправления. https://spbimi.ru/%D0%B1%D0%B8%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F-%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%81%D0%B2%D1%8F%D0%B7%D1%8C-%D0%B2-%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%B4/
Общая структура проведения курса БОС-терапии не меняется в зависимости от методики БОС
I этап БОС тренинга II этап БОС тренинга III этап БОС тренинга
I этап – обследование. Занятие начинается с I этапа, в котором проводится обследование пациента, изучение клинического диагноза; составление индивидуальной, дифференцированной схемы проведения лечебно-коррекционного курса методом БОС, выявить показания и противопоказания применению БОС. Задачи, которые ставятся на I этапе: сбор анамнестических данных, выявление этиологии и патогенеза нарушений, определение симптоматики, оценка общего состояния пациента в момент обследования, психофизиологическое обследование, установление клинического диагноза с учетом данных других специалистов, включая необходимые обследования (ЭЭГ, ЭКГ и т.д.), планирование индивидуального курса занятий по БОС, ознакомление пациента с методикой и приборами БОС и возможными результатами. Длительность I этапа составляет 1-2 занятия (до 5)
В этот период пациент использует метод БОС для коррекции выбранной физиологической функции, например, для тренировки отдельных групп мышц, до получения желаемого эффекта – развития необходимой мышечной силы, восстановления правильной осанки и т.п. Длительность основного этапа – от 9-10 занятий до 25-30 занятий
Задача этого этапа – добиться воспроизведения полученного навыка управления физиологическими функциями собственного организма без использования приборов БОС.
Суть прибора и метода состоит в «возврате» пациенту на экран компьютера текущих значений его физиологических показателей. Это могут быть параметры ЭЭГ головного мозга, а также показатели вегетативного тонуса (частота сердечных сокращений, дыхание, электромиограмма, температура, КГР и др.). Таким образом, в течение курса биоуправления путем тренировок возможно усилить или ослабить уровень активации той или регуляторной системы, чью активность данный показатель отражает Бослаб
Комплексная система биологической обратной связи (комплекс БОС) " Кинезис " - это современная система психофизиологического тренинга и коррекции разнообразных функциональных расстройств при широком спектре заболеваний нервной, опорно-двигательной и сердечно-сосудистой систем организма, а также при психоэмоциональных расстройствах. Комплекс БОС позволяет провести: - психоэмоциональную коррекцию на основе регистрации и анализа биопотенциалов мозга; - тренинг опорно-двигательного аппарата и мышечной активности на основе регистрации и анализа электромиограммы ; - коррекцию психовегетативного состояния на основе статистического расчета параметров ЧСС и др. БОС-комплекс "Кинезис"
Лекция № 4 «Инструментальные методы психофизиологических исследований»
Регистрация: Полиграфические методы
Полиграфия включает в себя одновременную регистрацию от испытуемого нескольких физиологических параметров, в том числе: ● ЭЭГ – электроэнцефалограмма ● КГР – кожно-гальваническая реакция (проводимость кожи, зависящая от ее влажности – очень чувствительный параметр, демонстрирующий эмоциональное напряжение) ● ЭКГ – электрокардиограмма (электрическая активность сердца) ● ЭМГ – электромиограмма (электрическая активность мышц) ● Окулограмма (движения глаз) ● Пневмограмма (дыхание) Полиграфическая методика лежит в основе « детектора лжи »
Полиграф ЭПОС выражает наиболее традиционное представление о приборе данного предназначения. Его разработка основана только на тех конструктивных элементах, которые реально востребованы специалистом в процессе тестирования. Поэтому у полиграфа ЭПОС: - Удобный и понятный интерфейс, поскольку именно это позволяет любому специалисту успешно работать в сложных и постоянно меняющихся условиях тестирования; - Точное и наглядное представление физиологических характеристик, что является основой для достоверных выводов по результатам проведенного тестирования; - Сугубо традиционный набор датчиков, поскольку "эксклюзивные", "секретные" или "не имеющие мировых аналогов" каналы регистрации придумываются для удорожания полиграфа. Полиграф "Эпос"
Образец многоканальной полиграфической записи физиологических функций испытуемого при прослушивании (а) и воспроизведении (б) списка слов. 1, 2 – ЭЭГ, отведения О1 и О2 левого и правого полушария соответственно, 3, 4 – КГР левой и правой руки; 5 – фонограмма, 6 – ЭКГ, 7 – отметка программы опыта
Первым, кто создал в 1901 году аппарат фиксирующий изменение кожно-гальванической реакции на словесно-визуальные раздражители (запись велась на вращающемся восковом валике, на котором стрелка двигающегося гальванометра вычерчивала кривую), был А.Р.Лурия – один из основателей российской психологии и психофизиологии XX в.. Еще в 20-х годах А.Р. Лурия провел эксперименты с применением технических средств для оказания помощи прокуратуре в изобличении убийц. Результаты эксперимента поразили даже видавших виды следователей: убийца был быстро опознан среди ряда подозреваемых и изобличен. Прибор А.Р.Лурия
Впервые метод регистрации неосознаваемых эмоциональных реакций с помощью измерения электрического сопротивления кожи в психотерапию ввел в 1906 г. швейцарский психолог Карл Юнг (ученик З.Фрейда ), которому принадлежит сам термин "кожно-гальваническая реакция" (в настоящее время вместо него все шире используется термин "электрическая активность кожи" - ЭАК).
На основе изобретения А.Р. Лурии, в 1921 году в США студентом-медиком Калифорнийского университета и сотрудником Полицейского департамента американского города Беркли штата Калифорния, Джоном Огастусом Ларсоном был создан полиграф ("детектор лжи"), в состав которого входил КГР Полиграф
Целью функционирования АПК « Активациометр » является системное психологическое обеспечение деятельности и поведения человека. Достижение этой цели с учетом требований системно-структурного подхода предполагает охват человека как целого, т.е. охват совокупности свойств, находящихся на всех основных уровнях структуры человека. Такой охват осуществляется с помощью 81 методики, реализуемых на АПК « Активациометр » АПК « Активациометр » Цигарелли
Прибор используется тогда, когда необходимо предотвратить засыпание человека, в ситуациях, при возникновении которых засыпание может привести к нежелательным, тяжким или катастрофическим последствиям. Одно из возможных назначений прибора - контроль за деятельностью сотрудников. Прибор ведет запиcь логов - информации о включении/выключении, об отсутствии контакта (например, когда сотрудник снял прибор чтобы поспать). Это позволяет без присутствия на месте в конце смены осуществлять контроль за сотрудниками. Вся эта информация доступна при подключении устройства к компьютеру. А недобросовестные сотрудники не смогут обмануть прибор - изменить логи прибора невозможно Перстень для водителей
Томографические методы
Основные методы трехмерной визуализации мозга: Компьютерная томография – реконструкция трехмерной анатомической структуры на основе серии рентгеновских снимков. Не позволяет наблюдать активность мозга. ЯМР-томография ( магниторезонансная томография, МРТ ) – основана на явлении ядерного магнитного резонанса. Ее разновидность – так называемая функциональная ЯМР ( фЯМР или фМРТ ) – позволяет наблюдать активность мозга ПЭТ-томография (позитрон-эмисионная томография) – основана на регистрации излучения от слаборадиоактивного вещества, которое вводится в кровь. Позволяет увидеть скорость потребления глюкозы и соответственно обнаружить наиболее активные участки мозга Все три метода дают трехмерное изображение живого мозга и относительно безвредны, но они не позволяют наблюдать быстрые процессы (сканирование занимает не меньше нескольких минут) и очень дороги.
ЯМР томография
ЯМР томография
ПЭТ томография
В фЯМР и ПЭТ томографии применяется вычитание уровня активности в контрольной ситуации из уровня активности в экспериментальной ситуации. Далее полученный результат усредняется по реализациям эксперимента и по испытуемым.
На изображении среза мозга, полученном с помощью фЯМР, выделены два участка, активность которых повышается, когда человек отрицает, что на руках у него пятерка треф
Сравнение энцефалографических и томографических методов
Соотношение пространственного и временного разрешения для основных методов изучения активности человеческого мозга.
