Психофизиология (psychophysiology)

П. — это наука, изучающая умственные или эмоциональные процессы в том виде, в каком они обнаруживают себя в непроизвольных физиолог. реакциях, к-рые можно наблюдать у неповрежденного организма. Не следует смешивать П. с физиолог. психологией, изучающей физиолог. основу психич. явлений.

Для психофизиолога независимыми переменными обычно служат психол. манипуляции. Подопытному животному или, гораздо чаще, участвующему в эксперименте чел. могут предложить сделать выбор, решить предложенную задачу, поставить в условия эмоционального напряжения, выполнить определенное задание или реагировать на серию простых стимулов и т. д. Зависимыми переменными являются физиолог. изменения, к-рые могут регистрироваться на уровне периферической активности либо в виде электрических сигналов (напр., мозговые волны, мышечные потенциалы, ЭКГ), либо в виде изменений давления, объема или температуры (напр., дыхательные движения, кровяное давление, температура кожи). Гораздо реже психофизиологи используют в качестве зависимых переменных биохимические изменения мочи, крови или пота.

П. тж нужно разграничивать с областью психосоматической медицины, поскольку исследователи, работающие в обеих областях, разделяют интерес практически к тем же самым физиолог. проявлениям умственных и эмоциональных явлений. Для психофизиолога физиолог. реакция — это носитель информ. о событиях, происходящих в психич. сфере или в головном мозге. Тот факт, что страх может вызывать сужение периферических кровеносных сосудов и учащение сердцебиения, имеет значение для специалиста в области психосоматической медицины, к-рого интересуют эти телесные реакции в силу самого их существования. А вот то, что холодные руки и тахикардия указывают на переживание страха, представляет интерес для психофизиолога.

Психофизиологические измерения

Непосредственная цель психофизиолог. измерения состоит в генерировании такого электрического сигнала, к-рый бы точно воспроизводил временную динамику измеряемого физиолог. феномена. После того как измеряемый феномен адекватно отображен в форме электрического сигнала, последний можно легко усилить или отфильтровать, визуализировать в виде кривой на ленте многоканального самописца или на экране осциллографа, записать на магнитную ленту для последующего воспроизведения и анализа или ввести в компьютер. Нек-рые психофизиолог. феномены, такие как электроэнцефалограмма (ЭЭГ), электромиограмма (ЭМГ) и ЭКГ, уже представляют собой электрические сигналы, генерируемые в организме, и для их измерения требуется только пара электродов, помещаемых на соотв. участки тела для регистрации биопотенциалов и соединяемых со входом усилителя, к-рый делает сигнал достаточно сильным для того, чтобы его можно было записать в той или иной форме. Наиболее многофункциональным методом регистрации будет любой метод, позволяющий воспроизводить оригинальный сигнал через какое-то время, в частности магнитофонная запись, однако в большинстве психофизиолог. лабораторий применяется тж визуальная графическая регистрация электрических сигналов на специальной бумажной ленте с помощью многоканальных самописцев.

Нек-рые психофизиолог. феномены, непосредственно не генерирующие электрические сигналы, могут вызывать изменения электрических свойств ткани, к-рые можно измерить посредством пропускания через эту ткань тока от внешнего источника.

Помехи. Совр. мир буквально заполнен электрическими «помехами», такими как электромагнитное излучение от телепередатчиков, электромоторов, проезжающих автомобилей, ламп дневного света и т. д., к-рые челов. тело принимает подобно антенне. Биоэлектрические сигналы, возникающие в организме, точно так же становятся помехами, когда они не относятся к измеряемым сигналам, но при этом достаточно сильны, чтобы появиться в записях.

Помехи биолог. происхождения, как в случае движений глаз, искажающих ЭЭГ, или самой ЭЭГ, нежелательным образом сказывающейся на записи электродермальной активности, требуют специальных решений. Иногда достаточно простой перестановки электродов. Если помеха образована, в основном, частотами, выходящими за границы спектра полезного сигнала, проблему можно решить с помощью полосового фильтра. Третий подход — использовать отдельный канал для прямой регистрации и измерения помехи, а затем вычесть ее из сделанной по др. каналу записи изучаемого сигнала посредством электронной инверсии и суммации.

Регистрирующие устройства. Все совр. полиграфы имеют стандартные устройства вывода, благодаря к-рым усиленные сигналы с каждого канала могут подаваться на вход записывающих или др. устройств.

Компьютеры

В большинстве психофизиолог. лабораторий в наши дни используются малые ЭВМ для управления экспериментом в режиме реального времени и немедленного анализа данных, а тж для более сложного последующего анализа рез-тов. Имеются в наличии системы лабораторного интерфейса, к-рые делают возможным автоматизированное включение и выключение оборудования, генерирование стимулов, измерение продолжительности событий (и их синхронизацию), а тж обеспечивают ввод данных, команд и др. информ. в компьютер. С помощью компьютера можно предъявлять испытуемым графическую или буквенно-цифровую информ., отображаемую на дисплее, или подавать разнообразные звуковые сигналы, включая произносимые слова, к-рые преобразованы в цифровую форму и хранятся в памяти компьютера. Психофизиологам прошлых лет были необходимы практ. знания в области электротехники, физиол. и статистики, а тж отнюдь не элементарное представление о психологии; компетентным психофизиологам наших дней требуются еще и практ. знания в области вычислительной техники.

Анализирование данных

Дисперсию выборочной совокупности оценок нек-рой психофизиолог. переменной можно разбить на следующие компоненты:

σ2ω = σ2ψ + σ2ф + σ2ε, (1)

где σ2ψ обусловлена индивидуальными различиями в базисной психол. переменной, интересующей исследователей, σ2ф — ортогональный компонент дисперсии, обусловленный физиолог. различиями, а σ2ε отображает ошибку измерения. Если измеряется уровень кожной проводимости (SCL), обозначаемый буквой со, то ψ, напр., могло бы представлять уровень возбуждения ЦНС, или уровень «мобилизации энергии»; ф — отражать индивидуальные различия в плотности и активности ладонных потовых желез, а ε — увеличиваться с вариацией чистоты кожной поверхности, загрязнения электродов, мест контакта электродов с кожей ладоней и т. д.

В основе большинства психофизиолог. измерений лежит имплицитное допущение, что ω является монотонно возрастающей функцией и, как часто надеются, к тому же простой линейной функцией от изучаемой базисной переменной:

ω = α + βψ + ε. (2)

Используя опять в качестве примера SCL, можно предположить, что коэффициент α отображает минимальный SCL данного испытуемого при полном отсутствии гидромоторной активности, а β определяется реактивностью всей электродермальной системы, т. е. увеличение электропроводимости вызывается увеличением y на единицу измерения. (Очень сходные неявные допущения лежат в основе большинства психол. измерений.) Проблема заключается в том, что коэффициенты α и β тж изменяются, часто — у одного и того же испытуемого от одного замера к др., и всегда — при переходе от одного испытуемого к др. Именно эта вариация представлена компонентом σ2ф в уравнении (1). Задача психофизиолога — в первую очередь обеспечить, чтобы выбранная психофизиолог. переменная (ω) была линейно связана с ψ, по крайней мере, приближенно, а затем попытаться минимизировать ошибку измерения σ2ε и часть общей дисперсии σ2ф, обусловленную физиолог. вариабильностью как внутри одного испытуемого, так и между испытуемыми, к-рая в этом контексте тоже должна рассматриваться как дисперсия ошибок.

Допущение о линейности. Рассмотрим эксперимент, в к-ром испытуемого сначала подвергают сильному напряжению, а затем дают возможность расслабиться и лечь спать, причем на всех этапах этого эксперимента осуществляется непрерывный контроль уровня кожного потенциала (SPL). SPL будет довольно низким в условиях сильного напряжения, затем возрастет до максимума в то время, когда испытуемый будет, к примеру, слушать захватывающий рассказ, и снова упадет до минимума, когда он отправится спать. Эти индивидуальные кривые показывают, что SPL имеет инвертированную U-образную связь с возбуждением ЦНС. и, следовательно, является плохим показателем такой переменной. Предположим, что в том же самом эксперименте мы измеряем еще и электродермальные реакции: изменения кожной проводимости (SCRs) на одной руке и изменения сопротивления кожи (SRRs) — на др. Поскольку они вызываются в широко варьирующих границах тонических SCL и SRL, SCRs будут плохо коррелировать с соотв. SRRs. Существует как теорет., так и эмпирическая поддержка мнения о том, что кожная проводимость имеет более простую связь с событиями ЦНС, чем сопротивление кожи.

Минимизация внешней дисперсии. Минимизация дисперсии, обусловленной ошибкой измерения, в значительной степени является делом выбора подходящей и состоятельной методики; детали будут зависеть от измеряемой переменной. Чтобы минимизировать внешнюю дисперсию, обусловленную физиолог. различиями, нужно провести статистическую коррекцию в границах индивидуальных различий. Осн. идея состоит в том, чтобы оценить коэффиценты а и b в уравнении (2) для каждого испытуемого в отдельности и затем вычислить показатели для каждого испытуемого с поправкой на размах:

ωρχ = ω;

В случае SCL, напр., а могло бы быть минимальным SCL конкретного испытуемого, соотв. состоянию расслабления или сна. Оценка β могла бы быть получена вычитанием а из максимального SCL данного испытуемого, к-рый демонстрирует его в состоянии сильного напряжения. В случае фазных изменений, таких как SCR, а, или минимальное значение, всегда равно нулю. Значения фазной реакции можно поэтому скорректировать (по разбросу), просто разделив их на оценку максимальной амплитуды реакции данного испытуемого.

Каналы получения психофизиологической информации

Нек-рые системы организма предоставляют психофизиологу ряд (замутненных) окон для наблюдения ментальных событий. В этом разделе дается обзор наиболее широко используемых психофизиологами систем, соотв. им каналов регистрации и переменных, измеряемых в каждом канале.

Сердечно-сосудистая система. Издавна люди судят об умственных и эмоциональных процессах друг друга по сердечнососудистым изменениям, потому что нек-рые такие изменения (лицо покрывается краской или бледнеет, сердце бешено колотится в груди, руки холодеют и т. д.) можно увидеть невооруженным глазом. Важнейшими источниками (каналами) информ. являются ЭКГ, АД, пальцевая плетизмография и, возможно, пальцевая температура.

У интактного испытуемого кровяное давление можно измерять только периодически, посредством выслушивания сосудистых тонов. Исследуемому накладывают на плечо полую резиновую манжету, в к-рую закачивают воздух до тех пор, пока манжета полностью не сдавит просвет плечевой артерии и кровоток в ней не прекратится. Приложив стетоскоп к артерии ниже манжеты, начинают постепенно выпускать из нее воздух (т. е. создавать декомпрессию) до появления первых звуков Короткова. Эти звуки вызваны тем, что вследствие снижения давления в манжете чуть ниже уровня систолического АД ток крови при систоле преодолевает сдавленный участок и прорывается за манжету, ударяя о стенки артерии и порождая характерный шум, слышимый ниже манжеты. То давление в манжете, при к-ром появляются первые звуки в артерии, соответствует максимальному, или систолическому давлению. При дальнейшем снижении давления в манжете наступает момент, когда оно становится ниже диастолического, кровь начинает течь как во время систолы, так и во время диастолы. В этот момент звуки в артерии ниже манжеты исчезают, а величина давления в манжете, когда это происходит, соответствует минимальному, или диастолическому давлению.

Сердечный ритм и кровяное давление, по всей видимости, подчиняются закону начальных значений (Law of Initial Values), к-рый гласит, что изменение любой из этих переменных, вызванное к.-л. стимулом, будет коррелировать с предстимульным уровнем переменной. Так, прессорный (повышающий кровяное давление) стимул вызовет меньшее увеличение частоты уже быстро сокращающегося сердца, чем в том случае, когда сердце бьется медленно и спокойно.

Электродермальная система. По сравнению с подкожными тканями, кожа имеет относительно высокое сопротивление электрическому току. Во второй половине XIX в. было открыто, что сопротивление толстой кожи ладоней и подошв необычайно тонко реагирует на психол. стимуляцию. Известно, что потовые железы в этих волярных областях выполняют особую функцию; вместо содействия терморегуляции они увлажняют схватывающие поверхности при подготовке к действию. Сухая кожа ладоней скользкая и более подвержена механическим повреждениям вследствие трения. Нейронные цепи, образующиеся в активирующих системах среднего мозга, контролируют волярное потоотделение, к-рое увеличивается тонически с увеличением возбуждения ЦНС и, кроме того, — волнообразно, фазически, в ответ на любой стимул, достаточно значимый для того, чтобы вызвать ориентировочную реакцию. Отчасти потому, что канальцы потовых желез обеспечивают низкоомный (с малым сопротивлением) путь через эпидерму, электрическое сопротивление кожи варьирует в зависимости от активности потовых желез. Поскольку это сопротивление изменяется фактически обратно пропорционально потоотделению, в настоящее время принято измерять кожную проводимость, являющуюся обратной величиной электрическому сопротивлению. Самый низкий уровень кожной проводимости (SCL) у дремлющего или засыпающего человека; он резко повышается при его пробуждении и становится еще выше при умственном усилии или эмоциональном напряжении.

Электромиография. Электрод, помещенный на кожу над любой мышечной массой, будет регистрировать (относительно др. электрода, закрепленного в области покоя, напр., на мочке уха) высокочастотный сигнал (10—500 Гц), порождаемый повторяющимися разрядами в сотнях или тысячах мышечных волокон. С помощью специальной электронной аппаратуры этот сигнал можно интегрировать в целях получения более простой кривой, отображающей среднее мышечное напряжение. Вероятно, за исключением фаз REM-сна (сна с быстрыми движениями глаз), поперечнополосатые мышцы сохраняют нек-рое напряжение, называемое тонусом, даже в состоянии покоя, и оно связано с редкими, возникающими асинхронно импульсами в отдельных мышечных волокнах. У «напряженного» индивида этот тонус покоя м. б. довольно высоким, охватывая либо все мышцы, либо специфическую мышечную группу. Поверхностная электромиография дает усредненную картину такого субактивного мышечного напряжения.

Движения глаз и зрачковый рефлекс. Глаза — это тж «окна души», через к-рые мы можем мельком увидеть работу мозга. Движения глаз и направление взора можно регистрировать с помощью электроокулографии (ЭОГ). Глаз подобен маленькой батарейке с напряжением около 1 мВ между роговицей (положительный полюс) и тыльной стороной сетчатки. Если электроды располагаются рядом с наружными углами глазной щели, то при повороте обоих глаз, напр., вправо, электрод с правой стороны становится электроположительным относительно электрода, закрепленного слева. Др. пара электродов, размещенных выше и ниже каждого глаза, регистрирует вертикальные движения глаз. Чувствительность метода ЭОГ иллюстрирует тот факт, что, когда испытуемый следит за целью, движущейся по синусоидальной траектории от одного края экрана осциллографа к др., записанная на полиграфе электроокулограмма (ЭОГ) будет почти идеальной синусоидальной волной; если затем заставить двигаться мишень в соответствии с сигналом треугольной формы, запись ЭОГ точно отразит это изменение.

ЭОГ применялась для изучения саккадических движений глаз, имеющих место в процессе чтения или поиска информ. на видеотерминале. Этот метод тж использовался при исслед. нистагма и плавных следящих движений глаз при наблюдении за движущейся целью.

Размер зрачка, к-рый может меняться от 2 до 8 мм в диаметре, регулируется автономной НС т. о., чтобы поддерживать постоянной интенсивность светового потока, попадающего на сетчатку. Однако зрачок реагирует еще и на психол. стимуляцию небольшими (< 1 мм), но регулярными изменениями (обычно расширениями), наступающими вслед за раздражителем с латентным периодом порядка 0,2 с.

Электроэнцефалография. Электрическая активность головного мозга гораздо сложнее сигналов, вырабатываемых самыми совр. компьютерами; лишь одну миллиардную часть этой информ. можно считать с поверхности мозга и еще меньше — с поверхности черепа. Так как закрепленные на черепе электроды интегрируют электрическую активность значительной области мозговой коры, достаточно полную запись суммарной ЭЭГ можно получить примерно с 20 электродов, симметрично размещенных на голове. Определен набор стандартных схем размещения электродов (International Ten-Twenty System). Полный монтаж электродов обычно применяется клиницистами, ищущими ЭЭГ-подтвержения предположений о наличии опухолей или очагов эпилептической активности в головном мозге, тогда как исследователи чаще используют только одно или неск. отведений ЭЭГ. Наиболее часто запись спонтанной ЭЭГ используется в исслед. сна; в сочетании с регистрацией латеральных движений глаз и мышечного напряжения, ЭЭГ дает возможность идентифицировать с достаточной надежностью 5 стадий сна.

Вызванные корковые потенциалы. В сущности, любой стимул, воспринимаемый испытуемым, будет оказывать действие на ЭЭГ; на самом деле, предположительно спонтанная ЭЭГ м. б. по большей части суммарным эффектом потока внешней и внутренней стимуляции, непрерывно бомбардирующей сенсориум. Для обнаружения эффекта любых, кроме самых интенсивных, стимулов среди фоновой активности ЭЭГ требуется многократное предъявление интересующего стимула, с тем чтобы можно было суммировать и усреднить постстимульные участки записи ЭЭГ. Если случайно выбрать и усреднить 100 полусекундных участков записи ЭЭГ, среднее будет стремиться к прямой линии. Однако 100 полусекундных участков записи ЭЭГ, следующих сразу за 100 предъявлениями, скажем, звукового щелчка, будут всякий раз содержать потенциал, вызванный этим щелчком: сравнительно сложный пакет волн с временной привязкой к данному стимулу.

Более ранние компоненты вызванного коркового потенциала (ВКП), по-видимому, отображают более ранние стадии обработки информ. корой головного мозга. Полученные в последнее время данные свидетельствуют в пользу возможной связи между скоростью (латентным периодом) этих компонентов и неким базовым измерением интеллекта. Более поздние компоненты, особенно положительная волна с постстимульной задержкой примерно в 300 мс (Р-300), по всей вероятности, отражает завершение процесса идентификации или классиф. стимула. Фактический латентный период этой волны меняется пропорционально времени реакции, а ее амплитуда — пропорционально объему информ. в стимуле; внезапные, важные или, м. б., «незабываемые» стимулы вызывают более выраженные Р-компоненты.

Изучение психол. коррелятов различных компонентов ВКП и использование этих данных при формулировании и проверке моделей обработки информ. мозгом — одна из наиболее быстро развивающихся и перспективных областей совр. психофизиолог. исслед.

См. также Автономная нервная система, Мозговые волны, Центральная нервная система, Компьютерная томография, Электроэнцефалография, Нейропсихология

Д. Т. Ликкен