Доклады Российской академии наук. Науки о жизни, 2021, T. 500, № 1, стр. 414-419

Термин “рабочая память” (РП) относится к мозговой системе временного хранения и преобразования информации, которая обеспечивается согласованной работой ансамбля взаимодействующих отделов коры и подкорковых образований [1]. Поэтому в экспериментальных исследованиях рабочей памяти придается такое значение исследованию функциональных связей между участниками ансамбля и, в особенности, оценке силы направленных связей между ними – силы эффективных связей [2]. Для решения этой задачи используют данные функциональной магнито-резонансной томографии, электрической и/или магнитной активности коры головного мозга и широкий спектр математических методов оценки функциональных и эффективных связей.

В функциональной организации РП префронтальная кора (ПФК) является важным управляющим центром. Нисходящие влияния являются механизмом приоритетности переработки релевантной информации [3]; за счет нисходящего контроля минимизируется влияние дистракторов [4], улучшается качество репрезентаций релевантных стимулов в сенсорных областях [5]. Нисходящие влияния играют важную роль на всех этапах РП, не только при ответе на внешний сигнал (кодирование информации, сличение внутренней энграммы с текущим стимулом), но и в его отсутствие, например, при ожидании стимула [6] и удержании актуальной информации в памяти [1].

Начиная с исследования Fuster и Alexander, проведенного в 1971 г. [7], стало понятным, что период удержания информации характеризуется активацией обширной системы областей мозга, включающей префронтальную и нижнетеменную кору, височные отделы, моторную ассоциативную кору, сенсорные области, а также таламус и базальные ядра (более подробно см. обзор [8]). На этом этапе за счет нисходящих влияний поддерживаются приоритеты сохраняемых в памяти стимулов [3]. При этом факторами, определяющими успешность выполнения задачи РП, являются не только точность детального описания удерживаемого стимула в низкоуровневых сенсорных областях [8], но и наличие его репрезентации в лобной коре, что важно для поддержания представления стимула на разных иерархических уровнях зрительного анализатора [9]. Таким образом, взаимодействие дистантно удаленных участков мозга на этапе удержания является одним из важных факторов производительности РП. Однако исследования в этом направлении немногочисленны и в силу использования в них разных экспериментальных моделей и способов обработки мозговой активности пока не дают четкого представления об организации нисходящего контроля на этапе удержания информации, т.е. в ситуации, когда сам стимул отсутствует в поле зрения человека.

В настоящей работе экспериментально исследовали характер эффективных связей между ПФК и постцентральными корковыми отделами зрительной системы при выполнении задачи рабочей памяти на ориентации двумерных пространственных решеток различного пространственного периода на интервале, предшествующем кодированию информации и при ее удержании. Оба эти интервала функционально эквивалентны в отношении уровня избирательного внимания, но различаются тем, что второй интервал является периодом активного удержания информации об эталонном стимуле для его последующего сравнения с тестовым. Мы предполагали, что сопоставление силы эффективных связей на этих двух этапах позволит выявить те внутрикорковые связи, которые характерны для периода удержанием информации, т.е. связанные непосредственно с механизмами РП.

В исследовании участвовали 27 испытуемых (13 мужчин и 14 женщин, 22.57 ± 0.46 года) c нормальным зрением. От всех испытуемых получено добровольное информированное согласие. Протокол исследования одобрен этической комиссией ИВНД и НФ РАН, протокол № 1 от 15. 01. 2020 г. Стимулы – черно-белые высококонтрастные прямоугольные двумерные ориентационные решетки с наклоном линий 0 (горизонталь), 90 (вертикаль) и 45 град. Размер стимула на экране – 5.5 угловых градусов, освещенность на уровне глаз испытуемого – 3 лк. Испытуемого просили определить, совпадают ли ориентации линий этих двух стимулов, и нажать на соответствующую кнопку клавиатуры. Длительность стимулов – 100 мс; время межстимульного интервала изменялось в случайном порядке от 1500 до 1700 мс. Интервал между отдельными последовательностями – 3000 мс. Стимулы и временные характеристики одной последовательности стимулов представлены на рис. 1. В эксперименте испытуемому предъявляли 90 пар совпадающих (по 30 для каждой ориентации) и 180 пар несовпадающих ориентаций (по 60 для каждой ориентации), всего 270 пар стимулов. У испытуемых регистрировали ЭЭГ в процессе решения ими задачи на сравнение ориентации удерживаемой в РП эталонной решетки с ориентацией последующей тестовой. ЭЭГ регистрировали на 128-канальном энцефалографе (Electrical Geodesics Inc., USA) при стандартных параметрах регистрации, рекомендованных производителем.

Рис. 1.

Условия эксперимента. а – ориентационные решетки горизонтальной, вертикальной и наклонной ориентаций. б – временная последовательность событий в одном блоке эксперимента. Серым отмечены 900 мс интервалы, на которых рассчитывали направленную когерентность.

Для оценки силы эффективных связей применялся метод векторного авторегрессионного моделирования (ВАР–моделирование) [10]. ВАР-модель предполагает, что для произвольного дискретного момента времени n вектор-столбец текущих значений сигнала x(n) складывается из линейной комбинации предыдущих его значений x(n–p) вплоть до значения, которое наблюдалось P отсчетов назад (P называется порядком ВАР–модели), и текущего вектора белого гауссовского шума e(n):

Здесь а(p) – квадратная матрица размерностью 128 × 128, элементы которой а_km(p) показывают, какой вклад в текущее значение сигнала x_k(n) в канале k вносит сигнал x_m(n–p) в канале m.

В частотной области на основе коэффициентов а_km(p) вычисляют функцию направленной когерентности DC [11]:

Здесь f обозначает частоту, σ_mm – стандартное отклонение белого шума e_m(n), Η_km(f) – элемент системной матрицы [11], а S_kk(f) – спектр мощности сигнала в канале k.

Направленная когерентность характеризует силу эффективной связи, т.е. степень направленного влияния одного канала на другой, и показывает, какую долю в спектр мощности сигнала в канале k вносит сигнал, порожденный в канале m.

Значения DC_km(f) усреднялись по частоте в частотных диапазонах тета (4–8 Гц) и альфа (8–13 Гц), а затем анализировались с помощью дисперсионного анализа по схеме с повторными измерениями (RM ANOVA). Внутрииндивидуальными факторами были Полушарие (левое, правое), Частотный диапазон (тета, альфа), Условие (900 мс перед эталонным стимулом и 900 мс перед тестовым), Направление связи (нисходящее и восходящее) и Пара сенсоров (три пары). С учетом ранее полученных нами данных [12] были выбраны три пары сенсоров, каждая из которых позволяла оценить связь между ЭЭГ под фронтальным электродом (F3/F4) и сенсорами над теменной (P3/P4), височной (T5/T6) и затылочной (O1/O2) областями коры.

Для понимания специфики организации эффективных связей в РП наиболее важными были данные по основному эффекту фактора Условие и всех включающих этот фактор взаимодействий. Дисперсионный анализ значений направленной когерентности обнаружил значимый основной эффект фактора Условие [F(1, 25) = 5.068; p = = 0.033; ηp² =.169], а также ряд взаимодействий, включающих этот фактор. Значимыми оказались три двойных взаимодействия: Полушарие × × Условие [F(1, 25) = 8.004; p = 0.009; ηp² = 0.243], Диапазон × Условие [F(1, 25) = 4.878; p = 0.037; ηp² = 0.163] и Направление × Условие [F(1, 25) = = 9.888; p = 0.004; ηp² = 0.283] и два тройных взаимодействия: Полушарие × Диапазон × Условие [F(1, 25) = 14.302; p = 0.001; ηp² = 0.364] и Диапазон × Условие × Направление [F(1, 25) = 12.341; p = 0.002; ηp² = 0.330]. С учетом значимых взаимодействий фактора Условие с факторами Полушарие и Диапазон далее мы провели дисперсионный анализ направленной когерентности отдельно для каждого полушария и каждого ритма. Для тета-диапазона частот в правом полушарии обнаружены значимый главный эффект Условия [F(1.26) = 15.374; p = 0.001; ηp² = 0.372] и взаимодействие Условие × Направление [F(1.26) = = 18.114; p = 0.0002; ηp² = 0.411]. Попарные сравнения силы направленных связей между сенсорами F4, с одной стороны, и P4, T6 и O2 – с другой, показали, что Условие влияет только на нисходящие связи F4→P4 [t(26) = 4.492; p = 0.0001], F4→T6 [t(26) = 4.060; p = 0.0004] и F4→O2 [t(26) = = 3.758; p = 0.001]. Рисунок 2а демонстрирует этот результат. Видно, что удержание информации в зрительной РП (900 мс период перед тестовым стимулом) сопровождается значимым снижением силы нисходящих связей относительно периода перед эталонным стимулом. Для альфа-диапазона частот в левом полушарии обнаружен значимый основной эффект Условия [F(1,25) = 4.882; p = 0.037; ηp² = 0.163]. Попарные сравнения силы направленных связей между сенсорами F3, с одной стороны, и P3, T5 и O1 – с другой, показали, что Условие влияет только на нисходящие связи. Рисунок 2б демонстрирует этот результат. Видно, что удержание информации в зрительной РП сопровождается в левом полушарии усилением нисходящих связей в альфа-диапазоне относительно периода перед эталонным стимулом. Различия статистически значимы для пары F3→T5 [t(25) = 2.676; p = 0.013].

Рис. 2.

Средние значения функции направленной когерентности для различных пар сенсоров в двух условиях – при ожидании стимула и при его удержании в памяти. а – значения когерентности для нисходящих связей в тета-диапазоне в правом полушарии. б – значения когерентности для нисходящих связей в альфа-диапазоне в левом полушарии. По горизонтали – пары сенсоров; по вертикали – значения функции направленной когерентности (КОГ). Cветлые столбики (1) – этап ожидания стимула; темные столбики (2) – этап удержания стимула в памяти. Приведены средние по группе значения и ошибки среднего. Парные различия КОГ между двумя условиями значимы при *** – p <0.001 и * – p <0.05.

В современной литературе межрегионарную синхронизацию на частотах тета-ритма связывают с центральными механизмами управления процессами РП. Согласно литературе на частотах тета-ритма осуществляется координация когнитивных операций на разных уровнях РП [13–15]. В нашем исследовании мы сравнивали функцию направленной когерентности в двух ситуациях – при направленном внимании перед значимым стимулом, и в ситуации удержания в памяти его детального описания. Период, предшествующий поступлению значимой информации, не является периодом пассивного ожидания. В это время за счет инструкции и сигнала начала новой последовательности происходит преднастройка нейронных популяций, которая подготавливает проекционные области коры к эффективному кодированию информации, повышая его качество и тем самым эффективность РП [16]. Эти изменения в параметрах сенсорной обработки зависят от взаимодействия с сетью “контролирующих” регионов, включающих ПФК и теменную область [13].

Поэтому наблюдаемый нами более высокий уровень нисходящих влияний в период перед кодированием информации по сравнению с периодом удержания информации может быть связан с необходимостью селективной настройки нейронных популяций постцентральных зрительных областей, что важно для оптимизации этой операции и, таким образом, повышения эффективности РП. Еще одним фактором, который мог вызвать эффект уменьшения нисходящих влияний в период удержания информации относительно периода перед ее кодированием, является характер использованных в работе стимулов. Известно, что для ориентаций, как одного из базовых зрительных признаков, в эволюции сформировался особый механизм низкоуровневой перцептивной памяти, локализованной на уровне ранних зрительных областей, который на этапе удержания может быть достаточным для высокоточного сохранения информации [17]. По мнению Sauseng и соавт. [18], исполнение заученного действия требует меньшего участия центрального исполнительного звена РП и характеризуется более низким уровнем межрегиональных связей.

Обнаруженные нами различия в направленной когерентности на альфа-частотах между ситуациями направленного внимания и удержания не столь выражены, как различия в тета-диапазоне, но важно подчеркнуть, что они имеют иную направленность. Значения КОГ при удержании выше, чем на этапе, предваряющем кодирование стимула. Такой результат соответствует представленным в литературе сведениям о том, что переход от этапа кодирования к этапу удержания инфор-мации    сопровождается увеличением мощности альфа-колебаний и усилением альфа-синхронизации между затылочной и лобно-височной областями [15, 19]. Предполагается, что альфа-фазовая синхронизация между лобно-височной и затылочной областями мозга представляет собой функциональную сеть, которая помогает подавлять как внутренние, так и внешние отвлекающие факторы. Большая выраженность изменений альфа-когерентности слева может быть связана с тем, что ориентации являются локальными характеристиками объектов и сцен, которые анализируются преимущественно в левом полушарии [20].

Полученная нами картина изменений эффективных связей ПФК с постцентральными зрительными областями коры продемонстрировала частотно-зависимую динамику нисходящих влияний. При этом более отчетливые изменения направленной когерентности в тета-диапазоне соответствуют классическим представлениям о преимущественном вовлечении в зрительно-пространственную РП структур правого полушария и особой роли колебаний тета-диапазона в нисходящих управляющих влияниях ПФК [21]. Тот факт, что динамика нисходящих влияний ПФК на постцентральные области коры надежно выявляется с помощью функции направленной когерентности, измеренной на достаточно продолжительном отрезке времени в 0.9 с, свидетельствует в пользу тонического характера такого модулирующего влияния, что хорошо согласуется со свойствами нисходящих модулирующих влияний [9]. Поэтому полученные нами данные о динамическом характере нисходящих связей – об их изменении на функционально разных этапах решения задачи – подтверждают представление о том, что в структуре рабочей памяти ПФК играет роль управляющего модулирующего центра.