Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова, 2021, T. 107, № 8, стр. 955-972

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В исследовании принимали участие 37 человек (практические здоровые студенты, правши 18 ± 1.1 лет; 27 девушек и 10 юношей), не проходившие медикаментозного лечения. Исследование было одобрено Этическим комитетом Факультета гуманитарного образования и информированное согласие было получено у всех участников исследования в соответствии с этическими нормами Хельсинской декларации 2013 г.

Для определения вербального (IQv) и зрительно-пространственного (IQs) компонентов интеллекта использовали тест структуры интеллекта Амтхауэра: средние значения выполнения двух вербальных (субтесты 2 и 3) и двух невербальных заданий (субтесты 7 и 8). Для оценки образной креативности применяли субтесты Торренса “Круги” и “Незавершенные фигуры”, вербальной – методику Гилфорда “Необычное использование обычного предмета” и составление осмысленного предложения с включением трех слов-стимулов (существительных из отдаленных семантических категорий). Показатели оригинальности ответов при выполнении трех первых методик вычисляли на основе соответствующей базы данных как число, обратное количеству таких же идей [36]. Оригинальность предложений оценивали подготовленные эксперты, имеющие опыт работы с данной методикой (альфа Кронбаха для полученных оценок составила 0.82).

Регистрацию ЭЭГ в состоянии спокойного бодрствования с закрытыми глазами выполняли с помощью аппаратуры и программного обеспечения “Мицар-201” в 19-ти отведениях (Fp₁, Fp₂, F₇, F₃, Fz, F₄, F₈, T₃, C₃, Cz, C₄, T₄, T₅, P₃, Pz, P₄, T₆, O₁, O₂), расположенных согласно системе 10/20, с объединенным референтным ушным электродом. Частота дискретизации 500 Гц, полоса пропускания 0.5–70 Гц. Для анализа активности мозга выбирали 2-секундные безартефактные отрезки ЭЭГ (с перекрытием 50%) общей длительностью 60 с. Для каждого отведения методом быстрого преобразования Фурье вычисляли спектральную плотность ЭЭГ в шести частотных диапазонах: дельта (1–4 Гц), тета (4–7 Гц), альфа1 (7–10 Гц), альфа 2 (10–13 Гц), бета 1 (13–20 Гц) и бета 2 (20–30 Гц).

Для статистического анализа был использован пакет программ Statistica 13.3 (SN: JPZ912J057923CNET2ACD-K). Для нормализации показателей мощности ЭЭГ применяли натуральный логарифм их значений.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Анализ частотно-пространственной организации фоновой активности коры головного мозга выполняли на основе сравнения групп, которые были сформированы делением выборки согласно полученным средним значениям показателей креативности и интеллекта для каждого субтеста. Выделенные таким образом группы с высоким (Гр1) или (Гр0) низким значением, соответственно для вербальной ГрВК1 и ГрВК0 и невербальной ГрОК1 и ГрОК0 креативности и для вербального ГрIQv1 и ГрIQv0 и невербального ГрIQs1 и ГрIQs0 интеллекта, различались по этим классификационным параметрам (p < 0.01) и составу индивидов в группах (табл. 1).

Дисперсионный анализ показателей мощности ЭЭГ в каждом из шести выделенных диапазонов выполняли с независимой переменной ГРУППА (ВК(2), ОК(2), IQv(2) и IQs(2)). Зависимыми переменными были разные регионы коры в соответствии с гипотезами исследования: для изучения вклада исполнительной системы FPN – фронтальные (Fp₁, Fp₂, F₃, F₄, F₇, F₈), DMN – расположенные по центральной линии (Fz, Cz, Pz) и центрально-париетальные (C₃, C₄, P₃, P₄) области, а для анализа значения вербальной или образной природы креативности и интеллекта – темпоральные (T₃, T₄, T₅, T₆) и париетально-окципитальные (P₃, P₄, O₁, O₂) области левого и правого полушария (т.е. переменные ОБЛАСТЬ и ЛАТЕРАЛЬНОСТЬ). Анализ ANOVA выполняли с поправкой Гринхауза–Гейсера. Для выяснения причин обнаруженных эффектов использовали плановое сравнение показателей и рost-hoc анализ данных с поправкой Бонферрони для множественных сравнений.

Рис. 1.

Регионарные изменения мощности дельта-ритма, связанные с уровнем креативности (a) и интеллекта (b). ГрВК1, ГрВК0, ГрОК1 и ГрОК0 – группы с высоким или низким уровнем вербальной и образной оригинальности соответственно, и ГрIQs1 и ГрIQs0 – высокого и низкого зрительно-пространственного интеллекта.

Обнаруженные эффекты, свидетельствующие о влиянии факторов ГРУППА или их взаимодействии (в том числе групп, различающихся по креативности и интеллекту), с переменными ОБЛАСТЬ и ЛАТЕРАЛЬНОСТЬ, сведены в табл. 2. Достоверные межгрупповые различия и регионарные особенности мощности биопотенциалов в каждом из шести диапазонов ЭЭГ, характеризующие Гр1, показаны на рис. 2.

Рис. 2.

Карты разности мощности биопотенциалов при сравнении групп с высокой и низкой вербальной (ВК) и образной (ОК) креативностью в шести частотных диапазонах (delta–beta2). Белыми овалами отмечены области для общих эффектов ВК и ОК, кружками – отведения, для которых обнаружены регионарные различия в группах (в том числе регионарные эффекты для ГрВК1 и ГрОК1), стрелки указывают на области коры, для которых получен эффект взаимодействия креативности и соответствующего компонента интеллекта.

Post-hoc анализ приведенных в табл. 2 эффектов показал, что на частоте дельта-колебаний ГрОК1 (отличающаяся высокими значениями образной оригинальности) характеризуется большей фоновой мощностью дельта-ритма в передней части коры (отведения Fp₁, Fp₂, F₃, F₄, F₇, F₈ и Fz, Cz, Pz) по сравнению с ГрОК0 (пример этого эффекта для Fz, Cz, Pz показан на рис. 1a).

Для ГрВК1 обнаружено, напротив, снижение мощности дельта-ритма по оси Fz, Cz, Pz. Взаимодействие ГрВК × ОБЛ для височных и центрально-париетальных областей коры было связано с большей мощностью дельта-ритма в задневисочных и париетальных отведениях по сравнению с передне-височными и центральными в ГрВК0 при отсутствии достоверных различий для ГрВК1 (см. табл. 2).

Взаимодействие ГрОК × ГрIQs × ОБЛ для отведений Fz, Cz, Pz обусловлено разнонаправленными градиентами мощности дельта-ритма в ГрОК0: с его повышением в заднем направлении при низком интеллекте (ГрIQs0), но снижении при высоком (рис. 1b); при этом эффект большей мощности дельта-колебаний в ГрОК1 не зависел от уровня IQ. Взаимодействие ГрОК × ГрIQs × ОБЛ для центрально-париетальных областей было связано с тем, что ГрОК1 характеризовалась большими значениями дельта-ритма в париетальных по сравнению с центральными отведениями при высоких значениях IQs, сопровождающихся отсутствие асимметрии показателей мощности (рис. 2), которая отмечалась у лиц из ГрIQs0 (взаимодействие IQs × ОБЛ × ЛАТ).

В тета-диапазоне для ГрОК1 сохраняется эффект больших значений мощности биопотенциалов в сравнении с ГрОК0 для передних, центральных и центрально-теменных регионов коры (табл. 2, рис. 2). Латеральный эффект для ГрОК был представлен в затылочной коре: ГрОК1 характеризовалась большей левополушарной мощностью тета-ритма, а ГрОК0 – правополушарной.

На этой частоте выявлены регионарные эффекты фоновой активности коры для ГрВК в височных и центрально-париетальных областях коры: ГрВК1 характеризовалась большим уровнем тета-осцилляций в Сz, чем в Рz, а ГрВК0 – в передне-височных, чем в задневисочных отведениях. Связанные с вербальной креативностью регионарные особенности тета-ритма зависимы от уровня IQv во фронтальных и центрально-париетальных областях коры с более выраженным градиентом в ГрIQv0 (см. табл. 2). На рис. 2 стрелками указаны эти области, и отмечены отведения, для которых обнаружены различия между ГрВК1 и ГрВК0, регионарные особенности показателей мощности приведены для ГрВК1.

По альфа 1-активности ГрВК различались в височной и центрально-париетальной коре с меньшими значениями мощности в ГрВК1, чем ГрВК0, а ГрОК – асимметрией мощности альфа-биопотенциалов в парието-окципитальных областях при больших левополушарных значениях мощности в ГрОК1, но правополушарных для ГрОК0 (табл. 2, указаны отведения, для которых обнаружены межгрупповые различия для ГрВК1 и ГрВК0, и эффект полушарной асимметрии для ГрОК1).

В альфа 2-диапазоне ГрОК1 характеризовалась большим уровнем мощности биопотенциалов в передних областях коры, а в центральных, париетальных и окципитальных связанная с образной креативностью фоновая активация коры менялась зависимым от IQs образом: характеризующая ГрОК1 мощность альфа 2-ритма для ГрIQs0 была ниже в левом, чем в правом полушарии, а для ГрIQs1 – наоборот, в правом (на рис. 2 показана карта мощности с асимметрией альфа 2 для лиц, принадлежащих к ГрIQs1 из ГрОК1). ГрВК1 отличалась от ГрВК0 большим уровнем альфа 2-ритма в центральных и передне-височных отведениях, а в задневисочных – напротив, меньшим (на рис. 2 отмечены эти отведения, интенсивность темного цвета указывает на большие значения альфа в Гр1, чем в Гр0; светлого – наоборот, большие значения мощности биопотенциалов в Гр0).

В бета 1-диапазоне взаимодействие ГрВК × ОБЛ обусловлено более выраженным градиентом мощности биопотенциалов в ГрВК0 с большими значениями в Pz, чем Fz.

Обнаруженные эффекты для бета 2-диапазона связаны с фактором ЛАТЕРАЛЬНОСТЬ: для ГрОК – в височных и парието-окципитальных областях, а для ГрВК – в центрально-париетальных (табл. 2). ГрОК1 отличается большими значениями мощности левополушарного бета 2-ритма (рис. 2), а ГрОК0 – правополушарного; в ГрВК1 полушарная специфика латерального эффекта связана с уровнем IQv: доминирование левого полушария согласно большей мощности высокочастотных бета-биопотенциалов в ГрВК1 наблюдается при условии принадлежности к ГрIQv1 (рис. 2), а правого – к ГрIQv0. Взаимодействие ГрВК × ОБЛ × ЛАТ обусловлено разнонаправленным латеральным эффектом в мощности бета 2-колебаний в центральных и париетальных отведениях для ГрВК0 при отсутствии асимметрии в ГрВК1 (табл. 2).

Таким образом, полученные данные указывают, что большая часть различий в фоновой активности коры для групп, сформированных на основе разного уровня показателя оригинальности при тестировании креативности, представлена в низкочастотных дельта- и тета-диапазонах и высокочастотных альфа 2- и бета 2-диапазонах. Регионарная специфика фоновой ЭЭГ подтверждает гипотезу исследования: “преднастройка” к вербальной оригинальности преимущественно касается височных и центрально-париетальных областей коры, а к образной – париетально-окципитальных (см. рис. 2). Что касается градиента активности нейронных сетей в передне-заднем направлении, то можно заключить, что более высоким креативным способностям соответствуют большие значения низкочастотных биопотенциалов в передней части коры при относительно большей активации задних отделов на альфа-частоте.

Вклад IQs в связанные с образной креативностью изменения частотно-пространственной активности представлен на частоте дельта- и альфа 2-ритма, а вклад IQv в “преднастройку” нейронных систем коры для вербальной креативности – в тета- и бета 2-диапазонах.

Учитывая выявленную информативность дельта- и альфа2-биопотенциалов в дифференциации высокой и сравнительно низкой оригинальности ответов при тестировании креативности, нами выполнен корреляционный анализ показателей мощности этих ритмов для всех отведений биопотенциалов. Его результаты показаны на рис. 3.

Рис. 3.

Карты корреляций между дельта- (отведения по вертикали) и альфа 2- (отведения по горизонтали) ритмами для групп, различающихся более высокой (ГрВК1-вербальной, ГрОК1-образной) или низкой (ГрВК1, ГрОК0) оригинальностью ответов.

Приведенные на рис. 3 карты корреляций указывают на разные формы организации взаимосвязи мощности дельта и альфа 2 в группах, различающихся уровнем вербальной или образной креативности (достоверные связи на приведенных картах начинаются для r > 0.45 при p < 0.05). Результаты межгруппового сравнения регионарных особенностей средних значений показателей корреляции свидетельствуют, что ГрВК1 отличается более выраженной положительной связью мощности дельта-колебаний в переднефронтальных отведениях и генерализованно представленного альфа 2 по сравнению с ГрВК0 (r = 0.62 и 0.24, p = 0.03), тогда как в ГрВК0 связь этих ритмов представлена в задних областях коры. Сравнительный анализ коэффициентов корреляции в отведениях C₃, Cz, C₄, P₃, Pz, P₄) показывает большие значения в ГрВК0, чем ГрВК1 (r = 0.55 и 0.23, p = 0.05). Такая же закономерность, но менее выраженная, прослеживается при сравнении корреляционных карт для ГрОК1 и ГрОК0 (r = 0.57 и 0.33, p = 0.10 и r = 0.44 и 0.22, p = 0.20 соответственно).

Аналогично выполненный корреляционный анализ тета- и бета 2-мощности выявил их тесную связь для ГрВК1: мощность тета-ритма в передней части коры, преимущественно в отведениях Fp₁, F₇, а также в T₄ и T₅, положительно связана с широко представленными по коре бета 2-осцилляциями (рис. 4, корреляции значимы при r > 0.50, p < 0.05). В ГрОК1 корреляции тета и бета 2 не такие высокие, в большей степени они представлены в центрально-париетальных отведениях. В ГрВК0 отмечены единичные связи показателей мощности этих ритмов, а в ГрОК0 – только корреляция тета- в Т4 и Р3 с диффузно представленной по коре мощностью бета 2-колебаний.

Рис. 4.

Карты корреляций между тета- (отведения по вертикали) и бета 2- (отведения по горизонтали) ритмами для групп, различающихся более высокой (ГрВК1-вербальной, ГрОК1-образной) или низкой (ГрВК1, ГрОК0) оригинальностью ответов.

Таким образом, фоновая активность мозга по-разному представлена в группах с высокой или низкой оригинальностью ответов при тестировании вербальной или образной креативности и связана с уровнем IQ.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Полученные в результате межгруппового сравнения различия в фоновой мощности ЭЭГ указывают на более широко частотно- и регионарно представленные эффекты, связанные с уровнем креативности, чем IQ. Действительно, данные многочисленных исследований креативности последних лет отражают необходимость интеграции широко распределенных нейронных сетей, охватывающих не только корковые области, но и подкорковые структуры [3, 6, 9, 37]. При формировании ГрОК и ГрВК были использованы показатели оригинальности дивергентного мышления в разных условиях тестирования креативности: требующих в первую очередь отказа от стереотипного ответа (Круги и НИОП), либо скорее способностей к формированию отдаленных ассоциаций (Фигуры и СП). Следовательно, сформированные группы различаются не только средним уровнем оригинальности ответов, но и стратегиями его поиска вследствие разных условий тестирования, влияние которых было показано нами ранее при исследовании возрастных особенностей креативности [38].

Взаимодействие нейронных ансамблей распределенной системы FPN и DMN как основы для генерации концептуально нового решения при тестировании креативности показано ранее с применением томографических методов [39]. Эффективную координацию таких ансамблей может обеспечивать синхронизация медленноволновой активности в дельта- и тета-диапазонах согласно нашим данным, а также результатам другого исследования, в котором отмечена положительная связь дельта-колебаний и оригинальности дивергентного мышления [40]. Имеются, однако, данные о противоположном эффекте: десинхронизации дельта-осцилляций при создании уникального образа [41]. Такие противоречия могут быть связаны с различиями в субъективно оцениваемой сложности задачи и соответствующих изменениях в балансе активационных и тормозных процессов в коре [34, 42].

Сравнительно более локально регионарно и частотно представленную связь фоновой ЭЭГ и IQ можно объяснить в соответствии с гипотезой нейронной эффективности [43], то есть точно скоординированной и соответственно экономно функционирующей нейронной сетью для извлечения логически верного ответа при тестировании IQ. Другой причиной может быть менее выраженная по сравнению с креативностью разница по IQ в Гр0 и Гр1 (по уровню IQ группы различаются примерно на 10%, тогда как по показателю оригинальности – в 1.5–2 раза).

Обнаруженные эффекты взаимодействия креативности и IQ (ГрОК × ГрIQs × ОБЛ, ГрВК × ГрIQv× ОБЛ, ГрВК × IQv × ОБЛ × ЛАТ или ГрВК × IQv × ЛАТ) были представлены в передней части коры для низкочастотных дельта- и тета-диапазонов, функциональное значение которых связывают с процессами мотивации и эмоциональной регуляции когнитивной деятельности [44–46], и в задних участках коры для высокочастотных альфа 2 и бета 2, которые ассоциируются с семантической обработкой информации [47–50]. Можно предположить, что связь интеллекта и креативности опирается на два разных процесса: исполнительный контроль деятельности со стремлением к ее лучшему результату (функции FPN) и способности к поиску отделенных ассоциаций с вовлечением обширных информационных ресурсов (функции DMN и париетальной системы внимания).

Разнонаправленные в ГрОК и ГрВК эффекты для дельта-колебаний в отведениях Fz, Cz, Pz (проекция DMN) можно объяснить большим вкладом вербальных интеллектуальных способностей в “преднастройку” нейронных сетей коры для организации дальнейшей когнитивной деятельности, сопровождающейся снижением активности DMN при ее повышении в FPN [51, 52]. В свою очередь обнаруженный разнонаправленный градиент мощности дельта-колебаний по оси Fz–Cz–Pz: с увеличением в заднем направлении для ГрВК1, но снижением для ГрВК0 (рис. 1A) с учетом регионарных особенностей взаимосвязи мощности дельта- и альфа2-ритмов (рис. 3) может отражать “преднастройку” к успешной креативной деятельности в ГрВК1 за счет ее мотивационного и исполнительного компонентов и соответствующей синхронизации дельта-биопотенциалов фронтальной коры и генерализованного по коре альфа 2-ритма (взаимосвязь систем FPN и DMN), тогда как в ГрВК0 такой эффект характерен для центрально-париетальных областей, что представляет, по-видимому, “автономное” состояние DMN. Подобие корреляционных карт для ГрВК1 и ГрОК1 как на частотах дельта–альфа 2, так и тета–бета 2 (рис. 3 и 4) можно рассматривать как подтверждение общего эффекта взаимодействия FPN и DMN, необходимого для поиска оригинального решения поставленной проблемы [1, 8, 9, 39].

ГрВК1 характеризуется более широко представленными и устойчивыми по сравнению с ГрОК1 паттернами корреляций низкочастотных и высокочастотных ритмов со сравнительно большим вовлечением височных отделов коры как специализированной основы вербальной креативности, тогда как анализ групп, различающихся образной креативностью, указывает на информативное значение функций задних отделов коры (см. рис. 2–4).

Обнаруженная на альфа 1,2-частоте большая синхронизация биопотенциалов в передней части коры для Гр1 по сравнению с Гр0 отражает, по-видимому, “преднастройку” фонового состояния мозга [29], ведущую к успешным процессам интернального внимания и торможения нерелевантной информации при дивергентном мышлении [26]. А эффект большей десинхронизации альфа-биопотенциалов в задних отделах коры применительно к вербальной или образной природе задания также подтверждает гипотезу исследования: вербальная креативность связана с изменениями активации преимущественно височных областей коры, а невербальная – теменно-затылочных областей (рис. 2).

Что касается эффекта ЛАТЕРАЛЬНОСТЬ, то на низких частотах тета- и альфа 1-диапазона он указывает на большую активацию правого полушария как предпосылку к образной креативности (табл. 2, рис. 2). В более высокочастотных альфа 2 и бета 2 выраженность полушарной асимметрии связана с IQ: для лиц из ГрВК1 и ГрIQv1 фоновая активность центрально-париетальных отделов коры характеризуется большими значениями бета 2-ритма в левом полушарии, а для представителей ГрОК1 и IQs1 – это левополушарное доминирование отмечается не только согласно показателям бета 2-, но и альфа 2-ритма. Следовательно, спорный вопрос о связанном с креативностью полушарном доминировании [12–14] можно решить, учитывая вклад разных компонентов интеллекта.

Таким образом, анализ частотно-пространственной организации активности коры головного мозга может быть полезным инструментом для выявления вклада интеллектуальных способностей и эмоционально-мотивационной регуляции стратегий достижения высокого уровня креативности. Обнаруженное в нашей работе информативное значение альфа- и бета 2-осцилляций при сравнении лиц, различающихся уровнем креативности, согласуется с данными классификации вербальной креативности на основе машинного обучения [53]. Оценка фоновой активности мозга и психометрических показателей разных компонентов интеллекта и креативности представляет особый интерес при выборе режима транскраниальной стимуляции для тренировки креативных способностей. В последнее время появилось множество таких работ (например, [54–56]), согласно результатам которых констатируется положительный эффект тренировки, однако механизм его достижения остается неясным [57], так как используются не только разные участки коры (чаще префронтальные области левого или правого полушария), но и совершенно разные частотные параметры воздействия на мозг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Связанные с креативностью особенности частотно-пространственной организации фоновой ЭЭГ в максимальной степени представлены в диапазоне дельта-, тета-, альфа 2-ритмов и бета 2-ритмов. Более высоким креативным способностям соответствуют большие значения низкочастотных биопотенциалов в передней части коры при относительно большей активации задних отделов на альфа-частоте. Связанная с дифференциацией креативности фоновая активность коры на частоте бета 2-диапазона отражается изменениями в доминировании активности левого или правого полушария. “Преднастройка” активности коры к вербальной оригинальности проявляется преимущественно в височных и центрально-париетальных областях коры, а к образной – в париетально-окципитальных.

Взаимодействие зрительно-пространственного компонента интеллекта и образной креативности представлено в большей степени в фоновой активности коры на частоте дельта- и альфа-ритма, а вербального компонента интеллекта и вербальной креативности – на частоте тета- и бета 2-диапазона.

Следовательно, определение индивидуальных характеристик фоновой частотно-пространственной организации активности коры головного мозга может быть полезно для выяснения ресурсов креативности и оптимальных стратегий инновационной деятельности.