Метод вызванных потенциалов мозга icon

Метод вызванных потенциалов мозга


2 чел. помогло.
Смотрите также:
Расчёт коэффициента передачи по току низкочастотного фильтра...
Лекция 1
2. Метод термодинамических потенциалов Литература: [1], [2], [3], [4], [5]...
План лекции: Общая характеристика функций спинного мозга Нейронная организация спинного мозга...
Курсовая работа Тема: Сестринский процесс при повреждении спинного мозга...
А. К. Платонов, А. А. Кирильченко, М. А. Колганов...
Наталья Бехтерева Лабиринты мозга...
20 диффузные аксональные повреждения головного мозга...
Этапы изучения мозга человека (от древних египтян до Везалия)...
Программа вступительного испытания по предмету «Информационные системы в экономике»...
«Метод Сильва» официальное представительство в Санкт-Петербурге...
Если у вашего ребенка повреждение мозга или у него...



Загрузка...
страницы:   1   2   3
скачать

(Submitted to Voprosy Yazykoznania (‘Linguistic Issues’) [A journal of the Russian Academy of Science.]

June 22, 2005

МЕТОД ВЫЗВАННЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ МОЗГА

В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПСИХОЛИНГВИСТИКЕ



Ирина А. Секерина


Городской университет Нью-Йорка (США)


1. Введение


Функциональная гибкость языка и его эффективность как средства общения обуславливаются двумя главными факторами: его внутренней иерархической организацией и наличием биологического субстрата, человеческого мозга. Традиционно лингвисты представляют язык в виде знаковой системы, состоящей из уровней – фонетического, фонологического, морфологического, синтаксического, семантического и дискурсивного. Так, фонетика изучает звуки языка и то, как они производятся, передаются и воспринимаются. Абстрактные характеристики звуков, которыми определяются фонемы, изучаются фонологией. Сочетания фонем, образующие самостоятельные языковые единицы, имеющие значения, обозначаются морфемами, а словобразовательные и словоизменительные процессы составляют предмет морфологии. Сочетания морфем и слов образуют синтагмы, предложения и тексты (дискурс), и особенности этих сложных языковых единиц составляют предмет синтаксиса. Цель этого поэтапного процесса — переход от звука к смыслу высказывания, а результат — смысловое восприятие речи. Семантика, прагматика и дискурс, таким образом, представляют собой конечный этап процесса понимания речи.

Очевидно, однако, что наличие внутренней иерархической организации само по себе не может служить доказательством эффективности языка как средства общения; иначе как тогда объяснить тот факт, что только человек обладает языковыми способностями? Усвоение языка, его использование и языковое творчество могут объясняться только при одновременном наличии обоих необходимых условий: внутренней языковой организации и особенностей строения человеческого мозга. Какова взаимосвязь этих двух факторов? Представлен ли язык в мозгу человека в виде иерархической уровней, т.е. так, как его описывает лингвистика? Данная статья посвящена описанию метода вызванных потеницалов мозга, позаимствованному психолингвистикой из нейронауки и позволяющему непосредственно исследовать внутреннюю организацию языка как психического феномена, порождаемого мозгом.

С одной стороны, мы можем смело ответить на последний вопрос утвердительно. Действительно, сочетания фонем воспринимаются и порождаются мозгом не так, как синтаксические фразы или смысл целого предложения. В этом смысле языковые единицы разных иерархических уровней, выделяемые в лингвистике, имеют свои собственные, уникальные ментальные представления. С другой стороны, однако, языковые явления, изучаемые в лингвистике, принято делить на относящиеся либо к сфере языковой компетенции либо к сфере языковой деятельности. Языковая компетенция определяется абстрактными единицами, например, фонемами, морфемами и синтагмемами, которые оторваны от реального времени и пространства. В противоложность этому результат функционирования мозга представляет собой языковую деятельность, т.е. процесс, имеющий конкретные пространственно-временные характеристики, значимость которых трудно переоценить. Очевидно, что соответствие между абстрактными языковыми единицами, выделяемыми в лингвистике, и их ментальными представлениями, порождаемыми мозгом, не может быть взаимооднозначным. В качестве иллюстрации приведем процесс визуального распознавания букв. На его ранних стадиях мозг одинаково реагирует не только на сочетания букв, соответствующих фонотактическим правилам языка, а именно, слова масло и псевдослова макло, но и на сочетания, которые эти правила нарушают мсло.

Данная статья организована следующим образом. В разделе 2 кратко описывается метод вызванных потенциалов мозга, начиная с характеристики самих вызванных потенциалов (раздел 2.1) и кончая конкретным описанием того, как проводится психолингвистический эксперимент с использованием этого метода (раздел 2.2). Раздел 3 посвящен обзору основных результатов экспериментальных психолингвистических исследований в области распознавания слов (раздел 3.1), синтаксического анализа предложения в процессе понимания (раздел 3.2), роли оперативной памяти (раздел 3.3) и саемантическому анализу (раздел 3.4). Раздел 4 представляет собой конкретный пример применения метода вызванных потенциалов при исследовании порядка слов в разных языках, а разделы 5 и 6, описывают результаты ВП эксперимента на материале русских предложений со свободным порядком слов и выводы.


2. Метод вызванных потенциалов мозга


2.1. Краткое описание вызванных потенциалов


Метод вызванных потенциалов (ВП) мозга основан на записи электроэнцефалограммы (ЭЭГ), которая измеряет спонтанную ритмическую активность мозга, происходящую с разной частотой (Kutas and Dale, 1997). Вызванными потенциалами (event-related potentials, ERPs) называются биоэлектрические сигналы мозга, которые появляются с постоянными временными интервалами после определенных внешних воздействий, или стимулов. Выделяются следующие характеристики потенциала: форма (наличие или отсутствие пиков), латентность (временной промежуток от момента подачи стимула до появления пика), длительность и амплитуда пиков. Каждый потенциал представляет собой синусоидальную волну, амплитуда которой изменяется во времени, и при этом полярность участков волны меняется от положительной к отрицательной. Участки волны разной полярности принято называть компонентами и обозначать латинскими буквами P (positive) и N (negative). В зависимости от периода времени анализа, т.е. времени возникновения мозговой активности после стимула, потенциалы подразделяются на коротколатентные, средне- и длиннолатентные. Коротколатентные потенциалы возникают уже через 10 мс после подачи стимула, в то время как среднелатентные после 100 мс, а длиннолатентные регистрируются значительно позднее, начиная от 300 мс и больше после сигнала.

В основе метода ВП лежит суммация и усреднение большого количества потенциалов, каждый из которых сам по себе слишком слаб и часто не отличим от спонтанных ритмов, не имеющих отношения к сигналу. В течение определенного времени после подачи стимула производится вычисление амплитуд эелкторсигналов мозга, через временные интервалы, зависящие от частоты квантования. Полученные данные запоминаются и суммируются. В результате амплитуда стабильно возникающих после стимула потенциалов неуклонно возрастает, а амплитуда спонтанной ритмов в той же степени уменьшается. Для получения результируюших амплитуд ВП, амплитуда в каждой точке усредняется, т.е. делится на число стимулов.

Вызванные потенциалы мозга широко применяются как в научных исследованиях, так и в клинической практике (см. обзоры на английском и русском языках, Event-Related Potentials, 2004; Гнездицкий, 1997; 2003). Для исследования языка в зависимости от модальности предъявляемого стимула используются сенсорные ВП двух типов, зрительные и слуховые. При этом значительно преобладают эксперименты, основанные на записи зрительных потенциалах, которые, например, исследуют то, как реагирует мозг на конкретный внешний сигнал в виде слова, представленного на экране компьютера. Метод ВП является важным методом изучения восприятия языка, потому что вызванные потенциалы отражают процесс, который разворачивается в режиме реального времени и позволяет измерять несколько разных характеристик. В частности, ВП позволяют непосредственно судить о том, какая активность характеризует мозг до начала языкового сигнала, во время его восприятия и после его окончания, используя при этом частоту квантования в пределах миллисекунд. ВП могут продемонстрировать не только разницу между двумя критическими условиями в психолингвистическом эксперименте, но и охарактеризовать ее, например, показать наличие или отсутствие количественной/ качественной разницы по длительности или амплитуде волн и их топологическое распределение по зонам коры головного мозга (Kutas, Fedemeier, and Sereno, 1999).


2.2. Методика

Оборудование. Для записи ВП используется лабораторное оборудование, в состав которого входят несколько компонентов: (1) компьютер для подачи стимулов и кнопочное устройство для записи ответов и времени реакции; (2) электродная шапочка (или сетка) и к ней набор электродов; (3) блок подключения электродов; (4) блоки приема и передачи, и (5) блок усиления и компьютер для записи ВП (усреднитель).

Главным компонентом ВП системы является эластичная шапочка, к которой крепятся электроды (Рисунок 1А). Количество электродов, иначе еще называемых каналами (channels) или отведениям, обычно кратно 32, поэтому минимальное количество электродов тоже 32. Более распространенными являются шапочки с 64, 128 и 256 электродами. Системы, использующие 128 или 256 электродов, называются высокоплотнымы (high density). При психолингвистических исследованиях в основном используются системы с 64 или 128 электродами. На рисунке 1Б изображена типовая





Рисунок 1. А. Шапочка с 64 вставляющимися электродами (компания Neuroscan).

Б. Топография 64 электродов.


конфигурация ВП системы с 64 электродами. Помимо 64 электродов на голове используются еще два контрольных электрода и четыре глазных электрода. Контрольные электроды, называемые мастоидными (mastoids), устанавливаются на черепные кости, расположенные непосредственно за мочками ушей (на рисунке 1Б левый контрольный электрод изображен в виде черного кружка рядом с левым ухом). Контрольные электроды являются точками отсчета: электроэнцефалограмма вычисляется при помощи вычитания потенциалов, записанных на всех остальных точках головы, из потенциалов, записанных в контрольных точках. Четыре глазных электрода устанавливаются на лице (на рисунке 1Б они обозначены символами EOGH и EOGV) . Глазные электроды записывают электроокулограмму (electrooculogram, EOG), т.е., вертикальные и горизонтальные движения глаз, которые впоследствии отфильтровываются.

Головные электроды делятся на несколько групп, в зависимости от их расположения: на левой или правой стороне головы и, соответственно, на левом или правом полушарии и в разных долях. Электроды левого полушария имеют нечетные номера 1-9, правого – четные номера 2-10, при этом номера возрастают от центра к периферии. В соответствии с долями электроды делятся на следующие группы:

А – передние доли (anterior)

P – задние доли (posterior)

Z – средняя линия (midline)

F – лобная (frontal)

T – височная (temporal)

C – центральная (central)

P – теменная (parietal)

O – затылочная (occipital).

Количество электродов, задействованных в эксперименте, может варьироваться в каждом конкретном случае.


^ Процедура проведения ВП эксперимента. Кресло испытуемого устанавливается на расстоянии 1 метра от экрана компьютера, на котором предъявляются стимулы. Испытуемому объясняются необходимые детали: минимизировать непроизвольные мускульные движения, по возможности контролировать движения глаз и постараться не моргать во время чтения экспериментальных стимулов. ВП, вызванные движениями головы, других частей тела, и в особенности, глаз и морганием, считаются артефактами, и обычно удаляются из ЭЭГ в процессе автоматического фильтрования после окончания эксперимента. Задача испытуемого — быстро и внимательно читать появляющиеся на экране стимульного компьютера слова или фрагменты предложения и отвечать на контрольные вопросы.

Испытуемому дается кнопочное устройство для записи времени реакции, лаборатория затемняется и начинаются тренировочные блоки, задача которых ознакомить испытуемого с процедурой проведения эксперимента. Время реакции записывается, когда испытуемый нажимает на одну из двух кнопок на кнопочном устройстве после успешного прочтения стимула, а также правильность ответа на контрольный вопрос, который обычно следует за пофрагментным прочтением предложения. Контрольные вопросы обычно включаются в эксперимент для предотвращения механического чтения фрагментов предложений, во время которого испытуемый может просто ритмично нажимать на кнопки, не задумаваясь над смыслом предложения. Подача слов или фрагментов предложений на экран стимульного компьютера и запись ответов испытуемого, т.е. его поведенческие результаты, правильность ответов и время реакции, контролируются программным обеспечением, отличным от программного обеспечения для усреднения и записи ВП.

После установки электродов на голову испытуемого (от 30 мин до 2 часов) и разъяснений по поводу задания и работы кнопочного устройства для записис ответов, лаборатория затемняется, и начинается разминка, состоящая из нескольких тренировочных блоков. Разминка необходима для того, чтобы добиться максимально идеальной процедуры проведения эксперимента. После окончания разминки включается программа, регистрирующая ВП, и начинается сам эксперимент. Эксперимент состоит из определенного количества блоков, от четырех и более, обычно в зависимости от количества условий в дизайне эксперимента (подробнее о дизайне см. раздел 6 данной статьи). Каждый блок обычно включает в себя в среднем 40 предложений, а между блоками устанавливается короткий перерыв для отдыха. Существуют разные варианты компоновки блоков, с отвлекающими предложениями и без. В отличие от более традиционных экспериментов с использованием методики с саморегуляцией скорости чтения, в ВП экспериментах отвлекающие предложения могут вообще не использоваться. Более того, общепринятой практикой является возможность повторения каждого экспериментального предложения два, а иногда и более раз. В остальном соблюдаются стандартные правила разбивки предложений на блоки по условиям и их рандомизации (более подробно см. Солсо, Джонсон, и Бил, 2001). Таким образом, испытуемый в течение эксперимента увидит большое количество экспериментальных стимулов в каждом условии. Сбор большого количества однотипных данных диктуется необходимостью усреднять одноразовые потениалы, для того чтобы получить картину реакции мозга на стимул каждого типа в виде усредненного ВП. Вспомним, что для получения хорошо дифференцированного ВП требуется как минимум 50 усредненных одноразовых потенциалов. Считается, что при проведении ВП эксперимента испытуемый в среднем может активно проработать около полутора часов при условии, что между блоками будут короткие перерывы для отдыха.

Итак, испытуемый читает слова или фрагменты предложения, предъявляемые в центре монитора стимульного компьютера с запрограммированной скоростью, т.е. он не имеет возможность контролировать длительность предъявления стимула. Длительность каждого стимула обычно колеблется в пределах 400-800 мс, в зависимости от длины слова или фрагмента, а время между стимулами обычно установливатеся в размере 100 мс. Такой способ предъявления стимулов называется быстрым серийным визуальным предъявлением (rapid serial visual presentation, RSVP). Таким образом, при скорости предъявления в 600 мс на прочтение предложения, разбитого на восемь слов или фрагментов, отводится 5.5 секунд. После окончания пофрагментного прочтения предложения испытуемый читает контрольный вопрос, предъявляемый на мониторе целиком, и отвечает на него, нажимая на соответствующую кнопку. В течение эксперимента параллельно идет сбор поведенческих данных (правильности ответов и времени реакции) и запись ВП мозга. После окончания эксперимента испытуемому предоставляется возможность вымыть голову, чтобы смыть остатки геля, которым смазываются электроды для увеличения проводимости.


^ Обработка полученных данных. Обработка полученных данных состоит из двух независимых процедур: обработка поведенческих данных и ВП данных, причем обработка поведенческих данных всегда предшествует обработке ВП. По результатам правильности ответов на контрольные вопросы отфильтровываются испытуемые с количеством ошибок, превышающим 20%; принято считать, что такие испытуемые не проявили должного внимания и старания при прочтении экспериментальных предложений, а поэтому их данные, как поведенческие, так и ВП, не отражают реальной картины того, как происходит восприятие таких предложений. Поведенческие данные оставшихся испытуемых статистически анализируются на предмет выявления статистически значимых закономерностей в ответах на контрольные вопросы и времени реакции при чтении стимулов. в качестве главного статистического теста используется дисперсионный анализ (analysis of variance. ANOVA), так как психолингвистические эксперименты обычно используют две и более независимые переменные с двумя и более уровнями (условиями).

Второй процедурой обработки полученных в результате эксперимента данных является статистический анализ ВП. Однако прежде чем записанные ВП поступают на вход статистического пакета, они проходят две процедуры фильтрации. Первая фильтрация ВП данных осуществляется автоматически: программа обработки ВП сканирует ЭЭГ, записанную от каждого испытуемого, помечает и затем выбрасывает те фрагменты, где находит большие пики, связанные с движениями глаз и головы испытуемого. Во время второй фильтрации экспериментатор работает с ВП данными, оставшимися после автоматического сканирования, и вручную помечает и выбрасывает те фрагменты, где имеются пики постороннего характера, оставшиеся незамеченными в процессе автоматической фильтрации. Процент выброшенных ВП фрагментов колеблется от испытуемого к испытуемому и от условий, в которых происходил эксперимент (например, при повышенной температуре в лаборатории часто наблюдается систематические сдвиги волн), и иногда может достигать трети всех ВП результатов. После окончания процедур фильтрования программа выдает обобщенные данные о том, какое количество ВП осталось для каждого испытуемого с разбивкой по экспериментальным условиям.


Метод ВП широко используется для изучения всех этапов восприятия языка, начиная с разпознавания слов и кончая процессом понимания сложных текстов (Kutas and Van Petten, 1994; Osterhout, 1994; Osterhout and Holcomb, 1995). Эти исследования показывают, что восприятие языка мозгом представляет собой совокупность ментальных процессов, происходящих в разное время и в разных измерениях. Эти ментальные процессы отличаются как по своим функциям (общие и специально языковые), так и по тому, в какой степени они зависят от контекста и как взаимодействуют между собой во времени и пространстве.


^ 3. От восприятия языка к его пониманию: Использование метода ВП

в психолингвистике


Первоначальной задачей мозга в самом начале процесса восприятия языка является опознавание стимула, будь то написанное или произнесенное слово, и его классификация. Поскольку мозг изначально не может предугадать тип поступающего стимула, самый первый этап его опознавания не может зависеть от того, является он языковым или неязыковым. Частично тип стимула угадывается, основываясь на таких факторах, как частотность и повторяемость. В процессе начального опознавания мозг обрабатывает информацию как по принципу ”сверху-вниз” (top-down) (стимул в контексте), так и по принципу ”снизу-вверх” (bottom-up) (уникальность стимула). Так, например, если человек слушает устную речь или читает написанный текст, мозг настроен на волну восприятия языковых стимулов; если же ситуацуя внеязыковая, то тот же самый стимул может первоначально анализироваться как неязыковой. В определенных контекстах возможно даже предугадать более конкретные, физические, параметры стимула: цвет, размер, шрифт, громкость, голос и т.п. То, что мозг обращает внимание на эти параметры, находит свое отражение в изменении таких ранних перцептивных ВП компонентов, а именно, наличие позитивного (Р1) или негативного (N1) пиков в течение первых 100 мс с начала поступления стимула. В зависимисти от того, какова конечная цель опознавания, наблюдаются изменения и в более поздних ВП компонентах типа N2, N400, Р3 и P600, речь о которых пойдет ниже.


^ 3.1. Восприятие букв и слов


Итак, вне зависимости от того, используется ли в самом начале опознавания процедура обработки информации ”сверху-вниз” или ”снизу-вверх”, первым этапом при понимании языка является ранняя перцептивная классификация стимула. При чтении, например, процесс начинается с классификации стимула на (1) отдельный объект (буква) или совокупность объектов (слово), (2) на слова, отвечающие орфографическим правилам конкретного языка, и нарушающие их, и (3) на возможные слова и псевдослова (т.е. совокупность букв, не являющихся настоящими словами данного языка).

При помощи метода вызванных потенциалов Шендан, Ганис и Кутас (Schendan, Ganis, and Kutas, 1998) провели эспериментальное исследование процесса ранней перцептивной классификации визуальных объектов. Испытуемым были представлены три вида таких объектов: (1) цельные объекты-предметы, (2) сочетания букв (настоящие слова, псевдослова и наборы, состоящие из элементов, похожих на буквы) и (3) сочетания графических элементов. Было обнаружено, что на этапе первых 95 мс мозг отличает цельный неделимый предмет от сочетаний элементов; этот процесс характеризуется ранним негативным компонентом N100 (early negativity), особенно ярко выраженной на электродах средней линии теменной доли коры головного мозга. На следующем этапе происходит классификация сочетаний на сочетания, состоящие из букв и объектов, похожих на буквы, и на сочетания графических элементов. Этот результат позволил авторам прийти к заключению, что вследствие многолетней привычки к чтению мозг людей развил в себе способность скоростного опознавания стимулов, состоящих из букв. На третьем этапе классификации, происходящим в течение первых 200 мс с начала подачи стимула, осуществляется последующее разделение сочетаний букв на настоящие слова и псевдослова. Похожие временные рамки и классификационные этапы характеризуют и процесс опознавания устной речи: слуховые ВП при прослушивании настоящих слов и псевдослов не отличаются на этапе первых 150 мс, а начинают отличаться только в районе 200-250 мс.

Надо отметить, однако, что несмотря на то, что ВП позволяют очень точно определить тот момент времени, в который мозг заметил разницу между двумя стимулами, вызванные потенциалы сами по себе не объясняют, что означают эти различия и каким образом они использзуются на последующих этапах восприятия. Таким образом, тот факт, что настоящие слова и псевдослова вызывают разные ВП на этапе 200-250 мс не следует воспринимать как бесспорный аргумент в пользу того, что мозг расклассифицировал языковые стимулы именно так, как это делается в лингвистике. Возможно, что эти различия вызваны другими факторами, например, тем, что один вид стимула (псевдослова) содержит в себе менее привычные (низкочастотные) сочетания букв. Действительно, псевдослова, в отличие от непроизносимых сочетаний букв, продолжают восприниматься мозгом как настоящие слова (правда, только с точки зрения компонентов, а не их размера и длительности) в течение последующего временнóго интервала 200-400 мс. По прошествии этого интервала произносимые псевдослова отделяются от настоящих слов тем, что характеризуются наличием компонента N400 (т.е. негативным пиком в примерно в районе 400 мс после начала стимула). Эти две гипотезы (семантическая классификация на слова/псевдослова и чисто частотная классификация на часто/редко встречающиеся сочетания букв или звуков) составляют важное направление исследований в области опознавания и классификации языковых стимулов в современной экспериментальной психофизиологии и психолингвистике.

Компонент N400 занимает особое место в психолингвистических исследованиях такого рода. Именно в районе 400 мс после начала стимула, как показывают ВП, мозг начинает отличать настоящие слова от псевдослов, и именно на этом этапе возникает различие в словах, связанное с частотой их употребления в данном конкретном языке. Кинг и Кутас (1998b) обнаружили, что длительность левой передней негативности, LAN (left anterior negativity) в районе 200-400 мс после начала стимула коррелирует с частотностью слова в данном языке, а именно, компонент N400 является реакцией мозга на низкочастотные слова, а более частотные слова такого компонента не вызывают. Мозг, соответственно, быстрее опознает слова, которые ему лучше известны.

Интересно, что это различие в скорости, с какой распознаются слова на раннем этапе, имеет серьезные последствия для последующих этапов восприятия речи. Так, та разница, которая выявлена при восприятии знаменательных частей речи типа глаголов, существительных, прилагательных и наречий) и служебных слов (артиклей и предлогов), во многом определяется различием по частотности (Osterhout, Bersick, and McKinnon, 1997). Важно отметить, что это отнюдь не означает, что существует четко определенный момент или место запоминания частотности слова. Частотность слова оказывает влияние на многие процессы восприятия речи, включая лексический доступ к слову, извлечение ассоциативной фонологической и семантической информации из долговременной памяти, хранение слова и его ассоциаций в рабочей памяти и т.п. Эксперименты при помощи метода ВП ясно демонстрируют, как по-разному влияет частотность слова на процесс его дальнейшего восприятия. Например, при прочих равных условиях, в отсутствие контекста амплитуда компонента N400 обратно пропорциональна частотности слова (Van Petten and Kutas, 1991). Простое повторение слова в процессе эксперимента тоже уменьшает амплитуду N400. Из этого следует, что присутствие и характеристики компонента N400 напрямую зависят от извлечением семантической информации о данной конкретном слове из долговременной памяти и ее интеграцией в контексте конкретного предложения.





оставить комментарий
страница1/3
Дата17.09.2011
Размер0,51 Mb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3
отлично
  3
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх