способ определения интенсивности межполушарного взаимодействия головного мозга человека

Формула изобретения

1. Способ определения интенсивности межполушарного взаимодействия (ИМПВ) головного мозга человека, включающий предъявление серии тестовых фигур, образованных бинокулярным совмещением в поле зрения испытуемого пары изображений, полученных методом случайно-точечных стереограмм Юлеша, фиксирование угла плоского поворота одного из парных изображений, при котором тестовая фигура перестает восприниматься объемной и использование значения зафиксированного порогового угла в качестве количественного показателя ИМПВ, отличающийся тем, что в поле зрения испытуемого предъявляют тестовый объект, содержащий две последовательности изображений; каждое изображение второй последовательности в каждой последующей стереопаре повернуто в собственной плоскости, вокруг собственного центра на угол относительно положения изображения в первой последовательности, при этом угол поворота возрастает по мере увеличения порядкового номера изображения, а пороговый угол определяют по порядковому номеру последнего изображения, которое испытуемый субъективно воспринимает, как объемное.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол поворота изображения относительно его положения в первой последовательности выбирают возможно меньшим, причем угол поворота между предыдущим и последующим изображением второй последовательности постоянен или монотонно убывает.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что изображения последовательностей, наиболее близких по углу поворота, размещают рядом друг с другом, например, в виде линии, спирали или змейки.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что расстояние между изображениями последовательностей выбирают возможно меньшим.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что изображения первой последовательности необязательно идентичны друг другу.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что изображения первой последовательности необязательно имеют правильную геометрическую форму.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам измерений психофизиологических характеристик человека и оценки функционального состояния его головного мозга, а именно - к способам определения интенсивности межполушарного взаимодействия (ИМПВ) головного мозга, и может быть использовано в инженерной психологии, педагогике, акмеологии и медицине с целью оптимизации трудового, учебного и терапевтического процессов, профотбора и профориентации.

Известен электроэнцефалографический (ЭЭГ) способ определения текущего значения ИМПВ. Способ включает непрерывную регистрацию в течение некоторого времени (30 с и более) величин электрической активации в двух отведениях - от правого и левого полушарий мозга - и определение когерентности колебательной активности регистрируемых потенциалов. В качестве количественного показателя текущего значения ИМПВ используют степень когерентности регистрируемых за некоторый отрезок времени потенциалов (Соколов Э.М., Жеребцова В А., Сапогова Е.Е., Хадарцев А.А. Исследование механизмов организации и коррекции высших психических функций в онтогенезе // Валеология. - Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 2002, №3. С.78-86).

Согласно современным представлениям функция когерентности отражает степень интеграции, или сонастроенности, различных областей мозга на реализацию психофизиологического процесса. Более высокие значения когерентности между двумя сигналами означают более высокую степень функционального взаимодействия и более высокую интеграцию между этими областями мозга. Увеличение когерентности сигналов в паре отведений свидетельствует о росте интенсивности функционального взаимодействия между полушариями головного мозга (Пасынкова Н.Р. ЭЭГ корреляты медитативного состояния // http://tm.org.ua/brain_functioning.html).

Недостатки ЭЭГ-способа заключаются в неоднозначности получаемых количественных данных и сложности их интерпретации, а также в больших (не менее 30 с) затратах времени на процедуру измерения количественных данных. Это обстоятельство не позволяет интерпретировать определяемую ЭЭГ-способом количественную величину как достаточно точное текущее значение ИМПВ, пригодное для анализа влияния быстропротекающих внешних воздействий. Кроме того, способ применяется в лабораторных условиях и не позволяет осуществлять измерения в условиях реальной жизнедеятельности.

Известен способ количественной оценки функционального состояния коры головного мозга человека воздействием на зрительный аппарат испытуемого, а именно измерением критической частоты слияния световых мельканий красного и зеленого цветов, воспринимаемых бинокулярно, при этом на каждой ступени на интервале 5-10 с плавно изменяют частоту следования световых импульсов до субъективного слияния мельканий по каждому цвету (Пат. RU 2141244, А61В 3/06, опубл. 1999.11.20). Недостатком способа является его продолжительность во времени и невозможность получить количественную характеристику коры головного мозга, которую можно интерпретировать как текущее значение ИМПВ, пригодное для анализа быстропротекающих процессов в головном мозге.

Наиболее близким к заявляемому способу по назначению и количеству эквивалентных признаков является способ определения текущего значения ИМПВ, в котором в качестве количественного показателя текущего значения ИМПВ используют пороговый угол сохранности стререопсиса или стереоскопического восприятия (Островский В.А. Интенсификация межполушарного взаимодействия в головном мозге человека как акмеотический образовательный ресурс // Инновационные технологии в образовании и науке. Сборник трудов Международной научно-методической конференции 17-19 октября 2006 г. - Зыряновск: Изд-во Зыряновского центра ВКГТУ, 2006. Часть 2. - С.262-267. Прототип). Сведения о теоретической валидности известного способа опубликованы в специальной литературе (Островский В.А. Пределы разрушения стереопсиса как маркеры интенсивности латерального взаимодействия и продуктивности мышления // Известия ТРТУ. Тематический выпуск «Психология и педагогика». Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. №5 (49). - С.192-196).

Известный способ включает следующие процедуры: посредством стереоскопа испытуемому бинокулярно предъявляют для зрительного восприятия изображение геометрической фигуры, выполненное по методу случайно-точечной стереограммы Юлеша, например изображение квадрата, которое субъективно воспринимается как объемное.

Получение тестовой пары изображений методом случайно-точечных стереограмм Юлеша заключается в следующем: лист бумаги равномерно заполняют случайными точками, например, разбрызгиванием капель краски из пульверизатора. Затем создают точную копию этого изображения и в некоторый участок одного из изображений вносят модификацию: вырезают участок, например, в форме квадрата и сдвигают его по горизонтали, а образовавшийся пустой участок заполняют случайными точками дополнительным разбрызгиванием капель краски. Будучи бинокулярно совмещены в поле зрения, два изображения дают эффект объемного изображения модифицированного участка, который и используется в качестве тестовой фигуры (1. Julesz В. Binocular depth perception without familiarity cues // Science, 1964, vol.145, N 3630, p.356-362. 2. И.Рок. Введение в зрительное восприятие. М.: Педагогика, 1980. Том 1, С.127).

После того как у испытуемого возникает субъективный эффект объемного восприятия тестовой фигуры, одно из составляющих стереопару монокулярных изображений поворачивают в собственной плоскости на некоторый угол и предъявляют испытуемому для зрительного восприятия. Здесь используется то свойство головного мозга, что одно изображение анализируется одним полушарием, левым или правым, а стереоэффект возникает за счет межполушарного взаимодействия. Возможности интегрального анализа у каждого мозга индивидуальны. С увеличением угла поворота одного из изображений увеличивается и усилие, затрачиваемое на построение объемной (стереоскопической) фигуры. Плоский поворот осуществляют до тех пор, пока угол поворота не достигнет порогового значения, при котором у испытуемого исчезает объемное зрительное восприятие и соответственно восприятие тестовой фигуры. Испытуемый субъективно констатирует факт исчезновения изображения тестовой фигуры. Предельное значение угла упомянутого поворота или, то же самое, порогового угла сохранности стререопсиса используют в качестве количественного показателя текущего значения ИМПВ.

Известный способ определения текущего значения ИМПВ выбран за прототип.

Существенными признаками способа-прототипа являются предъявление испытуемому серии тестовых фигур, образованных бинокулярным совмещением в поле зрения испытуемого пары изображений, полученных методом случайно-точечных стереограмм Юлеша, и фиксирование угла плоского поворота одного из парных изображений, при котором тестовая фигура перестает восприниматься и сливается с фоном.

Недостаток способа заключается в больших затратах времени (не менее 30 с), требующегося для исполнения процедуры механического поворота оправы, являющейся рамкой с закрепленным в нем монокулярным изображением, что не позволяет интерпретировать измеряемую посредством его реализации величину как достаточно точное текущее значение ИМПВ и, следовательно, не позволяет производить диагностику последнего в динамике, анализировать влияние внешних воздействий на психические и физиологические процессы, например на процесс решения испытуемым сложной интеллектуальной задачи.

Техническая задача изобретения - получить текущее значение ИМПВ, которое можно интерпретировать как его мгновенное или близкое к мгновенному значение, что позволит использовать эту количественную величину при анализе быстропротекающих процессов. Этого можно достигнуть путем сокращения времени, затрачиваемого на процедуру единичного измерения порогового угла.

Техническая задача решается тем, что серию тестовых фигур группируют в единый тестовый объект, для чего на плоскости размещают первую последовательность, по крайней мере, из трех случайно-точечных изображений, на другой плоскости размещают вторую последовательность, образованную из тех же изображений, каждое из которых подвергнуто повороту на некоторый собственный угол относительно положения в первой последовательности, и предъявляют испытуемому обе плоскости одновременно, совмещая их в поле зрения испытуемого.

При реализации предложенного способа за счет того, что испытуемый одновременно видит в поле зрения и стереоскопические фигуры, и те бинокулярно совмещенные изображения, в которых за счет большого угла поворота стереоэффект не возникает, продолжительность процедуры измерения текущего значения ИМПВ сокращается до значений 1-2 секунды в отличие от 20-30 секунд по способу-прототипу. Например, если фигуры пронумерованы, испытуемый практически мгновенно называет номер фигуры без стереоэффекта, а испытующий по таблице сразу определяет пороговый угол стереоскопического восприятия. Тем самым увеличивается оперативность определения целевого параметра, что, в свою очередь, дает возможность выявить влияние динамичных (быстро меняющихся во времени) воздействий на мозг человека.

Текущее значение ИМПВ может служить характеристикой состояния испытуемого. Усредненное по многократным измерениям значение ИМПВ может служить индивидуальной характеристикой испытуемого по аналогии с индивидуальным показателем интеллектуальных способностей, что открывает возможности для его коррекции и найдет широкое применение при обучении и профориентации, особенно для интеллектуальных профессий. Количественная величина ИМПВ может быть выражена в безразмерном виде. По нашим достаточно представительным выборкам среднее значение порогового угла сохранности стереопсиса (ПУСС) составляет 28,4°. Отношение измеренного угла, характеризующего индивидуальную ИМПВ испытуемого, к этому среднему значению дает удобную для практики величину, которая может значительно отличаться от единицы.

Способ может быть реализован следующим образом.

Изготавливают по методу Юлеша стереопару из двух слайдов, каждый из которых содержит некоторую последовательность изображений. Каждое последующее изображение последовательности на правом слайде стереопары, начиная со второго (порядок следования - слева направо, сверху вниз) повернуто в собственной плоскости вокруг собственного центра на угол, меньший порогового и возрастающий по мере увеличения порядкового номера изображения.

В конкордантных участках зрительных полей правого и левого глаза испытуемому посредством стереоскопа предъявляют тестовые фигуры. Особенность способа в том, что тестовое изображение содержит сразу несколько элементов, например двадцать неповторяющихся экспликаций графического изображения, в частности квадрата, каждое из которых выполнено по типу случайно-точечных стереограмм Юлеша. Изображения равномерно располагаются в поле зрения на стереопаре в виде прямоугольной таблицы размером, например, 5×4 (4 строки по 5 изображений в каждой). Испытуемый бинокулярно рассматривает изображение через стереоскоп и в соответствии с инструкцией, с которой он заранее ознакомлен, называет порядковый номер того тестового знака, который последний в серии содержит субъективно воспринимаемую объемную тестовую фигуру. По названному порядковому номеру элемента, доступного бинокулярному восприятию (иными словами, номеру опознанного испытуемым тестового знака), судят о текущем значении порогового угла стереопсиса. Получаемую количественную величину интерпретируют как количественное значение интенсивности межполушарного взаимодействия головного мозга испытуемого, причем его сиюминутное, текущее значение.

Для повышения точности процедуры упомянутый угол поворота изображения относительно его положения в первой последовательности выбирают возможно меньшим.

Фигуры дополнительно могут быть расположены рядом друг с другом, например в виде змейки. При этом снижается время на перемещение взгляда от фигуры к фигуре, что обеспечивает снижение затрат времени на проведение испытания.

Кроме того, заявленный способ не ограничивается предъявлением фигур в виде квадратов или других фигур, имеющих правильную геометрическую форму, а изображения первой последовательности не обязательно идентичны друг другу.

Способ увеличивает точность и оперативность получения тестового параметра, позволяет изучить влияние динамичных (быстро меняющихся во времени) воздействий на мозг человека, что соответствует поставленной задаче.

Пример 1. Совмещая две последовательности, испытуемому предлагают набор стереоскопических элементов. Испытуемый видит в поле зрения сразу несколько пронумерованных изображений, причем часть фигур воспринимается как объемные, остальные - как плоские. Объемно воспринимаются только те фигуры, для которых модифицированное изображение повернуто на угол меньше порогового. Чем меньше шаг поворота, тем точнее определяется пороговый угол стереоскопического восприятия. Однако выбор малого шага приводит к необходимости размешать в поле зрения одновременно большое количество изображений, что не всегда возможно. Поэтому несколько шагов могут быть большими (5, 8 и даже 10 угловых градусов), а последующие - малыми, возможно, с убывающим шагом, что уменьшает методическую погрешность способа. Этот признак согласно изобретению эквивалентен тому, что часть модифицированных изображений удалена из последовательности и не предъявляется испытуемому. Например, изготавливают последовательность из 20 модифицированных изображений с порядковыми номерами 1, 2, 3...20 с постоянным шагом поворота на 1.2 градуса, т.е. двадцатое изображений повернуто относительно исходного на 24 градуса, однако на тестовую плоскость помещают изображения с номерами 1, 9, 15, 17, 18, 19, 20. Эффект объемности исчезает, как правило, для 17, 18, 19 или 20-го изображения. Пусть это будет, для определенности, №18. Предельный угол лежит между 21,4° (17×1.2°) и 21,6° (18×1,2°) градусами, и составляет 21,5°±0,1°.

В данном примере реализации заявленного способа фиксируют не угол поворота, а порядковый номер фигуры: затраты времени на перемещение взгляда с одной фигуры на другую минимальны в отличие от способа-прототипа.

Пример 2. Для технической реализации предлагаемого способа составляющие стереопару монокулярные изображения не обязательно должны быть нанесены на бумагу или другую плоскость. Можно, в частности, применить тот или иной вариант известного анаглифического метода демонстрации стереоизображений на экране. Приведем его краткое описание. Демонстрация стереоскопического изображения анаглифическим методом обеспечивается выполнением следующих трех условий:

а) составляющие стереопару монокулярные изображения окрашены в отличающиеся друг от друга монохроматические цвета, например красный и зеленый. Если цвет предназначенного для восприятия левым глазом изображения выбирается зеленым, то цвет предназначенного для восприятия правым глазом изображения выбирается красным, и наоборот.

б) составляющие стереопару монокулярные изображения накладывают друг на друга, формируя, таким образом, тестовую фигуру (ТФ), и демонстрируют испытуемому на одном и том же экране через специальные очки;

в) стекла очков представляют собой монохроматические светофильтры со спектральными областями пропускания, идентичными выбранным монохроматическим цветам, но с обратным по отношению стереопары монокулярных изображений расположением стекол;

В ходе испытания испытуемые рассматривают демонстрируемое на экране изображение так, чтобы левым глазом испытуемый рассматривал зеленое изображение через красный светофильтр, а правым - красное через зеленый светофильтр. Субъективно испытуемый воспринимает ТФ как набор элементов, для части из которых присутствует стереоскопический эффект, для оставшейся части - нет, т.е. элементы плоские. Стереоскопический эффект наблюдается только для тех элементов, для которых упомянутый выше угол поворота меньше предельного.

Пример 3. Испытания по примеру 2 проведены на 20 испытуемых. Реализован компьютерный вариант описанного выше анаглифического метода демонстрации стереоизображений. Используется следующее оборудование: компьютер с подходящим для анаглифической демонстрации стереоизображений программным обеспечением (операционная система «Windows XP»; программа «StereoPhoto Makers); цветной монитор «Samsung SincMaster 900 IFT» 19 дюймов, разрешение 1200×1600 точек; анаглифические очки (красный и зеленый светофильтры взяты из комплекта устройства фотопечати «Спектрозон» завода «Фотоприбор»). Изображение тестовой фигуры (ТФ) состояло из двух монокулярных компонентов - красного и зеленого. Красный компонент представлял собой ряд случайно-точечных стереограмм квадрата Юлеша красного цвета. Это множество «неповернутых составляющих» предназначено для восприятия левым глазом. Зеленый компонент ТФ образован множеством «повернутых составляющих» и предназначен для восприятия правым глазом. Пары, состоящие из конкордантно один относительно другого расположенных элементов двух упомянутых множеств, образовывали в итоге множество элементов тестовой фигуры, или ТФ-элементов. Молекулярные составляющие каждого ТФ-элемента выполнены в виде одинакового размера кругов, которые совмещены в плоскости анаглифического окна. Центры ТФ-элементов размещены в точках пересечения нескольких мысленных горизонтально и вертикально ориентированных прямых линий. Количество элементов в ТФ было выбрано равным 35 (5 строк по 7 элементов в каждой), что не существенно, и возможны другие варианты. Также не обязательно, но целесообразно выполнение трех условия. Первое - все ТФ-элементы были помещены на общем темном фоне. Второе - ТФ-элементы имели одинаковый размер. Третье - любой последующий (имеющий порядковый номер n+1) элемент множества «повернутых составляющих» представлял собой изображение, полученное из предыдущего изображения посредством правого центрального поворота на одинаковый угол. Инструкция, с которой испытуемый знакомился заранее, предписывала ему, надев анаглифические очки, анализировать изображения элементов ТФ в последовательности «змейка», что уменьшает время фиксации изображения с пороговым углом поворота. Инструкция предписывала испытуемому назвать номер строки и номер столбца элемента ТФ, в котором изображение квадрата Юлеша воспринималось объемным. Номера занесены в таблицу, ставящую в соответствие номер фигуры и угол поворота. Испытуемый рассматривал на экране монитора через анаглифические очки демонстрируемый тестовый объект и называл номер изображения, повернутого на пороговый угол стереоскопического восприятия. Непрерывный речевой отчет испытуемого синхронно протоколировался экспериментатором, который быстро определял значение наибольшего угла, при котором в текущий момент времени сохраняется индивидуальный стереопсис испытуемого. Описанный вариант осуществления способа позволяет получить мгновенное (или близкое к мгновенному) текущее значение ИМПВ, что дает возможность использовать эту количественную величину при анализе быстропротекающих процессов и решить широкий набор прикладных задач.

Пример 4. Сопоставление заявленного способа со способом-прототипом. С целью иллюстрации преимуществ заявляемого способа по параметру оперативности заявителем выполнено сопоставительное исследование (связная выборка испытуемых, студенты 18-25 летнего возраста, N=10). Исследование заключалось в том, что двумя сериями по 10 измерительных проб каждая, отстоявшими одна от другой во времени на 1 час, у испытуемых измерялось текущее значение порогового угла сохранения стереопсиса. В первой серии замеры производились по способу-прототипу, во второй - заявленным способом. В каждой из серий отдельные замеры производились непрерывно, следуя один за другим и образуя непрерывное во времени испытание. Персональные значения продолжительности каждой серии регистрировались в протоколе испытаний. Путем усреднения по выборке испытуемых и по значениям замеров можно ввести такой информативный в отношении сопоставляемых способов показатель, как характерное время одного измерения. Для повышения эффективности заявленного способа в ряде случаев речь испытуемого регистрировалась компьютером с помощью звукозаписывающей программы и сохранялась в форме звукового файла. Метод автоматического протоколирования целесообразен в тех случаях, когда исследовательская задача требует максимально достижимого по точности регистрации значения порогового угла сохранения стереопсиса. Сравнительные характеристики оперативности измерений приведены в таблице 1. Из приведенных в таблице данных видно, что по оперативности заявленный способ на порядок превосходит способ-прототип.

Сокращения:

ИМПВ - интенсивность межполушарного взаимодействия;

ЭЭГ - электроэнцефалография;

ТФ - тестовая фигура;

ПУСС - пороговый угол сохранности стереопсиса.

Литература

1. Соколов Э.М., Жеребцова В А., Сапогова Е.Е., Хадарцев А.А. Исследование механизмов организации и коррекции высших психических функций в онтогенезе // Валеология. - Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 2002, №3. С.78-86.

2. Пат. RU 2141244, A61B 3/06, опубл. 1999.11.20.

3. Островский В.А. Интенсификация межполушарного взаимодействия в головном мозге человека как акмеотический образовательный ресурс // Инновационные технологии в образовании и науке. Сборник трудов Международной научно-методической конференции 17-19 октября 2006 г. - Зыряновск: Изд-во Зыряновского центра ВКГТУ, 2006. Часть 2. - С.262-267.

4. Островский В.А. Пределы разрушения стереопсиса как маркеры интенсивности латерального взаимодействия и продуктивности мышления // Известия ТРТУ. Тематический выпуск «Психология и педагогика». Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. №5 (49). - С.192-196.

5. Julesz B. Binocular depth perception without familiarity cues // Science, 1964, vol.145, N 3630, p.356-362.

6. И.Рок. Введение в зрительное восприятие. М. Педагогика, 1980. Том 1, С.127.

Таблица 1
Сравнительные характеристики оперативности измерений ПУСС по заявленному способу в сравнении с прототипом (секунды)
Произвольный порядковый номер испытуемого	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Время, затраченное на выполнение 10 измерений по способу-прототипу	828	331	238	421	178	306	340	393	347	429
Среднее время 1 измерения по способу-прототипу	83	33	24	42	18	31	34	39	35	43
Усредненное по всем участникам связной выборки испытуемых время выполнения 1 измерения по способу-прототипу	38,2
Время, затраченное на выполнение 10 измерений по заявленному способу	41	26	22	36	18	26	30	35	34	39
Среднее время 1 измерения по заявленному способу	4,1	2,6	2,2	3,6	1,8	2,6	3	3,5	3,4	3,9
Усредненное по всем участникам связной выборки испытуемых время исполнения 1 измерения по заявленному способу	3,07