Чеширская улыбка кота Шрёдингера: мозг, язык и сознание - Татьяна Черниговская

Настоящая работа посвящена одной из важнейших составляющих лингвистической просодики – синтагматическому членению, которое функционирует как ключ для восприятия синтаксических границ во фразе, то есть является фонетическим механизмом, позволяющим выделять структуру предложений в устной речи. Основная цель данной работы состояла в локализации зон мозга, участвующих в этом процессе, с использованием метода ПЭТ.

В данной работе использовался метод позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) для регистрации изменений скорости локального мозгового кровотока, пропорциональных изменениям локального уровня возбуждающей или тормозящей нейрональной активности [Raichle, 1979].

Исследование проводилось на группе из двенадцати добровольцев-мужчин в возрасте от восемнадцати до тридцати пяти лет, с нормальным зрением, праворуких (согласно Эдинбургскому опроснику [Oldfield, 1971]) и образованием не ниже среднего. Родной язык у всех – русский. Здоровье испытуемых было подтверждено результатами медицинских осмотров и анализов. Все условия ПЭТ-исследования соответствовали нормам Минздрава и были утверждены Этической комиссией ИМЧ РАН. Все отобранные добровольцы подписали информированное согласие на участие в исследовании.

Для сбора данных об изменениях мозгового кровотока использовалась ПЭТ-камера PC2048-15B, регистрирующая пятнадцать аксиальных срезов мозга с пространственным разрешением 5–6 мм [Holte, Eriksson, Dahlbom, 1989]. Временное разрешение (длина скана, то есть время сбора данных) составляло в наших исследованиях 60 с.

После инструкции и начала выполнения испытуемым психологического задания, через заранее установленный в локтевую вену катетер болюсом вводилось 1,5 мл меченой радиоактивным кислородом-15 воды (период полураспада 123 с) в дозировке 0,86 мКи/кг. В момент прихода достаточного количества меченого вещества в мозг (15–20 с после введения) автоматически включалось сканирование. Предъявление стимулов начиналось за 10 с до инъекции (то есть примерно за 25–30 с до начала сбора данных) и продолжалось еще 10–15 с после его окончания для исключения процессов, связанных с началом или окончанием исследуемой деятельности. Моменты начала и конца сканирования были незаметны для испытуемого. Интервал между периодами сканирования составлял 15–20 мин. В помещении поддерживалась тишина и минимально необходимое освещение. Испытуемые были инструктированы расслабленно лежать в комфортной позе, максимально сосредоточиться на выполнении тестовых задач и совершать движения только пальцами правой руки при нажатии кнопок компьютерной мыши.

Поскольку нас интересовали только относительные изменения уровня мозгового кровотока при выполнении различных заданий, то, в соответствии с [Fox et al., 1984], мы ограничились регистрацией распределения изотопа без взятия проб крови.

После реконструкции ПЭТ-изображений они обрабатывались по методу Statistical Parametric Mapping (SPM99), который является одним из стандартных методов для обработки физиологических ПЭТ-данных [Friston, 1996] и позволяет выделять области активации, то есть места увеличения скорости мозгового кровотока в одном состоянии относительно другого, взятого в качестве контрольного. При этом активация не позволяет судить о преобладании процессов возбуждения или торможения в данной популяции нейронов [Jueptner, Weiller, 1995].

В результате попарных сравнений ПЭТ-изображений были получены разностные изображения, то есть так называемые карты распределения t-статистики, отражающие величину полученных различий в каждом элементе изображения (вокселе). Значимость данных различий оценивалась в соответствии с тестом на объем кластера [Worsley et al., 1995]. В данном тесте «активация» считалась значимой, если объем соответствующего ей кластера (определяемого в данном случае как количество соприкасающихся вокселов со значением t выше 3,90) удовлетворял порогу pcorr < 0,05. Данный порог соответствует вероятности случайного (то есть при отсутствии сигнала) возникновения кластера такого же или большего объема в данном анализируемом пространстве (то есть в объеме мозга) с учетом ожидаемого количества таких кластеров.

Для определения анатомической локализации активированной области использовались программа пересчета координат и визуализации кластеров (Talairach Space Utility) и интернет-версия атласа мозга [Talairach, Tournoux, 1988] (Talairach Daemon).

В исследовании использовались стимулы слуховой и зрительной модальности, подаваемые соответственно через головные микротелефоны и белым шрифтом на темный экран монитора, установленного по центру поля зрения испытуемого. Слуховые стимулы представляли собой фразы с синтагматическим членением в качестве основных стимулов и фразы без синтагматического членения в качестве контроля (см. примеры заданий). Эти фразы были монотонно начитаны женским голосом профессионального диктора. Затем они подверглись цифровой обработке для выравнивания амплитудных характеристик (по средней RMS мощности), стандартизации по длительности смысловых пауз (110 ± 10 мс) и минимизации по длительности несмысловых пауз без ущерба для естественности звучания. Длительность звучания каждой фразы составляла 2–3 с. Для каждого условия использовалось по тридцать фраз, неповторяющихся для разных условий.

Сначала на экране появлялись вопрос и варианты ответа, затем через 200–600 мс начинала звучать фраза. Внутри интервала 200–600 мс временной разрыв между началом зрительного и слухового стимулов задавался случайным образом для нивелирования эффекта ожидания. После прослушивания фразы испытуемый нажимал соответствующую кнопку мыши, что запускало на экране появление креста для фиксации взора. После этого на экране появлялся вопрос и варианты ответов для следующей фразы (рис. 1). Для каждой фразы регистрировались выбранный вариант ответа и время реакции испытуемого.

Рис. 1. Соотношение времени предъявления слуховых и зрительных стимулов.

Интервалы времени:

АВ и EF – предъявление креста для фиксации взора: 300 или 600 мс;

ВС – предъявление задания до начала звучания фразы: 200–600 мс;

CD – звучание фразы;

DE – выбор испытуемым правильного ответа

Данная структура исследования была разработана по результатам предварительных исследований без ПЭТ-сканирования на отдельной группе из двенадцати испытуемых. По результатам предварительных поведенческих исследований были отобраны фразы, для которых процент ошибок не превышал 25 %. Все фразы прошли экспертную оценку адекватности звукового строя фраз поставленной задаче на кафедре фонетики СПбГУ.

Для исследования возможной эмоциональной реакции испытуемых на различия по сложности заданий в процессе предварительных исследований проводилась регистрация кожно-гальванической реакции (КГР) и частоты сердечных сокращений (ЧСС) при выполнении каждого задания.