STRUCTURAL ORGANIZATION OF THE SPECTRAL PATTERNS OF EEG IN THE PROCESS OF LEARNING A FOREIN LANGUAGE AND ITS RELATIONSHIP WITH THE ACOUSTIC SPEECH PROSODY

Full Text

Речь, будь то родная или иностранная, это результат согласованной деятельности многих областей головного мозга, что делает ее явлением психофизиологическим и в том числе нейрофизиологическим [5, 6, 9]. Это языковой код, то средство, при помощи которого человек мыслит и осуществляет общение с миром и другими людьми. Приступая к изучению иностранных языков, студенты владеют всеми необходимыми рецептивными механизмами восприятия речи на родном языке. Вместе с тем, полный перенос этих умений и навыков на иностранный язык происходит далеко не всегда [1, 2, 8, 11]. Целью данного исследования было экспериментальное изучение электрофи-зиологических механизмов функционирования мозга в процессе формирования и реализации иноязычно-речевых способностей у студентов медицинского вуза. Данная цель создавала основу для решения ряда задач, а именно: 1. выявления особенностей организации спектральных паттернов ЭЭГ у студентов с высоким и низким уровнем владения английским, немецким, французским и латинским языками; 2. анализа характера акустической просодии русской и иноязычной речи на 4 иностранных языках. Материалы и методы Исследование проводилось на базе Северного государственного медицинского университета. Общий объем выборки составил 800 человек (430 девушек и 370 юношей в возрасте от 17 до 19 лет). Все студенты прошли 2-х годичный курс языковой подготовки по одному из иностранных языков, а именно, латинскому, английскому, немецкому или французскому. Работа была одобрена Этическим комитетом университета, исследование проводилось после получения от участников информированного согласия. Студенты, отобранные в экспериментальные группы, ранее обучались в обычных го- 38 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, №2, 2014 г. родских школах и на момент проведения исследования проживали в семьях. Ранжирование экспериментальной выборки носило стадийный характер и было связано с необходимостью определения начального балла успеваемости по иностранному языку (результаты письменных и устных ответов на первых занятиях) и диагностики уже имеющихся к моменту поступления в вуз иноязычноречевых способностей. По баллу академической успеваемости были определены 2 противоположные группы: 1. студенты, занимающиеся на хорошо и отлично (n=470; 245 девушек и 225 юношей); средний балл 4,4 ± 0,2. 2. студенты, отстающие от графика учебного процесса и обучающиеся преимущественно на удовлетворительно (n=330; 185 девушек и 145 юношей); средний балл 3,2± 0,1. Исследование биоэлектрической активности головного мозга проводилось посредством электроэнцефалографии с использованием 16-канального электроэнцефалографа «Нейрон-Спектр - 3» (Россия). Для регистрации ЭЭГ использовалась общепринятая схема наложения электродов «10-20», монополярно, 16 стандартных отведений, соответствующих международной системе (Fp1, Fp2, F3, F4, C3, C4, P3, P4, O1, 02, T6, T4, T5, T3, F7, F8) с объединенными ушными электродами в качестве общего референта. Электроэнцефалографический сигнал фильтровался в полосе пропускания 0,330 Гц при частоте дискретизации 250 Гц. ЭЭГ исследование проводилось по следующей схеме: 1. Проба в стандартных условиях (фоновая) т.е. в состоянии спокойного расслабленного бодрствования с закрытыми глазами в свето и звукоизолированном помещении в течение 3 минут с записью на жесткий диск компьютера 2. Проба с закрытыми глазами с предъявлением языковых отрывков на английском, немецком, французском и латинском языках. Продолжительность каждого отрывка составляла 3,5 минуты. Запись предъявлялась в наушники симметрично в левое и правое ухо. Электроэнцефалограммы обследуемых подвергались визуальной оценке для исключения выраженной обще-мозговой и очаговой патологии. Для последующего математического анализа отбирались свободные от артефактов фрагменты ЭЭГ длительностью 60с. (для фоновой ЭЭГ в условиях закрытых глаз) и 20с. (для функциональных проб). Фрагменты ЭЭГ разделялись на «эпохи» по 4с. и подвергались быстрому преобразованию Фурье с применением компьютерной программы «DX 4000 PRACTIC». Рассматривались следующие частотные диапазоны: тета 1 (4-6 Гц), тета 2 (6-8 Гц), альфа 1 (8-10 Гц), альфа 2 (10-13 Гц), бета 1 (13-20 Гц), бета 2 (20-30 Гц). Расшифровку результатов электроэнцефалографии проводили при оценке амплитудно-частотных характеристик, вычислении спектра мощности сигнала и построении топокартограмм головного мозга с помощью цветного представления. При анализе спектральной мощности симметричных отведений левого и правого полушария оценивали степень асимметрии между этими участками по каждому ритму и по каждой конкретной частоте. Степень взаимосвязи разных областей коры и доминантность полушарий определяли с помощью показателей когерентности. Математическая обработка материала производилась статистическими методами с помощью стандартных компьютерных программ Statistika 7.0, Stat Plus 2009, Microsoft Excel. Все данные проверялись на соответствие закону нормального распределения. Проводилось вычисление средних величин и стандартного отклонения, оценка достоверности различий с помощью параметрических и непараметрических критериев, а так же оценка связи между различными типами параметров с помощью корреляционного и факторного анализа. Данные, подчиняющиеся законам нормального распределения были проанализированы на достоверность с помощью критерия Стьюдента при уровне значимости 95% (р<0,05), 39 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, №2, 2014 г. данные на которых соответствие нормальному распределению доказать не удалось, анализировались с помощью теста Манна-Уитни и Критерия Вилкок-сона Изучение корреляций между переменными проводилось с использованием коэффициента Пирсона. Результаты и их обсуждение Анализ средне-групповых показателей абсолютной спектральной мощности основных частотных диапазонов фоновой ЭЭГ выявил статистически достоверные Структурная организации фоновой электроэнцефалографии в группе студентов с высоким уровнем иноязычноречевых способностей отмечалась достоверно большими показателями частот бета диапазона: 24-29 Гц в окципитальных и фронтальных областях левого полушария при открытых глазах и 21-25 Гц в симметричных затылочных зонах при закрытых глазах. У студентов плохо успевающей группы преобладал «плоский тип» фоновой ЭЭГ, содержащий все диапазоны час различия в полушарном доминировании у студентов обследуемых групп. Группу хорошо успевающих составили студенты с большей абсолютной спектральной мощностью альфа, бета и тета ритмов левого полушария, что наиболее ярко проявлялось в лобных, окципитальных, париетальных и темпоральных отведениях. В группе плохо успевающих студентов нейрофизиологические особенности сводились к преобладанию правополушарной активности (табл. 1). тот, но с очень малой (менее 20 мКВ) амплитудой биопотенциалов. Низкоамплитудный паттерн биоэлектрической активности мозга может, на наш взгляд, может свидетельствовать о стойком повышении активирующих влияний со стороны неспецифических систем мозга, проявляющихся в высоких показателях психоэмоционального напряжения, что также подтверждается результатами других исследований [3, 7]. В результате однофакторного дисперсионного анализа (One-Way ANOVA) было Таблица 1 Абсолютные значения спектральной мощности альфа диапазона в фоновой пробе (мкВ2) отведения спектральная мощность t df Sig. (2-tailed) группа хорошо успевающих (n=100) группа плохо успевающих (n=100) M±SD M±SD F1 25,3±2,97 17,0±1,33 189 F2 11,5±1,23 26,2±2,03* 3,604 189 .002 F3 43,2±3,97* 27,8±2,11 3,940 189 .004 F4 22,9±2,33 41,2±3,11* 6,175 189 .001 F7 23,1±2,87 11,4± 1,12 189 F8 16,0± 1, 23 29,3±2,01 189 C3 52,3±3,99* 19,4±1,75 5,532 189 .0001 C4 51,0±4,21 54,3±3,21 189 P3 124,2±13,87* 78,3±5,13 6,516 189 .000 P4 87,2±9,75 101,2±8,57* 2,981 189 .009 O1 183,1±16,11* 95,4±8,47 3,554 189 .003 O2 137,0±13,35 180,5±15,23* 3,132 189 .007 T3 67,3±7,21* 22,3±1,02 5,309 189 .000 T4 28,0±1,01 53,2±3,57* 4,103 189 .01 T5 68,2±5,88* 27,2±1,55 6,092 189 .000 T6 39,2±3,78 83,1±7,59* 3,945 189 .000 Примечание: * - по t-критерию выборки статистически различимы. 40 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, №2, 2014 г. обнаружено значимое влияние биоэлектрической активности мозга на проявление компонентов иноязычно-речевых способностей (F3,21=8,4; p<0,01), что подтверждает гипотезу о генотипически детерминированных языковых задатках, проявляющихся в особенностях функционирования мозга и межполушарных отношений. Проведенный многомерный регрессионный и корреляционный анализ указывает на достаточно большое количество прямых причинно-следственных связей между компонентами языковых способностей и активностью в отведениях ЭЭГ, наблюдаемой в группе хорошо успевающих (табл. 2). Таблица 2 Структура регрессионных и корреляционных связей компонентов языкового тестирования с абсолютными значениями спектральной мощности фонового альфа ритма в стандартных отведениях группа хорошо успевающих группа плохо успевающих параметр + отведения ЭЭГ t df Sig. R Пирсона при р<0,05 параметр + отведения ЭЭГ t df Sig. R Пирсона при р<0,05 вербальная память - Т6 - F7 2,421 2,324 189 .03 .04 0,94 вербальная память - Р3 - Т4 - F2 - С4 2,292 3,313 5,191 4,560 189 .04 .009 .001 .001 0,94 лингвистические обобщения - Р3 - О2 - Т4 3,430 3,282 2,627 189 .007 .009 .02 0,95 -0,64 - 0,73 189 ассоциативные связи - Р3 - О1 - Т4 2,431 3,446 2,602 189 .03 .007 .02 0,95 0,87 0,94 ассоциативные связи - С4 3,947 189 .004 0,63 вероятностное прогнозирование - Т6 - F7 - F8 2,551 2,768 2,894 189 .003 .02 .001 - 0,94 0,96 0,95 вероятностное прогнозирование - F2 2,455 189 .03 0,83 Данные результаты могут расцениваться как активация более разнообразных (по сравнению с группой плохо успевающих) функциональных систем, необходимых для надлежащего функционирования психических процессов и развития иноязычно-речевых способностей. Спектральный анализ ЭЭГ, проведенный при восприятии речи на четырех иностранных языках, выявил значимые изменения в активности диапазона β1 и β2. Согласно данным когерентного и спектрального анализа корковых потенциалов следует отметить, что восприятие английской и немецкой речи в группе хорошо успевающих вызывает большую реактивность левополушарной когерентности тетa и бета ритмов между фронтальными, париетальными, темпоральными и центральными отделами с формированием «узлов» в отведениях Fp1, F7. Восприятие же речи на латинском и французском языках приводит к смещению фокусов активности в правое полушарие. Топографические особенности языковых различий связаны с «узлами» когерентных связей в отведениях F8, Т4, Т6. Следует отметить, что восприятие речи на английском и немецком языках в группе хорошо успевающих имеет не толь 41 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, №2, 2014 г. ко внутриполушарные, но и межполушар-ные когерентные связи, что проявляется во взаимодействии фронтально-темпоральных отделов левого полушария со среднефронтальными и центрально-периетальны-ми областями правого полушария. Межполушарные связи при восприятии французской и латинской речи наблюдаются только между негомологичными лобными отведениями левого и правого полушария. В работе [12] указывается, что правая лобная область участвует в размещении и координации активирующих механизмов селективного внимания. В нашем исследовании обнаруживается заметное увеличение когерентности потенциалов тета ритма в этом отведении у студентов 1 экспериментальной группы при распознавании речи на не изучаемых ранее французском и латинском языках. Результаты исследования указывают на то, что «просодическое сито» [4] начинает действовать в сложных нейродина-мических структурах головного мозга. И левое, и правое полушария способны осуществлять анализ акустических параметров тональных и речевых сигналов. Однако в отношении восприятия речи на языках, имеющих специфические особенности вокалических и просодических систем, функции полушарий оказываются более специализированными. Высокий темп французской речи, непрерывное связывание звуков в речевом потоке и высокочастотные формантные особенности французских гласных являются характеристиками, которые, на наш взгляд, формируют тот мелодический рисунок, на который реагирует правое полушарие, обеспечивающее анализ тембраль-ных компонентов французской речи. Более строго выдержанная ритмикомелодическая организация английской и немецкой речи активизирует функционирование левого полушария, при этом, четкое динамическое ударение и тактосчитывающий ритм данных языков способствует, по-видимому, не только акустико-фонетической, но и семантической расшифровке информации. Выводы 1. Анализ особенностей функциональной организации спектральных составляющих ЭЭГ показал доминирование левополушарной активности в группе студентов с высоким уровнем овладения иностранным языком и правополушарной - в группе слабоуспевающих студентов. 2. Реагирование на акустические параметры иноязычной речи связано со специализацией функций полушарий.

References

Supplementary files