CC BY
28
Черемушкин Е.А. \ Петренко Н. Е.2
'Кандидат биологических наук, 2 кандидат биологических наук, Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии
Российской академии наук, Москва
Работа выполнена при частичной поддержке Российского гуманитарного научного фонда (проект №13-06-00130a).
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ КОРКОВЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ АЛЬФА-ДИАПАЗОНА ЭЭГ ПОСЛЕ
ДЕЙСТВИЯ СИГНАЛОВ ТИПА GO/NOGO В ИССЛЕДОВАНИЯХ УСТАНОВКИ НА ЛИЦЕВУЮ ЭКСПРЕССИЮ
Аннотация
Методом психофизиологической установки на эмоционально-негативное выражение лица исследовались различия в пространственной синхронизации корковых потенциалов альфа-1 и альфа-2 диапазонов после действия сигналов типа Go/NoGo. Корковые связи исследовались с помощью параметров функции мнимой когерентности. Показано увеличение корковых связей альфа-1 по отношению к фону независимо от Go/NoGo-сигналов. В диапазоне альфа-2 обнаружено усиление связей префронтальной коры при Go-сигналах по отношению к NoGo. Эти факты подтверждают теорию о роли нисходящего тормозного контроля упомянутой области мозга.
Ключевые слова. Когнитивная установка, нисходящий тормозный контроль префронтальная кора, мнимая когерентность, низко- и высокочастотный альфа-ритм.
Cheremushkin E. A,1, Petrenko N. E.2
'PhD in Biology science, Senior researcher, 2PhD in Biology science, researcher, Institute of higher nervous activity and neurophysiology of the Russian Academy of Sciences, Moscow
THE SPATIAL SYNCHRONIZATION EEG ALPHA RANGE CORTICAL POTENTIALS AFTER ACTION OF GO/NOGO SIGNALS IN RESEARCHES WITH THE FACE EXPRESSION SET
Abstract
The method ofpsychophysiological set on an angry face investigated distinctions in spatial synchronization of cortical potentials alfa-1 and alfa-2 ranges after action of signals like Go/NoGo. Cortical communications were investigated by means of parameters of imaginary coherence function. The increase in cortical communications alfa-1 in relation to a background irrespective of Go/NoGo-signals is shown. In the range alfa-2 strengthening ofprefrontal cortex communications at Go-signals in relation to NoGo is revealed. These facts confirm the theory about a role of the top-down control of the mentioned brain area.
Keywords. Cognitive set, top-down control, imaginary coherence, prefrontal cortex, low - and a high-frequency alpha rhythm.
В наших исследованиях психофизиологической установки по Д.Н.Узнадзе [6] на лицевую экспрессию было показано, что введение в паузу между целевым и пусковым кондиционирующего стимула приводит к модуляции селективного внимания [4]. В ЭЭГ это проявляется в изменениях величины индуцированной синхронизации/десинхронизации потенциалов альфа-диапазона [7,8,'5]. Десинхронизация потенциалов (уменьшение амплитуды), наблюдаемая непосредственно перед и после стимулов, к середине внутристимульных периодов сменялась ее синхронизацией (увеличением амплитуды) [4]. Обнаруженное явление также представляет собой интерес в русле идеи о роли индуцированной синхронизации/десинхронизации в тормозном контроле когнитивной деятельности лобными структурами мозга [9,'0,'2,'3]. Данный контроль подавляет действие нерелевантных факторов и облегчает корковую обработку значимой информации. Ранее нами было показано, что нисходящие модулирующие влияния осуществляются путем изменения двух форм селективного внимания - базисной, которую отражает в основном низкочастотный альфа-ритм, и связанный с более сложной когнитивной деятельностью высокочастотный альфа-ритм [3,4].
Между тем для понимания специфики функциональной организации мозга важна не только оценка амплитудных значений ритмов ЭЭГ, но и топографические особенности их внутрикорковой синхронизации, одним из методов оценки которых является функция когерентности (КОГ). Анализ современных методов исследования биоэлектрической активности мозга, показывает, что одним из перспективных направлений здесь является использование векторных авторегрессионных (ВАР) моделей [5], которые позволяют оценить не только классическую функцию КОГ, но и ее модификации ['4], уменьшающие влияние объемного проведения ['6].
Целью данного исследования было выяснение различий в пространственной синхронизации корковых потенциалов высоко- и низкочастотного альфа-ритма ЭЭГ после действия сигналов типа GO/NOGO. Для оценки функционального взаимодействия корковых зон использовалась мнимая часть функции когерентности, вычисленная на основании ВАР-модели.
Методика
Исследовали 2' человека в возрасте 23.8±0.8 лет, все практически здоровые, с нормальным или скорректированным зрением.
На мониторе SVGA (“Самсунг”, Корея) 20 раз предъявляли целевой стимул, одновременно два изображения лица одного человека: на стадии формирования установки слева с сердитым выражением, справа - с нейтральным; на стадии тестирования - 40 раз предъявляли два изображения лица с нейтральным выражением. Через 8 с после целевого стимула предъявляли кондиционирующий сигнал - круг диаметром ' см синего или зеленого цвета. Цвета менялись случайным образом, при этом на обеих стадиях эксперимента количество предъявляемых синих и зеленых кругов было одинаковым. Через 8 с после кондиционирующего стимула предъявляли пусковой (пятно белого цвета). В ответ на пусковой стимул испытуемый должен был нажать на кнопку джойстика, если круг был зеленого цвета (Go), не нажимать, если синего (NoGo), и сообщить устно в обоих случаях одинаково ли было выражение лиц или же одно из них, левое или правое, более неприятно. Время экспозиции всех стимулов - 350 мс. Интервал между комплексами стимулов составлял 4-7 с и менялся в случайном порядке.
Управление экспериментом и регистрацию ЭЭГ осуществляли с помощью IBM PC “Pentium IV”. Отведение, усиление и фильтрацию ЭЭГ проводили с помощью системы Neocortex-Pro (“Neurobotics”, Россия). Частота дискретизации - '000 Гц. Полоса пропускания частот: 0.5-70 Гц. ЭЭГ регистрировали с помощью хлорсеребряных электродов (“Micromed”, Венгрия) с сопротивлением, не превышающим 5 кОм. Электрическую активность с поверхности головы отводили с помощью 20 электродов, расположенных в соответствии с международной схемой '0-20% с дополнительными отведениями (F3, F4, F7, F8, Fz, FT7, FT8, C3, C4, Cz, FC3, FC4,T3,T4,P3,P4,T5,T6,O',O2). Отведение ЭЭГ - монополярное, референтный электрод - объединенный ушной.
У каждого испытуемого в каждой экспериментальной ситуации после исключения артефактов предстимульная ЭЭГ разбивалась на временные отрезки по 200 мс. Множество таких отрезков объединялись в эпохи длительностью 8 секунд, что соответствовало минимальной индивидуальной безартефактной записи ЭЭГ одного испытуемого. Для 8-секундной эпохи вычислялась отдельная ВАР-модель 20 порядка. Число эпох варьировало от испытуемого к испытуемому, и для каждого вычислялись средние значения по всем ВАР-моделям. В качестве меры функционального взаимодействия вычислялась мнимая часть J(f) = Im{C(f)} комплексной функции когерентности. Величины функции мнимой когерентности J(f) в альфа-' (8-'0 Гц) и альфа-2 (''-'3 Гц) диапазонах ЭЭГ сопоставлялись в следующих экспериментальных условиях: период ожидания целевых изображений при формировании и тестировании установки; межстимульный период при включении в него положительного (Go) или тормозного (NoGo) кондиционирующего стимула при формировании и тестировании. Для оценки значимости исследуемых параметров использовался дисперсионный анализ (MANOVA RM). Дисперсионный анализ мнимой части когерентности J(f) альфа-ритмов проводился по схеме с факторами ПОЛУШАРИЕ' (левое, правое)(Пл') - полушарие первого отведения в паре, ПОЛУШАРИЕ2 (Пл2) (левое, правое) - полушарие второго отведения в паре, ЛОКАЛИЗАЦИЯ (Лк) (по числу разных пар отведений) и УСЛОВИЕ (Усл).
2'
Основываясь на литературных данных о роли префронтальной коры в обеспечении селективного внимания, рабочей памяти и обеспечения формирования зрительной установки [4] при статистической обработке параметров когерентности ЭЭГ мы сосредоточились на парах отведений, где первым членом пары были фронтальные (FC3-FC4 и F3-F4), а вторым - прочие отведения.
Результаты исследований
Наиболее существенные значимые различия между периодом ожидания установочного стимула и исследуемым межстимульным периодом были получены при анализе низкочастотного альфа-ритма как при формировании, так и при тестировании установки. Эффект распространялся при формировании установки как на положительный - Go (пары FC3, FC4: Усл - F(1,18)=10.1, p<0.005; Усл*Лк: F(7,12)=4.3, p<0.014; пары F3, F4-yoi: F(1,18)=6.5, p<0.02; Усл*Лк: F(4,15)=4.8, p<0.011) , так и на тормозный - NoGo (пары FC3, FC4: Усл - F(1,18)=9.9, p<0.006; Усл*Лк: F(7,12)=4.5, p<0.012; пары F3, F4-yoi: F(1,18) = 6.2, p<0.021; Усл*Лк: F(4,15) = 4.0, p<0.023) кондиционирующие стимулы.
При тестировании установки для "фокусов" связей FC3, FC4 влияние фактора УСЛОВИЕ было значимым при сопоставлении активности в период ожидания целевого стимула опять же как в ситуации Go (F(1,18)=7.4, p < 0.014), так и NoGo (F(1,18)=7.5, p<0.014). Так же значимо взаимодействие факторов Усл*Лк для Go (F(3,50) = 5.3, p< 0.004) и NoGo (F(3,49)=5.5, p< 0.003. Для пар отведений с "фокусом" в F3, F4 получено значимое влияние фактора УСЛОВИЕ опять же как в ситуации Go (F(1,18) = 5.2, р<0.036), так и NoGo (F(l,18)=5.3, р<0.034) (рис.1).
1 I 2
Рис. 1 - Усиление когерентных связей низкочастотного альфа-ритма префронтальных областей коры в межстимульный период с предъявлением кондиционирующих стимулов типа Go/NoGo по отношению к соответствующим предстимульномым периодам. I
- формирование установки, II - тестирование; 1 - ситуация Go, 2 - NoGo
При анализе высокочастотного альфа-ритма для пар отведений, куда в качестве "фокусов" входили FC3, FC4, также были получены значимые различия между периодом ожидания целевого стимула и исследуемым межстимульным периодом, при включении в него стимула Go и на стадии формирования установки (Усл*Лк: F(4,72)=2.6,p<0.042) и при ее тестировании (Усл*Пл2*Лк*Пл1: (F(7,125)=2.1,p<0.043). Для тормозного (NoGo) кондиционирующего сигнала различия с фоном получены только при формировании установки (Усл*Лк: F(5,82)=4.7, p < 0.001). Для пар отведений в которые в качестве "фокусов" входили отведения F3, F4, значимые различия между периодом ожидания установочного стимула и исследуемым межстимульным периодом получены только для ситуации тормозного сигнала на обеих стадиях установки (Усл*Пл1: (F(1,18) 4.8, p<0.042; Усл*Пл1: (F(1,18) = 5.3, p<0.034 - соответственно).
22
Рис.2 - Большая выраженность корковых когерентых связей в межстимульный период с положительным (Go) кондиционирующи стимулом по отношению к тормозному (NoGo) при формировании установки в высокочастотном альфа-
диапазоне
Основные различия между ситуацией включения в межстимульный интервал положительного (Go) или тормозного (NoGo) кондиционирующего стимула выявлены только для высокочастотного альфа-ритма при формировании установки как для отведений, куда в качестве одного отведения входили FС3, FС4 (Усл*Лк: F(3,58) = 2.89, p < 0.04), так и для пар отведений, куда входили F3, F4 (Усл*Пл1 (F(1,18) = 4.24, p < 0.05) (рис.2).
Обсуждение результатов
Корковая активность в период ожидания установочного стимула отличается от активности в исследуемый междустимульный период картиной когерентных связей как при включении в этот промежуток положительного (Go), так и тормозного (NoGo) кондиционирующих стимулов. При этом наиболее существенные различия выявлены на стадии формирования установки, главным образом, в низкочастотном альфа-диапазоне. Увеличение когерентности низкочастотных альфа-колебаний происходит независимо от знака кондиционирующего стимула. Этот факт свидетельствует о реакции кортико-таламической системы низкочастотного альфа-ритма, связанной с функцией селективного внимания и рабочей памяти, на введение в контекст формирования установки дополнительных стимулов типа Go/NoGo, независимо от их сигнального значения.
Различия между реакцией на положительный (Go) и тормозный (NoGo) кондиционирующие стимулы выявлены преимущественно для высокочастотного альфа-ритма и только при формировании зрительной невербальной установки на эмоционально-негативное выражение лица. Как видно на рис.2 отчетливые фокусы увеличения J(f) в ситуации Go наблюдаются в префронтальных зонах коры правого полушария (F4 и FC4), где латеральная префронтальная кора образует четкие связи со стриарной (О1,О2) и экстрастриарной (Р4, Т6) корковыми зонами в правом полушарии. Латеральная префронтальная кора рассматривается как ключевая структура формирования нисходящего (Top-down) когнитивного контроля, который играет важную роль подавляющего действия нерелевантных факторов и облегчающих корковую обработку значимой информации [1,4,15,11,12]. При этом важную роль здесь играет высокочастотный альфа-ритм [11]. Вероятно, при обеспечении более сложной деятельности (нажатие и вербальный ответ) требуется более высокий уровень активации префронтальной коры и подавления возможных нерелевантных задаче факторов в достаточно большом промежутке времени (8 с).
Литература
1. Костандов Э.А. Влияние контекста на пластичность когнитивной деятельности Физиология человека 2010. - Т.36. - №5. -
С.19-28.
2. Костандов Э.А., Черемушкин Е.А.Изменения низко- и высокочастотных колебаний альфа-диапазона ЭЭГ в интервалах между значимыми зрительными стимулами. Физиология человека. 2013. - Т.39. - №4. - С.5-12.
3. Костандов Э.А., Черемушкин Е.А., Яковенко И.А, Петренко Н.Е. Индуцированная синхронизация альфа-ритма в паузах между зрительными стимулами при разной степени пластичности когнитивной установки // Журн. высш. нерв. деят. - 2013. - Т.63.
- №6. - С.687-698.
4. Костандов Э.А., Черемушкин Е.А., Яковенко И.А., Петренко Н.Е. Изменения альфа-ритма при введении сигналов Go/NoGo в контекст эксперимента с установкой на сердитое лицо. //Физиология человека. - 2014. - Т.40. -№ 1. - С.13-25.
5. Курганский А.В. Некоторые вопросы исследования кортико-кортикальных функциональных связей с помощью векторной авторегрессионной модели многоканальной ЭЭГ. // Журн.высш.нервн.деят. - 2010. - Т.60.-№6. - С.740-759.
6. Узнадзе Д.Н. Экспериментальные основы психологии установки. Экспериментальные исследования по психологии установки. Тбилиси: Издательство АН ГССР, 1958. - 121 с.
7. Bazar E. A reviev of alpha activity in integrative brain function: Fundamental physiology, sensory coding, cognition and pathology. // Intern. J of Psychophysiology. - 2012. - V.86. - P.1-24.
8. Capotosto P., Babiloni C., Romani G.L., Corbetta M. Frontoparietal cortex controls spatial attention through modulation of anticipatory alpha rhythms. // J. Neurosci. - 2009. - V.29. - P.5863-5872.
9. Cooper N.R., Croft R.J., Dominey S.J.J., Burgess A.P., Gruzelier J.H. Paradox lost? Exploring the role of alpha oscillations during externally vs. internally directed attention and the implications for idling and inhibition hypotheses. // International Journal of Psychophysiology. - 2003. -V. 47. - №1. - P. 65-74.
10. Kelly S.P., Lalor E.C., Reilly R.B., Foxe J.J. Increases in alpha oscillatory power reflect an active retinotopic mechanism for distracter suppression during sustained visuospatial attention. // J. Neurophysiol. - 2006. -V. 95. -P.3844-3851.
11. Klimesch W. EEG alpha and theta oscillations reflect cognitive and memory performance: a review and analysis. // Brain Res. Rev.
- 1999. - V. 29. - №2-3. - P.169-195.
12. Klimesch W., Sauseng P., Hanslmayr S. EEG alpha oscillations: the inhibition-timing hypothesis. // Brain Res. Rev. - 2007. - V.53.
- №1. - P.63-88.
13. Klimesch W., Freunberger R., Sauseng P. Oscillatory mechanisms of process binding in memory. // Neurosci. Behav. Rev. - 2010. -
V. 34. -P.1002-1014.
23
14.Nolte G, Bai O, Wheaton L, Mari Z, Vorbach S, Hallett M. Identifying true brain interaction from EEG data using the imaginary part of coherency. // Clin.Neurophysiol. -2004. - V.115. -№10. - P. 2292-2307.
15.Sauseng P., Feldheim J.F., Freunberger R., Hummel F.C. Right prefrontal TMS disrupts interregional anticipatory EEG alpha activity during shifting of visuospatial attention. // Frontiers in Psychology. - 2011. -V.2. -P. 241-245.
16.Wolters C., de Munck J.C. Volume Conduction. Scholarpedia. - 2007. -V.2. -№3. - P. 1738.
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ / ENGINEERING Беличенко Р.И.
Аспирант, ФГБОУ ВПО Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова АДАПТИВНАЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩАЯ ЗАЩИТА НИЗКОВОЛЬТНЫХ КОМПЛЕКТНЫХ
РАСПРЕДУСТРОЙСТВ
Аннотация
В статье рассматривается быстродействующая защита сборных шин низковольтных распредустройств, обладающая абсолютной селективностью. Основными компонентами защиты являются датчики тока и логическое устройство. Датчик тока выполнен на основе трансформатора с немагнитным сердечником, облегающим шину. Логическое устройство реализует алгоритм дифференциальной защиты с торможением от токов отходящих присоединений.
Ключевые слова: энергетика, релейная зашита, комплектные распределительные устройства.
Belichenko R.I.
Postgraduate student, Federal State Budget Educational Institution of Higher Professional Education “Platov South-Russian State
Polytechnic University (Novocherkassk Polytechnic Institute)”
LOW VOLTAGE SWITCHGEARS ADAPTIVE HIGH SPEED PROTECTION
Abstract
The article considers high speed relay protection with absolute selectivity implementing for low voltage switchgears bus bars. The main components of relay protection are current transducers and logical device. The current transducers are based on transformers with nonmagnetic core fitting the bar.
The logical device realizes the algorithm of differential protection with restrain from the current of outgoing feeders.
Keywords: electrical power, relay protection, assembled switchgear.
К низковольтным комплектным распредустройствам (КРУ) относятся установки напряжением 0,4 - 6 кВ электрических станций и распределительных подстанций, а также главные распределительные шиты
(ГРЩ) автономных энергосистем, в частности судовых. Во время эксплуатации электроустановок должна быть обеспечена быстрая и надежная зашита от ненормальных режимов работы (от короткого замыкания или перегрузки).
Существующие защиты низковольтных сетей от таких режимов осуществляется автоматическими выключателями (автоматами) или предохранителями. Они строятся на принципе максимальных токовых со ступенчатой выдержкой времени. При этом выдержка времени защиты, установленной на присоединениях, питающих КРУ, может превышать одну секунду. Отключение тока короткого замыкания, величина которого составляет десятки кА на сборных шинах КРУ, с такой выдержкой времени может привести к непоправимым последствиям.
Особую опасность представляют дуговые замыкания, которые возникают через несколько десятков миллисекунд после металлического короткого замыкания. Металлическая закоротка либо перегорает, либо выталкивается из места КЗ электродинамической силой. Электрическая дуга устойчиво горит, поскольку максимальная токовая защита не срабатывает. В результате может возникнуть пожар, приводящий к значительному материальному ущербу. Единственной защитой, позволяющей отключать КЗ на сборных шинах без выдержки времени, является дифференциальная.
Одним из основных требований дифференциальных защит сборных шин является выполнение датчиков тока с одинаковым коэффициентом преобразования. При этом, если учесть то обстоятельство, что на всех фидерах КРУ должны устанавливаться датчики тока, рассчитанные на номинальный ток наиболее мощного присоединения, габариты датчиков тока могут оказаться недопустимо большими для ряда маломощных фидеров. Установка традиционных трансформаторов тока в низковольтных КРУ не представляется возможным. С целью уменьшения габаритов датчиков тока предложен датчик, у которого вторичная обмотка располагается на сердечнике из немагнитного материала, облегающем токоведущую шину, в литературе известный как воздушный трансформатор тока (рис. 1)
Рис. 1 - Комбинированный датчик тока
1 - токоведущая шина; 2 - сердечник из немагнитного материала; 3 - измерительная обмотка; 4 - ферромагнитный экран; 5 -обмотка источника оперативного питания; 6 - усилитель-преобразователь; 7 - блок питания.
24
