Лаборатория нейрофизиологии когнитивного развития

На основе сопоставления данных исследований в области возрастной морфологии мозга, полученных в лаборатории морфологии Института возрастной физиологии РАО, и нейрофизиологических данных, полученных в ходе электроэнцефалографических (ЭЭГ) исследований, выявлены связи параметров ЭЭГ на разных стадиях онтогенеза ребенка  с качественными структурными  и функциональными преобразованиями  нейронных сетей коры и глубинных образований головного мозга. Исследование суммарной электрической активности мозга детей и подростков  с помощью специально разработанного под руководством Р.И. Мачинской структурного анализа позволило выделить ЭЭГ — критерии соответствия возрасту уровня развития электрической активности коры головного мозга и глубинных структур у детей от 5 лет до подросткового возраст, которые используются в практике индивидуальной междисциплинарной диагностики развития детей. Полученные результаты легли в основу компьютерной диагностической системы «ЭЭГ-Эксперт», на которую получено авторское свидетельство (№ 2006611586, Автоматизированная диагностическая система «ЭЭГ-эксперт»)

Основные результаты этого направления исследований представлены в монографиях:
Фарбер Д.А. Функциональное созревание мозга в раннем онтогенезе. – М.: Просвещение, 1969. – 279 с.
Фарбер Д.А., Алферова В.В. Электроэнцефалограмма детей и подростков. – М.: Педагогика, 1972. – 216 с.
Фарбер Д.А., Семенова Л.К., Алферова В.В. и др. Структурно-функциональная организация развивающегося мозга. – Л.: Наука, 1990. – 198 с. – ISBN 5-02-025811-3.
Developing Brain and Cognition / Eds.: Farber D.A., Njiokiktjien Ch., 1993, Amsterdam, Syui. Publ., 290 p.
Развитие мозга и формирование познавательной деятельности ребенка / ред. Д.А. Фарбер, М.М. Безруких. – Москва: Московский психолого-социальный институт ; Воронеж : МОДЭК, 2009. – 432 с. – (Библиотека психолога) – ISBN 978-5-9770-0361-2 . – ISBN 978-5-89395-929-1

Спецификой подхода к изучению системной мозговой организации когнитивных процессов, развиваемого в лаборатории, является выделение в функциональных системах, их обеспечивающих, информационных и регуляторных компонентов. Информационные компоненты – это те составляющие познавательной деятельности, которые связаны с обработкой и интеграцией качественно-специфичной информации.  Регуляторные компоненты – это те составляющие когнитивной деятельности, которые создают условия для выделения значимой информации и ее использования при организации поведения, оказывая общее и избирательное модулирующее влияние на нейронные сети, входящие в информационные и двигательные компоненты функциональных систем. Условно регуляторные компоненты когнитивной деятельности и обеспечивающие их мозговые системы можно разделить на три класса:

• Управляющие функции (executive functions) — УФ, обеспечивающие целенаправленное поведение – избирательное выделение значимой информации (избирательное внимание), сохранение этой информации в процессе реализации деятельности и ее сопоставление с прошлым опытом (рабочая память), программирование последовательности действий и контроль за их исполнением;
• Эмоционально-мотивационная регуляция;
• Поддержание и регуляция общего функционального состояния мозга и организма в целом.

Исследования ритмической электрической активности мозга (ЭЭГ) и связанных с событиями потенциалов (ССП) у детей от 3 до 16 лет в процессе когнитивной деятельности (при зрительном восприятии, произвольном избирательном внимании, рабочей памяти, зрительно-пространственной и вербальной деятельности) позволили обнаружить особенности системной мозговой организации познавательных процессов в дошкольном, младшем школьном и подростковом возрасте. В ходе этих исследований за время существования лаборатории были выявлены основные закономерности формирования функциональной организации мозга человека и определены критические и сенситивные периоды в развитии нейрофизиологических механизмов познавательной деятельности. Показана роль индивидуальных особенностей функционального созревания регуляторных систем мозга разного уровня в этих процессах.

Возрастные особенности мозгового обеспечения когнитивных функций при переходе от дошкольного к младшему школьному возрасту:

• В период от 5-6 к 7-8 годам происходят прогрессивные изменения УФ, в особенности в избирательной произвольной регуляции деятельности и произвольном избирательном внимании, в которых важную роль играет морфо-функциональное созревание фронто-таламической регуляторной системы. Вместе с тем более сложные управляющие функции, такие как рабочая память, во многом определяющие успешность обучения, еще не сформированы и в 7-8 лет являются незрелыми;
• К 7-8 годам формируется целостное восприятие предметных изображений, что непосредственно связано с морфо-функциональным созреванием префронтальных и заднеассоциативных корковых зон, включая нижневисочные отделов коры больших полушарий;
• При переходе от 5-6 к 7-8 годам интенсивно формируются процессы выделения и использование категориальных признаков информации, в том числе совершенствование семантических  аспектов речи, что обусловлено морфо-функциональным созреванием как ассоциативных корковых зон, так и таламо-корковых систем избирательной активации.

Развитие этих трех компонентов когнитивной деятельности в предшкольном и младшем школьном возрасте взаимосвязано, при этом ведущая роль принадлежит формированию управляющих функций, т.е. регуляторным составляющим деятельности

Основными нейрофизиологическими факторами прогрессивных изменений когнитивной деятельности при переходе от предшкольного к младшему школьному возрасту являются:

• Созревание мозговых систем нисходящего контроля — лобных отделы коры и их связей с подкорковыми ядрами и теменной корой, осуществляющих настройку корковых зон на анализ значимой информации, ее удержание в РП и длительное поддержание внимания;
• Созревание и специализация зрительных ассоциативных корковых зон, преимущественно правого полушария, осуществляющие сложные операции обработки мультимоадальной информации;
• Взаимные влияния созревания систем нисходящего контроля и обработки информации на всем протяжении развития детей и подростков.

Это значит, что при подготовке к систематическому обучению развитие избирательного внимания и рабочей памяти, и в целом произвольной регуляции деятельности не менее, а вероятно, и более важно для успешного усвоения школьных знаний и навыков, чем тренировка чтения и письма.

Учитывая выявленную в процессе исследований лаборатории значимость формирования управляющих функций мозга для успешного обучения, в текущих исследовательских проектах большое внимание уделяется как индивидуальной диагностике этих функций, так и разработке методов их развития у дошкольников

По результатам исследования опубликована монография
Мозговые механизмы формирования познавательной деятельности в предшкольном и младшем школьном возрасте /Под ред. Р.И.Мачинской , Д.А.Фарбер – М.: НОУ ВПО «МПСУ»; Воронеж: МОДЭК, 2014. 440 с.

Дошкольный возраст – период активного формирования базовых для процесса обучения когнитивных функций мозга, среди которых особое значение имеют произвольное внимание, рабочая память и произвольная организация целенаправленного поведения, в том числе планирования когнитивных действий.  Особенно актуальным является исследование возрастных особенностей морфофункциональной основы и эффективности произвольных форм когнитивной деятельности у детей 3-5 лет, т.к. этот период развития изучен значительно меньше, чем предшкольный возраст.

Анализ микроструктуры и электрической активности коры головного мозга (ЭЭГ) дошкольников в период от 3-х до 7 лет позволил получить новые данные о созревании корковых зон, участвующих в обеспечении различных форм произвольной когнитивной деятельности. Так, было обнаружено, что к 5 годам прогрессивные изменения нейронов и их отростков происходят во всех корковых зонах, при этом они наиболее выражены в премоторных областях, играющих ключевую роль в обеспечении планирования последовательности произвольных движений, в том числе мелкой моторики.  Следующий «переломный» период в созревании коры головного мозга – 6-7 лет, когда прогрессивные изменения нейронных сетей отмечаются не только по сравнению с детьми 3-х лет, но даже по сравнению с детьми 5 лет. Изменения в 6-7 лет касаются преимущественно височно-теменно-затылочных заднеассоциативных зон, важных для развития целостного зрительного восприятия и префронтальных лобных зон, функционально связанных с произвольным избирательным вниманием и планированием сложных форм целенаправленной деятельности. Структурное созревание нейронных сетей коры и корково-подкорковых связей отражается в прогрессивных изменениях их электрической активности, которые также обнаружены при сравнении ЭЭГ детей 3-4 -х и 5-6 лет, но наиболее выражены при сравнении детей 5-6 -ти и 6-7 лет.

Возрастная морфо-функциональная незрелость нейронных сетей коры и их связей с глубинными структурами у детей 3-4 лет сопровождается выраженными трудностями реализации различных компонентов УФ.  На основе авторской компьютерной методики, разработанной А.В. Курганским, были получены новые данные о возрастных преобразованиях когнитивных способностей, лежащих в основе планирования когнитивных действий у детей 3-7 лет. Было показано, что дети 3-4 лет испытывают существенные трудности при определении причинно-следственных связей событий и практически не способны выбрать порядок действий, который приводит к достижению цели. Скачок в формировании этих когнитивных способностей происходит соответственно в 5 и в 6 лет. Вместе с тем дети 3-4 лет хорошо справляются с определением функционального предназначения знакомых предметов и выбором тех, которые нужны для решения когнитивной задачи. Нейропсихологический анализ показал, что у детей 3-4 лет объем зрительно-пространственной РП практически в 2 раза ниже, чем у детей 5-6 лет и составляет в среднем 2 элемента, а наиболее значительный рост как объема, так и эффективности РП отмечается в 6-7 лет. При этом показано, что готовность старших дошкольников к систематическому обучению существенно  определяется уровнем развития УФ.

Полученные данные являются основанием для учета возраста детей при разработке и применении пособий и дошкольных обучающих программ и создания системы консультативной помощи родителям и педагогам. В частности, использования заданий, требующих участия зрительно-пространственной рабочей памяти, выявления причинно-следственных отношений и/или выполнения действий в определенном порядке, принесет больше пользы и будет положительно влиять на последующее развитие письма и чтения у детей 4-5 лет и старше, а в более раннем возрасте может вызывать трудности. Особое значение имеет развитие лексико-грамматических компонентов речи, т.к. популяционные исследования этих функций у современных детей выявили их недостаточную сформированность в старшем дошкольном возрасте.  Данные о существенных прогрессивных изменениях морфо-функциональной зрелости префронтальных и премоторных зон коры головного мозга и эффективности всех исследованных компонентов УФ к 6-7 годам являются веским научным аргументом для начала систематического обучения чтению и письму в этом возрасте.

Публикации, в которых представлены основные результаты исследований дошкольников:

• Курганский А.В. Оценка управляющих функций у детей 3-6 лет: состояние, проблемы, перспективы // Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова. – 2021. – Т. 71. – № 4. – С. 468-484. [DOI] [elibrary]
• Курганский А.В. и др. Эффективность обнаружения тематических связей предметов детьми 3-6 лет // Физиология человека. – 2023. – Т.49,№ 4. – С.5-25.  [DOI] [elibrary]
• Захарова М.Н., Мачинская Р.И., Агрис А.Р. Управляющие функции мозга и готовность к систематическому обучению у старших дошкольников // Культурно-историческая психология. 2022. Том 18. № 3. С. 81–91. [DOI] [psyjournals]
• Захарова М.Н., Мачинская Р.И. Возрастные изменения управляющих функций у детей 6-7 лет//Психологические исследования – 2022. – Т.15, №81. Порядковый номер 6. [DOI]
• Omar S., Tsekhmistrenko T.A., Vasilyeva V.A., Astashov V.V., Obukhov D.K., Magomedova P.G. Comparative morphometric analysis of age-related changes in the pyramidal neurons of the human prefrontal and posterior associative cortex from birth to 7 years // Archiv EuroMedica. 2022. Vol. 12, N 1. P. 11-15. [DOI]

Показано, что основными факторами трудностей обучения у детей предшкольного и младшего школьного возраста является незрелость или неоптимальное состояние регуляторных систем мозга, обеспечивающих избирательное внимание и произвольную избирательную регуляцию действий, т.е. именно тех мозговых систем, которые интенсивно формируются при переходе от предшкольного к младшему школьному возрасту. В связи с проблемой учебной дезадаптации специальные исследования лаборатории были направлены на анализ мозговых механизмов когнитивных дефицитов и особенностей поведения у детей с признаками синдрома дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ). На основе междисциплинарных нейрофизиологических и нейропсихологических исследований было показано, что этот синдром не имеет единой этиологии и может быть следствием неоптимального состояния различных регуляторных систем мозга. В частности, была выявлена связь между симптомами СДВГ и неоптимальным функционированием мозговых систем неспецифической активации, структур правого полушария и фронто-таламической системы. При общих поведенческих проявлениях профиль когнитивных дефицитов у детей с разными вариантами функциональной недостаточности регуляторных систем мозга существенного различаются, а значит должны различаться и стратегии педагогической и психологической помощи таким детям.

Основные результаты исследования нейрофизиологической основы когнитивных дефицитов у детей с СДВГ опубликованы в статье Мачинская Р.И., Сугробова Г.А., Семенова О.А., Междисциплинарный подход к анализу мозговых механизмов трудностей обучения у детей. Опыт исследования детей с СДВГ/ Журн. Высш. Деят. им. И.П. Павлова. – 2013. Т. 63. № 5. – С. 542.  [DOI] [elibrary]

Формирования мозговых механизмов произвольной регуляции деятельности является важнейшим фактором социальной адаптации и усвоения знаний в процессе обучения. Влияние этого фактора возрастает в критические периоды онтогенеза, одним из которых является подростковый возраст, часто сопровождающийся различными отклонениями поведения.

В исследованиях лаборатории показано, что существенную роль в возникновении «подростковых» проблем играют возрастные изменения мозговых систем произвольного контроля и эмоционально-мотивационной регуляции.

Междисциплинарные исследования (анализ электроэнцефалограммы -ЭЭГ, нейропсихологическое обследование, поведенческий эксперимент, анкетирование) выявили у детей и подростков в возрасте от 9 до 16 лет гетерохронные изменения активности глубинных и корковых звеньев регуляторных систем мозга, которые сопровождаются как прогрессивными изменениями когнитивных функций, так и различными формами учебной и социальной дезадаптации:

• Предподростковый (10-12 лет) возраст отличается от предыдущего этапа развития выраженным увеличением числа детей с неоптимальным состоянием мозговых систем неспецифической активации и фронто-таламической системы избирательного внимания. При этом значимо увеличивается число детей, демонстрирующих трудности программирования и самоконтроля на фоне повышенной утомляемости и сниженной работоспособности;
• В 12-14 лет представленность изменений со стороны активирующих структур ствола головного мозга и фронто-таламической системы снижается, повышается эффективность рабочей памяти и планирования, однако появляются новые проблемы, обусловленные неоптимальным функционированием лимбических и лобно-базальных структур, участвующих в обеспечении эмоционально-мотивационной регуляции социального поведения. ЭЭГ исследования корковых и глубинных звеньев регуляторных систем мозга в покое и при выполнении когнитивных заданий выявили значимое негативное влияние неоптимального функционировании лимбических структур мозга на способность длительно поддерживать внимание и выполнять определенную программу действий и способность предвидеть и контролировать свои ошибки;
• У подростков с неоптимальным состоянием лимбических структур мозга существенно снижается эффективность восприятия социально-значимой информации, особенно негативного характера. Последнее может быть одним из основных биологически обусловленных факторов повышенной склонности к девиантному поведению в виде агрессии и игнорирования социальных норм и правил.

При подготовке стандартов обучения и воспитания в средней школе необходимо учитывать риски учебной дезадаптации, обусловленные особенностями регуляторных функций мозга подростков: снижение мотивации к обучению, трудности длительного поддержания внимания, проблемы произвольной регуляции поведения, в особенности при отсутствии положительной обратной связи со стороны родителей и педагогов.

По результатам исследования подростков подготовлена монография:

Регуляция поведения и когнитивной деятельности в подростковом возрасте. Мозговые механизмы / под ред. Р. И. Мачинской, Д. А. Фарбер. — М. : Изд-во Московского психолого-социального университета, 2023. — 616 с. [elibrary]