А. Кирсанова
МОУ СОШ No 2 с УИОП, г. Кинель, Самарская обл.
В работе рассматривается активность структур головного мозга современного школьника путем анализа основных ритмов мозга; выясняются возможности корреляции электрических потенциалов головного мозга со школьной успеваемостью.
Я давно задалась вопросом, от чего зависит успеваемость школьника.
Безусловно, от его умственных способностей, возможно, от желания учиться, также не исключено, что от его целеустремленности. А может ли человек, не имеющий высоких интеллектуальных способностей, хорошо учиться? Может ли ученик, имеющий высокие интеллектуальные способности, но не испытывающий стремления к обучению, учиться плохо?
Сейчас вопросы успеваемости довольно актуальны, так как очень малое количество школьников действительно учится, испытывая желание получать знания. Поэтому мне представляется очень важным найти причины низкой успеваемости, на это и направлено наше прикладное исследование. Известно, что умственные способности определяются мозговой деятельностью. Значит, ответ на поставленные мною вопросы скрывается именно в механизмах работы мозга, которые можно обнаружить с помощью метода электроэнцефалографии.
Доказано, что человек является источником акустических и электромагнитных полей. Эти поля называются собственными физическими полями человека. Их изучение позволяет глубже понимать процессы, происходящие в организме, и использовать эти поля в диагностических целях.
Физические методы исследования организма человека, использующие регистрацию таких полей, позволяют получить информацию о процессах в организме, которую нельзя получить иными способами. Примером этому и служит электроэнцефалография (ЭЭГ) [1].
Цели исследования:
- рассмотрение степени активности структур головного мозга современного школьника путем анализа основных ритмов мозга;
- выяснение возможности корреляции электрических потенциалов головного мозга со школьной успеваемостью.
Нами были решены следующие задачи:
- набрать группу учащихся;
- разделить ее на две подгруппы: одна – с хорошей успеваемостью, другая – с низкой;
- провести исследования с помощью метода ЭЭГ;
- описать характеристики основных ритмов электроэнцефалограммы у двух групп;
- провести анализ полученных результатов;
- провести анкетирование, чтобы узнать о мотивации школьников к обучению;
- провести корреляционный анализ функциональной активности мозга со степенью школьной успеваемости.
Электроэнцефалография как метод исследования головного мозга, основанный на регистрации его электрических потенциалов, зародилась в начале XX века. Начало эры электроэнцефалографии связывают с именем австрийского психиатра Ганса Бергера, который в 1928 году впервые осуществил регистрацию электрических потенциалов головного мозга у человека, используя скальповые игольчатые электроды. В его работах было приведено описание основных ритмов электроэнцефалограммы (ЭЭГ) человека и их изменения при различных функциональных пробах и патологических проявлениях в мозге [3].
Основные результаты
В настоящий момент времени большой успех приобрели компьютерные системы, позволившие сделать качественно новый шаг в диагностике, и использующие для этого сложные математические методы [4].
ЭЭГ может показать один из основных параметров работы нервной системы – свойство ритмичности, которое отражает согласованность работы разных структур мозга. Следовательно, при записи энцефалограммы, нейрофизиолог имеет доступ к фактическим механизмам обработки информации мозга. Это помогает обнаружить схему процессов, задействованных мозгом, показывая не только «где», но и «как» информация обработана в мозге [4]. Именно эта возможность делает ЭЭГ уникальным и, безусловно, ценным методом диагностики.
В основе всех электрических активностей живой ткани лежит разделение электрических зарядов (ионов) мембранными системами клеток. Источником низкочастотных полей электрически активных органов и тканей являются биопотенциалы органов и тканей.
Биопотенциалы – это разность электрических потенциалов (электрических напряжений) между двумя точками. Электроэнцефалография (ЭЭГ) – это метод исследования деятельности головного мозга животных и человека; основанный на суммарной регистрации биоэлектрической активности отдельных зон (биопотенциалов), областей, долей мозга [3].
Между двумя точками мозга, а также между точками мозга и удаленными от него тканями организма возникают переменные разности потенциалов, регистрация и анализ которых и составляют задачу электроэнцефалографии. Работа мозга сопровождается электрической активностью, которую можно записать в виде электроэнцефалограмм. ЭЭГ дает некую интегральную запись деятельности мозга. Наивно ожидать от расшифровки подобной записи, скажем, содержания мысли. Например, специалисты, занимающиеся наладкой и ремонтом компьютеров, прекрасно понимают «язык» импульсных диаграмм или эпюр потенциалов, снимаемых в различных точках электронных схем. Но даже такой специалист, как бы тонко он ни чувствовал «пульс» компьютера, сможет сказать только одно - правильно работает компьютер или неправильно. И ни один из них, глядя только на показания измерительных приборов, не зная схемы машины, принципов ее работы, не сможет сказать, какую же задачу она решает.
Регистрация ЭЭГ осуществляется наложением на голову металлических пластинок (электродов), которые соединяются проводами с входом аппарата. На выходе получается графическое изображение колебаний разности биоэлектрических потенциалов живого мозга.
Основными понятиями, на которые опирается характеристика ЭЭГ, являются частота, амплитуда и фаза [6]. ЭЭГ - сложная кривая, состоящая из волн различных частот и амплитуд. В зависимости от частоты на ЭЭГ различают волны, обозначаемые греческими буквами «альфа», «бета», «дельта» и др. Для анализа используются четыре основных ритма.
Альфа-ритм - ритм ЭЭГ частотой от 8 до 13 Гц, амплитудой 20—80 мкВ, регистрируется у 85-95 % здоровых взрослых. Лучше всего альфа-ритм выражен в затылочных отделах. Наибольшую амплитуду альфа-ритм имеет в состоянии спокойного бодрствования, особенно при закрытых глазах в затемнённом помещении. Блокируется или ослабляется при повышении внимания или мыслительной активности. «Отец кибернетики» Норберт Винер полагал, что альфа-ритм является «тактовым генератором мозга», группирующим поступающую информацию внутри определенного периода времени, внутри которого разные события воспринимаются как одновременные.
Бета-ритм – ритм ЭЭГ частотой от 14 до 30 Гц, ам- плитудой 5—30 мкВ, присущ состоянию активного бодрствования. Наиболее сильно этот ритм выражен в лобных областях, но при различных видах интенсивной деятельности резко усиливается и распространяется на другие области мозга. Дельта-ритм - ритм ЭЭГ частотой 0.5-3 Гц, амплитудой более 40 мкВ, иногда при сильных патологиях может достигать 300мкВ. Он возникает при глубоком естественном сне. Тета-ритм - ритм ЭЭГ частотой 4-6 Гц, амплитудой более 40 мкВ. Он отражает активность нервных процессов в связи с отрицательными эмоциями, депрессивным состоянием, голодом, болью.
ЭЭГ здорового взрослого человека, находящегося в состоянии относительного покоя, обнаруживает два основных типа ритмов: альфа-ритм и бета-ритм. ЭЭГ могут различаться в зависимости от физиологического состоя- ния (сон и бодрствование, восприятие зрительных или слуховых сигналов, разнообразные эмоции и т. п.). В связи с этим при проведении обследования пациент находится в помещении с минимумом внешних раздражителей.
В ходе нашего эксперимента было совмещено два метода исследования.
1. Анкетирование - средство конкретного социального исследования, применяющееся для изучения определенного вопроса. Анкетирование было проведено нами для выявления мотивации учащихся к учебному процессу. В анкетировании принимали участие 25 школьников МОУ СОШ No2 с углубленным изучением отдельных предметов в возрасте 14-16 лет.
2. Электроэнцефалография - метод исследования деятельности головного мозга человека.
ЭЭГ было проведено для рассмотрения степени активности структур головного мозга.
Обследование ЭЭГ проходили 25 человек с различной степенью успеваемости и школьной мотивации в возрасте 14-16 лет.
Для анализа мотивации школьников к учебному процессу был использован метод анкетирования. Анкета имела пятиуровневую градацию оценок.
Первый уровень соответствует высокому уровню школьной мотивации. Учащиеся имеют познавательный мотив, стремление наиболее успешно выполнять все предъявляемые школой требования, четко следуют указаниям учителя, добросовестны и ответственны.
Второй уровень — хорошая школьная мотивация. Подобные показатели имеют большинство учащихся, успешно справляющихся с учебной деятельностью. Про- являют меньшую зависимость от жестких требований и норм. Подобный уровень мотивации является средней нормой.
Третий уровень — положительное отношение к школе, но школа привлекает таких учеников своей внеучебной деятельностью – они чаще ходят в школу, чтобы общаться с друзьями, с учителем. Познавательные мотивы у таких учеников сформированы в меньшей степени, и учебный процесс их мало привлекает.
Четвертый уровень — низкая школьная мотивация. Ученики посещают школу неохотно, предпочитают пропускать занятия. На уроках часто занимаются посторонними делами. Испытывают серьезные затруднения в учебной деятельности. Находятся в состоянии неустойчивой адаптации к школе. Пятый уровень — негативное отношение к школе, школьная дезадаптация. Учащиеся испытывают серьезные трудности в обучении: они не справляются с учебной деятельностью, испытывают проблемы в общении с одноклассниками, во взаимоотношениях с учителем.
Первый и второй уровни школьной мотивации присущи школьникам с хорошей успеваемостью (1 человек – высокая школьная мотивация (первый уровень), 5 – хорошая (второй уровень). Четвертый и пятый уровни школьной мотивации наблюдаются у учеников с низкой успеваемостью (5 человек – низкая школьная мотивация (четвертый уровень), 2 - негативное отношение к школе (пятый уровень). Третий уровень школьной мотивации наблюдается как у школьников с хорошей успеваемостью (10 человек), так и у школьников с низкой (2 человека), и является своеобразной границей, разделяющей эти две группы, причём данный уровень мотивации наблюдается у большинства опрошенных учеников.
ЭЭГ совершенно безвредно и безболезненно. Пациент во время обследования сидит в кресле или лежит на кушетке с закрытыми глазами (состояние пассивного бодрствования). Для проведения ЭЭГ на голове прикрепляются с помощью специального шлема маленькие электроды, которые соединяются проводами с электроэнцефалографом. Аппарат усиливает потенциалы, полученные с датчиков, в сотни тысяч раз и записывает их в память компьютера.
ЭЭГ-исследование проводит специально обученный невролог, иногда его называют электроэнцефалографистом или нейрофизиологом. Он описывает результаты исследования, и дает свое заключение. Следует учитывать, что ЭЭГ детей и подростков значительно отличаются от ЭЭГ взрослых.
После проведения обследования, учащиеся были разделены на две группы. В первую группу попали учащиеся с хорошей успеваемостью, во вторую - учащиеся с низкой успеваемостью. Исходя из этого деления, проводились все расчеты, проведенные по данному исследованию.
Обследование проводилось с помощью 19-канального компьютерного электроэнцефалографа серии «Нейрон-Спектр» компании «Нейрософт» (Россия, Ива- ново), на базе Дорожной клинической больницы на станции Самара ОАО «РЖД», диагностическое отделение поликлиники No 2 на станции Кинель. Электроэнцефалогра- фы этой серии - современные высокотехнологичные элек- тронные медицинские приборы, удовлетворяющие запро- сам широкого круга потребителей — от врача в клинике до нейрофизиолога-исследователя. Программное обеспечение Нейрон-Спектр позволяет проводить регистрацию ЭЭГ на любых приборах серии Нейрон-Спектр по 8 - 32 каналам. Записи были проанализированы с использованием современных методов математического анализа.
При систематизации и анализе полученных результатов обследования отмечены интересные закономерности в поведении альфа-ритма у разных групп учащихся. Эти закономерности отражены в гистограммах, следующих ниже.
Многие аспекты функциональной значимости и механизмов генерации альфа-активности остаются неизвестными, однако, предполагается, что индивидуальная частота альфа-ритма отражает динамику основных нервных процессов в коре головного мозга [5].
У школьников с хорошей успеваемостью средняя частота альфа ритма (9,8 Гц) заметно выше, чем у учеников с низкой успеваемостью (8 Гц). Характеристикам частоты альфа-ритма придается большое значение в исследованиях, посвященных соотношению психологических и электроэнцефалографических феноменов, как в нашем случае. Было показано, что люди с более высокой частотой альфа-активности имеют более высокие показатели интеллекта [5], более высокую скорость сенсомоторных реакций [7].
Показатели частоты альфа-ритма при гипервентиляции у школьников с хорошей успеваемостью (9,5 Гц) выше показателей частоты альфа-ритма школьников с низкой успеваемостью (8,7 Гц). Также у некоторых учеников с низкой успеваемостью зарегистрирована десинхронная прямая, то есть отсутствие альфа-ритма в фоновой записи и при провокациях (гипервентиляция), чего не наблюдалось у учащихся с хорошей успеваемостью.
Амплитуда, как и частота альфа-ритма, у школьников с хорошей успеваемостью (53,8 мкВ) выше, чем у школьников с низкой успеваемостью (40 мкВ).
Депрессия альфа-ритма – это смена альфа-ритма электроэнцефалограммы в затылочных областях коры больших полушарий головного мозга человека бета-ритмом, наблюдающаяся при открывании глаз. Депрессия альфа-ритма – «реакция активации». Эта реакция в определенной мере отражает функциональное состояние головного мозга, может служить критерием степени реактивности мозга, показателем влияния фармакологических препаратов, оцениваться как признак «зрелости мозговых структур» в детской электроэнцефалографии.
При открывании глаз происходит депрессия альфа-ритма по индексу и амплитуде.
Средние показатели депрессии альфа-ритма у школьников с хорошей успеваемостью (42,8 % по амплитуде и 67,2 % по индексу) выше, чем у учеников с низкой успеваемостью (32,8 % по амплитуде и 47,4 % по индексу), что, по нашему мнению, обусловлено зрелостью мозговых структур. Из этого следует, что у школьников с хорошей успеваемостью зрелость мозговых структур выше, нежели у школьников с низкой успеваемостью.
У школьников с хорошей успеваемостью средние показатели восстановления альфаритма (102 % по амплитуде и 101 % по индексу) ниже, чем у школьников с низкой успеваемостью (128 % и 112 % соответственно). Проанализировав эти данные, получили, что у школьни- ков с низкой успеваемостью быстрее происходит спад мыслительной активности и понижение внимания. Они легче, чем ученики с хорошей успеваемостью, впадают в состояние релаксации. Релаксация, в свою очередь, улучшает восприимчивость и приводит к ощущению безмятежности, возникновению особого, так называемого«расширенного состояния сознания». Отсюда можем предположить, что школьникам с низкой успеваемостью легче абстрагироваться от окружающего мира, они легче «отпускают» ситуацию, быстрее адаптируются.
Выводы
Проанализированы мотивации к учебному процессу двух групп учащихся, проживающих в городском округе Кинель Самарской области, в зависимости от их успеваемости, с использованием анкетирования. Показано, что школьники с хорошей успеваемостью положительно относятся к школе, заинтересованы в обучении, имеют низкий уровень познавательной мотивации. Школьники с низкой успеваемостью отрицательно относятся к школе, находятся в состоянии неустойчивой адаптации к школе, имеют низкий уровень познавательной мотивации. Таким образом, школьники с хорошей и низкой успеваемостью, различаются только отношением к школе и заинтересованностью в обучении.
Анализ основных параметров ЭЭГ позволил сделать следующие выводы.
1. Школьники с хорошей успеваемостью имеют более высокую скорость сенсомоторных реакций, что обусловлено более высокой, чем у школьников с низкой успеваемостью, частотой альфа-ритма, показатели которой 9,8 Гц, в то время как у школьников с низкой успеваемостью – 8Гц;
2. Школьники с хорошей успеваемостью имеют более высокие интеллектуальные способности, что также обусловливается частотой и амплитудой альфа-ритма;
3. Ученики с хорошей успеваемостью имеют более высокую зрелость мозговых структур по сравнению с учениками с низкой успеваемостью, что обусловлено более высокими показателями депрессии альфа-ритма. У учеников с хорошей успеваемостью показатели депрессии альфа-ритма 42,8 % по амплитуде и 67,2 % по индексу, а у учеников с низкой успеваемостью - 32,8 % по амплитуде и 47,4 % по индексу.
4. У школьников с низкой успеваемостью быстрее происходит спад мыслительной активности и понижение внимания. Они легче, чем ученики с хорошей успеваемостью, впадают в состояние релаксации, абстрагируются от окружающего мира и «отпускают» ситуацию, быстрее адаптируются. Данные выводы обусловлены показателями восстановления альфа-ритма при закрывании глаз. У учеников с хорошей успеваемостью они равны 102 % по амплитуде и 101 % по индексу. У школьников с низкой успеваемостью 128 % и 112 % соответственно.
Также один человек показал результаты, позволяющие сказать, что ученик, не имеющий высоких интеллектуальных способностей, может хорошо учиться, имея стремление и высокую мотивацию к обучению.
Результаты данной работы могут применяться в следующих случаях:
1. Для решения вопроса о готовности ребенка к школьному обучению.
2. Как один из критериев для распределения учащихся по классам. Сейчас ситуация, когда в одном классе учатся и ученики с хорошей, и ученики с низкой успеваемостью, типична. Однако при таком делении ученики с низкой успеваемостью замедляют развитие учеников с высокими интеллектуальными способностями, не давая им проявлять себя в полной мере и мешая поглощать информацию, предоставляемую учителем, в полном объеме. Возможно, классы, сформированные с использованием данных этого исследования, будут показывать лучшие результаты. Ученикам с высокими интеллектуальными способностями это также даст возможность раскрыться и наиболее полно задействовать ресурсы, данные им природой. 3. Для решения экспертного вопроса дальнейшего обучения ребенка в высших учебных заведениях.
Литература
1. Антонов В.Ф., Черныш А.М, Пасечник В.И., Вознесенский С.А., Козлова Е.К. Биофизика: Учебн. для студ. высш. учеб. заведений. - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1999.
2. Журавлев А.И. и др. Основы физики и биофизики. - 2005.
3. Зенков Л.Р., Ронкин М.А. Функциональная диагностика нервных болезней (Руководство для врачей). – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: МЕДпресс-информ, 2004.
4. Кураев Г.А, Иваницкая Л.Н., Покуль С.Ю. Динамика частоты альфа-ритма человека при закрывании глаз // Валеология, No2, 2003.
5. Моисеева Н.И., Сысуев В.М. Временная среда и биологические ритмы. - Л., 1981.
6. Сахаров В.Л., Андреенко А.С. Методы математической обработки электроэнцефалограмм: Учебное пособие. – Таганрог: «Антон» 2000.
7. Сурнина О.Е., Лупандин В.И. Роль двигательной активности в восприятии времени у младших школьников // Психофизиол. основы социальной адаптации ребенка. - СПб, 1999.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ
КИРСАНОВА Александра
Лауреат Всероссийского конкурса исследовательских ра- бот «Юность, наука, культура» в 2010-2011 учебном году, секция «Медицина»
Ученица 10 класса, МОУ СОШ No 2 с УИОП
г. Кинель, Самарская обл.