Исследование генетических детерминант психологических особенностей человека - бурно развивающаяся область генетики поведения. Основное внимание специалисты в области генетики поведения уделяют исследованию наследственной детерминации когнитивной и личностной сфер человека, тогда как особенности функционирования центральной нервной системы изучены значительно меньше.
Возможность подойти к анализу деятельности мозга дают существующие в психофизиологии неинвазивные методы исследования. К ним прежде всего относится регистрация биоэлектрической активности мозга (электроэнцефалограмма, вызванные потенциалы, вызванные магнитные поля).
Электроэнцефалография — метод регистрации и анализа электроэнцефалограммы (ЭЭГ), т.е. суммарной биоэлектрической активности мозга.
Описание ЭЭГ включает ряд параметров: частоту волн, их амплитуду, индекс выраженности, спектральные плотности ритмов и некоторые другие.
По частоте волн различают следующие типы ритмических составляющих ЭЭГ: дельта-ритм (0,5-4 Гц); тэта-ритм (5-7 Гц); альфа-ритм (8-13 Гц) — основной ритм ЭЭГ, преобладающий в состоянии покоя; бета-ритм (15-35 Гц); гамма-ритм (выше 35 Гц). Другая важная характеристика электрических потенциалов мозга — амплитуда, т.е. величина колебаний. Амплитуда и частота колебаний связаны друг с другом.
Целый ряд эмпирических данных свидетельствует о наличии определенных связей между параметрами ЭЭГ и психологическими особенностями человека. Как оказалось, различные параметры ЭЭГ связаны с широким кругом поведенческих и когнитивных характеристик, интеллектом, дислексией, нарушением способности к обучению, эмоциональностью, темпераментом и пр. Параметры ЭЭГ связаны с широким кругом поведенческих и когнитивных характеристик. Большое практическое значение имеет использование ЭЭГ в клинике для диагностики различной мозговой патологии или уточнения диагноза. ЭЭГ - индивидуально-специфичная и достаточно стабильная в течение жизни индивида характеристика.
Вначале генетические исследования ЭЭГ основывались на визуальном анализе ЭЭГ. Используя метод "слепой" классификации, оценивали идентичность рисунка ЭЭГ у монозиготных (МЗ) и дизиготных (ДЗ) близнецов. Первые же исследования, проведенные в конце 30-40-х гг., показали высокое сходство общего рисунка ЭЭГ у членов МЗ пары. Как правило, различия у МЗ не превышали различий между двумя отрезками ЭЭГ одного человека, записанными в разные дни. Однако наиболее убедительные данные были получены Н.Джуель-Нильсеном и Б.Харвальдом, которые показали, что различные параметры ЭЭГ у разлученных МЗ близнецов практически идентичны.
Таким образом, даже при простом визуальном анализе можно установить, что ЭЭГ МЗ близнецов более сходны, чем у ДЗ близнецов. Очевидно, что основной недостаток визуального анализа - субъективность и, как следствие, низкая надежность - может сказываться и на результатах генетического анализа. В последующие годы исследователи используют в своих работах более сложные математические способы обработки, позволяющие получить точные количественные описания ЭЭГ.
Электроэнцефалограмма покоя. Систематические генетические исследования ЭЭГ проводились Ф.Фогелем. Первое же исследование было проведено на большой выборке (100 пар МЗ и 98 пар ДЗ) близнецов не только в состоянии покоя, но и при различных функциональных нагрузках (гипервентиляция, гипоксия и сон). Фиксировался ряд показателей: доминирующая частота ЭЭГ, альфа-индекс, амплитуда альфа-ритма, процент совпадения альфа-волн по фазе, регулярность альфа-ритма. Анализ количественных параметров ЭЭГ показал, что МЗ близнецы практически идентичны по показателям альфа-индекса ЭЭГ (процент времени, в течение которого в ЭЭГ наблюдается выраженный альфа-ритм), амплитуды и частоты альфа-ритма. Различия между МЗ близнецами были не больше, чем у одного и того же человека при повторной регистрации ЭЭГ. Это дало Ф.Фогелю основание для вывода о наследственной обусловленности ЭЭГ.
В работе М.Камитаке исследовалась наследственная обусловленность суммарной энергии разных диапазонов ЭЭГ. Параметры всех частотных диапазонов (от 1 до 60 Гц) ЭЭГ покоя оказались наследственно обусловленными, но в разной степени; максимальные значения коэффициентов наследуемости были получены для альфа-ритма. В исследовании Дж.Янга максимальное сходство МЗ наблюдалось по показателям бета-ритма (13,5-26 Гц) - только для этого диапазона разница в уровне внутрипарного сходства МЗ и ДЗ близнецов оказалась достоверной. Интересные результаты получил Д.Ликкен с соавторам. Спектры мощности ЭЭГ оказались чрезвычайно похожими у МЗ близнецов, в отличие от ДЗ, что свидетельствует о преобладающей роли наследственных факторов в их формировании. Внутрипарные корреляции МЗ близнецов оказались высокими для всех изучавшихся показателей ЭЭГ, приближаясь по своей величине к таковым для морфологических признаков - длины и массы тела. Внутриклассовые корреляции МЗ для различных частотных диапазонов колебались от 0,76 до 0,86 в группе МЗ близнецов, а в группе ДЗ - от -0,2 до 0,15. Эти корреляции значительно ниже, чем можно ожидать, исходя из предположения об аддитивности генетических влияний. Условия регистрации ЭЭГ в исследовании Д.Ликкена несколько отличались от обычных: ЭЭГ записывалась у испытуемых в состоянии гипноза. Повторный эксперимент, проведенный в 1982 г., дал те же результаты. Для спектральной плотности практически во всех диапазонах Rмз в несколько раз превышает Rдз, а Rдз во многих случаях близок к нулю. Данный факт свидетельствует о неаддитивном типе наследования спектральных плотностей ритмических составляющих ЭЭГ. Д.Ликкен называет такие признаки, по которым сходство МЗ значительно превышает сходство ДЗ, эмерджентными (emergenic traits). Наследственная передача таких признаков обеспечивается полигенными механизмами. Для проявления определенного признака необходимо определенное сочетание нескольких генов, передающихся от родителя к потомку случайным образом. Поскольку МЗ близнецы имеют идентичный набор генов, их сходство по эмерджентным признакам также достаточно велико. Для ДЗ близнецов и других близких родственников вероятность наличия одинакового набора генов убывает в геометрической прогрессии в соответствии с увеличением числа генов, определяющих данный конкретный признак.
Общий паттерн ЭЭГ обнаруживает генотипическую обусловленность не только в состоянии спокойного бодрствования. Есть данные, что и во сне, когда ЭЭГ существенно изменяется (по характеру этих изменений выделяется пять стадий сна), можно констатировать определенное влияние генотипа на общий рисунок ЭЭГ.
Анализ ВП (зрительные и слуховые) стабильность и вариативность индивидуальных особенностей ЭЭГ в зависимости от возраста, пола и зоны регистрации параметров ЭЭГ
Вызванные потенциалы (ВП) — биоэлектрические колебания, возникающие в нервных структурах в ответ на внешнее раздражение и находящиеся в строго определенной временной связи с началом его Действия. Стимулами могут служить относительно элементарные, поддающиеся количественной оценке раздражители, например, вспышка определенной интенсивности, шахматные поля с разным размером ячейки (зрительные ВП), звуковые тоны заданной частоты и интенсивности (слуховые ВП), слабые удары электрическим током известных параметров.
Наряду с этим существующие способы выделения сигнала из шума позволяют отмечать в записи ЭЭГ изменения потенциала, достаточно строго связанные во времени с любым фиксированным событием, в том числе субъективным, «внутренним». Благодаря этому выделился еще один круг физиологических явлений — событийно-связанные потенциалы (ССП). Примерами их служат: колебания, связанные с активностью двигательной зоны коры больших полушарий (моторный потенциал, или потенциал, связанный с движением); потенциал, связанный с намерением произвести определенное действие (так называемая .Е-волна); потенциал, возникающий при пропуске ожидаемого стимула.
Сенсорные вызванные потенциалы представляют собой последовательность позитивных и негативных колебаний, регистрируемых, как правило, в интервале 0-500 мс. Событийно-связанные потенциалы включают и поздние колебания в интервале до 1000 мс и более. Количественные методы оценки ВП и ССП предусматривают в первую очередь оценку амплитуд и латентностей. При описании их компонентного состава в большинстве случаев указывают полярность компонента (отрицательный, негативный — А/; положительный, позитивный — Р) и его порядковый номер от начала ответа или временные параметры.(Напр., позитивное колебание в интервале 300-600 мс обозначается как Р3 или Р300.)
Как правило, компоненты ВП делят на экзогенные и эндогенные. Первые отражают активность специфических проводящих путей, по которым в кору поступают афферентные сигналы, и зон, в которых они обрабатываются. Вторые более тесно связаны с активностью неспецифических ассоциативных систем мозга. Длительность тех и других оценивается по-разному для разных модальностей. Например, в зрительной системе экзогенные компоненты ВП регистрируются в течение первых 100 мс с момента стимуляции.
В интерпретации компонентов и параметров ВП и ССП в настоящее время широко используется понятийный аппарат информационного подхода, при котором вся совокупность реакций такого типа трактуется как отражение процессов приема и переработки информации.
Влияние генотипа на параметры ВП в разных зонах коры больших полушарий.
При любых условиях ВП и ССП, зарегистрированные в разных зонах коры больших полушарий, имеют свои особенности. Например, в проекционных зонах лучше выражены ранние, экзогенные компоненты, в ассоциативных, напротив, преобладают поздние, эндогенные компоненты. Эта особенность делает ВП и ССП незаменимым инструментом при оценке генетического вклада в изменчивость функциональной активности отдельных зон коры мозга.
Однако данных о региональных особенностях генетической детерминации ВП пока очень мало. В исследовании Э. Льюиса с соавторами генетическая детерминация зрительных, слуховых и соматосенсорных ВП обнаруживалась приблизительно одинаково по всей коре больших полушарий, независимо от зоны. Но наряду с этим, как и при изучении наследуемости параметров ЭЭГ, получены факты, свидетельствующие о существенных межзональных различиях в проявлении генетической обусловленности отдельных компонентов ВП и их параметров. Например, выявлены межзональные различия в генетической обусловленности зрительных ВП на вспышки, регистрируемые из трех зон. Установлено, что генетический контроль обнаруживается в 43, 52 и 20% показателей при регистрации ответов из трех зон: соответственно затылочной, вертекса и лобной области левого полушария. В другом исследовании были установлены межполушарные различия в наследуемости параметров зрительных ВП на стимулы разного типа: в целом параметры ВП в левом полушарии меньше зависят от генотипа по сравнению с аналогичными ответами правого, причем наиболее четко это обнаруживается при сравнении ответов височных зон левого и правого полушарий. Убедительные доказательства топографических различий наследуемости амплитудно-временных параметров ВП представлены в работе О'Коннера с соавторами, причем показано, что «фокус наследуемости» амплитуд61 Р3 локализован в задних отделах коры больших полушарий.
Чем можно объяснить тот факт, что дисперсия фенотипически сходных показателей ВП в разных зонах коры мозга имеет разную структуру? Из нейрофизиологических исследований известно, что компоненты ВП в разных зонах коры больших полушарий могут иметь различающиеся источники. Иными словами, они, во-первых, могут формироваться за счет действия различных генераторов и, во-вторых, испытывать на себе разные влияния со стороны неспецифических систем мозга. Можно предположить, что нейрофизиологические механизмы, отвечающие за компоненты ВП разных зон, по-разному зависят от генотипа, и благодаря этому возникают межзональные различия в генетической обусловленности ВП.
Есть некоторые основания полагать, что доля генетической изменчивости в параметрах ВП разных зон варьирует в определенной зависимости от эволюционного возраста структуры и времени ее созревания в онтогенезе. Так, ВП в эволюционно более молодых передних отделах коры (височные и фронтальные области), по-видимому, в меньшей степени зависят от генетической изменчивости. Однако эти предположения требуют дальнейшего изучения.
Генотип-средовые соотношения в изменчивости ЭЭГ и ВП на разных этапах онтогенеза.
Возрастная дпнамика генотип-средовых соотношений в электроэнцефалограмме
Несмотря на то что темпы созревания биоэлектрической активности, проявляющиеся в возрастании основной частоты и регулярности, высоко индивидуальны, более высокое сходство ЭЭГ в парах МЗ близнецов по сравнению с ДЗ характерно не только для взрослых, но и для детей. Ф. Фогель в результате изучения возрастной динамики внутрипарного сходства 110 пар МЗ и 96 пар ДЗ близнецов с 6 до 80 лет пришел к заключению, что темп возрастных изменений ЭЭГ обусловлен генетически, поскольку в периоды ее наиболее заметной перестройки — и в детстве, и в зрелом возрасте — МЗ близнецы имеют идентичные кривые. Однако специального анализа возрастных различий в наследуемости параметров ЭЭГ он не проводил.
Исследований, прямо посвященных изучению возрастной динамики генотип-средовых соотношений в изменчивости ЭЭГ и ее параметров, немного. Они появились в начале 70-х годов и были выполнены методом близнецов. В них целенаправленно сравнивались эффекты генетических влияний в межиндивидуальной вариативности параметров ЭЭГ на разных этапах онтогенеза. Наиболее интересный результат заключался в том, что генетические влияния в параметрах ЭЭГ в разных возрастах проявлялись с разной силой. Иными словами, в одних случаях эти влияния были выражены сильнее, в других слабее, в третьих не обнаруживались совсем. Так, при сопоставлении данных близнецов трех возрастных групп (младших школьников, подростков и взрослых) были выявлены значительные возрастные различия в генотип-средовой детерминации параметров ЭЭГ.
В исследовании 25 пар МЗ и 12 пар ДЗ близнецов в возрасте 10-12 мес. анализировался вклад генотипа в индивидуальные особенности доминирующей частоты 6-8 Гц, которая рассматривалась авторами как функциональный аналог альфа-ритма. Показатель наследуемости составил 0,67. В 10-11 лет показатель наследуемости частоты альфа-ритма был 0,78, а во взрослом возрасте—0,60. Таким образом, вклад генотипа в индивидуальные особенности частоты альфа-ритма относительно высок на разных этапах развития. Тем не менее сравнение показателей наследуемости не позволяет установить, идентичные или разные генетические влияния определяют межиндивидуальную изменчивость данного показателя в изученные периоды развития. Для установления генетически обусловленной преемственносги развития необходимо лонгигюдное исследование наследуемости параметров альфа-ритма.
Данный подход получил продолжение в последние годы в исследованиях, выполненных на значительно больших выборках близнецов и с привлечением современных методов генетико-статистического анализа. Наиболее представительной в этом плане является программа исследований, проводимых голландскими учеными.
В исследовании К. Ван Баал было установлено более высокое сходство МЗ близнецов по всем ритмическим составляющим спектра ЭЭГ (его абсолютной и относительной мощности) в полосах: дельта, тэта, альфа-1, альфа-2, бета-1, бета-2. Генетическая модель, включающая аддитивный генетический и уникальный (индивидуальный) средовый компоненты, объясняет индивидуальные различия как в абсолютной, так и в относительной мощности почти во всех спектральных полосах и во всех точках регистрации ЭЭГ. Оценка влияний систематической среды не проводилась. Наследуемость спектральных составляющих ЭЭГ по показателям большинства полос оказалась очень высокой. Влияния факторов пола обнаружено не было. Эти факты говорят о том, что в 5 лет индивидуальные особенности фоновой ЭЭГ в значительной степени обусловлены генотипом.
Несколько иные результаты были получены при исследовании генетической обусловленности трех субкомпонентов альфа по показателям спектральной мощности на близнецах 6-8 лет. Исследование генетической обусловленности трех субкомпонентов альфа-, проведенное на близнецах 6-8 лет методом подбора моделей, показало, что в этом возрасте индивидуальные различия спектральных характеристик низкочастотной составляющей обусловлены в основном аддитивными генетическими эффектами, а высокочастотной составляющей — эффектами систематической и случайной среды. Таким образом, функциональная неоднородность альфа-ритма в этом возрасте, видимо, имеет определенные генетические основания.
В рамках упоминавшейся выше голландской программы, т.е. с использованием тех же методов регистрации и способов анализа, проводилось изучение наследуемости спектральных характеристик ЭЭГ подростков 16 лет (91 пара МЗ и 122 пары ДЗ близнецов). Практически по всем показателям наблюдалось высокое сходство МЗ близнецов; коэффициенты внутриклассовой корреляции у них составили около 0,85, у ДЗ — в большинстве случаев в два раза меньше; коэффициенты наследуемости у подростков в среднем несколько выше, чем у 5-летних детей. Так, усредненный по всем отведениям коэффициент наследуемости составляет 0,90, лишь в дельта-диапазоне он несколько ниже — 0,75. Существенных межзональных различий не установлено. Как и в исследовании 5-летних близнецов, наиболее соответствующей оказалась простая генетическая модель.
К. Ван Баал с коллегами изучали также наследственные влияния в когерентности ЭЭГ, которая расценивается как показатель интенсивности связей, существующих между разными отделами мозга. Данные были получены при исследовании фоновой ЭЭГ у 167 пар МЗ и ДЗ близнецов 5 лет. Когерентность вычислялась в тэта-полосе 4,0-7,5 Гц, поскольку тэта-ритм в этом возрасте считается доминирующим ритмом ЭЭГ. Когерентность оценивалась между префронтальной, фронтальной, центральной, теменной и затылочной областями отдельно в каждом полушарии, причем в двух вариантах — для коротких и длинных расстояний. В первом случае оценка когерентности проводилась попарно для тэта-ритма префронтальной и фронтальной, префронтальной и центральной, центральной и затылочной, центральной и теменной, теменной и затылочной областей (расстояние между точками отведения 7—14 см). Во втором случае попарно сравнивался тэта-ритм фронтальной и затылочной зон, префронтальной и теменной, префронтальной и затылочной (расстояние между точками отведения 21—28 см).
Генетический анализ, проведенный методом подбора моделей, обнаружил значительные влияния генетических факторов во всех показателях когерентности. Наследуемость в широком смысле оказалась довольно высокой в разных вариантах сопоставления отведений. Средняя величина наследуемости составляла 49%, варьируя в диапазоне от 30 до 71%. При этом был установлен ряд интересных фактов, и прежде всего — различия в наследуемости для показателей когерентности, полученных на коротких и длинных расстояниях. Когерентность тэта-ритма для соседних отведений (например, префронтального и фронтального, теменного и затылочного) обнаружила значительно меньшую наследуемость по сравнению с когерентностью, характеризующей взаимосвязь далеко расположенных зон (префронтальной и затылочной, префронтальной и теменной). Этот факт представляется особенно существенным, если иметь в виду, что ретестовая надежность выше на коротких расстояниях: ее показатель варьирует от 0,91. Для соседних отведений до 0,62 для наибольшего расстояния.
Таким образом, хотя ошибка измерения возрастала по мере увеличения расстояния между отведениями, показатель наследуемости не только не становился ниже, а, напротив, увеличивался. Невысокая наследуемость когерентности в соседних отведениях в сочетании с высокой надежностью говорит о существенном вкладе среды в формирование когерентных отношений между тэта-активностью соседних зон. Что касается когерентности тэта-ритма на длинных расстояниях, есть все основания говорить о значительном вкладе генетических факторов в межиндивидуальную изменчивость по этим показателям. Причем генетический компонент здесь в основном формируется за счет доминантной составляющей, в то время как наследуемость когерентности близких отведений полностью определяется только аддитивными влияниями.
По-видимому, длинные аксональные связи между сенсорными проекционными и фронтальными областями в своем формировании больше зависят от генотипа, чем межнейронные связи в соседних зонах мозга.
В дальнейшем онтогенезе происходят существенные изменения в спектре ЭЭГ и когерентности. Закономерно возникает вопрос: как проявляют себя генетические влияния в этих показателях на следующих стадиях развития? Для того чтобы оценить природу межиндивидуальной изменчивости возрастных преобразований когерентности, те же авторы исследовали когерентность тэта-ритма у тех же близнецов по прошествии в среднем 1 года 7 месяцев после первой регистрации. 192 пары близнецов прошли повторное исследование в 7 лет. Общая схема регистрации ЭЭГ и подсчета когерентности в обеих возрастных группах совпадали, что обеспечивало возможность такого анализа.
Авторы ставили две задачи: во-первых, установить, увеличиваются ли с 5 до 7 лет генетические влияния в индивидуальных особенностях когерентности ЭЭГ, т.е. будет ли наследуемость по этим показателям в 7 лет выше, чем в 5, и, во-вторых, выяснить, включаются ли новые генетические влияния в 7 лет, или генетические эффекты опосредуются одними и теми же генами и в том, и в другом возрасте. Методом подбора моделей в межвозрастной вариативности и ковариации когерентности в 5 и 7 лет были выделены средовая и генетическая составляющие, общие для обоих возрастов и специфические для 7 лет. Динамика показателей наследуемости, генетического и средового (уникального для каждого члена пары) компонентов дисперсии представлена в табл. 18.3. Оказалось, что в 7 лет наследумость когерентности в передних отделах коры снизилась, а в задних, напротив, возросла (в том и другом случае в среднем на 10—15%). Средовый компонент дисперсии (влияния индивидуальной среды) с возрастом уменьшился.
Тенденция к увеличению наследуемости когерентности с возрастом подтверждается данными и другого исследования, в котором изучалась внутриполушарная когерентность у 213 пар близнецов подросткового возраста. Средний показатель наследуемости оказался несколько выше, чем в описанном исследовании, и составил 60%.
Межвозрастная преемственность генетических влияний оценивалась с помощью генетических корреляций. Напомним, что генетическая корреляция характеризует степень генетической общности, т.е. наличие общих или коррелятивно связанных генетических факторов, определяющих совместную межиндивидуальную изменчивость анализируемых пар признаков в каждой из возрастных групп.
Если бы генетические корреляции между показателями когерентности в 5 и 7 лет были равны 1,0, то это означало бы, что в обоих возрастах действуют полностью совпадающие генетические факторы. Равенство их 0 означало бы, что эффекты генов, действующих в 5 лет, к 7 годам полностью заместились новыми генетическими влияниями. Процент общей ковариации, объясняемой ковариацией генетических эффектов, колебался в пределах от 61 до 100%. Из этого следует, что хотя общие для двух возрастов генетические факторы объясняют большую часть дисперсии когерентности, наблюдаемой в 5 и 7 лет, тем не менее в 7 лет добавляются и новые генетические влияния.
Таким образом, в возрасте 5-7 лет не только характеристики локальной ЭЭГ, но и особенности системного объединения ЭЭГ разных зон коры больших полушарий испытывают на себе существенное влияние генотипа. Причем в обоих возрастах значительная доля генетической составляющей наблюдаемой дисперсии показателей, отражающих это объединение, является результатом действия общих генетических факторов.
Наследственная обусловленность типов ЭЭГ (исследования Фогеля Ф.)
Наличие устойчивых индивидуальных особенностей ЭЭГ позволяет ставить вопрос о выделении определенных типов ЭЭГ и вслед за этим — вопрос о роли факторов генотипа в происхождении данных типов.
Наиболее полное развитие указанное направление получило в работах Ф. Фогеля и его коллег. Для выяснения генетических основ межиндивидуальной вариативности ЭЭГ в этих исследованиях использовались близнецовый, генеалогический и популяционный методы. На больших контингентах испытуемых авторы выявили 6 паттернов ЭЭГ, в отношении которых в генеалогических исследованиях (более 200 семей) удалось установить главным образом простой аутосомно-доминантный тип наследования.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему