ПСИХОФИЗИОЛОГИЯ И БИОХИМИЯ ИНТЕЛЛЕКТА

Хотя Ф.Гальтон и предположил, что физиологические показатели окажутся пригодными для измерения интеллекта, он был вынужден прибегать к таким непрямым методам, как измерение времени реакции, поскольку в XIX в. техника электрофизиологических измерений не была еще разработана. В последние годы было предпринято много попыток использовать фундаментальные физиологические показатели для измерения интеллекта; наиболее простым из них можно считать кожно-гальваническую реакцию (КГР). Последняя рассматривается как мера возбуждения коры головного мозга, активированной ретикулярной формацией; как обнаружил В.Бастендорф [7], КГР весьма тесно коррелирует с IQ, измеренным по шкалам Векслера. В исследовании В.Бастендорфа участвовали 6 групп детей 9 и 12 лет; каждая из групп была разбита на подгруппы отстающих в развитии, нормальных и выше нормы. IQ для этих подгрупп составлял соответственно 70, 100 и 132 для девятилетних и 71, 100 и 130 для двенадцатилетних детей. Средние значения ладонного сопротивления, полученные с использованием довольно произвольной шкалы, составляли 34, 38 и 57 для девятилетних и 48, 63 и 75 для двенадцатилетних; для каждой возрастной группы цифры ладонного сопротивления увеличивались вместе с ростом IQ. Результаты исследования показывают, что ладонное сопротивление растет с возрастом и с повышением уровня интеллекта. Можно предположить, что зависимость между умственным возрастом и сопротивлением будет еще более выраженной, чем между сопротивлением и IQ. Как бы то ни было, имеет место статистически достоверная (р<0,01) зависимость между КГР и интеллектом, предполагающая существование некоторого биологического субстрата для IQ. В.Бастендорф интерпретировал полученные им результаты как согласующиеся с заключением Д.Векслера о том, что «любое работающее определение интеллекта должно в основе своей быть биологическим» [104].

Скорость передачи нервного сигнала, казалось бы, также подходит на роль такого показателя, если учесть, что различия в скорости проводимости у детей и взрослых, а также у зародышей, недоношенных или родившихся в срок младенцев достоверно установлены [19], [24], [46], [100], а методология разработана [62]. Тем не менее существуют некие затруднения в измерении [108], и по той или иной причине в литературе отсутствуют данные о серьезных исследованиях связи скорости передачи нервного сигнала и IQ. Эта область еще ждет своего изучения.

Гораздо чаще имеют место попытки использовать ЭЭГ, чтобы найти физиологические корреляты интеллекта. Ранние работы по этой тематике были включены в обзоры Р.Эллингсона [25] и В.Фогеля и Д.Бровермана [102]; противоречивые выводы, к которым они пришли, подчеркивают трудность достижения бесспорного результата в этой области. Более недавней работой является обзор Д.Освальда и Е.Рота [75], где также подчеркиваются большие разночтения полученных результатов. Как считает Т.Гассер с соавт. [48], причина этих расхождений может лежать в неадекватных подходах, характерных для ранних работ. Так, отмечаются разнородность выборок по признаку IQ (например, включение в них умственно отсталых лиц); недостаточность или недостоверность количественных характеристик электроэнцефалографической активности; рассмотрение только альфа-ритма (или даже лишь его частоты) и последующих девиаций; наконец, все данные работы построены на визуальном анализе. К недостаткам также следует отнести разнородность групп по возрасту:

поcкольку существуют возрастные изменения ЭЭГ, полученные корреляции могут быть искажены за счет этого. Наконец, еще одно немаловажное обстоятельство: измерения интеллекта также были неадекватны — некоторые работы не удовлетворяют общепринятым стандартам, например, не выдерживается принцип соответствия тестов группам с разным уровнем IQ или разного возраста.

Обзор [48] — пример того, как следует делать такого рода работы. Авторы сформулировали четыре предсказания: (1) существует небольшая, но достоверная связь между ЭЭГ в покое и IQ у нормальных детей; (2) эта корреляция более выражена для пограничных случаев умственной отсталости у детей; (3) корреляция связана с созреванием мозга: дети, более зрелые по параметрам ЭЭГ, в среднем имеют более высокие значения IQ; более того, ожидается рост корреляций для тех полос частот и отведении, на которых отражаются возрастные изменения [49]; (4) распределение частот ЭЭГ имеет большее значение для величины корреляции, чем топографическое распределение [50].

Т.Гассер и соавт. исследовали две группы детей — экспериментальную, куда входили 25 детей с умеренной задержкой умственного развития и IQ между 50 и 70, и контрольную из 31 нормального ребенка. При анализе ЭЭГ в основном использовались спектральные параметры широкой полосы частот, а также частота доминантного пика (P_Z, O₁, 0₂) между 6,5 и 14,0 Гц. Как и было предположено, корреляции оказались значительно выраженное для детей с задержкой развития; кроме того, была обнаружена интересная закономерность для более высоких значений корреляции: дети, более развитые, чем их показатели ЭЭГ, имели более высокие средние показатели IQ. Более того, корреляции были велики для тех полос частот и, хотя и в меньшей степени, для тех отведении, по которым при предыдущем обследовании было выявлено значимое развитие. Коэффициент корреляции для соответствующих параметров составил 0,5 — 0,6, что предполагает значительную конгруэнтность параметров ЭЭГ и IQ.

Рис.10. График вызванного потенциала

В последнее время больше внимания, чем анализу ЭЭГ в покое, уделяется изучению параметров связанных с событием потенциалов, — условной негативной вариации (УНВ) и усредненных вызванных потенциалов (УВП). Последние как показатель уровня интеллекта были предложены Дж.Эртлом [26], [27], [28]. Рис.10 изображает диаграмму отрицательных и положительных волн на ЭЭГ, возникающих вслед за воздействием простого сенсорного стимула в точке А. До этой точки ЭЭГ отражает обычную активность мозга; после нее наблюдается всплеск, а примерно через 1000 миллисекунд волны затухают. При исследованиях обычно ограничиваются анализом графика за первые 250 или около того миллисекунд. Обзор работ в этой области содержится в [17] и [36]. Основными параметрами, анализируемыми при изучении УВП, являются латентный период, амплитуда и изменчивость. Поскольку отношение сигнала к уровню шума невелико, возникает необходимость усреднения большого числа предъявлений стимула (подобно тому, как это происходит при измерении времени реакции). Результирующий график отражает усредненную изменчивость, являющуюся важнейшим стабильным показателем для данного индивида;

усредненная изменчивость отражается на измерениях как амплитуды, так и латентного периода — большая изменчивость ассоциируется с большим латентным периодом и меньшей амплитудой.

По мере того как ребенок растет, изменчивость, как и латентный период, уменьшается, а амплитуда увеличивается. Это предполагает, в соответствии с принципами, впервые выдвинутыми А.Бине, что умственный возраст и IQ должны положительно коррелировать с амплитудой и отрицательно — с латентным периодом и изменчивостью; это и является основным фактом, обнаруженным при исследованиях на детях. Коэффициенты корреляции обычно невысоки и составляют 0,2 — 0,4, однако существовавшие ранее сомнения в воспроизводимости результатов, полученных Дж.Эртлом, оказались неосновательными [92], [56].

Рассмотренные выше ранние работы, использовавшие визуальные и слуховые стимулы, не были объединены единой гипотезой. Более поздние исследования предложили ряд такого рода гипотез, а результаты демонстрируют гораздо более высокую корреляцию с IQ. Первая парадигма содержалась в работе А. и Д.Хендриксон [59]; теоретическая ее часть была изложена в работе [57] А.Хендриксон, а экспериментальное исследование осуществлено Д.Хендриксон [58]. Общая теория, на которой базируется данная модель, касается биологических факторов, определяющих обработку когнитивной информации, и слишком сложна и специальна для изложения здесь. В том же, что касается ее приложения к проблеме интеллекта, дело сводится к следующему: при обработке информации корой головного мозга происходят ошибки, возможно, на уровне синапсов, и чем выше склонность индивида к такого рода ошибкам, тем ниже его IQ. Измерение таких ошибок не может, конечно, выполняться напрямую, но возможно измерить два следствия частого возникновения ошибок: большую изменчивость усредненных вызванных потенциалов и меньшую сложность следов УВП. Из теории следует, что два этих показателя связан между собой и могут быть объединены УВП-характеристику интеллекта: для этого нужно первый из них вычесть из второго (вычитание необходимо потому, что изменчивость отрицательно коррелирует с IQ, а сложность следов — положительно).

Рис.11. Вызванные потенциалы 6 детей с высоким и 6 детей с низким уровнем интеллекта

Рис. 11 демонстрирует типичные графики УВП 6 детей с высоким уровнем интеллекта и 6 — с низким. Различия в сложности волн очевидны. Мера сложности часто именуется «шнуровой» мерой, поскольку на стадии разработки модели вдоль графика прокладывался шнур, затем его длина измерялась: она давала грубую, но наглядную оценку степени сложности. Впоследствии для обработки данных были привлечены анализ Фурье и другие более сложные математические методы.

Результаты тестирования 219 школьников в возрасте 15 лет, образуют более или менее случайную выборку сравнения данных оценки УВП и векслеровской шкалы интеллекта показали наличие корреляции между последними: коэффициенты корреляции были 0,72, -0,72 и 0,83 — для сложности, изменчивости

и объединенного показателя УВП (см. таблицу).

Таблица

Корреляция между характеристиками усредненных вызванных потенциалов (изменчивости, сложности и объединенного показателя) с субтестами векслеровской шкалы интеллекта

Исследование [12] также подтверждает наличие выраженной зависимости между характеристиками УВП и IQ (в этом случае применялись матрицы Равена). Согласно работе [53], интенсивность стимула важна для определения величины зависимости. Д.Робинсон [85] также сообщает об успешном воспроизведении эксперимента. Если общий фактор, выведенный из интеркорреляций всех субтестов Векслера, — лучший показатель интеллекта, а объединенный показатель УВП также достоверно оценивает интеллект, то следовало бы ожидать, что факторная нагрузка на субтесты векслеровской шкалы интеллекта и коэффициенты корреляции субтестов с объединенным показателем УВП окажутся пропорциональными. Таблица включает фактически полученные результаты — как факторные нагрузки, так и коэффициенты корреляции с объединенным показателем УВП. Было обнаружено, что уточнение коэффициентов корреляции не особенно сказывается на факторных нагрузках: коэффициент Спирмена равен в одном случае 0,95, а в другом — 0,93. Пропорциональность, таким образом, оказывается почти полной; гипотеза о том, что УВП служит достоверным показателем интеллекта, получает сильную поддержку.

Отличную от описанной выше модель предложил Е.Шафер [89], [90]. Он использовал хорошо известный факт: существование когнитивной модуляции ЭЭГ, проявляющейся в тенденции неожиданных стимулов вызывать УВП гораздо больших амплитуд, чем те, которые соответствуют стимулам, природа и частота которых известны индивиду. Гипотеза Е.Шафера заключалась в том, что индивидуальные различия в модуляции амплитуды (когнитивная нервная адаптивность) должны соотноситься с индивидуальными различиями интеллекта. Физиологический базис этой закономерности, согласно гипотезе, заключается в нервной энергии, выражаемой через число нейронов, активизирующихся в ответ на стимул. Эффективно функционирующий мозг нуждается в меньшем числе нейронов для обработки известного стимула, в то время как новый, неожиданный стимул требует от мозга задействования большего количества нейронов.

Зная взаимоотношение между паттернами активности отдельного нейрона и наблюдаемыми УПВ коры головного мозга, проявление нервной энергии можно оценить по различиям в амплитудах УВП в зависимости от условий предъявления стимула. Измерения Е.Шафера базируются на концепции индивидуальной средней амплитуды. Таким образом, индивид с высокой нервной адаптивностью, характеризуемой заметно меньшими, чем средняя, амплитудами УВП в ответ на известный стимул и заметно большими, чем средняя, амплитудами УВП в ответ на неожиданный стимул, будет иметь высокие показатели интеллекта. В противоположность этому, у индивида с низкой нервной адаптивностью такая модуляция амплитуд окажется мало выраженной, и, соответственно, результаты тестирования интеллекта также окажутся невысокими.

Е.Шафером и его коллегами были исследованы две парадигмы. В первой из них ожидаемые (вызываемые испытуемым) стимулы противопоставляются неожиданным

(предъявляемым экспериментатором); во второй противопоставляются друг другу появляющиеся в начале и в конце эксперимента идентичные предъявляемые с одинаковым интервалом стимулы: гипотеза заключается в том, что эффект привыкания будет выше у испытуемых с высоким IQ, что приведет к более выраженному уменьшению амплитуды УВП. Обе гипотезы подтвердились с коэффициентом корреляции около 0,80 при корректировке размаха распределения способностей. Позднее Е.Шафером были получены корреляции между факторными нагрузками векслеровских субтестов и показателями УВП.

Существует много работ в этой области, и проанализировать их все в данной статье нет возможности, однако на одной из них необходимо остановиться из-за тех перспектив, которые открывает содержащийся в ней подход к научному изучению развития интеллекта. Д. и В.Молфезе [73] показали, что возможно методом потенциалов, связанных с событием, исследовать новорожденных менее чем через 36 часов после рождения и что показатели такого тестирования статистически значимо коррелируют с тестами на вербальный интеллект, проведенными тремя годами позже. Это исследование заслуживает того, чтобы быть воспроизведенным и расширенным.

Ясно, что данный обзор пока что носит редукционистский характер, рассматривая интеллект в той мере, в какой он проявляется в повседневной жизни (интеллект Б), переходя затем к психометрическому интеллекту и, наконец, предполагая, что базисом всех этих проявлений является биологический интеллект (интеллект А). Можно сделать еще один шаг дальше в этом же направлении и рассмотреть роль биохимических агентов, которые, возможно, определяют биологические рамки этой схемы.

Первой в этом качестве была рассмотрена глютаминовая кислота, значение которой было подчеркнуто Ф.Циммерманом и С. Россом [112], сообщившими, что скармливание молодым крысам с низким уровнем интеллекта глютаминовой кислоты приводило к значительному увеличению успешности преодоления ими лабиринтов. Другая группа исследователей, также из Колумбийского университета, сообщает о положительном воздействии глютаминовой кислоты на решение крысами общих задач на соображение [14]. Затем лечение глютаминовой кислотой было проведено с умственно отсталыми детьми; результаты его дают возможность предположить, что прием глютаминовой кислоты ведет к росту IQ, измеренному стандартным тестированием интеллекта. Однако не все исследования давали столь же обнадеживающий результат. Многие эксперименты на животных дали отрицательные результаты; возможно, первоначальный успех был достигнут благодаря тому, что глютаминовую кислоту получали крысы с низким уровнем интеллекта, так что эксперименты с животными среднего уровня интеллекта или выше среднего не имеют отношения к данной проблеме.

Эти эмпирические данные поддерживаются теоретическими соображениями. Ф.Циммерман и соавт. [111] предположили, что улучшение познавательных способностей может зависеть от благоприятного воздействия глютаминовой кислоты на определенные метаболические процессы, лежащие в основе нервной деятельности. Так, известно, что она играет важную роль в синтезе ацетилхолина, вещества, необходимого для различных электрических процессов, возникающих при передаче нервных импульсов. Было обнаружено, что скорость образования ацетилхолина может быть увеличена в 4-5 раз при добавлении глютаминовой кислоты в подвергнутый диализу экстракт из крысиного мозга [74]. Кроме того, было обнаружено, что концентрация глютаминовой кислоты в мозгу непропорционально высока по сравнению с концентрацией других аминокислот; она может служить респираторным субстратом мозга вместо глюкозы [103]. Наконец, Дж.Саури, экспериментируя на крысах, получил данные о том, что глютаминовая кислота оказывает большое влияние на кору головного мозга, понижая порог возбудимости.

Все эти результаты отчетливо показывают важность глютаминовой кислоты для мозгового метаболизма. Эффективность ее воздействия только на крыс с низким уровнем интеллекта заставляет предположить, что мозговой механизм последних в чем-то дефектен, а воздействие глютаминовой кислоты устраняет этот дефект; этим же объясняется и отсутствие эффекта в случае крыс со средним или выше среднего уровнем интеллекта: метаболизм их мозга нормален и не реагирует на глютаминовую кислоту. Это предположение подтверждается исследованиями препаратов мозга лиц, страдавших умственной отсталостью: было обнаружено, что такие ткани неспособны усваивать нормальные количества кислорода и углеводов. Другими словами, мозговой метаболизм лиц с задержками умственного развития был дефектен.

По непонятным причинам это многообещающее направление исследований не имело продолжения до последнего времени, когда появился ряд работ, посвященных выявлению эмпирических связей между биохимическими параметрами и результатами тестирования интеллекта. В.Вейс проанализировал многие из этих данных [105], [106], [107] и на их основании предложил теоретическую концепцию биохимического аналога «психической энергии» К.Спирмена [96]. Так, было найдено, что IQ коррелирует с активностью мозгового холина ацетилтрансферазы (коэффициент корреляции 0,81 [78]), ацетилхолинестеразы (коэффицент корреляции 0,35 [91]) и глютатионовой пероксидазы эритроцитов (коэффициент корреляции 0,58 [93]). Скорость церебрального метаболизма глюкозы также коррелировала с IQ (коэффициент корреляции 0,60 [23]). Эти исследования, несомненно, не имели целью выяснение физиологических основ функционирования нормального интеллекта: они должны были пролить свет на причины преждевременной сенильности и когнитивной недостаточности при болезни Альцгеймера, синдроме Дауна и болезни Паркинсона, а также механизмы старения; перечисленные заболевания могут рассматриваться как экстремумы непрерывного распределения. Но кроме этого, полученные зависимости с IQ нашли подтверждение для контрольных групп здоровых испытуемых [91], [23], [20], так что к ним следует относиться с уважением.

Теория, предложенная В.Вейсом, имеет определенное сходство с теорией Ф.Циммермана, рассмотренной выше. Как указывается в работе [107], обычно единственным источником энергии для мозга является глюкоза. Хотя на человеческий мозг приходится всего 2% веса тела, он потребляет примерно 20% всей расходуемой организмом энергии [63]. Хотя уровень потребления энергии мозгом высок, запасы энергоносителя в мозгу ничтожны, и мозг постоянно почти полностью зависит от непрерывного снабжения глюкозой через мозговое кровообращение [82]. В.Вейс утверждает, что было бы нарушением наиболее фундаментальных законов термодинамики, если бы индивидуальные различия в возможностях мозга не находили соответствия в энергетическом метаболизме. Этот довод подкрепляют результаты, полученные двумя исследовательскими группами М.Де Леона с соавт. и Р.Чейза с соавт. [23], [20]: коэффициент корреляции около 0,60 получен для значений местного мозгового метаболизма глюкозы и показателями по ряду тестов IQ, включая емкость памяти и скорость умственных действий — как в группе страдающих болезнью Альцгеймера, так и в контрольной группе. Благодаря позитронной томографии становится возможным определить расход глюкозы в миллиграммах на 100 г мозговой ткани в минуту. Учитывая при этом, что ни измерение IQ, ни измерение уровня метаболизма глюкозы не свободны от погрешности измерения, полученная корреляция должна оцениваться как весьма высокая; на основании полученных результатов можно сделать заключение о выраженной зависимости интеллекта и потребления мозгом глюкозы.

Доводы В.Вейса гораздо более подробны, чем изложенные выше, но здесь не место углубляться в сложную биохимическую дискуссию. Полученные результаты,

несмотря на все недостатки проведенной работы, говорят о желательности более широких исследований в том же направлении — на представительной выборке здоровых испытуемых с бо’льшим размахом распределения уровней интеллекта. Как бы то ни было, полученные данные достаточно впечатляющи: глюкоза, глютаминовая кислота и другие биохимические агенты, ответственные за энергетическое снабжение коры головного мозга и связанные с выработкой ней-ротрансмиттеров, по-видимому, играют ведущую причинную роль в интеллекте А, может быть, являясь источником той самой «психической энергии», которая служит биологическим субстратом спирмановского фактора g (общий интеллект). Эти поразительные открытия не означают завершения поиска, они говорят о том, что поиск не только идет, но и приводит к формулированию доступных экспериментальной проверке теорий.

Другой биохимической особенностью, связанной с умственной отсталостью, и в частности болезнью Альцгеймера, синдромом Дауна и гуамским паркинсонизмом, является хронический недостаток кальция [1], [5]. При всех трех заболеваниях симптомы исчезали, как только поступление кальция увеличивалось [43]. Есть свидетельства того, что эти болезни имеют общую этиологию — нехватку определенного химического элемента [47]. И.Деари и соавт. [22] предположили, что существует специфический механизм, посредством которого снижение умственных способностей и старческое слабоумие могут быть облегчены, а естественный процесс старения замедлен. Это — еще одно многообещающее направление исследований.