Dynamics of Respiratory Rate and Heart Rate Variability when Performing a Cognitive Task of Two Levels of Complexity

全文:

Мониторинг и непрерывная регистрация физиологических показателей во время реальных рабочих процессов может позволить оперативно получить информацию о динамике функционального состояния человека и объективно оценить субъективную сложность текущего задания [1]. Поведение человека, в том числе и профессиональное, представляет собой непрерывный процесс, в котором этапы с высокой когнитивной нагрузкой (более сложные задачи) чередуются с относительным функциональным покоем.

При этом при оценке деятельности человека внутри рабочего процесса важно учитывать не только психофизиологическое напряжение в начале и по завершении работы, но и физиологические затраты на промежуточных этапах деятельности. Однако в реальных условиях исследователю сложно разделить непрерывный рабочий процесс на отдельные этапы, так как нет явных маркеров, указывающих на то, что важная часть деятельности завершена. Поэтому одной из задач настоящей работы стало создание эталонной исследовательской модели процесса деятельности, в которую были включены равные по времени последовательные блоки задач с высокой когнитивной нагрузкой и периоды относительного покоя (отсутствие когнитивной нагрузки). При этом характер задач был привычен для испытуемых, и также позволял вести непрерывную запись физиологических показателей.

При выполнении задач, отличающихся по уровню сложности, физиологические показатели проявляют разную чувствительность. Наиболее информативными считаются показатели работы сердца и дыхания, а также их взаимодействие между собой [2]. Для изучения влияния когнитивной нагрузки на человека, которую можно определить как ресурс, требуемый для обработки информации при выполнении задачи [3], часто используются различные показатели вариабельности ритма сердца (ВРС), отражающие изменение различных регуляторных влияний в организме человека в процессе умственной деятельности. Как правило, для оценки такой нагрузки применяют частотный (спектральный), временно́й и, крайне редко, нелинейный методы анализа ритма сердца [4, 5].

Однако, в связи с тем, что сердце иннервируется обеими ветвями вегетативной нервной системы [6, 7] и на его работу оказывают воздействие различные экстракардиальные влияния [8], довольно сложно определить, какое из звеньев регуляции преобладает в данный момент на основании одних только показателей ВРС. Тем не менее общепринятыми считаются представления о том, что при выполнении тяжелой работы в регуляторных механизмах сердечной деятельности доминируют симпатические влияния, а в состоянии функционального покоя – парасимпатические [8, 9].

Измерение частоты сердечных сокращений (ЧСС) в процессе оценки умственной нагрузки используется наиболее часто. Так, отмечено, что ЧСС увеличивается при росте требований со стороны задачи [10], в ситуациях множественных задач [11] и при предъявлении дополнительной нагрузки на рабочую память [12]. Однако изменения ЧСС в зависимости от трудности задания позволяют достоверно различать только самый низкий и самый высокий уровни нагрузки [13].

В ряде работ указывается, что при увеличении сложности когнитивной задачи происходит снижение мощности как высокочастотного (HF), так и низкочастотного (LF) компонента спектра ритма сердца [13–15]. По современным представлениям мощность спектра ритма сердца, включая LF компонент, преимущественно обусловлена парасимпатическими влияниями [16] и частично барорецепторными механизмами [7, 17]. Таким образом, снижение спектральной мощности во время умственной нагрузки может отражать увеличение симпатических и/или уменьшение парасимпатических влияний на сердце [18].

По данным ряда авторов, количественные показатели ВРС могут быть примерно одинаковыми при различных паттернах изменений ритма сердца [19–21]. Известно, что на показатели ВРС, особенно на спектральные характеристики, значительное влияние оказывают параметры дыхания (в том числе степень выраженности дыхательной синусовой аритмии). Наличие тесных кардиореспираторных взаимодействий позволяет утверждать, что для правильной интерпретации результатов анализа ВРС (в первую очередь спектрального) необходимо учитывать частоту и паттерн дыхания при выполнении когнитивных задач. Для оценки взаимодействия ритма сердца и дыхания применяют различные параметры ВРС [22, 23]. Считается, что системные взаимодействия между активностью сердца и дыхания наиболее ярко проявляются в высокочастотном компоненте спектра ритма сердца – HF-волнах [24], которые также называют дыхательными волнами.

Среди измеряемых параметров дыхания (частота и амплитуда дыхательных движений, состав и объем выдыхаемого воздуха) в когнитивных исследованиях чаще всего используют частоту дыхания (ЧД) [25]. Выявлено, что этот показатель растет с увеличением сложности задания, например, на симуляторе диспетчерской деятельности при изменении объема и плотности трафика [26], а также при выполнении арифметических задач [27]. Однако при непрерывной и длительной умственной нагрузке ЧД увеличивается только в первые 30 мин наблюдения и далее не изменяется, что затрудняет использование этого показателя в исследованиях деятельности человека в реальных условиях [28]. Кроме того, ЧД входит в различные интегративные показатели, отражающие кардиореспираторные взаимодействия [29, 30].

Одним из примеров кардиореспираторных взаимодействий является предложенный еще в 80-х гг. интегративный показатель физиологической цены деятельности (ФЦД), включающий в себя относительные сдвиги ЧСС и ЧД во время выполнения заданий относительно периода покоя [31]. ФЦД отражает представление о процессе деятельности как о совокупности предыдущих промежуточных этапов – так называемых "системоквантов поведения" [32], и, как следствие, о достигнутых внутри этих этапов результатах. Данный подход был отражен в дизайне настоящего исследования: каждый блок заданий разделен на равные по времени промежутки когнитивной нагрузки и покоя. Физиологический смысл ФЦД представляет собой, так называемый вектор "обобщенного вегетативного сдвига" как совокупность отклонений показателей физиологических функций (в данном случае это ЧСС и ЧД) в процессе деятельности от фоновых значений (периодов относительного покоя) [33].

Таким образом, по-прежнему актуальна задача выявления периодов с бо́льшей или меньшей нагрузкой на человека в процессе деятельности, оценки физиологических затрат для достижения высокого результата, прогнозирования снижения результативности и/или перенапряжения систем регуляции. Несмотря на то, что многие считают параметры ритма сердца, дыхания, а также показатели их взаимодействия одними из наиболее удобных и чувствительных для оценки степени нагруженности деятельности, в литературе нет единого представления о том, какие из показателей ВРС и кардиореспираторных взаимодействий наиболее информативны в отношении различения когнитивной нагрузки по уровню сложности.

Целью данного исследования было изучение динамики ЧД и ВРС, а также интегративного показателя "физиологическая цена деятельности" при выполнении когнитивной задачи двух уровней сложности на примере чтения прямого и перевернутого текста.

МЕТОДИКА

В исследование были включены 18 здоровых добровольцев (10 женщин), средний возраст 20.7 лет (SD = 2.67), без заболеваний сердечно-сосудистой и дыхательной системы, системной гипертензии или других состояний в анамнезе, которые могли бы потенциально повлиять на показатели ВРС. Все участники были соматически здоровы, отрицали наличие вредных привычек и не имели неврологических проблем на момент исследования.

Исследование проводили в отдельной комнате в контролируемых условиях: в дневное время при постоянной температуре. Запись физиологических показателей осуществляли непрерывно во время всего исследования с помощью полиграфа фирмы ThoughtTechnology (Канада). Длительность исследования для одного испытуемого составляла 9 мин.

После инструктажа и закрепления фотоплетизмографического (ФПГ) и пневмографического датчиков начиналась непрерывная запись физиологических показателей, которая завершалась только по окончании исследования. Участникам предлагали последовательно выполнить три блока упражнений, состоящих из равных по времени (60 с) этапов: периода относительного покоя, простого задания и сложного задания. Общая схема эксперимента и пример записи физиологических показателей представлены на рис. 1.

 

Рис. 1. Схема исследования с примерами реальной непрерывной записи физиологических показателей в процессе выполнения задания двух уровней сложности. Кожная проводимость в данной работе не анализировалась.

 

В качестве простого когнитивного задания участники исследования выполняли упражнение на чтение текста в обычной ориентации (прямого текста), а в качестве сложного – чтение геометрически измененного (перевернутого на 180°) текста. Во время периода покоя участники смотрели на фотографию пейзажа на экране монитора. Тексты (шрифт Arial) предъявляли на мониторе 15ʹ c помощью программы Microsoft Power Point в режиме непрерывной автоматической презентации. Все тексты представляли собой описание природных достопримечательностей и были предварительно проверены на удобство чтения и простоту восприятия на ресурсе https://readability.io/. Внутри одного блока упражнений перевернутый текст был продолжением прямого текста, но на каждом из последующих блоков тексты различались. Ни один из участников исследования ранее не встречался с таким заданием, как чтение геометрически измененного текста.

Субъективную сложность задания оценивали с помощью самооценки после окончания исследования. Испытуемым предлагали отнести выполненное задание к одной из двух категорий: "сложное задание" или "простое задание". Объективную сложность задания оценивали по скорости чтения (количество слов в минуту) прямого и перевернутого текста.

Ритм сердца регистрировали при помощи ФПГ-датчика, закрепленного на большом пальце левой руки. Поскольку спектр ритма сердца, полученный в результате анализа пульсовой волны (ФПГ), сопоставим со спектром ритма сердца, полученным из записей ЭКГ, особенно у здоровых испытуемых в состоянии покоя [34, 35], для анализа ВРС можно использовать ФПГ-сигнал вместо ЭКГ. Таким образом, из "сырого" сигнала фотоплетизмограммы были выделены PP (pulse-to-pulse) интервалы при помощи программного обеспечения Biograph Infiniti. Затем ряд кардиоинтервалов обрабатывали тремя видами анализа ВРС (временно́й, спектральный и нелинейный) с использованием программного обеспечения Kubios HRV Standard (версия 3.5.0) [36].

В дальнейшем анализе использовали вычисленные показатели ВРС, а также параметры частоты абдоминального дыхания, зарегистрированные при помощи пневмографического датчика (табл. 1).

 

Таблица 1. Описание используемых показателей ВРС и ЧД

Показатели	Единицы измерения	Описание
HR	[уд./мин]	Частота сердечных сокращений (ЧСС)
SDNN	[мс]	Стандартное отклонение RR интервалов
RMSSD	[мс]	Квадратный корень из среднего квадрата разности значений соседних RR интервалов
pNN50	[%]	Число пар RR интервалов с разностью более 50 мс в % к общему числу RR интервалов в записи
LF%	[%]	Относительная мощность низкочастотных (0.04–0.15 Гц) составляющих спектра ритма сердца
HF%	[%]	Относительная мощность высокочастотных (0.15–0.4 Гц) составляющих спектра ритма сердца
LF n.u.	–	Мощность низкочастотного составляющего спектра ритма сердца в нормализованных единицах измерения
HF n.u.	–	Мощность высокочастотного составляющего спектра ритма сердца в нормализованных единицах измерения
LF/HF	–	Соотношение низкочастотных и высокочастотных волн в спектре ритма сердца
SD1	[мс]	На графике Пуанкаре стандартное отклонение перпендикулярно линии тождества
SD2	[мс]	На графике Пуанкаре стандартное отклонение вдоль линии тождества
SD1/SD2	–	Соотношение между SD2 и SD1
ApEn	–	Приблизительная энтропия
SampEn	–	Выборочная энтропия
ЧД	раз/мин	Частота дыхания (абдоминальный датчик)

 

В качестве интегративного показателя, связывающего параметры сердечной деятельности и дыхания, использовали показатель ФЦД [31]. Расчет ФЦД (ρ, %) производили по следующей формуле:

ρ = √ σЧСС² + σЧД², (1)

где σЧСС = 100% × (ЧССн – ЧССфон) / ЧССфон; σЧД = 100% × (ЧДн – ЧДфон)/ ЧДфон (ЧССн – частота сердечных сокращений при нагрузке; ЧССфон – частота сердечных сокращений в покое).

Физиологические показатели во время чтения оценивали относительно предшествующего состояния участников исследования. Относительные изменения показателей рассчитывали по следующей формуле:

Х = (Х_n - Х₀)/ Х₀, (2)

где X_n – значение текущего показателя, а X₀ – значение показателя в предшествующем состоянии (покой или простое задание) для данного испытуемого.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Упражнение "чтение перевернутого на 180° текста" все испытуемые (n = 18) оценили как "сложное задание". Субъективная оценка сложности была подтверждена объективными показателями скорости чтения: средняя скорость чтения простого текста составила 135 слов/мин (SD = 16.78); средняя скорость чтения перевернутого текста составила 54 слова/мин (SD = 23.98), p < 0.01).

В связи с небольшим объемом выборки для оценки статистических различий между значениями ВРС и ЧД во время покоя и выполнения когнитивных заданий использовался непараметрический ранговый критерий Уилкоксона (уровень статистической значимости (p) принимали равным 0.001 и 0.05).

Изменения временны́х показателей ВРС. Во время выполнения как сложного, так и простого задания, SDNN, RMSSD, pNN50 уменьшались относительно предыдущего периода покоя, а ЧСС увеличивалась (табл. 2). При этом уровня статистической значимости во всех блоках исследования достигают только показатели ЧСС. Изменения SDNN достоверно отражали отличия простого задания от периода покоя в двух первых блоках, а в третьем блоке измерений показывали отличия сложного задания от состояния покоя. Показатели RMSSD и pNN50 во втором блоке исследования значимо различались в простом задании относительно периода покоя.

 

Таблица 2. Изменение показателей ВРС и ЧД при выполнении простого и сложного упражнения

Показатель		Блок 1			Блок 2			Блок 3
		Фон	Просто	Сложно	Фон	Просто	Сложно	Фон	Просто	Сложно
ЧД	M m	13.246 ±0.244	13.214 ±0.225	13.161*, # ±0.219	13.157 ±0.231	13.111* ±0.229	13.081* ±0.224	13.059 ±0.239	13.053 ±0.230	13.044 ±0.219
ЧСС	M m	83.889 ±2.460	96.444* ±3.098	91.333*, # ±2.498	80.889 ±2.373	90.222* ±2.852	90.944* ±2.605	82.611 ±2.471	86.444 ±3.181	89.500* ±2.694
SDNN	M m	58.467 ±5.848	46.478* ±6.825	55.317 ±6.205	64.850 ±6.427	48.894* ±5.697	57.894 ±7.676	63.544 ±7.683	53.611 ±5.664	50.256* ±5.687
RMSSD	M m	49.289 ±6.038	45.506 ±8.223	52.800 ±7.273	56.006 ±7.073	41.794* ±5.761	52.039 ±8.273	55.144 ±7.844	45.822 ±6.226	48.172 ±6.813
pNN50	M m	23.697 ±4.405	18.344 ±5.059	23.081# ±4.455	26.522 ±4.076	17.241 ±3.818	21.351 ±4.842	23.797 ±4.255	18.282 ±3.739	19.804 ±4.163
LF%	M m	54.805 ±4.033	56.612 ±3.337	62.877 ±3.188	56.644 ±3.769	52.345 ±4.174	61.053 ±3.957	61.105 ±3.596	54.712 ±3.859	54.224 ±4.736
HF%	M m	37.689 ±4.864	36.857 ±4.002	30.219 ±2.775	35.564 ±3.441	38.359 ±4.941	34.352 ±3.792	32.869 ±3.763	38.468 ±4.469	41.061 ±4.803
LF n.u.	M m	59.839 ±4.790	60.963 ±3.909	67.294 ±3.039	60.981 ±3.693	58.469 ±4.936	63.861 ±4.067	65.084 ±3.891	59.145 ±4.496	56.813 ±5.078
HF n.u.	M m	40.052 ±4.791	38.932 ±3.908	32.676 ±3.039	38.979 ±3.687	41.469 ±4.923	35.579 ±4.305	34.867 ±3.883	40.812 ±4.488	43.099 ±5.067
LF/HF	M m	2.360 ±0.530	2.135 ±0.383	2.573 ±0.392	2.057 ±0.350	2.220 ±0.494	2.537 ±0.496	2.730 ±0.567	2.045 ±0.375	2.139 ±0.479
SD1	M m	35.153 ±4.563	31.841 ±6.180	35.706 ±5.039	39.988 ±5.353	28.765* ±4.230	34.018 ±5.365	37.688 ±5.682	32.576 ±4.704	33.218 ±5.022
SD2	M m	74.776 ±7.780	57.159* ±8.439	67.518# ±8.106	82.094 ±8.382	61.000* ±7.563	67.812 ±8.728	79.135 ±10.131	67.871 ±7.264	61.224* ±7.179
SD1/SD2	M m	2.349 ±0.166	2.078 ±0.137	2.087 ±0.147	2.263 ±0.130	2.368 ±0.166	2.165 ±0.118	2.291 ±0.137	2,252 ±0.113	2.035# ±0.152
ApEn	M m	0.543 ±0.021	0.607* ±0.021	0.604 ±0.021	0.542 ±0.016	0.592* ±0.018	0.603* ±0.025	0.556 ±0.018	0.588 ±0.023	0.581 ±0.017
SampEn	M m	1.582 ±0.059	1.570 ±0.060	1.629 ±0.077	1.566 ±0.078	1.541 ±0.146	1.460 ±0.093	1.539 ±0.073	1.550 ±0.059	1.645 ±0.135

Примечание: М – среднее арифметическое, м – ошибка среднего, ^* – сравнение с предыдущим фоном, ^# – сравнение сложного с простым. Достоверные значения выделены жирным шрифтом. Уровень статистической значимости (p) принимали равным 0.05 и 0.001.

 

При сравнении простого и сложного этапов между собой можно отметить, что ЧСС уменьшалась во время выполнения сложного задания в первом блоке и увеличивалась во втором и третьем блоке исследования относительно простого задания. Показатели SDNN, RMSSD и pNN50 увеличивались во время выполнения сложного задания по сравнению с простым. Уровня статистической значимости изменения временны́х показателей ВРС при сравнении сложного и простого заданий достигали только при первом предъявлении когнитивной нагрузки.

Изменения показателей спектрального анализа ритма сердца. В настоящем исследовании показатели спектрального анализа ритма сердца не достигли статистической значимости при изменении сложности задания, поэтому при их описании можно лишь говорить о проявленных тенденциях. Так, мощность низкочастотного компонента спектра ритма сердца (LF%) во время чтения как простого, так и перевернутого текста увеличивалась относительно периода покоя в первом блоке измерений, а мощность высокочастотного (HF%) уменьшалась (табл. 2). Однако далее LF% при выполнении простого задания во втором и третьем блоке, а также сложного в третьем блоке уменьшалась. Показатель HF% изменялся противоположным образом. Мощности низкочастотного и высокочастотного составляющих спектра ритма сердца в нормализованных единицах (LF n.u. и HF n.u.) изменялись аналогичным образом. Отношение LF/HF значительно уменьшалось в первом блоке во время выполнения простого упражнения относительно предыдущего периода покоя, и увеличивалось во время выполнения сложного задания. Во втором блоке отношение LF/HF росло относительно покоя при чтении как прямого, так и перевернутого текста, а в третьем блоке снижалось.

При сравнении простого и сложного задания между собой LF% и LF/HF росли во время чтения сложного текста во всех трех блоках исследования, а LF n.u. во время первого и второго блока. Мощность HF% увеличивалась в третьем блоке, а HF n.u. во втором и третьем блоке во время выполнения сложного задания.

Изменения нелинейных показателей ВСР. Показатель ширины облака Пуанкаре SD1 в первом блоке предъявления нагрузки при выполнении сложного задания увеличивался относительно предыдущего периода покоя (табл. 2), на всех остальных участках уменьшался (статистически значимо во втором блоке). Показатель длины облака Пуанкаре SD2 уменьшался при когнитивной нагрузке на протяжении всей записи, но статистической значимости этот тренд достигал в первом и втором блоках исследования при сравнении простого задания и периода покоя и в третьем блоке исследования при сравнении сложного задания с покоем. Отношение SD2/SD1 уменьшалось при чтении во всех блоках кроме второго, но значимости не достигало. Аппроксимированная энтропия ритма сердца (ApEn) росла во всех блоках (значимо в первом блоке при сравнении простого задания и этапа покоя и во втором блоке при выполнении всех заданий по сравнению с периодом покоя). Выборочная энтропия ритма сердца (SampEn) росла в первом и третьем блоке исследования при сравнении всех видов нагрузки с покоем, а во втором блоке падала, однако указанные изменения не достигали уровня статистической значимости.

При сравнении простого и сложного задания между собой значения SD1 и SD2 увеличивались во всех блоках, кроме третьего для SD2. ApEn уменьшалась, а SampEn росла в первом и третьем блоке. Статистической значимости изменения энтропии не достигали.

Изменения частоты дыхания. ЧД при выполнении сложного задания значительно снижалась относительно предыдущего периода покоя во время всех блоков исследования, достигая значимости в первом и втором блоках (табл. 2). При сравнении простого и сложного заданий между собой отмечалось статистически значимое уменьшение ЧД при чтении перевернутого текста по сравнению с обычным текстом в первом блоке исследования.

Изменения физиологической цены деятельности. В связи с тем, что ни один из измеренных физиологических параметров не показал статистических значимых различий между простым и сложным заданием во время всех блоков исследования, нами был применен интегративный показатель, связывающий ЧСС и ЧД – ФЦД (по С.Я. Классиной и Н.А. Фудину) [31]. На рис. 2 представлено сравнение значений ФЦД при чтении прямого текста (простое задание) и перевернутого на 180° текста (сложное задание).

 

Рис. 2. Физиологическая цена выполнения простого и сложного задания. Использован непараметрический ранговый критерий Уилкоксона. Уровень статистической значимости (p) принимали равным 0.05.

 

От блока к блоку наблюдалось последовательное снижение ФЦД, однако значение этого показателя при выполнении сложных заданий (чтение перевернутого текста) достоверно выше, чем при выполнении простых (чтение прямого текста). Эта разница демонстрировала статистическую значимость на протяжении всех блоков исследования.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В данной работе изучался вопрос о значимости изменений широкого перечня показателей ВРС (полученных по результатам временно́го, спектрального и нелинейного анализа), параметров дыхания и интегрального показателя (ФЦД), включающего в себя сдвиги как по ЧСС, так и по ЧД в процессе деятельности относительно предыдущего исходного состояния при изменении сложности когнитивного задания. В исследовании сложность задания моделировалась изменением ориентации текста – переворачиванием его на 180°.

Сложность деятельности определялась как по субъективному показателю (самооценка испытуемых после выполнения задания), так и по объективной оценке скорости чтения. На основании литературных данных можно было ожидать, что увеличение сложности будет значимо отражаться в изменении временны́х, нелинейных и, в особенности, частотных характеристиках ВРС. Однако наиболее чувствительными к изменению умственной нагрузки в настоящем исследовании оказались такие показатели временно́го анализа ВРС, как SDNN и RMSSD, которые статистически значимо уменьшались при увеличении сложности когнитивного задания. Кроме того, нами было отмечено увеличение ЧСС. Полученные результаты согласуются с описанными ранее данными [10–12] и могут быть связаны со снижением парасимпатического тонуса при увеличении нагрузки [18]. Кроме того, на некоторых этапах наблюдались изменения нелинейных показателей ВРС, отражающих неравномерную динамику ритма сердца во время нагрузки [37]. При этом не было отмечено статистически достоверных изменений частотных (спектральных) характеристик ВРС, которые наиболее часто используются в когнитивных исследованиях [38]. Так, например, в работе О.С. Глазачева и др. [39] показано, что моделирование психоэмоционального напряжения в виде устного счета приводило к значимому росту ЧСС, снижению значения моды кардиоинтервалов, увеличению амплитуды моды, росту мощности VLF-компонента спектра ритма сердца, уменьшение мощности HF-волн и росту отношения LF/HF, что авторы интерпретируют как рост симпатоадреналовой активации. Однако в данной работе нагрузка не дифференцировалась по уровню сложности. Результаты нашего исследования также демонстрируют значимый рост ЧСС, снижение ЧД, снижение показателей временно́го анализа ВРС, рост энтропии сердечного ритма, однако отсутствуют значимые изменения в спектральных характеристиках при выполнении задания на чтение (табл. 2). При этом различить более простое и более сложное задание в процессе деятельности оказалось возможно не по всем проанализированным показателям ВРС.

ЧД на сложных этапах когнитивного задания демонстрировала тенденцию к снижению относительно периода покоя, что отличается от динамики данного показателя при физической нагрузке [31] и не всегда согласуется с предыдущими исследованиями, в которых показано, что периоды умственной нагрузки характеризуются учащенным дыханием и более высокой минутной вентиляцией легких [25]. Однако статистической значимости снижение ЧД в нашем исследовании не достигало.

Можно предположить, что подобная динамика показателей ВРС и ЧД во время чтения прямого и перевернутого текста указывает на то, что "сложность" задания в нашем случае являлась недостаточной для выраженных сдвигов функционального состояния, которые в свою очередь можно было зафиксировать доступными способами. Однако динамика показателя ФЦД позволяет выявить различия в физиологическом обеспечении выполнения простого и сложного задания. В основе количественной меры данного показателя лежат относительные сдвиги значений ЧСС и ЧД [31, 40], но следует учитывать, что ранее он использовался в изучении физической нагрузки, у спортсменов в работе "до отказа" и продемонстрировал свою информативность в этой области. В исследованиях когнитивных функций и умственной нагрузки этот показатель был применен впервые. Понятие "физиологическая цена" (ρ, %) рассматривается как обобщенная мера перестроек вегетативных функций в процессе достижения этапного результата деятельности [41, 42], что позволяет предположить ее информативность для оценки физиологических затрат не только при физической, но и при умственной деятельности, что было продемонстрировано в настоящем исследовании.

ФЦД статистически значимо увеличивалась при переходе от покоя к выполнению простого задания, и далее росла при переходе к сложному заданию в каждом экспериментальном блоке (первое, второе и третье чтение). При первом чтении ФЦД была максимальна, что можно объяснить мобилизацией и ориентировочной реакцией испытуемого на новое для него упражнение. Далее (от первого блока к последующим) ФЦД снижается, что может являться отражением привыкания испытуемого к выполняемой нагрузке. Однако при выполнении как первого, так и последующих заданий имеется значимое отличие значения физиологической цены простого и сложного упражнения по сравнению с предыдущим периодом покоя.

Организация экспериментальной части исследования в виде трех последовательных блоков чтения прямого (простое задание) и перевернутого (сложное задание) текста с предварительным периодом покоя позволило выявить не только непосредственные изменения физиологических показателей при переходе от покоя к выполнению задания, но и динамику при повторном чтении. Выраженные изменения в первом блоке, очевидно, отражают ориентировочную реакцию в виде выраженной мобилизации ресурсов вне зависимости от сложности выполняемой задачи. При последующих заданиях (блок 2 и блок 3) происходит формирование новой функциональной системы физиологического обеспечения как привычного простого задания (чтение текста обычной ориентации), так и непривычного действия (чтение перевернутого текста). В результате можно наблюдать уменьшение признаков неспецифической активации и возможность различить более простое и более сложное задание по физиологическим сдвигам. Сходную динамику мы наблюдали в предыдущем исследовании при анализе кожной проводимости, которая, в отличие от сложной регуляции сердечного ритма, зависит только от симпатических влияний [43]. На такой же модели чтения было продемонстрировано, что средние значения кожной проводимости при первом чтении значимо отличались от фона как при простом, так и при сложном задании. На последующих этапах значимо от предыдущего фона отличались показатели во время сложного чтения (перевернутый текст), а между собой простое и сложное предъявление текста значимо отличалось по показателю кожной проводимости все три раза последовательного предъявления нагрузки [43]. То есть можно предположить снижение симпатической активации по мере угасания ориентировочной реакции и последующей адаптации к задаче, но сохранение роста напряжения при выполнении более сложного задания по сравнению с более простым.

Не вызывает сомнений, что уровень напряженности физиологических систем при выполнении той или иной деятельности и, соответственно, ее физиологическая цена находит свое отражение в регистрируемых показателях состояния физиологических систем организма. Еще в 90-х гг. в работах С.К. Судакова отмечалось, что наиболее информативными, неинвазивными и легко регистрируемыми показателями функционального состояния человека являются ритм сердца, параметры дыхания, а также их взаимодействие между собой, в частности кардиореспираторная синхронизация [2]. Однако параметры дыхания (в частности его частота) в исследованиях редко учитывают. В отдельных работах используют индекс Хильдебрандта – отношение частоты сердечных сокращений к частоте дыхания (ЧСС/ЧД) [29, 30, 44]. В нашем исследовании был использован показатель ФЦД, поскольку данный интегральный показатель включает в себя ЧСС и ЧД не только в фоне, но и во время выполнения заданий [31]. Физиологический смысл значения данного показателя состоит в том, что он является количественной мерой интенсивности изменений, происходящих в функциональной системе в процессе достижения полезного приспособительного результата, т.е. его физиологической ценой [33].

Таким образом, при анализе изменений ФЦД было установлено, что этот индекс позволяет достоверно выявлять различия между сравнительно простой и более сложной когнитивной нагрузкой в модели чтения прямого и перевернутого текста на всех этапах исследования независимо от угасания ориентировочной реакции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном исследовании продемонстрировано, что из всех проведенных трех видов анализа ритма сердца только единичные показатели позволяют различить простое и сложное задание. Следовательно, можно утверждать, что использование только одного метода анализа ритма сердца (в частности, спектральных характеристик) при оценке когнитивной деятельности без учета результатов других видов анализа ВРС (временно́го и нелинейного), а также параметров дыхания может привести к неверной интерпретации результатов из-за отсутствия динамики при незначительных изменениях характера нагрузки.

При изучении изменений физиологического состояния человека в процессе выполнения непрерывной и неравномерной по сложности деятельности более информативными представляются интегральные индексы, включающие в себя показатели работы нескольких систем организма. В данном исследовании была продемонстрирована возможность применения показателя "физиологическая цена деятельности" (по С.Я. Классиной и Н.А. Фудину), включающего в себя изменения ЧСС и ЧД, в качестве объективного индикатора сложности когнитивной задачи на примере чтения прямого и перевернутого текста.

Соблюдение этических стандартов. Все исследования проводились в соответствии с принципами биомедицинской этики, изложенными в Хельсинкской декларации 1964 г. и последующих поправках к ней. Они также были одобрены локальным биоэтическим комитетом НИИ Нормальной физиологии им. П.К. Анохина (Москва), протокол № 38/1 от 11.05.2023 г.

Каждый участник исследования дал добровольное письменное информированное согласие после получения разъяснений о потенциальных рисках и преимуществах, а также о характере предстоящего исследования.

Конфликт интересов. Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

作者简介

E. Kriklenko

Federal Research Center for Innovative and Emerging Biomedical and Pharmaceutical Technologies

编辑信件的主要联系方式.
Email: kriklenko_ea@academpharm.ru
俄罗斯联邦, Москва

A. Kovaleva

Federal Research Center for Innovative and Emerging Biomedical and Pharmaceutical Technologies

Email: kriklenko_ea@academpharm.ru
俄罗斯联邦, Москва

参考

补充文件