Функциональное состояние школьников 6-7 лет при когнитивной нагрузке

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ШКОЛЬНИКОВ 6-7 ЛЕТ ПРИ КОГНИТИВНОЙ НАГРУЗКЕ

И.А. Криволапчук1, М.Б. Чернова ФГБНУ «Институт возрастной физиологии РАО», Москва

Установлено, что у детей 6-7 лет психофизиологическая цена когнитивной деятельности, реализуемой в комфортном режиме ниже, чем при нагрузке в максимальном темпе. Сопоставление индивидуальных сдвигов функционального состояния (ФС) на нагрузку позволило выявить у детей рассматриваемой возрастной группы два типа вегетативного реагирования. Первый тип - реагирование по симпатическому типу, второй - реагирование по парасимпатическому типу. Обнаружено, что девочки существенно превосходили мальчиков по эффективности когнитивной деятельности.

Ключевые слова: функциональное состояние, когнитивная деятельность, режимы работы, типы вегетативного реагирования.

Functional state of 6-7-year-old school children under cognitive load. It was found that in children at the age of 6-7 years old the psychophysiological "cost" of cognitive activity performed at normal pace is lower than when performed at maximum speed. The comparison of individual shifts of the functional state (FS) revealed two types of autonomic response in children. The first type is of the sympathetic type, the second one is of the parasympathetic response type. It was found that girls were significantly superior in the efficiency of cognitive activity in comparison to boys.

Keywords: functional state, cognitive activity, modes of operation, types of auto-nomic response.

В системе наук, связанных с изучением психолого-педагогических и медико-биологических аспектов учебной деятельности школьников, одной из важнейших является проблема диагностики, предупреждения и эффективной коррекции неблагоприятных изменений функционального состояния (ФС), возникающих в процессе адаптации к образовательной среде [10, 11, 18, 21, 22, 23]. Данная проблема, несмотря на ее теоретическую и практическую значимость, а также многолетнюю историю изучения, по-прежнему, остается малоисследованной [16, 19]. В частности, существует серьезный дефицит эмпирических данных относительно доступных критериев диагностики ФС школьников при когнитивной нагрузке. В этой связи необходимо подчеркнуть, что особенно важно проводить оценку ФС детей в условиях повышенных когнитивных нагрузок в начальный период их адаптации к образовательной среде.

Цель исследования - анализ изменений ФС мальчиков и девочек 6-7 лет при когнитивной нагрузке различной степени напряженности.

Контакты:1 Криволапчук И.А. - E-mail: <i.krivolapchuk@mail.ru>

ОРГАНИЗАЦИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В исследовании принимали участие дети в возрасте 6-7 лет (n=150), отнесенные по состоянию здоровья к основной медицинской группе. Исследование проходило в соответствии с требованиями Хельсинской декларации.

Моделирование когнитивной нагрузки осуществлялось на основе использования буквенных таблиц Анфимова. Тестовая нагрузка выполнялась с оптимальной (автотемп) и максимальной скоростью при наличии «угрозы наказания». В качестве «наказания» применялся стандартный набор порицающих замечаний и сильный звук. По результатам выполнения корректурной пробы рассчитывали объем работы (А) и коэффициент продуктивности (Q) [17].

Уровень ситуативной тревожности у испытуемых измеряли перед выполнением каждого задания с помощью варианта 8-цветового теста Люшера (СТЛ) [20].

Регистрация омега-потенциала (ОП) осуществлялась с поверхности кожи головы с использованием портативной установки для исследования сверхмедленных электрических процессов головного мозга и слабополяризующихся хлорсе-ребряных электродов [8]. В состоянии покоя и в условиях тестовых нагрузок оценивали изменения уровня бодрствования [8].

Запись сердечного ритма проводилась при помощи автоматизированного комплекса на базе персонального компьютера [25]. Определяли среднюю продолжительность R-R интервала (RRNN), моду (Мо), амплитуду моды (АМо), разброс кардиоинтервалов (MxDMn), среднеквадратическое отклонение (SDNN), стресс-индекс (SI). Частота сердечных сокращений (ЧСС) рассчитывалась по 6 -секундным отрезкам записи с пересчетом на 1 минуту.

Систолическое (СД) и диастолическое (ДД) артериальное давление крови регистрировали в соответствие с рекомендациями ВОЗ. Применяли адекватную возрасту детскую манжету. Рассчитывали среднее давление (САД) и двойное произведение (ДП).

Определяли также соотношения Q/ЧСС, Q/SI, Q/ДП, A/ЧСС, A/SI, A/ДП, характеризующие эффективность деятельности.

Статистическую обработку данных проводили с использованием пакета статистических программ. Значимость различий определялась посредством применения параметрических и непараметрических критериев достоверности оценок.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Данные, представленные в таблице 1, показывают, что в состоянии покоя между мальчиками и девочками 6-7 лет отсутствуют различия в уровне фоновой активированности. Исключение составляет более высокий (p<0,05) показатель СД крови у девочек по сравнению с мальчиками. Вместе с тем величины таких показателей как ОП, SI и СТЛ были существенно повышены.

При выполнении когнитивного задания в режиме автотемпа по сравнению с состоянием относительного покоя как у мальчиков, так и у девочек в большинстве случаев наблюдались значимые (р<0,05-0,001) сдвиги изучаемых переменных (рис. 1). В процессе работы происходило заметное увеличение ОП, ЧСС, АМо, SI, СД, ДД САД, ДП и уменьшение RRNN, Мо, MxDMn, SDNN. Сравнительный

анализ ФС при тестовой нагрузке, реализуемой с оптимальной скоростью, позволил выявить существенные различия (р<0,05) между мальчиками и девочками в отношении ОП, А, и Q (см. рис. 1).

Таблица 1

Функциональное состояние детей 6-7 лет в условиях относительного покоя

Фон

Показатель

М Д

ОП, мВ 29,2+0,9 29,8+1,1

СД, мм рт. ст. 91,4+1,07 95,2+1,16*

ДД, мм рт. ст. 59,2+1,02 60,6+1,18

САД, мм рт. ст. 71,8+1,05 72,3+0,93

ЧСС, уд/мин 93,9+1,12 91,2+1,15

ДП, отн.ед. 88,9+1,6 90,7+1,5

Мо, мс 610,8+11,4 623,6+12,2

MxDMn, мс 187,4+10,9 204,3+9,8

SDNN, мс 55,2+2,3 53,9+2,5

АМо, % 44,6+1,8 43,4+1,7

SI, отн.ед. 208,2+15,3 199,1+17,4

Тревога, баллы 3,25+0,23 3,45+0,28

Примечание: * - статистически значимые различия между мальчиками (М) и девочками (Д) при p<0,05.

При выполнении когнитивного задания в максимальном темпе в условиях дефицита времени и угрозы «наказания», отмечались наиболее выраженные (p<0,05-0,001) изменения исследуемых показателей ФС: наблюдалось дальнейшее увеличение ОП, ЧСС, АМо, SI, СД, ДД, САД, ДП и уменьшение RRNN, Мо, MxDMn, SDNN.

Сравнение эффективности используемых режимов когнитивной деятельности, показало, что рассматриваемые индикаторы ФС, за исключением количества просмотренных знаков, существенно снижались при переходе от работы с индивидуально оптимальной скоростью к выполнению задания в максимальном темпе (табл. 2). Об этом свидетельствует уменьшение (p<0,05-0,001) таких показателей как Q, Q/ЧСС, Q/ДП, Q/SI, А/ДП, А/SI, а также А/ЧСС (у девочек). Наряду с этим, по мере перехода от состояния покоя к работе в максимальном темпе, выявлена тенденция увеличения ситуативной тревожности по тесту Люшера (p<0,05). Значительно возросло число детей с высоким уровнем ситуативной тревожности.

Таким образом, психофизиологические затраты на переработку одного и того же объема значимой информации при работе с максимальной скоростью были у детей существенно выше, чем при работе в режиме автотемпа.

Девочки 6-7 лет

80 60 40 % 20 0 -20 -40

Мальчики 6-7 лет

ш

гИ.ГИ

г! т гГГЗ

ОП СД ДД САД ЧСС ДП Мо м

АМо в1 Тревога

автотемп  максимальный темп

Рис. 1. Сдвиги показателей ФС в условиях когнитивной нагрузки по отношению к

уровню покоя

Примечание: * - статистически значимые различия между мальчиками и девочками при р<0,05.

Сравнение сдвигов показателей ФС детей при когнитивной нагрузке, реализуемой в максимальном темпе, не выявило различий между мальчиками и девочками (см. табл. 2). Исключение составляет показатель скорости работы, средняя величина которого у девочек была выше (р<0,05), чем у мальчиков.

Индивидуальный анализ сдвигов ФС показал, что у детей 6-7 лет можно выделить два противоположно направленных комплекса вегетативных реакций в условиях когнитивной нагрузки. Это реагирование по симпатическому типу и реагирование по парасимпатическому типу. Первый, комплекс вегетативного реагирования является преобладающим. Он встречается в 60 % случаев, второй в 24 % случаев. В оставшихся случаях выявлены комбинации рассмотренных типов реакций.

При симпатическом типе вегетативного реагирования на начальном этапе выполнения когнитивного задания с оптимальной скоростью отмечалось пиковое увеличение ОП, ЧСС, СД, ДД, САД, ДП и уменьшение RRNN и SDNN. В конце задания данные показатели либо сохранялись на одном уровне, либо незначительно снижались. При этом пиковые сдвиги рассматриваемых показателей ФС во

время выполнения тестового задания в целом были выше, чем в состоянии мобилизационной готовности.

Установлено, что у испытуемых с парасимпатическим типом реагирования изменения показателей ФС во время работы были ниже, чем в состоянии мобилизационной готовности. При данном типе вегетативного реагирования в начале работы происходило небольшое уменьшение ЧСС, ДП, СД, ДД, САД и увеличение RRNN, SDNN и Мо по сравнению с состоянием мобилизационной готовности. В начальном периоде работы величины СД, ДД и ДП проявляли тенденцию к снижению. В конце работы, напротив, отмечалось увеличение ЧСС, СД, ДД, САД и ДП, а также снижение RRNN и SDNN. Изменения ОП характеризовалась нарастанием его значений по сравнению со спокойным бодрствованием с последующей стабилизацией на среднем уровне. В отдельных случаях рассматриваемые показатели ФС снижались ниже фоновых величин. Необходимо констатировать, что вегетативное реагирование по симпатическому типу явилось доминирующим типом реакции на когнитивную нагрузку, реализуемую с максимальной скоростью в условиях дефицита времени.

Таблица 2

Эффективность и продуктивность выполнения когнитивной нагрузки

у детей 6-7 лет

Показатель Когнитивная (умственная) нагрузка

Мальчики Девочки

Т Т , % Т Т , %

А,знаков 112,7 ±4,3 121,1 ±4,18 7,4 д 125,9 ±3,9* 135,5 ±4,63* 7,6 д

А/ЧСС, отн.ед. 0,94 ±0,05 0,97 ±0,05 3,2 1,08 ±0,04* 0,99 ±0,04 -8,3 д

А/81, отн.е. 0,43 ±0,08 0,4 ±0,8 -7,0 д 0,51 ±0,09 0,46 ±1,12 -9,8 д

А/ДП, отн.ед. 0,97 ±0,06 0,89 ±0,07 -8,2 д 1,06 ±0,06 0,91 ±0,5 -9,9 д

Q, отн.ед. 7,26 ±0,29 6,38 ±0,47 -12,1 д 8,03 ±0,31* 6,95 ±0,42 -13,5д

Q/ЧСС, отн.ед. 0,072 ±0,003 0,061 ±0,006 -15,3 д 0,078 ±0,004 0,059 ±0,005 -24,4 д

Q/SI, отн.ед. 0,034 ±0,005 0,027 ±0,007 -20,6 д 0,041 ±0,005 0,033 ±0,006 -19,5 д

Q/ДП, отн.ед. 0,070 ±0,004 0,062 ±0,005 -11,4 д 0,075 ±0,005 0,061 ±0,006 -18,7 д

Примечание: АТ - Автотемп; МТ - максимальный темп; С - сдвиг.

* - статистически значимые различия между мальчиками и девочками при р<0,05.

Анализ ФС в условиях покоя, позволил установить, что полученные в исследовании средние величины наблюдаемых показателей соответствуют возрастным нормам и близки к значениям, представленных в работах других авторов [23, 8, 26]. В то же время средние величины нескольких ключевых показателей ФС значительно превышали уровни, характерные для детей 6-7 лет, что может указывать на выраженное психическое напряжение, обусловленное процессами адаптации к образовательной среде.

Изучение психофизиологических реакций при выполнении когнитивной нагрузки с оптимальной и максимальной скоростью в условиях звуковых помех и «угрозы наказания» показало, что тестовые задания вызывают у большинства испытуемых повышение уровня активации ЦНС, возрастание напряжения регуля-торных систем и сдвиг вегетативного баланса в сторону преобладания активности симпатического отдела ВНС. Подобные сдвиги изучаемых показателей ФС рассматриваются как проявление психического напряжения, направленного на мобилизацию адаптационных резервов организма в условиях когнитивной деятельности.

Важно отметить, что переход от работы с комфортной скоростью, к реализации нагрузки с максимальной скоростью у подавляющего большинства испытуемых сопровождается дальнейшим повышением активности симпатического отдела ВНС, снижением результативности деятельности и возрастанием ее психофизиологической цены. Падение эффективности работы в ходе реализации когнитивного задания с максимально возможной скоростью, по-видимому, обусловлено более выраженным повышением активности модулирующей системы мозга за счёт нарастания вклада подсистемы непродуктивной активации, связанной с оборонительным поведением, по сравнению с активностью подсистемы продуктивной активации, связанной с ориентировочно-исследовательским поведением [5, 7]. Аналогичная динамика ФС испытуемых в процессе реализации ими когнитивной нагрузки с комфортной и максимально возможной скоростью выявлена нами ранее при обследовании детей 10-11 [15], 11-12 [13], 12-13 [14] лет.

Полученные данные о существовании у мальчиков и девочек 6-7 лет двух типов вегетативного реагирования на когнитивную нагрузку, реализуемую с комфортной скоростью, согласуются с результатами других работ. Так, в популяции взрослых людей также выделяют лиц с противоположным характером вегетативного реагирования - по симпатическому и по парасимпатическому типам [7, 9]. Установлено, что у взрослых субъектов, реагирование на нагрузку по симпатическому типу сопровождается ростом тонической активности скелетной мускулатуры, тогда как при реакциях парасимпатического типа наблюдается синхронное снижение тонуса скелетных мышц [5]. В другом исследовании показано, что два рассматриваемых типа вегетативного реагирования можно выделить по параметрам сосудистой и дыхательной модуляций сердечного ритма, изменения, которых зависят не только от вида когнитивной нагрузки, но и уровня личностной тревожности [7]. Наряду с этим установлено, что характер психофизиологических реакций при решении когнитивной задачи определяет и эффективность ее решения

[9].

Индивидуальные особенности психофизиологической реактивности на различные стрессоры выявлены не только у взрослых [7, 9, 6, 30], но и у детей разно-

го возраста [27, 28, 29, 13]. В частности, описанные комплексы вегетативных реакций по симпатическому и парасимпатическому типам наблюдались нами у мальчиков и девочек 11 -12 и 12-13 лет при выполнении когнитивного задания с индивидуально комфортной скоростью [13, 14]. По-видимому, что специфику вегетативного реагирования детей на различные когнитивные нагрузки, также как и у взрослых, определяют устойчивые соотношения активности систем продуктивной и непродуктивной активации, связанных, как было отмечено выше, с преобладанием защитного или ориентировочно-исследовательского поведения.

Полученные результаты о том, что вегетативное реагирование по симпатическому типу является доминирующим типом реакции на когнитивную нагрузку, реализуемую с максимальной скоростью, дают основание полагать, что выполнение данного задания оказывает стрессогенное воздействие на школьников рассматриваемой возрастной группы. Отсутствие существенных различий в изменениях ФС в условиях напряженной когнитивной нагрузки между испытуемыми с разным типом вегетативного реагирования, по-видимому, связано с исчерпанием потенциала активации при высоком уровне стресса («эффект потолка») [14].

В процессе исследований установлено, что при работе в оптимальном и максимальном темпе девочки в 6-7 лет существенно превосходили мальчиков по количеству просмотренных знаков и продуктивности когнитивной деятельности. Сведения о том, что в отдельные возрастные периоды работоспособность у девочек выше, чем у мальчиков, содержатся в специальной литературе [1, 2, 3, 4]. Возможно, что одним из условий, определяющих эффективность когнитивной деятельности на отдельных этапах онтогенеза, является более совершенное функционирование у девочек регуляторных механизмов, обеспечивающих избирательную функциональную организацию мозговых структур, участвующих в ее реализации. Это хорошо согласуется с данными о том, что девочки по степени физиологической зрелости опережают мальчиков, начиная с момента рождения и до взрослого состояния [24].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты дают основание считать, что реализация когнитивной нагрузки с индивидуально комфортной скоростью у большинства учащихся первых классов сопровождается продуктивной активацией, тогда как выполнение тестового задания с максимальной скоростью, наоборот, осуществляется на фоне непродуктивной активации, характерной для стрессовых состояний.

Установлено, что психофизиологическая цена работы в комфортном режиме ниже, чем при нагрузке в максимальном темпе. Переход от первого режима работы ко второму сопровождается снижением эффективности деятельности, что, по-видимому, обусловлено более выраженным повышением активности модулирующей системы мозга за счёт нарастания относительного вклада подсистемы непродуктивной активации.

Сопоставление индивидуальных сдвигов ФС на нагрузку позволило выявить у детей 6-7 лет два типа вегетативного реагирования. Первый тип - реагирование преимущественно по симпатическому типу, второй - реагирование по парасимпатическому типу. Установлено, что при работе с комфортной скоростью первый

комплекс вегетативных реакций встречается в 60 % случаев, а второй в - 24 % случаев. При работе с максимальной скоростью комплекс реакций по симпатическому типу явился доминирующим видом реагирования, выявленным у 90 % испытуемых.

В процессе исследования установлено, что при работе в оптимальном и максимальном темпе девочки в 6-7 лет существенно превосходили мальчиков по эффективности деятельности. Предполагается, что в основе обнаруженных различий лежит более совершенное функционирование у девочек регуляторных механизмов, обеспечивающих избирательную функциональную организацию мозговых структур, участвующих в реализации когнитивной деятельности. Последнее, по-видимому, обусловлено тем, что в начальный период обучения в школе девочки значительно опережают мальчиков по своему биологическому возрасту.

Работа поддержана грантом РГНФ (проект №16-06-18011е).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Адаптация организма учащихся к учебной и физической нагрузкам / под ред. А.Г. Хрипковой, М.В. Антроповой. - М.: Педагогика, 1982. - 240 с.

2. Антропова М.В. Возростно-половые особенности умственной работоспособности учащихся 14-17 лет // Новые исследования в психологии и возрастной физиологии.- 1991. - №1.- С. 111-116.

3. Антропова, М.В., Соколова Н.В. Умственная работоспособность учащихся 1 -4 классов, проживающих в экстремальных климатических условиях // Гигиена и санитария. - 1996. - № 5. - С. 17-20.

4. Гринене Э.Ю. Умственная работоспособность подростков // Альманах «Новые исследования». - 2004. - № 1-2. - С. 137.

5. Данилова Н.Н. Психофизиологическая диагностика функциональных состояний. - М.: Изд-во МГУ, 1992. - 192 с.

6. Данилова Н.Н. Психофизиология. - М.: Аспект Пресс, 2012. - 373.

7. Данилова Н.Н. Сердечный ритм и информационная нагрузка // Вестн. МГУ.

- 1995: - Сер.14 (4). - С. 14-27.

8. Илюхина В.А. Психофизиология функциональных состояний и познавательной деятельности здорового и больного человека. - СПб.: Изд-во Н-Л, 2010. -368 с.

9. Коршунова С.Г. Эффективность решения умственных задач и вариантность сердечного ритма // Вестн. МГУ. - 1996. - 14(1). - С. 31-41.

10. Костина Л.М. Адаптация первоклассников к школе путем снижения уровня их тревожности // Вопросы психологии. - 2004. - № 1. - С. 137-143.

11. Костяк Т.В. Психологическая адаптация первоклассников. - М.: Издательский центр "Академия", 2008. - 176 с.

12. Крайг Г., Бокум Д. Психология развития. - СПб.: Питер, 2005. - 940 с.

13. Криволапчук И.А., Чернова М.Б. Изменения функционального состояния детей 11-12 лет под влиянием информационной нагрузки // Новые исследования.

- 2014. - №4. - С. 52-58.

14. Криволапчук И.А., Чернова М.Б. Функциональное состояние детей 1213 лет при выполнении когнитивных заданий // Новые исследования. - 2015. -№ 4. - С. 24-32.

15. Криволапчук И.А., Чернова М.Б., Кесель С.А., Мышъяков В.В. Обоснование модели тестовых информационных нагрузок для изучения функционального состояния детей // Новые исследования. - 2013. - № 3. - С. 50-61.

16. Литвиненко Н.В. Адаптация школьников в критические периоды развития к образовательной среде: Автореф. дис. ... докт. психол. наук. Самара, 2009. 49 с.

17. Методические рекомендации по физиолого-гигиеническому изучению учебной нагрузки учащихся / Под ред. М.В.Антроповой, В.И.Козлова. - М.: АПН СССР, 1984. - 67 с.

18. Микляева А.В., Румянцева П.В. Школьная тревожность: диагностика, профилактика, коррекция. - СПб.: Речь, 2007. - 248 с.

19. Полянская Н.В., Криволапчук И.А., Чернова М.Б., Герасимов М.М. Особенности функционального состояния тревожных детей в критический период адаптации к образовательной среде // Новые исследования. - 2014. - № 1. - С. 8391.

20. Собчик Л.Н. Метод цветовых выборов - модификация цветового теста Люшера. - СПб.: Речь, 2006. - 128 с.

21. Фарбер Д.А., Безруких М.М. Методологические аспекты изучения физиологии развития ребенка // Физиология человека. - 2001. - Т. 27, № 5. - С. 8-16.

22. Фарбер Д.А., Мачинская Р.И. Современные исследования в возрастной физиологии и психофизиологии как основа медицинского, психологического и педагогического образования // Здоровье и образование детей - основа устойчивого развития российского общества и государства: Научная сессия академий, Москва, 5-6 октября 2006 г. - М.: Наука, 2007. - С. 28-33.

23. Физиология развития ребенка: Руководство по возрастной физиологии / Под ред. М.М. Безруких, Д.А. Фарбер. - М.: Изд-во Московского психолого- социального института, 2010. - 768 с.

24. Харрисон Дж., Уайнер Дж., Тэннер Дж. и др. Биология человека. - М.: Мир, 1979. - 611 с.

25. Шлык Н.И. Сердечный ритм и тип регуляции у детей, подростков и спортсменов. - Ижевск: Изд-во Удм. ун-та, 2009. - 259 с.

26. Berk L.E. Child Development. Published by Pearson, 2012. - 816 pp.

27. Boyce W. T., Chesney M., Alkon A., Tschann J. M. Psychobiologic reactivity to stress and childhood respiratory illnesses: Results of two prospective studies. // Psychosomatic Medicine, 1995. 57: 411-422.

28. Boyce W.T., Quas J., Alkon A., Smider N.A., Essex M.J., Kupfer D.J. Autonomic reactivity and psychopathology in middle childhood. Br J Psychiatry. 2001. 179:144-150.

29. Diamond L.M., Fagundes C,P, Cribbet M.R. Individual differences in adolescents' sympathetic and parasympathetic functioning moderate associations between family environment and psychosocial adjustment // Dev Psychol. 2012. 48(4): 918-931.

30. Everly G., Latin J. A Clinical Guide to the Treatment of the Human Stress Pesponse. NY: Springer, 2013. - 486 p.