ВЕГЕТАТИВНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АДАПТАЦИИ К РАБОТЕ НА ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВАХ У МЛАДШИХ ШКОЛЬНИКОВ

ПСИХОФИЗИОЛОГИЯ

УДК 612.821.1

ВЕГЕТАТИВНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АДАПТАЦИИ К РАБОТЕ НА ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВАХ У МЛАДШИХ ШКОЛЬНИКОВ

С.Б. Догадкина1

ФГБНУ «Институт возрастной физиологии РАО», Москва

По результатам временного и спектрального анализа вариабельности сердечного ритма оценивали характер активности вегетативной нервной системы у учащихся младшей школы при выполнении когнитивной задачи на цифровых устройствах (планшет, ноутбук) и бумаге. По значению показателя отношения мощностей низкочастотного и высокочастотного диапазонов спектра (коэффициент LF/HF) оценивали вегетативный баланс. С помощью кластерного анализа выделены три группы реакции показателя LF/HF на тестовую нагрузку. Показано, что при выполнении тестовой нагрузки происходит снижение вагусного контроля и повышение симпатической активности.

Ключевые слова: цифровые устройства, адаптация вегетативная нервная система, младший школьный возраст

Vegetative support of adaptation to work on digital devices in younger schoolchildren. Based on the results of temporal and spectral analysis of heart rate variability, the character of the activity of the autonomic nervous system in primary school students when performing a cognitive task on digital devices (tablet, laptop) and paper was evaluated. The vegetative balance was estimated by the value of the ratio of the power of the low-frequency and high-frequency ranges of the spectrum (the LF/HF indicator). Using cluster analysis, three groups of the response of the LF/HF indicator to the test load were identified. It is shown that when performing a test load, there is a decrease in vagal control and an increase in sympathetic activity.

Key words: digital devices, adaptation, autonomic nervous system, primary school

age

DOI:10.46742/2072-8840-2021-67-3-5-14

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что современные школьники ежедневно используют цифровые технологии в школе и дома [2; 9; 10; 14; 18]. Самыми популярными и распространенными являются мобильный телефон и ноутбук, компьютер и планшет. В связи с тем, что использование цифровых технологий становится неотъемлемой частью процесса обучения и школьники в большинстве своем использует гаджеты, важным является оценка функционального состояния организма школьников при выполнении работы на цифровых устройствах. Показано, что работа на цифровых

Контакты: 1 Догадкина С.Б. - E-mail: <almanac@mail.ru>

устройствах оказывает существенное воздействие на организм ребенка, в том числе на функциональное состояние сердечно-сосудистой системы [4; 11; 22].

Регулируемый ВНС ритм сердечных сокращений чутко реагирует на любые воздействия и несет информацию о состоянии адаптационно-приспособительных механизмов регуляции. Это дает основание проводить анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР) в качестве информативного неинвазивного метода оценки состояния общей активности регуляторных механизмов, нейрогуморальной регуляции сердца, соотношения между симпатическим и парасимпатическим отделами ВНС. Динамика ВСР в ответ на какую-либо деятельность отражает адаптивные возможности и может служить прогностическим маркером уровня комфортности состояния организма [1; 3; 13; 17].

В последние два десятилетия все большее количество теорий и исследований было посвящено роли вегетативной нервной системы в эмоциональном реагировании [1; 12 и др.]. Показано, что анализ изменений ВСР, связанных с эмоциональными нагрузками, может быть использован в качестве объективной его оценки у ребенка при работе на цифровых устройствах.

В задачи входила оценка вегетативной регуляции сердечного ритма, активности симпатического и парасимпатического отделов вегетативной нервной регуляции сердечного ритма в процессе выполнения когнитивного теста на бумажном носителе и цифровых устройствах у младших школьников.

ОРГАНИЗАЦИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Работа проводилась в рамках Гос.задания ФГБНУ «Институт возрастной физиологии РАО» «Психофизиологическое и физиолого-гигиеническое исследование влияния компьютерных технологий обучения в учебном процессе на разных этапах возрастного развития».

Данная работа явилась составной частью комплексного исследования, включавшего, в том числе, изучение автономной нервной регуляции сердечного ритма.

В исследовании приняли участие 39 учащихся 10-11 лет из школ г. Москвы (50 % девочек). Все дети, согласно данным медицинских карт, относились к Ы1 группам здоровья. От родителей участников было получено письменное информированное согласие на обследование.

В качестве когнитивной нагрузки использовали компьютеризированный вариант теста «таблицы Шульте» хорошо зарекомендовавший себя при изучении особенностей внимания детей. Испытуемые последовательно находили числа от 1 до 25, отмечая их с помощью компьютерной «мыши» или рукой на планшете. В случае правильного выбора предъявлялась следующая таблица. Время выполнения задания составляло 5 минут. В качестве контрольной нагрузки использовали бумажный вариант теста «таблицы Шульте». Таким образом, дети выполняли тест на планшете, ноутбуке и бумаге.

Регистрацию ЭКГ во II стандартном отведении проводили с помощью прибора «Поли-Спектр-12» (Нейрософт, г. Иваново, 2002) в положении исследуемого сидя в покое (исходное состояние) и во время выполнения тестового задания (3-5 минута нагрузки). По частотно-временным показателям вариабельности сердечного ритма (ВСР) оценивали характер активности вегетативной нервной системы. Для оценки уровня симпато-парасимпатического баланса использовали отноше-

ние мощностей низкочастотного и высокочастотного диапазонов спектра (коэффициент LF/HF) [3; 8; 15].

Статистическую обработку полученных данных проводили с использованием компьютерного пакета «SPSS-23». С целью разделения испытуемых на группы по характеру реакции на предъявляемую нагрузку проводили иерархический кластерный анализ. При нормальном распределении анализируемых признаков вычисляли среднее значение (М) и стандартную ошибку среднего (т). Для проверки статистических гипотез исследования использовался Ьтест Стьюдента для независимых и попарно сопряженных выборок. В связи с тем, что подавляющее большинство изучаемых показателей не имело нормального распределения, использовали методы непараметрической статистики. Попарное сравнение сопряженных выборок проводили с помощью критерия Уилкоксона, для сравнения независимых выборок использовали критерий Манна-Уитни. Оценку тесноты статистической связи между показателями осуществляли с помощью корреляционного анализа (коэффициент Спирмена). Различия считали статистически значимыми при р <0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Спектральный и временной анализ вариабельности сердечного ритма у детей младшего школьного возраста не выявил значимых половых различий в значениях исследованных показателей, в связи с чем оценка реакции вегетативной регуляции сердечного ритма проводилось в общей группе. Данные временного и спектрального анализов ВСР представлены в таблице 1.

В исходном состоянии (перед выполнением теста) показатели временного и спектральном анализа значимо не отличаются перед выполнением предъявляемой нагрузки на бумаге и цифровых устройствах. В целом у большинства детей отмечено хорошее состояние автономной нервной регуляции сердечного ритма.

Выполнение когнитивного теста и на ноутбуке, и на планшете (табл.1) привело к изменению состояния вегетативной нервной системы у детей младшего школьного возраста, а именно, к снижению суммарной спектральной мощности (ТР) и снижению характеризующих функциональное состояние организма.

Отмечено статистически значимое снижение парасимпатической активности (мощность высокочастотных колебаний, КМ^Б, р NN50) (см.табл.1, 2), что свидетельствует о снижении парасимпатической активности в регуляции сердечного ритма. Низкочастотный компонент спектра, ЬБ, статистически значимо не изменяется. Показатель симпато-парасимпатического баланса, ЬР/ИБ статистически значимо увеличивается, что свидетельствует об усилении симпатической активности. При выполнении тестового задания на ноутбуке отмечено статистически значимое снижение очень низкочастотного показателя УЬБ, что, по-видимому, обусловлено снижением гуморально-метаболических и церебральных эрготроп-ных влияний. При выполнении тестового задания на планшете статистически значимых изменений данного показателя не выявлено.

Таким образом выполнение детьми когнитивного теста на ноутбуке и планшете приводит к значимому снижению парасимпатической активности и, за счет этого, к сдвигу вегетативного баланса в сторону симпатических влияний.

Таблица 1

Показатели вариабельности сердечного ритма в покое и при выполнении когнитивного теста на бумаге и цифровых устройствах

показатели проба бумага

ТР, мс2 фон 3296,0 3128,0 3784,0

нагрузка 2501,0

р (ф-н) 0,000 0,007 0,003

VLF, мс2 фон 1244,0 1136,0 1095,0

нагрузка 684,0

р (ф-н) 0,004 0,002 0,125

LF, мс2 фон 1046,0 1026,0 951,0

нагрузка 1772,0

р (ф-н) 0,446 0,426 0,802

ОТ, мс2 фон 1125,0 827,0 1362,0

нагрузка 744,0

р (ф-н) 0,000 0,010 0,000

LF/HF, у.е. фон 0,858

нагрузка 1,87

р (ф-н) 0,003 0,050 0,000

КВЖ^ мс фон 639,0 673,9 678,0

нагрузка 596,0

р (ф-н) 0,000 0,000 0,000

SDNN, мс фон 53,0

нагрузка 46,0

р (ф-н) 0,119 0,002 0,001

RMSSD, фон 37,0

мс нагрузка 26,0

р (ф-н) 0,001 0,001 0,000

pNN50, % фон 14,50

нагрузка 5,14

р (ф-н) 0,000 0,000 0,000

Примечание: ME

Реакция на выполнение теста на бумаге также, как при выполнении задания на цифровых устройствах, характеризуется снижением общей мощности и высокочастотного компонента и отсутствием значимых изменений низкочастотных колебаний (см. табл. 1).

Как показано в работах УашашоЮ У. [22], Шта I. е1 а1 [19] и др. изменение отношения ЬР/НР характеризует изменения симпатической активности и может характеризовать симпато-парасимпатический баланс. Мы также использовали данный показатель как отражение симпато-парасимпатического равновесия и разделили всех детей согласно значениям LF/HF в исходном состоянии, на 3 группы (рис. 1). Дети с ЬР/ НР > 1,0 составили 1-группу (с преобладанием симпатических влияний в регуляции сердечного ритма), дети с ЬР/НР от 0.5 до 1.0 составили 2 группу (со сбалансированной регуляцией сердечного ритма) и дети с ЬР/НР<0.5 составили 3 группу (с преобладанием парасимпатических влияний в регуляции сердечного ритма).

В исходном состоянии, перед выполнением теста на бумаге, ноутбуке и планшете, все учащиеся распределились следующим образом (см. рис.1).

чо ОЧ

ЧР ОЧ

60 50 40 30 20 10

ЬР/ИР<0.5

0.5<1Р/НР<1.0 количество детей

1Р/ИР>1,0

и.с. тест на бумаге  и.с. тест на ноутбуке / и.с. тест на планшете

0

Рис. 1. Распределение показателя симпато-парасимпатического баланса перед выполнением тестов на бумаге и цифровых устройствах (процент от общего

количества детей).

Выделено 3 группы детей: с преобладанием симпатической активности в регуляции СР - 1 группа (10-20 %); дети со сбалансированным типом регуляции ВНС (0,5<ЬР/НР <1,0) - 2 группа (41-47 %) и дети с преобладанием парасимпатических влияний на СР - 3 группа (33-48 %).

По характеру изменения LF/HF (Д LF/HF) при выполнении теста на бумаге и цифровых устройствах был проведен кластерный анализ.

Таблица 2

Результаты кластерного анализ изменения показателя LF/HF при выполнении когнитивного теста на цифровых устройствах и бумаге

ME (Q1-Q3) бумага ноутбук планшет

группы n Д LF/HF, % n Д LF/HF, % n Д LF/HF, %

1 11 83,43

2 7 207,87

3 21 -4,82

400

350

300

250

SP öS

LL 200

X

^^

u_ 150

<

100

50

0

-50

1

„

zL §

1 2 И3 ^

Кластеры

бумага

ноутбук t1 планшет

Рис. 2. Результаты кластерного анализа по показателю Д LF/HF при выполнении теста на бумаге и цифровых устройствах.

При выполнении теста на бумаге и планшете на основании результатов кластерного анализа по показателю ALF/HF выделено 3 кластера, при выполнении теста на ноутбуке - 2 кластера (табл. 2, рис. 2). По всем показателям между кластерами были установлены значимые различия (р<0.05). К ведущим показателям, определяющим интерпретацию физиологической регуляции ВСР относятся низко- и высокочастотные компоненты спектра вариабельности сердечного ритма. Во

всех случаях в 1-ом кластере отмечено умеренное повышение показателя LF/HF (на 50-80 %) у 11 человек при выполнении теста на бумаге, у 21 ребенка - на ноутбуке и у 17 детей - на планшете. Дети, входящие в данный кластер, в 80 % случаев были со сбалансированным типом регуляции сердечного ритма и с преобладанием парасимпатических влияний. Во втором кластере при работе на бумаге и планшете отмечено существенное повышение LF/HF (на 180-208 %) у 7 и 11 человек, по-видимому, вследствие значимого снижения HF (см. табл.1). В 3-й кластер вошли дети с незначительным снижением или увеличением LF/HF, у них отмечена высокая симпатическая активность в состоянии покоя, 65 % детей, входящих в этот кластер, относятся к группе c детей с высокой симпатической активностью регуляции сердечного ритма. Умеренно повышенная активность симпатического отдела вегетативной нервной системы у этих детей может быть предстартовой, о чем свидетельствуют и результаты оценки симпато-парасимпатического баланса в исходном состоянии перед выполнением теста (рис. 1). Повышенная симпатическая активность регуляции сердечного ритма приводит к неблагоприятному течению адаптации при выполнении тестового задания.

Таким образом, в нашем исследовании показано, что при выполнении когнитивного теста на цифровых устройствах происходит снижение вагусного контроля.

Как показано в работе Hayano, Yasuma, [7] быстрые изменения выраженности влияний блуждающего нерва на сердечный ритм могут свидетельствовать о высокой чувствительности автономного контура регуляции ритма сердца к импульса-ции от баро- и хеморецепторов, способствующие оптимальному согласованию работы дыхательной и сердечно-сосудистой систем. Высокий уровень парасимпатической активности в состоянии покоя был связан с лучшей регуляцией работы, использованием адаптивных регуляторных стратегий и более гибким эмоциональным реагированием [5].

Сдвиг вегетативного баланса в сторону симпатических влияний происходит за счет значимого снижения высокочастотных колебания при неизменной активности симпатического отдела ВНС, совпадает с таковым, описанным в работах Montano N. et. а1 [15]; Wu M. et. al [21], Nakayama N. е! al [16] и других.

Возможно, большая вагусная реактивность может быть функцией значительно более высокой активности в состоянии покоя вследствие большего физиологического диапазона реагирования, благоприятной адаптации к когнитивной нагрузке. Как показано в работе Franks Paul W., Boutcher Stephen H. [6] ЧСС-реакция тренированных испытуемых на ментальный вызов была повышена в основном за счет парасимпатического влияния на сердце, в то время как у нетренированных испытуемых частота сердечного ритма, возможно, была увеличена больше за счет симпатической иннервации. Это подтверждает и результаты нашего исследования, в котором адаптация ВНС к выполнению задания на цифровых устройствах у детей сопровождается снижением парасимпатической активности, и увеличением активности симпатического отдела ВСР. Парасимпатический отдел ВНС отвечает за текущую регуляцию физиологических процессов с целью успешной адаптации при выполнении когнитивного теста на цифровых устройствах.

ВЫВОДЫ

1. При выполнение детьми 10-11 лет когнитивного теста на бумаге и цифровых устройствах приводит к снижению парасимпатической активности автономной нервной регуляции, и сдвигу вегетативного баланса в сторону усиления симпатической активности.

2. Выделено 3 кластеры по реакции симпато-парасимпатического баланса в ответ на работу на бумажном носителе и цифровых устройствах (ноутбук, планшет).

3. В первом и, в большей степени, во втором кластерах отмечен существенный сдвиг вегетативного баланса в сторону симпатических влияний. Дети, в этих группах в основном были с нормотоническим типом регуляции сердечного ритма или с преобладанием парасимпатических влияний. В 3 -ий кластер вошли дети с незначительным снижением или увеличением ALF/HF, в 60 % случаев у этих детей отмечена высокая симпатическая активность в состоянии покоя, по-видимому исходно высокий уровень «напряжения» перед выполнением нагрузки, снижает их реактивность на фоне нагрузки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Догадкина С.Б., Ермакова И.В., Шарапов А.Н. Вегетативное и гормональное обеспечение когнитивной деятельности детей (работа на смартфоне) в зависимости от психологических особенностей и типа вегетативной нервной активности // Новые исследования. - 2020. - № 2. - С. 15-33.

2. Кучма В.Р., Степанова М.И., Сазанюк З.И., Поленова М.А., Александрова И.Э., Березина Н.О., Макарова А.Ю. Гигиеническая оценка влияния учебных занятий с использованием электронных планшетов на функциональное состояние учащихся // Сеченовский вестник. - 2015. - Т. 21, № 3. - С. 35-42.

URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=37263858

3. Михайлов В.М. Вариабельность ритма сердца: опыт практического применения. - Иваново: Иван. Гос. Мед. Академия, 2002. - 290 с.

4. Al Abdi R.M., Alhitary A.E., Abdul Hay E.W., Al-Bashir A.K. Objective detection of chronic stress using physiological parameters//med biol eng comput. - 2018. - dec., 56 (12). - 2273-2286. Doi: 10.1007/s11517-018-1854-8

5. Balzarotti S., Biassoni F., Colombo B., Ciceri M.R. Cardiac vagal control as a marker of emotion regulation in healthy adults: A review/ Biological psychology. -2017.12.N1. P. 54-66.

6. Franks Paul W., Boutcher Stephen H. Cardiovascular response of trained preadolescent boys to mental challenge //Med Sci Sports Exerc. - 2003. - 5. 8. - P. 14291435.

7. Hayano J., Yasuma F. Hypothesis: respiratory sinus arrhythmia is an intrinsic resting function of cardiopulmonary system // Cardiovascular Research. - 2003. - Vol. 58. Issue 1. - P. 1-9.

8. Heart rate variability. Standards of Measurement, Physiological interpretation and clinical use// Circulation. - 1996. - 93. - P. 1043-1065.

9. Hjortskov N. The effect of mental stress on heart rate variability and blood pressure during computer work / N. Hjortskov, D. Rissen, A.K. Blangsted // Eur. J. Appl. Physiol. - 2004. -V. 92. № 1-2. - P. 84.

10. Karalar H., Sidekli S. How do second grade students in primary schools use and perceive tablets? // Universal Journal of Educational Research. - 2017. - V. 5, № 6.

- P. 965-971. DOI: https://doi.org/10.13189/ujer.2017.050609

11. Major L., Habler B., Hennessy S. Tablet use in schools: impact, affordances and considerations // In book: Handbook on Digital Learning for K-12 Schools. Chapter: 8. Editors: Ann Marcus-Quinn, Triona Hourigan. - 2017. - pp. 115-128. DOI: 10.1007/978-3-319-33808-8_8

12. Maggioni Martina A., Merati Giampiero, Castiglioni Paolo, Mendt, Gunga Hanns-Christian , Stahn Alexander C. Reduced vagal modulations of heart rate during overwintering in Antarctica //Sci Rep. - 2020. 10. 1.21810 .DOI: 10.1038/s41598-020-78722-3.

13. Malliani A. Association of heart rate variability components with physiological regulatory mechanisms // Armonk, NY: Futura Publishing Company Inc. - 1995. -p. 173-188.

14. Martinez-Gomez D., B.Sc.; Tucker J., M.Sc.; Heelan, K. A. PhD; Welk G. J., PhD; Eisenmann J. C., PhD. Associations Between Sedentary Behavior and Blood Pressure in Young Children. Archives of Pediatrics & Adolescent Medicine. - 2009; 163(8):724-730.

15. Montano N., Porta A., Cogliati C., Costantino G., Tobaldini E., Casali K.R., et al. Heart rate variability explored in the frequency domain. A tool to investigate the link between heart and behavior. Neurosci Biobehav Rev. - 2009; 33 (2). - p. 71-80.

16. Nakayama N., Arakawa N., Ejiri H., Matsuda R. [et al.] Heart rate variability can clarify students' level of stress during nursing simulation // PLoS One. - 2018. - V. 13. - № 4. e0195280

17. Schiweck Carmen, Lutin E., De Raedt W., Morrens Manuel Heart rate and heart rate variability as trait or state marker for depression? Insights from a ketamine treatment paradigm//European Neuropsychopharmacology. - 2020. 40. 2. p.145-146.

18. Sundus M. The impact of using gadgets on children // J Depress Anxiety. -2018. - 7.1

19. Ubiria I. Relation between Heart Rate Variability and Peak Expiratory Flow in Healthy Schoolchildren / Ubiria I., Telia A., Abuladze G. // Bull. Of the Georgian Academy of Sciences, - 2003. - 167, № 3. - P. 546-548.

20. Umriukhin E.A., Dzhebrailova T.T., Korobeinikova I.I. Physiological evaluation of the resultant activity of school children working with computers //Vestn Ross Akad Med Nauk. - 1995; (11). - P. 47-52.

21.Wu M., Cao H., Nguyen H.L., Surmacz K., Hargrove C. Modeling perceived stress via HRV and accelerometer sensor streams. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. -2015. - p. 1625-1628. pmid:26736586

22. Yamamoto Y. Autonomic control of heart rate during exercise studied by heart rate variability / Yamamoto Y., Hughson R.L., Peterson J.C. // J. Appl. Physiol. -1991.

- 71. - P. 1143-1150.

REFERENCES

1.Dogadkina S.B.. Ermakova I.V. Sharapov A.N. Vegetativnoye i gormonalnoye obespecheniye kognitivnoy deyatelnosti detey (rabota na smart-fone) v zavisimosti ot psikhologicheskikh osobennostey i tipa vegetativnoy nerv-noy aktivnosti//Novyye is-sledovaniya. - 2020. - № 2. - S. 15-33.

2. Kuchma V.R., Stepanova M.I., Sazanyuk Z.I., Polenova M.A., Aleksandrova I.E., Berezina N.O., Makarova A.Yu. Gigiyenicheskaya otsenka vliyaniya uchebnykh zanyatiy s ispolzovaniyem elektronnykh planshetov na funktsionalnoye sostoyaniye uchashchikhsya // Sechenovskiy vestnik. - 2015. - T. 21, № 3. - S. 35-42.

URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=37263858

3. Mikhaylov V.M. Variabelnost ritma serdtsa: opyt praktiche-skogo primeneniya. - Ivanovo: Ivan. Gos. Med. Akademiya, 2002. - S. 90.