Функциональное состояние детей 12-13 лет при выполнении когнитивных заданий

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ДЕТЕЙ 12-13 ЛЕТ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ КОГНИТИВНЫХ ЗАДАНИЙ

И.А. Криволапчук1 *, М.Б. Чернова*, Е.В. Савушкина** *ФГБНУ «Институт возрастной физиологии Российской академии образования», Россия, Москва ** Гродненский государственный университет имени Янки Купалы, Республика Беларусь, Гродно

Сопоставление индивидуальных сдвигов показателей функционального состояния (ФС) в ситуации мобилизационной готовности и при выполнении когнитивных заданий с комфортной и максимальной скоростью в условиях дефицита времени, позволило выявить два основных типа вегетативного реагирования на нагрузку у детей 12-13 лет. Первый тип - реагирование преимущественно по симпатическому типу, второй - реагирование по парасимпатическому типу.

Ключевые слова: мобилизационная готовность, когнитивная нагрузка, тип вегетативного реагирования, модулирующая система мозга.

Functional state in 12-13-year-old children performing cognitive tasks. There was made a comparison of individual shifts in functional status (PS) in the situation of mobilization readiness and cognitive tasks performance with comfort and maximum speed within lack of time. This revealed two main types of vegetative response to work load in 12-13-year-old children. The first type of response is of sympathetic type, the second is parasympathetic.

Key words: mobilization readiness, cognitive load, type of vegetative response, brain modulating system.

В последние годы значительно возрос интерес исследователей к вопросу оценки функционального состояния (ФС) детей при выполнении когнитивных заданий различного типа [7; 11; 13; 15; 17]. Это в значительной степени связано с возрастающей сложностью техники и технологий, повсеместно распространенными информационными и эмоциональными перегрузками, а также кардинальными изменениями в содержании современного школьного образования, предъявляющими повышенные требования к психофизиологическим функциям растущего и развивающегося детского организма. Анализ влияния когнитивной нагрузки различной степени сложности на изменения ФС детей необходим для дальнейшего вскрытия механизмов регуляции уровня бодрствования и выявления наиболее надежных показателей его диагностики на различных этапах возрастного развития.

Цель исследования - анализ изменений ФС детей 12-13 лет при выполнении когнитивных заданий различной степени напряженности.

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

ОРГАНИЗАЦИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В исследовании приняли участие практически здоровые дети 12-13 лет (п=184). Испытуемые не имели каких-либо противопоказаний для выполнения тестовых нагрузок. Родители обеспечили письменное информированное согласие на участие их ребенка в обследовании.

В качестве модели когнитивной (информационной) нагрузки использовали работу с буквенными таблицами, предназначенными для характеристики внимания и работоспособности. Применяли режимы оптимальной и максимальной нагрузки. В первом случае испытуемые выполняли когнитивное задание с комфортной, а во втором - с предельной скоростью в условиях «угрозы наказания». По результатам реализации когнитивного задания рассчитывали объём работы (А), число общих ошибок (ООШ), ошибок на дифференцировку (ОШД) и коэффициент продуктивности (Р). Испытуемым давалась инструкция безошибочно выполнять задание с комфортной скоростью. После введения инструкции за 3060 с до начала выполнения первого задания подавалась предварительная команда «Приготовились», а затем - исполнительная команда «Начали».

Второе задание отличалось тем, что испытуемым предлагалось выполнять ту же работу с максимальной скоростью при наличии «угрозы наказания». После введения инструкции за 30-60 с до начала выполнения второго задания подавалась предварительная команда «Приготовились», а затем - исполнительная команда «Начали».

Физиологические и психологические измерения проводили в следующих экспериментальных ситуациях: I - «фон», II - «инструкция 1 - мобилизационная готовность», III «когнитивная нагрузка - автотемп», IV -«восстановление», V -«фон», VI - «инструкция 2 - мобилизационная готовность», VII - «когнитивная нагрузка - максимальный темп», VIII - «восстановление». Испытуемые не были предварительно ознакомлены с предлагаемыми им экспериментальными ситуациями.

Функциональное состояние ЦНС анализировали на основе регистрации омега-потенциала (ОП) [5]. Регистрация осуществлялась с поверхности кожи головы с использованием портативной установки для исследования сверхмедленных электрических процессов головного мозга и слабополяризующихся хлорсеребря-ных электродов. В состоянии покоя на основании начальных значений омега-потенциала оценивали уровень активного бодрствования [5]. Определяли знак и величину омега-потенциала после выхода на плато и его изменения в условиях тестовых нагрузок.

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

Для оценки степени напряженности регуляторных систем использовали математический анализ сердечного ритма [10]. Определяли среднюю продолжительность R-R интервала (RRNN), моду (Мо), амплитуду моды (АМо), разброс кардиоинтервалов (MxDMn), среднеквадратическое отклонение (SDNN), стресс-индекс 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 манжету. Рассчитывали двойное произведение (ДП).

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

В ситуации «мобилизационная готовность» за 30 -60 c до начала выполнения когнитивного задания с комфортной скоростью у детей 12 -13 лет отмечались существенные изменения изучаемых показателей по сравнению с состоянием спокойного бодрствования. В этот период происходило выраженное увеличение ОП, ЧСС, СД, ДД, ДП, АМо, SI, СТ (р<0,01-0,001) и уменьшение RRNN, Мо, MxDMn, SDNN (р<0,05-0,001).

По ходу выполнения когнитивного задания с комфортной скоростью наблюдалось сохранение достигнутых в ситуации мобилизационной готовности вегетативных сдвигов. На рис. 1 показаны сдвиги показателей ФС при выполнении когнитивного задания с комфортной и максимальной скоростью по отношению к уровню спокойного бодрствования.

110 у 90 -70 -% 50 -30 -10 --10 - 1 Когнитивная нагрузка 1-

1

-30 -1-|-1-  Автотемп  Максимальный темп Б! ОП АМо ДП СТ ЧСС ДД СД РРЫЫ Мо БРЫИ МхРМп

Рис.1. Сдвиги показателей ФС при когнитивной нагрузке по отношению к спокойному бодрствованию

Видно, что работа с комфортной скоростью сопровождалась значимыми изменениями ряда изучаемых переменных по сравнению с состоянием спокойного бодрствования. В этих условиях отмечалось возрастание ОП в среднем на 74 %, ЧСС - на 13 %, СД - на 4 %, ДД на - 4 %, ДП - на 17 %, АМо - на 21 %, SI - на 76 %, СТЛ - 15 %. Одновременно происходило снижение средней продолжительности R-R интервала (RRNN) на - 6 %, Мо - на 7 %, MxDMn - на 23 %, SDNN - на 19 %. При этом по сравнению с фоном изменения большинства параметров носили статистически достоверный (р<0,05-0,001) характер, свидетельствуя о повышении уровня неспецифической активации, сдвиге вегетативного баланса в сторону преобладания активности симпатического отдела ВНС, усилении центральных регуляторных влияний на сердечный ритм и стимуляции

системной гемодинамики, а также о возрастании уровня ситуативной тревожности.

Сопоставление индивидуальных сдвигов ФС в ситуации мобилизационной готовности и при работе с комфортной скоростью позволило выявить два основных варианта психофизиологических изменений в условиях когнитивной нагрузки (рис. 2). Первый вариант - это реагирование преимущественно по симпатическому типу, второй - реагирование по парасимпатическому типу. Первый, комплекс вегетативного реагирования является преобладающим. С различной степенью выраженности он встречается в 76-80 % случаев, второй в 1015 % случаев. В остальных случаях характер вегетативных сдвигов представлял собой комбинации двух рассмотренных типов реакций.

При первом типе вегетативного реагирования в начале выполнения задания в режиме «автотемп» отмечалось пиковое увеличение ЧСС (на 8-14 уд/мин), СД (на 7-12 мм. рт. ст.), ДД (на 6-9 мм. рт. ст.), ДП (на 6-15 отн. ед.) и уменьшение RRNN и SDNN на начальном этапе выполнения когнитивного задания. В конце задания данные показатели либо сохранялись примерно на одном уровне, либо незначительно снижались (см. рис. 2). Динамика сверхмедленных колебаний потенциалов в большинстве случаев отличалась резким нарастанием ОП с последующей стабилизацией достигнутой величины в определенном диапазоне (41-60 мВ). Необходимо отметить, что у испытуемых с симпатическим типом вегетативного реагирования пиковые изменения рассматриваемых показателей ФС при выполнении когнитивного задания в целом были выше, чем в состоянии мобилизационной готовности.

Для второго типа вегетативного реагирования в начале работы характерно небольшое уменьшение ЧСС (в среднем на 2 -4 уд/мин), ДП, СД, ДД, и увеличение средней продолжительности (RRNN) и среднеквадратического отклонения R-R интервала (SDNN) и Мо по сравнению с состоянием мобилизационной готовности (см. рис.2). Величины АД и ДП в начале работы существенно не изменялись или незначительно снижались.

В конце работы, наоборот, наблюдалось увеличение ЧСС (на 4 -8 уд/мин), СД (на 4-6 мм. рт. ст.), ДД (4-7 мм. рт. ст.) и ДП (на 3-8 отн. ед.), а также снижение RRNN и SDNN. Динамика ОП в этих условиях преимущественно характеризовалась нарастанием его значений по сравнению со спокойным бодрствованием с последующей стабилизацией на среднем уровне (20-40 мВ). В отдельных случаях в процессе выполнения данного задания ОП, ЧСС, СД, ДД снижались даже ниже исходных величин, полученных в состоянии покоя. Важно подчеркнуть, что у испытуемых с данным типом вегетативного реагирования изменения рассматриваемых показателей ФС в процессе работы были ниже, чем в состоянии мобилизационной готовности. Дети этой группы в ситуации мобилизационной готовности, и, особенно, при работе с комфортной скоростью, характеризовались менее выраженными психофизиологическими изменениями по сравнению со сверстниками с симпатическим типом реакций.

% 100

Симпатический тип реагирование

Готовность  Автотемп

%

100 80 60 40 20 0 -20 -40

ДП

ДД

СД

Парасимпатический тип реагировании?

Готовность  Автотемп

ДП

ДД

СД

80

60

40

20

0

-20

-40

ОП

Мо

ОП

Мо

Рис. 2. Сдвиги показателей ФСу детей с различными типами вегетативного реагирования в ситуации мобилизационной готовности и при выполнении когнитивного задания с комфортной скоростью

Сопоставление рассматриваемых групп испытуемых по степени выраженности ситуативной тревожности и эффективности когнитивной деятельности, показало, что дети с парасимпатическим типом реагирования, характеризовались меньшим уровнем беспокойства перед началом выполнения задания, а также относительно низкой скоростью (А) и продуктивностью выполнения работы.

В процессе выполнения когнитивного задания в режиме максимального темпа в условиях дефицита времени и «угрозы наказания», происходили наиболее значительные изменения изучаемых показателей ФС (р<0,01 -0,001). В это время отмечалось дальнейшее увеличение ОП в среднем на 100 %, ЧСС - на 17 %, АМо - на 24 %, SI - на 99 %, СД - на 8 %, ДД - на 13 %, ДП - на 28 %, СТЛ - на 19 % и уменьшение RRNN - на 12 %, Мо - на 12 %, МхБМп - на 29 %, SDNN - на 24 %. Рассматриваемая ступень когнитивной нагрузки вызывала у всех детей, независимо от исходного вегетативного тонуса и индивидуальных психологических особенностей, повышение уровня активации ЦНС. Важно отметить, что вегетативное реагирование по симпатическому типу явилось доминирующим типом реакции на нагрузку, выполняемую с максимальной скоро-

стью. Такой тип реагирования отмечался в 89-96 % случаев. Психическая напряженность проявилось не только в виде объективных изменений ФС, но и в виде субъективных переживаний тревоги. По мере перехода от состояния покоя к работе в максимальном темпе, выявлена тенденция увеличения уровня ситуативной тревожности, определяемой с помощью теста Люшера (СТЛ). Резко возросло число школьников с высоким уровнем ситуативной тревожности.

Сравнение данных о результативности выполнения заданий, полученных при разных режимах деятельности, показало, что количество просмотренных знаков (А) за время работы в максимальном темпе в большинстве случаев увеличивается, тогда как коэффициент продуктивности уменьшается, вследствие возрастания числа общих ошибок (ООШ), ошибок на дифференцировку (ОШД).

Таким образом, по мере усложнения когнитивного задания отмечается нарастание сдвигов рассматриваемых нами показателей ФС. Одновременно с этим наблюдается ухудшение эффективности выполнения деятельности.

Сопоставление величины реакции на когнитивную нагрузку в режиме максимального темпа в группах детей отличающихся по типу вегетативного реагирования, позволило установить, что максимальные величины большинства исследуемых показателей ФС не имеют статистически существенных различий. Вместе с тем, у школьников с симпатическим типом реагирования по сравнению с испытуемыми с парасимпатическим типом выявлены более существенные (р<0,05) сдвиги ряда физиологических показателей (ДЧСС, ДRRNN, ДСД, ДДП) по отношению к уровню спокойного бодрствования.

Проведенные исследования показали, что в ситуации мобилизационной готовности у детей 12-13 лет отмечались выраженные сдвиги ФС по сравнению с периодом спокойного бодрствования. Подобная динамика вегетативных индикаторов ФС рассматривается как проявление психической напряженности, направленной на превентивную актуализацию психофизиологических резервов организма для обеспечения наиболее эффективного выполнения предстоящей когнитивной задачи. Поскольку неспецифические регуляторные влияния является обязательным условием любой деятельности, можно полагать, что наблюдаемые изменения уровня активации определяются особенностями взаимодействия ретикулярных (энергетическая система) и лимбических (эмоциональная система) отделов модулирующей системы мозга [2, 3].

Анализ результатов исследования позволил установить, что по степени выраженности и направленности изменений ФС в начальный период работы с комфортной скоростью между испытуемыми имеются существенные различия, позволяющие рассматривать два основных типа вегетативного реагирования на когнитивную нагрузку. Это реагирование по симпатическому и парасимпатическому типам. Сравнение групп испытуемых с симпатическим и парасимпатическим типом вегетативного реагирования показало, что выполнение когнитивного задания с комфортной скоростью формирует у них на фоне состояния мобилизационной готовности различные комплексы психофизиологических изменений.

Полученные материалы, свидетельствующие о существовании противоположных типов вегетативного реагирования, согласуются с выводами других исследователей, рассматривающих проблему регуляции ФС в контексте индивидуальных различий. Так, в ряде работ представлены данные о зависимости характера реагирования на когнитивную нагрузку от индивидуальных особенностей

субъекта. При этом выделяются два крайних типа реагирования на нагрузку: по симпатическому типу, с одновременным ростом тонической активности скелетной мускулатуры и парасимпатическому типу, с синхронным снижением тонуса скелетных мышц [2]. Показано также, что два противоположных типа вегетативного реагирования на когнитивную нагрузку можно выделить по параметрам сосудистой и дыхательной модуляций сердечного ритма [4]. При этом усиление данных модуляций в процессе выполнения задания, сочетающееся со снижением ЧСС, рассматривается как активация ориентировочно-исследовательской деятельности, тогда как подавление влияний сосудистого и дыхательного модуляторов на фоне увеличения ЧСС - как проявление защитного поведения. Важно отметить, что изменений соотношения сосудистого и дыхательного компонентов сердечного ритма зависит от вида когнитивной нагрузки и уровня личностной тревожности субъекта [4]. В другом исследовании показано, что характер психофизиологических реакций могут определять не только психологические особенности субъекта и содержание когнитивной задачи, но и эффективность ее решения [6]. Индивидуальные особенности вегетативного реагирования по симпатическому или по парасимпатическому типу на различные лабораторные стрессоры, в том числе и когнитивные нагрузки, выявлены у детей дошкольного и школьного возраста [11, 12, 13]. Сходные комплексы вегетативных реакций при выполнении когнитивного задания с комфортной скоростью наблюдались нами у мальчиков и девочек 11-12 лет [7].

Необходимо подчеркнуть, что первый тип вегетативного реагирования рассматривается как повышенная готовность индивида к действию, а второй, наоборот, как низкая готовность испытуемого к активным формам поведения [2]. В то же время отсутствие существенных различий в реакциях детей, отличающихся по типу вегетативного реагирования, на напряженную когнитивную нагрузку, реализуемую с максимальной скоростью, по-видимому, связано с проявлением «эффекта потолка», характеризующегося тем, что специфика психофизиологической реактивности может нивелироваться вследствие исчерпания потенциала активации при максимальном уровне стресса. Об этом в частности свидетельствует то обстоятельство, что у школьников сравниваемых групп, сдвиги используемых психофизиологических показателей, зарегистрированные в режиме максимального темпа работы, в целом сопоставимы с их изменениями, выявленными другими авторами в условиях выраженной психической напряженности, обусловленной естественными и лабораторными стрессорами [14, 15, 16, 17].

Как было отмечено выше, согласно двухфакторной модели модулирующей системы мозга, специфика ФС определяется, главным образом, балансом и взаимодействием энергетической и эмоциональной субсистем активации [2, 3]. Можно предположить, что устойчивые соотношения этих систем активации, определяют доминирующий тип вегетативного реагирования детей 12-13 лет на различные когнитивные нагрузки. В свою очередь характер взаимодействия рассматриваемых систем активации существенно зависит от ряда факторов, обусловливающих специфику ФС. Это, прежде всего, степень сложности выполняемого задания и успешность его решения, дефицит (или избыточность) времени и информации, мотивация, социальный контекст, повышенная ответственность за результаты деятельности, индивидуально-психологические особенности испытуемых, исходный уровень ФС, величина сенсорной нагрузки, привычный уровень двигательной активности и физическая подготовленность [9, 6, 1, 3, 17, 7]. Вероятно, инди-

видуальные особенности вегетативного реагирования на когнитивную нагрузку определяются совокупным влиянием перечисленных факторов, регулирующих ФС детей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сопоставление индивидуальных сдвигов ФС в ситуации мобилизационной готовности и при выполнении когнитивных заданий с комфортной и максимальной скоростью в условиях дефицита времени, позволило выявить два основных типа вегетативного реагирования на нагрузку. Первый тип - реагирование преимущественно по симпатическому типу, второй - реагирование по парасимпатическому типу.

При первом типе вегетативного реагирования в начале выполнения задания в режиме «автотемп» отмечаются «пиковые» изменения показателей ФС, свидетельствующие о дальнейшем повышении уровня активации ЦНС, сдвиге вегетативного баланса в сторону преобладания активности симпатического отдела ВНС, усилении центральных регуляторных влияний на ритм сердца и стимуляции системной гемодинамики. Необходимо отметить, что у испытуемых с симпатическим типом вегетативного реагирования пиковые изменения рассматриваемых показателей ФС при выполнении когнитивного задания в целом были выше, чем в состоянии мобилизационной готовности.

Для второго типа вегетативного реагирования в начале работы с комфортной скоростью, по сравнению с ситуацией мобилизационной готовности, характерно снижение уровня активации ЦНС, сдвиг вегетативного баланса в сторону усиления активности парасимпатического отдела ВНС, ослабление центральных регуляторных влияний на ритм сердца и системную гемодинамику. В отдельных случаях в процессе выполнения задания уровень активации по ряду показателей снижался даже ниже исходных величин, полученных в состоянии покоя. Важно подчеркнуть, что у испытуемых с данным типом вегетативного реагирования изменения рассматриваемых показателей ФС в процессе работы были ниже, чем в состоянии мобилизационной готовности.

Сравнительное изучение ФС испытуемых с различной реактивностью показало, что у детей с парасимпатическим типом реагирования сдвиги вегетативных показателей активации в ситуации мобилизационной готовности, и, особенно, при работе с комфортной скоростью были ниже, чем у школьников с симпатическим типом реагирования.

В ходе исследования установлено, что доминирующим видом реагирования на «максимальную» когнитивную нагрузку у детей 12-13 лет является комплекс вегетативных реакций по симпатическому типу. Полученные результаты дают основание полагать, что реализация когнитивного задания с максимальной скоростью при наличии «угрозы наказания» 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»).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРА

1. Бодров В.А. Психологический стресс: развитие и преодоление. - М.: ПЭР СЭ, 2006. - 528 с.

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

3. Данилова Н.Н. Психофизиология. - М.: Аспект Пресс, 2008. - 373 с.

4. Данилова Н.Н. Сердечный ритм и информационная нагрузка // Вестн. МГУ. -1995. - Сер.14 (4). - С. 14-27.

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

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

7. Криволапчук И.А., Зайцева Г.А., Чернова М.Б., Баранцев С.А., Полянская Н.В. Уровень выносливости как фактор, детерминирующий психофизиологическую реактивность детей 11-12 лет в условиях информационной нагрузки // Новые исследования. - 2014. - № 4. - С. 59-66.

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

9. Федоров Б.М. Стресс и система кровообращения. - М.: Медицина, 1990. -320 с.

10. Шлык Н.И. Сердечный ритм и тип регуляции у детей, подростков и спортсменов. -Ижевск: Изд-во Удмуртский университет, 2009. - 259 с.

11. 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. Р. 411-422.

12. 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. - Р. 144-150.

13. 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). -Р. 918-931.

14. Hare T.A., Tottenham N., Galvan A. Voss H.U., Glover G.H., Casey B.J. Biological substrates of emotional reactivity and regulation in adolescence during an emotional go-nogo task // Biol. Psychiatry. - 2008. - № 63(10). - Р. 927-934.

15. Low C.A., Salomon K., Matthews K.A. Chronic life stress, cardiovascular reactivity, and subclinical cardiovascular disease in adolescents // Psychosom. Med. -2009. - № 71(9). - Р. 927-931.

16. Spear L.P. Heightened stress responsivity and emotional reactivity during pu-bertal maturation: Implications for psychopathology // Dev Psychopathol. - 2009. -21(1): 87-97.

17. Wolff B.C., Wadsworth M.E., Wilhelm F.H., Mauss I.B. Children's vagal regulatory capacity predicts attenuated sympathetic stress reactivity in a socially supportive context: Evidence for a protective effect of the vagal system // Dev Psychopathol. -2012. - № 24(2). - Р. 677-689.