Типология вегетативной адаптации к когнитивной нагрузке по динамике вариабельности сердечного ритма

Исследованы особенности динамики вариабельности сердечного ритма при решении когнитивных задач. У добровольцев проводили оценку функционального состояния по показателям сенсомоторных реакций, а затем регистрацию кардиоинтервалов до, во время и после решения задач. При анализе сердечного ритма выявлено два типа вегетативной адаптации к когнитивной деятельности: первый характеризуется снижением индекса напряжения (по Баевскому, 1984) и увеличением вариабельности сердечного ритма во время решения задач, наряду с увеличением суммарной спектральной мощности регуляторных влияний на ритм сердца; второй — большей вариабельностью ритма сердца, более высокой мощностью регуляторных влияний перед нагрузкой и увеличением индекса напряжения во время нагрузки при отсутствии других значимых изменений. Для данных типов вегетативной адаптации выявлены различные корреляционные связи между показателями сенсомоторных реакций и вариабельности сердечного ритма.

Введение

Успешность умственной, когнитивной деятельности во многом зависит от условий кровоснабжения и возбудимости головного мозга. Объемная скорость мозгового кровотока у здорового человека в значительной степени определяется сердечным выбросом (Ritz et al., 2013). Регуляция работы сердца тесно сопряжена с работой различных нейрогуморальных контуров, поддерживающих ряд констант крови (артериального давления, насыщения крови кислородом и др.) и обеспечивающих адаптацию организма к стрессовым факторам. Активность таких контуров проявляется в вариабельности сердечного ритма (ВСР) (Баевский и др., 2001; Котельников и др., 2002), что отражает процессы саморегуляции различных гомеостатических функциональных систем и способность к адаптации во время нагрузок (McCraty, Shaffer, 2015). Ведущий уровень центрального контура регуляции сердечного ритма включает механизмы коркового контроля (Баевский и др., 2001; Thayer, Lane, 2009). С другой стороны, афферентация от рецепторов висцеральных контуров оказывает влияние на активность коры головного мозга. Имеются данные о связи кардиосинхронной висцеральной афферентации с электрофизиологическими проявлениями мозговой деятельности (ЭЭГ, вызванными потенциалами) (Каплан, Шишкин, 1992). Проблема проявления нейровисцерального взаимодействия в динамике ВСР при когнитивной деятельности окончательно не решена и продолжает привлекать внимание исследователей (Каплан, Шишкин, 1992; Мартынова и др., 2011; Jennings et al., 2015; Thayer, Lane, 2009). Опубликованные данные об изменениях ВСР при когнитивной или информационной нагрузке разноречивы: во время решения умственных задач может возникать как снижение, так и увеличение вариабельности (Бань, Загородный, 2010; Данилова, Астафьев, 1999); в одних работах выявлена положительная, в других — отрицательная связь между вариабельностью ритма сердца и успешностью когнитивной деятельности (Джебраилова и др., 2013; Elliot et al., 2011 ; Stenfors et al., 2016; Tsunoda et al., 2016). Исходя из межиндивидуальных различий тонической активности автономной (вегетативной) нервной системы и ее влияния на ритм сердца (Шлык, Сапожникова, 2008; Takada et al., 2009), логично допустить наличие нескольких типов вегетативной адаптации к умственному труду. Существует несколько подходов к классификации вегетативного управления использованием показателей ВСР в покое и при функциональных пробах: исходя из соотношения активности симпатического и парасимпатического отделов (Ларионова, Викулов, 2005; Ноздрачев и др., 1991) или преобладания центрального или автономного контура регуляции ритма сердца (Шлык, Сапожникова, 2008; 2012). Однако в литературе представлено небольшое число исследований, в которых классификация вегетативных механизмов адаптации основана на динамике перестроек вегетативной регуляции сердечного ритма во время умственной деятельности (Данилова и др., 1994; Ларионова, Викулов, 2005). На наш взгляд, оценка динамических изменений при проведении обследования с учетом наличия ориентировочной реакции в начале и смены мотивационного состояния после выполнения когнитивных тестов дает более полное представление об индивидуальных особенностях адаптации к мыслительной деятельности. Задачи настоящей работы состояли в следующем: 1) классификация способов вегетативной адаптации к когнитивной нагрузке с учетом динамики регуляции сердечного ритма, 2) выявление особенностей изменений вариабельности сердечного ритма во время когнитивной деятельности и их связи с показателями функционального состояния у лиц выделенных нами типов.

Метод

Обследовано 24 здоровых добровольцев-правшей (11 мужчин, 13 женщин) в возрасте 18—34 года, средний возраст — 21±0.7 лет (медиана возраста: 22 года). Исследование начинали с опроса исследуемого для оценки его физического состояния (субъективного ощущения бодрости, отсутствия голода, усталости, боли, сонливости), статуса здоровья (отсутствия неврологических расстройств и нескорректированных нарушений остроты зрения). В дальнейшем обследовании участвовали испытуемые, не испытывавшие физического и психического дискомфорта, не имевшие неврологических заболеваний и регулярных интенсивных спортивных тренировок. Далее регистрировали ЭКГ (I отведение, 3 минуты), затем психофизиологические показатели функционального состояния. Регистрацию всех данных выполняли с помощью диагностического комплекса «Психотест» (Нейрософт, Иваново) в положении сидя, с открытыми глазами, в тихой обстановке. Использовали методики: теппинг-тест, выполнение простой зрительно-моторной реакции, зрительно-моторной реакции выбора, реакции на движущийся объект. Теппингтест состоял в быстром нанесении постукивающих ударов карандашом-датчиком в течение 30 с. Анализировали среднюю частоту ударов за пятисекундные интервалы теста и коэффициент утомления, равный отношению разности числа точек в первом и последнем интервалах к числу точек в первом интервале. При выполнении простой зрительно-моторной реакции от исследуемого требовалось максимально быстро нажать на кнопку пульта при вспышке красного цвета. При выполнении реакции выбора требовалось максимально быстро нажать на одну кнопку пульта при вспышке красного цвета и на другую кнопку при вспышке зеленого цвета. В этих тестах регистрировали латентный период от появления вспышки до нажатия на кнопку (время реакции) и число ошибок (преждевременных нажатий кнопки и пропусков сигнала). Интервалы времени между предъявлениями — равно распределенные случайные величины в диапазоне от 800 до 2000 мс (для простой реакции) или до 2500 мс (для реакции выбора). При выполнении задачи на отслеживание движущегося объекта от испытуемого требовалось максимально быстро нажать на кнопку пульта при совмещении движущегося с угловой скоростью 180 гр/c сектора круга на экране монитора с линией-маркером. Между предъявлениями не было временных промежутков, в каждой пробе положение начала сектора и линии-маркера было новым. Анализировали долю точных реакций (правильного совмещения с маркером), опережающих и запаздывающих реакций. Во всех зрительно-моторных тестах было по 20 предъявлений стимулов.

Далее в течение 30 мин исследуемому устанавливали ЭЭГ-электроды и производили регистрацию ЭЭГ в положении сидя, в покое, с закрытыми и открытыми глазами (в данной работе данные ЭЭГ не использовали). После этого исследуемый выполнял когнитивные задания в виде решения пространственно-образных, логических и арифметических задач. Задачи предъявляли на бумажном носителе, поочередно (по 10 задач каждого вида, сопоставимой сложности). При решении пространственно-образной задачи требовалось сравнить две пространственные фигуры, видимые под разными углами, и решить, одинаковы ли они. Логическая задача представляла собой оценку некоего высказывания на основании предложенных вариантов истинных и ложных логических следствий из него. Арифметические задачи состояли из последовательности нескольких арифметических действий, которые требовалось проделать в уме (пример: (13*5+21)*5=?). Во время решения задач и через одну минуту после окончания когнитивной нагрузки осуществляли запись ЭКГ в течение трех минут.

Для оценки вариабельности сердечного ритма анализировали следующие показатели: а) статистические: ЧСС (уд./мин), коэффициент вариации (КВ) — отношение среднего квадратичного отклонения к среднему значению в выборке кардиоинтервалов (%); долю (%) последовательных кардиоинтервалов, различие между которыми превышает 50 мс (показатель pNN50 (Malik et al., 1996); б) геометрические: индекс вегетативного равновесия (ИВР), равный отношению амплитуды моды гистограммы распределения кардиоинтервалов к вариационному размаху (разности между максимальным и минимальным кардиоинтервалами в выборке); индекс напряжения регуляторных систем (стресс-индекс) (Баевский и др., 2001; Баевский и др., 1984); соответствующие международным стандартам триангулярный индекс (ТИ), равный отношению общего числа кардиоинтервалов к амплитуде моды, и индекс три- ангулярной интерполяции (ИТИ), отражающий ширину гистограммы (Malik et al., 1996); в) спектрального анализа — значения мощности спектра в диапазонах частот (согласно международным стандартам (Malik et al., 1996): суммарной (Total Power — TP), мс2, равной сумме спектральных мощностей в высокочастотном (0,15 — 0,4 Гц), низкочастотном (0,04 — 0,15 Гц) и очень низкочастотном диапазонах (0,003 — 0,04 Гц) (Malik et al., 1996), а также доли мощностей в высокочастотном (High Frequency — HF) и низкочастотном (Low Frequency — LF) диапазонах от суммарной мощности (%), и их соотношение (по этому показателю статистически значимые изменения не наблюдались; его величина далее не приводится); г) скаттеро- графический: длина продольной оси скаттерограммы. Для вычисления спектральных показателей ВСР проводили интерполяцию кривой RR-интервалов с шагом дискретизации 0,25 с. Спектр RR-кривой вычисляли с помощью быстрого преобразования Фурье.

Следуя традиционной схеме анализа данных, проверяли гипотезу о нормальности распределений зарегистрированных показателей с помощью критерия Шапиро—Уилка. Так как половину распределений сенсомоторных показателей функционального состояния и более четверти распределений показателей ВСР не было оснований считать нормальными, дальнейший анализ проводили с использованием непараметрических тестов: Манна— Уитни (в тексте обозначен как U), парного критерия Вилкоксона (в тексте обозначен как W) и теста знаков (в тексте обозначен как S), непараметрического корреляционного анализа (критерий Спирмена), а также теста сравнения дисперсий Брауна—Форсайта (в тексте обозначен как BF). Статистически значимыми считали различия на уровне р<0,05. Использовали программу STATISTICA (v.10.0).

Результаты

Активность автономной (вегетативной) системы, обеспечивающей адаптацию организма к когнитивной деятельности, оценивали по вариабельности сердечного ритма. В качестве одного из наиболее информативных комплексных показателей, учитывающих активацию как симпатического, так и парасимпатического отделов автономной нервной системы, использовали индекс напряжения регуляторных систем (ИН) (Баевский и др., 1984; Бань, Загородный, 2010). По динамике ИН при переходе к когнитивной деятельности мы разделили участников исследования на две группы: в первой наблюдалось снижение ИН во время нагрузки по сравнению с исходным состоянием, во второй — повышение. Данные представлены в табл. 1, в которой приведены как традиционно применяемые меры центральной тенденции — средние значения, так и формально более подходящие для используемых непараметрических статистических тестов медианы. Большинство показателей сердечного ритма, зарегистрированных перед нагрузкой, в данных группах были различными. Так, у исследуемых из второй группы значения ИН и ИВР были статистически значимо более низкими (тест U, p=0,013 и p=0,024), а величины КВ, ТИ, длины продольной оси
скаттерограммы, суммарной спектральной мощности регуляторных влияний более высокими (тест U, р=0,006, р=0,038, р=0,005, р=0,005 соответственно) по сравнению с участниками из первой группы (табл. 1). Для второй группы также была обнаружена статистически значимо большая вариабельность ИТИ и доли низкочастотного спектрального компонента, чем в первой группе (тест BF, p=0,013 и p=0,019) (табл. 1).

При когнитивной нагрузке у исследуемых из первой группы наблюдались статистически значимые изменения большинства показателей: снижение ИН и ИВР (W-критерий, p=0,001 и p=0,013), увеличение ТИ, ИТИ, КВ, длины продольной оси скаттерограммы, суммарной спектральной мощности (W-критерий, p=0,014, p=0,016, р=0,014, р=0,001, р=0,001 соответственно) (табл. 1). У 71% участников этой группы повышался pNN50.

У исследуемых из второй группы во время нагрузки отмечалось только повышение ИН (W-критерий, p=0,005). Статистически значимых изменений остальных показателей при нагрузке в этой группе не обнаружено (табл. 1). Однако при анализе индивидуальной динамики показателей сердечного ритма мы заметили преимущественное снижение следующих показателей во время нагрузки: суммарной спектральной мощности у 90%, ИТИ у 70% и ТИ у 60% участников из второй группы.

Сдвиги вариабельности ритма сердца после прекращения когнитивной деятельности наблюдались только в первой группе. По сравнению с показателями, зарегистрированными при нагрузке, у обследованных этой группы в конце эксперимента статистически значимо снижались ИН и ЧСС, повышался ТИ (W-критерий, р=0,001, p=0,019, p=0,035 соответственно) (табл. 1). Большинство показателей в этот период у них также отличались от исходных (перед нагрузкой): коэффициент вариации, ТИ, длина продольной оси скаттерограммы, суммарная спектральная мощность регуляторных влияний были статистически значимо выше (W-критерий, р=0,014, p=0,002, р=0,001, p=0,001 соответственно), а ЧСС, ИН, ИВР и доля спектральной мощности в низкочастотном диапазоне — ниже (W-критерий, р=0,008, p=0,001, р=0,016, p=0,016 соответственно) (табл. 1). В этом состоянии по сравнению с предыдущими у исследуемых данной группы отмечается наиболее низкое значение ИН и наиболее высокое значение триангулярного индекса.

Во второй группе статистически значимых изменений вариабельности сердечного ритма после нагрузки не обнаружено. Наблюдалось лишь снижение ЧСС (W-критерий, р=0,011) (табл. 1). При анализе индивидуальной динамики показателей отмечено уменьшение суммарной спектральной мощности у 75% человек из этой группы, а у двух испытуемых — ее увеличение до значений более 15000 мс2.

При сравнении психофизиологических показателей функционального состояния участников выделенных групп статистически значимых различий не обнаружено (табл. 2). Для оценки связи между психосоматическими реакциями и вегетативными влияниями на сердечный ритм мы провели корреляционный анализ между характеристиками сенсомоторных реакций и показателями ритма сердца, зарегистрированными перед когнитивной гiакру.лкон. В первой группе исследуемых получены статистически значимые отрицательные корреляции между долей высокочастотного компонента спектра (HF%) и показателями скорости зрительно-моторных реакций — средним временем простой реакции (г=-0,67, н=14, р=-).0()9). средним квадратичным отклонением времени реакции выбора (г=-0,59, п=14, p=0.027). В этой группе лшюкс обнаружены статистически значимые корреляционные связи между средним квадратичным отклонением времени простой зрительно-моторной реакции и показателями вариабельности ритма сердца: индексами напряжения и вегетативного рнимювссня (г=0,55, н=14, р^-МИЗ и г=0,56,

Таблица 1

Показатели вариабельности сердечного ритма перед, во время и после когнитивной нагрузки
(в каждой ячейке в верхней строке представлены среднее значение ± ошибка среднего,
в нижней — медиана, нижний и верхний квартили распределений)

Примечание: 1) статистически значимые межгрупповые различия обозначены: «*» — различия медиан (тест U), @ — различия дисперсий (тест BF); 2) статистически значимые различия между показателями, зарегистрированными у одних и тех же лиц в разных состояниях (W-критерий): а — отличие от показателя, зарегистрированного перед нагрузкой, b — отличие от показателя, зарегистрированного во время нагрузки. Один знак: p<0,05, два — p<0,01, три — p<0,001. n=14, p=0,039 соответственно), ЧСС (r=0,57, n=14, р=0,035), длиной продольной оси скаттерограммы (r=-0,55, n=14, p=0,043) — и корреляции числа ошибок при этой зрительно-моторной пробе с ЧСС (r=0,55, n=14, p=0,040). Коэффициент утомления в теппинг-тесте статистически значимо коррелировал c ЧСС (r=-0,55, n=14, р=0,043)ир№К5О(г=О,63, n=M. р=0,015).

Во второй группе исследуемых также получены статистически значимые отрицательные корреляции между долей спектральной мощности в высокочастотном диапазоне и показателями скорости зрительно-моторных реакций — средними значениями времени простой реакции и реакции выбора (r=-0,70, n=10, p=0,024 и -0,73, n=10, p=0,017 соответственно), числом ошибок при реакции выбора (r= 0,79, n=10, p=0,007). Последний показатель также был связан с pNN50 (r=0,70, n=10, p=0,023) в этой группе.

Таблица 2

Показатели функционального состояния перед когнитивной нагрузкой (в каждой ячейке в верхней строке представлены среднее значение ± ошибка среднего, в нижней — медиана, нижний и верхний квартили распределений)

Эффективность решения когнитивных задач по критериям времени и правильности решения практически не различалась в выделенных группах. Статистически значимые различия были получены лишь для времени решения правильно решенных логических заданий: исследуемые из первой группы выполняли такие задания быстрее (тест S, р=0,025). Медиана, среднее время, ошибка средней этих выборок для первой и второй групп составили 15,7; 19,18; 1,41 и 21,0; 22,57; 1,43 соответственно.

Обсуждение

Системный подход к организации поведения и принцип активности предполагают проявление индивидуальных особенностей в работе сложившейся функциональной системы поведенческого акта как на стадии подготовки к нему, так и на каждом этапе реализации (Крылов, Александров, 2011). Важным компонентом любой функциональной системы является перестройка вегетативных регуляторных влияний, направленных на поддержание деятельности интенсивно работающих органов. Чувствительным индикатором таких перестроек может служить сердечный ритм, в управлении которым через эфферентные пути автономной нервной системы участвуют центры различных уровней головного мозга, включая префронтальную зону коры больших полушарий (Баевский и др., 2001; McCraty, Shaffer, 2015; Thayer, Lane, 2009). Таким образом, динамика вариабельности сердечного ритма во время какой-либо трудовой деятельности отражает адаптивные возможности и может служить прогностическим маркером успешности достижения результата, включающей не только точность и скорость выполнения задания, но и энергетические затраты, а также скорость восстановления показателей функционирования организма после завершения работы (Дегтярев и др., 2009). Исходя из сказанного, типология вегетативной адаптации по характеру перестроек в управлении сердечным ритмом значима для оптимизации условий труда и отдыха с учетом индивидуальных физиологических особенностей субъекта. Наиболее важной деятельностью для человека в современном мире является умственная, включающая когнитивные процессы. В психологии и психофизиологии понятия «умственная» и «когнитивная» деятельности часто используются совместно, когнитивная деятельность участвует в организации умственной и связана с решением объективных задач с участием памяти, внимания, мышления, требующих умственных усилий (Taylor et al., 2016).

Анализ динамики вариабельности ритма сердца во время когнитивной нагрузки позволил нам выявить два типа адаптации вегетативных регуляторных механизмов к нагрузке. Основой для классификации послужило изменение индекса напряжения регуляторных систем — интегрального показателя, учитывающего степень активации как симпатических, так и парасимпатических влияний на ритм сердечных сокращений. Для участников из первой группы было характерно снижение ИН во время нагрузки, что предполагает увеличение доли парасимпатических влияний и снижение уровня симпатических влияний на сердечный ритм. С этим предположением согласуется и изменение других индексов в данной группе во время когнитивной деятельности: снижение индекса вегетативного равновесия, увеличение триангулярного индекса и индекса триангулярной интерполяции. В этой группе также возрастали коэффициент вариации, длина продольной оси скаттерограммы — такого рода динамика показателей, основанных на оценке дисперсии, отражает увеличение вариабельности сердечного ритма. У большинства обследованных из первой группы при нагрузке увеличивался показатель pNN50, наиболее специфично отражающий уровень парасимпатических влияний на ритм сердца. Известно, что симпатическая активация обеспечивает, в первую очередь, генерализованную мобилизацию ресурсов организма, а парасимпатическая — локальную адаптацию отдельных органов и систем, специфично по отношению к их вовлечению в текущую деятельность (Ноздрачев и др., 1991). В частности, быстрые изменения выраженности влияний блуждающего нерва на сердечный ритм могут свидетельствовать о высокой чувствительности автономного контура регуляции ритма сердца к импульсации от баро- и хеморецепторов, способствующие оптимальному согласованию работы дыхательной и сердечно-сосудистой систем (Hayano, Yasuma, 2003). Увеличение активности автономного контура регуляции при умственной нагрузке подверждают данные Pfurtscheller et al. (2007) о снижении ЧСС при увеличении сложности когнитивной задачи. Кроме того, смена стимулов вызывает поочередное замедление-ускорение частоты сокращений сердца (Каплан, Шишкин, 1992; Jennings et al., 2015), связанное с ожиданием нового стимула и его последующим восприятием, что может также увеличивать вариабельность сердечного ритма. При этом адаптация к деятельности у испытуемых первой группы сопровождалась увеличением суммарной спектральной мощности регуляторных влияний, что свидетельствует об активации психофизиологических ресурсов. После завершения решения задач у исследуемых первой группы ИН и ЧСС снижаются, триангулярный индекс возрастает. В этом состоянии вариабельность сердечного ритма максимальна, а ЧСС и доля низкочастотных волн в суммарной спектральной мощности регуляторных влияний ниже по сравнению с исходным состоянием. Данный факт свидетельствует об уменьшении симпатических влияний на сердечный ритм, что, вероятно, обусловлено снижением психоэмоционального напряжения в связи с окончанием обследования. Заметим, что у исследуемых первой группы ЧСС была относительно высокой не только во время нагрузки, но и перед ней, что характеризует умеренно повышенную активность симпатического отдела (Машин, 2011). Такая активность необходима для экономичной регуляции сердечного ритма во время нагрузки, и ее реализация перед нагрузкой формирует опережающую адаптацию.

У исследуемых второй группы ИН во время нагрузки возрастал по сравнению с исходным состоянием, а суммарная спектральная мощность снижалась. Остальные показатели ритма сердца в этой группе не изменялись при решении задач, а также после нагрузки, что, по-видимому, свидетельствует, о низкой лабильности адаптивных процессов. В начале эксперимента, перед нагрузкой, у исследуемых второй группы по сравнению с первой наблюдались пониженные значения индексов напряжения вегетативного равновесия и более высокие триангулярный индекс и индекс триангулярной интерполяции, а также большие величины коэффициента вариации, длины продольной оси скаттерограммы - подобная динамика отражает большую вариабельность сердечного ритма. Наряду с этим у них была значительно выше общая мощность регуляторных влияний, что свидетельствует об избыточной активации вегетативных ресурсов, по-видимому, в связи с ориентировочной реакцией на ситуацию обследования. Аргументом в пользу данного предположения служит снижение суммарной спектральной мощности при переходе от новизны ситуации обследования к конкретной деятельности и, соответственно, уменьшении интенсивности ориентировочной реакции. После нагрузки у 75% участников из этой группы суммарная спектральная мощность еще больше снижалась, что может отражать снижение возбудимости ЦНС в условиях завершения деятельности. При нагрузке значения ИН и суммарной спектральной мощности у обследованных из второй группы приближались к значениям, характерным для первой группы. Изменений других показателей регуляторных влияний на сердечный ритм при переходе к когнитивной нагрузке и после завершения решения задач в этой группе не происходило. Не наблюдалось различий ЧСС до и после нагрузки, что может свидетельствовать о преобладании трофотропной регуляции сердечного ритма в состоянии перед нагрузкой (Машин, 2011), не способствующей быстрой активации системы кровообращения во время когнитивной деятельности. Согласно трехфакторной модели регуляции сердечного ритма, для трофотропного типа поведения характерны и высокие значения среднего квадратичного отклонения выборки кардиоинтервалов, производным показателем которого является коэффициент вариации. У лиц второй группы коэффициент вариации перед нагрузкой был выше по сравнению с участниками первой группы и до конца обследования оставался высоким. Такая стабильность механизмов регуляции, очевидно, снижает возможность адаптации к быстро изменяющимся условиям среды. Отсутствие статистически значимых межгрупповых различий во время и после нагрузки свидетельствует о протекании когнитивной деятельности у исследуемых второй группы в условиях слабо выраженных адаптивных перестроек. Большая дисперсия отдельных показателей ритма сердца в состоянии до, во время и после нагрузки, характерная для данной группы, позволяет предположить формирование индивидуальных способов компенсации недостаточности механизмов вегетативной адаптации к психически напряженной деятельности. Сделанные нами предположения о большей адаптивности к когнитивной нагрузке у лиц первой группы по сравнению со второй согласуются с данными Даниловой, Астафьева (Данилова, Астафьев, 1999) о динамике индекса напряжения у участников, с разной успешностью решавших арифметические задачи. У решавших более успешно индекс напряжения перед нагрузкой был значительно выше по сравнению с остальными испытуемыми, а во время решения задач он статистически значимо снижался.

Отсутствие межгрупповых различий по показателю HF (%), на наш взгляд, свидетельствует об однотипных механизмах управления в пределах автономного контура регуляции сердечного ритма. Следовательно, выявленные нами особенности динамики показателей ВСР при когнитивной нагрузке относятся преимущественно к центральному контуру регуляции, более тесно связанному с организацией адаптивного поведения (Баевский и др., 2001).

Аналогичные типы реакций на когнитивную нагрузку были выявлены у спортсменов в исследовании Ларионовой, Викулова (Ларионова, Викулов, 2005). По данным авторов, у лиц одной группы при решении арифметических задач наблюдались снижение индекса напряжения, ИВР, повышение-дисперсии кардиоинтервалов, в то время как другая группа спортсменов характеризовалась изменениями противоположной направленности. В состоянии покоя у испытуемых первой группы по сравнению со второй были обнаружены более высокие значения индекса напряжения, ИВР, наряду с меньшими значениями показателей дисперсии и ТР, что совпадает с описанными нами характеристиками. Однако в работе Ларионовой, Викулова были зарегистрированы статистически значимые сдвиги показателей ВСР при нагрузке, с том числе и спектральных, у лиц обеих групп, в то время как в нашем исследовании во второй группе отмечалось отсутствие изменений значений большинства показателей ВСР, и в обеих группах не происходило статистически значимых изменений доли высокочастотных и низкочастотных компонентов спектра. Мы полагаем, что различия данных, полученных нами и Ларионовой, Викуловым, связаны с разным уровнем физической тренированности обследованных. Об этом также свидетельствуют низкие значения индекса напряжения у спортсменов перед когнитивной нагрузкой (60,65 ± 18,98 в первой группе и 35,56±19,81 во второй) (Ларионова, Викулов, 2005). По-видимому, спортивная подготовка существенно изменяет механизмы вегетативных реакций, что отражается и в характере перестроек сердечного ритма при других видах деятельности, в частности, умственной.

В работе Даниловой и др. (1994) также описаны два типа перестроек ВСР при когнитивной нагрузке по знаку изменений величины стандартного отклонения по сравнению с состоянием перед нагрузкой. Для одной группы испытуемых, показатели ВСР которых характеризовались увеличением стандартного отклонения, было выявлено снижение ИН при решении арифметических задач, а для участников второй группы — увеличение ИН, что согласуется с полученными нами данными. Авторы выявили различия в личностной тревожности у испытуемых выделенных групп (Данилова и др., 1994). Такие результаты свидетельствуют о взаимосвязи организации управления сердечным ритмом с психическими характеристиками и являются подтверждением концепции нейровисцеральной интеграции (Thayer, Lane, 2009), учитывающей корково-лимбические влияния на стволовые центры управления сердечным ритмом.

Психические возможности выполнения когнитивной деятельности у обследованных из выделенных нами групп не различались по стандартным психофизиологическим показателям уровня функционального состояния. В каждой группе скорость зрительно-моторных реакций коррелировала с активностью автономного контура регуляции ритма сердца, выраженной в доле высокочастотных волн, что говорит о связи чувствительности центра влияний блуждающего нерва на ритм сердца с функциональным состоянием и согласуется с данными других исследований (Capuana et al., 2014). Однако были выявлены и групповые особенности взаимодействий между эффективностью психомоторных тестов и вегетативным статусом организма: так, результаты анализа полученных данных свидетельствуют о наличии положительной взаимосвязи величины дисперсии времени простой зрительно­моторной реакции со степенью стабилизации сердечного ритма в первой группе испытуемых, а также о положительной корреляции числа ошибок при ее выполнении с ЧСС и, следовательно, о негативном влиянии избыточного психо-эмоционального напряжения на выполнение теста. С другой стороны, высокий уровень ЧСС и снижение выраженности парасимпатических влияний (по показателю pNN50) в данной группе связано с возможностью длительно сохранять высокий темп работы в теппинг-тесте. Это свидетельствует о возможности достижения у лиц данной группы оптимального баланса симпатических и парасимпатических влияний на сердечный ритм, когда человек может работать с высокой скоростью и минимальным количеством ошибок.

Во второй группе обследованных большая активность парасимпатических влияний (по показателям доли спектральной мощности в высокочастотном диапазоне и pNN50) связана с большим числом ошибок при реакции выбора, требующей по сравнению с простой сенсо­моторной реакцией большего вовлечения когнитивных процессов в оценку предъявляемого стимула. Следовательно, адаптация к нагрузке за счет возрастания парасимпатических влияний на сердечный ритм у лиц, относящихся ко второй группе, может привести к возрастанию ошибок при задачах, требующих сравнения стимулов наряду с быстрым принятием решения.

Таким образом, функциональное состояние у обследованных из выделенных групп определяется различными механизмами вегетативного обеспечения психической деятельности.

Выводы

На основе динамики индекса напряжения регуляторных систем организма выделены два типа перестроек вегетативной регуляции сердечного ритма во время когнитивной нагрузки.

Первый тип характеризуется снижением индекса напряжения и увеличением вариабельности сердечного ритма при когнитивной нагрузке наряду с увеличением суммарной спектральной мощности регуляторных влияний на ритм сердца; второй — увеличением индекса напряжения при отсутствии существенных изменений других показателей сердечного ритма.

Для выделенных типов характерны различные корреляционные зависимости между показателями сенсомоторных реакций и вариабельности сердечного ритма.

1. Баевский Р.М., Иванов Г.Г., Чирейкин Л.В., Довгалевский П.Я., Кукушкин Ю.А., Миронова Т.Ф., Прилуцкий Д.А., Семенов А.В., Федоров В. Ф., Флейшман А.Н., Медведев М.М. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем (Часть 1) // Вестник аритмологии. 2001. № 24. С. 65—87.
2. Баевский Р.М., Кириллов О.И., Клецкин С.З. Математический анализ изменений сердечного ритма при стрессе // М.: Наука, 1984. 221 с.
3. Бань А.С., Загородный Г.М. Вегетативный показатель для оценки вариабельности ритма сердца спортсменов // Медицинский журнал. 2010. № 4. С. 127—130.
4. Данилова Н.Н., Коршунова С.Г., Соколов Е.Н. Показатели сердечного ритма при решении человеком арифметических задач // Журнал высшей нервной деятельности имени И.П. Павлова. 1994. Т. 44. № 6. С. 932—943.
5. Данилова Н.Н., Астафьев С.В. Изменения вариабельности сердечного ритма при информационной нагрузке // Журнал высшей нервной деятельности имени И.П. Павлова. 1999. Т. 49. № 1. С. 28—38.
6. Дегтярев В.П., Раевская О.С., Шишелова А.Ю., Климина Н.В., Алексанян О.В. Физиология трудовой деятельност: учеб. пособие. М., 2009, ВНУМЦ, 56 с.
7. Джебраилова Т.Д., Коробейникова И.И., Дудник Е.Н., Каратыгин Н.А. Вегетативные корреляты индивидуальных различий временных параметров и результативности интеллектуальной деятельности человека // Физиология человека. 2013. Т. 39. № 1. С. 94—102.
8. Каплан А.Я., Шишкин С.Л. Кардиосинхронные феномены работы мозга: Психофизиологические аспекты // Научные доклады высшей школы. Сер. Биологические науки. 1992. № 10. С. 5—24.
9. Котельников С.А., Ноздрачев А.Д., Одинак М.М., Шустов Е.Б., Коваленко И.Ю., Давыденко В.Ю. Вариабельность ритма сердца: представления о механизмах // Физиология человека. 2002. Т 28. № 1. С. 130—143.
10. Крылов А.К., Александров Ю.И. Методы экспериментального исследования в парадигмах активности и реактивности // Современная экспериментальная психология: в 2 т. / Под ред. В.А. Барабанщикова. М.: Изд-во «Институт психологии РАН», 2011. Т. 1. С. 463—478.
11. Ларионова Е.Л., Викулов А.Д. Некоторые особенности срочной адаптации организма спортсменов к стрессовой нагрузке // Ярославский педагогический вестник. 2005. № 1. С. 45—51.
12. Лоскутова А.Н., Максимов А.Л. Вариабельность сердечного ритма у подростков с различным уровнем активности вегетативной нервной системы при ортостатической пробе // Вестник СВНЦ ДВО РАН. 2013. № 4. С. 104—110.
13. Мартынова О.В., Роик А.О., Иваницкий Г.А. Изменение некоторых показателей функционирования сердечно-сосудистой системы при различных мыслительных операциях // Физиология человека. 2011. Т. 37. № 6. С. 35—41.
14. Машин В.А. К вопросу классификации функциональных состояний человека // Экспериментальная психология, 2011. Т. 4. № 1. C. 40—56.
15. Ноздрачев А.Д., Баженов Ю.И., Баранникова И.А. и др. Общий курс физиологии человека и животных. Физиология висцеральных систем / Под ред. А.Д. Ноздрачева. М.: Высшая школа, 1991. 528 с.
16. Усенко А.Б., Кузьмина К.А. Особенности произвольной саморегуляции поведения младших подростков с разными типами вегетативного реагирования // Психологические исследования. 2012. Т. 5. № 24. С. 1—18.
17. Шлык Н.И., Сапожникова Е.Н. К вопросу о методических подходах к анализу вариабельности сердечного ритма // Педагогико-психологические и медико-биологические проблемы физической культуры и спорта. 2008. Т. 1. № 6. С. 1—17.
18. Шлык Н.И., Сапожникова Е.Н. Анализ вариабельности сердечного ритма и дисперсионного картирования ЭКГ у участников параллельных исследований «Марс-500» с разными преобладающими типами вегетативной регуляции (Ижевская экспериментальная группа) // Вестник Удмуртского университета. Серия «Биология. Науки о Земле». 2012. Вып. 1. С. 109—113.
19. Capuana L.J., Dywan J., Tays W.J., Elmers J.L., Witherspoon R., Segalowitz S.J. Factors influencing the role of cardiac autonomic regulation in the service of cognitive control // Biol Psychol. 2014. Vol. 102. P. 88—97. doi: 10.1016/j.biopsycho.2014.07.015
20. Elliot A.J., Payen V., Brisswalter J., Cury F., Thayer J.F. A subtle threat cue, heart rate variability, and cognitive performance // Psychophysiology. 2011. Vol. 48. № 10. Р. 1340—5. doi: 10.1111/j.1469- 8986.2011.01216.x.
21. Jennings J.R., Allen B., Gianaros P.J., Thayer J.F., Manuck S.B. Focusing neurovisceral integration: Cognition, heart rate variability, and cerebral blood flow // Psychophysiology. 2015 Vol. 52. № 2. P. 214— 224. doi: 10.1111/psyp.12319
22. 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.
23. Malik M., Thomas Bigger J., Camm A.J., Kleiger R.E., Malliani A., Moss A.J., Schwartz P.J. Heart rate variability: standards of measurement, physiological interpretation and clinical use. Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology // Circulation. 1996. Vol. 93. № 5. P. 1043—1065.
24. McCraty R., Shaffer F. Heart Rate Variability: New Perspectives on Physiological Mechanisms, Assessment of Self-regulatory Capacity, and Health Risk // Global advances in health and medicine. 2015. Vol. 4. № 1. P. 46—61.
25. Pfurtscheller G., Grabner R.H., Brunner C., Neuper C. Phasic heart rate changes during word translation of different difficulties // Psychophysiology. 2007. Vol. 44. № 5. P. 807—813.
26. Ritz K., van Buchem M.A., Daemen M.J. The heart-brain connection: mechanistic insights and models // Neth Heart J. 2013. Vol. 21. № 2. P. 55—57. doi: 10.1007/s12471-012-0348-9.
27. Stenfors C.U., Hanson L.M., Theorell T., Osika W.S. Executive Cognitive Functioning and Cardiovascular Autonomic Regulation in a Population-Based Sample of Working Adults // Front Psychol. 2016. Vol. 7: article 1536. P. 1—13. doi: 10.3389/fpsyg.2016.01536
28. Takada M., Ebara T., Sakai Y., Kuwano Y. Stationarity of the heart rate variability by acceleration plethysmography: short-term measurements of healthy young males in daily life // J Hum Ergol (Tokyo). 2009. Vol. 38. № 2. P. 41—50.
29. Taylor L., Watkins S.L., Marshall H., Dascombe B.J., Foster J. The Impact of Different Environmental Conditions on Cognitive Function: A Focused Review // Front Physiol. 2016. Vol. 6: article 372. P. 1—12. doi: 10.3389/fphys.2015.00372
30. Thayer J.F., Lane R.D. Claude Bernard and the heart-brain connection: further elaboration of a model of neurovisceral integration // Neurosci Biobehav Rev. 2009. Vol. 33. № 2. P. 81—88. doi: 10.1016/j. neubiorev.2008.08.004.
31. Tsunoda K., Chiba A., Chigira H., Yoshida K., Watanabe T., Mizuno O. Online estimation of a cognitive performance using heart rate variability // Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2016 P. 761—765. doi: 0.1109/EMBC.2016.7590813.

PlumX

Метрики публикации