«ДИНАМИКА ВЕГЕТАТИВНОЙ РЕГУЛЯЦИИ КАРДИОРИТМА ПРИ КОГНИТИВНЫХ, ЭМОЦИОНАЛЬНЫХ И ФИЗИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. Н.И. ЛОБАЧЕВСКОГО

На правах рукописи

БАХЧИНА АНАСТАСИЯ ВЛАДИМИРОВНА

ДИНАМИКА ВЕГЕТАТИВНОЙ РЕГУЛЯЦИИ КАРДИОРИТМА ПРИ

КОГНИТИВНЫХ, ЭМОЦИОНАЛЬНЫХ И ФИЗИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ

19.00.02 - психофизиология Диссертация на соискание ученой степени кандидата психологических наук

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор С.А. Полевая Нижний Новгород - Оглавление Введение

1. Предпосылки поиска вегетативных маркеров стресса

1.1. Вегетативное обеспечение деятельности

1.1.1. Нервно-гуморальная регуляция сердечного ритма

1.1.2. Вариабельность сердечного ритма как отражение нервно-гуморальной регуляции...... 1.1.3. Динамика вариабельности сердечного ритма (ВСР) при эмоциональных нагрузках..... 1.1.4. Динамика ВСР при когнитивных нагрузках

1.1.5. Динамика ВСР при физических нагрузках

1.2. Психофизиологические маркеры стресса

1.2.1. Вегетативные корреляты активности 3-х стресс регуляторных систем

1.2.2. Значение исследований динамики ВСР при стрессе в контексте естественной деятельности

2. Материалы и методы

2.1. Описание и обоснование структуры выборки

2.2. Телеметрия и беспроводная регистрация сердечного ритма

2.3. Информационные технологии для оценки когнитивных функций

2.4. Психологические опросники и тесты

2.5. Методы фиксации внешнего аудиовизуального контекста

2.6. Методы математического анализа ВСР

2.7. Статистические методы обработки экспериментальных данных

3. Результаты экспериментального исследования динамики вегетативной регуляции кардиоритма в различных лабораторных и естественных контекстах

3.1. Вегетативное обеспечение эмоциональных процессов

3.1.1. Выявление вегетативных коррелятов эмоциональной дезадаптации

3.1.2. Динамика вегетативной регуляции кардиоритма в контексте публичного выступления

3.2. Вегетативное обеспечение когнитивных функций

3.2.1. Анализ динамики ВСР при когнитивных пробах

3.2.2. Особенности вегетативного обеспечения когнитивных функций при нарушении эндогенной опиоидной системы (ЭОС)

3.2.3. Анализ динамики ВСР при информационной нагрузке в виртуальной компьютерной среде

3.2.4. Динамика вегетативной регуляции кардиоритма программистов в течение рабочей смены

3.2.5. Динамика вегетативной регуляции кардиоритма шахматистов в процессе партии........ 3.2.6. Динамика вегетативной регуляции кардиоритма водителей общественного транспорта в контексте рабочей смены

3.3. Вегетативное обеспечение моторных функций

3.3.1. Динамика показателей функционального состояния спортсменов до и после тренировочной нагрузки

3.3.2. Вегетативные предстартовые корреляты профессиональной эффективности................ 3.3.3. Динамика ВСР спортсменов в процессе тренировки

3.3.4. Динамика ВСР специалистов экстремального профиля при тренировке в газоводымовой камере

3.4. Обсуждение результатов

Заключение

Выводы

Список сокращений

Список литературы

Введение Практическая актуальность работы определяется высокой социальной значимостью дезадаптационных процессов человека в условиях естественной деятельности. Медикобиологические исследования указывают на то, что большинство заболеваний человека связано с чрезмерными нагрузками разного характера. Актуально развитие психофизиологических методов раннего обнаружения опасных состояний для предотвращения рисков нарушения здоровья и вероятности принятия ошибочных решений людьми в сложных, экстремальных условиях. Особое значение приобретает проблема поиска психофизиологических маркеров экстремальных состояний человека с учетом разнообразия естественных нагрузок.

Работа посвящена проблеме системной организации психофизиологических процессов при различных оптимальных и экстремальных нагрузках (когнитивных, эмоциональных и физических). Одним из наиболее распространенных экстремальных для организма режимов является стресс. Согласно трехкомпонентной теории экстремальных состояний, стресс – это неспецифическая защитная системная редуцированная реакция организма на повреждение или угрозу повреждения [296; 280]. То есть стресс является принципиально не адаптационным, а дезадаптационным процессом. Фактором запуска стресса (как дезадаптационного процесса) является сигнал о чрезмерном рассогласовании двух образов: текущего и необходимого (или предсказываемого) [285]. Тогда, в соответствии с теорией функциональных систем (ФС) П.К.

Анохина [232], можно предполагать, что возникновение чрезмерного рассогласования в любом из модулей действующей ФС приводит к стресс-активации, реализующей защитный механизм.

(нейрохимических, иммунных, вегетативных и пр.) процессов с целью устранения повреждения или его угрозы [296, 280, 287] и возникает только при отсутствии в структуре индивидуального опыта специализированной программы устранения сигнала о чрезмерном рассогласовании в конкретных условиях. Тогда, экстремальность нагрузки определяется соотношением интенсивности внешнего воздействия с собственными ресурсами и индивидуальным опытом индивида. Поэтому одна и та же нагрузка может являться оптимальной (внутри границ диапазона адаптации) или экстремальной (выходящей за границы диапазона адаптации) для разных людей.

Тогда стресс-факторы, экзогенные или эндогенные стимулы, которые проявляются в функциональной системе как сигнал о чрезмерном рассогласовании, можно разделить в зависимости от блока функциональной системы, в котором возникает чрезмерное рассогласование.

Согласно современным представлениям, вегетативная регуляция кардиоритма отражает уровень адаптационных ресурсов организма, так как ритм сердца является интегративным отображением динамики его энергообеспечения [279; 237]. Одним из самых распространенных и общепринятых методов анализа процесса вегетативного обеспечения деятельности (термин А.М. Вейна, 2003) является оценка вариабельности сердечного ритма (ВСР). Пятидесятилетний опыт изучения ВСР как совокупности характеристик режима вегетативной регуляции демонстрирует чувствительность ВСР к разнообразным изменениям субъективного состояния человека, что согласуется с изначальной идеей Клода Бернара о нейрокардиальных связях [247].

В исследованиях показано, что эмоции, когнитивные процессы и физическая активность жестко связаны с динамикой вегетативной регуляции кардиоритма посредствам общей нейрофизиологической основы. Данный факт подтверждается в первую очередь результатами работ по определению структуры связей между параметрами ВСР и активностью различных нейрональных структур (префронтальная кора, орбитофронтальная кора, поясная извилина, островок, амигдала, гиппокамп, ядра таламуса, ядра гипоталамуса) методами нейровизуализации (fMRI, ПЭТ) [53; 217; 90; 80; 15; 133; 102; 113; 2; 169], а также целенаправленными исследованиями изменения ВСР в контекстах когнитивной, эмоциональной, физической и интегральной нагрузок [185; 186]. Современные исследования предоставляют обширную базу данных по ВСР для разных групп испытуемых в клинических и лабораторных контекстах: больные депрессивными расстройствами, постинсультные больные, страдающие диабетом и др. [85; 49; 127]. Активно исследуются вегетативные корреляты утомления, перенапряжения и разных «видов» стресса: экзаменационного, рабочего и др. [39;

136; 41; 42]. Интеграция имеющихся данных приводит к выводу, что параметры динамики вегетативной регуляции кардиоритма чувствительны к изменениям в эмоциональной, когнитивной и физической активности и информативны для исследования адаптационных и дезадаптационных процессов.

До сих пор в исследовательской практике адаптационные и дезадаптационные процессы человека (в том числе стресс) оцениваются в лабораторном контексте по срезам в покое [125] при обязательном жёстком контроле положения обследуемого (сидя, лёжа) в отсутствии внешних раздражающих стимулов [236]. Однако такой подход сильно сужает область применения методов, так как режимы работы организма человека связаны с целевой функцией и изменяются в широком диапазоне в соответствии с динамикой значимого контекста [279;

233]. Измерения режимов вегетативной регуляции в условиях дозированных лабораторных нагрузок не всегда согласуются с принципом экологической валидности и не позволяют предсказывать особенности вегетативного обеспечения активности человека в условиях разнообразной естественной деятельности [241, 203, 229, 241, 127, 224].

В настоящее время отсутствуют нормативные диапазоны параметров относительно разделения процессов адаптации и дезадаптации, что объясняется также наличием индивидуальных показателей оптимума конкретного организма, которые не всегда совпадают со среднестатистическими результатами, поскольку однотипные адаптационные процессы протекают по-разному в соответствии с условиями, в которых находится человек, и в зависимости от его индивидуальных функциональных резервов. Это актуализирует использование в исследовательской практике не только абсолютных значений параметров, но и их соотношения и направленности изменений.

Развитие методов математической обработки кардиоинтервалограмм закономерно привело к обнаружению большого количества показателей (статистических, геометрических, частотных), которые, с одной стороны, тесно коррелируют друг с другом, делая весь набор избыточным, а с другой - пригодны для интерпретации и оценки кардиосигнала только в стационарных условиях [240]. Важно, что использовавшиеся до настоящего времени методы обработки ритмограмм обладают низким разрешением по времени и не могут быть применены для поиска вегетативных отображений быстрых, краткосрочных когнитивных и эмоциональных процессов.

симпатоадреналовой (САС), гипоталамо-гипофизарно-адреналовой (ГГАС), эндогенной опиоидной (ЭОС) на вегетативную регуляцию сердечного ритма исследовалось независимо друг от друга. Множество работ посвящено влиянию САС и ГГАС на динамику показателей вариабельности сердечного ритма [264; 272; 44]. Однако до сих пор остается открытым вопрос о природе истощения регуляторных ресурсов при стрессе. Есть определенные основания связывать это явление с эндогенной опиоидной системой, как наименее изученным компонентом стресс-активирующих систем [265, 272, 44]. Исследования участия ЭОС в регуляторных процессах, как правило, проводятся на животных с использованием агонистов и антагонистов опиатных рецепторов. Учитывая, что длительное употребление опиатных наркотиков приводит к разрушению рецепторного аппарата ЭОС, то сравнение зависимых от опиатных наркотиков больных с контрольной выборкой здоровых испытуемых может являться одной из экспериментальных моделей в этом направлении, которая позволила бы выделить особенности адаптационных и дезадаптационных процессов при когнитивных, эмоциональных и физических нагрузках, связанные с активностью ЭОС.

Несмотря на то, что знания по определению признаков последовательной смены доминирования и совместного влияния этих систем на динамику вегетативной регуляции чрезвычайно ограничены, имеющиеся данные позволяют прогнозировать наиболее вероятное вегетативное отображение дезадаптационных процессов.

В связи с перечисленным выше, актуально развитие инструментальных методов регистрации психофизиологических характеристик, обеспечивающих персонифицированный мониторинг и дистанционную диагностику без ограничений по продолжительности записи, по расстоянию до источника сигнала и подвижности; развитие нелинейных методов математической обработки нестационарных сигналов, соответствующих по временному разрешению динамике контекста естественной деятельности в многообразной стимульной среде; исследование вегетативных отображений адаптационных и дезадаптационных процессов в условиях естественной деятельности и роли эндогенной опиоидной системы в управлении режимами вегетативной регуляции.

Цель и задачи исследования Выявление закономерностей адаптационных и дезадаптационных процессов при когнитивных, эмоциональных и физических нагрузках.

Объект исследования Люди в контекстах когнитивных, эмоциональных и физических нагрузок разного уровня.

Предмет исследования Особенности вегетативных отображений адаптационных и дезадаптационных процессов при оптимальных и экстремальных когнитивных, эмоциональных и физических нагрузках.

Теоретическая гипотеза Адаптационные и дезадаптационные процессы при когнитивных, эмоциональных и физических нагрузках имеют следующие вегетативные отображения: вегетативное отображение адаптационных процессов характеризуется многообразием динамических режимов кардиоритма, связанных со спецификой нагрузки; вегетативное отображение дезадаптационных процессов при экстремальных нагрузках характеризуется специфическим редуцированным режимом вегетативной регуляции, который инвариантен по отношению к природе нагрузки, индивидуальным и ситуативным особенностям.

Экспериментальная гипотеза Динамика вегетативной регуляции сердечного ритма человека при оптимальных нагрузках отображается в многообразии изменений спектральных показателей вариабельности сердечного ритма, тогда как при экстремальных нагрузках отображается в специфической структуре динамики спектральных показателей вариабельности сердечного ритма, которая не зависит от типа нагрузки и является психофизиологическим маркером острого стресса.

Задачи исследования Для реализации цели исследования были поставлены следующие задачи:

согласованное измерение экзогенного и эндогенного контекстов при когнитивных, эмоциональных и физических нагрузках.

Выявить связь между динамикой вегетативной регуляции кардиоритма и динамикой эмоциональной дезадаптации в процессе суточного мониторирования.

Выявить закономерности динамики вегетативной регуляции кардиоритма в контексте когнитивных нагрузок разного уровня.

Выявить закономерности динамики вегетативной регуляции кардиоритма в контексте физических нагрузок разного уровня.

Сравнить вегетативные отображения адаптационных и дезадаптационных процессов при когнитивных, эмоциональных и физических нагрузках разного уровня.

специфичную для экстремальных нагрузок.

Выявить особенности динамики вегетативной регуляции кардиоритма в группе наркозависимых.

Теоретико-методологические основы исследования Теоретико-методологической основой исследования являются теория функциональных систем (П.К. Анохин), концепция интеграции экзогенных и эндогенных факторов в осознании сенсорных сигналов (С.А. Полевая) и трёхкомпонентная теория экстремальных состояний (С.Б.

Парин).

Научная новизна Впервые предложен и апробирован инструментальный метод регистрации и анализа вегетативных отображений быстрых изменений субъективного состояния в контексте автономного поведения без ограничений по расстоянию и подвижности.

Впервые выявлена связь между циркадными ритмами уровня эмоциональной дезадаптации и вегетативной регуляции. Показано, что устойчивость эмоционального состояния человека в течение суток поддерживается динамическими перестройками режима вегетативной регуляции кардиоритма.

Впервые показана связь между уровнем информационной неопределенности и динамикой сердечного ритма: в контексте информационной неопределенности возрастает уровень дезорганизации сердечного ритма.

Впервые обнаружена и описана специфика вегетативного обеспечения интенсивных физических нагрузок в отличие от эктремальных нагрузок. При экстремальных физических нагрузках наблюдается согласованное по времени снижение общей мощности спектра вариабельности сердечного ритма и возрастание индекса вегетативного баланса, при интенсивных физических нагрузках наблюдается согласованное снижение общей мощности спектра вариабельности сердечного ритма и индекса вегетативного баланса.

дезадаптационных процессов. Вегетативное отображение адаптационных процессов характеризуется многообразием динамических режимов кардиоритма, связанных со спецификой нагрузки. Вегетативное отображение дезадаптационных процессов при экстремальных нагрузках характеризуется специфическим редуцированным режимом вегетативной регуляции (снижением общей мощности спектра вариабельности сердечного ритма, согласованным по времени с возрастанием индекса вегетативного баланса), который инвариантен по отношению к природе нагрузки (воспроизводится при экстремальных когнитивных, эмоциональных и физических нагрузках), индивидуальным и ситуативным особенностям.

Впервые дано экспериментальное и теоретическое обоснование роли эндогенной опиоидной системы в регуляции вегетативного обеспечения когнитивных функций. В контексте когнитивной нагрузки нарушение эндогенной опиоидной системы ведет к снижению адаптивности режима вегетативной регуляции при смене целевой функции.

Научно-практическая значимость трёхкомпонентной теории экстремальных состояний.

В работе представлены новые психофизиологические технологии, созданные на основе интеграции классических психофизиологических методов с методами телеметрии и нелинейной динамики. Эффективность предложенного измерительного комплекса обоснована данными персонифицированного мониторинга и дистанционной диагностики функционального состояния спортсменов, водителей общественного транспорта, инженеров-программистов, учащихся школ и высших учебных заведений в условиях профессиональной деятельности.

Разработанные методы персонифицированного мониторинга кардиоритма защищены патентами РФ (№ 129680, №129681), которые могут быть внедрены в клиническую практику для контроля состояния больных и диагностики кардионарушений, а также в гигиеническую практику мониторинга функционального состояния в процессе трудовой деятельности.

В работе продемонстрирована информативность параметров очень высокочастотного диапазона спектра вариабельности сердечного ритма относительно дифференциальной диагностики функциональных состояний (распознавания стресса и наркозависимости).

Материалы диссертационной работы внедрены в информационно-методическом письме с рекомендациями о применении телеметрических систем измерения кардиоритма для диагностики стресса на рабочем месте, утвержденном на заседании ученого совета Нижегородского научно-исследовательского института гигиены и профпатологии.

функционального состояния человека, а именно в точной идентификации острого стресса.

Положения, выносимые на защиту:

Анализ персонифицированной и среднестатистической динамики вегетативной регуляции в естественных контекстах деятельности позволил установить, что:

1. Отсутствие эмоциональной дезадаптации в течение суток поддерживается динамическими перестройками режима вегетативной регуляции. Адаптационные процессы при оптимальных когнитивных нагрузках отображаются в динамических изменениях режима вегетативной регуляции кардиоритма при смене целевой функции. Таким образом, адаптационные процессы характеризуются динамическим многообразием режимов вегетативной регуляции кардиоритма, которые специализированы к характеру нагрузки.

2. Вегетативное отображение дезадаптационных процессов включает снижение общей мощности спектра вариабельности сердечного ритма, согласованное по времени с возрастанием индекса вегетативного баланса, и характеризуется свойствами неспецифичности относительно природы экстремальной нагрузки и редуцированности, что соответствует характеристикам и динамике процесса стресс-активации.

3. Уровень неопределенности информационных образов отображается в уровне дезорганизации сердечного ритма. Параметры вариабельности сердечного ритма, согласованные по временному масштабу с динамикой когнитивной активности (RRдифференциал, параметры очень высокочастотного диапазона спектра вариабельности сердечного ритма), информативны для исследования вегетативных отображений быстрых когнитивных процессов.

4. Технология регистрации кардиоритма на основе беспроводных сенсорных сетей обеспечивает реализацию принципа экологической валидности в исследовании быстрых изменений субъективного состояния в контексте автономного поведения без ограничений по расстоянию и подвижности.

Апробация работы Результаты диссертационной работы были представлены на заседании секции «Психофизиологии» Российского Психологического Общества (Москва, 6 ноября 2013); на XVI Международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 2012); Всероссийской конференции с международным участием «Функциональная межполушарная асимметрия и пластичность мозга» (Москва, 2012); 4-ом съезде биофизиков России (Нижний Новгород, 2012);

16-м Всемирном конгрессе по психофизиологии (Италия, Пиза, 2012); 3-й Всероссийской научной школе для молодёжи «Нейробиология и новые подходы к искусственному интеллекту и к науке о мозге» (Таганрог, 2012); 12-ой Международной Зимней Психологической школе молодых учёных факультета психологии Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург, 2012); 19-ой Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2012» (Москва, 2012); Всероссийской научной конференции «Экспериментальный метод в структуре психологического знания» (Москва, 2012);

Всероссийской (с международным участием) научно-практической конференции «Спортивная медицина. Здоровье и физическая культура. Сочи-2012» в рамках конгресса «Медицина Спорта» (Сочи, 2012); 11-й Международной научно-практической конференции «Оптимизация учебно-тренировочного процесса» (Нижний Новгород, 2012); Международном симпозиуме «Актуальные вопросы физической реабилитации в спорте высших достижений» (Ереван, 2012);

Международной научно-практической конференции по проблемам физической культуры и спорта государств – участников Содружества Независимых Стран (Минск, 2012); 15-й Всероссийской научно-технической конференции «Нейроинформатика – 2013» (Москва, 2013);

3-й Всероссийской конференции «Нелинейная динамика в когнитивных исследованиях – 2013»

(Нижний Новгород, 2013); 16-й Всероссийской научно-технической конференции «Нейроинформатика – 2014» (Москва, 2014).

Публикации По материалам диссертации опубликовано 26 печатных работ, из которых 6 в рецензируемых отечественных журналах перечня ВАК РФ, два патента на полезную модель.

Структура диссертации Диссертация (139 стр.) состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы (308 источников), включает 17 таблиц, 72 рисунка.

1. Предпосылки поиска вегетативных маркеров стресса Вегетативной нервной системе (ВНС) принадлежит функциональная роль регуляции всех внутренних органов, обеспечение их согласованного взаимосодействия. Ее назначение А.

М. Вейн [252] рассматривает в двух аспектах:

поддержание постоянства внутренней среды организма. Среди показателей внутренней среды существуют крайне жесткие константы, малейшие изменения которых приводят к серьезным нарушениям (рН крови, концентрация ионов и др.), и менее жесткие, колеблющиеся в определенных пределах (артериальное давление, температура тела, уровень содержания сахара в крови и т.д.). Нарушение гомеостаза меняет не только работу организма, но и поведение человека;

деятельности. В период напряженной деятельности происходит активная мобилизация энергетических ресурсов различных физиологических систем (кардиоваскулярной, дыхательной и других). В этой ситуации менее жесткие гомеостатические показатели далеко отклоняются от своего уровня в состоянии покоя. Осуществляется процесс, обратный удержанию гомеостаза, но необходимый для осуществления конкретных форм поведения - вегетативное обеспечение деятельности. Недостаточное или наоборот избыточное обеспечение нарушает поведение человека и обусловливает неоптимальный процесс достижения полезного результата.

Яроша А. А. [308] аналогично выделял две функции ВНС: трофотропная (направлена на поддержание динамического постоянства внутренней среды организма) и эрготропная (вегетативно-метаболическое обеспечение различных форм адаптивного целенаправленного поведения).

Таким образом, вегетативное обеспечение деятельности – это способность ВНС к долговременному поддержанию вегетативной реактивности на определенном уровне, обеспечивающем оптимизацию ресурсообеспечения организма с целью успешного выполнения деятельности.

Активность вегетативного модуля является обязательным сопровождением любой деятельности, исследование вегетативного обеспечения деятельности сводится к регистрации физиологических показателей, отражающих модуляции ВНС. Одним из таких является ритм сердца.

1.1.1. Нервно-гуморальная регуляция сердечного ритма Более 150 лет назад Клод Бернар обозначил наличие тесных связей между мозгом и сердцем [247]. Далее в 20-м веке была сформирована концепция В.В.Парина с соавторами, согласно которой система кровообращения может служить индикатором адаптационных реакций целостного организма [239; 297; 279], так как главной и специфической функцией данной физиологической системы является ресурсообеспечение всего организма.

Практическую реализацию этой концепции характеризует ряд важных преимуществ. Вопервых, методы измерения параметров функционирования сердечнососудистой системы (минутный и ударный объем, частота пульса, артериальное давление) являются известными и общедоступными. Во-вторых, для оценки системы нервногуморальной регуляции сердца и сосудов могут быть использованы данные о вариабельности параметров сердечнососудистой системы (ССС), из которых сердечный ритм является наиболее простым и доступным для анализа. Баро- и хеморецепторы контролируют различные параметры процесса кровообращения в самых разных точках ССС (сосудистое русло и сердце), в результате чего информация о происходящих эндогенных изменениях поступает в центральную нервную систему (ЦНС). Это обеспечивает лабильность приспособления работы ССС к непрерывно изменяющимся условиям окружающей среды посредством механизмов регуляции. Таким образом, контролируя процессы регуляции ССС, можно получить информацию об адекватности активности приспособительных механизмов в ответ на разнообразные изменения условий окружающей среды. В-третьих, хорошо известны механизмы компенсации, обеспечивающие адаптацию кардиореспираторной системы к изменениям среды. К ним относятся разнообразные рефлекторные механизмы (увеличение легочной вентиляции, скорости кровотока, потребления кислорода, гиперфункция сердца, оптимизация метаболических процессов в тканях и др.) Все эти механизмы как составляющие единой функциональной системы в конечном итоге действуют в направлении получения конечного положительного результата - поддержания оптимального ресурсообеспечения живой системы. Следовательно, имеется возможность оценить не только результат адаптационной активности организма, но и выявить степень участия в этой активности различных уровней и звеньев механизмов регуляции [307; 270; 237].

По Баевскому Р.М. с соавторами [237], система нервно-гуморальной регуляции сердечной деятельности может быть представлена в виде двух уровней (контуров) – центрального и автономного, с прямой и обратной связью (Рисунок 1). При этом воздействие автономного уровня (контура) на сердечный ритм идентифицируется с дыхательной аритмией (ДА), а центрального – с недыхательной аритмией (НА).

В состав рабочих структур автономного контура регуляции включены: синусовый узел, блуждающие нервы и их ядра в продолговатом мозгу (контур парасимпатической регуляции).

Дыхательная система рассматривается как элемент обратной связи в автономном контуре регуляции сердечного ритма (СР).

Активность центрального контура регуляции, который включает симпатоадреналовые влияния на ритм сердца, связана с недыхательной синусовой аритмией (СА) и характеризуется различными медленноволновыми колебаниями СР. Центральный и автономный контуры имеют многочисленные нервные и гуморальные прямые связи. Обратная связь осуществляется через афферентную импульсацию от барорецепторов ССС, хеморецепторов и обширных рецепторных зон органов и тканей.

Автономная нервногуморальная регуляция в условиях покоя (лежа, сидя) характеризуется наличием выраженной ДА. Дыхательные волны особенно усиливаются во время сна, то есть когда уменьшаются центральные влияния на автономный контур регуляции.

Нагрузки на организм, требующие подключения к процессу управления СР центрального контура регуляции, ведут к ослаблению дыхательного компонента СА и к увилечению ее недыхательного компонента [304].

Рис. 1. Схема двухконтурной модели регуляции сердечного ритма по Р.М. Баевскому [237].

Таким образом, центральный контур регуляции СР – это многоуровневая система нейрогуморальной регуляции, которая включает в себя: подкорковые центры продолговатого мозга, гипоталамо-гипофизарный уровень вегетативной регуляции, кору головного мозга.

Структуру этой системы можно схематично представить состоящей из трех уровней, которым соответствуют определенные уровни регуляции:

1-й уровень обеспечивает организацию взаимодействия живой системы с внешней средой, а именно адаптацию к внешним воздействиям. Он включает ЦНС, а именно корковые механизмы регуляции, которые координируют активность всех систем организма, учитывая воздействия внешних факторов.

2-й уровень обеспечивает равновесие различных систем организма между собой, то есть межсистемный гомеостаз. Главную роль в нем играют высшие вегетативные центры, а именно гипоталамо-гипофизарная система.

3-й уровень обеспечивает внутрисистемный гомеостаз в различных физиологических системах, например, в кардиореспираторной системе. Он включает подкорковые нервные центры, а именно вазомоторный центр продолговатого мозга, оказывающего как стимулирующее, так и угнетающее действие на сердце через волокна симпатических нервов [238].

Наибольший интерес исследователей в современный период вызывает структура центрального контура регуляции сердечного ритма. Учитывая, что центральный контроль автономных функций и комплекс взаимодействий между ЦНС и ВНС и между симпатической и парасимпатической подсистемами реализованы через прямые и косвенные, нисходящие и восходящие связи [17; 117; 59], Francesco Riganello с соавторами предложили модель центральной вегетативной сети [160]. Она включает корковые компоненты (префронтальная кора, поясная извилина, островок), миндалину, центральные и латеральные ядра гипоталамуса, структуры среднего мозга, моста (Рисунок 2.). Выход сети к синоартериальному узлу сердца реализован через звездчатые ганглии и блуждающий нерв.

Данная модель находит подтверждения в других работах. Так, показано, что структуры конечного мозга через связи с гипоталамусом участвуют в организации вегетативных функций [17; 171]. Островковая область коры через связи с гипоталамусом и миндалиной участвует в контроле симпатической и парасимпатической активности, а так же в эндокринных процессах при эмоциональных реакциях [117]. Передняя сингулярная кора и ее проекции на префронтальную кору, миндалина, гипоталамус и ствол мозга являются модуляторами вегетативных выходных сигналов при реакциях на болевые, эмоциональные и другие субъективно значимые стимулы [53]. Гипоталамус, в свою очередь, является ключевым интегратором вегетативных и эндокринных процессов, выполняя целевую функцию поддержания основных гомеостатических механизмов [201]. Таким образом, центральная вегетативная сеть, по сути, является динамической системой, пластичной в своей структуре к экзо- и эндогенным факторам.

Рис. 2. Схема центральной вегетативной сети [по: 17].

Описанная модель имеет широкие пересечения с нейровисцеральной интегративной моделью (НВИМ) (Рисунок 3), согласно которой изменения сердечного ритма сходным образом связаны не столько с состоянием сердца, но гораздо больше с состоянием мозга [195]. В рамках НВИМ описано множество нервных структур, связанных с сердечным ритмом. Данные, на которых основываются эти результаты, включали исследования на животных, исследования людей с локальными мозговыми поражениями, физиолого-фармакологический анализ, а также работы с методами нейровизуализации (ПЭТ, фМРТ) (примеры в таблице 1) [197; 198].

Таким образом, в систему нервно-гуморальной регуляции сердечного ритма входит широкий спектр центральных и вегетативных структур: Префронтальная кора;

Орбитофронтальная кора; Поясная извилина; Островок; Ядра гипоталамуса; Ядра таламуса;

Структуры ствола мозга; Ядра блуждающего нерва; Звездчатые ганглии симпатической нервной системы.

Рис. 3. Нейровисцеральная интегративная модель [по: 198].

Таблица. 1. Примеры исследований, в которых осуществляется поиск связей между структурами головного мозга и сердечным ритмом (СР) [по: 195].

Critchley, Gianaros, Matthews, Neuman, Napadow, Lane, Ahs, Соответственно, логично предполагать, что множественные feed-back и feed-forward связи между ними создают сложную структуру информационных циклов, которая имеет отражение в динамике сердечного ритма.

1.1.2. Вариабельность сердечного ритма как отражение нервно-гуморальной регуляции Ритм сердца определяется свойством автоматизма, т.е. способностью клеток проводящей системы сердца спонтанно активироваться и вызывать сокращение миокарда. Автоматизм обусловлен возникновением спонтанной деполяризации клеток синусового узла. Обычная частота синусового импульсообразования – 60-80 импульсов в минуту. Колебания ЧСС связаны, с одной стороны – с собственной активностью синусового узла (интракардиальные рефлексы), а с другой – с влиянием вышестоящих центров регуляции [235]. Анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР) – определение степени изменчивости последовательных RR-интервалов или мгновенной ЧСС в кардиограмме – стал важным инструментом оценки рисков.

Для анализа колебаний RR-интервалов за более чем полвека разработан широкий спектр математического инструментария, который включает в себя: статистические, геометрические, спектральные, нелинейные алгоритмы. Эволюцию математического аппарата анализа RRинтервалов наглядно продемонстрировал в своем обзоре George E. Billman [18] (Рисунок 4). По существу весь набор математических методов анализа ВСР является избыточным, многие показатели тесно коррелируют [240]. Однако важно, что каждый из подходов имеет свои ограничения в применении и свое разрешение по времени.

Наиболее точным по времени является спектральный анализ временных рядов RRинтервалов. Кроме того, выделение периодических составляющих в ритме сердца позволяет определить действующую структуру системы нервно-гуморальной регуляции.

Впервые различные типы волн в последовательностях RR-интервалов выделили и описали А. Флейш и Р. Бекман в 1932 г. [цит. по: 261]. Ритмическая активность пейсмекерных клеток синусового узла взаимосвязана с эндокринными и гуморальными процессами, изменяющими порог спонтанной деполяризации пейсмекеров синусового узла [23; 179; 225].

Это приводит, к увеличению или уменьшению интервала между циклами сердечных сокращений и, следовательно, понижению или повышению ЧСС. Так, факторы, регулирующие ЧСС, будут влиять и на вариабельность сердечного ритма. Важная особенность этого процесса заключается в том, что активность указанных факторов изменяется периодично [238; 271; 261;

176]. Однако, стоит отметить, что кроме периодических модуляций различных факторов в ВСР имеются также и непериодические составляющие.

Рис. 4. Временная последовательность некоторых из важнейших событий в истории исследования ВСР [по: 18].

На данный момент в классике анализа изменчивости RR-интервалов принято выделять частотных диапазона в спектре ВСР: высокочастотные колебания (0,15-0,4 (по некоторым данным до 0,6) Гц), низкочастотные колебания (0,04-0,15 Гц), очень низкочастотные колебания (0,015-0,04 Гц), которые, как полагают, отражают 3 звена в автономном контуре регуляции сердечного ритма. В принципе это положение достаточно подробно экспериментально подтверждено.

Высокочастотные (ВЧ) волны на спектрограммах здоровых людей в контексте покоя, как правило, представлены лишь одним пиком, в большинстве случаев расположенным на 0,2Гц [303; 5; 275]. Установлено также, что ВЧ колебания последовательности RR-интервалов связаны с актом дыхания [13; 16; 137; 222; 11]. Доказательством дыхательной природы ВЧ колебаний в ВСР является, в первую очередь, совпадение частоты дыхания (ЧД) с частотой ВЧ пика спектра ВСР. С каждым вдохом длительность RR интервалов уменьшается (ЧСС повышается), с каждым выдохом – увеличивается (ЧСС уменьшается) [268; 164; 64; 222].

Механизмы взаимосвязи дыхательных колебаний с изменением длительности RRинтервалов в современной физиологии еще исследуются. Достоверно установлено, что эфферентным звеном в этом процессе является блуждающий нерв [83; 143; 189; 19; 153; 154;

31]. Так, в работах показано, что при назначении блокаторов m-холинорецепторов или тотальной перерезки блуждающего нерва наблюдается исчезновение дыхательной модуляции сердечного ритма [46; 6; 163; 20].

При анализе ВЧ колебаний обнаружено несколько феноменов, которые наблюдаются у здоровых людей (при соблюдении всех условий записи). Они включают в себя: несовпадение частоты дыхательного пика и ЧД; наличие нескольких пиков в ВЧ диапазоне, амплитуда которых примерно одинакова; наличие одного пика максимальной амплитуды, и дополнительных пиков, величина которых уменьшается по мере удаления от основного пика, при этом частоты наблюдаемых пиков, как правило, кратны друг другу; не уменьшение, а, напротив, увеличение длительности RR-интервалов (уменьшение ЧСС) при вдохе; отсутствие дыхательных волн в последовательности RR-интервалов у полностью здоровых людей [261].

Первый из феноменов - несовпадение частоты дыхательного пика в спектре ВСР и ЧД можно объяснить задержкой проведения возбуждения по нейронной цепи ретикулярной формации продолговатого мозга от дыхательного центра к сосудодвигательному, что влечет за собой сдвиг частот дыхательных волн в ритме сердца в более медленную сторону. Что в свою очередь подтверждает участие ЦНС в образовании ДА.

Второй из феноменов – несколько пиков в ВЧ диапазоне спектра ВСР, амплитуда которых относительно одинакова, вероятно, связан с другими не дыхательными, нейрорефлекторными взаимодействиями сердца и других органов [278].

Наблюдение в спектре ВСР одного пика с максимальной амплитудой и дополнительных пиков, амплитуда которых уменьшается по мере удаления от основного, может быть связано с непостоянной ЧД, колеблющейся возле определенной средней величины, задаваемой центральным физиологическим осциллятором, а также с механизмами рекуррентной мультипликации ритмов в ЦНС [249].

Увеличение длительности RR-интервалов (уменьшение ЧСС) при вдохе может быть связано с взаимовлияниями процесса передачи возбуждения от дыхательного центра к сосудодвигательному.

Отсутствие дыхательных пиков в спектре ВСР, может отражать повышенную ингибирующую симпатическую модуляцию или недостаточную модуляцию со стороны парасимпатической нервной системы на дыхательный и сосудодвигательный центры [81; 261].

В итоге ВЧ колебания сердечного ритма отражают связь между блуждающим нервом и синусовым узлом и оказываемые при этом нервногуморальные влияния. Поэтому значения спектральной мощности (плотность) в ВЧ диапазоне спектра ВСР связаны с активностью парасимпатического звена вегеативной нервной системы [261].

Низкочастотный (НЧ) диапазон спектра ВСР при анализе записей RR-интервалов, измеренных в состоянии покоя (в положении лежа, сидя), как правило, представлен одиночным пиком с частотой 0,1 Гц [302; 238; 125; 299]. Однако данная частота может меняться от 0,05 Гц и 0,15 Гц. Кроме того, аналогично, НЧ диапазон спектра может быть представлен не одним, а несколькими пиками.

По сути, волновой пик с частотой 0,1 Гц в спектре ВСР означает, что в организме имеются механизмы модуляции сердечного ритма с периодом 10 с. Колебания с таким же периодом регистрируются в ритме АД, которые названы волнами Л. Траубе, впервые описавшего их в 1865 г. [цит. по: 261]. Был проведен кросс-спектральный анализ ритмов АД и ЧСС, в процессе которого установлено, что удлинение RR-интервалов (уменьшение ЧСС) связано с предшествующим повышением АД. По мнению Каремакера [107] это является доказательством того, что модуляции ритма ЧСС на частоте 0,1 Гц являются следствием колебаний АД, в основе чего лежит барорефлекторный механизм [76]. Это значит, что при повышении АД угнетается симпатическая и увеличивается парасимпатическая активность, что непременно приводит к удлинению RR-интервалов [91]. Это противоречит положению о том, что повышение АД является признаком симпатической активизации.

Эксперименты, включающие одновременную запись АД и симпатических нейрональных разрядов, выполненные с помощью микроэлектродной техники, показали повышение АД, которое наступает примерно с 2х с задержкой после вспышки симпатической активности [33;

25]. Поэтому большинство исследователей интерпретируют модуляцию АД на частоте 0,1 Гц как следствие генерализованных вспышек симпатической вазомоторной активности, которые возникают с такой же частотой [152; 142; 122; 172; 111; 66].

Пока имеются разногласия в попытках объяснения происхождения генерализованной симпатической активности. Одни авторы полагают, что в основе генеза этого ритма лежат барорецепторные структуры [107; 57; 114; 116]: при падении АД ниже определенного уровня происходит активация барорецепторов, вследствие чего возникает увеличение симпатической вазомоторной активности и сужение сосудов. Тогда АД повышается, достигая некоторого максимального значения, и после этого снова падает. Данный цикл многократно повторяется.

Такая гипотеза называется барорефлекторной. Дополнительным доказательством ее является то, что растяжение каротидного синуса, создавая над шейной областью локальную зону пониженного барометрического давления в течение 0,6 с, приводит к возникновению затухающих по амплитуде колебаний ЧСС с периодом 10 с.

Со стороны другой точки зрения, генерализованная симпатическая активность задается специальным осциллятором, который располагается в нейрональной сети ствола мозга. Им определяются модуляции интенсивности потоковой импульсации симпатических сосудодвигательных нейронов на частоте 0,1 Гц [159; 40]. Эти колебания передаются к сердцу и сосудам по симпатическим эфферентным нервным волокнам и вызывают активацию метасимпатических кардиальных структур, которые осуществляют базовую иннервацию органа. Это приводит к возникновению колебаний ЧСС и АД на частоте 0,1 Гц. То есть колебания ЧСС связаны с колебаниями АД, а временной сдвиг ритмов ЧСС и АД, объясняется различной длиной эфферентных путей. Для проверки этого предположения, необходимо сопоставление характеров нейрональной активности симпатических нервов сердца и вазомоторных эфферентов. Подтверждением существования центрального механизма формирования НЧ колебаний в ритме сердца являются исследования R. Cooley с соавт. [50].

Они показали отсутствие взаимосвязей между ВСР и вариабельностью АД на выборке больных с диагнозом сердечной недостаточности, которым имплантировалось устройство вспомогательного кровообращения [50].

Согласно другой гипотезы, 0,1-герцовый ритм является следствием ритмических миогенных реакций артериол, которые через барорефлекторный механизм изменяют ЧСС [98].

Стоит отметить, что назначение атропина (блокатора холинергических рецепторов) устраняет не только ВЧ компонент спектра ВСР, но и, по данным некоторых работ, значимо снижает мощность НЧ составляющей спектра ВСР [150]. Результатом этого наблюдения стало предположение о том, что блуждающий нерв влияет на формирование всего диапазона спектра.

Однако в этом случае, к сожалению, игнорируется то, что атропин обладает как периферическими, так и центральными механизмами действия и, следовательно, способен угнетать центральный механизм формирования НЧ ритма в ЦНС.

Можно предположить, что формирование 0,1-герцового ритма колебаний RR-интервалов является результатом участия всех трех механизмов (барорефлекторный, центральный и миогенный). В итоге, для практического использования важным является то, что НЧ модуляции сердечного ритма связаны с активностью постганглионарных симпатических волокон, и их спектральная мощность (плотность) отражает активность симпатического звена ВНС в регуляции сердечного ритма [261, 294].

Как правило, увеличение мощности НЧ колебаний сопровождается снижением мощности ВЧ колебаний (однако не всегда), что может быть результатом существования специальных взаимореципрокных отношений между ними. Такие взаимодействия наблюдаются также между парасимпатическим и симпатическим отделами ВНС, которые определяют наличие этих волновых колебаний в ВСР. Это стало основанием для использования отношения мощностей НЧ и ВЧ диапазонов спектра ВСР (коэффициент LF/HF – индекс вегетативного баланса (ИВБ)) для оценки уровня вегетативного баланса [125; 130; 129].

Важно заметить, что помимо классических, перечисленных выше, частотных диапазонов ряд авторов в последние годы обращает внимание на присутствие в спектре ВСР очень высокочастотных колебаний: от 0,6 до 2 Гц. Анализ очень высокочастотной составляющей спектра ритмограммы показал информативность этих диапазонов для контроля функционального состояния пациентов в контексте послеоперационного восстановления [200].

Другие исследования демонстрируют наличие сверхвысокочастотных компонентов (VHF – very high frequency) в структуре спектра вариабельности сердечного ритма не только у больных, но и у здоровых людей [248].

Открытие сверхвысокочастотных колебаний в спектре ВСР, по всей видимости, связано с более корректным применением математических алгоритмов спектрального анализа к обработке ритмограмм.

Так как период сверхвысокочастотных колебаний RR-интервалов составляет примерно с, есть основания полагать, что они отображают постоянную частоту собственных колебаний сердца и моды, связанные с краткосрочными – быстрыми системными регуляторными воздействиями.

1.1.3. Динамика вариабельности сердечного ритма (ВСР) при эмоциональных нагрузках В последние годы значительно выросло количество исследований, задачей которых является поиск биологических маркеров эмоционального состояния в параметрах ВСР.

Вероятно, это связано с острой необходимостью в объективных методах диагностики эмоционального состояния, так как существующие до сих пор психологические методики (опросники, проективные тесты) имеют ряд ограничений: трудоемкость и длительность исследования; необходимость наличия опытных экспертов; возможность сознательного искажения ответов; возможность влияния на результаты ситуативных факторов окружающей среды; необходимость стандартизации условий исследования.

Если рассматривать эмоции с позиций П.В.Симонова как «отражение мозгом человека и животных какой-либо актуальной потребности (ее качества и величины) и вероятности (возможности) её удовлетворения, которую мозг оценивает на основе генетического и ранее приобретенного индивидуального опыта» [298], или с позиций Ю.И.Александрова: «Эмоции характеризуют реализацию систем, формирующихся на самых ранних этапах онтогенеза и обеспечивающих минимальный уровень дифференциации („хорошо-плохо“)» [231], то связь эмоциональных и регуляторных (относительно сердечного ритма) процессов объясняется единой целью формирования успешной адаптации и адекватных поведенческих актов на изменения в экзо- и эндогенных контекстах.

На структурном уровне связи эмоциональных процессов и регуляции сердечного ритма обусловлены общей нейрофизиологической основой: вентро-медиальная префронтальная кора, миндалевидное тело [10; 196]. Так, показано, что испытуемые с более высокими способностями к эмоциональной регуляции имеют большую вариабельность сердечного ритма в покое [198;

10]. Кроме того, успешное влияние на эмоциональное состояние аналогично повышает уровень ВСР [37; 94; 178]. Многие параметры ВСР оказываются чувствительными к предъявлению испытуемым эмоциогенных стимулов: общая вариабельность, ЧСС, мощность LF, мощность HF, экспонента Ляпунова и прочее. Также результаты исследований демонстрируют различное поведение ВСР относительно уровня хаоса в последовательности RR-интервалов во время предъявления испытуемым нейтральных изображений и изображений с высоким уровнем возбуждения [207]. Элегантный эксперимент показал увеличение индекса вегетативного баланса при чтении эмоционально насыщенных фрагментов сказки Г.Х.Андерсена «Гадкий утенок», при этом наблюдается возрастание активности миндалины по данным ПЭТ [128].

Кроме экспериментов с эмоциогенными контекстами, наблюдаются различия в режимах вегетативной регуляции кардиоритма между здоровыми испытуемыми и испытуемыми с нарушениями эмоционально-волевой сферы. Продемонстрировано снижение ВСР у испытуемых с психиатрическими расстройствами, включая депрессию, тревогу и алкогольную зависимость [108]. Эти авторы также показали, что среди здоровых испытуемых группа с более высокими показателями ВСР является более точной и успешной в определении эмоций по глазам.

Также исследователи не оставляют без внимания взаимодействие эмоционального и когнитивного физиологических модулей при разных режимах вегетативной регуляции.

Показано, что влияние эмоциональных раздражителей на когнитивные процессы отличается в группах с высокой и низкой ВСР [110], то есть в зависимости от режима вегетативной регуляции наблюдаются различия и в структуре связей между эмоциональным и когнитивным модулями. Подобное демонстрируется и в экспериментах при сравнении групп испытуемых с эмоциональными расстройствами и здоровых: предъявление когнитивной нагрузки депрессивным больным не приводит к смене режима вегетативной регуляции [139]. То есть по сути нарушения эмоциональных процессов сопровождаются редукцией вегетативной регуляции кардиоритма.

Таким образом, по показателям ВСР возможно оценить наличие или отсутствие нарушений в эмоционально-волевой сфере и изменений эмоционального состояния.

Ограничением в приведенных исследованиях является разрешение по времени: так как используются записи RR-интервалов размером не менее 5 мин, то информация о вегетативных маркерах краткосрочных эмоциональных откликов пока отсутствует.

Дифференциация знака эмоций (положительные - отрицательные) или других семантических характеристик эмоций (грусть, гнев, стыд и прочее) по показателям ВСР пока не представляется возможной.

Стабильность (устойчивость) внутренней среды организма поддерживается через вариабельность в динамических отношениях его функциональных систем. Эта способность к динамическому взаимодействию системных элементов организма, в отличие от сохранения единственно стабильного состояния, позволяет организму функционировать эффективно в условиях постоянного изменения внешней среды.

Первые исследования воздействия информационной нагрузки на функциональное состояние человека с помощью показателей сердечно-сосудистой системы упоминаются в работе голландского ученого C. Winkler [219], который продемонстрировал, что выполнение арифметического теста ведет к повышению ЧСС, росту АД и снижению дыхательной синусовой аритмии. Рост ЧСС в ответ на информационные нагрузки был отмечен в 1949 году в экспериментах R.B. Malmo и C. Shagass [126].

В 20 в. отечественные физиологи (К.М.Быков, В.М.Бехтерев, В.Н.Черниговский) убедительно демонстрировали наличие кортиковисцеральных связей. Зарубежные исследователи аналогично не оставляли без внимания данную тему. Особенно разрабатывался вопрос о структуре связей между параметрами когнитивной нагрузки и состояния человека [32;

34; 48; 115; 124; 156; 158; 166; 210], так как уже тогда актуальными являлись проблемы человеческого фактора в управлении сложными техническими системами и ошибок при принятии решений в короткие сроки или в нетривиальных новых ситуациях, контекстах.

В исследованиях нейрональных структур [217; 90; 15; 102; 169; 53; 80; 133; 113; 2], связанных с регуляцией сердечного ритма, часто используются когнитивные задачи:

тестирования памяти, задачи на внимание, математические вычисления в уме, генерация информации (сочинения) и др. В результате построенные модели нейровисцеральных связей демонстрируют пересечение нейрофизиологических областей, участвующих в процессах регуляции сердечного ритма, и в когнитивных процессах (Рисунки 2, 3).

Результаты и примеры эмпирических исследований связи вегетативного обеспечения когнитивных функций приведены в таблице 2.

Эмпирические исследования показывают, что решение задач, актуализирующих когнитивные функции, сопровождается ослаблением, снижением временных и частотных показателей ВСР. Это может рассматриваться как перестройка структуры системы нейрогуморальной регуляции сердечного ритма в сторону доминирования кортикальных влияний, или как напряжение регуляторных систем, связанное с актуализацией большого количества ресурсов.

Данные таблицы 2 указывают на то, что наиболее чувствительными к влиянию когнитивных нагрузок на организм являются показатели SDNN и мощность спектра в низкочастотном диапазоне (0, 04 – 0,15 Гц), самым чувствительным оказался 0,1 Гц-компонент.

В результате был сделан вывод, что подавление LF (0,1Гц) компонента ВСР отражает усилия, которые требуются от субъекта для выполнения когнитивной задачи, а восстановление спектральной мощности во время периода расслабления после завершения когнитивной задачи отражает степень предшествующих усилий [274].

Стоит отметить ряд особенностей приведенных работ. Во-первых, когнитивные нагрузки, как правило, моделируют с помощью интеллектуальных задач (математические, логические задачи, задачи на память, задачи на внимание и др.) [183; 257], которые задействуют сложные системы когнитивных процессов. Гораздо меньше работ, в которых контекст когнитивной нагрузки формируется простыми задачами на восприятие, ощущение элементарных сенсорных стимулов, хотя такие эксперименты позволяют увидеть тонкие изменения сердечного ритма в ответ на стимулы. Так, в одном из исследований демонстрируются эффекты модуляции сердечного ритма при предъявлении акустических стимулов [168]. Во-вторых, исследования, как правило, фиксируют глобальные изменения состояния (экспериментальная схема – до/после когнитивной нагрузки), не рассматривая структуру физиологических реакций внутри процесса решения задачи. Таким образом, теряется информация о последовательности функциональных перестроек при когнитивной активности.

Кроме того, не приводится анализа различий вегетативного обеспечения разных когнитивных функций, практически во всех работах сравниваются показатели ВСР в контекстах покоя и когнитивной нагрузки.

Интерес вызывают работы, которые исследуют вегетативное обеспечение когнитивных процессов в связи с другими физиологическими модулями. Например, показано усиление связей (увеличение корреляций) между показателями ВСР и когнитивных функций после физической нагрузки [60]. При этом показателями когнитивных функций являлись: время простой сенсомоторной реакции, время реакции выбора, объем оперативной памяти, кратковременной памяти. Относительно контекста стресса продемонстрировано, что испытуемые с доминированием высокочастотной составляющей спектра ВСР сердечного ритма демонстрируют отсутствие изменений в показателях когнитивных функций при наличии стрессогенных условий. Группа испытуемых с доминированием мощности низкочастотных колебаний в спектре ВСР демонстрирует улучшение когнитивных функций в стрессогенных условиях [84].

Kalsbeek, [105] 1967 [106] 1971 [26] Mulder, [132]; Porges, [151] Sayers, 1971 [173] Интеллектуальная Изменения частотных характеристик ВСР LF (0,04-0,15 Гц) снижение Mulder, 2000 [131] Интеллектуальная Изменения частотных характеристик ВСР LF (0,1 Гц) снижение Egelund, 1982 [65] Утомление Поиск индикаторов утомления у водителей LF (0,1 Гц) снижение Коркушко, 1991 Интеллектуальная Влияние умственной нагрузки на показатели ВСР HF (0,15-0,4 Гц) снижение [260] Backs, 1994 [12]; Оперативная Поиск чувствительности спектральных показателей LF (0,04-0,15 Гц) снижение Jorna, 1992 [103]; память ВСР к переходу от состояния покоя к выполнению Tripathi, [202] Vincent,1996 [211] Обработка Изменения показателей ВСР при возрастании ЧСС и SDNN возрастание ЧСС и Aasman, 1988 [1]; Внимание Изменение спектральных показателей ВСР в LF (0,1 Гц) снижение Althaus, 1998, [9];

[132]; Redondo, 1992 [157] Roscoe, 1976 [167] 1993 Концентрация Изменение спектральных показателей ВСР в задачах Мощность в HF и LF снижение Negoescu, [135] Каплан, 1999 Ошибочные Изменение показателей ВСР при обратной связи на HF (0,15-0,4 Гц) снижение [259] Флейшман, 1999 Сосредоточенност Изменение показателей ВСР при увеличении LF (0,04-0,15 Гц) снижение [302] Mulder, 2000 [131] Устойчивость Поиск показателей когнитивного контроля при LF (0,1 Гц) снижение Hansеn,2001 [84] Кратковременная Связь вагусного тонуса (показатель RMSSD) с увеличение деятельности кратковременную память и длительное внимание в 2004 Оперативная Изменение спектральных показателей при переходе LF (0,1 Гц) снижение Brinkman, [27] В итоге стоит подчеркнуть актуальность исследования вегетативного обеспечения когнитивных функций в контексте естественной деятельности, так как во всех имеющихся работах эксперименты проводятся в лабораторных условиях, моделируя контекст когнитивной нагрузки [274]. Естественно, встает вопрос о воспроизведении выделенных закономерностей в условиях естественной деятельности человека.

Относительно вегетативного обеспечения физической активности наибольший вклад внесли исследования, касающиеся проблем спорта. За последние два десятилетия активно развивается диагностика функциональных состояний спортсменов на основе данных вариабельности сердечного ритма. На данный момент это, по сути, единственная методика, позволяющая оценивать адаптационные возможности человека в короткие сроки и строить систему управления тренировочным процессом по следующей схеме: диагноз – это информация на входе, прогноз – это предполагаемая информация на выходе, а между ними – контроль с промежуточными диагностическими или прогностическими моделями. Однако вариативность показателей сердечного ритма очень велика и наиболее правильным было бы динамическое наблюдение за состоянием регуляторных систем у конкретных индивидуумов [306]. Авторами же по-прежнему усредняются данные параметров вариабельности сердечного ритма, что не позволяет выявить индивидуальные динамики степени напряжения регуляторных систем в связи с уровнем моторной активности. В свою очередь, степень напряжения регуляторных систем у спортсменов в отдельные периоды тренировочного процесса может достигать высоких значений, и важно не допустить их перенапряжения с последующим истощением систем регуляции.

Как правило, в большинстве исследований демонстрируется возрастание ЧСС и индекса последовательности RR-интервалов, снижение общей мощности спектра ВСР, мощности высокочастотного диапазона спектра ВСР после воздействии физической нагрузки или в целом в соревновательный период годичного цикла [31; 51; 146; 192; 61; 62; 205; 77; 86; 147].

систематические спортивные тренировки повышают активность парасимпатического звена регуляции сердечного ритма в контексте покоя [52]. Это, вероятно является компенсаторным механизмом, по выраженности которого можно судить об уровне тренированности спортсмена.

Так, показано, что мышечная работоспособность спортсменов тем выше, чем выше холинергическая активация [262].

Нерешенной остается задача точного предсказания динамики вегетативной регуляции спортсмена при предъявлении ему нагрузок разного уровня сложности.

В целом, по данным литературы можно заметить, что вегетативная регуляция кардиоритма неспецифично отвечает на эмоциональные, когнитивные и физические нагрузки, то есть наблюдается снижение вариабельности сердечного ритма. Отсутсвуют работы, в которых проводились бы попытки разделить разного рода нагрузку по показателям ВСР.

В заключение данного раздела обзора хотелось бы выделить проблемные зоны исследований ВСР:

Стационарные лабораторные контексты. Результаты, полученные в стационарных лабораторных контекстах, далеко не всегда позволяют предсказать динамику физиологических процессов в контексте естественной деятельности.

Динамика – срезы во времени (до/после). В исследованиях используется редуцированное понятие динамики состояния. Оценка состояния по срезам во времени (до/после, через каждые 2 часа и т.д.) является отступлением от важного принципа кибернетиков-биологов 20-го века – рассмотрения физиологического процесса как функции от времени.

Средневыборочные результаты. Результаты, получаемые по средневыборочным данным, довольно часто противоречат индивидуальной динамике показателей.

То есть, системно динамический подход в исследованиях психофизиологических процессов требует отступления от привычных методологических алгоритмов. На наш взгляд, перечисленные проблемные области можно разрешить, используя схему эксперимента, приведенную на рисунке 5.

Рис. 5. Принципиальная схема экспериментов, удовлетворяющая системнодинамическому подходу.

Согласно трехкомпонентной теории экстремальных состояний С.Б.Парина, Е.В.Голанова [280], стресс – это неспецифическая трехстадийная защитная системная реакция организма на повреждение или угрозу повреждения. Причем для данной реакции характерно «наличие большого разнообразия психологических, поведенческих реакций на первом этапе оценки уровня угрозы, но после запуска защитных механизмов она характеризуется весьма однообразными физиологическими проявлениями» [285]. На физиологическом уровне стресс отражается в последовательном доминировании трех стресс-регуляторных систем: САС (симпатоадреналовая), ГГАС (гипоталамо-гипофизарно-адреналовая), ЭОС (эндогенная опиоидная) [296; 280] (Рисунок 6).

Объективный стимул, воспринимаемый как повреждение, или его угроза, запускает стресс-активацию и называется стресс-фактором. На информационном уровне фактором запуска стресс-активации является сигнал о чрезмерном рассогласовании двух образов:

желаемого и реального, предсказанного и реального, необходимого и реального.

Рис. 6. Динамика относительной активности 3-х стресс регуляторных нейрохимических систем при шоке и стрессе [по: 280].

Стоит упомянуть, что некоторые исследователи различают состояния острого стресса как единичной реакций на стресс-фактор и хронического стресса как результата череды реакций острого стресса [7]. В нашей работе рассматривается только состояние острого стресса.

Основываясь на трехкомпонентной теории экстремальных состояний, можно выделить ряд критериев, которым должен соответствовать маркер стресса. Маркер состояния – это признак, специфичный для конкретного состояния, то есть при других состояниях он отсутствует. Тогда вегетативные (а желательно и любые другие) маркеры острого стресса должны удовлетворять следующим требованиям:

Динамичность. Так как стресс – это процесс, разворачивающийся во времени, то маркер стресса должен быть динамическим, а не точеным.

Стадийность. Так как стресс-активация реализуется через характерную только ей последовательность стадий доминирования нейрохимических регуляторных систем, то динамика показателя, или набора показателей, выступающего в роли маркера, должна включать в себя последовательно сменяемые фазы.

Инвариантность относительно характера стрессогенного контекста. Поскольку стресс - это неспецифическая активация, то маркер стресса должен воспроизводиться при эмоциональных, физических и когнитивных нагрузках, формирующих чрезмерное рассогласование.

Редуцированность. Так как при экстремальных состояниях наблюдается редукция разнообразия нейрохимических механизмов регуляции.

Таким образом, воздействие стимулов, которые воспринимаются как угроза, приводит к запуску нейрохимических механизмов, которые функционально обеспечивают защиту живой биологической системы [101; 175]. В результате острый стресс вносит изменения во многие биологические функции. Эти изменения по своей сути являются маркерами острого стресса.

Утвержденные физиологические и психологические маркеры острого стресса являются важным инструментом исследовательской и клинической практики в области опасных состояний. Из всех известных маркеров стресса можно выделить две группы: прямые и косвенные.

Прямые маркеры стресса – те физиологические процессы, которые задействованы непосредственно в реализации стресс-активации. На физиологическом уровне отыгрывают в первую очередь показатели гипоталамо-гипофизарно-адреналовой системы (например, повышение уровня кортизола в слюне) [75], иммунной системы [181]; вегетативной нервной системы [220], периферической нервной системы [227].

Косвенные маркеры стресса – те психологические изменения, которые являются результатом перестройки физиологических процессов. Психологически острый стресс можно рассматривать как негативный субъективный опыт [97], который может как положительно, так и отрицательно сказываться на когнитивных функциях [123; 180].

Для начала рассмотрим физиологические маркеры стресса, так как, несмотря на свои недостатки (для их использования необходимы инвазивные методы, практически отсутствует возможность непрерывного мониторинга), они являются наиболее верифицированными.

Ввиду участия в реализации стресс-активации симпатоадреналовой и гипоталамогипофизарно-адреналовой систем, многие исследователи используют в качестве маркеров стресса уровень адренокортикотропного гормона, адреналина, норадреналина в крови и кортизола в крови и слюне [35; 79; 109; 100; 109]. Здесь важно уточнить, что как маркер рассматривается именно возрастание этих показателей – периодичность их изменений не учитывается. Кроме того, важно, что другие работы демонстрируют возрастание этих показателей и при физической нагрузке [51]. Работ, в которых была бы проведена дифференциация физической нагрузки и стресс-активации по уровню кортизола, адреналина или адренокотртикотропного гормона мы не обнаружили.

В изменениях работы сердечно-сосудистой системы выделяют следующие маркеры острого стресса: повышение артериального давления, повышение ЧСС [35; 36; 47; 162; 221;

100; 38; 79; 104]. При этом максимумы этих показателей по времени весьма вариативны в разных исследованиях: от 3 до 30 мин.

Относительно динамики показателей ВСР при стрессе литературные данные весьма противоречивы. В таблице 3 представлены результаты эмпирических исследований вариабельности сердечного ритма в различных стрессогенных контекстах. Некоторые исследования демонстрируют отсутствие изменений ВСР (дисперсии) [165] и выраженности дыхательной аритмии в ритме сердца [8] при наличии стресс-факторов, в то время как другие авторы показывают высокую степень изменчивости спектральных показателей ВСР (LF, HF, LF/HF) [112]. Такие противоречия результатов могут объясняться разной программноаппаратной базой исследователей.

Заключая перечисление физиологических маркеров стресса, хочется акцентировать внимание на следующем моменте. Несмотря на то, что эндогенная опиоидная система активна на всех 3-х стадиях стресса [280], изменение уровеня опиоидных пептидов в крови, как правило, не рассматривается в современных исследованиях как возможный, сугубо специфичный для стресса маркер.

Психологические (субъективные) и поведенческие реакции на стресс-стимул могут быть весьма разнообразны. Как правило, стресс сопровождается повышением уровня тревожности [36; 184; 100; 161; 166; 213], увеличивается негативный настрой (по шкале PANAS) [73; 223;

161; 162; 47].

Очень интересные результаты наблюдаются в работах по исследованию когнитивных функций при стрессе. В работах Полевой С.А. с соавторами [287; 288] показано снижение уровня функциональной межполушарной асимметрии, и перестройка структуры функции цветоразличения в сторону доминирования порога в диапазоне синих цветов при экзаменационном стрессе.

В исследованиях процессов памяти наблюдаются противоречия. Одни работы демонстрируют улучшение показателей воспроизведения после стрессового воздействия [63;

134], другие – отсутствие изменений [87], третьи – ухудшение [155]. Buchanan и Tranel [30], вероятно, разрешили это противоречие, показав снижение показателей воспроизведения на эмоционально-нейтральные стимулы (при отсроченном воспроизведении), и улучшение – на эмоционально насыщенные стимулы. Аналогично в работах Smeets et al.[177] и Wiemers et al.

[218] испытуемые продемонстрировали более высокие результаты запоминания стрессрелевантной информации.

Кроме процессов памяти, стресс увеличивает время реакции на простые и сложные стимулы [174], а также влияет на более сложные когнитивные процессы: переключаемость [148; 149], творческие задачи [4], принятие решений, связанных с риском [141; 208].

Таким образом, на данный момент выделен некоторый список психофизиологических маркеров стресса. Однако среди них сложно найти удовлетворяющий сформированным нами критериям. Ни один из них не имеет строгой специфичности к стрессу. Измерения в исследованиях осуществляются дискретно (срезы показателей во времени), непрерывная динамика показателей не рассматривается. С этим, вероятно, связаны противоречия эмпирических данных – измерения выпадают на разные стадии стресса, которые характеризуются разной структурой нейрохимической регуляции.

1.2.1. Вегетативные корреляты активности 3-х стресс регуляторных систем Влияние активности нейрохимических стресс-регуляторных систем на вегетативную регуляцию сердечного ритма исследовалось отдельно, то есть отдельно показаны эффекты активации САС, ГГАС, ЭОС в динамике показателей вариабельности сердечного ритма. Работ по определению признаков последовательной смены и соучастного взаимодействия данных систем в динамике вегетативной регуляции нет.

В таблице 4 приведены примеры эмпирических исследований ВСР в связи с нейроэндокринными изменениями.

Особенно актуальным является исследование динамических характеристик участия ЭОС в регуляции сердечного ритма, так как ЭОС в разной степени доминирования присутствует на всех трёх стадиях стресс-активации.

Эндогенная опиоидная система (ЭОС), открытая 40 лет назад [144; 145; 190; 92; 194; 95], сразу же привлекла к себе внимание исследователей благодаря выраженным антиноцицептивным свойствам [3; 216; 206]. При выявленной ведущей роли ЭОС в формировании разных клинических форм подавления болевой чувствительности (медикаментозные, акупунктурные, электростимуляционные и другие воздействия), был обнаружен существенный вклад ее в развитие так называемой стресс-анальгезии [21; 193; 140;

138; 22; 120], которая возникает в ответ на повреждение или его угрозу. Был поставлен вопрос о влиянии ЭОС на висцеральные системы, обеспечивающие физиологический (но не информационный) компонент стресс-активации, и обнаружен существенный вклад опиоидных пептидов в регуляцию кардиоваскулярной, респираторной и других систем организма в условиях повреждающих воздействий [48; 251; 74]. Первые данные о противошоковом эффекте блокаторов опиатных рецепторов были опубликованы на рубеже 80-х годов [67; 68; 69; 70; 88;

89; 253; 254; 255; 281; 282; 283; 284; 71; 72; 54; 55; 93; 118 и др.]. Они были получены в опытах на разных животных (мыши, крысы, морские свинки, кролики, кошки, собаки и т.д.), при этом использовались разные экспериментальные модели шока (геморрагическом, электроболевом, эндотоксиновом, экзотоксиновом, окклюзионном, спинальном и т.п.) и стресса. Использование опиатных антагонистов в противошоковой терапии было запатентовано [253; 89] и начало внедряться в реаниматологическую клиническую практику. При этом сугубо медицинские аспекты проблемы ЭОС вытеснили на второй план изучение системных механизмов взаимодействия опиоидов и регуляции висцеральных функций. При этом активность ЭОС с разной степенью доминирования присутствует на всех трёх стадиях стресса и шока. Эти положения аргументируются результатами многочисленных экспериментов на животных и расчетов на нейроподобной математической модели [285], однако несомненно, что принципиально необходимым является развитие исследований с привлечением неинвазивных методов мониторинга функционального состояния человека в условиях его естественной деятельности.

Эта проблема недооценки роли ЭОС в регуляции сердечного ритма глубоко проанализирована сегодня лишь в клиническом аспекте; так, многолетние исследования томской кардиологической школы [265; 266; 267; 273 и мн.др.] продемонстрировали антиаритмическое и угнетающее действие опиоидных пептидов на работу сердца; зарубежный опыт выявляет отрицательные хроно-, дромо- и ионотропные эффекты при стимуляции опиатных рецепторов и обратную ситуацию – при введении антагониста опиатных рецепторов налоксона. Очевидно, что отсутствие систематических исследований вклада ЭОС в ритмогенную регуляцию сердечной деятельности становится сегодня одним из серьезных препятствий на пути поиска вегетативных динамических маркеров стресса.

Важно на данный момент разрешить задачу обобщения и дополнения имеющихся эмпирических данных относительно регуляторного воздействия перечисленных систем на сердечный ритм.

Анализируя данные приведенных в таблице 4 исследований, можно предположить, что последовательная смена доминирования САС, ГГАС и ЭОС систем при стрессе будет отражаться в изменениях сердечного ритма по циклу: возрастание – снижение ВСР.

VLF LF HF TP

системы исследования 1.2.2. Значение исследований динамики ВСР при стрессе в контексте естественной Вегетативные перестройки на различные по природе и интенсивности стимулы как правило измеряются в лабораторных условиях. При этом, так как режимы управления физиологической системой человека связаны с целевой функцией и изменяются в широком диапазоне в соответствии со значимым контекстом [232], то исследования физиологических сигналов в условиях дозированных лабораторных нагрузок не позволяют предсказать особенности физиологических реакций в условиях естественной деятельности [241].

Моделирование в лабораторных условиях исследуемых контекстов, например, стресса, сталкивается с искажающими результаты измерений факторами. Например, так как существуют серьезные этические ограничения на характер и продолжительность моделируемых стрессфакторов, то большинство исследований ограничиваются узким диапазоном когнитивных факторов (время реакции, видеоигры, задачи на концентрацию внимания). Участники лабораторных экспериментов – добровольцы, как правило, выполняют требования экспериментатора, соответственно, результат измерений становится зависимым от степени сотрудничества испытуемого с экспериментатором и степени его мотивации. Таким образом, лабораторные стресс-факторы не могут точно соответствовать стресс-факторам, встречающимся в реальной жизни, то есть результаты лабораторных исследований стресса имеют ограниченную экологическую валидность.

Наиболее актуальными для исследований вегетативной регуляции являются три вопроса:

1. Какие факторы (детерминанты) обусловливают вегетативные ответы в контексте естественной деятельности? 2. Какие системы психофизиологических процессов лежат в основе регуляции кардиоритма в контексте естественной деятельности? 3. Можно ли по измерениям в лабораторных условиях предсказать вегетативные изменения в контексте естественной деятельности?

Одним из способов исследования кардиореактивности на стресс в контексте естественной деятельности является публичное вступление с докладом (экзамен, собеседование), тем более что данный естественный контекст остается относительно управляемым [224]. Публичная речь используется как компонент лабораторной модели стресса – Trier Social Stress Test (TSST) [109]. Однако сравнение показателей вегетативных реакций в эксперименте TSST с результатами, полученными в контексте естественной деятельности, показало отсутствие корреляций [204]. Многочисленные исследования демонстрируют гораздо более выраженные изменения сердечного ритма при выступлении на публике в контексте естественной деятельности по сравнению с лабораторными экспериментами и контекстом предсказания стресс-фактора [215; 209; 56; 28].

В недавней работе [224] были исследованы гемодинамические изменения на стрессфакторы в контексте естественной деятельности. Участниками этого исследования были студенты, которые весь учебный день носили датчик артериального давления. В этот день у них были запланированы доклады в группе. Соответственно, была получена динамика артериального давления: до, во время и после доклада. В результате показано значительное повышение артериального давления во время выступления по сравнению с периодом ожидания.

Такой эффект согласуется с первой стадией стресс-активации.

В другой работе авторы [214] проводили мониторинг АД, ЧСС в процессе рабочего дня с шагом по времени 30 мин. При этом оценивался уровень рассогласований между усилиями, вложенными в работу, и вознаграждениями. Результаты показали снижение тонуса блуждающего нерва (RMSSD) при возрастании уровня рассогласования. Приведенные примеры исследований, по сути, повторили и расширили круг результатов, которые были получены ранее в лабораторных контекстах.

Отношения между лабораторными и полевыми показателями вегетативной регуляции сердечного ритма изучаются уже более 30 лет. В обзоре [203] делают вывод о слабых связях между измерениями ВСР, производимыми в лабораторных и полевых контекстах, хотя редкие и слабые положительные корреляции все же обнаруживаются. Многократный продолжительный индивидуальный мониторинг и использование активных проб при измерениях отчасти решает эту проблему, но далеко не на 100%.

Второй путь решения поставленной проблемы - развитие инструментальных методов регистрации биофизических сигналов, обеспечивающих персонифицированный мониторинг и дистанционную диагностику без ограничений по продолжительности записи, по расстоянию до источника сигнала и его подвижности. Существенные успехи уже достигнуты в разработке систем телеметрического мониторинга вариабельности сердечного ритма и других физологических сигналов благодаря сотрудничеству исследователей California Institute of Technology и Georgia Institute of Technology: сеть бесконтактных емкостных датчиков, вплетена в ткань одежды и является портативным монитором, позволяющим продолжительное время регистрировать ЭКГ, ЭЭГ, вариабельность сердечного ритма в условиях свободного поведения (Technology Review, MIT, July 06, 2010).

Важно отметить, что при проведении измерений в контексте естественной деятельности возникают специфические требования к используемой аппаратуре:

1. Мобильность, легкость;

2. Длительная работа без электросети;

3. Устойчивость к экзогенным артефактам, связанным с движениями и др.;

4. Удобство пользователя – измеряющий прибор не должен отвлекать когнитивные ресурсы человека и каким-либо образом встраиваться в текущую функциональную систему;

5. Неотъемлемым условием является мониторинг и контроль динамики внешнего аудиовизуального контекста; в противном случае окажется невозможным выявление закономерностей в динамике вегетативной регуляции кардиоритма.

Структура выборки состоит из двух экспериментальных массивов.

эмоциональных нагрузок):

Студенты в контексте деятельности в виртуальной реальности (60 человек: муж., 35 жен. Возраст 18-27 лет.);

Студенты в контексте экспериментального моделирования когнитивных нагрузок.

(25 человек (70 реализаций): 23 жен., 2 муж. Возраст 18-25 лет.);

Наркозависимые больные в контексте экспериментального моделирования когнитивных нагрузок. (54 человека: 26 муж., 28 жен. Возраст 20-35 лет.) Шахматисты в контексте партии с компьютером. (16 человек: 14 муж., 2 жен.

Возраст 18-20 лет.) 2. Эксперименты в контекстах естественной деятельности. Каждый контекст содержит не менее одного типа стресс-факторов, выделенных по критерию модуля ФС, в котором возникает сигнал о чрезмерном рассогласовании.

Спортсмены в контексте тренировки. (67 человек: 47 муж., 20 жен. Возраст 14- лет.);

Сотрудники экстремального профиля в контексте тренировки в газово-дымовой камере (48 человек: 48 муж., 0 жен. Возраст 19-42 года.);

Водители общественного транспорта в процессе рабочей смены.(11 человек:

10муж., 1 жен. Возраст 45-56 лет.);

Инженеры в течение рабочей смены. (49 человек: 33 муж., 16 жен. Возраст 24- лет.);

Студенты в контексте публичного выступления на конференции (37 человек: муж., 24 жен. Возраст 16-24 лет.) Всего обследовано 362 человека.

Н.И.Лобачевского, кафедры гигиены труда и коммунальной гигиены Нижегородской государственной медицинской академии.

исследовании.

2.2. Телеметрия и беспроводная регистрация сердечного ритма Для телеметрии сердечного ритма была разработана беспроводная сенсорная сеть, состоящая из трёх модулей. Специализированная сенсорная платформа - Bluetooth Heart Rate / Speed & Distance Monitor (HxM, Zephyr Technology), объединяющая микропроцессор, блок приема-передачи радиосигналов и маломощные миниатюрных датчики ЭКГ, ускорения и расстояния. Сенсорная платформа размерами 65х32 мм весит 17 грамм. Конструкция сенсорной платформы обеспечивает надежную фиксацию датчиков на теле человека. Передача данных на Smartphone или персональный компьютер организована по каналу Bluetooth SPP -2,4 ГГц.

Пакеты необработанных данных передаются с интервалом 1 с. Каждый пакет содержит уникальный идентификатор устройства, 15 последних R-R интервалов («старые+новые»), время относительно момента начала записи. Без подзарядки устройство работает 26 часов.

Предельное расстояние передачи сигнала до накопителя-ретранслятора – 10 м. Для временного накопления и предобработки данных использовано персональное мобильное устройство связи SmartPhone с операционной системой Android или персональный компьютер с операционной системой Microsoft Windows XP. Далее данные передаются в сеть Internet через каналы GSM на специализированный сервер системы (Рисунок 7). Топология сенсорной сети по типу "звезда" обеспечивает экономию аппаратных ресурсов при коллективном мониторинге.

Рис. 7. Схема беспроводной регистрации кардиосигнала.

Таким образом, существенно снимаются пространственные ограничения и обеспечивается возможность для диагностики функционального состояния человека в условиях удаленного доступа. Работа программно-аппаратного комплекса для мобильной телеметрии верифицирована на основе сопоставления с записями аналогичных физиологических параметров на АПК Поли-Спектр (Нейрософт) и Кардиоанализатор «Анкар-131» (Медиком) (пример синхронизированных записей – Рисунок 8). Последовательности R-R интервалов и спектры вариабельности сердечного ритма, полученные в режиме удаленного доступа по нашей сенсорной сети, полностью соответствуют данным, полученным на стандартном оборудовании (р=0,995, критерий Стьюдента).

Рис. 8. Синхронизированные записи RR интервалов, полученные с помощью системы беспроводной регистрации кардиоритма и АПК Поли-Спектр (Нейрософт) (по оси абсцисс – время (мин), ординат – RR-интервалы (мс)).

Программа «Мобильный HR-измеритель» предназначена для измерения и визуализации RR-интервалов кардиограммы, получаемых с беспроводного датчика, прикрепленного на тело человека. Программа может быть использована в медицинских целях, а также в личных целях физическими лицами, заинтересованными в контроле своего функционального состояния.

Программа обеспечивает поиск и подключение к беспроводным датчикам; прием данных с датчиков; предварительную обработку полученных данных; визуализацию полученных и обработанных данных; накопление и передачу данных в хранилище данных, расположенное в сети Internet.

Характеристики программы:

Тип ЭВМ: Устройства с операционной системой Android OC: Android, версии 2.3 и выше Объем программы: 10 Mб.

Программа обеспечивает следующие функции:

Выбор датчика – приемника сигнала от человека;

Ввод данных о человеке, проходящем измерение;

Визуализация данных измерения RR-интервалов;

Маркирование записи;

Функциональные информационные пробы;

Передача данных на сервер по сети Internet.

Основной интерфейс программы представлен на рисунке 9.

Внизу окна располагается кнопка «Меню» (Рисунок 10). Меню содержит следующие компоненты:

Add sensor – выбор датчика, подключение к датчику.

Upload to FTP – передача накопляемых данных на сервер по сети Internet.

Options – дополнительные опции.

Stop&Exit – выход из программы.

Рис. 9. Интерфейс программы «Мобильный HR-измеритель».

Рис. 10. Интерфейс программы «Мобильный HR-измеритель» - меню.

Функция «Add sensor» выводит таблицу с идентификационными номерами датчиков, которые находятся в зоне связывания с мобильным устройством. При выборе одного из них автоматически появляется окно ввода идентификационных данных испытуемого (имя, фамилия, год рождения и др.) (Рисунок 11).

Рис. 11. Ввод данных испытуемого.

После подключения принимаемый сигнал визуализируется на экране мобильного устройства в поле графика (Рисунок 12).

Рис. 12. Визуализация измеряемого сигнала.

Функциональные кнопки A, B, C, D, E, F позволяют ставить маркеры в запись RRинтервалов. При нажатии одной из них в файле данных сохраняется маркер с названием, соответствующим кнопке напротив RR-интервала, совпадающего по времени с выставлением маркера.

2.3. Информационные технологии для оценки когнитивных функций Оценка когнитивных функций производилась с помощью интегрированного программно-аппаратного комплекса «HandTrеcker», который предназначен для исследования количественных характеристик восприятия человеком визуальных и звуковых стимулов. В частности, в нем реализованы такие зрительные тесты, как цветовая кампиметрия, управление цветом фигуры на фоне, управление углом наклона виртуального отрезка, тест «часы с поворотом», тест Струпа, тест сенсомоторной реакции на зрительный стимул. Также реализованы такие звуковые тесты, как измерение времени сенсомоторной реакции, измерение порогов слуха, измерение пороговых межушных задержек при латерализации звукового образа, удержание частоты (тонального звука).

В данном исследовании использован комплекс функциональных проб, обеспечивающих актуализацию первичных когнитивных функций и измерение ошибок моторного отображения элементарных сенсорных сигналов, которые описаны ниже. Принципиальная схема данных проб такова, что испытуемый включается в состав человеко-компьютерной системы, в которой зрительные и звуковые стимулы генерируются компьютером и предъявляются испытуемому.

Ориентируясь на свои ощущения, он должен в динамическом режиме управлять манипулятором-посредником (джойстик, мышь, клавиша) и воспроизводить предъявляемые экспериментатором стимулы с установленными параметрами [234]. Каждый эксперимент состоит из двух последовательных сессий: 1. Обучающая. Испытуемый знакомится с предстоящим заданием и пробует его выполнить несколько раз. 2. Непосредственное измерение.

Порядок проведения измерений включает в себя следующие этапы. Создание эксперимента. При вызове «приложения экспериментатора» возникает среда, в которой экспериментатор выбирает опцию меню «создать эксперимент» (или обращается к архиву базы). На экране монитора экспериментатора возникает вкладка «эксперимент», в которой исследователь заполняет паспортные данные эксперимента и выбирает одну из опций «сохранить запись», «отменить» или «выбрать». После нажатия кнопки «сохранить» запись попадает в базу данных. После нажатия кнопки «выбрать» активируется опция меню «метод исследования». Обращение к этой опции открывает доступ ко всем видам тестов и исследований, предусмотренных в комплексе, которые описаны ниже.

Использованные в исследовании подходы к тестированию когнитивных функций:

Метод компьютерной кампиметрии.

Тест предназначен для измерения дифференциальных порогов восприятия цвета по методу градиентов для назначенного набора цветовых стимулов, сформированных в соответствии с моделями цветового пространства HLS, RGB. Он осуществляется путем определения порогов различения цветной фигуры на цветном фоне.

Пользуясь окнами закладки «кампиметрия» экспериментатор устанавливает следующие параметры теста:

- форму и размеры фонового поля (фонового стимула);

- форму и размеры 3 фигур, которые будут предъявляться на фоне для распознавания;

- вид модели цветового пространства (цветовая модель);

- активный параметр цветовой модели, т.е. тот параметр, изменение которого будет изменять цвет фона;

- интервал изменения активного параметра;

- шаг изменения величины активного параметра;

- порядок предъявления стимулов – фигур на фоне;

- способ управления цветом фигуры на экране испытуемого – кнопки на экране, клавиши клавиатуры, кнопки мыши.

Выбор формы трех стимулов для распознавания делается в окне «активный стимул».

При необходимости в программу может быть внесен в качестве цитаты любой графический объект.

После назначения параметров теста и размещения инструкции для испытуемого экспериментатор нажимает кнопку «просмотр». В результате на его экране появляется круг, разделенный на сектора, имеющие тот цвет, который будет принимать фон в ходе исследования. Для начала исследования экспериментатор должен нажать виртуальную кнопку «пуск».

Ознакомившись с инструкцией, испытуемый нажимает виртуальную кнопку «начать тестирование». Далее, нажимая в зависимости от выбранного способа управления цветом фигуры на верхнюю управляющую кнопку, испытуемый добивается появления фигуры на фоне. Как только он примет решение, что распознал фигуру, он нажимает соответствующий ей значок. Если распознавание произошло верно, то появляется соответствующая иконка (Рисунок 13).

После нажатия кнопки «ОК» испытуемый нажимает нижнюю управляющую кнопку со стрелкой до тех пор, пока, по его мнению, фигура не сольётся с фоном. После этого на экране появится новый фон, и все нужно будет продолжить.

Рис. 13. Экран испытуемого после правильного ответа тестирования.

В это время экран экспериментатора примет вид, показанный на рисунке 14. В правой части экрана отображены графики, отражающие зависимость величины порога распознавания фигуры от значения фона (верхняя кривая) и ошибки определения цвета фигуры при ее слиянии с фоном. Эти же данные приведены и в таблице (Рисунок 14).

Рис. 14. Экран экспериментатора после завершения тестирования.

При нажатии кнопки «сохранить» все настройки и данные эксперимента сохраняются в базе дынных и в последующем могут быть из нее вызваны.

В данном исследовании измерение порогов цветоразличения производилось в цветовой модели НLS по шкале H от 0 до 250 с шагом 10 у.е.

Тест «Управление углом наклона отрезка».

Тест предназначен для исследования восприятия испытуемым пространственной ориентации виртуальных геометрических объектов, например, отрезков прямой.

Пользуясь кнопками и окнами вкладки «управление углом наклона», экспериментатор может назначить вид и параметры виртуального объекта – образца и объекта управления, порядок предъявления виртуальных объектов - стимулов, способ управления виртуальным объектом – стимулом, количество предъявляемых стимулов и шаг изменения угла наклона образцового стимула, начальное различие наклона стимула - образца и управляемого стимула при предъявлении управляемого стимула. Также экспериментатор может отредактировать инструкцию и предъявить ее испытуемому или скрыть.

После назначения параметров теста и нажатия кнопки «пуск» на экране испытуемого возникает образцовый и управляемый объекты в режиме, выбранном экспериментатором (Рисунок 15).

Рис. 15. Экран испытуемого при выполнении теста.

Управляя с помощью назначенного экспериментатором инструмента, испытуемый выполняет инструкцию, например, выставляет управляемый отрезок параллельно образцовому.

Экран экспериментатора отражает диаграмму и таблицу, в которых приведены данные о величине ошибок управления и потраченном на каждую пробу времени. При нажатии кнопки «сохранить» они будут помещены в базу данных.

В данном исследовании испытуемым в каждом эксперименте предъявлялось 9 стимуловобразцов от 0 до 180 с шагом 22,5, начальное отклонение управляемого стимула от стимула образца 15, время удержания управляемого стимула – 5000 мс., чувствительность манипулятора (джойстика) – 2. Длина стимулов – 50 мм, толщина стимулов – 1мм.

Тест «Часы с поворотом».

Тест предназначен для оценки и тренировки способности восприятия и управления пространственной ориентацией объектов.

На экране экспериментатора возникает закладка, в окнах которой могут быть назначены параметры теста: вид циферблата (с делениями или без делений), количество, вид и размер стрелок часов (стимула), угол поворота циферблата относительно вертикали, временной интервал циферблата 0-12 или 0-24 часа, количество заданий в тесте, порядок предъявления задач, способ регулирования положения стрелок испытуемым – мышь, движок, джойстик, режим тренировки или тестирования.

После ознакомления испытуемого с инструкцией экспериментатор нажимает кнопку «пуск». При этом на экране испытуемого возникает первая задача теста (Рисунок 16).

Рис. 16. Предъявление тестовой задачи.