CC BY
103
ВОЗРАСТНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ
ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ОРГАНИЗМА ДЕТЕЙ 15-16 ЛЕТ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВОЗРАСТА НАЧАЛА РАБОТЫ ЗА КОМПЬЮТЕРОМ
М.М. Безруких, Ю.Н. Комкова1 Федеральное государственное научное учреждение «Институт возрастной физиологии» Российской академии образования, Москва
Изучены особенности вариабельности сердечного ритма (ВРС) подростков 15-16 лет в зависимости от возраста начала работы за компьютером при выполнении тестовой работы на компьютере. Выраженность вегетативной реактивности на работу на компьютере у старших подростков зависит от возраста начала работы за компьютером. Отмечено, что начало работы за компьютером в 9-10 лет оказывает положительное влияние на процесс адаптации к кратковременным нагрузкам на компьютере.
Ключевые слова: вариабельность сердечного ритма (ВРС), работа на компьютере, старший подростковый возраст, возраст начала работы за компьютером.
Functional state of 15-16-year-old children depending on the age they start working on the computer.Depending on the age when 15-16-year-old children study working on the computer (when doing test work on the computer) peculiarities of HRVwere studied. Intensity of vegetative reactivity in older teenagers depends on the age they start working on the computer. It was found out that positive adaptation to short-term computer work takes place if children start working on the computer at the age of 9-10 years old.
Key words: HRV, work on the computer, older teen age.
Под функциональным состоянием (ФС) мы понимаем системную реакцию организма, выражающаяся в виде интегрального комплекса функций и качеств человека, которые прямо или косвенно определяют выполнение деятельности [7]. Наиболее простыми и удобными для использования на практике показателями ФС человека являются вегетативные реакции, которые непосредственно включены в адаптационно-трофичекую функцию организма и хорошо выражены трудности, с которыми сталкивается человек в процессе труда или обучения [4].
Физиологические исследования ФС организма у детей и взрослых показали, что работа за компьютером оказывает определенное влияние на различные отделы сердечно-сосудистой системы [11, 18, 19, 22]. Возраст 15-16 лет является тем периодом онтогенеза, когда формирование механизмов регуляции деятельности
Контакты: 1 Комкова Ю.Н., E-mail: <[email protected]>
сердечно-сосудистой системы происходит при участии нейрогуморальных и гормональных механизмов регуляции и поведенческих факторов [6,9,10].
В качестве адекватного маркера ФС организма в процессе работы за компьютером многими исследователями использованы показатели сердечного ритма (СР) [11, 18]. Доказано, что умственные и физические нагрузки, являющиеся компонентами работы на компьютере, вызывают существенные изменения ФС сердечно-сосудистой системы у детей разного возраста [11, 13, 18, 19, 22]. При этом в литературе отсутствуют данные о влиянии пролонгированного влиянии работы на компьютере на характер и выраженность изменений в регуляции СР.
ОРГАНИЗАЦИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Регистрация ЭКГ проводилась во втором стандартном отведении с помощью прибора "Поли-Спектр-12" фирмы НЕЙРОСОФТ (Иваново). Запись ЭКГ осуществлялась в положении исследуемого сидя до работы (в состоянии покоя) на компьютере, на 4-9-й минуте в процессе работы на компьютере и спустя 3-5 минут после окончания работы, в первой половине дня.
Для изучения автономной нервной регуляции СР использовался метод временного и спектрального анализа вариабельности сердечного ритма [20].
Временной метод анализа ВРС включал измерение следующих показателей: ЯЛМЫ^мс - средняя длительность интервалов ЯЯ, которая отражает результат регуляторных влияний на синусовый ритм, сложившегося баланса между парасимпатическим и симпатическим отделами автономной нервной системы [1];
SDNN,мс - стандартное отклонение величин нормальных интервалов ЯЯ за рассматриваемый временной отрезок. Показатель является интегральным показателем ВРС, зависит от влияния на синусовый узел симпатического и парасимпатического отделов автономной нервной системы. Уменьшение или увеличение этого показателя свидетельствует о смещении вегетативного баланса в сторону преобладания одного из отделов [1, 8];
RMSSD, мс - квадратный корень из суммы квадратов разностей величин последовательных интервалов NN [1, 8];
pNN5o,% - процент NN50 (NN50- количество пар последовательных интервалов МЫ”, различающихся более, чем на 50 мс в течение всей записи) от общего количества последовательных пар интервалов, полученное за весь период записи. Значения показателей RMSSD и pNN50 определяются преимущественно влиянием парасимпатического отдела автономной нервной системы и являются отражением синусовой аритмии, связанной с дыханием [1];
CV,% - коэффициент вариации (CV=SDNN/RRNN*100%), отражающий смещение вегетативного баланса в сторону преобладания одного из отделов вегетативной нервной системы [1];
Спектральный метод анализа ВРС позволяет обнаружить различные частотные составляющие колебаний ритма сердца и количественно оценить их вклад в динамику ритма. В норме у человека в спектре ритма (при анализе 5 минутных
записей ЭКГ) присутствуют три основных спектральных составляющих, или пика:
Высокочастотные колебания (НР (мс2, п.и., %)) - мощность спектра в диапазоне 0,15-0,4 Гц, которые сопряжены с дыханием и отражают модулирующее влияние парасимпатического отдела нервной системы на пейсмекерную активность синусового узла [1, 17];
Низкочастотные колебания - ^Р (мс2,п.и.,%)) - мощность спектра в диапазоне 0,04-0,15Гц, которые могут быть обусловлены как периодически возникающими вспышками симпатической вазомоторной активности (собственный ритм сосудвигательного центра), так и колебания ритма АД, реализуемого через барорефлекторные механизмы [1,17];
Очень низкочастотные колебания - ("УЪР (мс2, %)) - мощность спектра в диапазоне 0,003-0,04 Гц, которые характеризуют влияние высших вегетативных центров на сердечно-сосудистый подкорковый центр [15].
Общая мощность спектра в диапазоне от 0,003 до 0,4 Гц или полный спектр частот, характеризующих ВРС (ТР(мс2)), отражает суммарную активность вегетативного воздействия на сердечный ритм [1, 8];
Для оценки баланса симпатических и парасимпатических влияний в автономную регуляцию сердечного ритма использовалось отношение низкочастотной составляющей спектра к высокочастотной ^Р/НР) [1, 17].
В дальнейшем показатели ВРС мы будем обозначать следующим образом: временные - SDNN, RMSSD, рМЫ50, CV; спектральные - НРмс2, НРпи, НР%, LFмс2, LРnu, LF%, ’УЬРмс2, ’УЬРГо, ТР.
Реакция организма подростков в процессе работы на компьютере оценивалась в выполнении компьютеризированного буквенного теста в течение 10 минут [12].
Для формирования экспериментальных групп проведено письменное анкетирование подростков [2], по результатам которого мы выделили следующие группы: в первую группу вошли подростки, начавшие работу на компьютере в 8 лет и ранее (п=37), во вторую группу - подростки, которые начали работать на компьютере в 9-10 лет (п=32), в третью группу - подростки, которые начали работать на компьютере после 10 лет (п=49).
Для приближения распределения значений показателей ВРС к нормальному распределению применялись логарифмические преобразования. Для определения тесноты статистической связи между показателями мы использовали коэффициент корреляции Sperman. Для проверки статистических гипотез исследования - Ь тест Стьюдента.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Работа на компьютере - это особый вид когнитивной деятельности, требующей вовлечения значительных интеллектуальных и физических ресурсов организма.
Оценка характера изменений автономных нервных регуляторных воздействий на ритм сердца у подростков проводилась в трех группах, сформированных в соответствии с началом работы на компьютере в процессе выполнения тестового задания. В настоящее время, компьютерные технологии находят все более широкое применение в процессе школьного обучения.
До работы на компьютере значимых различий в показателях регуляции СР между группами не выявлено. Анализ ВРС В процессе работы на компьютере у детей первой группы показал снижение центральных влияний на СР (снижаются значения очень низкочастотного показателя VLF мс2 (р = 0,011), а также снижение активности парасимпатического отдела автономной нервной системы (АНС) (RRNN (р = 0,021), рМЫ50(р = 0,020) (Рис. 1. А). Это закономерно отражается на усилении активности симпатической нервной системы и отмечается многими исследователями как наиболее характерная реакция при выполнении умственной нагрузки, например, во время экзамена [5, 16].
Во 2-ой группе отмечено снижение только показателя RRNN (р = 0,002), остальные характеристики значимо не изменяются. По данным спектрального анализа значимые изменения, по сравнению с исходным уровнем, не отмечены (Рис. 1. Б).
А
Б
В
♦ УЬР ■ ЬР
й ИР
—О— СУ
Рис.1. Временные и спектральные показатели сердечного ритма: А - 1 группа, Б - 2 группа, В - 3 группа, 1- исходное состояние, 2- тестовая нагрузка (работа за компьютером), 3 - после нагрузки, * -значимые различия по сравнению с исх. сост., # - значимые различия по сравнению с нагрузкой, р<0,05.
2
3
У детей 3-ей группы в процессе выполнения тестового задания на компьютере значения показателей увеличиваются, отражающих активность симпатического отдела АНС (LFnu, (р = 0,031), LF/HF (р = 0,009)) и снижаются значения показа-
телей, характеризующих активность парасимпатической нервной системы (ЯДКМ (р = 0,0001), рМЫ50 (р = 0,039), НР% (р = 0,010), НРпи (р = 0,031)) (рис.1В). Считается, что рост мощности спектра в низкочастотном диапазоне, может оцениваться как один из компонентов адаптации к умственной деятельности [3].
Таким образом, в процессе работы на компьютере у всех подростков, вне зависимости от возраста начала работы за компьютером, отмечается одинаковая направленность изменений регуляции СР: снижение влияния парасимпатической и повышение активности симпатической нервной системы, однако, наименее выраженная реакция выявлена у подростков, которые начали работу на компьютере в 9-10 лет. Однако, после работы на компьютере практически полное восстановление отмечается только у детей 1-ой группы.
Полученные данные свидетельствуют о том, что характер нервной регуляции СР в процессе тестовой работы на компьютере формируется не только в зависимости от возрастных возможностей реакции на нагрузку, но и от общего опыта этой работы.
Интересно было сопоставить не только реакцию сердечного ритма на тестовую нагрузку, но и качество выполнения теста у подростков с разным опытом работы на компьютере. Однако, качественный анализ результатов теста в процессе работы на компьютере не показал существенных различий между подростками с разным опытом работы на компьютере (Рис. 2).
А Б
12 3 4 5 6 7 8 9 10
И 1 группа — — 2 группа
Рис. 2. Зависимость числа ошибок от скорости для 10-буквенного теста (усредненные данные) у подростков с разным опытом работы за компьютером: А - 1ый этап теста, Б - 2-ой этап теста, на оси абсцисс отложен номер цикла тестирования (числу 1 соответствует задержка 1,2 с, числу 10 - задержка 0,2 с в случае 1-го этапа), на оси ординат - число совершенных ошибок.
Анализировалась динамика числа ошибок по этапам: на 1-ом этапе - скорость предъявления рядов букв постепенно возрастает, тогда как на 2-ом этапе - предлагалось выполнить тест на предельной скорости [12]. При увеличении напряженности работы можно было ожидать более низкие показатели качества у детей с меньшим опытом работы на компьютере. У подростков всех групп отмечался
незначительный рост числа ошибок от 1-го к 5-ому циклу и постепенный рост числа ошибок от 5-го к 10-ому циклу (Рис. 2. А).
На 2-ом этапе 10-ти буквенного теста отмечено 5-6 ошибок у всех детей (рис.2Б). Рост числа ошибок имеет экспоненциальный вид до достижения предельной скорости, на которой количество ошибок, по-видимому, определяется не только возможностями организации внимания и произвольной регуляции деятельности [14]. При числе ошибок больше 8, можно полагать, что испытуемый не справляется с тестом. Анализ индивидуальных данных показал, что процент тех испытуемых, кто допустил более 8 ошибок, значимо не различается (р>0,05) между группами (соответственно 21,0%, 15,0%, 27,0%), но все же у учащихся 2-ой группы их несколько меньше.
Таким образом, несмотря на то, что дети демонстрируют различия в показателях ВРС при выполнении тестовой нагрузки на компьютере, это практически не отражается на качественных показателях теста. Короткая тестовая нагрузка позволяет увидеть различия "функциональной цены" нагрузки у школьников с разным опытом работы на компьютере.
Дополнительные данные о связях показателей ВРС и числом ошибок, допущенных при выполнении тестовой нагрузки на компьютере (1-й этап, 10буквенный тест) получены с помощью оценки корреляций. При этом как низкую мы оценивали корреляционную связь - до 0,3; среднюю - от 0,3 до 0,5; как высокую от 0,5 до 0,7 и очень высокую - более 0,7.
Анализ коэффициентов корреляции исследуемых показателей ВРС и числом допущенных ошибок у подростков в зависимости от возраста начала работы на компьютере свидетельствует о том, что теснота связей по своей структуре и количеству значимых коэффициентов корреляций имеет в этих группах свои особенности (рис.3).
Проведенный анализ выявил у детей 1-ой группы на 3-ем цикле положительные корреляции между числом ошибок и спектральными показателями ВРС LFnu (г=0,412; р<0,05), LF/HF (г=0,423; р<0,05), т.е. рост числа ошибок сопровождается ростом активности симпатической нервной системы, что является адекватной реакцией на выполняемую работу. НА 4-ом цикле теста число ошибок возрастает и положительно связано с ростом очень низкочастотного показателя спектра (VLF, г=0,413; р<0,05). Природа VLF-колебаний в настоящее время остается дисскуси-онной темой исследований многих физиологов. Ряд исследователей [1,8,15] высказывают предположение, что сверхнизкочасточные колебания характеризуют влияние высших вегетативных центров на сердечно-сосудистый подкорковый центр, отражают состояние нейрогуморального и метаболического уровня регуляции.
5
©
У_Р
_Р/ИР
1_Рпи
РРЫЫ
ИРпи
А
Б
В
Рис. 3. Значимые корреляционные связи между показателями ВРС и числом допущенных ошибок при выполнении тестового задания на компьютере у детей 15-16 лет: А - 1 группа; Б - 2 группа; В - 3 группа; спектральные показатели ВРС (ТР, Нпи, НБ%, LFnu, LF%, VLFмс2, VLF%j; временные показатели ВРС (RRNN,SDNN, СУ); 1-10 - номер цикла тестового задания; сплошные линии - средний уровень корреляции;
Дальнейший рост число ошибок (5 цикл) отрицательно связан с показателем средней длительности интервалов RRNN (г=-0,596; р<0,01), что свидетельствует о снижении активности симпатической нервной системы (рис.ЗА).
У детей 2-ой группы число ошибок, допущенных на 1-ом цикле выполнения теста, положительно связано с показателями, отражающими доминирование парасимпатической нервной системы (Юи, pNN50) (г=0,467;0,398; р<0,01 соответственно), которое сохраняется и на 5-ом цикле (%НБ, г=0,450; р<0,05) (рис.ЗБ). Рост активности парасимпатической нервной системы, по-видимому, отражает врабатывание. Однако, сохранение этой активности на 5-ом цикле - может являться напряжением, но и может быть связано с индивидуальными особенностями испытуемых.
У детей 3-ей группы выявлены исследуемые взаимосвязи в середине и конце теста (рис.ЗВ). Так, число допущенных ошибок на 5-ом цикле положительно связано с показателями высокочастотного спектра (Юл, г=0,301; р<0,05), что отмечается и у детей 2-ой группы. Дальнейший рост числа ошибок связан с показателями ТР, СУ (г=0,321; р<0,05), что может свидетельствовать о снижении активности парасимпатической нервной системы и является вполне адекватной реакцией на нагрузку.
Как видно из рис.3 у детей 1-ой и 2-ой групп выявлены корреляции между исследуемыми показателями в начале и середине теста, тогда как у детей 3 -ей группы - в середине и конце теста.
штриховая линия- высокий уровень корреляции.
Таким образом, корреляционный анализ выявил практически одинаковое число взаимосвязей между показателями ВРС и числом допущенных ошибок при выполнении тестового задания на компьютере у всех детей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В 1-ой группе детей (начало работы за компьютером в 8 лет и ранее) при выполнении кратковременной тестовой нагрузки отмечается усиление активности симпатической нервной системы и снижение парасимпатической на сердечный ритм, что является наиболее характерной вегетативной реакцией при выполнении умственной нагрузки.
У детей, которые начали работать за компьютером в 9-10 лет, анализ показателей ВРС в процессе работы за компьютером выявил снижение только значений показателя ЯДМЫ (р<0,05), что свидетельствует об отсутствии выраженной вегетативной реакции при выполнении тестовой нагрузки за компьютером у них, при сходном качестве работы с остальными группами подростков.
В 3-ей группе подростков, которые начали работать за компьютером после 10 лет, отмечается адекватная вегетативная реакция на выполнение задания за компьютером: рост показателей, отражающих активность симпатического отдела АНС (LFnu, LF/HF) и снижение значений показателей, характеризующих активность парасимпатической нервной системы (RRNN, рМЫ50, НБ%, Нпи).
Таким образом, результаты нашего исследования показали, что начало работы за компьютером в 9-10 лет оказывает положительное влияние на процесс адаптации к подобным кратковременным нагрузкам. Однако, необходимо отметить, что подобные результаты анализа ВРС получены на кратковременных нагрузках (10-минут), и не могут быть использованы для оценки вегетативной реакции подростков с учетом влияния возраста начала работы на компьютере на более продолжительную работу на компьютере, которая многими исследователями отмечается как отрицательная и "тормозящая" развитие ребенка [21]. Исследованиями выявлено, что при кратковременной работе на компьютере тонус АНС существенно не изменяется, тогда как, длительная работа вызывает у взрослых испытуемых значительную активацию парасимпатической нервной системы [13]. Увеличение активности парасимпатической нервной системы при действии длительных нагрузок связывают с развитием утомления.
ВЫВОДЫ
Все подростки, вне зависимости от возраста начала работы на компьютере, показывают одинаковую вегетативную реакцию на тестовую нагрузку за компьютером, однако, наименее выраженная реактивность выявлена у детей, которые начали работать на компьютере в 9-10 лет.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баевский Р.М. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокадиографических систем: методические рекомендации /Р.М. Баевский, Г.Г. Иванов. А.В. Чирейкин и др. //Вестник аритмологии. - 2001.
- №24. - С. 65.
2. Безруких М.М., Комкова Ю.Н. Анализ опыта работы за компьютером школьников 14-16 лет //Новые исследования. - 2008. - №2 (15). - С. 22-30.
3. Горбунов, Н.П. Динамика сердечного ритма у младших школьников в процессе адаптации к условиям дифференцированного обучения /Н.П. Горбунов, И.В. Батенкова //Тез. докл. 18-го съезда физиол. об-ва им. И.П. Павлова. - Казань, 2001. - С. 502.
4. Данилова Н.Н. Психофизиология диагностики функциональных состояний.
- М: Изд-во МГУ, 1992. - 192 с
5. Двоеносов В.Г Особенности функционального и психологического состояния студентов с различным вегетативным тонусом в условиях экзаменационного стресса // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. - 2009. - Т. 151. кн. 3. -С. 255.
6. Зуев О.А. Адаптация дыхательной и сердечно-сосудистой системы деву-шек-легкоатлеток к физическим нагрузкам скоростно-силовой направленности: Автореф. дис. ... канд. биол. наук /О.А. Зуев. - Челябинск, 2009. - 23 с.
7. Медведев В.И. Функциональное состояние оператора /В.И. Медведев //Эргономические принципы и рекомендации. - М., 1970. - Вып.1. - С. 127-160.
8. Михайлов В.М. Вариабельность ритма сердца: опыт практического применения /В.М. Михайлов. - Иваново: Иван. гос. мед. академия, 2002. - 290 с.
9. Назарененко С.Ю. Вариабельность сердечного ритма у подростков архангельской области: Автореф. дис. . канд. мед.. наук. - Архангельск, 2007. - 19 с.
10. Плышевская Е. В. Функциональные особенности сердечной деятельности школьников 15 - 16 лет: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Ярославль, 2003. -23 с.
11. Пономарева Т.А. Срочная адаптация системы кровообращения детей младшего школьного возраста к работе на компьютере: Автореф. дис. . канд. биол. наук. - М.,2005. - С. 20
12. Сонькин В.В. Компьютерная система оценки умственной работоспособности //Мат-лы межд. конф. "Физиология развития человека". Секция 4. - М.: Вердана.2009. - С. 101-102.
13. Федорова, М.З. Функциональное состояние сердечно-сосудистой системы юношей 15-17 лет при учебной нагрузке: Дис. ... канд. биол. наук /М.З.Федорова.
- М., 1991. - 212 с.
14. Физиология развития ребенка: Рук-во по возрастной физиологии /Под ред. М.М. Безруких, Д.А. Фарбер. - М.: Изд-во МПСИ; Воронеж: Изд-во НПО "МОДЭК", 2010. - С. 669-712.
15. Хаспекова Н.Б. Диагностическая информативность мониторирования вариабельности ритма сердца //Вестник аритмологии. - 2003. - № 32. - С. 15.
16. Щербатых Ю.В. Вегетативные проявления экзаменационного стресса: Автореф. дис. ... докт. биол. наук. - СПб. 2001. - 32 с.
17. Berntson G. G., Cacioppo, J. T., Quigley, K. S. Autonomic determinism: The modes of autonomic control, the doctrine of autonomic space, and the laws of autonomic constraint//Psychological Review. - 1991. - V.98. - P. 459.
18. Ivarsson M. Playing a violent television game affects heart rate variability /M. Ivarsson, M. Anderson, T. Akerstedt, F. Lindblad //Acta Psdiatrica. - 2009. - Vol.98. -№1. - P. 1-7.
19. Nagamitsu S. Prefrontal cerebral blood volume patterns while playing video games—A near-infrared spectroscopy study /S. Nagamitsu, М. Nagano, Y. Yamashita et al. //Brain & Development. - 2006. - Vol.28. - P. 315-321.
20. Task Force of The European Society of Cardiology, The North American Society of Pacing and Electrophysiology. Heart rate variability. Eur Heart J. - 1996. - V. 17.
- Р. 354.
21. Swing E.L. Television and Video Game Exposure and the Development of Attention Problems /E.L. Swing, A.D. Gentile, A.C. Anderson et al. //Pediatrics. - 2010. -Vol.126. - P. 214-221.
22. Wang X. Metabolic and Physiologic Responses to Video Game Play in 7- to 10-Year-0ld Boys /X. Wang, A. Perry //Arch Pediatr Adolesc Med. - 2006. -Vol. 160. -P. 411-415.
