CC BY
13
ФИЗИЧЕСКИЕ УПРАЖНЕНИЯ РАЗЛИЧНОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ШКОЛЬНИКОВ ПРИ КОГНИТИВНЫХ НАГРУЗКАХ: ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ЭФФЕКТЫ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ
АДАПТАЦИИ
И.А. Криволапчук 1, А.А. Герасимова ФГБНУ «Институт возрастной физиологии Российской академии образования», Москва Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н. И. Пирогова МЗРФ, Москва
Установлено, что систематические занятия физическими упражнениями оказывают благоприятное влияние на функциональное состояние (ФС) детей 11-12 лет при напряженной познавательной деятельности. Показано, что изменения ФС организма существенно зависят от недельного объема и метаболической направленности занятий физическими упражнениями. Предполагается, что в основе оптимизирующего воздействия физических нагрузок на ФС детей лежат механизмы перекрестной адаптации.
Ключевые слова: нагрузки аэробной и анаэробной направленности, напряженная познавательная деятельность, психофизиологическая реактивность, перекрестная адаптация.
Various physical exercises and functional state of school children performing cognitive tasks: cross adaptation effects. It was discovered that systematic physical exercises exert positive influence on the functional state (FS) of 11-12-year-old children under intensive cognitive load. It has been shown that FS changes depend considerably on the amount of physical exercises a week and on the metabolic orientation of these exercises. It is supposed that the mechanisms of cross adaptation underlie the optimizing influence of physical exercises on the children's FS.
Key words: aerobic and anaerobic activity, intensive cognitive activity, psychophysiological reactivity, cross adaptation.
Особенности долговременной адаптации детей к мышечной деятельности, в значительной степени, обусловлены выбором тех или иных параметров физической нагрузки, определяющих характер приспособительных изменений в организме [1, 6, 7, 9, 14]. Известно, что многие физиологические системы организма, обеспечивающие реализацию напряженной мышечной деятельности, могут совершенно неспецифически реагировать на самые различные неблагоприятные факторы [5, 18]. Систематические занятия физическими упражнениями существенно улучшают функционирование данных систем. Вследствие этого у человека с высокой двигательной активностью не только совершенствуются физические кондиции, но и повышается неспецифическая резистентность к действию широкого спектра социальных и природных стресс-факторов [5, 4, 12, 9]. В контексте
Контакты:1 Криволапчук И.А. - E-mail: <i.krivolapchuk@mail.ru>
рассматриваемого вопроса большой интерес представляет задача определения рациональных соотношений параметров физической нагрузки для улучшения ФС школьников при психологическом стрессе и напряженной познавательной деятельности. В опубликованных в настоящее время работах отсутствует научная информация о сравнительном эффекте занятий физическими упражнениями аэробной и анаэробной направленности в отношении ФС учащихся разного возраста.
Целью настоящего исследования явилось изучение влияния систематических занятий физическими упражнениями различной направленности и объема на ФС школьников 11-12 лет при напряженных когнитивных нагрузках.
ОРГАНИЗАЦИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для достижения поставленной цели был проведен педагогический эксперимент, в котором приняли участие дети школьники 11 -12 (п=84) лет, отнесенные по состоянию здоровья к основной медицинской группе. Исследования проходили в соответствии с Хельсинской декларацией.
В качестве модели напряженной когнитивной нагрузки использовали работу с буквенными корректурными таблицами. Обследование осуществлялось в состоянии покоя, а также при реализации когнитивного задания с комфортной (автотемп) и максимальной (максимальный темп) скоростью [3]. По результатам выполнения тестовой нагрузки рассчитывали объём работы (А) и коэффициент продуктивности (Р).
Для оценки степени напряженности регуляторных систем использовали математический анализ сердечного ритма [10]. Определяли частоту сердечных сокращений (ЧСС), среднюю продолжительность R-R интервала (RRNN), моду (Мо), амплитуду моды (АМо), разброс кардиоинтервалов (MxDMn), средне-квадратическое отклонение стресс -индекс ^1).
Систолическое (СД) и диастолическое (ДД) артериальное давление крови регистрировали в соответствие с рекомендациями ВОЗ. Применяли адекватную возрасту детскую манжету. Рассчитывали двойное произведение (ДП).
В процессе работы были организованы четыре рандомизированные экспериментальные и одна контрольная (КГ) группы. Во всех экспериментальных группах в структуре основной части занятия выделяли два основных блока - обучающий и тренирующий [8]. Обучающий блок был однотипным во всех опытных группах. Средняя интенсивность нагрузки была низкой и не превышала 40 % максимального пульсового резерва. На решение задач этого блока отводилось 30-45 минут в неделю. В тренирующем блоке выделены 4 «модуля» двигательных заданий, отнесенных к различным зонам относительной мощности. На их реализацию отводилось от 60 до 120 минут в неделю. Экспериментальные нагрузки, предлагаемые занимающимся, были сопоставимы по средней интенсивности (70-80% максимального пульсового резерва), но различались по метаболической направленности и объему (табл. ).
Таблица 1
Дизайн исследования
Группы Направленность нагрузки Количество занятий Недельный объем нагрузки
ЭГ-1 Преимущественно аэробная 3 раза в неделю 60 мин
ЭГ-2 6 раз в неделю 120 мин
ЭГ-3 Преимущественно анаэробная 3 раза в неделю 60 мин
ЭГ-4 6 раз в неделю 120 мин
Перед началом и после окончания педагогического эксперимента проводилось изучение двигательной подготовленности. Комплекс преимущественно аэробной направленности содержал 50 % упражнений, обеспечивающих развитие двигательных способностей, тесно связанных с аэробными возможностями, 25 % упражнений, способствующих улучшению двигательных способностей, базирующихся на анаэробной производительности организма. Комплекс преимущественно анаэробной направленности имел обратное соотношение указанных выше средств. В обоих случаях для упражнений, характеризующихся смешанным энергообеспечением, выделялось 25 % времени. Комплексы физических упражнений различной направленности были составлены таким образом, что имели одинаковую продолжительность, среднюю интенсивность и, соответственно, величину нагрузки [2].
Полученный фактический материал обработан общепринятыми методами статистического анализа. Определялись статистические характеристики ряда измерений и проводилась проверка статистических гипотез. Достоверность различий оценивали с помощью параметрических и непараметрических критериев для корреляционно связанных и независимых выборок. На основе сдвигов отдельных переменных, полученных за время педагогического эксперимента, определяли интегральную величину сдвига различных показателей ФС.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ полученных результатов показал, что под влиянием программ занятий физическими упражнениями различной метаболической направленности в большинстве случаев произошли статистически значимые приросты показателей ФС после окончания педагогического эксперимента (рис.1). В экспериментальных группах с аэробной направленностью занятий (ЭГ1, ЭГ2) при выполнении когнитивной нагрузки в режиме автотемпа выявлены статистически значимые (р<0,05-0,001) сдвиги ряда показателей ФС: А, ЧСС, RRNN, Мо, МхБМп, АМо, SI, ДП. Наиболее выраженные изменения ФС произошли в ЭГ2, применявшей «повышенный» объем высокоинтенсивных аэробных упражнений (см. рис. 1).
В экспериментальных группах с анаэробной направленностью нагрузки (ЭГ3, ЭГ4) также произошли значимые (р<0,05-0,001) изменения ФС. Это относится к сдвигам таких показателей как А, Р, ЧСС, RRNN, Мо, ДП. Следует отметить, что
достоверные сдвиги ФС выявлены главным образом в ЭГ4, использующей «повышенный» объем физических упражнений анаэробного характера (см. рис. 1).
Сдвиги показателей ФС (максимальный темп)
35 30 25 20 15 10
%
5 0 -5 -10 -15 -20
А 0 ЧСС [^Ш Мо МхРМп АМо Б! БОШ СД ДД ДП
Рису. 1. Изменения показателей ФС школьников 11-12 лет при когнитивной нагрузке под влиянием физических упражнений различной направленности и
объема.
Примечание: I - ЭГ1, II - ЭГ2 (аэробная направленность 60 и 120 мин соответственно); III - ЭГ3, VI - ЭГ4 (анаэробная направленность 60 и 120 мин соответственно); значения Q и SIуменьшены на порядок.
Сопоставление сдвигов показателей ФС, обусловленных направленностью занятий, показало, что группы школьников с преобладанием в структуре нагрузок анаэробных упражнений превосходили (р<0,05-0,001) группы детей с превалированием аэробных упражнений в отношении приростов показателей скорости и продуктивности реализации когнитивной нагрузки. В свою очередь, группы школьников с преобладанием аэробных нагрузок имели некоторое преимущество в отношении сдвигов рассматриваемых вегетативных показателей ФС (см. рис. 1).
Сравнение приростов показателей ФС позволило выявить существенные (р<0,05-0,001) различия в экспериментальных группах по сравнению с контрольной. В группах с преимущественно аэробной направленностью программ занятий (ЭГ1, ЭГ2) различия касались средней величины сдвига следующих показателей: ЧСС, RRNN, Мо, MxDMn. Наряду с этим в ЭГ2 произошли достоверные изменения (р<0,05-0,001) А, 0, SI, ДП.
В экспериментальных группах с анаэробной направленностью программ занятий (ЭГ3, ЭГ4) по сравнению с контрольной группой также выявлены различия (р<0,05-0,001) в отношении средней величины сдвига ЧСС, RRNN, Мо. В ЭГ4 наблюдались достоверные изменения (р<0,05-0,001) А, 0, ДП.
При выполнении когнитивной нагрузки в режиме максимального темпа в экспериментальных группах с аэробной направленностью занятий (ЭГ1, ЭГ2) выявлены статистически значимые (р<0,05-0,001) сдвиги А, 0, ЧСС, RRNN, Мо, ДП. Необходимо отметить, что наиболее выраженные изменения вегетативных показателей произошли в ЭГ2, тогда как приросты параметров умственной работоспособности (А, 0) были наивысшими в ЭГ1 (см. рис. 1).
В экспериментальных группах с анаэробной направленностью нагрузки (ЭГ3, ЭГ4) наблюдались существенные (р<0,05-0,001) изменения таких физиологических переменных как ЧСС, RRNN, Мо, ДП. Следует отметить, что наиболее значимые сдвиги вегетативных показателей ФС выявлены в ЭГ4, использующей «повышенный» объем физических упражнений анаэробного характера (см. рис. 1). Наряду с этим в ЭГ4 произошли достоверные изменения (р<0,05-0,01) А, 0, СД.
Сопоставление приростов показателей ФС в экспериментальных и контрольной группах обнаружило существенные (р<0,05-0,001) различия между ними. В группах с преимущественно аэробной направленностью программ занятий (ЭГ1, ЭГ2) различия касались следующих показателей: А, 0, ЧСС, RRNN, Мо. Наряду с этим в ЭГ2 произошли достоверные изменения (р<0,05-0,001) АМо, SI, ДП.
Аналогичные изменения по сравнению с контрольной группой произошли в экспериментальных группах с анаэробной направленностью программ занятий (ЭГ3, ЭГ4). Различия (р<0,05-0,001) выявлены в отношении средней величины сдвига показателей А, Q, ЧСС, RRNN, Мо. Кроме того, в ЭГ4 произошли достоверные изменения (р<0,05-0,001) SI, ДП.
Сравнение сдвигов показателей ФС, наблюдаемых при выполнении когнитивной нагрузки с комфортной и максимальной скоростью, не выявило значимых различий, обусловленных направленностью занятий физическими упражнениями. Вместе с тем обнаружена тенденция более выраженных изменений рассматриваемых показателей ФС в ЭГ2 и ЭГ4, выполнявших больший объем высокоинтенсивных упражнений преимущественно аэробного и анаэробного характера соответственно.
Наряду с анализом изменений отдельных показателей ФС, эффекты воздействия нагрузок различной метаболической направленности и объема оценивали с помощью интегрального показателя среднего темпа прироста результатов. На рисунке 2 представлены величины этого показателя у школьников экспериментальных групп. Видно, что средний темп прироста результатов был наибольшим у детей, выполнявших «повышенный объем» упражнений аэробного (ЭГ2) и анаэробного характера (ЭГ4).
Рис. 2. Изменения обобщенных показателей ФС у школьников 11-12 лет при напряженной когнитивной нагрузке под влиянием физических упражнений различной направленности и объема.
Примечание: I - ЭГ1, II - ЭГ2 (аэробная направленность 60 и 120 мин соответственно); III - ЭГ3, VI - ЭГ4 (анаэробная направленность 60 и 120 мин соответственно).
Меньшая величина рассматриваемого параметра была отмечена у школьников, реализующих «средний объем» нагрузок различной метаболической направленности (ЭГ1 и ЭГ3). Материалы исследования показывают, что с увеличением недельного объема высокоинтенсивной физической нагрузки в рассматриваемом диапазоне продолжительности, происходит нарастание положи-
тельных изменений ФС (см. рис. 1 и рис. 2). Вместе с тем наряду с объемом нагрузки существенное влияние на ФС детей оказала преимущественная направленность занятий. Установлено, что при идентичном недельном объеме нагрузки, приросты ФС были выше в экспериментальных группах, использу ю-щих упражнения преимущественно аэробного характера (ЭГ1 и ЭГ2).
Результаты исследования находят подтверждение в научной литературе. Так, в ряде работ показано, что систематическое использование интенсивных физических нагрузок, превышающих пороговую величину, вызывает существенные изменения психофизиологической реактивности при стрессе и информационных нагрузках у взрослых и детей разного возраста [19, 13, 17, 16]. При этом установлено, что адекватно дозированные физические нагрузки оказывают выраженное воздействие на физиологические, психологические и поведенческие аспекты ФС занимающихся [11, 12, 21, 20, 15]. Необходимо отметить, что в публикациях, посвященных анализу влияния физических нагрузок различной метаболической направленности на изменения ФС при стрессе и психической напряженности, в основном описываются различия, обусловленные влиянием аэробных упражнений, тогда как сведения о перекрестных тренировочных эффектах анаэробных упражнений весьма малочисленны и противоречивы.
Полученные нами эмпирические данные согласуются с современными представлениями о механизмах долговременной адаптации к физическим нагрузкам [5, 1, 6, 7, 18, 9, 14]. По-видимому, систематические занятия физическими упражнениями существенно увеличивают мощность и экономичность функционирования не только специфической доминирующей функциональной системы, ответственной за приспособление к мышечной активности, но и механизмов общей адаптации, обусловливающих формирование неспецифических морфо-функциональных изменений в организме. Все это находит отражение в уменьшении цены адаптации к интенсивной когнитивной нагрузке, благодаря чему один и тот же результат напряженной познавательной деятельности достигается меньшей степенью мобилизации психофизиологических функций, меньшим использованием функциональных резервов организма.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Установлено, что эффекты долговременной адаптации детей 11 -12 лет к физическим нагрузкам пороговой величины зависят от их метаболической направленности и недельного объема занятий. Результаты исследования дают основание полагать, что наблюдаемые при напряженной когнитивной деятельности изменения ФС детей в большей степени определяются общим объемом высокоинтенсивной физической нагрузки и в меньшей степени ее метаболической направленностью. Для получения выраженных благоприятных сдвигов в ФС организма целесообразно использовать нагрузки преимущественно аэробной направленности интенсивностью 70-80 % максимального пульсового резерва и суммарным объемом 120 минут в неделю.
В заключение необходимо отметить, что в основе оптимизирующего воздействия физических нагрузок на ФС детей при напряженной когнитивной деятельности лежат механизмы перекрестной адаптации.
Работа поддержана грантом РГНФ (проект №14-06-00211а).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Волков Н.И. Биохимия мышечной деятельности / Н.И. Волков, А.А. Осипенко, Э.Н. Несен, С.Н. Корсун. - Киев: Олимпийская литература, 2000. - 503 с.
2. Криволапчук И.А., Баранцев С.А., Герасимова А.А. Нагрузки различной метаболической направленности и двигательная подготовленность школьников: специфичность адаптационных эффектов // Новые исследования. - 2016. - № 1. -С. 81-88.
3. Криволапчук И.А., Чернова М.Б Разработка модели тестовых нагрузок для изучения стрессовой реактивности подростков // Новые исследования. - 2010. - № 3 (24). - С. 25-37.
4. Медведев В.И. Адаптация человека. - СПб.: Институт мозга РАН, 2003. -584 с.
5. Меерсон Ф.З., Пшенникова М.Г. Адаптация к стрессорным ситуациям и физическим нагрузкам. - М.: Медицина, 1988. - 256 с.
6. Мохан Р., Глессон М., Гринхафф П.Л. Биохимия мышечной деятельности и физической тренировки. - Киев: Олимпийская литература, 2001. - 295 с.
7. Платонов В. Н. Система подготовки спортсменов в олимпийском спорте. Общая теория и ее практические приложения. - М.: Советский спорт, 2005. -820 с.
8. Романов К.Ю. Организация и содержание уроков физической культуры с оздоровительной направленностью // Физическая культура: воспитание, образование, тренировка. - 2004. - № 1. - С. 6-9.
9. Швеллнус М. Олимпийское руководство по спортивной медицине. - М.: Практика, 2011. - 672 с.
10. Шлык Н.И. Сердечный ритм и тип регуляции у детей, подростков и спортсменов. - Ижевск: Изд-во «Удмуртский университет», 2009. - 259 с.
11. Crews, D.J., Lochbaum, M.R., Landers, D.M. Aerobic physical activity effects on psychological well-being in low-income Hispanic children /Percept Mot Skills. -2004. - Vol. 98, № 1. - P. 319-324.
12. Forcier, K., Stroud, L.R., Papandonatos, G.D. et al. Links between physical fitness and cardiovascular reactivity and recovery to psychological stressors: A metaanalysis // Health Psychol. - 2006. - Vol. 25, № 6. - P. 723-739.
13. Hamer M., Steptoe A. Association Between Physical Fitness, Parasympathetic Control, and Proinflammatory Responses to Mental Stress // Psychosomatic Medicine. 2007. Vol. 69. - P. 660-666.
14. Kenney W.L., Wilmore J., Costill D. Physiology of Sport and Exercise. - Published by Champaign, IL; Human Kinetics, 2011. - 640 p.
15. Krivolapchuk I. A., Chernova M. B. Physical performance and psychophysiological reactivity of 7-8 year-old children to different types of exercise // Medicina dello Sport. - 2012. - 65(2). - Р. 173-185.
16. Lambiase M.J., Dorn J., Roemmich J.N. Systolic blood pressure reactivity during submaximal exercise and acute psychological stress in youth. Am J Hypertens. 2013. 26(3): 409-415.
17. Rimmele U., Seiler R., Marti B. et al. The level of physical activity affects adrenal and cardiovascular reactivity to psychosocial stress // Psychoneuroendocrinology.
- 2009. - Vol. 34. - P. 190-198.
18. Sothmann M.S. The cross-stressor adaptation hypothesis and exercise training // Psychobiology of physical activity / Eds. Acevedo E.O., Ekkekakis P. - Champaign: Human Kinetics Publishers, 2006. - P. 152.
19. Steptoe A., Kearsley N., Walters N. Cardiovascular activity during mental stress following vigorous exercise in sportsmen and inactive men // Psychophysiology.
- 1993. - Vol. 30, № 3. - P. 245-252.
20. Voss M.W., Chaddock L., Kim J.S., Vanpatter M., Pontifex M.B., Raine L.B., Cohen N.J., Hillman C.H., Kramer A.F. Aerobic fitness is associated with greater efficiency of the network underlying cognitive control in preadolescent children // Neuroscience., 2011. 199. - P. 166-176.
21. Wipfli, B.M., Rethorst, C.D., Landers, D.M. The anxiolytic effects of exercise: a meta-analysis of randomized trials and dose-response analysis // J Sport Exerc Psy-chol. - 2008. - Vol. 30, № 4. - P. 392-410.
