CC BY
104
Антропоэкологические исследования
А.Н. Пучкова, О.Н. Ткаченко, В.Б. Дорохов
Стабилизирующая роль дневного сна при утомлении, вызванном непрерывной умственной работой
В статье рассматривается проблема умственного утомления при непрерывной работе за компьютером. Представлены результаты исследования, в котором умственное утомление моделировалось решением арифметических задач. Были обнаружены выраженные колебания скорости работы при отсутствии общего снижения темпа решения или нарастания числа ошибок. Также отмечены не связанные с ними колебания средней длительности фиксаций взора. Дневной сон в перерыве на отдых способствовал стабилизации этих параметров и оценки субъективного самочувствия и активности.
Ключевые слова: умственное утомление, работоспособность, дневной сон, движения глаз, фиксации взора.
В современной жизни большую роль играет умственный труд и сложная ответственная операторская работа, требующая постоянной сосредоточенности. В связи с этим интерес представляет феномен умственного утомления, вызываемого непрерывной работой, требующей интенсивной когнитивной деятельности. Сейчас уже существует достаточно ясное понимание, какое состояние характеризуется как умственное утомление: «Умственное утомление обозначает изменения в психофизиологическом состоянии, которые люди испытывают во время и после продолжительных периодов когнитивной активности, требующей больших затрат сил и поддержания умственной отдачи» [12].
Утомление оказывает комплексное негативное воздействие на человека. Снижается скорость работы, растет количество регистрируемых в экспериментах ошибок, промахов, увеличивается время реакции, ухудшается функция отслеживания ошибок. Ухудшается функция внимания, снижается произвольный контроль над вниманием [5; 13]. Нарушается переключение между различными заданиями и функции планирования
о
[12; 14]. Снижается мотивация к оптимальному выполнению задания [9]. При утомлении снижается адаптивность поведения и появляются ^ | провалы в вовлеченности в выполнение задания [11]. о я Параметры глазодвигательной активности считаются привлекатель-
| ° ными кандидатами на роль индикаторов умственного утомления. Один § | из таких показателей - длительность фиксаций взора. При выполнении схожих, но различающихся по сложности заданий длительность фиксаций увеличивается с усложнением задания и нарастанием утомления [4; 6].
В современном мире значительная часть работающего населения работает посменно или по ненормированному графику, в связи с чем встает вопрос оптимальной организации режима сна и бодрствования. В исследованиях дневного сна различной длительности на фоне недостаточного сна накануне отмечается увеличение скорости реакции, точности и правильности выполнения заданий; также снижается уровень субъективной сонливости и утомленности у испытуемых по сравнению с условием отсутствия сна. Особенно хорошо дневной сон сказывается на выполнении когнитивных заданий [15; 16].
Практически любой по длительности кратковременный сон вызывает улучшение субъективных оценок состояния утомления; при этом для параметров работоспособности важна длительность сна: эффекты более длительного сна более выражены и долговременны [7].
Цель исследования
Цель данной работы состояла в разработке методологии моделирования умственного утомления при непрерывной и достаточно продолжительной когнитивной нагрузке и его анализа по показателям глазодвигательной активности и параметров выполнения задания, а также сравнение эффективности коррекции работоспособности оператора при помощи дневного сна по сравнению с отдыхом в состоянии спокойного бодрствования.
Материалы и методы исследования
Для моделирования умственного утомления применялся тест, требующий только когнитивной работы и зрительного поиска ответов. В ходе опытов испытуемые должны были вычислять в уме арифметические задачи, демонстрируемые на экране компьютера, и выбирать правильный вариант ответа из двух появляющихся на экране, обозначая его щелчком курсора. Задачи состояли из четырех различных двухзначных чисел, двух знаков «+» и одного знака «-» в случайном порядке.
Испытуемых инструктировали работать как можно быстрее и точнее 69 и всегда полностью решать предложенную задачу, не пытаясь угадать ответ [2].
В каждом опыте испытуемые выполняли задание в ходе двух рабочих сессий, разделенных полуторачасовым перерывом. Каждый испытуемый принимал участие в двух опытах: основном (со сном во время о перерыва) и контрольном (без сна). Порядок экспериментов для раз- ? § ных испытуемых менялся. Интервал между опытами составлял неделю. 5 5
о
С S
К эксперименту допускались здоровые испытуемые-правши, не стра- | н дающие высокой дневной сонливостью. Для контроля дневной сонливости использовалась шкала сонливости Эпворта (Epworth Sleepiness Scale) [10]. Опыт начинался в 11:00, после нормального ночного сна.
Было проведено 2 серии экспериментов, имевших общую схему, но отличавшихся нагрузкой. 1 серия: первая рабочая сессия длилась 60 мин., вторая - 30 мин.; 2 серия: первая рабочая сессия длилась 90 мин., вторая - 40 мин; задачи для решения усложнены. Во второй серии была введена обратная связь о правильности решения задачи. Перед началом и по окончании каждой рабочей сессии испытуемый заполнял опросник САН (субъективная оценка текущего самочувствия, активности и настроения) [3]. В перерыве между сессиями испытуемый обедал и отдыхал. В основном опыте во время отдыха на 60 мин. он укладывался спать. В контрольном опыте испытуемый это же время спокойно бодрствовал.
Для регистрации движений взора использовалась система видео-трекинга «Eyegaze Analysis System» (120 Гц) и программа NYAN 2.0. Во время сна записывалась полисомнограмма (ПСГ): ЭЭГ в 6 отведениях (F3, F4, C3, C4, O1, O2), электромиограмма подбородочных мышц, ЭОГ и ЭКГ. Для регистрации ПСГ использовался полисомнографичес-кий усилитель фирмы «Dr. Sagura Royal Medical Systems AG». Синхронизация и анализ данных проводился с использование программного пакета Matlab 7.1. Статистическая обработка результатов проводилась в Statistica 7.0 (StatSoft, США), отличия считали достоверными при p < 0,05.
X
О
Результаты и обсуждение
Были проведены эксперименты на 16 испытуемых в возрасте 1828 лет (7 испытуемых женского пола, 9 - мужского пола, средний возраст 23,6 ± 3,34 года). 4 испытуемых (2 мужского пола, 2 женского пола) участвовали в первой серии экспериментов, остальные - во второй. Результаты выполнения задания тремя испытуемыми выключены из анализа из-за неправильного выполнения задания или качества записи. В качестве параметров работоспособности были выделены: время
^ X
й га
ш т
? °
Е ч:
о £ §8
решения каждой задачи (от появления примера до щелчка по нему), наличие ошибок (неправильный ответ, пересчет задачи).
В первой серии опытов обнаружился феномен колебания темпа работы в течение рабочей сессии при отсутствии более общей динамики. Во второй серии он проявился более ярко. Колебания выявлялись при разбитии сессий на пятиминутные периоды. Наблюдались не только «провалы» продуктивности, но и «рывки» со значительным ускорением работы. Были обнаружены как случаи плавного нарастания скорости работы, так и представляющие особый интерес кратковременные отклонения (рис. 1).
Контрольный опыт, сессия 1
34
32
" 30
£ 28 е
5 26
с= 24
1 22
Щ 20
£ 18
1 16 ш
14
со
12
10
1
__ —
^ ^ \Г___
ГЧт/ N. -г /
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Пятиминутный интервал
Контрольный опыт сессия 2
1 2 3 4 5 6 7
Пятиминутный интервал
Рис. 1. Пример динамики работы испытуемого в ходе экспериментов 2-й серии. Отмечена значимость колебаний среднего по критерию Краскела-Уоллиса (* -р < 0,05).
22
8
Для анализа значимости отклонений среднего времени решения примеров за 5 мин. от общей медианы был применен критерий Краскела- ш Уоллеса. Он показал достоверные колебания для первой сессии из 6-и | обработанных и для 11 из 17 обработанных для второй серии. При ^ этом у 5-и испытуемых колебания были достоверны в обоих опытах, ^ у двух - недостоверны в обоих опытах, хотя визуально они могли опре- о деляться. Во второй сессии достоверные колебания отмечались только
детельствовать о более выраженном утомлении во второй серии, которое не компенсировалось отдыхом без сна. Разница между выраженностью колебаний между первой и второй сериями опытов позволяет предположить, что именно увеличение когнитивной нагрузки и времени работы вызывает дестабилизацию темпа работы, который является проявлением умственного утомления.
В то же время средние темпы работы и доля ошибочных действий оставались достаточно стабильными для каждого испытуемого при сравнении рабочих сессий между собой (таблица 1). Эти два параметра отражают избранный человеком индивидуальный баланс скорости/точности при требовании работать «как можно быстрее и точнее». Вероятно, в данном случае хорошо сформированный навык работы с информацией в сочетании с индивидуальными особенностями может помочь поддерживать высокую эффективность работы.
Таблица 1
Примеры усредненных значений для времени работы с каждой задачей и процента ошибок
в опытах без сна во второй серии у трех испытуемых. Это может сви- 5 |
с
о
Испытуемый Среднее время работы с задачей,с Доля ошибок, %
А11 14,65 ± 2,64 6,41 ± 2,49
Б1 14,23 ± 1,07 3,90 ± 2,32
В1 15,36 ± 1,62 7,05 ± 1,98
А 16,46 ± 1,86 1,90 ± 1,39
Б 19,97 ± 2,46 5,29 ± 1,34
В 8,36 ± 0,46 8,84 ± 3,37
Г 13,41 ± 1,06 10,65 ± 2,91
1 Первые трое испытуемых участвовали в первой серии опытов, остальные - во второй.
^ | в пределах своих компенсаторных возможностей. Такой характер вы-о и полнения задания не укладывается в традиционное понимание компен-| ° сированного утомления, которое предполагает плавное скрытое накоп-<э ^ ление утомления при поддержании нормальной работоспособности за | у счет компенсаторных возможностей [1]. Видимо, в данном случае ак-£ тивно проявляются характерные для умственного утомления провалы || в вовлеченности в выполнение задания [11]. Причины такой неста-< бильности неясны, однако представляет интерес рассмотрение этого феномена в контексте развивающейся сейчас гипотезы «нестабильности состояния» при депривации сна и засыпании [8]. Возможно, при умственном утомлении тоже может происходить кратковременное переключение между «рабочим» и «утомленным» режимами функционирования интенсивно работающих структур мозга по типу «охранительного торможения» [17].
При анализе глазодвигательной активности был проведен анализ связи количества фиксаций на задаче с длительностью ее решения, а также динамики средней длительности фиксаций в ходе работы. Дополнительно использовался показатель количества фиксаций на задаче в секунду. Всего в анализ вошло 38 записей рабочих сессий, полученных от 11 испытуемых.
Обнаружилось, что между количеством фиксаций на задаче и длительностью ее решения существует однозначная линейная связь для всех рабочих сессий и всех испытуемых. Коэффициент корреляции был высок и достоверен (р < 0,05) для всех записей: в среднем он составил г = 0,92 ± 0,046, и колебался в пределах 0,83-0,98. Это вполне соответствует ожиданиям: при решении более сложной задачи количество фиксаций на ней увеличивалось.
Средняя длительность фиксаций за время решения задачи оказалась неоднозначно связана с ее сложностью, выражаемой временем решения. Коэффициент корреляции между этими величинами колебался в пределах от - 0,21 до 0,45, и корреляция была достоверна только в 12 записях из 38. Коэффициент корреляции между временем решения и количеством фиксаций на задаче в секунду колебался в более широких пределах: от - 0,38 до - 0,45, при этом корреляция была достоверна в 26 записях из 38.
Суммарно это дает следующий результат: количество фиксаций на единицу времени решения задачи стабильно. Возможно, это специфика использованных в эксперименте заданий: решение более сложной арифметической задачи требовало большего количества переводов взгляда между его элементами, а не более длительных остановок взора на
о
отдельных элементах. Это может объяснить расхождение с отмечае- 73 мым в литературе ростом средней длительности фиксаций при росте когнитивной нагрузки [4; 6; 19].
Был проведен анализ динамики изменений средней длительности фиксаций на задаче за время работы так же, как и для времени решения задачи. В ходе первой серии опытов в 5 из 11 (в 3-х записях пер- о | вой сессии и 2-х - второй сессии) обработанных записей были обнару- ? § жены колебания, внешне сходные с таковыми для времени решения 5 | задач. В опытах второй серии достоверные отклонения от медианы ¡3 ^ отмечались в 25 из 27 записей, причем для 20 из них был отмечен вы- ^ сокий уровень достоверности: р < 0,001. Отмечались как резкие откло- ° нения с быстрым компенсаторным возвратом к норме, так и более плавные, на протяжении нескольких пятиминутных интервалов, изменения. При этом обнаруженные колебания не совпадали по своему характеру с динамикой изменения времени решения задач. Видимо, эти колебания отражают другие процессы, не связанные напрямую со скоростью работы. Однако то, что доля достоверно обнаруживаемых колебаний возросла при переходе к большей когнитивной нагрузке во второй серии экспериментов, позволяет предположить, что выраженность колебаний длительности фиксаций на задаче связана с общей сложностью выполняемого задания, хотя и не коррелирует напрямую со сложностью каждой конкретной задачи.
При оценке изменений субъективных показателей по опроснику САН выявилось влияние самого экспериментального задания и дневного сна на самочувствие и уровень активности. Оценка могла колебаться в пределах 1-7 баллов. Оценки настроения не демонстрировали динамики на протяжении всех измерений. В связи с этим можно говорить, что представленное задание не являлось эмоционально стресси-рующим для испытуемых. Показатели самочувствия значимо падали в ходе первой рабочей сессии (с 5,22 ± 0,92 до 4,42 ± 1,06 в опыте со сном, с 5,2 ± 0,9 до 4,35 ± 0,88 в опыте без сна, критерий Вилкоксона, р < 0,05). Отдых обоих типов приводил к значимому по сравнению с концом первой сессии восстановлению параметров до исходных значений (5,19 ± 0,82 в опыте со сном, 5,01 ± 0,75 в опыте без сна, р < 0,05). После окончания второй рабочей сессии в основном и контрольном опыте параметры самочувствия продемонстрировали различную динамику. В случае, если испытуемый во время отдыха бодрствовал, показатели самочувствия значимо снижались (с 5,01 ± 0,75 до 4,44 ± 0,74, р < 0,05), если спал - практически не изменялись (5,29 ± 0,86). Показатели активности показали сходную динамику, однако не вышедшую на уровень значимости, за исключением показателей до и после первой рабочей сессии в опыте со сном, где снижение оценки было значимым (с 4,53 ± 0,90 до 3,79 ± 1,09, р < 0,05).
a g пытуемых достигли 3-й стадии сна (глубокий сон). Поскольку у всех
0 и испытуемых присутствовал первые две стадии сна (минимум 14,5 мин.
1 ° 2-й стадии сна), можно утверждать наличие нормального сна после ког-° g нитивных нагрузок. Среднее время засыпания составило 12,6 ± 2,1 мин., | у длительность сна - 41,4 ± 3,2 мин.
о с о
íe Заключение
<
Обнаруженное по опроснику САН улучшение субъективных оценок состояния после отдыха и их сохранение на высоком уровне после второй рабочей сессии, а также стабилизирующее действие на параметры работоспособности и глазодвигательной активности согласуется с литературными данными о положительных эффектах кратковременного сна на самочувствие [6; 16; 18]. Простое бодрствование в качестве отдыха не препятствовало повторному развитию утомления при продолжении работы. В связи с этим можно предположить, что дневной сон является более эффективным методом диссипации умственного утомления, чем простой отдых, и может служить для стабилизации функционального состояния испытуемых после интенсивных когнитивных нагрузок.
Библиографический список
1. Бодров В.А. Профессиональное утомление. М., 2009.
2. Пучкова А.Н., Ткаченко О.Н., Дорохов В.Б. Экспериментальная модель для исследования умственного утомления и адаптивной функции дневного сна для восстановления работоспособности // Экспериментальная психология. 2013. № 6 (1). С. 48-60.
3. Тест дифференцированной самооценки функционального состояния / Дос-кин В.А., Лаврентьева Н.А., Мирошников М.П., Шарай В.Б. // Вопросы психологии. 1973. № 6. С. 141-145.
4. Blinks and saccades as indicators of fatigue in sleepiness warnings: looking tired? / Schleicher R., Galley N., Briest S., Galley L. // Ergonomics. 2008. № 51 (7). P. 982-1010.
5. Boksem M.A.S., Meijman T.F., Lorist M.M. Effects of mental fatigue on attention: An ERP study // Cognitive Brain Research. 2005. № 25 (1). P. 107-116.
6. Di Stasi L.L., Antolí A., Cañas J.J. Evaluating mental workload while interacting with computer-generated artificial environments // Entertainment Computing. 2013. № 4 (1). P. 63-69.
7. Driskell J.E., Mullen B. The Efficacy of Naps as a Fatigue Countermeasure: A Meta-Analytic Integration // Human Factors: The Journal of the Human Factors and Ergonomics Society. 2005. № 47 (2). P. 360-377.
8. Dynamics of neurobehavioral performance variability under forced desynchrony: evidence of state instability / Zhou X. a. al. // Sleep. 2011. № 34 (1). P. 57-63.
9. Gillette M., Mitchell J. Signaling in the suprachiasmatic nucleus: selectively responsive and integrative // Cell and tissue research. 2002. № 309 (1). P. 99-107.
10. Johns M. A new method for measuring daytime sleepiness: the Epworth sleepi- | o ness scale // Sleep. 1991. № 14 (6). P. 540-545. g ^
11. Linden, van der D., Frese M., Sonnentag S. The impact of mental fatigue on § | exploration in a complex computer task: rigidity and loss of systematic strate- o § gies // Human Factors: The Journal of the Human Factors and Ergonomics Soci- -o J ety. 2003. № 45 (3). P. 483-494. § h
12. Lorist M.M. Impact of top-down control during mental fatigue // Brain research. J 2008. № 1232. P. 113-123. °
13. Lorist M.M., Boksem M.A.S., Ridderinkhof K.R. Impaired cognitive control and reduced cingulate activity during mental fatigue // Cognitive Brain Research. 2005. № 24 (2). P. 199-205.
14. Mental fatigue and task control: Planning and preparation / Lorist M.M. a. al. // Psychophysiology. 2000. № 37(5). P. 614-625.
15. Milner C.E., Cote K.A. Benefits of napping in healthy adults: impact of nap length, time of day, age, and experience with napping // Journal of Sleep Research. 2009. № 18 (2). P. 272-281.
16. Naps, cognition and performance / Ficca G. a. al. // Sleep Medicine Reviews. 2010. № 14(4). P. 249-258.
17. Saper C.B. Sleep State Switching / Saper C.B. a. al. // Neuron. 2010. № 68 (6). P. 1023-1042.
18. Tietzel A.J., Lack L.C. The short-term benefits of brief and long naps following nocturnal sleep restriction // Sleep. 2001. № 24 (3). P. 293-300.
19. Two visual systems and their eye movements: Evidence from static and dynamic scene perception / Velichkovsky B.M., Joos M., Helmert J.R., Pannasch S. // Proceedings of the XXVII conference of the cognitive science society. Lawrence Erlbaum Mahwah, NJ, 2005.
