CC BY
23
УДК 612.821
http://dx.doi.org/10.26787/nydha-2686-6838-2019-21 -7-9-14
ВЗАИМОСВЯЗЬ РАБОЧЕЙ ПАМЯТИ И НЕЛИНЕЙНОЙ АКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ РЕГУЛЯЦИИ РИТМА СЕРДЦА ПРИ МЕНТАЛЬНОМ СТРЕССЕ
Димитриев Д.А.
ФГБОУ ВО «Чувашский государственный педагогический университет имени И. Я. Яковлева», г. Чебоксары, Российская Федерация
RELATIONSHIP BETWEEN WORKING MEMORY AND NONLINEAR ACTIVITY OF THE HEART RHYTHM REGULATION SYSTEM UNDER MENTAL STRESS
Dimitriev D.A.
Chuvash State Pedagogical University named after I.Ya. Yakovlev, Cheboksary, Russian Federation
Аннотация. Ментальная арифметика подразумевает использование когнитивных ресурсов и оказывает влияние на функции вегетативной нервной системы, которая обладает выраженными нелинейными свойствами. Цель работы. Выявление связей между параметрами рабочей памяти и нелинейной динамикой ритма сердца в состоянии покоя и при ментальном стрессе.
Материалы и методы. В исследовании принимали участие молодые здоровые мужчины и женщины - студенты ЧГПУ имени И. Я. Яковлева. Проводилось тестирование рабочей памяти, а также запись ЭКГ в состоянии покоя и при ментальном стрессе. Анализ ЭКГ проводился с помощью программы Kubios HRV и вычислялись нелинейные показатели ритма сердца ApEn, SampEn, DFA1 и DFA2, D2. Анализ сложности также проводился нами с помощью рекуррентной диаграммы RP с вычислением средней длины линии (Lmean), максимальной длины линии (Lmax), уровня рекуррентности (REC), детерминизма (DET), энтропии Шеннона для распределения длин линий (ShanEn). Тестирование рабочей памяти осуществлялось с помощью компьютерного пакета Cognitive Research Tools.
Результаты. Были выявлены выраженные статистически значимые изменения нелинейной динамики вариабельности ритма сердца при ментальном стрессе, выраженность которых зависела от объема рабочей памяти. Исходные уровни нелинейных показателей ритма сердца в состоянии покоя оказали существенное влияние на эффективность выполнения заданий по определению рабочей памяти.
Ключевые слова: ментальный стресс, рабочая память, нелинейная динамика ритма сердца._
Annotation. Mental arithmetic implies the use of cognitive resources and affects the functions of the autonomic nervous system, which has pronounced non-linear properties.
Objective. Identification of links between the parameters of the working memory and the nonlinear dynamics of the heart rhythm at rest and under mental stress.
Materials and methods. The study involved young healthy men and women - students of the ChGPU named after I. Ya. Yakovlev. Testing of working memory was conducted, as well as ECG recording at rest and mental stress. The ECG analysis was performed using the Kubios HRV program and nonlinear heart rhythm indices ApEn, SampEn, DFA1 and DFA2, D2 were calculated. The complexity analysis was also carried out by us using the RP recurrent diagram with calculation of the average line length (Lmean), maximum line length (Lmax), recurrence level (REC), determinism (DET), Shannon entropy for the distribution of line lengths (ShanEn). Testing the working memory was carried out using the computer package Cognitive Research Tools. Results. There were revealed pronounced statistically significant changes in the nonlinear dynamics of heart rate variability during mental stress, the severity of which depended on the amount of working memory. The initial levels of nonlinear indices of the heart rhythm at rest had a significant impact on the efficiency of performing tasks to determine the working memory.
Keywords: mental stress, working memory, nonlinear dynamics of heart rhythm.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
[1] Oberauer, K. What limits working memory capacity? / K. Oberauer, S. Farrell, C. Jarrold, S. Lewandowsky // Psychological Bulletin. - 2016.
- Vol. 142. - N 7. - P. 758. http://dx.doi.org/10.1037/bul0000046
[2] Pratt, N. Effects of working memory load on visual selective attention: behavioral and electrophysiological evidence / N. Pratt, A. Willoughby, D. Swick // Front. Hum. Neurosci. - 2011. - Vol. 5. - P. 57. doi:10.3389/fnhum..00057/
[3] Allen, R. J. Exploring the sentence advantage in working memory: Insights from serial recall and recognition / R. J. Allen, G. J. Hitch, A. D. Baddeley // Quarterly Journal of Experimental Psychology. - 2018. - P. 1747021817746929. doi.org/10.1177/1747021817746929
[4] Raghubar, K. P. Working memory and mathematics: A review of developmental, individual difference, and cognitive approaches / K. P. Raghubar, M. A. Barnes, S. A. Hecht // Learning and.individual differences. - 2010. - Vol. 20.
- N 2. - P. 110-22. doi.org/10.1016/j.lin-dif.2009.10.005
[5] Thayer, J. F. A model of neurovisceral integration in emotion regulation and dysregulation / J. F. Thayer, R. D. Lane // Journal of affective disorders. - 2000. - Vol. 61. - N 3. - P. 201-16. doi.org/10.1016/S0165-0327(00)00338-4
[6] Voss, A. Methods derived from nonlinear dynamics for analysing heart rate variability / A. Voss, et al. // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. - 2009. - Vol. 367. - Р. 277-296. doi.org/10.1098/rsta.2008.0232
[7] Jern, S. Short-term reproducibility of a mental arithmetic stress test / S. Jern, M. Pilhall, C. Jem, S. G. Carlsson // Clin. Sci. - 1991. - Vol. 81. - P. 593-601. DOI: 10.1042/cs0810593
[8] Stone, J. M. A working memory test battery: Java-based collection of seven working memory tasks / J. M. Stone, J. A. Towse // Journal of Open Research Software. - 2015. - Vol. 3. - P. 41-62. https://doi.org/10.5334/jors.br
REFERENCES
[1] Oberauer, K. What limits working memory capacity? / K. Oberauer, S. Farrell, C. Jarrold, S. Lewandowsky // Psychological Bulletin. - 2016.
- Vol. 142. - N 7. - P. 758. http://dx.doi.org/10.1037/bul0000046
[2] Pratt, N. Effects of working memory load on visual selective attention: behavioral and electrophysiological evidence / N. Pratt, A. Willoughby, D. Swick // Front. Hum. Neurosci. - 2011. - Vol. 5. - P. 57. doi:10.3389/fnhum..00057/
[3] Allen, R. J. Exploring the sentence advantage in working memory: Insights from serial recall and recognition / R. J. Allen, G. J. Hitch, A. D. Baddeley // Quarterly Journal of Experimental Psychology. - 2018. - P. 1747021817746929. doi.org/10.1177/1747021817746929
[4] Raghubar, K. P. Working memory and mathematics: A review of developmental, individual difference, and cognitive approaches / K. P. Raghubar, M. A. Barnes, S. A. Hecht // Learning and.individual differences. - 2010. - Vol. 20.
- N 2. - P. 110-22. doi.org/10.1016/j.lin-dif.2009.10.005
[5] Thayer, J. F. A model of neurovisceral integration in emotion regulation and dysregulation / J. F. Thayer, R. D. Lane // Journal of affective disorders. - 2000. - Vol. 61. - N 3. - P. 201-16. doi.org/10.1016/S0165-0327(00)00338-4
[6] Voss, A. Methods derived from nonlinear dynamics for analysing heart rate variability / A. Voss, et al. // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. - 2009. - Vol. 367. - P. 277-296. doi.org/10.1098/rsta.2008.0232
[7] Jern, S. Short-term reproducibility of a mental arithmetic stress test / S. Jern, M. Pilhall, C. Jem, S. G. Carlsson // Clin. Sci. - 1991. - Vol. 81. - P. 593-601. DOI: 10.1042/cs0810593
[8] Stone, J. M. A working memory test battery: Java-based collection of seven working memory tasks / J. M. Stone, J. A. Towse // Journal of Open Research Software. - 2015. - Vol. 3. - P. 41-62. https://doi.org/10.5334/jors.br
Введение. Рабочая память представляет собой комплексную когнитивную систему, которая обеспечивает сохранение информации вплоть до того момента, пока проблема не будет решена [[1]]. Рабочая память является частью внимания, а фокусировка внимания на конкретном объекте обеспечивает точную презентацию информации и подавление нерелевантной информации [[2]].
Имеется несколько основных моделей рабочей памяти; эти модели отличаются друг от друга по количеству переменных и размерностей. Согласно модели A. D. Baddeley и G. Hitch [[3]], рабочая память состоит из трёх элементов: центральный исполнительный механизм, фонологическая петля и зрительно-пространственная записная книжка. В своей более поздней
работе эти же авторы с R. J. Allen добавили к этому списку эпизодический буфер [[3]]. Люди, выполняющие сложные интеллектуальные задания (ментальную арифметику), вынуждены управлять различными процессами и информационными источниками с помощью рабочей памяти [[4]].
При исследовании всех видов ментального стресса одним из наиболее эффективных инструментов является оценка вариабельности сердечного ритма (ВСР). ВСР связана с такими когнитивными функциями, как внимание и рабочая память, которые включают в себя получение информации, её кодирование, сравнение, обработку и интерпретацию. J. F. Thayer и R. D. Lane [[5]] показали, что ВСР является индикатором способности к саморегуляции, активности механизмов обратной связи в центральной нервной системе и ассоциации этих механизмов с центральной системой регуляции ВНС - центральной автономной сетью (ЦАС).
Система формирования ритма сердца обладает выраженной нелинейной активностью, оценка которой позволяет выявить в наиболее полной мере влияние ментальной нагрузки на функционирование водителя ритма [[6]].
Исходя из приведенных выше литературных данных, мы выдвинули две гипотезы: 1) нелинейные параметры вариабельности сердечного ритма в состоянии покоя являются предикторами результатов тестирования рабочей памяти; 2) объем рабочей памяти влияет на реактивность нелинейных параметров ВСР при ментальном стрессе.
Материалы и методы исследования. В исследовании приняли участие 46 студентов ЧГПУ им. И. Я. Яковлева (19 % - мужчин: средний возраст - 21,14±0,34 лет, средний рост -179,69±1,07 см, средняя масса тела - 70,91±1,69 кг и 79 % - женщин; средний возраст -20,54±0,14 лет, средний рост - 162,97±0,61 см, средняя масса тела - 53,74±0,68 кг). Все участники исследования были практически здоровы. Исследование ментального стресса осуществлялось посредством арифметического стресс теста, который является усовершенствованием методики S. S. Jern и соавт. [[7]]. В ходе теста испытуемые последовательно вычитали цифру «7» из трехзначных чисел в уме. Регистрация сердечного ритма осуществлялась с помощью программно-аппаратного комплекса «Нейрософт». Исследование проводилось после отдыха в течение 5 минут в положении лежа. Кардиоритмограмма записывалась в положении лежа в течение 10 минут до ментального стресс теста и 10 минут во время ментального стресс.
Полученные записи ЭКГ анализировались с применением программы Kubios HRV Premium ( Kubious OY, Финляндия).
Определялись следующие нелинейные параметры интервалов RR: аппроксимированная энтропия (ApEn), выборочная энтропия (SampEn), показатели детрендного флуктуацион-ного анализа DFA1 и DFA2, корреляционная размерность (D2). Для количественной оценки рекуррентной диаграммы RP использовались: средняя длина линии (Lmean), максимальная длина линии (Lmax), уровень рекуррентности (REC), детерминизм (DET), энтропия Шеннона для распределения длин линий (ShanEn).
Оценка рабочей памяти проводилось с помощью Cognitive Research Tools [[8]]. В Cognitive Research Tools включены следующие тесты: 1) тест со стрелками; 2) матрица; 3) запоминание цифр, 4) тест с вычислением (Operation Span), 5) тест с определением симметрии, 6) тест с вращением.
Статистический анализ полученных данных проводился с помощью программы Statistica. Вычислялись средние значения, различия между последовательными измерениями тестировались посредством вычисления критерия t для связанных выборок, для определений
различий между группами проводился дисперсионный анализ. Связь между переменными анализировалась посредством корреляционного анализа.
Результаты исследования. Ментальный арифметический стресс сопровождался снижением уровня сэмплированной энтропии SampEn c 1,74±0,03 до 1,6±0,04 ^=4,5, p<0,001). Однако степень выраженности этого снижения была неравномерной и, как показал корреляционный анализ, достоверно зависела от успешности выполнения теста «Стрелки»: она уменьшалась по мере увеличения доли правильно обозначенных стрелок от общего количества предъявленных стрелок: корреляция с долей правильно обозначенных стрелок от общего количества предъявленных стрелок составила -0,37 ф<0.05) (рис.1).
Correlation: г = -,3752
о о
0,1 о °
О
0,0 С° О
о — 0 ° о □
0;1 "" I " о^-Д - -.. — О О--------------
о о О о
0,2 ° _О_
о О * • - О
0,3 0,4 0.5 о
о
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
prop.score 0 9Б Conflnt I
Рис. 1. Корреляция между изменениями SampEn (DIFF SampEn) при ментальном арифметическом стрессе и долей правильно обозначенных стрелок (prop.score).
Ещё более выраженное влияние исходного нелинейного поведения ритма сердца на успешность выполнения задания обнаружено в ходе корреляционного анализа йРД1 и количества успешно воспроизведённых комбинаций из 3 стрелок (рис. 2).
1,6 1,4 1,2
2
а 1,0
0,8 0,6 0,4
-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 зрап.З.согг 10 55 Coif.ini I
Рис.2 Корреляция между уровнем ОРА1 в состоянии покоя и успешностью выполнения задания на воспроизведение последовательности из трёх стрелок в тесте с вращением (span.3 ^гг).
Correlation: г = -,4089
о
I О " "в.
* __ о
§ 8 —__ "т----_ <
I § 8
о
Из данных рисунка 2 следует, что по мере того, как повышались индивидуальные значения йРД1, происходило снижение эффективности выполнения задания на запоминание и воспроизведение последовательности из трёх стрелок в тесте с вращением. Нами не было обнаружено никакой связи между РРД2 и успешностью выполнения теста с вращением.
Выполнение заданий ментальной арифметики вызвал у испытуемых существенное повышение максимальной длины диагональных элементов на рекуррентной диаграмме Lmax: с 141,14±17,7 мс до 328,22±34,13 мс, p<0,001. Также значимым предиктором успешности прохождения теста с вычислением является DFA1: этот показатель связан отрицательной корреляционной связью с количеством правильно воспроизведённых комбинаций из цифр (г=-0,34, p<0,05) и количеством правильно названных цифр (г=-0,33, p<0,05). Чем больше было значение гибкости ЦАС, выраженной в виде SampEn, тем больше комбинаций из цифр воспроизводил студент (г=-0,37, p<0,05) и тем больше был размер максимальной воспроизведённой последовательности из цифр (г=-0,33, p<0,05).
Корреляционный анализ показал, что Lmean в состоянии покоя является предиктором успешности выполнения задания с 3 стрелками (г=-0,37, p<0,05) и с 4 стрелками (г=-0,41, p<0,05). Ментальная арифметика существенно повысила уровень ShanEn с 3,0±0,03 до 3,1±0,04 ф<0,05).
Тест с вращением представляет собой модифицированный вариант теста «Стрелки»: дополнительная ментальная нагрузка создается за счёт задания по обнаружению зеркального изображения буквы латинского алфавита. Результаты тестирования первой гипотезы о влиянии степени гибкости ЦАС на успешность выполнения задания показало следующее. Уровень коэффициента детерминизма рекуррентной диаграммы DET в состоянии покоя был существенно выше у студентов, которые не смогли правильно воспроизвести ни одну комбинацию из 3 стрелок (97,23±0,27) по сравнению с теми студентами, которые смогли правильно воспроизвести 2 комбинации из 3 стрелок (95,74±0,6; F=6.18, p<0.05).
В ходе анализа результатов исследования ВСР и вербальной рабочей памяти, оцененной с помощью теста «Запоминание цифр» нами было обнаружено, что показатель информационной энтропии SampEn является статистически значимым предиктором максимального размера комбинации из цифр, которую испытуемый смог воспроизвести (г=0,33, p<0,05), количества правильно воспроизведённых отдельных элементов (цифр) (г=0,30, p<0,05), а также успешности выполнения задания с 4 цифрами (г=0,32, p<0,05). Таким образом, полученные нами данные подтверждают обе выдвинутые ранее гипотезы.
Обсуждение. Ритм сердца представляет собой своеобразное зеркало, которое отражает не только уровень функционирования водителя ритма, но является результатом сложного взаимодействия между осцилляторами (прежде всего, дыхательным и барорефлектор-ным), а также системами обратной связи. Всё это порождает сложный характер ритма сердца, в котором сочетаются стохастические компоненты (описываемые посредство линейных показателей) и нестохастическая, хаотическая, детерминированная составляющая. По мере углубления наших представлений о характере взаимодействия внутри различных функциональных систем и между этими системами мы всё больше приходим к пониманию того, что наиболее эффективным и валидным методом описания ритма сердца является построение модели, в основании которой лежит понимание доминирования нелинейной составляющей ритма сердца. Нелинейная динамика ритма сердца является достаточно чувствительным индикатором напряжения регуляторных систем организма человека и состояния его адаптационных механизмов. В нашей работе мы выявили высокую реактивность нелинейных показателей ритма сердца при ментальном арифметическом стрессе, что указывает на то, что
изменение функционирования системы регуляции ритма сердца при ментальном стрессе нельзя свести к простому сдвигу соотношения между тонусом симпатического и парасимпатического отделов ВНС и объяснить в рамках гомеостатической модели. Наблюдаемое нами повышение ментального напряжения привело к выраженному снижению сложности ритма сердца, к увеличению самоподобия временного ряда интервалов RR и увеличению рекуррентности, к снижению выраженности хаотической составляющей (повышение параметра Lmax связано с уменьшением максимальной экспоненты Ляпунова LLE - индикатора хаотических свойств системы).
Поливагусная теория Porges'а позволяет расширить спектр исследований вариабельности сердечного ритма и включить в него оценку влияния межсистемного взаимодействия, которое проявляется в базальном уровне тонуса парасимпатического отдела вегетативной нервной системы, на характер эмоциональной реактивности и эффективность и интеллектуальной деятельности. В своей работе мы пошли несколько дальше и предположили, что исходный уровень нелинейного поведения ритма сердца может оказывать значительное влияние на успешность выполнения тестов, в ходе которых оцениваются различные составляющие рабочей памяти. Тот факт, что эти предположения оправдались, свидетельствует о том, что нелинейная динамика ритма сердца представляет собой результат сложной интеграции нейронных сетей головного мозга.
Также подтвердилось наше предположение о том, что выраженность реакции на ментальный арифметический стресс зависит от степени загрузки механизмов обработки информации, т. е. от соотношения интеллектуальной нагрузки и когнитивных ресурсов.
