КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

ДІДИК Людмила Олександрівна

УДК.612.014.41

СТАН УВАГИ ТА ВЕГЕТАТИВНІ ПОКАЗНИКИ ЛЮДИНИ

ЗА УМОВ МІКРОКОЛИВАНЬ АТМОСФЕРНОГО ТИСКУ

03.00.13 – фізіологія людини і тварин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному

університеті імені Тараса Шевченка

Науковий керівник: доктор біологічних наук, професор,

Горго Юрій Павлович,

Київський національний університет імені Тараса Шевченка,

професор кафедри фізіології людини і тварин

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук,

Ільїн Володимир Миколайович,

Інститут фізіології імені О.О.Богомольця НАН України,

провідний науковий співробітник

доктор біологічних наук, професор

Шабатура Микола Никанорович,

Національний педагогічний інститут імені М.Драгоманова,

професор кафедри анатомії, фізіології та шкільної гігієни

Провідна установа: Інститут геронтології АМН України, м. Київ

Захист відбудеться “ 24 ” вересня 2003 року о 1200 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.38 Київського

національного університету імені Тараса Шевченка

(Київ, пр. акад. Глушкова, 2, біологічний факультет, ауд. 215)

Поштова адреса: 01033, Київ-33, вул. Володимирська, 64, м. Київ

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського

національного університету імені Тараса Шевченка

(01033, Київ-33, вул. Володимирська 58)

Автореферат розісланий “ 14 ” серпня 2003 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.001.38 Цимбалюк О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема впливу зовнішніх факторів на здатність людини до активної уваги займає важливе місце в психофізіології розумової діяльності людини. Особливого значення ця проблема набуває в сучасних умовах. Ускладнення характеру і, одночасно, інтенсифікація розумової праці приводить до росту інформаційних навантажень і досягненню граничних фізіологічних режимів для механізмів уваги і вегетативних реакцій, у яких їхня чутливість до зовнішніх факторів підвищується.

На відміну від штучних факторів, що виникають у результаті діяльності людини, важливою особливістю природних фізичних факторів є те, що їх не можна усунути чи контролювати. Тому для оптимізації умов і режимів розумової діяльності необхідні знання психофізіологічних і вегетативних ефектів при дії фізичних факторів, що систематично чи періодично впливають на людину. Відомо, що від успішності адаптації до фізичних факторів залежить характер адаптації до розумового навантаження з боку уваги і вегетативної нервової системи, а також їхні взаємовідносини у процесі розумової діяльності (В.І.Медвєдєв, 1982). Таким чином, вивчення зв'язків показників активної уваги і вегетативних реакцій з фізичними факторами навколишнього середовища може мати не тільки практичне, але і теоретичне значення в області фундаментальних досліджень взаємозв’язків між психічними і фізіологічними процесами (Н.Ф.Суворов, 1985; G.G.Berntson, 1997). Не дивлячись на те, що в літературі фізіологічні “кореляти” уваги дуже широко освітлені, відомі дані про взаємозв’язки між показниками уваги і вегетативних реакцій на розумове навантаження носять суперечливий характер.

Вважають, що в процесі розумової діяльності стан уваги дуже чутливий до подразників акустичної модальності, які включають крім звукових інфразвукові частотні діапазони, а також до коливань атмосферного тиску (АТ). Серед метеорологічних факторів коливання АТ характеризуються найбільш вираженими психофізіологічними і вегетативними ефектами (Н.С.Темникова, 1977; Т.И.Андронова, 1982; Е.Г.Сучкина, 1985). Однак до цього часу не досліджені психовегетативні ефекти швидких мікроколивань АТ, що виникають внаслідок активних хвильових процесів в атмосфері, зокрема, в діапазоні інфразвуку (П.Г.Мезерницкий, 1934; Gossard E.E , Hooke W.H., 1975; H.Richner, 1978; Б.М.Владимирский, 1982). Основний частотний спектр атмосферного інфразвуку (Б.М.Владимирский, 1982) включає декасекундні і хвилинні періоди субциркадіаних ритмів (В.А.Галичий, 2000), що співпадають з коливаннями в динаміці активної уваги (Н.А.Аладжалова, 1979) і спектральними параметрами варіабельності серцевого ритму. Проте можливу залежність показників уваги і вегетативних реакцій від частотно-амплітудних параметрів мікроколивань АТ, а також зв’язок цих показників з періодичними компонентами мікроколивань АТ у декасекундному і хвилинному діапазонах не вивчали.

Усе вищевикладене робить актуальним вивчення загальних закономірностей реакцій на розумове навантаження з боку уваги і вегетативної нервової системи в умовах мікроколивань АТ, які характерні для звичайних природних рівнів хвильових збурень в повітряній атмосфері.

Зв'язок роботи з науковими програмами і темами. Дисертаційна робота виконана як пошукова частина планової тематики Інституту фізики НАНУ (№ держ-реєстрації 0194U024077) і за проектом програми фундаментальних досліджень 6/239 “Вплив хвильових збурень в атмосфері на інтелектуальну працездатність людини”, а також державною бюджетною темою Київського національного університету імені Тараса Шевченка № 99008/3 “Дослідження особливостей впливів ультразвуку та наднизькочастотних коливань тиску на функціональні стани біологічних тканин і організм у цілому” (№ держ-реєстрації 01984001824).

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження було визначення загальних закономірностей змін основних характеристик активної уваги і вегетативних реакцій під дією мікроколивань атмосферного тиску у частотному діапазоні, що відповідає їх спектру у природі.

Для досягнення цієї мети були поставлено такі завдання:

Вибір, освоєння та модифікація методів досліджень уваги, параметрів дихальної і серцево-судинної систем при дії спорадичних та періодичних мікроколивань атмосферного тиску.

Дослідити можливу залежність основних показників уваги і параметрів дихальної та серцево-судинної систем, а також їхніх взаємозв'язків від частотного складу мікроколивань атмосферного тиску в умовах розумової діяльності.

Оцінити чутливість основних характеристик уваги і параметрів дихальної та серцево-судинної систем до змін величини мікроколивань атмосферного тиску в межах їх природних середніх рівнів.

Вивчити вплив періодичних мікроколивань атмосферного тиску на здатність людини до спрямованої уваги за умов перцептивно-виконавчої діяльності при різних інформаційних навантаженнях на сприйняття і оперативну пам'ять.

Провести якісний і кількісний аналіз змін показників спектру варіабельності кардіоінтервалів, а також їхніх взаємозв’язків з показником спрямованої уваги під впливом періодичних мікроколивань атмосферного тиску, з врахуванням вихідних рівнів уваги і вегетативних параметрів.

Об’єкт дослідження: психофізіологічні і вегетативні функції людини.

Предмет дослідження: зміни основних характеристик уваги і інтегральних параметрів серцево-судинних та дихальних реакцій під впливом мікроколивань атмосферного тиску в умовах розумової діяльності.

Методи дослідження: застосовували психофізіологічні, фізіологічні та математико-статистичні методи дослідження. Останні включали методи спектрального аналізу зі швидким перетворенням Фур'є, а також кореляційний і дисперсійний аналіз.

Наукова новизна отриманих результатів. Одержано оригінальні дані про зв'язки уваги і вегетативних реакцій людини з мікроколиваннями атмосферного тиску в діапазоні декасекундних і хвилинних періодів, які не перевищують середні природні рівні хвильових збурень повітряної атмосфери. Подальший розвиток дістала концепція про несвідомі елементи уваги і її залежність від субсенсорних рівнів акустичних подразників.

Розкриті особливості адаптаційних реакції з боку уваги і вегетативної нервової системи на розумове навантаження за умов спорадичних і періодичних мікроколивань атмосферного тиску, які розширюють уявлення про динамічну єдність хвильових процесів організму і навколишнього середовища. Виявлено, що в умовах перцептивно-виконавчої діяльності більш чутливою до короткочасних експозицій мікроколивань атмосферного тиску є спрямованість уваги на об’єкти, що утримуються в оперативній пам'яті, особливо при підвищених інформаційних навантаженнях.

Вперше отримано дані про зміни у функціональній організації адаптаційної реакції на розумове навантаження під впливом періодичних мікроколивань атмосферного тиску, які припускають одночасну активацію механізмів уваги і барорефлекторних серцево-судинних реакцій, зокрема підвищення їх парасимпатичного внеску. Показана якісна і кількісна залежність цих змін від вихідних рівнів активної уваги і дихальної та барорефлекторної судинної модуляції кардіоінтервалів. Виявлено, що в умовах спокійної зосередженої діяльності на фоні домінування парасимпатичних впливів на серцевий ритм, рівень спрямованої уваги може позитивно корелювати з вегетативними параметрами, що відбивають активність механізмів симпатико-барорефлекторних вазомоторних реакцій. Отримані в роботі дані про взаємозв’язки між змінами показників уваги і серцево-судинних реакцій в умовах відсутності і наявності періодичних мікроколивань атмосферного тиску можуть бути корисними для розуміння взаємозв'язків між психічними і фізіологічними процесами.

Практичне значення одержаних результатів. Результати дослідження можуть бути використані для оптимізації умов і режимів розумової діяльності, особливо при високих інформаційних навантаженнях на оперативну пам'ять. Виявлені зв'язки уваги і вегетативних реакцій людини з амплітудно-частотними параметрами мікроколивань атмосферного тиску указують на необхідність моніторингу і обліку не тільки підвищених, але і звичайних рівнів хвильових збурень атмосфери. Важливим висновком роботи є те, що низькі рівні природних мікроколивань атмосферного тиску у сполученні з умовами зниженого сенсорного фону і обмеженням рухової активності не сприяють успішній адаптації до розумових навантажень. Отримані дані свідчать про можливість використання періодичних біляхвилинних мікроколивань атмосферного тиску як психостимулюючого і, одночасно, кардіозахисного фактору. Результати якісного аналізу змін спектральних показників варіабельності кардіоінтервалів можуть бути корисними для подальшого розвитку методів спектрального аналізу у фізіологічних і психофізіологічних дослідженнях.

Особистий внесок здобувача у виконанні роботи полягає у самостійному виконанні експериментального дослідження, збиранні і опрацюванні інформації, статистичній обробці і аналізу даних, опису і обговоренні результатів та їх узагальненні, інтерпретації отриманих даних і формуванні теоретичних і практичних висновків.

Співавтори: Ю.П.Горго, науковий керівник, д.б.н., професор, приймав участь в плануванні напрямку роботи, виборі методик, обговоренні результатів і формулюванні висновків. А.О.Делюков, к.фіз-мат.н., зробив основний внесок в організацію технічного забезпечення експериментальної частини дослідження, вибору фізичних параметрів модельованих слабких коливань атмосферного тиску і програмну реалізацію спектрального аналізу кардіоінтервалів, вносив пропозиції щодо методик дослідження, а також приймав участь в обговоренні отриманих автором результатів та можливості їх практичного застосування. І.О.Семенова, к.м.н., надавала консультації відносно проявів патопсихології уваги і методів дослідження основних характеристик уваги.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися на 14 Міжнародному конгресі із Біометеорології (Ljubljana, Slovenia, 1996), 3-у Міжнародному конгресі “Chronobiology & its Roots in the Cosmos” (The High Tatras, Slovakia, 1997), Міжнародному Кримському семінарі “Cosmic Ecology and Noosphere” (Крим, Партеніт, 1997), 33-у Всесвітньому конгресі Міжнародного товариства Медичної гідрології і кліматології (Karlovy Vary, Prague, Luhacovice, Czech Republic, 1998), Міжнародному Кримському семінарі “Космос і біосфера. Фізичні поля в біології, медицині і екології” (Крим, Партеніт, 2001), науковій конференції “Індивідуальні психофізіологічні особливості людини та професійна діяльність” (Київ-Черкаси, 2001), ІІІ з’Їзді українського біофізичного товариства 8–11 жовтня (Львів, 2002), І Міжнародній науковій конференції “Анализ вариабельности ритма сердца в клинической практике”, 24–25 октября (Київ, 2002).

Публікації. За результатами роботи опубліковано 4 статті, 13 – тези доповідей міжнародних та вітчизняних конгресів, семінарів та конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, переліку використаних джерел (224 публікацій, у тому числі 103 іноземних). Повний обсяг роботи – 157 сторінок, із них основний текст займає 120 сторінок, список використаних літературних джерел – 22 сторінки. В дисертації міститься 31 рисунок і 6 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Об’єкти і методи досліджень

Загальна організація і визначення методів дослідження змін показників уваги і вегетативних реакцій при дії мікроколивань атмосферного тиску

В роботі вивчали загальні закономірності реакцій з боку уваги і вегетативної нервової системи (ВНС) людини на звичайні природні рівні мікроколивань атмосферного тиску (АТ), механізми яких могли бути сформовані у філогенезі. Тому орієнтувалися на початковий етап адаптаційної реакції на цей природний фактор, який призводить лише до функціональних змін, пов’язаних з орієнтовним чи оборонним типом реакції на зовнішні подразники (Ф.З.Меєрсон, 1981). Щоб мати можливість контролювати час експозиції, величину і частотний склад мікроколивань АТ і всебічно вивчити вплив їх фізичних характеристик на стан уваги та вегетативні показники, проводили експериментальні дослідження. Для цього створювали штучні слабкі коливання атмосферного тиску (СКТ).

Розв’язання поставлених завдань передбачало два етапи експериментальних досліджень. Основою першого етапу було дослідження зв’язків основних характеристик уваги і кардіореспіраторних реакцій на розумове навантаження з частотно-амплітудними характеристиками СКТ. На другому етапі більш детально досліджували дію періодичних біляхвилинних СКТ на перцептивні аспекти уваги, що пов’язані зі сприйняттям і оперативною пам’яттю, а також на варіабельність кардіоінтервалів (ВКІ) з врахуванням вихідних значень їх параметрів.

Досліджували зміни показників в порівнянні з їх вихідними значеннями (отриманими до початку експозиції СКТ), які за думкою Р.М.Баєвського (Р.М.Баєвський, 1979) є більш чутливі оцінки реакції на внутрішні і зовнішні фактори, ніж абсолютні значення. Тому в кожному експерименті всі показники визначали два рази: до початку експозиції СКТ (вихідні значення) і після їх 20-30 хвилинної експозиції. Зміни кожного показника під впливом СКТ зіставляли з його змінами в контрольних експериментах, що проводили точно так, як модельні, але СКТ у приміщенні не створювали. Тому ті самі особи брали участь в експериментах з СКТ і в контрольних експериментах. Для зменшення впливу міжіндивідуальної варіабельності показників визначали їх відносні зміни в кожному експерименті при повторному тестуванні в порівнянні з вихідними чи середніми (за перше і повторне тестування) значеннями.

З кожною особою проводили багаторазові експерименти. Це пояснюється необхідністю дослідження впливу на психофізіологічні і вегетативні показники людини різних видів СКТ. Крім того, вивчення залежності змін досліджуваних показників від їх вихідних рівнів, які не контролювали спеціальними фізіко-фармакологічними методами, можна було проводити тільки на масиві випадкових індивідуальних даних. З метою визначення доцільної кількості випробуваних оцінювали достовірність розбіжностей між дисперсіями, що відбувалися від індивідуальних розходжень і залишкової дисперсії за критерієм Фішера для 5% рівня значимості (Урбах В.Ю., 1963; Лакин Г.Ф., 1990).

Як модель розумової діяльності вибрали перцептивно-виконавчу діяльність, пов’язану з комп’ютерним представленням інформації. Оскільки відносні зміни показників, які оцінювали у дослідженні, достовірних відмінностей від нормального розподілу не виявили (критерії: Смирнова-Колмогорова, Лілієфорса), достовірність розходжень між двома наборами даних оцінювали за t-критерієм Ст'юдента. Комп'ютерну обробку даних проводили на основі пакетів програм статистичного аналізу “Statistica 5.0” та “Excell 7.0” для “Windows 97”.

Методи дослідження зв’язків уваги і показників кардіореспіраторних реакцій з частотно-амплітудними параметрами мікроколивань атмосферного тиску

На першому етапі в експериментах брали участь 10 здорових людей у віці від 20 до 63 років (5 жінок і 5 чоловіків). З кожним учасником було проведено не менш 5 контрольних експериментів, і не менш 3 експериментів з кожним видом модельованих СКТ. Всього 310 експериментів.

Моделювали наступні види СКТ: “квазі-хаотичні” СКТ зі складним частотним характером, отриманим додаванням некогерентних хвиль, і періодичні СКТ з періодами 30, 45, 90, 150 і 240 с, з амплітудою близько 50 Па; а також з періодом 30 с і амплітудами 30 Па та 65 Па.

Досліджували основні характеристики уваги, які важливі для операторської діяльності: спрямованість, стійкість і швидкість переключення уваги (між сприйняттям, оперативною пам’яттю і організацією рухової програми виконання завдання), а також виснажливість і витрати уваги. Для цього застосовували модернізований комп’ютерний варіант методу “коректурна проба”, який дозволяв кількісно визначати ці характеристики, відповідно, за показниками: неточність диференціювання букв (НТ), нестійкість уваги (НУ), недоцільність організації рухової програми виконання завдання (НЦ), виснажливість уваги (ВУ) і швидкість рухової навички виконання завдання (Ш).

Фізіологічні реакції з боку серцевої і дихальної систем оцінювали за показниками: ЧСС - частота серцевих скорочень і ДЗД - тривалість довільної затримки дихання, яку визначали після припинення вдиху до початку некоординованих скорочень дихальних м’язів.

Методи дослідження впливу періодичних мікроколивань атмосферного тиску на різні види уваги і варіабельність кардіоінтервалів

На другому етапі досліджували зміни під впливом періодичних біляхвилинних СКТ показників активної уваги при виконанні тестів з різними навантаженнями на сприйняття і оперативну пам’ять, а також спектральних компонент варіабельності кардіоінтервалів (ВКІ).

У дослідженні брали участь 11 здорових дорослих осіб (троє чоловіків і вісім жінок, у віці від 27 до 65 років). Проводили багаторазові індивідуальні експерименти з кожним учасником. Всього 176 експериментів.

Визначали кількість помилок, середній час відповідей, а також їх комплексні показники (М1, М2, М3), що характеризували рівень активної уваги при виконанні, відповідно, трьох комп’ютерних тестів. Перший тест припускав помірні навантаження на оперативну пам’ять і сприйняття під час рахування і логічного порівняння цифр. В другому тесті увага зосереджувалася на об’єктах зорового сприйняття наборів цифр. У третьому тесті припускали підвищенні навантаження на механізми уваги, пов’язані з короткочасним утриманням зорових об’єктів (набору букв) в оперативній пам’яті. Цей тест включав шість ступенів складності завдання, яка поступово зростала.

Вивчали зміни високочастотної (ВЧ) і низькочастотної (НЧ) компонент спектру ВКІ, механізми яких найбільш зрозумілі. Ці компоненти пов'язують, відповідно, з дихальною і судинною (барорефлекторною) модуляцією серцевого ритму. Проте як вегетативні маркери їх вважають не досконалими (G.G.Berntson, et al., 1997; D.L.Eckberg, 1997). Найбільшою невизначеністю характеризується інтерпретація НЧ компоненти, яка відбиває парасимпатичні і симпатичні внески у серцеву реакцію вазомоторного барорефлексу (L.Bernardi, 1994; D.L.Eckberg, 1997). Для розширення можливості фізіологічної інтерпретації спектральних параметрів ВКІ, як вегетативних маркерів, проводили якісну оцінку їх змін на основі відомих закономірностей у взаємозв'язках між внесками визначених фізіологічних механізмів у серцеву реакцію і змінами вегетативних параметрів (S. Akselrod, 1981; G.G.Berntson, 1997; D.L.Eckberg, 1988) з застосуванням методів кореляційного аналізу.

До суттєвих причин існуючих протиріч в інтерпретації спектральних параметрів ВКІ, а також у взаємозв’язках між психофізіологічними і вегетативними показниками відносять різні методичні підходи, які не враховують їх залежність від вихідних рівнів (А.М.Вейн, 1981; Н.Ф.Суворов, 1985; D.L.Eckberg, 1997). Тому додатково проводили аналіз даних з контрольованими вихідними рівнями показників уваги, а також НЧ і ВЧ компонент спектру ВКІ. Для цього дані по відносних змінах кожного показника розділяли на підгрупи за ознакою зниженого і підвищеного вихідного рівня показників уваги, а також НЧ і ВЧ компонент спектру ВКІ відносно середньої індивідуальної величини цих показників.

Послідовність кардіоінтервалів (КІ) реєстрували після виконання батареї тестів за допомогою ритмокардіоскопу РКС-01, з якого сигнал надходив у пам’ять комп’ютера. Щоб уникнути зниження рівня розумової активності, тривалість реєстрації КІ було обмежено двома хвилинами, що забезпечувало надійну оцінку ВЧ і НЧ компонент ВКІ (G.G.Berntson, 1997). Спектральний аналіз проводили за непараметричним методом швидкого перетворення Фур'є на основі пакетів “Statistica 6.0.” (“Time Series Analysis”) і “Excel 97”. Спектральні компоненти ВКІ виражали в абсолютних значеннях (мс2).

Зв’язок основних характеристик уваги та вегетативних реакцій з частотно-амплітудними параметрами мікроколивань атмосферного тиску

Аналіз варіабельності індивідуальних значень досліджуваних показників

Кожен випробуваний брав участь у 31 експерименті (з усіма видами СКТ і в контрольних), які проводили у різні дні. Для того, щоб зіставити індивідуальну варіабельність досліджуваних показників зі змінами під дією СКТ визначали коефіцієнти варіації їх вихідних індивідуальних середніх значень (CV) (Лакин Г.Ф.,1990). Найбільш значну варіабельність (CV > 25 %) виявили показники перцептивних аспекти уваги (спрямованість і стійкість), а також її виснажливість і швидкість переключення. Найменшу індивідуальну варіабельність виявили вихідні значення показників: ЧСС (CV < 10 %) і швидкості виконання тесту “коректурна проба” (Ш) (CV < 11,5 %). Останнє вказує на добре засвоєну навичку рухового виконання завдання. Незначна індивідуальна варіативність ЧСС пояснюється тим, що як гомеостатичний параметр, він може змінюватися у вузькому діапазоні.

Індивідуальна варіативність відносних змін досліджуваних показників при повторному вимірюванні, як в контролі, так і експериментах з СКТ виявилася значною, тому достовірних розбіжностей між їх дисперсіями, що відбуваються від індивідуальних розходжень і залишкової дисперсії, не було. Отже, повторення експериментів з багатьма особами можна було вважати недоцільним.

Порівняльний аналіз змін показників у повторному тестуванні в контрольних експериментах і експериментах з мікроколиваннями атмосферного тиску

Порівняльний аналіз змін показників в контрольних експериментах і експериментах з СКТ показав, що усі види СКТ з амплітудою 50 Па, за винятком СКТ з періодом 240 с, впливали на стан уваги і кардіореспіраторні реакції випробуваних. Останнє, очевидно, пояснюється більш повільними змінами P/t. Характер впливу періодичних СКТ на досліджувані показники виявився подібним. Проте реакція на “квазі-хаотичні” СКТ з боку уваги, а також серцевої системи відрізнялася від реакції на періодичні СКТ. Найбільш чутливими до “квазі-хаотичних” СКТ серед психофізіологічних показників виявилися: неточність диференціювання букв (НТ) і виснажливість уваги (ВУ). Судячи із достовірного збільшення показників НТ і ВУ порівняно з контролем (рис. 1 А, Б) такі СКТ ускладнювали перцептивні аспекти уваги. Зростання під впливом “квазі-хаотичних” СКТ ЧСС (рис. 1 В), а також виникнення негативної кореляції між НТ і ЧСС (r = – 0,69, p < 0,001) вказують на те, що зосередження уваги в цих умовах досягалась за рахунок збільшення фізіологічної напруги з боку серцевої системи.

На відміну від “квазі-хаотичних”, періодичні СКТ (з періодами 30, 45, 90 і 150 с) полегшували адаптацію до розумового навантаження. Достовірні зменшення показників НТ, НУ, НЦ, ВУ і збільшення показника Ш при повторному виконанні тесту “коректурна проба” в порівнянні з контролем, свідчать, що під дією періодичних СКТ зростали: спрямованість, стійкість, швидкість переключення уваги, а також зменшувалися її виснажливість і витрати. Оскільки після експозицій цих СКТ достовірно знижувалася ЧСС (рис. 1 В) і зростала ДЗД (рис. 1 Г) в порівнянні з контролем, вони сприяли зниженню фізіологічної напруги кардіореспіраторної системи під час розумової діяльності.

Кореляційний аналіз не підтвердив точку зору на зниження ЧСС як на прямий “корелят” уваги (J.I.Lacey, 1970). Виявлене в експериментах з “квазі-хаотичними” СКТ, підсилення кореляції між психофізіологічними показниками, а також виникнення їх достовірних кореляцій зі зростанням ЧСС (р < 0,01) вказують на те, що більш успішне виконання в цьому випадку відбувалася на фоні більшої активації (Суворов Н.Ф., 1985; Lacey J., 1967) і підвищення фізіологічної напруги з боку серцевої системи, індикатором яких було зростання ЧСС.

Рис. 1. Зміни показників (А – неточність диференціювання букв (НТ), Б – виснажливість уваги (ВУ), В – частота серцевих скорочень (ЧСС), Г – тривалість довільної затримки дихання (ДЗД)) у контрольних експериментах (К) і в експериментах зі штучними “квазі-хаотичними” (Х) і періодичними слабкими коливаннями атмосферного тиску (з періодами 30, 45, 90, 150 і 240 с); * – p < 0,05; ** – p < 0,01; *** – p < 0,001.

Навпаки, підсилення тенденції “фракціонування” (Суворов Н.Ф., 1985) психофізіологічних показників під дією періодичних СКТ і відсутність їх кореляції з ЧСС, свідчать, що покращення уваги відбувалося на меншому рівні активації

Результати кореляційного аналізу також показали, що покращення під впливом періодичних СКТ спрямованості уваги та зменшення її виснажливості і витрат при виконанні розумового завдання були пов’язані з величиною довільної затримки дихання (для показників: НТ: r = – 0,33; ВУ: r = – 0,37; Ш: r = 0,33; p < 0,05).

Увага і серцевий ритм реагували на зміни амплітуди періодичних СКТ в межах їх звичайних природних рівнів. Незначне підвищення їх амплітуди (до 65 Па) викликало достовірне зростання виснажливості уваги (48,78 %, p < 0,05) і прискорення серцевого ритму (4,46 %, p < 0,01) в порівнянні з контролем. На знижені амплітуди СКТ (до 30 Па) більшість досліджуваних показників (за виключенням показників НТ і ЧСС, які достовірно зменшувалися на – 27,52 %, p < 0,001; і – 3,29 %, p < 0,05, відповідно) не реагували.

Таким чином, зміни показників уваги і вегетативних реакцій в умовах розумової діяльності виявилися пов’язаними, як з величиною, так і з ритмічною організацією СКТ. Більш чутливими до СКТ і невпорядкованості їх ритмічної організації є перцептивні аспекти уваги, а також частота серцевих скорочень. Швидкість рухової навички виконання меншою мірою залежить від дії СКТ. Враховуючи також незначну варіабельність вихідних індивідуальних значень цього показника в порівнянні з перцептивними аспектами уваги, можна зробити висновок, що рухова навичка координації рук, на яку увага мало витрачається, меншою мірою залежить від зовнішніх факторів.

Активна увага і варіабельність кардіоінтервалів за умов періодичних біляхвилинних мікроколивань атмосферного тиску

Обговорення можливих механізмів початкового етапу адаптаційної реакції на періодичні мікроколивання атмосферного тиску

Судячи із результатів першого етапу дослідження, СКТ більшою мірою впливали на перцептивну увагу спрямовану, одночасно, на об’єкти сприйняття та короткочасно утримувані в оперативній пам’яті, ніж на рухові аспекти під час диференціювання букв в тесті “коректурна проба”. Виявлені достовірні зміни ЧСС і ДЗД дозволяють також припустити, що СКТ здатні активувати механізми серцево-судинних барорефлекторних реакцій. Крім того, зниження ЧСС могло викликатися центральними ефектами дії періодичних СКТ, які чинили активуючий вплив на увагу.

Виходячи з цих положень, на другому етапі основний акцент робили на більш детальному вивченні впливу періодичних біляхвилинних СКТ на два види уваги, що пов’язані зі сприйняттям і оперативною пам’яттю, а також на з’ясуванні внесків центральних і автономних механізмів у серцеву реакцію на розумове навантаження.

Аналіз варіабельності індивідуальних значень досліджуваних показників

На відміну від середньої тривалості КІ (T-RR), індивідуальні вихідні значення низькочастотної (НЧ) і високочастотної (ВЧ) компоненти спектру ВКІ, а також їх співвідношення (НЧ/ВЧ) варіювали у дуже значній мірі. Коефіцієнт варіації цих параметрів у більшості випробуваних набагато перевищував 25 % рівень. Отже, отримані дані узгоджуються з висновками інших авторів про дуже широкий діапазон змін фізіологічних параметрів модуляції серцево-судинних ритмів (J.Lundval, 1994; J.A.Tailor, 2001) і доцільність контролю їх вихідних рівнів.

Внаслідок високої індивідуальної варіабельності відносних змін показників достовірних розбіжностей між дисперсіями, що відбуваються від індивідуальних і міжіндивідуальних розходжень, на другому етапі, як і на першому, виявлено не було. Тому повторення експериментів з багатьма особами можна було також вважати недоцільним.

Середні оцінки змін показників уваги і серцевих реакцій під дією періодичних мікроколивань атмосферного тиску

Дослідження перцептивної сфери уваги з різними функціональними навантаженнями на оперативну пам'ять і сприйняття показали, що у всіх випадках періодичні СКТ в середньому за кількістю експериментів сприяли підвищенню рівня уваги. Найбільшою мірою зростав показник, який характеризував спрямованість уваги на об’єкти, що короткочасно утримувалися в оперативній пам’яті (М3 = 27,72 %, p < 0,001), переважно на останніх вищих ступінях складності завдання, коли інформаційне навантаження на оперативну пам'ять було найбільшим (рис. 2).

Рис. 2. Зміни показника активної уваги М3 в тесті з навантаженням на оперативну пам’ять у контрольних експериментах (К) і експериментах зі штучними періодичними слабкими коливаннями атмосферного тиску (ПСКТ) на зниженому (сірі колонки 1) і підвищеному (сірі колонки 3) вихідному рівні М3 та у середньому (білі колонки 2) за кількістю експериментів; ** – p < 0,01; *** – p < 0,001.

Результати другого етапу дослідження підтвердили заспокійливу дію періодичних СКТ на серцевий ритм, виявлену у першій частині дослідження. Під їх впливом тривалість КІ (T-RR) достовірно зростала (в контролі: 3,11 0,49; в експериментах з СКТ: 5,36 0,42, p < 0,001). Однак достовірні зміни середніх значень відносних змін спектральних параметрів ВКІ під дією СКТ не виявлені. Нечутливість спектральних параметрів до дії СКТ частково пояснюється тим, що ВЧ компонента зростала (ВЧ = 21,25 5,32), а співвідношення НЧ/ВЧ зменшувалося (НЧ/ВЧ = –?19, 76 5,51) в перебігу контрольного експерименту. Якісний аналіз змін цих показників показав, що систематичні фактори, які були зумовлені самою процедурою контрольного експерименту, сприяли зростанню парасимпатичних і зменшенню симпатичних впливів на серцевий ритм.

Якісний аналіз даних з контрольованими вихідними значеннями показників уваги і компонент спектру варіабельності кардіоінтервалів

Важливим моментом аналізу даних з врахуванням вихідного рівня показників уваги було, по-перше те, що він дозволив оцінити внесок СКТ в адаптаційну реакцію на розумове навантаження в порівнянні з систематичними факторами самої процедури експерименту (такі як тренувальний ефект попереднього виконання тесту, гіпокінезія, знижений рівень зовнішніх подразників, а також природних мікроколивань АТ), оскільки перевага активуючих чи послаблюючих впливів на увагу залежала від її вихідного рівня.

Періодичні СКТ сприяли активації уваги на її зниженому вихідному рівні, а також компенсували послаблюючий вплив на увагу умов контрольного експерименту на її підвищеному вихідному рівні. Судячи із змін показників уваги на їх різних вихідних рівнях, найбільшу чутливість як до систематичних факторів контрольних експериментів, так і до СКТ, виявив показник М3, за яким визначали спрямованість уваги на об’єкти, що короткочасно утримувалися в оперативній пам’яті (рис.2).

Крім того, аналіз даних з контрольованими вихідними рівнями активної уваги (при виконанні тесту (М3), після якого реєстрували КІ), а також НЧ і ВЧ модуляції КІ, дозволив встановити, що причиною нечутливості спектральних параметрів до дії СКТ була залежність характеру і величини змін цих показників від їх вихідних рівнів. Виявлені достовірні зростання показників НЧ і НЧ/ВЧ в порівнянні з контролем (p < 0,05) на підвищеному рівні уваги, коли внесок з боку вищих відділів центральної нервової системи в серцеву динаміку, відповідно з законом вихідного рівня, зменшувався, а також на вихідному зниженому НЧ і, одночасно підвищеному рівні ВЧ компоненти (p < 0,001), свідчать про здатність СКТ активувати автономні механізми симпатико-барорецепторного контролю серцевого ритму.

Результати якісного аналізу підтвердили, що зростання НЧ компоненти (рис. 3) на фоні уповільнення серцевого ритму зумовлено не тільки збільшенням симпатичних, але і парасимпатичних барорефлекторних внесків у серцеву реакцією на періодичні СКТ, які переважали над симпатичними. Отже, зміни НЧ компоненти під впливом СКТ були пов’язані з комплексним вегетативним ефектом.

Ми не виявили достовірної кореляції між змінами показника уваги і тривалості КІ, навіть, коли покращення уваги під дією періодичних СКТ супроводжувалося уповільненням серцевого ритму. В той же час, позитивні кореляції в контролі змін показника уваги (М3) зі змінами НЧ/ВЧ (на підвищеному рівні уваги: r = 0,31, p = 0,04) і НЧ (на зниженому вихідному рівні НЧ і, одночасно, підвищеному ВЧ: r = 0,71; p < 0,001), які були певною мірою пов’язані з симпатичними внесками у серцеву реакцію, вказують на зв’язок погіршення уваги з недостатнім центральним симпатичним ефектом на фоні зростання вагусного.

На можливий зв’язок покращення стану уваги зі зростанням активності барорефлекторних механізмів серцево-судинних реакцій вказує позитивна кореляція між змінами М3 і НЧ компоненти, (на підвищеному рівні уваги: r = 0,39, p = 0,01), яку виявлено в експериментах з СКТ.

Рис. 3. Зміни НЧ компоненти спектру варіабельності (НЧ) в контрольних експериментах (К) і експериментах зі штучними періодичними слабкими коливаннями атмосферного тиску (ПСКТ) на зниженому (сірі колонки 1) і підвищеному (сірі колонки 3) вихідному рівні показника уваги (М3) та у середньому (білі колонки 2) за кількістю експериментів; * – p < 0,05.

Мікроколивання атмосферного тиску як суттєвий фактор у функціональній організації стану уваги в умовах розумової діяльності

Загальне обговорення результатів першого і другого етапу дослідження

Отримані в роботі дані вказують на здатність мікроколивань АТ, що не перевищують звичайні природні рівні хвильових збурень атмосфери, викликати зміни у функціональній організації адаптаційної реакції на розумове навантаження, що зумовлені її першими швидкореагуючими ланками: увагою і вегетативною нервовою системою. Зміни показників уваги і вегетативних реакцій, а також їх взаємозв’язків під впливом мікроколивань АТ залежать як від їх величини так і ритмічної організації, а також вихідних рівнів самих показників.

Результати дослідження узгоджуються з визначенням двох типів реакції на розумове навантаження за її вегетативними компонентами (Данилова Н.Н., Астафьев С.В., 1999). Виявлені зміни частоти серцевого ритму під дією “квазі-хаотичних” і періодичних СКТ, свідчать, що навіть, звичайні природні рівні таких мікроколивань, що носять переважно спорадичний характер, можуть сприяти оборонному, в той час, як їх гармонічні складові з декасекундними і хвилинними періодами – орієнтовному типу реакції на розумове навантаження. Покращення показників уваги і зменшення фізіологічної напруги з боку кардіореспіраторної системи в умовах розумової діяльності людини під дією періодичних СКТ підтверджують більшу ефективність узгоджених з фізіологічними механізмами ритмів (Романов С.Н., 1983). Такі періодичні СКТ можна розглядати як сенсорний подразник здатний чинити активуючий вплив на механізми адаптації до розумового навантаження.

Узагальнюючи дані літератури, а також результати нашого дослідження взаємозв’язків між показниками уваги і вегетативними параметрами, можна зробити висновок, що позитивна кореляція між уповільненням серцевого ритму і активною увагою, ймовірно, виникає на самому початку розумової діяльності. Однак високий стійкий рівень уваги може тривало підтримуватися не тільки за умови високої активності парасимпатичного відділу ВНС, але й залучення в компенсаторну реакцію на розумове навантаження механізмів симпатико-барорецепторного вазомоторного контролю. У таких умовах, можна очікувати позитивний зв'язок рівня активної уваги з активністю цих механізмів.

Особливості адаптаційних реакцій на розумове навантаження в умовах мікроколивань атмосферного тиску, зумовлені статевим та віковим факторами

Оскільки на початковому етапі адаптаційної реакції проявляються також індивідуальні відміни в реактивності фізіологічних механізмів, ми провели додатковий якісний аналіз даних з метою визначення особливостей реагування на короткочасні експозиції СКТ, що могли бути зумовленими найбільш суттєвими біологічними факторами таким, як стать і вік. Отримані дані вказують на зниження з віком (після 50 років) реактивності до дії періодичних мікроколивань АТ і підвищення чутливості до невпорядкованості ритмічної організації цих мікроколивань, насамперед, показників перцептивних аспектів уваги (p < 0,05) і її рухомості (p = 0,02). З віком відбуваються не тільки кількісні, але і якісні зміни вегетативної реакції на дію мікроколивань АТ. В першу чергу, вони пов’язані зі зниженням функціональних можливостей центральних механізмів регуляції серцевого ритму через симпатико-барорецепторной вазомоторний рефлекс. Результати свідчать також на користь більшої чутливості до підвищення амплітуди періодичних СКТ (з 50 Па до 65 Па) серцевого ритму у чоловіків ніж у жінок (в групі чоловіків: ЧСС = 7,78 2,26; в групі жінок ЧСС = 1,15 1,62, p = 0,02).

ВИСНОВКИ

Виявлені достовірні зміни показників уваги і вегетативних реакцій, а також їх взаємозв’язків під дією короткочасних експозицій (до 30 хвилин) мікроколивань атмосферного тиску, що свідчить про суттєве значення ритмічної організації і величини цих мікроколивань для ефективності розумової діяльності людини в природних і штучно створених середовищах.

Показано, що при дії мікроколивань атмосферного тиску з близьким до хаотичного частотним складом, який превалює в природних збуреннях атмосфери, характерні погіршення спрямованості уваги, підвищення її виснажливості, а також зростання збудливих впливів на серцевий ритм.

Виявлено, що періодичні мікроколивання атмосферного тиску з амплітудою біля 40-50 Па в декасекундному і хвилинному діапазонах, здатні активувати увагу, а також сприяти пониженню частоти серцевого ритму і збільшенню тривалості довільної затримки дихання людини під час зосередженої розумової діяльності. Під впливом цих мікроколивань зростає спрямованість і швидкість переключення уваги між сприйняттям, оперативною пам’яттю та організацією рухової програми перцептивно-виконавчої діяльності, знижується нестійкість і виснажливість уваги, а також її витрати на виконання завдання.

Підвищення амплітуди періодичних мікроколивань атмосферного тиску до 65 Па, що знаходиться в межах природних збурень атмосфери, в кінці їх 30 хвилинної експозиції здатне викликати зростання частоти серцевих скорочень і виснажливості уваги.

Найбільш чутливою до дії мікроколивань атмосферного тиску є спрямованість уваги на об’єкти, що утримуються в оперативній пам’яті. Менш чутливими до впливів цього фізичного фактору є спрямованість уваги на об’єкти сприйняття і виконання рухової навички, пов’язаної з операторською діяльністю.

Вірогідність, характер та величина змін показників психофізіологічних і вегетативних реакцій при дії мікроколивань атмосферного тиску залежать від їх вихідних значень. Найбільшою мірою це відноситься до низькочастотної компоненти спектру варіабельності кардіоінтервалів, зміни якої зумовлюються комплексним ефектом вагусних і симпатичних нервів через механізми симпатико-барорецепторної ауторегуляції вазомоторного тонусу судин.

Зміни спектральних параметрів варіабельності кардіоінтервалів під впливом мікроколивань атмосферного тиску, які зумовлені зростанням парасимпатичного барорефлекторного внеску в серцеву реакцію на розумове навантаження, більш вірогідно проявляються на підвищеному вихідному рівні уваги, а також зниженому вихідному рівні низькочастотної модуляції кардіоінтервалів.

При підвищеному рівні періодичних мікроколивань атмосферного тиску (65 Па) виявлено більше зростання частоти серцевого ритму у чоловіків в порівнянні з жінками. Вікові індивідуальні особливості змін показників психофізіологічних і вегетативних реакцій на мікроколивання атмосферного тиску пов’язані, насамперед, зі зростанням інертності процесів уваги і зменшенням функціональних можливостей механізмів уваги спрямованої на об’єкти оперативної пам’яті та центральних внесків артеріального барорефлексу в регуляцію серцевого ритму.

Показано, що величина і характер взаємозв’язків між показниками уваги і вегетативних реакцій на розумове навантаження залежать від ритмічної організації мікроколивань атмосферного тиску, а також вихідних рівнів уваги і спектральних параметрів варіабельності кардіоінтервалів в низькочастотному і високочастотному діапазоні та індивідуальної реактивності людини.

Виявлені закономірності психофізіологічних і вегетативних реакцій при дії “квазі-хаотичних” і періодичних мікроколивань атмосферного тиску, вказують на необхідність моніторингу і обліку природних рівнів цього атмосферного фактору для визначення і організації змін режимів розумової діяльності, а також на можливе використання штучних періодичних мікроколивань атмосферного тиску для корекції, оптимізації і підтримки рівня уваги людини.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Горго Ю.П., Дідик Л.О. Біологічні ефекти наднизькочастотних коливань атмосферного тиску // Сучасні проблеми біофізики.