Введение к работе
Актуальность исследования. Исследования цикла бодрствование-сон в ходе монотонной деятельности оператора сложных информационных комплексов лежат на стыке двух направлений. С одной стороны это изучение сна в классическом представлении, отображенное работами по физиологии и биохимии ночного, дневного и др. видов сна (Loomis et al., 1937; Шеповальников, 1971; Демин с соавт., 1978; Вейн, Хехт, 1989 и др.), с другой — вопросы развития монотонии, эргономические аспекты монотонной деятельности, проблема засыпания на рабочем месте (Блок, 1972; Асеев, 1974; Воронин с соавт., 1976; Рождественская, 1980 и др.).
Исследованию электроэнцефалографических особенностей сна посвящено огромное количество работ, без внимания не остался и период начальных стадий засыпания, в частности преддремотной (Гуляев, 1957; Латаш, 1968 и др.). По общему мнению, преддремотное состояние характеризуется функциональной поли-морфиостью, нестабильностью и кратковременностью, что затрудняет его четкую идентификацию, и, как следствие, выделение для более детального исследования. Кроме того, специфика исследований преддремоты в данных работах такова, что в них отражены классические, естественные для засыпания условия с некоторыми методическими вариациями. Возникает вопрос о корректности переноса данных, получаемых в классической модели засыпания в условия работающего организма.
Необходимость исследований сна в неестественных для этого условиях диктуется возрастанием количества видов деятельности, вызывающих по ходу ее выполнения у человека чувство сонливости. Несовместимость сна и работы, особенно на ответственных участках, заставляет искать пути ранней диагностики засыпания с целью последующей реактивации оператора.
На сегодняшний день нет надежных способов, объективно и однозначно определяющих преддремоту, но известны некоторые особенности поведенческие, электрографические и т.д., наблюдаемые при переходе от.бодрствования ко сиу. Одно из перспективных направлений здесь может принадлежать электроэнцефалографии как методу, чутко и динамично реагирующему на изменения, происходящие в центральной нервной системе.
Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы являлось исследование общих и в частности межполушарных особенностей электрической активности головного мозга человека на стадии засыпания при выполнении деятельности монотонного типа. В связи с этим ставились задачи:
-
Разработать методику лабораторного исследования, моделирующую длительную монотонную деятельность оператора при низкой интенсивности труда.
-
Разработать средства контроля уровня бодрствования оператора на этапе выполнения деятельности.
-
Исследовать динамику электрической активности головного мозга оператора на разных этапах деятельности.
-
Выявить особенности пространственно-временной организации электроэнцефалограммы оператора на этапе снижения уровня бодрствования.
Научная новизна результатов исследования.
-
Разработан и апробирован метод контроля уровня бодрствования оператора в реальном времени на основе анализа векодвигательных реакций.
-
Выявлена динамика межполушарных отношений электрической активности головного мозга оператора при снижении уровня бодрствования в ходе выполнения монотонной деятельности.
-
Выявлены особенности пространственно-временной организации электроэнцефалограммы в начальные периоды засыпания оператора.
-
Выявлены особенности динамики и пространственного распределения электрической активности головного мозга оператора при снижении уровня бодрствования в зависимости от интенсивности выполняемой деятельности.
Теоретическое и практическое значение работы. В теоретическом плане работа расширяет наши представления о динамике электрической активности полушарий головного мозга при монотонной деятельности человека
Методические и теоретические разработки, полученные в результате проведенной работы, были использованы при выполнении хоздоговорной НИР 7648.
Результаты экспериментов использовались при создании полуавтоматической системы контроля засыпания операторов.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на заседании Ростовского отделения Всероссийского физиологического общества им. Павлова (Ростов-на-Дону, 1994), на Неделе науки РГУ (Ростов-на-Дону, 1994), на XI Международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 1995), на конференции молодых ученых Северо-Кавказского региона (Ростов-на-Дону, 1995), а также представлены на II Международном конгрессе Мировой федерации обществ-исследователей сна (Nassau, The Bahamas, 1995), на XIII Европейском конгрессе исследований сна (Brussels, Belgium, 1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.
Объем а структура работы. Диссертация изложена на 133 страницах машинописного текста; состоит из введения, 3-х глав, обсуждения полученных результатов (4 глава), выводов и списка использованной литературы; содержит 38 таблиц, и 16 рисунков. Список литературы включает 290 наименований, из них 83 на иностранных языках.
Исследования проводились в лабораторных условиях на мужчинах в возрасте от 18 до 40 лет.
Перед началом обследования все испытуемые проходили процедуру психологического тестирования с использованием опросников, выявляющих их личностные и ситуационные особенности. Методы исследования личности включали
тесты Стреляу (Стояяренко, 1995), Аннетт (Annett, 1972), Айзенка (Столяренко, 1995). В качестве ситуативной оценки тревожности испытуемых был использован опросник Спилбергера (Ханин, 1976).
Психофизиологические методики включали определение времени простой (ВПЗР) и сложной моторной реакции (ВСЗР) на световой стимул. Обе методики были реализованы на персональном компьютере.
В ходе электрографического обследования испытуемый располагался в экранированной камере с частичной свето-звукоизоляцией. Регистрация ЭЭГ производилась монополярно от симметричных лобных (F3; F4), центральных (Сз; G) и затылочных (d; 0) зон коры по стандартной системе "10-20". Индифферентные электроды располагались на мочках ушей. Использовались чашечковидные хлор-серебряные электроды, которые прикреплялись к коже головы медицинским коллодием. Электроды подключались через коммутирующий блок к восьмиканаль-ному электроэнцефалографу фирмы "BAoskript" (Германия). Запись регистрируемой электроэнцефалограммы производилась на магнитную ленту 14-канального магнитографа Н063.
Для визуального наблюдения за оператором использовался видеокомплекс, позволявший вести постоянное наблюдение за испытуемым. Параллельно с записью электроэнцефалограммы на магнитную ленту записывались и результаты наблюдений за испытуемым, степень его активности или, наоборот, сонливости.
В начале каждого обследования записывалась активность регистрируемых областей мозга в состоянии спокойного бодрствования при закрытых и открытых глазах.
В программе исследований было проведено две серии экспериментов. Различие между сериями состояло в сложности выполнения задания, предлагаемого испытуемым и, как следствие, разной степенью активирующей мотивации на этапе выполнения работы. Степень сложности определялась вовлеченностью испытуемого в рабочий процесс и включала как двигательный компонент (необходимость постоянного или эпизодического управления системой), так и психофизиологический — главным образом концентрация внимания и готовность отреагировать адекватным образом на изменения в системе. В силу особенностей экспериментальной ситуации в серии-1 происходило развитие динамической моно-тонии, в серии-П — статической.
В каждой серии было обследовано по 15 испытуемых.
Серия I. Деятельность испытуемого осуществлялась в режиме компенсаторного слежения за динамическим объектом. Реализовывалась компьютерная программа, имитирующая ситуацию работы водителя в ночных условиях: на темном фоне (ночная дорога) наблюдались два светящихся квадрата (габаритные огни впередиидущей машины). В задачу оператора входило постоянное удержание цели в центре экрана (следование за целью на заданном расстоянии). Органом управления оператора являлся манипулятор "мышь".
Качество работы испытуемого непрерывно оценивалось ЭВМ IBM РС/АТ-286 в течение всего обследования. Расчет работоспособности велся в процентах от 100% успешности деятельности. Результаты представлялись в виде графика зависимости работоспособности от времени.
Продолжительность работы испытуемого без учета перерывов составляла 6 часов.
Серия II. Испытуемый располагался в камере с открытыми глазами в мягком удобном кресле. На экране монитора на темном фоне в центре экрана располагались неподвижно два темных прямоугольника, имеющих ярко-оранжевые контуры. С интервалом 80-120 секунд (по закону случайных чисел) прямоугольники на 0.5 секунды приобретали ярко-оранжевый цвет (световой сигнал). В задачи испытуемого входило реагирование на изменение цвета нажатием левой рукой на клавишу "Пробел".
Параллельно, бинаурально через наушники с интервалом 20-40 секунд по случайному закону подавались два вида звуковых сигналов (очередность в случайном порядке, вероятность — 0.5) — 800 Гц с интенсивностью около 47 дБ и 1200 Гц с интенсивностью около 38 дБ. Интенсивность звучания соответствовала над- и околопороговому уровню. На возникновение высокого тона испытуемый должен был отреагировать нажатием правой клавиши манипулятора "мышь", на возникновение низкого тона - левой клавишей "мыши". Манипулятор располагался в правой руке.
Время подачи светового сигнала и обоих звуковых сигналов от начала обследования, а также время реакции на сигналы или их пропуски фиксировались в отдельном файле ЭВМ.
В качестве дополнительных средств наблюдения за испытуемым в данной серии использовался аппарат контроля за зрительным анализатором, позволявший фиксировать моргания, положение открытых и закрытых глаз, неполное закрывание глаз, а также их длительность. Информация с прибора выводилась в аналоговом виде на канал магнитографа.
Продолжительность непрерывной работы испытуемого составляла 2 часа без перерыва.
Анализ электрической активности головного мозга осуществлялся в отсроченном режиме. Вычисления проводились по односекундным отрезкам с последующим усреднением по тридцати реализациям. Анализировались диапазоны тета-, альфа, бета-1 и бета-2. Рассчитывались:
средняя мощность диапазонов тета (4-7 Гц), альфа (8-J3 Гц), бега-і (14-18 Гц), бета-2 (19-30 Гц);
коэффициент билатеральной асимметрии мощности симметричных отведений, рассчитываемый по формуле:
^ас~-^——*1О0%, где П — мощность диапазона ЭЭГ в отведении правого
полушария, Л — мощность диапазона ЭЭГ в симметричном отведении левого полушария;
— средние значения когерентности между симметричными отведениями, лобно-
центральными, лобно-загылочными и загылочно-центральньши отведениями
внутри каждого из полушарий.
Достоверность групповых различий исследуемых характеристик ЭЭГ на разных этапах обследования оценивалась по Т-критерию Стьюдента для связанных выборок, F-критерию Фишера-Снедекора и Z-кригерию знаков.
Анализ векодвигательных реакций (ВДР) производился в отсроченном режиме с дискретностью получения данных в одну минуту; рассчитывались:
количество морганий в минуту;
средняя амплитуда моргания в процентах к полностью закрытым глазам (100%);
общее время прикрытия глаз в миллисекундах в течение одной минуты;
средняя амплитуда прикрытия глаз в процентах по отношению к полностью закрытым глазам (100%).
На основе полученных данных строились графики зависимости величины показателей от времени наблюдения.
Для исследования в серии I были выделены четыре состояния: состояние спокойного бодрствования при закрытых глазах, состояние спокойного бодрствования при открытых глазах и два состояния во время выполнения задания.
Доминирующим фактором при идентификации состояний во время работы являлось качество выполняемого испытуемым задания, затем ориентировались на комментарии экспериментов на магнитной пенте. Выделялись: оптимальная работоспособность (обычно через 15-20 минут от начала деятельности) и преддре-мотное состояние (снижение уровня бодрствования через 1.5 часа от начала работы). Снижение уровня бодрствования отражалось в ухудшении качества выполняемой деятельности и внешних проявлениях сонливости (маскоподобная мимика с опусканием век).
В серии II, аналогично с предыдущим случаем, исследовались четыре состояния: два фоновых (состояние спокойного бодрствования при открытых и закрытых глазах) и два состояния во время работы.
Первое рабочее состояние — состояние оптимальной работоспособности
— регистрировалось через 10-20 минут от начала выполнения задания. Состояние
характеризовалось стабильными результатами реагирования на стимулы, отсутст
вием или наличием непродолжительных прикрываний глаз малой амплитуды.
Второе рабочее состояние (через 1,5 часа работы) — преддремотное состояние — характеризовалось снижением качества реагирования на стимулы, про-являющимсяся в одиночных или серийных пропусках сигналов или сильном пролонгировании времени реакции. В характеристиках ВДР состояние отражалось в увеличении времени и (или) амплитуды прикрываншя глаз и, обычно, в снихсении количества моргательиых движений.
Процесс выделения состояний при выполнении задания производился исходя из результатов анализа ВДР (количества морганий в минуту, времени прикрывания глаз и амплитуды прикрывания глаз), а также результатов моторного реагирования на визуальные и звуковые стимулы.