Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Проблема утомления в психологии: психофизиологический и нейропсихологический аспекты 4
1.1. История развития представлений об утомлении в психологии и психофизиологии.11
1.1.1. Развитие представлений об утомлении в психологии. 11
1.1.2. Развитие представлений об утомлении в психофизиологии. 14
1.1.3. Нейропсихология утомления 20
1.2. Утомление как функциональное состояние человека 25
1.2.1. Определение функционального состояния . 25
1.2.2. Понимание утомления как особого функционального состояния. 26
1.2.3. Отличие утомления от состояний монотонии и психического пресыщения 30
1.3. Современные подходы к исследованию состояний утомления. 35
1.3.1. Поиск субъективных и объективных маркеров утомления. 35
1.3.2.Электроэнцефалографические и молекулярно-генетические индикаторы утомления. 39
1.4. Выводы из литературного обзора 53
ГЛАВА 2. Методика исследования 55
2.1. Испытуемые и схема исследования 55
2.2. Экспериментальные задания и стимульный материал. 57
ПЗМР, простая зрительно-моторная реакция 57
РВ, реакция выбора 57
2.3. Процедура эксперимента 59
2.4. Анализ данных 60
2.5. Методики генотипирования 62
2.5.1. Методика генотипирования 5HTT 62
2.5.2. Методика генотипирования DRD2 62
2.5.3. Методика генотипирования COMT 64
ГЛАВА 3. Результаты исследования 66
3.1. Результаты по субъективным, поведенческим и электрофизиологическим показателям по всей выборке 66
3.1.1. Субъективные и поведенческие данные 66
3.1.2. Результаты ЭЭГ 68
3.2. Результаты по субъективным, поведенческим и электрофизиологическим показателям у носителей различных полиморфизмов генов 5НТТ, DRD2, СОМТ. 84
3.2.1. Субъективные и поведенческие показатели у носителей различных полиморфизмов генов 5НТТ, DRD2, СОМТ. 86
3.2.2. ЭЭГ результаты у носителей различных полиморфизмов генов 5НТТ, DRD2, СОМТ. 97
3.3. Проведение факторного анализа. 120
3.4. Моделирование структурными уравнениями связей между уровнем нейромедиаторов (серотонина и дофамина) и психофизологическими характеристиками при длительной когнитивной нагрузке. 123
ГЛАВА 4. Обсуждение результатов 130
4.1. Обсуждение результатов по субъективным, поведенческим и ЭЭГ данным по всей выборке. 130
4.1.1. Обсуждение субъективных и поведенческих результатов 130
4.1.2. Обсуждение ЭЭГ результатов. 131
4.2. Обсуждение результатов ЭЭГ, полученных для носителей различных полиморфизмов генов 5НТТ, DRD2 и СОМТ. 142
4.2.1. Субъективные и поведенческие показатели. 143
4.2.2. Анализ ЭЭГ активности у носителей различных полиморфизмов генов 5НТТ, DRD2 и СОМТ 146
4.3. Обсуждение результатов факторного анализа и структурного моделирования... 153
4.3.1. Обсуждение результатов факторного анализа и структурного моделирования. 153
4.4. Обобщение результатов 156
Выводы 161
Заключение 163
Список литература 165
Приложения .183
- Определение функционального состояния
- Результаты по субъективным, поведенческим и электрофизиологическим показателям по всей выборке
- Моделирование структурными уравнениями связей между уровнем нейромедиаторов (серотонина и дофамина) и психофизологическими характеристиками при длительной когнитивной нагрузке.
- Обсуждение результатов ЭЭГ, полученных для носителей различных полиморфизмов генов 5НТТ, DRD2 и СОМТ.
Введение к работе
Актуальность исследования. Изучение механизмов утомления является важной задачей в современном обществе, оно вносит весомый вклад в общетеоретические и практические основы психологии и психофизиологии. Прикладные аспекты данного направления связаны с более объективной и качественной диагностикой функциональных состояний человека и с подготовкой специалистов, работающих в экстремальных условиях - диспетчеров, силовиков, спортсменов и т.д. Профессиональная деятельность во многих сферах требует больших умственных, эмоциональных усилий и выносливости. Количество людей, страдающих от усталости, зачастую становящейся хронической, неуклонно растет. Это, в свою очередь, приводит не только к психическому и эмоциональному стрессу, но и к соматическим заболеваниям. Проблема утомления исследуется в различных областях психологии, психофизиологии, медицины, биохимии и др. Несмотря на это, еще не существует общей теории утомления, описывающей его механизмы (Cameron, 1974; Розенблат, 1975; Леонова, 1994; De Luca, 2005).
Многие исследователи пытаются рассматривать феномен утомления либо изолированно на психологическом или психофизиологическом уровнях, либо комплексно – учитывая и психологические, и психофизиологические особенности (Klimesh, 1999; ; Lorist et al., 2003; Murataa et al., 2004; Trejo et al., 2005; ; Liu et al., 2006; Wijesuriya et al., 2007; Jap et al., 2009; Lorist et al., 2009). Иногда они пытаются связать наличие определенного полиморфизма отдельных генов со скоростью развития утомления, используя для его оценки, как правило, какой-то один психологический или психофизиологический параметр, являющийся, по их мнению, индикатором состояния утомления (; Salamone et al., 1999; ; ; Lorist et al., 2005; 2007; ). Специфика данной работы заключается в рассмотрении проблемы утомления сразу на психологическом, психофизиологическом и биохимическом уровнях, что позволяет сделать комплексную оценку данного состояния. Рассматривается комплекс психологических и психофизиологических параметров, отражающих динамику функционального состояния; дана подробная оценка состоянию утомления, вызванному длительной когнитивной нагрузкой в течение четырех часов; на биохимическом уровне показаны различия в развитии утомления у носителей разных полиморфизмов генов 5НТТ, DRD2 и СОМТ. Выбранные для биохимического анализа гены связаны с трансмиссией таких нейромедиаторов, как серотонин и дофамин, связанных в том числе с когнитивными функциями (Rowe et al., 1999; Николлс, 2003; Meeusen et al., 2007; Bellgrove et al., 2008; Gossoetal., 2008; Bolton et al., 2010; Malyuchenko et al., 2010; Rosa et al., 2010; Stelzel et al., 2010; Doll et al., 2011; Dumontheil et al., 2011; Wishart et al., 2011).
Цель исследования: комплексное изучение механизмов утомления, отражающегося на субъективном, поведенческом, психофизиологическом, а также молекулярно-генетическом уровнях.
Объект исследования: проявления утомления в психике, поведении и психофизиологических показателях.
Предмет исследования: механизмы утомления в процессе когнитивной деятельности и их отражение в комплексе субъективных, поведенческих, психофизиологических и молекулярно-генетических показателей.
Теоретической гипотезой исследования является предположение о том, что длительная когнитивная нагрузка, приводящая к развитию утомления, будет по-разному сказываться на психологических, поведенческих и психофизиологических показателях у носителей различных полиморфизмов генов 5НТТ, DRD2 и COMT, связанных с определенным уровнем серотонина и дофамина.
Эмпирические гипотезы:
1. Длительная когнитивная нагрузка приводит к развитию утомления, что выражается в определенных психических, поведенческих и психофизиологических показателях.
2. Более высокий уровень серотонина (наличие S-аллели в гене 5НТТ) ассоциирован с большей скоростью развития утомления.
3. Более низкий уровень дофамина (наличие А1-аллели в гене DRD2 и VV генотипа в гене СОМТ) ассоциирован с большей скоростью развития утомления.
4. Носители генотипа LL (ген 5НТТ), А2А2 (ген DRD2) и ММ (ген СОМТ) будут характеризоваться меньшей скоростью развития утомления, по сравнению с носителями генотипа LS+SS (ген 5НТТ), A1A1+A1A2 (ген DRD2), MV и VV (ген СОМТ). Данные полиморфизмы ассоциированы с более низким уровнем серотонина и более высоким уровнем дофамина с большей устойчивостью к развитию утомления и лучшим когнитивным функционированием.
Задачи исследования:
исследовать влияние длительной когнитивной нагрузки на психические, поведенческие и психофизиологические показатели;
исследовать ассоциативную связь полиморфных маркеров генов (5НТТ, DRD2 и СОМТ), регулирующих обмен серотонина и дофамина в мозге, с особенностями развития утомления;
описать динамику субъективных ощущений, поведенческих показателей и мозговых процессов при развитии утомления;
выявить связь между концентрациями серотонина и дофамина в мозге и процессами развития утомления.
Методолого-теоретическая основа исследования. Диссертационное исследование базируется на комплексном подходе к исследованию утомления, основывающемся на работах таких отечественных ученых, как И.П. Павлов, Б.М. Теплов, В.Д. Небылицын, Н.Н. Данилова, Э.А. Голубева, А.Б. Леонова; а также на работах зарубежных исследователей: В. Климеша (Klimesh), М. Лориста (Lorist), М. Буксема (Boksem) и др.
Методики исследования:
-
Психологические – методика субъективной оценки самочувствия САН (самочувствие, активность, настроение) (по Ю.Н. Гончарову).
-
Поведенческие – измерение времени реакции в различных заданиях: простая зрительно-моторная реакция (ПЗМР) (модификация Т.Д. Лоскутовой), реакция выбора (РВ), максимальный теппинг (МТ), комфортный теппинг (КТ) (по Е.П. Ильину).
-
Психофизиологические:
а) анализ электроэнцефалографических (ЭЭГ) показателей – спектральные характеристики ритмов ЭЭГ, частота индивидуального альфа ритма (ИАР), индекс утомления (ИУ);
б) молекулярно-генетические: анализ взаимосвязи наличия определенного полиморфизма в генах 5НТТ, DRD2 СОМТ, связанных с трансмиссией таких нейромедиаторов, как серотонин и дофамин, с динамикой психологических, поведенческих и электроэнцефалографических параметров.
Испытуемые. Участие в исследовании было добровольным и проходило с соблюдением всех этических норм. В данном исследовании приняли участие 44 испытуемых мужского пола без каких-либо психических и неврологических заболеваний. Все испытуемые являются правшами. Средний возраст составляет 24 ± 6 лет (испытуемые с высшим образованием, преимущественно - студенты МГУ).
Научная новизна исследования заключается в получении новых данных относительно механизмов развития утомления. Впервые проведено комплексное исследование данного феномена, объединяющее результаты психологических и поведенческих тестов, электроэнцефалографических показателей и молекулярно-генетических особенностей испытуемых. Впервые показаны различия между носителями разных полиморфизмов генов, определяющих уровень таких нейромедиаторов, как дофамин и серотонин, по динамике и особенностям развития утомления. В работе обнаружено, что эти различия преимущественно проявляются на электрофизиологическом уровне, в частности, в таких параметрах, как индивидуальный альфа-ритм, индекс утомления и динамика мощностей различных ритмов ЭЭГ. В работе впервые показано, что уровень этих нейромедиаторов определяет также скорость реагирования, при этом, эта закономерность проявляется как в нормальном функциональном состоянии, так и в состоянии утомления.
Теоретическая значимость данного исследования обусловлена необходимостью более глубокого и комплексного изучения механизмов утомления не только на уровне субъективных ощущений, поведенческих реакций и психофизиологических процессов, но также и на молекулярно-генетическом уровне, позволяющем проследить связь между концентрацией определенных нейромедиаторов, функционально связанных с когнитивными функциями, и скоростью развития утомления. В диссертационной работе показана значимая связь между определенным уровнем нейромедиаторов серотонина и дофамина с электрофизиологическими (ЭЭГ) и поведенческими (время реакции) параметрами. Эти данные помогут более глубоко и детально изучить не только процессы утомления, но и механизмы развития других функциональных состояний.
Практическая значимость данной работы заключается в получении комплексной оценки состояния утомления, что может иметь широкое практическое применение в области диагностики функциональных состояний, а также в разработке научного подхода для подготовки специалистов, работающих в экстремальных условиях - диспетчеров, спортсменов и др. - с учетом их генетической предрасположенности к развитию определенных функциональных состояний. Полученные в данном исследовании результаты помогут выделить объективные маркеры утомления, что позволит создать более точный комплексный диагностический аппарат для контроля функциональных состояний человека.
Надежность и достоверность полученных результатов обеспечивается применением методов регистрации, обработки и анализа данных, адекватных предмету и задачам исследования; организацией экспериментов в соответствии со стандартами экспериментальной психологии, психофизиологии и биохимии; системностью исследовательских процедур; использованием при обработке и анализе данных современного программного обеспечения и статистических методов, отвечающих специфике эмпирических данных, а также согласованностью полученных результатов с данными других исследователей.
Положения, выносимые на защиту:
-
Утомление, возникающее у человека при длительной когнитивной нагрузке, отражается на эмоциональном, поведенческом и электрофизиологическом уровнях: в снижении самочувствия и настроения, в снижении скорости простой зрительно-моторной реакции и увеличении скорости реакции выбора с одновременным увеличением количества ошибок, в замедлении комфортного теппинга (т.е. частоты нажатий на клавишу прибора), в снижении частоты индивидуального альфа-ритма, обширном увеличении индекса утомления, а также в увеличении средних мощностей тета-, альфа- и бета-ритмов.
-
Наиболее слабо процессы утомления проявляются при низкой концентрации серотонина и средней концентрации дофамина, таким образом, динамика и особенности развития когнитивного утомления значимо связаны с определенным уровнем данных нейромедиаторов.
-
Наиболее высокая скорость простой зрительно-моторной реакции и реакции выбора наблюдается при высокой концентрации серотонина и низкой - дофамина. Скорость моторных реакций значимо связана с определенным уровнем нейромедиаторов – серотонина и дофамина, как в нормальном функциональном состоянии, так и в состоянии утомления.
-
Комплексная модель исследования утомления, учитывающая динамику субъективных, поведенческих, электроэнцефалографических и молекулярно-генетических показателей, является адекватным инструментом исследования когнитивного утомления.
Апробация работы. Результаты работы обсуждались на заседаниях кафедры психофизиологии факультета психологии МГУ имени М.В. Ломоносова. Представлены на XXI Съезде физиологического общества им. И.П. Павлова (Калуга, 2010); на XVII, XVIII, XIX Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2010, 2011, 2012); на IX Российско-германо-китайском научном семинаре «Когнитивная нейронаука» (Пекин, 2011); на XII конгрессе по психологии (Стамбул, 2011); на XVIII ежегодном съезде общества по когнитивным нейронаукам (Сан-Франциско, 2011); на XXXXXI съезде общества по психофизиологическим исследованиям (Бостон, 2011); на XIV и XV Международной зимней конференции по нейронаукам (Зельден, 2012, 2013); на XXX Международном конгрессе по психологии (Кейптаун, 2012); на XVI Международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 2012); на X съезде немецкого общества по нейронаукам (Геттинген, 2013).
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Основной текст диссертации изложен на 247 страницах и включает в себя 53 рисунка и 18 таблиц. Список литературы включает 181 публикацию, из них 105 на английском языке.
Определение функционального состояния
Под функциональным состоянием (ФС) обычно пониманиют некоторую фоновую активность нервных центров, при которой реализуется та или иная конкретная деятельность человека. Ретикулярная формация (активирующие и инактивирующие отделы) и лимбическая система (определяющая мотивационное возбуждение) представляют модулирующую систему мозга, регулирующую возбудимость нейронных сетей мозга (Александров, 2007). Модулирующая система мозга реализует свои функции через функциональные системы, которые регулируют процессы активации в составе различных видов деятельности. Она регулирует цикл бодрствование – сон, стадии и фазы сна, уровни и специфику функциональных состояний во время бодрствования, а также процессы внимания благодаря ее способности создавать как локальные, так и генерализованные эффекты активации и инактивации в нервной системе (Данилова, 2004).
Функциональные состояния необходимая составляющая любого вида деятельности и поведения. Хорошо изучены отношения между уровнем активации мозга и эффективностью выполнения различных действий, операций, навыков и обучения. Они обычно описываются куполообразной кривой, показывающей, что наиболее высокие результаты деятельности достигаются не при самой высокой, а при средней активации нервной системы, получившей название оптимального функционального состояния. Исследования Йеркса и Додсона показали, что с ростом активизации нервной системы до определенного критического уровня эффективность деятельности повышается (Фресс, Пиаже, 1975). Дальнейшая активизация нервной системы в условиях продолжающегося воздействия стресса приводит к снижению показателей деятельности. Установлено, что в условиях стрессорного воздействия раньше происходит нарушение более сложной деятельности, при одновременном повышении эффективности более простой. Но также иногда наблюдаются парадоксальные ситуации, когда при стрессе показатели качества выполнения более сложной деятельности могут увеличиться в большей мере, чем показатели менее сложной деятельности. В данном случае речь может идти о двух видах регуляции: психологической и физиологической. Работоспособность сохраняется (а может и возрастать) за счет увеличения физиологической «цены» мобилизации внутренних резервов организма, что сопровождается повышением выделения кортикостероидов, учащением пульса, колебаниями артериального давления и т.д. В другом случае, при снижении качества деятельности, показатели физиологических функций оставались неизменными. Высокая мотивация к работе, несмотря на ухудшение функционального состояния оператора, способна до определенного уровня увеличить эффективности его деятельности (Александров, 2007). Также для описания механизмов динамики функциональных состояний достаточно часто используется теория активации, описывающая связь между уровнем активации мозга и эффективностью выполнения различных действий, операций и навыков (Блок, 1970; Александров Ю.И., 2007). Это отношение обычно описывается куполообразной кривой, показывающей, что эффективность выполнения деятельности растет вместе с ростом уровня активации нервных центров, но до определенного уровня. И при чрезмерной активации нервных центров происходит снижение эффективности выполнения деятельности. 1.2.2. Понимание утомления как особого функционального состояния. В настоящее время проблема исследования утомления становится все более актуальной, появляются новые исследования на данную тему в различных областях науки: в психологии, медицине, биохимии и других дисциплинах. В психологических исследованиях не редко под термином «утомление» понимается определенное функциональное состояние, возникающее в результате интенсивной или длительной нагрузки и проявляющееся во временном нарушении ряда психических и физиологических функций человека, снижении эффективности и качества его деятельности (Непопалов, Сопов, Родионов и др., 2008). Анализ функционального состояния человека в ходе выполнения им определенной деятельности требует учета не только физиологической составляющей, но также и психологических и социально-психологических факторов. Любое состояние человека можно описать комплексом различных параметров, к которым, в первую очередь, относятся физиологические системы организма: центральная нервная система, сердечно-сосудистая, дыхательная, двигательная, эндокринная и другие. Для различных функциональных состояний характерны определенные сдвиги в деятельности физиологических систем организма, которые отражаются также и в когнитивной сфере человека – в процессах внимания, восприятия, памяти, мышления. Наиболее четко это видно на функциональных состояниях, соответствующих крайним положениям – сильному эмоциональному напряжению или утомлению. При сильном эмоциональном напряжении, к примеру, начинают доминировать чувства тревоги, нервозности, страха и переживания опасности. При сильном утомлении человек испытывает чувства усталости, вялости, бессилия (Леонова, 1981).
При описании любого функционального состояния человека при выполнении им определенной деятельности, помимо физиологической составляющей, весьма важным фактором является учет поведенческих реакций, которые обычно делят на качественные и количественные. К таким параметрам можно отнести оценку эффективности и производительности труда, его интенсивности и темпа выполнения работы, число сбоев и ошибок, а также субъективное состояние и самочувствие самого человека. Н.Д. Левитов выделяет несколько компонентов утомления, развивающегося при выполнении человеком определенной деятельности (Левитов, 1964).
Среди этих компонентов можно выделить: 1) чувство слабосилия, при котором человек чувствует снижение работоспособности, но пока без падения производительности труда; 2) нарушения внимания; 3) расстройства в сенсорной области, которое, как правило, проявляется в изменении сенсорных порогов; 4) нарушения в моторной сфере, проявляющиеся в замедлении движений, сбое их ритма, снижении точности и координированности; 5) нарушения памяти и мышления, которые обычно относятся к сфере выполняемой деятельности; 6) ослабление воли, проявляющиеся в снижении таких качеств, как решительность, самоконтроль, выдержка; 7) сонливость. Среди поведенческих характеристик утомления очень часто используются параметры времени реакции и ошибок. Множество исследований показали замедление времени реакции и снижение точности с развитием утомления (Lorist et al., 2000; Boksem et al., 2006; Trejo et al., 2005). Однако, в некоторых случаях может наблюдаться увеличение скорости, но также с увеличением количества ошибок (Jennings,1976; Wickelgren, 1977; Sternberg, 2004).
Результаты по субъективным, поведенческим и электрофизиологическим показателям по всей выборке
Результаты экспериментального исследования представлены в двух разделах. В первом разделе представлены результаты по субъективным, поведенческим и электрофизиологическим показателям, усредненные по всей группе испытуемых. Во втором разделе представлены результаты по субъективным, поведенческим и электрофизиологическим показателям для носителей различных полиморфизмов генов 5НТТ, DRD2 и СОМТ.
В таблице 1 показаны средние значения для каждой шкалы опросника САН для обоих состояний: до и после влияния длительной когнитивной нагрузки. Результаты Т-теста для зависимых выборок показали значимое снижение показателя по шкалам Самочувствие, Активность и Общему баллу. Таким образом, когнитивное утомление не отражается на настроении испытуемого, но значимо влияет на его субъективное самочувствие и активность. Б) Простая зрительно-моторная реакция
В таблице 2 представлены результаты для Простой зрительно-моторной реакции (ПЗМР) до и после влияния длительной когнитивной нагрузки. Статистический анализ данных выявил значимое увеличение времени реакции. Статистический анализ ANOVA показал значимые различия в скорости простой зрительно-моторной реакции в начале и в конце эксперимента (F (1,58)=12,016; p 0,001). Таким образом, можно говорить о том, что в состоянии утомления, вызванном длительной когнитивной нагрузкой, происходит значимое замедление простой зрительно-моторной реакции.
В таблице 3 представлены результаты для Реакции выбора (РВ) до и после влияния длительной когнитивной нагрузки. Статистический анализ данных выявил значимое уменьшение времени реакции одновременно со значимым увеличением количества ошибок. Статистический анализ ANOVA покзал значимое снижение скорости реакции выбора после утомления (F(l,58)=9,291; р 0,004). ANOVA также показала значимое увеличение ошибок после утомления в реакции выбора (F (1,58)=7,62; р 0,008). Это означает, что когнитивное утомление отражается в увеличении скорости реакции выбора с одновременным увеличением количества ошибок.
В таблице 4 представлены результаты для разных видов теппинг-тестов до и после влияния длительной когнитивной нагрузки. Статистический анализ ANOVA показал значимое снижение скорости комфортного теппинга (F(1,48)=9,74; p 0,004). Скорость максимального теппинга значимо не изменилась. Из этого следует, что когнитивное утомление практически не влиет на моторные процессы, но значимо отражается на субъективном течении времени.
В таблице 5 представлены электроэнцефалографические результаты по показателю индивидуального альфа ритма (ИАР) для 5 мозговых регионов в обоих полушариях (лобном, центральном, височном, теменном и затылочном) для обоих состояний: до и после влияния длительной когнитивной нагрузки. Статистический анализ данных показал значимое снижение ИАР в правом полушарии после длительной когнитивной нагрузки. Результаты Т-теста показали значимое снижение частоты индивидуального альфа ритма в правом полушарии в теменной, височной и затылочной областях.
Трехфакторная модель ANOVA выявила значимое взаимодействие двух факторов (рисунок 6): состояние – до и после влияния длительной когнитивной нагрузки; а также фактора полушарие (F(1,44)=5,74; p 0,02). Это означает, что в разных полушариях ИАР изменяется разнонаправленно. В правом полушарии в фоне наблюдается более высокая частота ИАР, чем в левом полушарии. После утомления в правом полушарии наблюдается более сильное снижение частоты ИАР, хотя и не значимое. При этом различные области мозга не различают по частоте индивидуального альфа ритма. Рисунок 6. Частота индивидуального альфа ритма до и после утомления в правом и левом полушариях для 5 областей (1 – лобная; 2 – центральная; 3 –теменная; 4 – височная; 5 –затылочная).
Для статистического анализа спектральных характеристик ЭЭГ использовался двухфакторный дисперсионный анализ ANOVA. Первым из факторов было состояние – до и после влияния длительной когнитивной нагрузки; а вторым фактором были области мозга – лобная, центральная, теменная, височная правая, височная левая и затылочная области. Статистический анализ проводился отдельно для каждого спектрального диапазона (тета, нижний альфа, верхний альфа, альфа, нижний бета, верхний бета, бета, гамма), а также для состояний с зактрытыми и открытыми глазами.
Спектральный анализ подсчитывался двумя различными способами, отражающими разные его характеристики. В первом случае он подсчитывается как относительная логарифмизированная мощность для каждого диапазона в каждой области. Во втором же он представлял среднее значение мощности, усредненное внутри каждой области и для каждого диапазона. I способ. Обработка и анализ спектральных данных ЭЭГ в первом способе состояла из следующих этапов: 1. Отфильтрованные и очищенные от артефактов показатели мощности ЭЭГ, представленные в трехмерной матрице (257 каналов; частота 1-40 Гц с частотой дискретизации 0,03 Гц; 44 испытуемых), были усреднены по каждому отдельному региону (лобному, центральному, височным, теменному и затылочному) (см. рисунок 5). 2. Полученные усредненные данные мощности ЭЭГ для каждой области были просуммированы внутри каждого диапазона (тета, нижний альфа, верхний альфа, альфа, нижний бета, верхний бета, бета, гамма). 3. Был посчитан натуральный логарифм полученных мощностей (LN). 4. Была посчитана относительная мощность логарифмизированных данных, которая высчитывалась как отношение мощности данного диапазона к сумме мощностей всех диапазонов (тета, альфа, бета, гамма). 5. Для каждого отдельного ритма и каждого состояния был проведен статистический анализ ANOVA. II способ. Для второго способа анализ и обработка данные состояла из следующих этапов: 1. Отфильтрованные и очищенные от артефактов показатели мощности ЭЭГ, представленные в трехмерной матрице (257 каналов; частота 1-40 Гц с частотой дискретизации 0,03 Гц; 44 испытуемых), были усреднены по каждому отдельному региону (лобному, центральному, височным, теменному и затылочному) (см. рисунок 5). 2. Полученные усредненные данные мощности ЭЭГ для каждой области были усреднены также внутри каждого диапазона (тета, нижний альфа, верхний альфа, альфа, нижний бета, верхний бета, бета, гамма). 3. Для каждого отдельного ритма и каждого состояния был проведен статистический анализ ANOVA. Спектральный анализ в диапазоне тета ритма. Двухфакторная модель ANOVA выявила значимое увеличение мощности тета ритма после длительной когнитивной нагрузки только для усредненных данных (F(l,27)=7,98; р 0,009) (рисунок 7) и не выявила значимых изменений для логарифмизированных данных, для которых наблюдалась лишь небольшая тенденция к увеличению. Из графика видно, что наибольшие изменения в тета диапозоне наблюдались в левой височной и затылочных областях.
Моделирование структурными уравнениями связей между уровнем нейромедиаторов (серотонина и дофамина) и психофизологическими характеристиками при длительной когнитивной нагрузке.
Данный метод позволяет определить наиболее значимые сочетания полиморфизмов в различных генах, при которых наблюдаются наиболее сильное утомление. Для оценки причинных связей между явными и скрытыми параметрами использовался модуль SEPATH (selection of structural equation modeling techniques) программы STATISTICA. Данный модуль позволяет оценить связи между явными и скрытыми параметрами, которые могут быть экзогенными и эндогенными.
В данном случае в качестве скрытого экзогенного фактора рассматривался некоторый фоновый уровень нейромедиаторов, определяемый сочатанием различных полиморфизмов в генах 5НТТ, DRD2 и COMT (в модели переменная NEURO ). В качестве скрытых эндогенных факторов рассмативались состояния до и после нагрузки. Структурное моделирование в нашем случае проводилось для трех, наиболее значимых параметров: поведенческих реакций, индивидуального альфа ритма, индекса утомления.
Рисунок 50. Структурная модель выявления скрытых связей между уровнем нейромедиаторов (серотонина и дофамина) с показателями времени реакции.
Для оценки адекватности построенных моделей использовалось несколько показателей: критерий Брауна (MRC), который характеризует успешную сходимость процедуры оценивания модели при его значении равном нулю; критерии инвариантности модели (ICSF и ICS) должны иметь значения, близкие к нулю; критерий граничных значений (BC), равный нулю, свидетельствует об успешной сходимости процедуры оценивания модели; индекс стандартизованных остатков (RMSSR) говорит о хорошем качестве подгонки модели при значении менее 0,05; стандартизованные остатки переменных. Их значения, равные или близкие к нулю, говорят об адекватности модели. Для параметра поведенческих реакций (рисунок 50) скрытые эндогенные факторы, определялись временем простой зрительно-моторной реакции (ПЗМР) и реакции выбора (РВ), а также количеством ошибок. Параметр NEURO в данном случае определялся полиморфизмами SS+LS гена 5НТТ и A1A1+A1A2 гена DRD2, по которым были получены наиболее значимые результаты и которые, по нашей изначальной гипотезе, должны больше утомляться. Статистический анализ выявил значимую связь в данном случае между параметром NEURO и генами, а также значимую связь между параметром NEURO и состояниями до и после когнитивной нагрузки.
При этом между фоном и нагрузкой значимых связей не наблюдалось. Критерии адекватности модели достаточно значимые (таблица 16). Таким образом, данная модель подтверждает гипотезу о том, что определенный уровень нейротрансимиттеров значимо по-разному отражается на поведенческих реакциях и на процессы утомления он практически не влияет.
Для параметра индивидуального альфа ритма (ИАР) (рисунок 51) скрытые эндогенные факторы, определялись частотами ИАР в различных областях: теменной, левой височной, правой височной, затылочной и усредненно по всем областям. Параметр NEURO в данном случае определялся полиморфизмами VV гена СОМТ и А1А1+А1А2 гена DRD2, по которым были получены наиболее значимые различия по ИАР между разными состояниями.
Статистический анализ выявил значимую связь в данном случае между параметром NEURO и геном DRD2, а также значимую связь между параметром NEURO и состоянием утомления после когнитивной нагрузки. Также значимая связь наблюдается между фоном и нагрузкой. Критерии адекватности модели достаточно значимые (таблица 17). Следовательно, в данном случае можно говорить о причинно-следственных связях между низким уровнем дофамина и более высокой скоростью развития утомления, оценивающемся по снижению частоты индивидуального альфа ритма. Это означает, что при низком содержании дофамина будет происходить более сильное снижение частоты ИАР при длительной когнитивной нагрузке.
Для параметра индекса утомления (ИУ) (рисунок 52) скрытые эндогенные факторы, определялись значениями индекса утомления в различных областях: лобной, теменной, центральной и затылочной. Параметр NEURO в данном случае определялся полиморфизмами МV гена СОМТ, А2А2 гена DRD2 и SS+SL гена 5НТТ, по которым были получены наиболее значимые изменения после длительной когнитивной нагрузки.
Статистический анализ выявил значимую связь в данном случае между параметром NEURO и генами DRD2 и СОМТ, с геном 5НТТ показана связь на уровне тенденции (р=0,08). Также показана значимая связь между фоновым состоянием и утомлением. Однако не было показано связи между параметром NEURO и состоянием утомления после когнитивной нагрузки. Критерии адекватности модели относительно нормальные (таблица 18). Таким образом, данная модель показывает, что индекс утомления является хорошим индикатором состояния утомления и что он связан с определенным уровнем нейромедиаторов в мозге: при высоком уровне серотонина и дофамина наблюдается более значимое изменение данного параметра.
Обсуждение результатов ЭЭГ, полученных для носителей различных полиморфизмов генов 5НТТ, DRD2 и СОМТ.
Изначально нашей гипотезой было, что носители тех полиморфизмов, которые ассоциированы с меньшей концентрацией серотонина и большей концентрацией дофамина будут характеризоваться меньшей тенденцией к развитию утомления. Полиморфизм LL гена 5НТТ ассоциирован с большей концентрацией серотонинового транспортера и, таким образом, удаление серотонина из синаптической щели происходит гораздо быстрее, чем у носителей S-аллеля, а, следовательно, содержание серотонина у LL генотипа намного меньше, чем у LS и SS полиморфизмов.
Ген DRD2 ассоциирован с плотностью рецепторов к дофамину второго типа. Наличие аллеля А1 приводит к снижению плотности этих рецепторов, следовательно, у полиморфизма А2А2 наблюдается максимальная плотность дофаминовых рецепторов, что позволяет большему количеству дофамина связываться с рецепторами.
Ген СОМТ является ключевым ферментом в деградации дофамина в префронтальной коре головного мозга человека. Носители М-аллеля характеризуются сниженной активностью этого фермента, а, следовательно, большим содержанием дофамина. Полиморфизм ММ характеризуется самым низким уровнем активности этого фермента, а значит и самым высоким содержанием дофамина.
Таким образом, согласно нашей гипотезе носители полиморфизмов LL, A2A2 и MM должны характеризоваться меньшей тенденцией к развитию утомления. Статистический анализ показал значимые изменения после утомления в генах 5НТТ, СОМТ и DRD2 в различных поведенческих и психофизиологических показателях. В нашем исследовании мы показали, что носители полиморфизмов LL, A2A2 и MM характеризуются меньшим развитием утомления по сравнению с другими полиморфизмами. Наиболее значимые результаты были получены для генов 5НТТ и DRD2. Полиморфизм LL гена 5НТТ характеризуется меньшим развитием утомления по сравнению с носителями S-аллеля в основном по спектральным характеристикам ЭЭГ и по индексу утомления. Полиморфизм А2А2 гена DRD2 характеризуется наименьшим развитием утомления по сравнению с носителями А1-аллеля, что проявляется по многим показателям (ИАР, спектральные характеристики и др.). Для гена СОМТ было также показано, что носители различных полиморфизмов по-разному реагируют при развитии состояний утомления, однако, эти изменения не однозначны.
Статистический анализ проводился для носителей различных полиморфизмов в генах 5НТТ, СОМТ и DRD2 для трех групп показателей: 1. Субъективные; 2. Поведенческие; 3. Психофизиологические (анализ ЭЭГ активности).
А) Методика САН
Статистический анализ не выявил значимых различий между различными полиморфизмами в генах 5НТТ, СОМТ и DRD2. Все полиморфизмы характеризуются, также как и вся выборка в целом, -значимым снижением показателей по шкалам Самочувствие, Активность и Общему баллу. Только у полиморфизма ММ гена СОМТ значимое снижение наблюдается только по шкале Самочувствие, а по шкалам Активность и Общему баллу также наблюдается сильное снижение, но незначимое.
Таким образом, в целом можно заключить, что на субъективном уровне носители любых полиморфизмов генов 5НТТ, СОМТ и DRD2 испытывают утомление, и значимых различий в субъективных оценках между ними выявлено не было.
Б) Поведенческие результаты
По поведенческим показателям были получены значимые различия между разными полиморфизмами генов 5НТТ, СОМТ и DRD2.
Изначально мы предполагали, что полиморфизмы LL, A2A2 и MM будут характеризоваться меньшей тенденцией к развитию утомления, по сравнению с остальными полиморфизмами, так как они ассоциированы с меньшей концентрацией серотонина (LL) и большей концентрацией дофамина (A2A2 и MM).
В заданиях на время реакции мы получили, что носители этих полиморфизмов характеризуются намного более медленным временем реагирования в обеих задачах (ПЗМР и РВ) в обоих условиях (закрытые и открытые глаза), чем остальные генотипы. Возможно, это связано со скоростью сенсорной обработки, которая также зависит от концентрации определенных нейромедиаторов в центральной нервной системе. К примеру, дофамин играет важную роль в инициации активации скелетных мышц (Foley et al., 2008). Уменьшение концентрации дофамина может приводить к нарушению активности моторной коры. Однако в нашем исследовании мы получили, что большая концентрация дофамина ассоциирована с меньшей скоростью реагирования в обеих задачах (ПЗМР и РВ).
В ПЗМР время реакции включает в себя информационный компонент (появление стимула) и моторный компонент (реакция). В РВ время реакции включает в себя вместе с выше перечисленными, еще и когнитивный компонент (процесс принятия решения, какую кнопку нажать). В эксперименте мы получили, что в ПЗМР время реакции у двух групп (LL и LS+SS) сильно различается, но незначимо; а в РВ наблюдается уже значимое различие двух групп полиморфизмов.
Стоит отметить, что динамика увеличения ошибок у всех полиморфизмов одинакова и по количеству ошибок генотипы не различаются ни до, ни после утомления. При этом направленность динамики изменения времени реакции после утомления у всех полиморфизмов примерно одинакова. Это означает, что полиморфизмы различаются в ПЗМР и РВ не по динамике развития утомления, а физиологической предрасположенностью к сенсорной обработке информации.
В заданиях на теппинг интересным результатом является то, что носители полиморфизма ММ характеризуются самым низким временем реакции в максимальном теппинге и после утомления оно не изменяется. Это может означать, что ген СОМТ, а соответственно, и концентрация дофамина связаны с моторными процессами и моторными возможностями (Николлс и др., 2008).
Носители полиморфизма LL в гене 5НТТ и A2A2 в гене DRD2 характеризуются большим временем реакции в фоне по сравнению с S-носителями и А1-носителями соответственно. После же утомления носители полиморфизмов LL и А2А2 характеризуются увеличением скорости в максимальном теппинге, тогда как у остальных генотипов наблюдается замедление времени реакции. Максимальный теппинг отражает чисто моторный компонент – физиологическую способность нашей мышечной мускулатуры к сокращению, которая не зависит от скорости сенсорной переработки информации. Таким образом, полученные нами данные могут говорить также о положительной роли дофамина и серотонина на активность мотонейронов.
Фолей говорит о важном значении центральной нервной системы в развитии моторного утомления из-за ее роли в инициации активации скелетной мускулатуры (Foley et al., 2008). Снижение нейротрансмиссии дофамина в черной субстанции, к примеру, может ухудшать активацию базальных ганглиев и, таким образом, снижать стимуляцию моторной коры, приводя к центральному утомлению.
Обобщая полученные данные, можно сделать вывод о положительном влиянии дофамина и серотонина на активность мотонейронов, что показано по динамике максимального теппинга. При этом влияние дофамина и серотонина на скорость сенсорной обработки неоднозначна, что показано по результатам времени реакции в ПЗМР и РВ.
