Цифровая корректурная проба для оценки когнитивных функций в ответ на дозированную физическую нагрузку

A.Sh. Abdrakhmanova1, , E.V. Tarasova1, , N.Kh. Davletova1,2, , F.A. Mavliev1, ,

V.A. Demidov1, , 1Volga State University of Physical Education, Sport and Tourism, Kazan, Russia 2Kazan State Medical University, Kazan, Russia

Введение. Исследования физических и умственных нагрузок, а также их взаимовлияние через анализ деятельности скелетных мышц и головного мозга были и остаются актуальным направлением среди исследователей, работы которых затрагивают различные темы, связанные с вопросами предотвращения нейродегенеративных заболеваний, а также с нахождением альтернатив физическим упражнениям для людей с ограниченными физическими возможностями. Все это привлекает внимание исследователей из области спорта, педагогики, труда и всех тех, кто хочет наиболее эффективно подходить к учебной, трудовой, тренировочной и соревновательной деятельностям [7, 10, 14].

Принято различать влияние физических нагрузок (ФН) на биологические (когнитивные функции) и психологические (самочувствие, восприятие нагрузки) составляющие деятельность мозга [9]. На сегодняшний день показаны связи между физическими упражнениями и некоторыми показателями психического здоровья, выраженными в снижении физиологических показателей стресса и психологических показателей (например, тревоги и депрессии), также отмечено повышение настроения и улучшение психологического самочувствия в процессе физической активности [17]. Определено влияние однократной ФН на восстановление внимания после длительных периодов в сидячем режиме у студентов [5]. При этом важное значение имеет и дозировка ФН. Например, показано, что чрезмерная либо недостаточная ФН может не только не оказывать положительного эффекта, но и негативно отражаться на КФ [7]. Это можно объяснить тем, что чрезмерная ФН может проявлять негативное воздействие вследствие накопления метаболитов в виде активных форм кислорода.

При оценке влияния коротких ФН на КФ обнаружено, что они могут способствовать положительным изменениям, которые выражаются в увеличении насыщения кислородом префронтальной коры головного мозга, что в свою очередь может приводить к ее повышенной активации и улучшению таких КФ, как планирование, рабочая память, многозадачность, когнитивная гибкость, абстрактное мышление. Несмотря на это, авторы отмечают необходимость дальнейших исследований по влиянию ИФН на КФ [6, 8, 15]. В вышеперечисленных исследованиях в качестве стандартной максимальной анаэробной нагрузки использовался тест Wingate длительностью 30 и 60 с. Однако подобные нагрузки могут вызывать предобморочное состояние, тошноту и головокружение, что связывают со снижением артериального давления и гипокапнией, вызванной гипервентиляцией и, как следствие, может отмечаться снижение скорости мозгового кровотока. Все это впоследствии может приводить к зрительно-когнитивным нарушениям, связанным не с общим снижением КФ, а с потерей периферической зрительной функции, что может искажать результаты некоторых видов психофизиологических тестов [15].

Механизм влияния физических нагрузок на когнитивные функции. Постнагрузочное возбуждение центральной нервной системы (ЦНС) является одной из возможных причин, объясняющих механизм улучшения КФ после ИФН: физическая нагрузка выступает как стрессор, в ответ на который происходит активация симпатической нервной системы, а именно повышается частота сердечных сокращений и проводимость кожи. Это может порождать за собой краткосрочные изменения активности в ряде зон ЦНС, которые в дальнейшем и могут выступать факторами улучшения КФ. Механизм данных улучшений может быть описан следующим образом: физическая активность выступает в качестве аффектора, тем самым меняя активность голубого пятна1 для поддержания умеренного уровня тонической активации, вовлекая и другие связанные с ним области ЦНС для повышения концентрации внимания; увеличения сердечного выброса и, соответственно, мозгового кровотока; повышения уровня катехоламинов и концентрации нейротрофических факторов как BDNF, IGF-1 и VEGF (большинство исследований показывают их влияние на улучшение когнитивных функций после хронических физических нагрузок, а также повышение их концентрации после однократной ИФН) [4]. В связи с этим становится очевидно, что необходимы четкие представления, касающиеся длительности и интенсивности ФН, базирующиеся на понимании энергообеспечения мышечной работы, чтобы не получить обратный – негативный эффект как на КФ, так и на общее самочувствие.

Энергообеспечение, метаболиты мышечной деятельности и когнитивные функции. Если рассматривать относительный вклад выработки аденозинтрифосфата (АТФ) в энергообеспечение во время физических упражнений, то известно, что при ФН с максимальной интенсивностью и продолжительностью до 6 секунд большая часть АТФ образуется в результате расщепления креатинфосфата (КрФ), далее по мере снижения интенсивности и увеличения времени выполнения физического упражнения растет вклад гликолиза и окислительного фосфорилирования [11]. Имеются гипотезы о положительном влиянии лактата, образуемого вследствие продолжительных интенсивных упражнений длительностью 15 и более секунд при старении мозга и нейроде-генеративных заболеваниях, а также на выживаемость и пластичность нейронов [12]. Если учитывать, что ИФН за счет активации сим- патической нервной системы и последующего изменения активности голубого пятна позволяет улучшать КФ, то становится приемлемым использовать нагрузку до 6 секунд. В данном случае использование такой нагрузки обосновывается также тем, что хоть и есть некоторые положительные эффекты на КФ от более продолжительных интенсивных физических нагрузок, тем не менее ранее не учитывалось, что 30-секундный тест Wingate, применяемый некоторыми исследователями, может негативно влиять на самочувствие человека [6]. В связи с этим становится актуальным определение более адекватных дозировок как по времени, так и по интенсивности во избежание крайних физиологических реакций, выраженных в резком ухудшении самочувствия испытуемого. Поэтому максимальная интенсивность ФН длительностью 5 секунд, которая вызовет значительное возбуждение в ЦНС, при минимальном негативном влиянии на самочувствие испытуемого может служить отправной точкой для определения необходимой и достаточной максимальной «единицы интенсивной физической нагрузки» (ЕИФН), необходимой для положительного стимулирования КФ. В дальнейшем, отталкиваясь от этих величин, можно оценить как повторное влияние ЕИФН, выполняемых в сочетании с краткосрочными периодами отдыха, так и определить варианты более низкоинтенсивных краткосрочных нагрузок, дозируемых как процент от ЕИФН.

Учитывая вышеперечисленное, в настоящем исследовании рассматривается влияние на КФ однократной ИФН, которая, согласно нашей гипотезе, позволит избежать негативных физиологических реакций на фоне высокого ответного возбуждения ЦНС.

Применимость цифровой корректурной пробы для оценки когнитивных функций. Необходимо отметить, что при оценке КФ исследователи используют конкретную их дифференциацию (внимание, когнитивный контроль, обработка информации, тесты интеллекта и достижений, память, скорость реакции и обучение), поскольку в проявлении каждой отдельной функции могут участвовать разные зоны ЦНС, что впоследствии может искажать исследование потенциальных механизмов рассматриваемых процессов [4].

В связи с этим мы видим перспективным исследование концентрации, устойчивости и переключаемости внимания посредством

ЦКП, которая успешно используется для оценки рассматриваемых параметров, относящихся к КФ [2].

Прежде чем применять ЦКП для оценки КФ до и после физической нагрузки, необходимо оценить, насколько результаты данного теста являются воспроизводимыми2 и применимыми для данного эксперимента. Эта необходимость возникает по двум причинам: во-первых, исследователи отмечают сложность фиксации воспроизводимых результатов тестов, направленных на оценку КФ [16]; во-вторых, при выполнении некоторых тестов (например, тест Wingate) испытуемый во второй попытке показывает результат лучше, чем в первой. Это связано со способностью обучаться (например, при тестах для оценки физических качеств это выражается в лучшей координации рабочих мышечных групп ко второй попытке, что дает больший результат). Применительно к ЦКП программа в каждой попытке выдает разную последовательность цифр, в связи с чем можно предположить, что обучаемость в этом случае будет оказывать минимальное влияния на результат при повторных тестированиях, выполненных друг за другом [3].

Целью исследования является оценка возможности использования цифровой корректурной пробы (ЦКП) и ее применение в качестве метода фиксации изменения КФ после кратковременной ИФН.

Материалы и методы. Данное исследование является пилотным экспериментом по влиянию кратковременной ИФН на КФ. В исследовании принимали участие студенты ФГБОУ ВО «Поволжский ГУФКСиТ» в количестве 14 человек (7 – мужского, 7 – женского пола), средний возраст которых составил 19,21 ± 1,05 года.

Для оценки изменения когнитивных функций, а именно уровня концентрации, устойчивости и переключения внимания испытуемых, применялась электронная версия цифровой корректурной пробы (ЦКП), в которой буквенные стимулы таблицы Бурдона – Анфимова были заменены на цифровые, что позволило использовать данную пробу и не носителям определенного языка [1]. Тест вы- полнялся на смартфонах с небольшим разрешением экрана, в модифицированном для этого электронном ресурсе [3]. Задача испытуемого состояла в том, чтобы в течение 3 минут, последовательно просматривая строку за строкой таблицы ЦКП, находить и выделять те цифры, которые были даны в задании. Оценивались: концентрация внимания (%), скорость переработки информации (количество знаков), скорости внимания (количество знаков, обработанных в секунду), коэффициент умственной продуктивности (условные единицы). Для оценки различий в воспроизводимости ЦКП всеми участниками исследования было сделано два теста ЦКП без нагрузки, с 5-минутным временем отдыха. Через 1 неделю испытуемые снова проделали два теста, но между ними была выполнена высокоинтенсивная физическая нагрузка в виде теста Wingate на 5 секунд на ножном велоэргометре Monark Ergomedic 894 E (Швейцария).

Для оценки воспроизводимости ЦКП проба была выполнена два раза подряд с 5-минутным временем отдыха. Также ЦКП была выполнена до и после физической нагрузки.

Статистическая обработка результатов исследования производилась в IBM SPSS Statistics 20. Полученные данные были проверены на нормальность распределения посредством теста Шапиро – Уилка и обработаны непараметрическими критериями. Для оценки различий связанных выборок, использовался критерий Уилкоксона. Корреляционный анализ был выполнен с использованием критерия Спирмена. При оценке силы связи коэффициентов корреляции применялась шкала Чеддо-ка. За критический уровень значимости принимали р < 0,05. Результаты представлены в виде медианы (Ме) и интерквартильного размаха (25 и 75 перцентилей).

Результаты. Анализ результатов ЦКП без использования ФН показал, что данные первой и второй попыток статистически значимо не отличаются между собой (см. таблицу). Также статистически значимые отличия не наблюдались между данными, полученными в первую и вторую неделю теста (при сравнении первой попытки в первую неделю, с первой попыткой во вторую неделю) в исследуемой группе. Это позволяет утверждать, что результаты данного теста воспроизводятся как через короткий (5 минут), так и через длинный отрезок времени (1 неделя). Соот-

Различия в цифровой корректурной пробе между 1 и 2 попытками ее выполнения, а также до и после выполнения физической нагрузки в виде теста Wingate на 5 секунд Differences in the results of the DCT between 1st and 2nd trials: without physical exercise; pre- and post-exercise (a 5-second Wingate test)

Параметры Parameter	1-я попытка 1 trial	2-я попытка 2 trial	До ФН Pre-exercise	После ФН Post-exercise
	Mе (Р25; Р75)	Mе (Р25; Р75)	Mе (Р25; Р75)	Mе (Р25; Р75)
Показатель скорости внимания, кол-во знаков/с Attention speed, number of symbols/s	4,61 (3,46; 8,0)	6,9 (5,55; 8,61)	5,5 (4,27; 8,03)	6,52 (4,7; 8,66)**
Показатель точности работы, усл. ед. Performance accuracy, conventional units	0,48 (0,4; 0,63)	0,67 (0,54; 0,83)	0,54 (0,46; 0,67)	0,65 (0,48; 0,79)**
Коэффициент умственной продуктивности, усл. ед. Coefficient of mental productivity, conventional units	395,0 (249,5; 973,25)	840,0 (614,0; 1181,25)	544,27 (388,06; 926,2)	767,56 (400,87; 1243,28)**
Умственная работоспособность, кол-во знаков/с Mental performance, number of symbols/s	1,95 (1,32; 3,11)	3,6 (2,34; 6,01)	1,39 (1,67; 3,61)	3,56 (2,02; 5,32)**
Концентрация внимания, % Concentration of attention, %	47,5 (40,0; 62,75)	67 (54,0; 82,5)	54,04 (46,25; 67,24)	64,74 (47,36; 78,5)**
Объем зрительной информации, кол-во знаков Volume of visual information, number of symbols	494,75 (371,55; 858,38)	749,4 (595,65; 925,3)	611,7 (469,98; 861,02)	698,37 (503,52; 927,05)**
Скорость переработки, кол-во знаков Processing speed, number of symbols	2,6 (2,0; 4,13)	3,75 (3,15; 4,6)	3,01 (2,41; 4,09)	3,64 (2,66; 4,65)**

Примечание. В таблице представлены некоторые показатели, которые имели статистически значимые различия после физической нагрузки; * – p < 0,006, ** – p < 0,005.

Note. The table presents some parameters that differed significantly after physical exercise; * – p < 0.006, ** – p < 0.005.

ветственно, ЦКП может быть использована сразу после ИФН.

Как видно из таблицы, результаты ЦКП до и после ФН статистически значимо меняются, что в большинстве показателей наблюдается положительная динамика, показывающая улучшение КФ после кратковременной ФН. Особенно существенный прирост по сравнению с исходными данными наблюдается в показателе скорости внимания, концентрации внимания и умственной работоспособности.

При проведении корреляционного анализа было выявлено, что коэффициенты корреляции между результатами первой и второй попыток имеют высокие значения в основных рассматриваемых результатах ЦКП. Так, для уровня концентрации внимания r = 0,802 (при p < 0,001), для скорости обработки r = 0,850 (при p < 0,001), для скорости внимания r = 860 (при p < 0,001), для коэффициента умственной продуктивности r = 0,820 (при p < 0,001), что также подтверждает высокую взаимосвязь между попытками и воспроизводимость используемого метода (см. рисунок).

Текущее исследование показывает, что ЦКП может использоваться в качестве метода оценки изменений КФ вследствие ФН (концентрация, устойчивость, переключаемость внимания).

Для подтверждения полученных фактических результатов и их дальнейшей интерпретации нами будет проведено исследование на большем количестве испытуемых.

Концентрация внимания, % Concentration of attention,%

Скорость переработки, кол-во знаков Processing speed, number of symbols

Показатель скорости внимания, кол-во знаков/с Attention speed, number of symbols/s

Коэффициент умственной продуктивности, усл. ед. Coefficient of mental productivity, conventional units

Результаты некоторых показателей теста ЦКП в режиме тест-ретест без применения ФН The data obtained in 2 trials of the DCT without physical activity

Заключение. В работе в режиме пилотного исследования оценена и подтверждена воспроизводимость ЦКП для ее использования в изучении влияния ФН на КФ. Кроме того, по- лученные предварительные данные о положительном влиянии короткой ИФН на КФ позволяют расширить пул исследуемых для более объективного подтверждения данного факта.