Физиология человека, 2021, T. 47, № 2, стр. 32-44

МЕТОДИКА

В исследовании принимали участие практически здоровые мальчики (n = 110) и девочки (n = 118) 6–7 лет. Испытуемые не имели каких-либо противопоказаний для выполнения тестовых нагрузок, не употребляли лекарств и продуктов, содержащих кофеин.

Обследование осуществляли в состоянии покоя, а также при выполнении тестовых когнитивных заданий с комфортной (автотемп) и предельно высокой (максимальный темп) скоростью. Анализировали взаимосвязи более 40 различных показателей ФС. Некоторые из этих показателей регистрировали в двух или трех экспериментальных ситуациях.

Моделью информационной нагрузки служила работа с фигурными таблицами. Перед выполнением первого задания испытуемым сообщали, что они должны работать в удобном для себя темпе, а перед реализацией второго – вводилась инструкция, содержащая требование – безошибочно работать с максимально возможной скоростью. В качестве “наказания” применяли порицающие замечания и сильный звук. Задание состояло в зрительном поиске и идентификации нескольких целевых раздражителей, которые с одинаковой вероятностью встречались по всей таблице. Предварительно детям давали инструкцию, просматривая внимательно все фигурки, отыскать среди них треугольник, кружочек и флажок. Предлагали поставить в треугольнике черточку (минус), в кружочке – крестик (плюс), во флажке – точку. По результатам выполнения задания определяли количество просмотренных знаков (А) и рассчитывали коэффициент продуктивности (Q).

Умственную работоспособность оценивали не только в условиях лаборатории, но и непосредственно в условиях детского дошкольного учреждения до (А_до, Q_до) и после (А_после, Q_после) занятий, в один и тот же день недели (среду) по традиционной методике. Более подробно технология моделирования информационной нагрузки, описана в предыдущих работах [14–16].

Регистрацию ω-потенциала (ОП), характеризующего ФС ЦНС [7], осуществляли с поверхности кожи головы с использованием портативной установки для исследования сверхмедленных физиологических процессов головного мозга. Метод омега-метрии предусматривает регистрацию ω-потенциала (частотная полоса от 0 до 0.05 Гц) с параллельной регистрацией сверхмедленных колебаний потенциалов (частотная полоса от 0.05 до 0.5 Гц) в покое и при функциональных нагрузках [7].

Анализ вариабельности сердечного ритма в состоянии покоя и при тестовых когнитивных нагрузках использовали для оценки степени напряженности регуляторных систем [17]. Измерение ЭКГ-сигнала производили в положении сидя во II стандартном отведении. Реализацию метода осуществляли при помощи автоматизированного комплекса на базе персонального компьютера. Определяли моду (Мо), амплитуду моды (АМо), разброс кардиоинтервалов (MxDMn), среднеквадратическое отклонение (SDNN), стресс-индекс (SI). По 6-секундным отрезкам записи рассчитывали частоту сердечных сокращений (ЧСС).

Систолическое (СД) и диастолическое (ДД) давление крови регистрировали в соответствии с рекомендациями Society for Psychophysical Research [18]. Применяли механический тонометр и адекватную возрасту детскую манжету. Рассчитывали среднее давление (САД), двойное произведение (ДП), вегетативный индекс Кердо (ВИК).

Эффективность деятельности оценивали на основе расчета следующих показателей: Q/ЧСС, Q/SI, Q/ДП, A/ЧСС, A/SI, A/ДП [14].

В процессе исследования использовали комплекс тестов, позволяющий оценить состояние механизмов энергообеспечения мышечной деятельности и мышечную работоспособность. Определяли интенсивность накопления пульсового долга (ИНПД), мощность нагрузки при пульсе 170 уд./мин (PWC170), максимальное потребление кислорода (МПК), ватт-пульс (ВтП), максимальную силу (МС) и время работы (t_{2 Вт/кг}, t_{4 Вт/кг}) при выполнении “до отказа” нагрузок большой (2 Вт/кг) и субмаксимальной (4 Вт/кг) мощности [19]. На основе уравнения Muller находили также величины мощности нагрузок, максимальное время реализации которых составляло 1 (W1), 40 (W40), 240 (W240), 900 с (W900), коэффициенты, отражающие емкость аэробного (b) и соотношение возможностей аэробного и анаэробно-гликолитического источников (a) [19].

Батарея контрольных упражнений включала показатели, характеризующие развитие основных физических качеств: бег 20 м с хода; прыжок в длину с места; челночный бег 4 × 9 м; шестиминутный бег; поднимание туловища из положения “лежа на спине” за 1 мин; наклон вперед. По результатам тестирования рассчитывали общую оценку физической подготовленности (ОФП).

Для определения эмоционального состояния и личностных особенностей детей использовали методики психодиагностики. На основе проективной методики Р. Тэммл “Выбери нужное лицо” определяли индекс тревожности (ИТ), анкеты для родителей Л. Костиной – “личностную” тревожность (ЛТ), восьми цветового теста М. Люшера – ситуативную тревожность (СТ) [20], методики “Цветопись” А.Н. Лутошкина – эмоциональное состояние (ЭС) [21]. Эмоциональное состояние оценивали до (ЭС_до) и после (ЭС_после) занятий в среду. Работу проводили в группах и индивидуально.

Изучение заболеваемости осуществляли на основе анализа содержания медицинских справок и записей в индивидуальных медицинских картах. Использовали показатели, характеризующие острую заболеваемость детей: количество заболеваний (КЗ); количество дней временной нетрудоспособности по болезни (КДБ); показатель средней продолжительности одного случая заболеваемости (ПОЗ).

Для выявления структуры ФС и информативных показателей его оценки применяли факторный анализ – метод главных компонент с последующим вращением референтных осей по Варимакс-критерию. Возможность проведения факторного анализа оценивали с помощью критерия Кайзера–Мейера–Олкина (KMO). Выборка рассматривалась как приемлемая, если величина этого критерия превышала 0.5.

Описанную выше методику исследования использовали для изучения факторной структуры ФС детей 5–6 [14], 9–10 [16] и 13–14 лет [15]. Благодаря этому существует возможность сопоставления результатов настоящего исследования с данными, полученными ранее на других возрастных группах.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Обработка эмпирического материала показала, что для собранных данных величина КМО у девочек и мальчиков превышала 0.63 и 0.71 соответственно. Эта информация подтверждает целесообразность применения факторного анализа.

Использование факторного анализа позволило выделить шесть относительно независимых факторов ФС мальчиков и девочек 6–7 лет. Вклад этих факторов в общую дисперсию выборки превышал 69%.

В фактор “Вегетативная регуляция физиологических функций” у девочек вошли 34, а у мальчиков – 31 переменная, причем 29 из них совпадали (рис. 1, 2, табл. 1). С данным фактором в условиях покоя и при тестовых когнитивных нагрузках как у мальчиков, так и у девочек положительно коррелировали величины ОП, ЧСС, АМо, SI, СД, ДД, САД, ДП и ВИК и отрицательно – SDNN, Мо, MxDMn. Наибольшие весовые нагрузки по данному фактору у девочек имели ДП₀ (r = = 0.87), MxDMn₂ (r = –0.85), Мо₁ (r = –0.84) (табл. 1), а у мальчиков – Мо₁ (r = –0.86), ЧСС₁ (r = 0.85), ДП₂ (r = 0.85) (табл. 1).

Рис. 1.

Структура функционального состояния мальчиков. Фактор I – “Вегетативная регуляция физиологических функций”; Фактор II – “Эффективность когнитивной деятельности”; Фактор III – “Гемодинамическое обеспечение когнитивной деятельности”; Фактор IV – “Физическая работоспособность и двигательная подготовленность”; Фактор V – “Неспецифическая устойчивость организма”; Фактор VI – “Эмоциональный статус”.

Рис. 2.

Структура функционального состояния девочек. Фактор I – “Вегетативная регуляция физиологических функций”; Фактор II – “Эффективность когнитивной деятельности”; Фактор III – “Физическая работоспособность и двигательная подготовленность”; Фактор IV – “Гемодинамическое обеспечение когнитивной деятельности”; Фактор V – “Эмоциональный статус”; Фактор VI – “Неспецифическая устойчивость организма”.

В фактор “Эффективность когнитивной деятельности” со значимыми нагрузками у девочек выделились 23 переменные, характеризующие результативность реализации тестовых заданий и умственную работоспособность в динамике учебного дня (рис. 1, 2, табл. 2), а у мальчиков – 22 показателя.

Необходимо отметить, что у детей разного пола, в структуре рассматриваемого фактора, 22 показателя были идентичными. У девочек и мальчиков с этим фактором положительно коррелировали величины А, Q, А/ДП, А/ЧСС, А/SI, Q/ЧСС, Q/ДП, Q/SI, полученные в рассматриваемых экспериментальных ситуациях, а также А, Q и ЭС, зарегистрированные до и после занятий в условиях детского дошкольного учреждения. Наиболее сильную статистическую взаимосвязь с данным фактором у девочек имели А₁ (r = 0.85), А₁/ЧСС₁ (r = 0.84), А₁/ДП₁ (r = 0.84), а у мальчиков – А₁/ЧСС₁ (r = 0.83), А₁ (r = 0.81), Q₁/ЧСС₁ (r = 0.79).

Фактор “Гемодинамическое обеспечение когнитивной деятельности” у девочек объединил 13 показателей центральной гемодинамики, зарегистрированных в состоянии спокойного бодрствования и в условиях тестовых когнитивных нагрузок, а у мальчиков – 16 аналогичных показателей (рис. 1, 2, табл. 2).

Необходимо отметить, что у детей разного пола в структуре данного фактора совпадали 13 переменных. Обнаружена сильная положительная статистическая взаимосвязь с данным фактором показателей СД, ДД, САД, ДП и отрицательная – ВИК в рассматриваемых экспериментальных ситуациях. Максимальными значениями факторных коэффициентов у девочек характеризовались ДД₁ (r = 0.91), ДД₀ (r = 0.85), САД₂ (r = 0.85), а у мальчиков – ДД₁ (r = 0.90), САД₁ (r = 0.88), ДД₀ (r = 0.88).

Фактор “Физическая работоспособность” у девочек включал в свой состав 21, а у мальчиков – 18 показателей (рис. 1, 2, табл. 3). У девочек и мальчиков в структуре рассматриваемого фактора совпадали 17 переменных. С данным фактором положительно коррелировали величины МПК, PWC₁₇₀, t_{4 Вт/кг}, t_{2 Вт/кг}, коэффициенты “a” и “b” уравнения Мюллера, W₄₀, W₂₄₀, W₉₀₀, бег 6 мин, прыжок, становая динамометрия, ОФП и отрицательно – ИНПД_{2 Вт/кг}, ИНПД_{4 Вт/кг}, бег 20 м. Наибольшие весовые нагрузки по данному фактору у девочек имели W₂₄₀ (r = 0.90), ИНПД_{2 Вт/кг} (r = –0.87), W₉₀₀ (r = 0.86), а у мальчиков – W₂₄₀ (r = 0.89), ИНПД_{2 Вт/кг} (r = –0.84), коэффициент “b” (r = 0.81).

Фактор “Неспецифическая устойчивость организма” у девочек включал в свой состав 5 переменных, отражающих острую заболеваемость и физическую работоспособность, а у мальчиков – 6 аналогичных показателей (рис. 1, 2, табл. 3). Отрицательные факторные нагрузки в нем имели КЗ, КДБ, ПОЗ, а положительные – t₂, бег 6 мин и ОФП (у девочек). Наибольшие весовые коэффициенты имели в нем у девочек и мальчиков такие переменные как КДБ (r = –0.75 и r = –0.85), КЗ (r = – 0.72 и r = –0.81), ПОЗ (r = –0.69 и r = –0.73). Полученные данные свидетельствуют о том, что по мере повышения уровня физической работоспособности происходит снижение острой заболеваемости детей. Рассматриваемые показатели заболеваемости характеризуются отрицательной статистической взаимосвязью, прежде всего, с аэробными возможностями организма и общей выносливостью. Направление этих связей дает основание считать, что дети, имеющие хорошую аэробную работоспособность и высокую общую выносливость, как правило, отличаются меньшей острой респираторно-вирусной заболеваемостью.

Фактор “Эмоциональный статус” объединил показатели, характеризующие склонность ребенка к проявлению беспокойства, его настроение в динамике учебного дня, а также вегетативный гомеостаз (табл. 3). Обнаружена положительная статистическая взаимосвязь с данным фактором показателей ИТ, ЛТ, ЭС_до и ЭС_после. Наличие значимой корреляции с данным фактором некоторых вегетативных показателей отражает положительную взаимосвязь симпатической реактивности с уровнем тревожности детей. Максимальными значениями факторных коэффициентов у девочек и мальчиков соответственно характеризовались ИТ (r = 0.74 и r = 0.61), ЛТ (r = 0.73 и r = 0.58), ЭС_до (r = 0.73 и r = 0.54).

На основе полученных результатов для оценки ФС практически здоровых мальчиков и девочек 6–7 лет в условиях образовательного учреждения был сформирован диагностический комплекс, включающий “простейшие” информативные показатели, относящиеся к разным факторам (табл. 4): ДП₀ (“Вегетативная регуляция физиологических функций”); А₁ (“Эффективность когнитивной деятельности”); t_2Вт/кг (“Физическая работоспособность”), ДД₀ (фактор “Гемодинамическое обеспечение”), КБД (“Неспецифическая устойчивость”), ИТ (“Эмоциональный статус”). Общий уровень ФС организма можно оценить посредством суммирования бальных оценок по каждому показателю. Высокому уровню соответствует оценка, превышающая 14 баллов, среднему – от 8 до 14 баллов, низкому – менее 8 баллов. Состояние, при котором по 4-м используемым показателям из 6-ти получена оценка в один балл, расценивается как пограничное, характеризующееся выраженным напряжением адаптационных механизмов. Аналогичный подход был использован нами для экспресс-оценки ФС школьников 9–10 лет [16].

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Применение факторного анализа в физиологии, психологии и медицине имеет давнюю историю, но и сегодня этот статистический метод по-прежнему является неотъемлемой частью многих областей исследования [11–13, 22]. В частности, он нашел широкое применение в клинических и экспериментальных исследованиях [11, 23]. Факторный анализ представляет собой метод многомерной статистики, позволяющий свести большой ряд переменных к сравнительно малому числу относительно независимых факторов [12, 13, 24]. Он предназначен, прежде всего, для раскрытия внутренней структуры наблюдаемых явлений [12, 23]. В данном исследовании на основе факторного анализа выделены шесть относительно независимых аспектов ФС детей 6–7 лет, характеризующих его структуру: вегетативная регуляция физиологических функций; эффективность когнитивной деятельности; физическая работоспособность; гемодинамическое обеспечение когнитивной деятельности; неспецифическая устойчивость организма; эмоциональный статус.

В современной науке понятие структура, как правило, соотносится с понятиями “целое”, “система” и “элемент”. Как известно, структура любого объекта, процесса, явления характеризуется совокупностью устойчивых связей элементов, обеспечивающих его целостность и идентичность самому себе [2, 25]. Можно полагать, что выделенные факторы характеризуют функциональные системы разного уровня, взаимодействующие в целях достижения полезного приспособительного результата. Эти функциональные системы иерархически связаны с ФС целостного организма как системой более высокого уровня. Как известно, ФС организма определяется согласованной саморегулирующейся деятельностью функциональных систем метаболического, гомеостатического и поведенческого уровней в их динамическом взаимодействии [9, 10]. Существует известное теоретическое положение П.К. Анохина о том, что интеграция различных функциональных систем и их компонентов в функциональную систему более высокого уровня осуществляется в рамках специального механизма афферентного синтеза, в процессе которого на основе мотивации, при учете обстановки и прошлого опыта, создаются условия для достижения “ожидаемого” полезного приспособительного результата [9]. Представление о том, что интеграция множества элементарных структур и частных физиологических процессов в доминирующую функциональную систему осуществляется внутри организма в рамках качественно отличающихся от них системных процессов, положено в основу современного подхода к анализу поведения и деятельности [26, 27].

В ходе работы сопоставлялись факторные структуры ФС мальчиков и девочек 6–7 лет (рис. 1, табл. 1–3). Полученные результаты свидетельствуют о том, что у девочек и мальчиков рассматриваемой возрастной группы на фоне сохранения общности структуры отличаются меры тесноты взаимосвязи показателей ФС внутри выделенных факторов и места и роли отдельных факторов в системе ФС организма. Вследствие этого ФС приобретает новые системные свойства, качественно отличающиеся от свойств, входящих в нее “элементарных” физиологических процессов, функций, структур. Факторы “Вегетативная регуляция физиологических функций” и “Эффективность когнитивной деятельности” как у мальчиков, так и у девочек занимали первую и вторую позиции, соответственно. Позиции, занимаемые другими факторами в структуре ФС, зависели от половой принадлежности детей. Так, у девочек фактор “Физическая работоспособность” занимал третью позицию, а у мальчиков – четвертую, тогда как фактор “Гемодинамическое обеспечение когнитивной деятельности”, наоборот, четвертую и третью позицию соответственно. Аналогичным образом изменились позиции факторов “Неспецифическая устойчивость” и “Эмоциональный статус”. Установлено, что весовые нагрузки, отражающие взаимосвязь рассматриваемых показателей с выделенными факторами, отличались у мальчиков и девочек. Вместе с тем они характеризовались в общем сильной (r = 0.99–0.70) и средней (r = 0.69–0.45) статистической связью (табл. 1, 2). Важно отметить, что состав выделенных факторов у детей разного пола совпадал на 85% и более. Полученные результаты, в определенной мере, согласуются с представлением о том, что структурно-функциональная организация обеспечения когнитивной деятельности реализуется системой с жесткими и гибкими звеньями, при этом последние могут включаться или не включаться в зависимости от ФС структуры [28].

Результаты сопоставления факторных структур ФС у мальчиков и девочек 6–7 лет показывают, что выделенные аспекты ФС могут рассматриваться в качестве наиболее стабильных его компонентов, формирующихся в ходе индивидуального развития, независимо от половой принадлежности детей. Установлено, что мальчики и девочки 6–7 лет существенно отличаются по вкладу рассматриваемых факторов в обобщенную дисперсию выборки, занимаемой позиции в структуре ФС и числу переменных, входящих в их состав. Все это, по-видимому, отражает особенности организации систем вегетативной регуляции физиологических функций, эффективности когнитивной деятельности, энергетического обеспечения мышечной работы и физической работоспособности, неспецифической резистентности организма и эмоционального статуса, обусловленные половой принадлежностью детей. Сделанное заключение согласуется с имеющимися данными о половой специфичности успешности выполнения разных видов когнитивной деятельности [29], эмоциональной реактивности и некоторых личностных особенностей [30–32], регуляции вегетативных функций [33–35], физической работоспособности [19, 36] и двигательной подготовленности [37, 38].

Следует отметить, что в фактор физической работоспособности вошли показатели, характеризующие аэробные, анаэробные гликолитические и анаэробные алактатные возможности организма и кондиционные двигательные способности, что в целом соответствует представлению о существовании, наряду со специфическими, общих механизмов реализации различных видов мышечной деятельности.

Отдельного обсуждения требуют положительные взаимосвязи ряда показателей физической работоспособности и двигательной подготовленности, характеризующих преимущественно аэробные возможности, с фактором неспецифической устойчивости организма. Материалы исследования показывают, что дети 6–7 лет, имеющие высокую аэробную работоспособность и общую выносливость, как правило, отличаются низкой заболеваемостью острыми респираторно-вирусными инфекциями. Полученные результаты совпадают с данными других работ [39–42], свидетельствующими, что оптимальный двигательный режим и высокий уровень развития аэробных возможностей организма способствуют повышению сопротивляемости детей инфекционным заболеваниям простудного характера. При этом наиболее эффективными являются занятия физическими упражнениями со средними по величине нагрузками, тогда как максимальный риск острых респираторных заболеваний возникает при использовании предельных по объему и интенсивности физических нагрузок спортивного характера. Необходимо также отметить, что у индивидов с низкой физической активностью, симптомы острых респираторных заболеваний возникают чаще, чем у лиц с оптимальной физической активностью, использующих средние по величине нагрузки [39, 41–43]. Предполагается, что у детей младшего возраста оптимально высокая физическая активность обусловливает положительные оздоровительные эффекты, прежде всего, путем изменения ауто-антиген-индуцированной иммунной активности [44].

Наличие значимых весовых коэффициентов у ряда вегетативных показателей ФС в структуре фактора, характеризующего эмоциональный статус обследуемых, хорошо отражает положительную взаимосвязь симпатической реактивности с уровнем тревожности детей рассматриваемой возрастной группы. Полученные результаты согласуются с представлениями о том, что выраженная тревожность может обусловливать высокую активность симпатического отдела вегетативной нервной системы у детей как в состоянии покоя, так и при действии психосоциального стрессора [45–47].

Выявленные особенности факторной структуры ФС, в целом указывают на необходимость обоснования новых подходов к оценке приспособительных возможностей организма и оптимизации ФС детей 6–7 лет дифференцированно, в зависимости от их пола. Сравнение полученных результатов с результатами ранее опубликованных нами работ показало, что выявленная факторная структура ФС детей 6–7 лет в значительной степени совпадает со структурами ФС детей 5–6, 9–10 и 13–14 лет [14–16]. Вместе с тем, у детей разных возрастных групп существенно изменяется место выделенных факторов в структуре ФС организма. Эти изменения, по-видимому, отражают не только индивидуальные особенности развертывания наследственной программы в разные периоды онтогенеза в определенных условиях среды, но и общие закономерности роста и развития. К последним, прежде всего, относятся системогенез, сенситивные и критические периоды развития, возрастающая гетерогенность тканей организма, повышение специфичности реакций, увеличивающаяся надежность биологической системы, гетерохрония, адаптивность, нелинейность развития [9, 10, 19, 48, 49 и др.].

Материалы исследования согласуются с представлением о том, что ФС организма ребенка как система наиболее высокого уровня организуется на основе принципов системогенеза, иерархического доминирования, мультипараметрического и последовательного взаимодействия функциональных систем более низкого уровня для достижения полезного приспособительного результата [9, 48]. Выделенные факторы могут рассматриваться как целостные аспекты ФС, представляющие собой функциональные системы, имеющие сложную внутреннюю структуру, определяющую характер взаимосвязи их элементов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе исследования выявлены шесть основных факторов, определяющих структуру ФС организма детей 6–7 лет: вегетативная регуляция физиологических функций; эффективность когнитивной деятельности; физическая работоспособность; гемодинамическое обеспечение когнитивной деятельности; неспецифическая устойчивость организма; эмоциональный статус. Данные факторы рассматриваются как специфические аспекты ФС, характеризующие активность различных функциональных систем, слаженно взаимодействующих в целях достижения полезных для организма приспособительных результатов. Они иерархически связаны с ФС организма как системой более высокого уровня.

Результаты сопоставления факторных структур комплекса анализируемых показателей у мальчиков и девочек дают основание полагать, что имеются стабильные группы взаимосвязанных переменных, характеризующие устойчивые компоненты ФС организма, вносящие значимый вклад в его формирование у детей разного пола. Состав выделенных факторов у мальчиков и девочек 6–7 лет совпадает на 85% и более.

Установлено, что на фоне выявленной общности структуры ФС организма у мальчиков и девочек 6–7 лет по-разному распределены вклады данных факторов в обобщенную дисперсию выборки. Различия касаются и состава психофизиологических показателей, интегрированных в отдельные факторы, и их весовых коэффициентов. С учетом данного обстоятельства определены наиболее информативные показатели и разработаны сопоставительные нормы, пригодные для экспресс-оценки ФС мальчиков и девочек рассматриваемой возрастной группы.

Этические нормы. Все исследования проведены в соответствии с принципами биомедицинской этики, сформулированными в Хельсинкской декларации 1964 г. и ее последующих обновлениях, и одобрены локальным биоэтическим комитетом Института возрастной физиологии РАО (Москва).

Информированное согласие. Родители каждого ребенка, участвующего в исследовании, представили добровольное письменное информированное согласие, подписанное ими после разъяснения потенциальных рисков и преимуществ, а также характера предстоящего исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией данной статьи.