Анализ сердечного ритма под воздействием информационной нагрузки

Астафьев С. В.

МГУ им. М.В. Ломоносова

Сердечный ритм и дыхание являются важными показателями для комплексной диагностики функциональных состояний и эмоций.

Целью настоящего исследования было применить принцип векторного кодирования в нейронных сетях к описанию реакции сердечного ритма на информационную нагрузку. Для реализации поставленной цели был использован метод построения векторного пространства спектров сердечного ритма, который позволил представить различные функциональные состояния как функцию 4-х модуляторов сердечного ритма: метаболического, сосудистого и 2-х дыхательных (низкочастотного и высокочастотного).

Испытуемыми были здоровые студенты МГУ в возрасте 24 - 28 лет (5 мужчин и одна женщина). Регистрировалась и телеметрически вводилась в компьютер ЭКГ (электрокардиограмма) и дыхание. ЭКГ регистрировалась в течение 3-х минут в покое и под воздействием информационной нагрузки (перемножение 2-х двузначных чисел или вычитание в строгой последовательности из числа 400 по числу 3 (400, 397, 394 и т.д.)). Эксперимент для каждого испытуемого длился в течение 4 дней по 4 часа ежедневно.

Путем математической обработки ЭКГ мы получали ритмограмму (последовательность RR-интервалов). Затем спектр сглаживался и разбивался на 10 полос (Данилова Н.Н. Сердечный ритм и информационная нагрузка. // Вестник МГУ, Серия 14 (Психология), 1995, N 4, 14-19.)

В спектре сердечного ритма мы можем выделить 3 основных пика. Пик около 0,35 Гц связан с респираторной синусной аритмией (РСА), отражающей влияние парасимпатической нервной системы на сердце.

Пик около 0,1 Гц соответствует волнам Траубе-Геринга-Майера, отражающим совместную деятельность двух отделов автономной нервной системы: парасимпатического и симпатического. Пик на частоте от 0,005 до 0,06 Гц связан с гуморальными метаболическими влияниями.

Величина дыхательного, сосудистого и метаболического пиков меняется в зависимости от функционального состояния и индивидуальных характеристик испытуемого.

Чтобы идентифицировать различные пики в спектре сердечного ритма, была построена корреляционная матрица 10х10 (10 частотных полос, на которые разбивался каждый из 599 спектров, полученных во время покоя и во время арифметической нагрузки). На основе данной матрицы проводился факторный анализ с VARIMAX-вращением для выделения основных факторов (Данилова Н.Н. Сердечный ритм и информационная нагрузка. //Вестник МГУ, Серия 14 (Психология), 1995, N 4, 14-19). В результате было выделено 4 фактора, обладающих наибольшим весом. Эти факторы интерпретировались как метаболический, сосудистый и 2 дыхательных (низкочастотный и высокочастотный). Эти факторы объясняли 85% суммарной дисперсии исходных данных. Каждый спектр в итоге можно было представить точкой в 4-х мерном векторном пространстве.

В предыдущих исследованиях (Данилова Н.Н. Сердечный ритм и информационная нагрузка. //Вестник МГУ. Серия 14 (Психология), 1995,. N 4, 14-19) была предложена 3-х мерная модель векторного пространства сердечного ритма. Мы же предложили 4-х мерную модель векторного пространства как более эффективную для исследования влияния нейрональных осцилляторов на сердечный ритм. Первый и второй факторы этого пространства те же самые (метаболический и сосудистый факторы). Третий фактор был назван как низкочастотный дыхательный, а четвертый фактор как высокочастотный дыхательный. Эти четыре фактора объясняют 85.7% суммарной дисперсии.

Ранее исследовались групповые (малое количество спектров от одного испытуемого при большом количестве испытуемых) векторные пространства сердечного ритма (Данилова Н.Н. Сердечный ритм и информационная нагрузка. //Вестник МГУ. Серия 14 (Психология), 1995, N 4, 14-19). Мы же сконцентрировали свое внимание на исследовании индивидуальных векторных пространств сердечного ритма (большое количество спектров от одного испытуемого при малом количестве испытуемых). Было получено 6 индивидуальных пространств и одно групповое. Нам удалось продемонстрировали схожесть структур индивидуальных векторных пространств сердечного ритма.

Затем группа из 5 испытуемых была разделена на 2 группы с различным уровнем успешности вычитания. Успешная группа характеризовалась увеличением метаболической и низкочастотной дыхательной модуляции на сердечный ритм во время информационной нагрузки. Для неуспешной группы было характерно уменьшение метаболической и низкочастотной дыхательной модуляции сердечного ритма во время информационной нагрузки.

Чтобы изучить ориентировочные и оборонительные реакции во время информационной нагрузки ритмограммы сердца и дыхания усреднялись относительно момента предъявления стимула (два двузначных числа) которые требовалось перемножить. Было показано, что момент появления стимула характеризуется учащением сердечного ритма и дыхания, которое затем заменяется замедлением сердечного ритма и дыхания. Последняя реакция совпадает с операцией перемножения.

Мы полагаем, что замедление сердечного ритма и дыхания связано с фазическими ориентировочными реакциями.