Вариабельность сердечного ритма и уровень кортизола у детей школьного возраста при разной когнитивной нагрузке

Актуальность. Актуальной задачей возрастной физиологии является изучение функционального состояния организма детей школьного возраста при когнитивной деятельности из-за большой учебной нагрузки и использования в образовательном процессе информационно-компьютерных технологий. Выявление особенностей реактивности организма обучающихся при выполнении когнитивной нагрузки разного вида, в том числе и на электронных устройствах, необходимо для организации школьной образовательной среды.
Цель исследования. Оценить характер вегетативной, сердечно-сосудистой и гормональной реактивности при когнитивной нагрузке разного вида у детей школьного возраста.
Материалы и методы. Методами анализа вариабельности сердечного ритма, электрокардиографии, тонометрии и иммуноферментного определения кортизола в слюне обследовано 117 детей школьного возраста при выполнении когнитивной нагрузки разного вида.
Результаты. При выполнении школьниками когнитивной нагрузки происходит изменение показателей вариабельности сердечного ритма. Устный счёт вызывает рост симпатических влияний на сердечный ритм при снижении парасимпатической активности, а также сдвиг вагосимпатического баланса. Работа на электронных устройствах вызывает снижение общей плотности мощности спектра и увеличение показателя соотношения низкочастотных и высокочастотных колебаний за счёт снижения парасимпатической активности. Выявлено два типа реакции: I тип – повышение концентрации кортизола
в слюне, повышение симпатических влияний на сердечный ритм с одновременным снижением парасимпатической активности (счёт), снижение общей мощности плотности спектра (ноутбук), уменьшение парасимпатической активности (планшет). II тип – понижение уровня гормона и снижение очень низкочастотных колебаний и парасимпатической активности независимо от вида предъявляемой нагрузки.
Заключение. Полученные результаты свидетельствуют, что характер реактивности показателей сердечного ритма и стресс-гормона кортизола у обучающихся зависит не столько от того на каком электронном устройстве она выполняется, а от вида когнитивной нагрузки.

1. Куликов В.Ю., Антропова Л.К., Арчибасова Е.А. Гендерные особенности спектральной мощности альфа-ритма и вариабельности ритма сердца при когнитивной нагрузке у здоровых студентов. Сибирский медицинский вестник. 2020; 3: 55-67.

2. Krumsvik RJ, Berrum E, Jones LØ. Everyday Digital Schooling – implementing tablets in Norwegian primary school. Examining outcome measures in the first cohort. Nord J Digit Lit. 2018; 3(3): 152-178. doi: 10.18261/issn.1891-943x-2018-03-03

3. Major L, Haßler B, Hennessy S. Tablet use in schools: Impact, affordances and considerations. In: Marcus-Quinn A, Hourigan T (eds). Handbook on digital learning for K-12 schools. 2017; 115-128. doi: 10.1007/978-3-319-33808-8_8

4. Ложкина Е.М., Лукина С.Ф., Шагров Л.Л. Методы исследования влияния когнитивных нагрузок на работу сердца. Международный студенческий научный вестник. 2015; 2-3: 312-313.

5. Atchley R, Ellingson R, Klee D, Memmott T, Oken B. A cognitive stressor for event-related potential studies: The Portland Arithmetic Stress Task. Stress. 2017; 20(3): 277-284. doi: 10.1080/10253890.2017.1335300

6. Hunt TE, Bhardwa J, Sheffield D. Mental arithmetic performance, physiological reactivity and mathematics anxiety amongst UK primary school children. Learn Individ Differ. 2017; 57: 129-132. doi: 10.1016/j.lindif.2017.03.016

7. Finke JB, Zhang X, Plein D, Schilling TM, Schächinger H, Larra MF. Combining mental and physical stress: Synergy or interference? Physiol Behav. 2021; 233: 113365. doi: 10.1016/j.physbeh.2021.113365

8. Thayer JF, Lane RD. Claude Bernard and the heart-brain connection: Further elaboration of a model of neurovisceral integration. Neurosci Biobehav Rev. 2009; 33(2): 81-88. doi: 10.1016/j.neubiorev.2008.08.004

9. Wei L, Chen H, Wu GR. Structural covariance of the prefrontal-amygdala pathways associated with heart rate. Front Hum Neurosci. 2018; 12: 2. doi: 10.3389/fnhum.2018.00002

10. Dimitriev D, Saperova EV, Dimitriev A, Karpenko Y. Recurrence quantification analysis of heart rate during mental arithmetic stress in young females. Front Physiol. 2020; 11: 40. doi: 10.3389/fphys.2020.00040

11. Dong S-Y, Lee M, Park H, Youn I. Stress resilience measurement with heart-rate variability during mental and physical stress. Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc. 2018; 2018: 5290-5293. doi: 10.1109/embc.2018.8513531

12. Kothgassner OD, Goreis A, Glenk LM, Kafka JX, Pfeffer B, Beutl L, et al. Habituation of salivary cortisol and cardiovascular reactivity to a repeated real-life and virtual reality Trier Social Stress Test. Physiol Behav. 2021; 242: 113618. doi: 10.1016/j.physbeh.2021.113618

13. Штина И.Е., Валина С.Л., Устинова О.Ю., Эйсфельд Д.А., Зенина М.Т. Особенности вегетативного и тиреоидного статуса у школьников при различной напряжённости учебного процесса. Гигиена и санитария. 2019; 98(2): 183-188. doi: 10.18821/0016-9900-2019-98-2-183-188

14. Shiga K, Izumi K, Minato K, Sugio T, Yoshimura M, Kitazawa M, et al. Subjective well-being and month-long LF/HF ratio among deskworkers. PLoS One. 2021; 16(9): e0257062. doi: 10.1371/journal.pone.0257062

15. Carroll D, Ginty AT, Whittaker AC, Lovallo WR, de Rooij SR. The behavioural, cognitive, and neural corollaries of blunted cardiovascular and cortisol reactions to acute psychological stress. Neurosci Biobehav Rev. 2017; 77: 74-86. doi: 10.1016/j.neubiorev.2017.02.025

16. Clow A, Smyth N. Salivary cortisol as a non-invasive window on the brain. Int Rev Neurobiol. 2020; 150: 1-16. doi: 10.1016/bs.irn.2019.12.003

17. Prokofieva V, Kostromina S, Polevaia S, Fenouille F. Understanding emotion-related processes in classroom activities through functional measurements. Front Psychol. 2019; 10: 2263. doi: 10.3389/fpsyg.2019.02263

18. Сапожникова Е.Н., Шлык Н.И., Шумихина И.И., Кириллова Т.Г. Типологические особенности вариабельности сердечного ритма у школьников 7–11 лет в покое и при занятиях спортом. Вестник Удмуртского университета. Серия биология. Науки о земле. 2012; 2: 79-88.

19. Blons E, Arsac LM, Gilfriche P, McLeod H, Lespinet-Najib V, Grivel E, et al. Alterations in heart-brain interactions under mild stress during a cognitive task are reflected in entropy of heart rate dynamics. Sci Rep. 2019; 9(1): 18190. doi: 10.1038/s41598-019-54547-7

20. Celka P, Charlton PH, Farukh B, Chowienczyk P, Alastruey J. Influence of mental stress on the pulse wave features of photoplethysmogram. Healthc Technol Lett. 2019; 7(1): 7-12. doi: 10.1049/htl.2019.0001

21. Usui H, Nishsda Y. The very low-frequency band of heart rate variability represents the slow recovery component after a mental stress task. PLoS One. 2017; 12(8): e0182611. doi: 10.1371/journal.pone.0182611

22. Montoro CI, Duschek S, del Paso GAR. Variability in cerebral blood flow velocity at rest and during mental stress in healthy individuals: Associations with cardiovascular parameters and cognitive performance. Biol Psychol. 2018; 135: 149-158. doi: 10.1016/j.biopsycho.2018.04.005

23. Berntson GG, Quigley KS, Norman G, Lozano D. Cardiovascular psychophysiology. In: Cacioppo JT, Tassinary LG, Berntson GG (eds). Handbook of psychophysiology; 4th ed. Cambridge, UK: Cambridge University Press; 2016. doi: 10.1017/9781107415782.009

24. Михайлов В.М. Реакция организма при воздействии стресс-стимула. URL: https://risr.institute/doc/publication5.pdf [дата доступа: 05.11.2021].

25. Gunnar MR, Wewerka S, Frenn K, Long JD, Griggs C. Developmental changes in hypothalamus-pituitary-adrenal activity over the transition to adolescence: normative changes and associations with puberty. Dev Psychopathol. 2009; 21(1): 69-85. doi: 10.1017/S0954579409000054

26. Anesiadou S, Makris G, Michou M, Bali P, Papassotiriou I, Apostolakou F, et al. Salivary cortisol and alpha-amylase daily profiles and stress responses to an academic performance test and a moral cognition task in children with neurodevelopmental disorders. Stress Health. 2021; 37(1): 45-59. doi: 10.1002/smi.2971

27. Kapsdorfer D, Hlavacova N, Vondrova D, Argalasova L, Sevcikova L, Jezova D. Neuroendocrine response to school load in prepubertal children: focus on trait anxiety. Cell Mol Neurobiol. 2018; 38(1): 155-162. doi: 10.1007/s10571-017-0544-7

28. Vlad R, Pop AM, Olah P, Monea M. The evaluation of dental anxiety in primary school children: A cross-sectional study from Romania. Children (Basel). 2020; 7(10): 158. doi: 10.3390/children7100158

29. Gunnar MR, Reid BM, Donzella B, Miller ZR, Gardow S, Tsakonas NC, et al. Validation of an online version of the Trier Social Stress Test in a study of adolescents. Psychoneuroendocrinology. 2021; 125: 105111. doi: 10.1016/j.psyneuen.2020.105111

30. Moustafa AA, Porter A, Megreya AM. Mathematics anxiety and cognition: An integrated neural network model. Rev Neurosci. 2020; 31(3): 287-296. doi: 10.1515/revneuro-2019-0068

31. Флейшман А.Н., Кораблина Т.В., Халиулин И.Г., Петровский С.А., Неретин А.А. Половые различия VLF100 и VLF50 спектра вариабельности ритма сердца у здоровых лиц молодого возраста и старшего с сосудистой патологией в условиях SEVEN TEST, гипервентиляции и ортостаза. Медицина в Кузбассе. 2017; 16(4): 23-33.

32. Cipresso P. Colombo D, Riva G. Computational psychometrics using psychophysiological measures for the assessment of acute mental stress. Sensors (Basel). 2019; 19(4): 781. doi: 10.3390/s19040781

33. Бастриков О.Ю. Гормональные, иммунологические и психологические маркеры психоэмоционального напряжения у пациентов с артериальной гипертензией. Артериальная гипертензия. 2018; 24(2): 151-161. doi: 10.18705/1607-419X-2018-24-2-151-161

34. El Sayed K, Macefield VG, Hissen SL, Joyner MJ, Taylor CE. Blood pressure reactivity at onset of mental stress determines sympathetic vascular response in young adults. Physiol Rep. 2018; 6(24): e13944. doi: 10.14814/phy2.13944