Human PhysiologyHuman PhysiologyФизиология человека0131-16463034-6150The Russian Academy of Sciences66408510.31857/S0131164624040082BSWASYArticlesСтатьиResearch ArticleDynamics of Respiratory Rate and Heart Rate Variability when Performing a Cognitive Task of Two Levels of ComplexityДинамика частоты дыхания и вариабельности ритма сердца при выполнении когнитивной задачи двух уровней сложностиKriklenkoE. A.КрикленкоЕ. А.
Russian Federation
kriklenko_ea@academpharm.ruKovalevaA. V.КовалеваА. В.
Russian Federation
kriklenko_ea@academpharm.ruFederal Research Center for Innovative and Emerging Biomedical and Pharmaceutical TechnologiesФГБНУ «ФИЦ оригинальных и перспективных биомедицинских и фармацевтических технологий»311020245049210425022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0131-1646/article/view/664085

The study examined heart rate variability (HRV) and respiratory rate during a cognitive task (reading) at two difficulty levels. Time, frequency and nonlinear analysis of HRV was used. It has been shown that both some indicators of HRV (HR, SDNN, RMSSD, SD2, SD2/SD1) and respiratory rate change with increasing mental load, however, they do not separately demonstrate significant differences at all three stages of the study. Therefore, for the first time for cognitive studies, an integral indicator was used that links the parameters of the heart with respiration – the physiological cost of activity (PhysCost), which was previously used in work with athletes when they performed physical exercises to failure. Changes in the PhysCost showed that differences between a simple and a complex task are observed at all stages of the study. Thus, it has been established that the difference in the functional state of a person in the process of performing a continuous task of two levels of complexity is most reliably revealed when using an integrative indicator connecting the activity of the respiratory system and the circulatory system.

Исследование посвящено изучению изменения вариабельности ритма сердца (ВРС) и частоты дыхания (ЧД) при выполнении когнитивной задачи двух уровней сложности. Был использован временно́й, частотный и нелинейный анализ ритма сердца. Установлено, что ЧД и ряд показателей ВРС (ЧСС, SDNN, RMSSD, SD2, SD2/SD1) изменяются при увеличении умственной нагрузки, однако при этом не демонстрируют статистически достоверных различий на протяжении всего периода измерения. В связи с этим впервые для когнитивных исследований был применен интегративный показатель, связывающий параметры сердца и дыхания, физиологическая цена деятельности (ФЦД), который ранее использовался в работах со спортсменами при выполнении ими физических упражнений до отказа. Изменение ФЦД показало, что различия между простой и сложной задачами можно выявить во время всех блоков исследования. Таким образом, установлено, что разница в функциональном состоянии человека в процессе выполнения непрерывного задания двух уровней сложности наиболее достоверно выявляется при использовании интегративного показателя ФЦД, отражающего совокупное изменение активности дыхательной и сердечно-сосудистой систем организма относительно предыдущего периода относительного покоя.

HRVcardiorespiratory couplingcognitive loadreadingtask complexityphysiological cost of activityВРСдыханиекардиореспираторные взаимодействиякогнитивная нагрузкачтениефизиологическая цена деятельностиCharles R.L., Nixon J. Measuring mental workload using physiological measures: A systematic review // Appl. Ergon. 2019. V. 74. P. 221.Sudakov K.V. [Individual resistance to emotional stress]. Moscow: Gorizont, 1998. 263 p.Судаков К.В. Индивидуальная устойчивость к эмоциональному стрессу. M.: Горизонт, 1998. 263 с.Liang S.F.M., Rau C.L., Tsai P.F., Chen W.S. Validation of a task demand measure for predicting mental workloads of physical therapists // Int. J. Ind. Ergon. 2014. V. 44. № 5. P. 747.Hao T., Zheng X., Wang H. et al. Linear and nonlinear analyses of heart rate variability signals under mental load // Biomed. Signal. Process Control. 2022. V. 77. P. 103758.Galy E., Cariou M., Mélan C. What is the relationship between mental workload factors and cognitive load types? // Int. J. Psychophys. 2012. V. 83. № 3. P. 269.Zandstra T.E., Notenboom R.G., Wink J. et al. Asymmetry and heterogeneity: Part and parcel in cardiac autonomic innervation and function // Front. Physiol. 2021. V. 12. P. 665298.Hasan W. Autonomic cardiac innervation: development and adult plasticity // Organogenesis. 2013. V. 9. № 3. P. 176.Forte G., Favieri F., Casagrande M. Heart rate variability and cognitive function: A systematic review // Front. Neurosci. 2019. V. 13. P. 710.Lean Y., Shan F. Brief review on physiological and biochemical evaluations of human mental workload // Hum. Factors Ergon. Manuf. Serv. Ind. 2012. V. 22. № 3. P. 177.De Rivecourt M., Kuperus M.N., Post W.J., Mulder L.J.M. Cardiovascular and eye activity measures as indices for momentary changes in mental effort during simulated flight // Ergonomics. 2008. V. 51. № 9. P. 1295.Fournier L.R., Wilson G.F., Swain C.R. Electrophysiological, behavioral, and subjective indexes of workload when performing multiple tasks: manipulations of task difficulty and training // Int. J. Psychophys. 1999. V. 31. № 2. P. 129.Finsen L., Søgaard K., Jensen C. et al. Muscle activity and cardiovascular response during computer-mouse work with and without memory demands // Ergonomics. 2001. V. 44. № 14. P. 1312.Splawn J.M., Miller M.E. Prediction of perceived workload from task performance and heart rate measures // Proc. Hum. Fact. Erg. Soc. An. Meet. Sage CA: Los Angeles, CA: SAGE Publications, 2013. V. 57. № 1. P. 778.Splawn J.M., Miller M.E. Prediction of perceived workload from task performance and heart rate measures / Proc. Hum. Fact. Erg. Soc. An. Meet. 2013. V. 57. № 1. P. 778.Delaney J.P.A., Brodie D.A. Effects of short-term psychological stress on the time and frequency domains of heart-rate variability // Percept. Motor Skills. 2000. V. 91. № 2. P. 524.Lehrer P., Karavidas M., Lu S.E. et al. Cardiac data increase association between self-report and both expert ratings of task load and task performance in flight simulator tasks: An exploratory study // Int. J. Psychophys. 2010. V. 76. № 2. P. 80.Reyes del Paso G.A., Langewitz W., Mulder L.J. et al. The utility of low frequency heart rate variability as an index of sympathetic cardiac tone: a review with emphasis on a reanalysis of previous studies // Psychophysiology. 2013. V. 50. № 5. P. 477.Thomas B.L., Claassen N., Becker P., Viljoen M. Validity of commonly used heart rate variability markers of autonomic nervous system function // Neuropsychobiology. 2019. V. 78. № 1. P. 14.Vanitha L., Suresh G.R., Chandrasekar M., Punita P. Development of four stress levels in group stroop colour word test using HRV analysis // Biomed. Res. Ind. 2017. V. 28. № 1. P. 98.Shaffer F., McCraty R., Zerr C.L. A healthy heart is not a metronome: an integrative review of the heart’s anatomy and heart rate variability // Front. Physiol. 2014. V. 5. P. 1040.McCraty R. Following the Rhythm of the Heart: HeartMath Institute’s Path to HRV Biofeedback // Appl. Psychophys. Biofeedback. 2022. V. 47. № 4. P. 305.McCraty R., Atkinson M., Tomasino D., Bradley R.T. The coherent heart heart-brain interactions, psychophysiological coherence, and the emergence of system-wide order // Integral Rev. A Transdiscipl. Transcult. J. N. Thought Res. Prax. 2009. V. 5. P. 359.Shaffer F., Ginsberg J.P. An overview of heart rate variability metrics and norms // Front. Publ. Health. 2017. V. 5. P. 290215.Dimitriev D.A., Saperova E.V., Dimitriev A.D. The effect of breathing at the resonant frequency on the nonlinear dynamics of heart rate // Human Physiology. 2019. V. 45. № 1. P. 54.Димитриев Д.А., Саперова Е.В., Димитриев А.Д., Индейкина О.С. Влияние дыхания на частоте резонанса на нелинейные динамики вариабельности сердечного ритма // Физиология человека. 2019. Т. 45. № 1. С. 64.Mestanik M., Mestanikova A., Langer P. et al. Respiratory sinus arrhythmia–testing the method of choice for evaluation of cardiovagal regulation // Respir. Physiol. Neurobiol. 2019. V. 259. P. 86.Grassmann M., Vlemincx E., Von Leupoldt A. et al. Respiratory changes in response to cognitive load: A systematic review // Neural Plast. 2016. V. 2016. P. 814680.Radüntz T., Fürstenau N., Mühlhausen T., Meffert B. Indexing mental workload during simulated air traffic control tasks by means of dual frequency head maps // Front. Physiol. 2020. V. 11. P. 300.Yu X., Zhang J., Xie D. et al. Relationship between scalp potential and autonomic nervous activity during a mental arithmetic task // Auton. Neurosci. 2009. V. 146. № 1–2. P. 81.Fairclough S.H., Venables L., Tattersall A. The influence of task demand and learning on the psychophysiological response // Int. J. Psychophys. 2005. V. 56. № 2. P. 171.Mortola J.P., Marghescu D., Siegrist-Johnstone R., Matthes E. Respiratory sinus arrhythmia during a mental attention task: the role of breathing-specific heart rate // Respir. Physiol. Neurobiol. 2020. V. 272. P. 103331.Fudin N.A., Sudakov K.V., Khadartsev A.A. et al. [Hildebrandt’s index as an integral indicator of physiological consumption at sportsmen in the course of incrising exercise stress] // J. New Med. Tech. 2011. V. 18. № 3. P. 244.Фудин Н.А., Судаков К.В., Хадарцев А.А. и др. Индекс Хильдебрандта как интегральный показатель физиологических затрат у спортсменов в процессе возрастающей этапно-дозированной физической нагрузки // Вестник новых медицинских технологий. 2011. Т. 18. № 3. С. 244.Fudin N.A., Klassina S.Ya. [The effects of hypoventilation human breathing on “physiological price” of working work up to refusal atthe physical loads of varying intensity] // J. New Med. Tech. 2017. V. 24. № 2. P. 193.Фудин Н.А., Классина С.Я. Влияние гиповентиляционного дыхания человека на "физиологическую цену" работы до отказа при физических нагрузках различной интенсивности // Вестник новых медицинских технологий. 2017. Т. 24. № 2. С. 193.Sudakov K.V. [Development of the theory of functional systems]. Moscow: RAS, 2007. V. 1. 316 p.Судаков К.В. Избранные труды. Т. 1: Развитие теории функциональных систем. М.: ГУНИИ нормальной физиологии им. П.К. Анохина РАМН, 2007. 316 c.Klassina S.Ya. [Physiological model of trainer‐athlete social interaction during training on bicycle ergometer] // J. New Med. Tech. 2014. V. 21. № 3. P. 122.Классина С.Я. Физиологическая модель социального взаимодействия тренер-спортсмен в процессе тренировки на велоэргометре // Вестник новых медицинских технологий. 2014. Т. 21. № 3. С. 122.Lin W.H., Wu D., Li C. et al. Comparison of heart rate variability from PPG with that from ECG // The International Conference on Health Informatics: ICHI 2013, Vilamoura, Portugal on 7–9 November, 2013 / Ed. Zhang Y.-T. Cham: Springer, 2014. P. 213.Lin W.H., Wu D., Li C. et al. Comparison of heart rate variability from PPG with that from ECG // The International Conference on Health Informatics: ICHI 2013, Vilamoura, Portugal on 7-9 November, 2013 / Ed. Zhang Y.-T. Cham: Springer, 2014. P. 213.Schäfer A., Vagedes J. How accurate is pulse rate variability as an estimate of heart rate variability? A review on studies comparing photoplethysmographic technology with an electrocardiogram // Int. J. Cardiol. 2013. V. 166. № 1. P. 15.Tarvainen M.P., Niskanen J.P., Lipponen J.A. et al. Kubios HRV – Heart rate variability analysis software // Comput. Methods Progr. Biomed. 2014. V. 113. № 11. P. 210.Melillo P., Bracale M., Pecchia L. Nonlinear Heart Rate Variability features for real-life stress detection. Case study: students under stress due to university examination // Biomed. Eng. Online. 2011. V. 10. P. 96.Taelman J., Vandeput S., Gligorijević I. et al. Time-frequency heart rate variability characteristics of young adults during physical, mental and combined stress in laboratory environment // Annu. Int. Conf. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. 2011. V. 2011. P. 1973.Glazachev O.S., Klassina S.Ya., Orlova M.A Characteristic features of microvascular responses of healthy humans to simulated emotional stress // Human Physiology. 2007. V. 33. № 4. P. 409.Глазачев О.С., Классина С.Я., Орлова М.А. Особенности реакций микроциркуляторного русла здорового человека на моделируемое психоэмоциональное напряжение // Физиология человека. 2007. Т. 33. № 4. С. 33.Fudin N.A., Klassina S.Ya. [Systemic organization of human physiological functions in the process of achieving a sporting result] // Acad. J. West Siberia. 2017. V. 13. № 1. P. 79.Фудин Н.А., Классина С.Я. Системная организация физиологических функций человека в процессе достижения спортивного результата // Академический журнал Западной Сибири. 2017. Т. 13. № 1. С. 79.Ryzikov G.V., Klassina S.Ya. [Spacetime structure of the production activity quantification and of her physiological contribution] // Fiziologiia Cheloveka. 1984. V. 10. № 1. P. 144.Рыжиков Г.В., Классина С.Я. Пространственно-временная структура "кванта" производственной деятельности контролера и его физиологическое обеспечение // Физиология человека. 1984. Т. 10. № 1. С. 144.Klassina S.Ya. [Anaerobic threshold and its representation in systemic categories of human sports activity] // Sport. Med.: Res. Prac. 2017. V. 7. № 3. P. 65.Классина С.Я. Порог анаэробного обмена и его представление в системных категориях спортивной деятельности человека // Спортивная медицина: наука и практика. 2017. Т. 7. № 3. С. 65.Kriklenko E.A., Kovaleva A.V., Likhomanova E.N. An Individualized Approach to Skin Conductance Assessment during Execution of Tasks of Different Complexities // Bull. Exp. Biol. Med. 2024. V. 176. P. 310.Крикленко Е.А., Ковалева А.В., Лихоманова Е.Н. Индивидуализированный подход к анализу кожной проводимости в процессе выполнения заданий разного уровня сложности // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2023. Т. 176. № 9. C. 286.Klassina S.Ya. [Hildebrandt index as a prognostic criterion of abandonment of an intense physical activity] // Sci. Sport: Curr. Trends. 2019. V. 23. № 3. P. 68.Классина С.Я. Индекс Хильдебрандта как прогностический критерий отказа от интенсивной физической нагрузки // Наука и спорт: современные тенденции. 2019. Т. 23. № 2. С. 68.