Feedback and time factor in systemic organization of purposeful behavior of a human in reproduction of visual images

Full Text

В соответствии с положениями теории функциональных систем [1, 2, 9, 10] пространственно-временная организация целенаправленного поведения человека формируется на основе взаимосодействия всех его составляющих для достижения полезных приспособительных результатов. Важнейшим звеном функциональных систем всех уровней организации является обратная связь. Она играет решающую роль в саморегуляции поведения и в системной организации физиологических функций в организме человека в целом. Согласно теории функциональных систем обратная связь обеспечивает органы управления функциональных систем информацией о степени достижения необходимого для организма в данный момент результата и участвует в аксиологических и коррегирующих процессах. Таким образом, функционирование обратных связей можно рассматривать как часть механизмов поведенческого системогенеза, которые лежат в основе формирования новых форм адаптивного поведения человека [4, 5, 8, 9]. Существенным фактором в системной организации целенаправленного поведения имеет также фактор времени [5, 9]. Дефицит времени, необходимого для обработки информации при реализации целенаправленного поведения, может выступать важным фактором при формировании особенностей системной организации целенаправленной деятельности у человека и его результативности [5]. Целью настоящей работы являлось изучение роли обратной связи в системной организации целенаправленного поведения при воспроизведении испытуемыми зрительных образов с изменяемым временем их экспозиции. Материалы и методы В исследованиях добровольно принимали участие испытуемые обоего пола - студенты Рязанского государственного медицинского университета имени академика И.П. Павлова (148 испытуемых) в возрасте от 18 до 20 лет. На проведение работы получено разрешение ЛЭК. 50 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, №1, 2014 г. Для моделирования целенаправленной деятельности человека применяли тестовую микропроцессорную систему «Мнемотест», которая позволяла предъявлять испытуемому зрительные образы различной степени сложности и в различных контролируемых по времени режимах. На специальном пульте испытуемому предъявляли тестовый зрительный образ (ЗО), состоящий из светящихся и несветящихся элементов, расположенных на поле размером 8x8 элементов. Каждый ЗО предъявляли на некоторое время экс позиции, в течение которого необходимо было запомнить расположение светящихся элементов (этап экспозиции, см. рис. 1). Для метода М1 время экспозиции ЗО не было ограничено и задавалось самим испытуемым, а для метода М2 оно было фиксированным и составляло 5000 мсек. После выключения светящихся элементов матрицы испытуемый должен был его воспроизвести, нажимая специальным щупом на те элементы матрицы, свечение которых он запомнил на этапе экспозиции (этап воспроизведения). Рис. 1. Схема пульта испытуемого с вариантом предъявляемого светового образа На этапе воспроизведения были установлены режимы без обратной связи (методики М1 и М2). В этом случае после подачи звукового сигнала, являющегося пусковым для этапа воспроизведения, на матрице ответов отсутствовали какие-либо световые стимулы (матрица погашена). Правильным ответом являлось нажатие на элемент матрицы, соответствующий светящемуся на этапе экспозиции, неправильным - нажатие на элемент, соответствующий не светящемуся. Однако, оценить правильность своих ответов испытуемые не могли. В режимах с обратной связью (методики М1(ОС) и М2(ОС)) каждый ответ воспроизводился в виде свечения в поле матрицы, если ответ был правильным. Неправильно нажатые элементы матрицы не светились, но регистрировались прибором как ошибочные. В этой связи испытуемый имел возможность оценить правильность своих ответов и внести коррективы. Таким образом, в ходе исследования были использованы 4 методики: М1-режим с неограниченным временем экспозиции без обратной связи; М1(ОС)- режим с неограниченным временем экспозиции с обратной связью; М2 - режим с экспозицией зрительного образа (ЗО) 5000 мсек. без обратной связи; М2(ОС) - режим с экспозицией ЗО 5000 мсек. с обратной связью. Показатели обследования вычислял микропроцессор прибора «Мнемотест» путем усреднения результатов выполнения заданного параметром К числа микрообследований. Для этого по каждому I - микрообследованию (i=1,2,...K) аппарат оценивал следующие величины: Ri- количество правильных реакций в i- м микрообследовании; 51 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, №1, 2014 г. Еі -количество ошибок в i- м микрообследовании; Пі -количество ответов в i- м микрообследовании; Тэi -время экспозиции в i-м микрообследовании; Тві -время воспроизведения в i-м микрообследовании. По окончании обследования комплекс вычислял производные показатели: 1) Среднее количество правильных ответов на один ЗО; 2) Дисперсия правильных ответов по обследованию; 3) Среднее количество ошибок на один ЗО; 4) Дисперсия ошибок по обследованию; 5) Среднее количество ответов на один ЗО; 6) Дисперсия ответов по обследованию; 7) Среднее время экспозиции ЗО (методика М1); 8) Дисперсия времени экспозиции ЗО (методика М1); 9) Среднее время воспроизведения ЗО; 10) Дисперсия времени воспроизведения ЗО; 11) Среднее время между реакциями по всей совокупности ответов во всех микрообследованиях; 12)Дисперсия времени между реакциями. Качество выполнения целенаправленной деятельности мы предложили определять по формуле: Кач-во работы (%) = = (Кол-во правильных ответов - Кол-во ошибок) Всего ответов «Физиологическая стоимость» целенаправленной деятельности испытуемых оценивалась на основе показателей вариабельности сердечного ритма (ВСР) [3]. Для этого у испытуемых до и после воспроизведения ЗО регистрировали сердечный ритм с помощью программноаппаратного комплекса «Варикард» (ООО «Рамена», Россия). Затем в соответствии с алгоритмом, предложенном Р.М. Баевским [3], реализовывали математикостатистическую обработку полученных данных с привлечением вариационной статистики, автокорреляционного и спектрального анализа по каждому испытуемому в отдельности. После сведения данных в таблицы в целом по выборке проводили их обработку с изучением внутри- и межгрупповых свойств методами вариационной статистики [7], в том числе с использованием метода корреляционного анализа. Результаты и их обсуждение На первом этапе исследований (33 испытуемых обоего пола) провели изучение влияния времени экспозиции ЗО и обратной связи на статистические характеристики целенаправленной деятельности испытуемых при воспроизведении ими ЗО (табл. 1). Как следует из данных представленных в таблице 1 на характер целенаправленной деятельности испытуемых оказывают влияние как время экспозиции светового образа (статистические характеристики деятельности испытуемых при реализации методик М1 и М2), так и ОС (статистические характеристики деятельности испытуемых при реализации методик М1(ОС) и М2(ОС)). Так в ситуации с фиксацией времени экспозиции ЗО количество правильных ответов снижается с 10,32 ± 0,44 до 6,98 ± 0,25 (Pd<0,01), формируется тенденция на возрастание количества ошибок и достоверное снижение качества работы с 50,33 ± 5,35 % до 26,59 ± 2,51 % (Pd<0,001). В исследованиях с подключением ОС возрастало количество правильных ответов как без фиксации времени экспозиции ЗО (М^, так и с фиксацией времени экспозиции СО (М2). В первом случае количество правильных ответов возрастало с 10,32 ± 0,44 до 12,81 ± 0,43 (Pd <0,001). Во втором с 6,98 ± 0,25 до 10,19 ± 0,47 (Pd<0,001). Обращает на себя внимание факт, что одновременно с этим при реализации обеих методик имело место увеличение общего количества ответов испытуемых, нарастание количества ошибочных ответов и появление тенденции к снижению качества работы. 52 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, №1, 2014 г. Таблица 1 Статистические характеристики деятельности испытуемых при воспроизведении ЗО без обратной связи (Мх И М2) и с обратной связью (Мх (ОС) И М2 (ОС)) Показатели М1 М ± m (n=33) М1(ОС) М ± m (n=33) Pd М2 М ± m (n=33) М2(ОС) М ± m (n=33) Pd Количество правильных ответов 10,32± 0,44 12,81± 0,43 <0,001 6,98±0,25 10,19± 0,47 <0,001 Количество ошибок 3,54± 0,46 5,93± 1,11 <0,05 4,45±0,43 9,14± 1,62 <0,01 Всего ответов 13,86± 0,19 18,43 ±1,11 <0,001 11,43± 0,48 22,66 ± 2 <0,001 Время экспозиции 53,12± 6,91 36,24± 3,31 <0,05 - - - Время воспроизведения 37,07± 3,05 36,98± 3,08 >0,05 18,13± 1,55 27,88± 3,14 <0,05 Время между реакциями 2,25± 0,18 1,68± 0,12 <0,01 1,33±0,12 1,28± 0,16 >0,05 Качество работы (%) 50,33 ± 5,35 44,61± 6,61 >0,05 26,59± 2,51 21,29 ± 5,84 > 0,05 Для выяснения влияния гендерных различий на статистические характеристики целенаправленной деятельности испытуемых при воспроизведении ими ЗО, мы разделили изучаемую выборку по половому признаку и провели сравнение показателей деятельности девушек и юношей (табл. 2). Таблица 2 Статистические характеристики деятельности девушек и юношей в изучаемой выборке при воспроизведении ими ЗО Показатели Сравниваемые методики Девушки (n=18) М ± m Юноши (n=15) М ± m Pd М1 9.98 ± 0.61 10.7 ± 0.65 > 0,05 Количество М1(ОС) 12,57± 0,54 13,11 ±0,65 > 0,05 правильных ответов М2 6,49 ± 0,3 7,57 ±0,36 <0,05 М2(ОС) 9,74 ± 0,6 10,74 ± 0,7 > 0,05 М1 3,57 ± 0,69 3,5 ± 0,61 > 0,05 Количество М1(ОС) 6,34 ± 1,01 5,4 ± 2,04 > 0,05 ошибок М2 4,47 ± 0,54 3,83 ± 0,65 > 0,05 М2(ОС) 10,18 ±3,04 8,28 ±1,5 > 0,05 М1 13,55 ± 0,64 14,2 ± 0,5 > 0,05 Всего ответов М1(ОС) 18,49 ± 0,92 18,35 ± 2,1 > 0,05 М2 11,46 ± 0,56 11,4 ± 0,81 > 0,05 М2(ОС) 23,73 ± 3,64 21,71 ± 2 > 0,05 Время экспозиции М1 44,34 ± 5,29 63,08 ±13,27 > 0,05 М1(ОС) 31,8 ± 2,93 42,05 ± 5,82 > 0,05 М1 37,59 ± 4,75 36,49 ± 3,81 > 0,05 Время М1(ОС) 38,33 ± 4,62 35,22 ±3,41 > 0,05 воспроизведения М2 20,58 ± 2,39 15,2 ±1,52 > 0,05 М2(ОС) 31,47 ± 4,93 23,57 ± 3,32 > 0,05 М1 2,4 ± 0,29 2,08 ± 0,19 > 0,05 Время между реакциями М1(ОС) 1,69 ± 0,17 1,67± 0,13 > 0,05 М2 1,46 ± 0,19 1,17 ± 0,13 > 0,05 М2(ОС) 1,48 ± 0,19 1,03 ± 0,11 <0,05 М1 73,07 ± 7,4 51,39 ± 8 > 0,05 Качество М1(ОС) 37,43 ± 7,52 53,99 ± 10,37 > 0,05 выполненной работы М2 58,09 ± 2,7 69,53 ± 3,9 <0,05 М2(ОС) 17,38 ± 6,14 25,99 ±10,41 > 0,05 53 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, №1, 2014 г. Представленные данные свидетельствуют о том, что по большей части показателей различий при воспроизведения ЗО у юношей и девушек не выявлено. Статистически значимые различия установлены лишь в случае воспроизведения юношами ЗО с фиксированным временем экспозиции (М2). В этой ситуации юноши воспроизводили больше правильных ответов, отличались более высоким качеством выполненной работы и с меньшим временем между реакциями (М2 (ОС)). В целом же при воспроизведении ЗО юношами и девушками при фиксации времени экспозиции ЗО и подключении ОС реализуются сопоставимые закономерности. Таким образом, на первом этапе исследований установлено, что гендерные различия существенно не влияют на характер целенаправленной деятельности испытуемых при воспроизведении ими зрительных образов. Существенное влияние на характер целенаправленной деятельности испытуемых при воспроизведении зрительных образов оказывают время экспозиции ЗО и ОС. При этом возникало впечатление, что и уменьшение времени экспозиции ЗО и подключение ОС при воспроизведении ЗО ухудшали качество целенаправленной деятельности человека. Однако, если данные о Представленные данные свидетельствуют о том, что уменьшение времени экспозиции ЗО до 5000 мсек. выявляет различия в деятельности испытуемых при воспроизведении ими ЗО и по выбранному критерию позволяет их разделить на две подгруппы: подгруппу «Успешные» (32%) и подгруппу «Неуспешные» (68%). При этом подключе роли фактора времени в формировании целенаправленной деятельности человека совпадали с данными литературы [5, 6] то данные о роли обратной связи в системной организации целенаправленной деятельности человека, в частности, при воспроизведении ЗО требовали уточнения. Поэтому на втором этапе исследований мы попытались выяснить в какой степени изучаемые факторы влияют на успешность деятельности каждого испытуемого, а затем сформировать по этому критерию однородные подгруппы. В этой связи на основе закономерности Джорджа Миллера, согласно которой в среднем хорошо фиксируются и воспроизводятся 7 элементов предъявляемых образов, все испытуемые были разделены на 2 подгруппы: «успешные», дающие 7 и более правильных ответов при воспроизведении ЗО и «неуспешные», дающие менее 7 правильных ответов при воспроизведении ЗО (табл. 3). Следует отметить, что при неограниченной по времени экспозиции ЗО все испытуемые по выбранному критерию относились к группе «Успешные». Основные различия по выбранному критерию успешности деятельности возникали у испытуемых при воспроизведении зрительных образов с фиксированным временем экспозиции ЗО - М2 и М2 (ОС) (табл. 3). ние ОС при воспроизведении ЗО существенно повышает результативность деятельности испытуемых и подгруппа «Успешные» увеличивается в изучаемой выборке до 88%, а подгруппа «Неуспешные» уменьшается до 12%. Статистические характеристики деятельности представителей указанных подгрупп представлены в таблице 4. Таблица 3 Доля испытуемых, отнесённых к группам «Успешные» и «Неуспешные» при воспроизведении ЗО по методикам М2, И М2(ОС) Методика «Успешные» «Неуспешные» n % n % М2 37 32 78 68 М2(ОС) 101 88 14 12 54 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, №1, 2014 г. Таблица 4 Статистические характеристики деятельности испытуемых с различной успешностью воспроизводящих ЗО в режимах М2, и М2(ОС) Показатели Методика «Успешные» «Неуспешные» Pd n M ± m n M ± m Количество правильных ответов М2 37 7,89± 0,18 78 5,67± 0,09 <0,001 М2 (ОС) 101 9,83± 0,22 14 5,9 ± 0,14 <0,001 Количество ошибок М2 37 4,31± 0,43 78 4,33 ± 0,28 >0,05 М2 (ОС) 101 9,96 ± 0,8 14 3,16± 0,49 <0,001 Всего ответов М2 37 12,2 ± 0,48 78 10 ± 0,29 <0,01 М2 (ОС) 101 19,8± 0,98 14 9,62 ± 0,53 <0,001 Время воспроизведения М2 37 20,68 ±1,94 78 18,16± 0,91 >0,05 М2 (ОС) 101 26,74 ±1,53 14 15,59± 1,89 <0,001 Время между реакциями М2 37 1,4 ± 0,13 78 1,4± 0,07 > 0,05 М2 (ОС) 101 1,17 ±0,05 14 1,4 ± 0,16 > 0,05 Качество работы М2 37 34,81± 4,57 78 19,8 ± 3,36 <0,05 М2 (ОС) 101 11,95 ±3,13 14 35 ± 5,63 <0,001 При описании системной организации целенаправленной деятельности необходимо не только представить характеристики внешних проявлений деятельности испытуемых, но и её «физиологическую стоимость». Однако при сравне нии показателей ВСР, используемых для характеристики ценовых показателей деятельности, у испытуемых, входящих в группы с различной успешностью воспроизводящие ЗО, достоверных различий выявлено не было (табл. 5). Таблица 5 Сопоставление показателей вариабельности ритма сердца при воспроизведении ЗО в группах «Успешные» и «Неуспешные» Показатели ВСР «Успешные» «Неуспешные» до M ± m после M ± m Pd до M ± m после M ± m Pd HR 79,89 ± 2,22 79,53 ± 2,33 > 0,05 77,53 ± 1,73 78,45 ± 1,52 > 0,05 MxDMn 274,26± 14,22 264,47 ± 21,27 > 0,05 299,4 ± 17,67 299,0 ± 15,92 > 0,05 SDNN 55,47 ± 3,88 75,47 ± 20,13 > 0,05 63,6 ± 4,8 59,65 ± 3,46 > 0,05 СТ% 7,28 ± 0,46 7,17 ± 0,46 > 0,05 7,76 ± 0,5 7,57 ± 0,36 > 0,05 SI 112,26 ± 15,99 115,84 ± 16,69 > 0,05 139,55 ± 30,57 136,08 ± 24,11 > 0,05 HF 37,85 ± 4,32 33,05 ± 3,91 > 0,05 40,48 ± 3,21 40,29 ± 3,01 > 0,05 LF 44,91 ± 4,29 46,04 ± 3,79 > 0,05 42,01 ± 2,68 43,28 ± 2,62 > 0,05 VLF 17,24 ± 2,29 20,92 ± 2,04 > 0,05 16,61 ± 1,3 16,45 ± 1,29 > 0,05 IC 3,73 ± 1,73 3,4 ± 0,91 > 0,05 2,37 ± 0,38 2,21 ± 0,27 > 0,05 Примечание: HR - частота сердечных сокращений; MnMxD-вариационный размах; SDNN -среднее квадратичное отклонение; CV- коэффициент вариации; SI - индекс напряжения регуляторных систем; HF- высоко-частотный спектр огибающей кардиоритмограммы; LF- низкочастотный спектр огибающей кардиоритмограммы; VLF - сверхнизко-частотный спектр огибающей кардиоритмограммы; IC = (VLF+ LF/HF) - индекс централизации. В связи с этим мы прибегли к кор- различий системной организации целена-реляционному анализу для выявления правленной деятельности по воспроизве- 55 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, №1, 2014 г. дению ЗО у групп испытуемых с различной успешностью деятельности. Кроме того, степень выраженности корреляционных связей между показателями системной организации, при прочих равных условиях, характеризует наиболее оптимальную интеграцию элементов системы для достижения полезных приспособительных результатов [6, 11]. Корреляционные плеяды, отражающие характер корреляционных связей между показателями ВСР и показателями деятельности при воспроизведении испытуемыми ЗО в сравниваемых группах, представлены на рисунках 2 и 3. До работы на «Мнемотесте» После работы на «Мнемотесте» Рис. 2. Динамика корреляционных связей между основными показателями деятельности при воспроизведении ЗО и показателями ВСР при реализации методики М2 в группе «Успешные» Условные обозначения: а) значения и знак коэффициентов корреляции - 0,3-0,5; 0,5-0,7; 0,7 и более. (+) - указывает на положительный характер связи; отсутствие знака указывает на (-) характер связи). б) Показатели деятельности по воспроизведению ЗО: 1. Количество правильных ответов 4. Время воспроизведения 2. Количество ошибок 5. Время между реакциями 3. Всего ответов 6. Качество работы 56 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, №1, 2014 г. До работы на «Мнемотесте» После работы на «Мнемотесте» IC Рис. 3. Динамика корреляционных связей между основными показателями деятельности при воспроизведении ЗО и показателями ВСР при реализации методики М2 в группе «Неуспешные» Условные обозначения: те же, что и на рисунке 1. На представленных рисунках отчётливо видно, что у испытуемых, успешно воспроизводящих ЗО, до начала деятельности выражены корреляционные связи между показателями ВСР и показателями будущего результата деятельности, тогда как в группе «неуспешных» испытуемых значимых корреляционных связей значительно меньше. Это может свидетельствовать о более оптимальной предпусковой интеграции системной организации целенаправленной деятельности испытуемых группы «успешных» по воспроизведению ЗО и может отражать причину более высокой результативности деятельности представителей этой группы. Выводы 1. Время экспозиции зрительных образов и наличие обратных связей, информирующих о результатах воспроизведения зрительных образов, оказывают влияние на характер показателей деятельности испытуемых. 2. Гендерные различия в изучаемой выборке не влияют на показатели деятельности по воспроизведению зрительных образов испытуемыми. 3. Ограничение времени экспозиции зрительных образов 5000 миллисекундами существенно перестраивает деятельность испытуемых по их воспроизведению, что позволяет выделить две группы, участвующих в исследовании: группу испытуемых «успешно воспроизводящих зрительные образы» и группу «неуспешно воспроизводящих зрительные образы». 57 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, №1, 2014 г. 4. Наличие обратных связей о результатах деятельности испытуемых повышает успешность их деятельности, увеличивая группу «успешно-воспроиз-водящих зрительные образы». 5. Группа испытуемых «успешно -воспроизводящих зрительные образы» по сравнению с группой «неуспешно-вос-производящих зрительные образы» характеризуется более выраженными корреляционными связями между показателями вариабельности сердечного ритма и показателями будущего результата деятельности, что может свидетельствовать о более оптимальной предпусковой интеграции системной организации целенаправленной деятельности испытуемых этой группы.

References

Supplementary files