Выделение голоса целевого диктора в условиях речевой конкуренции у школьников с различным психоэмоциональным статусом

Полный текст

Процесс адаптации детей к образовательной среде нередко сопровождает формирование у них тревожных состояний, сочетающихся с изменением регуляции сердечной деятельности [6, 11]. Увеличение тонуса симпатической нервной системы в отношении сердца и, как следствие, изменение кардиоритма при развитии психоэмоционального напряжения у ребенка в условиях средней школы [6, 11, 12] открывает возможность использования скринингового анализа вариабельности сердечного ритма (ВСР) в качестве маркера данного состояния [7, 9]. Эта возможность может быть применена к условиям тестирования восприятия речевых сигналов у школьников разного возраста. Акцент в этом направлении определяют современными тенденциями в области коммуникативного поведения детей и статистики проявлений трудностей обучения, связанных с недостаточной сформированностью функции речи и навыков слухового анализа речевых и неречевых сигналов, наблюдающихся с дошкольного возраста. Это имеет место как при наличии специфических сенсорно-когнитивных нарушений, так и при условно нормальном развитии ребенка [15, 17].

Исследование направлено на выявление связи восприятия одного из базовых параметров речи — голоса, участвующего в идентификации и передаче психофизиологических особенностей диктора и интонации высказывания [14, 16], в условиях эмоционально-зависимого преобладания тонуса симпатической либо парасимпатической системы у слушателей. Задача представляется актуальной в связи с проблемой слухового анализа сложной акустической сцены с выделением целевого диктора и распознаванием его речи [23] в условиях образовательной среды. В аспекте усвоения учебной информации значимость этой проблемы многократно возрастает из-за нарастающей визуализации процессов обучения и коммуникации с помощью цифровых технологий.

Цель работы — сравнительный анализ характеристик ВСР как объективного показателя, связанного с психоэмоциональным напряжением школьника и слухового восприятия речи в условиях сложной сцены: конкуренции речевых сигналов, произнесенных разными голосами.

МЕТОДЫ

Исследование выполнено в рамках договора о сотрудничестве между Санкт-Петербургским педиатрическим медицинским университетом и средней общеобразовательной школой № 225 Адмиралтейского района Санкт-Петербурга, на базе которой проводилась работа. В обследовании приняли участие 44 подростка обоего пола, из них 31 девушка и 13 юношей в возрасте от 13 до 16 лет — ученики данной школы. Родители или законные представители каждого ребенка подписывали информированное согласие на участие школьника в исследовании. Работа проводилась с соблюдением основных норм биомедицинской этики в соответствии с документом «Этические принципы проведения медицинских исследований с участием людей в качестве субъектов исследования» (Хельсинкская декларация Всемирной медицинской ассоциации 1964 г. с изменениями и дополнениями на 2008 г.). Всем добровольцам в течение факультативного урока-семинара «Основы организации научных исследований» в положении сидя проводили регистрацию фотоплетизмограммы на I пальце правой руки с применением программно-аппаратного комплекса BioMouse («Биомышь исследовательская КПФ-01b», ЗАО «Нейролаб», Россия) с целью последующего анализа кардиоинтервалограммы. Подобный способ получения кардиоинтервалов является эффективным и общепринятым [24, 29]. С помощью компьютерной системы сбора и анализа данных «Комлекс BioMouse», версия 3.1, сборка 4120 (редакция 2733) производства ЗАО «Нейролаб» рассчитывались основные показатели ВСР. Анализировали среднюю частоту сердечных сокращений (ЧСС, уд/мин); среднее значение кардиоинтервалов (RR, мс); разброс кардиоинтервалов (MxDMn, мс); среднее квадратичное отклонение NN кардиоинтевала (SDNN, мс); среднеквадратичное различие между длительностью соседних RR интервалов (RMSSD, мс); долю соседних интервалов RR, которые различаются более, чем на 50 мс, выраженную в процентах (pNN50, %); амплитуду моды — процентное соотношение кардиоинтервалов, попавших в диапазон моды (AMo, %); индекс напряжения вычислялся на основании анализа графика распределения кардиоинтервалов — вариационной пульсограммы (ИН, усл. ед.); мощность и относительную величину (%) высокочастотной составляющей спектра (Hight Frequency, HF, мс², и HF, %); мощность и относительную величину низкочастотной составляющей спектра (Low Frequency, LF, мс², и LF, %); мощность и относительную величину «очень» низкочастотной составляющей спектра (Very Low Frequency, VLF, мс², и VLF, %); мощность и относительную величину в ультранизкочастотной составляющей спектра (Ultra Low Frequency, ULF, мс², и ULF, %); суммарную мощность всех компонентов спектра (Total Power, TP, мс²).

На основании анализа параметров ВСР осуществляли отбор испытуемых в экспериментальные группы согласно общепринятой методике [22]. На первом этапе отбора критерием включения испытуемого в группу детей с преобладанием тонуса симпатической нервой системы (ПТСНС) являлась одна из двух комбинаций у данного испытуемого: либо ИН больше 100 усл. ед. и VLF больше 240 мс², либо ИН больше 100 усл. ед. и VLF преимущественно 240 мс² [22]. Критерием включения испытуемого в группу детей с преобладанием тонуса парасимпатической нервной системы (ПТПНС) была одна из двух комбинаций у данного испытуемого: либо ИН больше 25 и меньше 100 усл. ед. и VLF больше 240 мс², либо ИН меньше 25 усл. ед. и VLF больше 500 мс² [22]. Критерием исключения испытуемого из обследования являлось непопадание полученных ИН и (или) VLF в указанные диапазоны. На втором этапе проводилось сравнение всех показателей ВСР с целью выявления их отличительных особенностей в группах детей с ПТСНС и ПТПНС. В соответствии с этой методикой [22], у детей с ПТСНС имеют место статистически значимо большие значения AMo, %, и ИН и меньшие значения RR, MxDMn, RMSSD, pNN50 %, SDNN, TP и HF. Преобладание ПТПНС характеризуется статистически значимым возрастанием значений RR, MxDMn, RMSSD, pNN50 %, SDNN, TP и HF и снижением AMo, %, и ИН. Результаты данного сравнения считались дополнительным критерием разделения испытуемых по преобладанию тонуса вегетативной нервной системы (ВНС). При отсутствии указанных отличий классификация испытуемых на группы с ПТСНС и ПТСНС считалась несостоятельной [22].

Для оценки характеристик слухового анализа использовали тест «Речевой коктейль» из набора инструментальных методик, разработанных в лаборатории психофизиологии речи Института физиологии им. И.П. Павлова РАН, совместно с Санкт-Петербургским НИИ уха, горла, носа и речи МЗ РФ, используемых при реабилитации пациентов после кохлеарной имплантации [10, 19], а также в образовательных учреждениях [4, 17, 19]. Измерения проводили с помощью переносного комплекса, включающего ноутбук, головные телефоны Sennheiser HD555 и запатентованное программное обеспечение AudioStudy version 2.1 для звуковой стимуляции и фиксации ответов испытуемого в формате таблиц Excel из прикладного пакета Microsoft Office 2010 [18]. Прослушивание осуществляли на комфортном уровне стимуляции, соответствующем 60–65 дБ относительно порога слышимости тестового сигнала. Испытуемым предъявляли 10 пар трехсложных слов, произнесенных одновременно двумя дикторами — мужчиной (средняя частота основного тона голоса — F0ср = 108 Гц) и женщиной (F0ср = 185 Гц). Слова не имели семантических связей друг с другом, например «борода», «барабан», «ягода», «диван». Голосовые характеристики дикторов соответствовали стандартным диапазонам распределения значений F0 по половому признаку [14]. Перед испытуемыми стояла задача выделения и распознавания целевых слов из предъявляемого «речевого коктейля». В рамках первой серии опытов целевыми являлись слова, сказанные женским голосом, второй серии — мужским. Программа фиксировала ответы: правильные, ошибочные и пропуски, а также измеряла время реакции на слуховой стимул у испытуемого [18].

Сравнение показателей ВСР, а также времени реакции на звуковой стимул у детей в двух независимых выборках (группы ПТСНС и ПТПНС) проводили с применением U-критерия Манна – Уитни. Вычисления производили с применением встроенных функций Excel из прикладного пакета Microsoft Office 2010; программы статистической обработки данных Past version 2.17, Norway, Oslo, 2012 [21, 26]. Количественное сравнение числа правильных или ошибочных ответов и пропусков проводилось оценкой однородности распределения данных показателей у детей в группах ПТСНС и ПТПНС. Для этого использовали точный критерий Фишера для таблиц сопряженности признаков 2 × 3 с вычислением доли правильных или ошибочных ответов и пропусков у испытуемых в двух экспериментальных группах. Расчеты производили с применением встроенных функций Excel из прикладного пакета Microsoft Office 2010 и алгоритма статистической обработки данных StatXact-8 с программной оболочкой Cytel Studio version 8.0.0 [21]. Во всех случаях статистически значимыми считали результаты при p < 0,05. Полученные данные представлены в виде: средних значений параметра ВСР или времени реакции на звуковой стимул, доли правильных или ошибочных ответов и пропусков у испытуемых в группах ПТСНС и ПТПНС, а также нижней границы 95 % доверительного интервала (CI); верхней границы 95 % доверительного интервала параметра ВСР или времени реакции на звуковой стимул, параметра ВСР или времени реакции на звуковой стимул (µ (L.L.; U.L. 95 % CI)).

РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате исследования выявлено долевое соотношение испытуемых с ПТСНС 0,16 (0,07; 0,31) и ПТПНС 0,84 (0,69; 0,93) по отношению к общему числу обследованных, что соответствует данным литературы [3, 6, 13].

Анализ показал, что у детей с ПТСНС имеют место статистически значимо большие значения AMo, %, и ИН и статистически меньшие значения RR, MxDMn, RMSSD, pNN50 %, SDNN, TP и HF, чем у школьников с ПТПНС (табл. 1). У испытуемых с ПТПНС обнаружено статистически значимо большие значения RR, MxDMn, RMSSD, pNN50 %, SDNN, TP и HF и статистически значимо меньшие значения AMo, %, и ИН, чем у детей с ПТСНС (табл. 1).

 

Таблица 1 / Table 1 Оценка тонуса вегетативной нервной системы по комплексу показателей ВСР (µ (L.L.; U.L. 95 % CI)) Assessment of vegetative system tone by a complex of cardiac rhythm variability (µ (L.L.; U.L. 95 % CI))
Показатель / Parameter	Группа детей / Сhildren		p-значения / p-values
	С ПТСНС / With prevailing sympathetic nervous system	С ПТПНС / Wailing parasympathetic nervous system
ЧСС, уд/мин / Heart rate, contractions per minute	94,87 (89,07; 100,87)	72,16 (73,54; 80,76)	0,0001906
RR, мс	633,86 (596,36; 671,35)	794,85 (754,17; 835,53)	0,0001905
MxDMn, мс	273,43 (279,27; 299,58)	675,44 (576,67; 775,20)	3,20 · 10–5
SDNN, мс	42,43 (35,15; 49,71)	133,18 (104,62; 161,74)	3,88 · 10–5
RMSSD, мс	604,30 (547,94; 660,66)	1198,58 (1078,80; 1318,30)	3,65 · 10–5
pNN50, %	3,80 (2,61; 4,99)	15,91 (13,62; 18,21)	3,641 · 10–5
AMo, %	43,91 (35,50; 52,33)	27,47 (24,90; 30,05)	0,0003077
ИН, усл. ед.	128,23 (99,43; 157,03)	36,76 (29,46; 44,07)	3,193 · 10–5
HF, мс2	865,79 (691,18; 1040;40)	1603,68 (1448,30; 1759,10)	0,0002427
HF, %	38,17 (34,23; 42,11)	31,62 (28,31; 34,93)	0,0639
LF, мс2	909,03 (707,80; 1110,30)	1940,21 (1691,30; 2189,10)	0,118
VLF, мс2	378,53 (308,31; 448,75)	1437,47 (1101,80; 1773,10)	0,000165
VLF, %	16,69 (14,87; 18,51)	23,05 (20,49; 25,61)	0,03754
ULF, мс2	124,96 (71,91; 178,00)	684,85 (449,83; 919,86)	0,0073
ULF, %	5,43 (3,49; 7,37)	9,76 (7,36; 12,17)	0,2212
TP, мс2	2278,30 (1855,60; 2701,00)	5666,21 (4828,90; 6503,60)	4,166 · 10–5

 

Из результатов исследования видно, что при выявлении целевого слова, произнесенного женским голосом, распределение доли правильных или ошибочных ответов и пропусков не однородно и отличается у испытуемых в группе с ПТСНС и ПТПНС. Следовательно, доли правильных или ошибочных ответов и пропусков зависят от преобладания тонуса вегетативной нервной системы на выбранном уровне значимости (табл. 2).

 

Таблица 2 / Table 2 Параметры выявления целевых слов, произнесенных женским голосом у подростков с различным тонусом вегетативной нервной системы (µ (L.L.; U.L. 95 % CI)) Goal-driven (target) words revelation parameters in case of female voce vocalization in adolescents with vegetative system tone various types (µ (L.L.; U.L. 95 % CI))
Группа детей / Сhildren	Параметр / Parameter
	Доля правильных ответов / Correct answers percentage	Доля ошибок / Incorrect answers percentage	Доля пропусков / Percentage of skipped questions	p-значение / p-values	Время реакции, мс / Time of reaction, ms	p-значение / p-values
С ПТСНС / With prevailing sympathetic nervous system	0,87 (0,66; 0,97)	0,10 (0,018; 0,29)	0,03 (0,00056; 0,20)	0,003223	3,18 (2,76; 3,60)	0,007311
С ПТПНС / With prevailing parasympathetic nervous system	0,96 (0,91; 0,98)	0,044 (0,018; 0,09)	0 (0; 0,02)		2,57 (2,43; 2,72)

 

Определено, что при выявлении целевого слова, произнесенного мужским голосом, распределение доли правильных или ошибочных ответов и пропусков однородно и не отличается у испытуемых в группах с ПТСНС и ПТПНС. Следовательно, доли правильных или ошибочных ответов и пропусков не зависят от преобладания тонуса вегетативной нервной системы на выбранном уровне значимости (табл. 3).

 

Таблица 3 / Table 3 Параметры выявления целевых слов, произнесенных мужским голосом у подростков с различным тонусом вегетативной нервной системы (µ (L.L.; U.L. 95 % CI)) Goal-driven (target) words revelation parameters in case of male voce vocalization in adolescents with vegetative system tone various types (µ (L.L.; U.L. 95 % CI))
Группа детей / Children	Параметр / Parameter
	Доля правильных ответов / Correct answers percentage	Доля ошибок / Incorrect answers percentage	Доля пропусков / Percentage of skipped questions	p-значение / p-values	Время реакции, мс / Time of reaction, ms	p-значение / p-values
С ПТСНС / With prevailing sympathetic nervous system	0,89 (0,71; 0,97)	0,11 (0,028; 0,29)	0 (0; 0,12)	0,7585	2,48 (2,16; 2,81)	0,5924
С ПТПНС / With prevailing parasympathetic nervous system	0,88 (0,81; 0,93)	0,12 (0,068; 0,19)	0,0054 (9,08 · 10–5; 0,05		2,79 (2,16; 2,81)

 

При этом гендерных различий восприятия целевого слова, произнесенного мужским и женским голосом, не обнаружено: распределение доли правильных или ошибочных ответов и пропусков однородно и не отличается у юношей и девушек. Следовательно, доли правильных или ошибочных ответов и пропусков не зависят от гендерной принадлежности испытуемого на выбранном уровне значимости (табл. 4). Такой результат свидетельствует о возможности формирования гендерно однородной экспериментальной группы испытуемых для решения указанных задач.

 

Таблица 4 / Table 4 Гендерные различия опознавания слов, произнесенных мужским и женским голосом (µ (L.L.; U.L. 95 % CI)) Gender differences in words’ revelation pronounced by a masculine and feminine voices (µ (L.L.; U.L. 95 % CI))
Группа испытуемых / Test group	Параметр / Parameter
	Доля правильных ответов / Correct answers percentage	Доля ошибок / Incorrect answers percentage	Доля пропусков / Percentage of skipped questions	p-значение / p-values	Время реакции, мс / Time of reaction, ms	p-значение / p-values
Опознание слов, произнесенных мужским голосом / Recognition of words pronounced by masculine voice
Юноши / Young men	0,90 (0,79; 0,96)	0,08 (0,03; 0,19)	0,014 (0,00024; 0,09)	0,2969	2,80 (2,26; 3,36)	0,9955
Девушки / Young girls	0,86 (0,80; 0,92)	0,14 (0,08; 0,20)	0 (0; 0,02)		2,70 (2,46; 2,92)
Опознание слов, произнесенных женским голосом / Recognition of words pronounced by feminine voice
Юноши / Young men	0,89 (0,78; 0,96)	0,09 (0,04; 0,20)	0,013 (0,00022; 0,08)	0,3337	2,79 (2,45; 3,13)	0,3185
Девушки / Young girls	0,92 (0,86; 0,96)	0,08 (0,04; 0,14)	0 (0; 0,02)		2,57 (2,42; 2,73)

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В настоящем исследовании выявлена связь между разделением испытуемых на группы с ПТСНС и ПТПНС, соответственно с повышенным и умеренным психоэмоциональным напряжением, и результатами слухового восприятия при выделении целевого голоса в условиях речевой конкуренции. Это подтвердило важную роль голосовых характеристик в распознавании речи, идентификации диктора и его эмоционального состояния, о котором свидетельствуют данные психофизических и электрофизиологических исследований, а также разработки автоматизированных систем распознавания речи и эмоций говорящего [16, 28, 30]. При этом зависимость от преобладания тонуса того или иного отдела вегетативной нервной системы была получена только в отношении целевого женского голоса. Так, при распознавании слов, произнесенных женским голосом, число правильных ответов в подгруппах с преобладанием тонуса симпатической системы составило 96 %, парасимпатической — 87 % (табл. 4). При распознавании слов, произнесенных мужским голосом, оно было одинаковым в обеих подгруппах — по 88 % (см. табл. 3). Таким образом, показан активирующий эффект психоэмоционального напряжения, развивающегося у некоторых детей в условиях школы, в отношении восприятия субъективно значимых элементов информационной среды, имеющих звуковые характеристики, близкие к параметрам женского голоса.

Одним из факторов, влияющих на полученный в работе результат, может быть широкое представительство женщин в педагогике, особенно в дошкольном и начальном школьном образовании, где оно может достигать 98–100 %. В целом, по данным Центра социологических исследований МГУ им. М.В. Ломоносова, доля женщин среди учителей составляет в России около 81 % [5]. Приведенные данные подтверждают наблюдения, проведенные авторами в школах, с которыми имело место сотрудничество. Так, по данным, предоставленным администрацией ГБОУ СОШ № 225 Адмиралтейского района Санкт-Петербурга, из общего числа сотрудников (30 человек) в начальной школе педагогический состав полностью представлен женщинами (10 человек), в средних и старших классах сотрудников мужчин пятеро, а женщин — 20. Подобное соотношение имеет место и в МБОУ СОШ № 7 г. Гатчины Ленинградской области. Всего в этом учебном заведении работают 39 учителей, из них в начальной школе преподают только женщины в количестве 16 человек, в средних и старших классах педагогов мужчин насчитывается всего трое, а женщин — 20 человек.

Таким образом, в развивающимся мозгу ребенка происходит запечатление информационного потока, имеющего звуковые характеристики женского голоса, подкрепляемые ассоциациями со зрительным образом педагога и школьного, или дошкольного учреждения. Учитывая результаты настоящего исследования, возможно, при психоэмоциональном напряжении под влиянием нейрогуморальных механизмов в условиях образовательной среды сформированные ранее связи используются с новой эффективностью [20].

Следует отметить, что исследования в этой области вызывают все больший интерес в медицине, физиологии, психологии и педагогике [1, 2, 7, 8, 10, 11, 25, 27]. С этой точки зрения результаты проведенных измерений представляют интерес для организации образовательного процесса и речевой среды учащихся, а также демонстрируют эффективность применения комбинированного экспериментального подхода к дальнейшей разработке данного направления исследований.

ВЫВОДЫ

1. Показана эффективность использования комбинированного подхода с регистрацией показателей вегетативного реагирования и психофизического тестирования при распознавании речевых сигналов в условиях сложной акустической сцены.
2. Обнаружено, что в условиях психоэмоционального напряжения, выраженного в увеличенном тонусе симпатической нервной системы, имеет место эффект улучшения восприятия слов, произнесенных женским, но не мужским голосом.
3. Сделаны предположения о возможных биологических и социальных факторах, обусловливающих полученные результаты.

Авторы подтверждают отсутствие конфликта интересов.

Об авторах

Валерий Олегович Еркудов

ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет» Минздрава России

Автор, ответственный за переписку.
Email: verkudov@gmail.ru

канд. мед. наук, старший преподаватель кафедры нормальной физиологии

Россия, 194100, г. Санкт-Петербург, ул. Литовская д.2

Елена Александровна Огородникова

ФГБУН «Институт физиологии им. И.П. Павлова» Российской академии наук

Email: elena-ogo@mail.ru

канд. биол. наук, заведующая лабораторией психофизиологии речи

Россия, 199034, г. Санкт-Петербург, ул. Макарова, 6

Андрей Петрович Пуговкин

ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет» Минздрава России

Email: apugovkin@mail.ru

д-р биол. наук, старший научный сотрудник, профессор кафедры нормальной физиологии

Россия, 194100, г. Санкт-Петербург, ул. Литовская д.2

Иван Васильевич Сергеев

ФГБУН «Институт физиологии им. И.П. Павлова» Российской академии наук

Email: ivserg@inbox.ru

научный сотрудник лаборатории физиологии сердечно-сосудистой и лимфатической систем

Россия, 199034, г. Санкт-Петербург, ул. Макарова, 6

Татьяна Николаевна Сляпцова

ГБОУ «Средняя образовательная школа № 225 Адмиралтейского района Санкт-Петербурга»

Email: tanjasl@mail.ru

учитель биологии, заместитель директора по развитию естественно-научного направления обучения

Россия, г. Санкт-Петербург

Евгения Олеговна Кундрат

ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет» Минздрава России

Email: zhenia.kun@gmail.com

студентка, 3-й курс

Россия, 194100, г. Санкт-Петербург, ул. Литовская д.2

Полина Алексеевна Лупанова

ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет» Минздрава России

Email: inspace7@list.ru

студентка, 3-й курс

Россия, 194100, г. Санкт-Петербург, ул. Литовская д.2

Мария Александровна Пахомова

ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет» Минздрава России

Email: mariya.pahomova@mail.ru

старший научный сотрудник, Научно-исследовательский центр

Россия, 194100, г. Санкт-Петербург, ул. Литовская д.2

Мария Дмитриевна Денисенко

ФГБОУ ВО «Северо-Западный государственный медицинский университет им. И.И. Мечникова» Минздрава России

Email: maryadenisenko@yandex.ru

доцент кафедры патологической физиологии

Россия, 195015, г. Санкт-Петербург, Кирочная ул., 41

Алексей Львович Балашов

ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный педиатрический медицинский университет» Минздрава России

Email: balashoval7@yandex.ru

канд. мед. наук, доцент кафедры поликлинической педиатрии

Россия, 194100, г. Санкт-Петербург, ул. Литовская д.2

Список литературы

Дополнительные файлы