Л.М. Качалова

С.Ф. Боголепова

В.В. Плыплин

 

Динамика альфа-ритма при просмотре импринтингового учебного видеофильма

 

Идея создания учебных продуктов, которые содержат не только информацию, но и приемы воздействия на функциональное состояние человека, достаточно актуальна – особенно в условиях дистанционного обучения, где стимулирующая роль преподавателя минимальна.

 С этой целью в СГИ разработан новый учебный продукт – импринтинговый учебный видеофильм (ИУВ). Исследования показали высокую продуктивность ИУВ, достаточно высоко оценили студенты и их качество. Но при этом выявилось негативное воздействие ИУВ на самочувствие студентов: по данным самоотчетов, во время просмотра ИУВ быстро нарастает утомление, раздражает частая смена кадров, быстрая речь лектора и яркие видеоэффекты.

Цель данного исследования – выявить причину повышенного умственного напряжения и субъективного дискомфорта при просмотре ИУВ.

Методика

В экспериментах приняли участие 17 студентов 17–20 лет.

Испытуемый размещался в затемненной, звукоизолированной камере, в которой находилась видеоустановка. Для просмотра был отобран ИУВ «Методология науки» – как наиболее продуктивный и в то же время наиболее часто вызывающий ухудшение самочувствия. Для сравнения был выбран пропедевтический учебный видеофильм (ПУВ) «Криминалистика», видеоряд которого содержит яркий визуальный эффект: периодическое включение милицейской «мигалки». 

ЭЭГ регистрировали:

1)     в состоянии спокойного бодрствования с открытыми глазами, в течение 3–5 мин. (фоновая ЭЭГ);

2)     во время просмотра 15-минутного фрагмента ИУВ;

3)     во время просмотра 15-минутного фрагмента ПУВ;

4)     в состоянии спокойного бодрствования с открытыми глазами, в течение 3–5 мин.

ЭЭГ записывали в 12 симметpичных отведениях стандаpтной схемы 10/20:  лобных (Fp1 и Fp­­­2; F3 и F4); центpальных (С3; С4);  теменных (P3; P4);  височных (Т3; Т4;); затылочных (О1; О2). ЭЭГ pегистpиpовали монополяpно относительно объединенных ушных электpодов. Полоса пропускания  0,3–35 гц.

Обработка данных включала спектральный анализ ЭЭГ. Значения мощности основных частотных диапазонов ЭЭГ  вычисляли за каждые 2,56 секунд. Динамику мощности альфа-ритма сопоставляли с видеорядом ИУВ и ПУВ.

Результаты и обсуждение

     Просмотр ПУВ. Видеоряд ПУВ «Криминалистика» содержит повторяющиеся включения милицейской «мигалки». Действие «мигалки» сравнимо с процедурой фотостимуляции, которую в клинических ЭЭГ-исследованиях применяют для выявления патологии (эпилепсии). В норме мелькающий свет может вызвать реакцию усвоения ритма: усиление мощности частот ЭЭГ, равных или кратных частоте вспышек [1].

При просмотре ПУВ «Криминалистика»  наблюдались 3 варианта реакции альфа-ритма на фотостимуляцию.

1-й вариант (рис. 1). В начале просмотра наблюдается выраженная депрессия альфа-ритма, что свидетельствует о состоянии напряженного  внимания. После первого или второго включения «мигалки» возникает длительная – до 30–60 сек.    экзальтация альфа-ритма: мощность его резко увеличивается в 4–10 раз. Затем периоды экзальтации альфа-ритма повторяются, при этом они могут как совпадать, так и не совпадать с включениями «мигалки». Такой тип динамики ЭЭГ наблюдался  у 5 испытуемых (27,7%)

2-й вариант. Начало просмотра  также сопровождается депрессией альфа-ритма. При включении «мигалки» (первом или последующих) возникает

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


кратковременное увеличение мощности альфа-ритма (примерно в 2–3 раза). Затем короткие периоды усиления альфа-ритма повторяются – как совпадая, так и не совпадая с действием «мигалки». Такой тип динамики ЭЭГ наблюдался  у 7 испытуемых (59%).

3-й вариант. Во время всего просмотра наблюдается стабильная депрессия альфа-ритма. Появление «мигалки» не вызывает усиления мощности альфа-ритма. Такой тип динамики ЭЭГ наблюдался  у 6 испытуемых (33,3%).

Реакция ЭЭГ на мелькающий раздражитель имеет резонансную природу. Считают, что это результат взаимодействия собственных ритмов электрической активности мозга и ритмов, которые генерирует мелькающий свет. Перестройка биоэлектрической активности мозга в ответ на фотостимуляцию включает частотно-специфический и частотно-неспецифический компоненты [2].

Частотно-специфический компонент – это и есть собственно реакция усвоения ритма, или воспроизведение в ЭЭГ ритма мельканий. В норме реакция усвоения ритма прекращается практически сразу же после выключения раздражителя [1].

Частотно-неспецифический компонент проявляется не во время действия мелькающего раздражителя, а в ответ на его выключение: в этот момент возрастает мощность доминирующего ритма ЭЭГ (обычно это альфа-ритм). Затем пиковые значения альфа-ритма появляются в межстимульных интервалах, не совпадая с действием раздражителя [3].

В наших экспериментах усиление мощности альфа-ритма начинается сразу после выключения «мигалки». Кроме того, усилению альфа-ритма предшествует частотно-специфическая реакция ЭЭГ:   частота «мигалки» составляет около 4 гц, и в момент ее действия возрастала мощность частотной полосы 3,7–4,2 гц.

Таким образом, экзальтация альфа-ритма в ответ на действие «мигалки» представляет собой частотно-неспецифический компонент реакции усвоения ритма, который отражает следовые процессы – в том числе в  системе зрительного анализатора [3].

Для резонансных ЭЭГ-реакций человека характерна высокая стабильность –  как по выраженности, так и по проявлению на определенных частотах. Выраженность реакции усвоения ритма индивидуальна и зависит от врожденных свойств нервной системы: силы, лабильности, уравновешенности. У обладателей слабой, чувствительной (или реактивной) нервной системы мелькающий раздражитель настраивает на свою частоту всю биоэлектрическую активность мозга. Сильная нервная система во время действия раздражителя продолжает работать в автономном режиме, поэтому реакция усвоения ритма отсутствует [4]. Эксперименты позволяют говорить о существовании «индивидуально-типологического частотного портрета ЭЭГ» [3].

Наши исследования не только подтверждают индивидуальность резонансных перестроек ЭЭГ, но и показывают, что такая индивидуальность  сохраняется в состоянии умственного напряжения –  во время активного восприятия зрительной и слуховой информации. Поэтому динамику ЭЭГ при просмотре видеолекции другого типа  – ИУВ, целесообразно рассмотреть применительно к трем группам испытуемых: с выраженными, умеренными и слабыми резонансными свойствами нервной системы.

Просмотр ИУВ. Видеоряд фрагмента ИУВ «Методология науки» содержит различные мультимедийные приемы, призванные повысить концентрацию внимания и усвоение учебного материала. Среди них – opart-фигуры, эффект «прыгающей строки», мигание слайда или отдельной части слайда, быстрое горизонтальное или вертикальное перемещение слайдов («барабан»). Записи ЭЭГ были синхронизированы с видеорядом ИУВ, поэтому динамику альфа-ритма можно сопоставить с появлением того или иного видеоэффекта.

Испытуемые с выраженными резонансными свойствами нервной системы (5 чел.). По мере просмотра ИУВ у  таких испытуемых отмечаются периоды экзальтации альфа-ритма. Усиление мощности альфа-ритма (в 3–5 раз) сопоставимо с появлением видео- и анимационных эффектов: opart-фигур, «прыгающей строки», «барабана» (рис. 2). Максимальная и наиболее продолжительная реакция альфа-ритма наблюдается после «прыгающей строки» (быстрое изменение положения текста по диагонали).

Испытуемые с умеренными резонансными свойствами нервной системы (7 чел.). По мере просмотра ИУВ у таких испытуемых  возникают кратковременные

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


периоды усиления мощности альфа-ритма, сопоставимые с появлением различных видео- и анимационных эффектов. Максимальная реакция альфа-ритма возникает в интервале между двумя сериями «прыгающих строк», где другие анимационные эффекты (opart-фигуры, «барабан») появляются относительно редко. Не исключено, что предварительное мелькание «прыгающей строки» спровоцировало реакцию альфа-ритма на те анимационные эффекты, которые в начале просмотра ИУВ ее не вызывали. Заметно также, что по мере просмотра мощность альфа-ритма постепенно нарастает – то есть эффект депрессии альфа-ритма сглаживается.

Испытуемые со слабыми резонансными свойствами нервной системы   (6 чел.).  У таких испытуемых анимационные эффекты не вызывают реактивных изменений ЭЭГ. Тем не менее, по мере просмотра ИУВ мощность альфа-ритма постепенно нарастает.

Таким образом, анимационные эффекты ИУВ действуют на характер ЭЭГ подобно фотостимуляции. Причем самый сильный резонансный ответ вызывает «прыгающая строка». Для объяснения этого факта необходимо напомнить, что в механизм зрительного восприятия включены движения глаз. При рассматривании изображений или чтении глаза совершают быстрые скачки между точками фиксации – саккады. Анализ зрительной информации происходит в  промежутках между саккадами – то есть в моменты фиксации глаза на объекте. Длительность саккады составляет 10–80 мс; период фиксации – 200–600 мс. При чтении саккады направлены вдоль строки, и между ними насчитывается несколько периодов фиксации [5]. Таким образом, для распознавания даже короткой строки потребуется не меньше секунды. Частота мигания «прыгающей строки» – через 5 кадров. Поэтому каждые 200 мс глаз вынужден догонять текст и совершать не свойственные для чтения вертикальные саккады. В таких условиях «прыгающая строка» распознается как мелькающая контрастная геометрическая фигура – что и вызывает эффект фотостимуляции.

Быстрое перемещение слайдов («барабан») вызывает резонансные сдвиги на ЭЭГ по той же причине: глаз не успевает «исследовать» изображения, и они воспринимаются как мелькающие цветовые пятна.

При восприятии движущихся объектов глаз совершает медленные, следящие движения. Если видеоряд почти полностью состоит из быстро мелькающих изображений, происходит перегрузка глазных мышц: догоняя точку фиксации, глаз вынужден выполнять избыточные саккады, причем за счет уменьшения количества медленных, следящих движений. Во время просмотра ИУВ у всех испытуемых происходит постепенное усиление мощности альфа-ритма – такую тенденцию альфа-ритма при открытых глазах считают признаком тормозного состояния глазодвигательной системы [6].

Перегрузкой глазодвигательной системы можно объяснить и ухудшение самочувствия испытуемых при просмотре ИУВ. Центры, управляющие движениями глаз, тесно взаимодействуют с вестибулярной системой [7]. Так, при любом изменении положения тела в пространстве происходит коррекция движений глаз. В свою очередь, зрительная информация о движении предметов играет роль в регуляции равновесия. При интенсивной работе глазных мышц возбуждение глазодвигательных центров передается в вестибулярную систему.

Тенденция усиления мощности альфа-ритма свидетельствует об ослаблении зрительного внимания. Анимационные приемы ИУВ имеют одинаково быстрый темп и предъявляются достаточно часто: примерно каждые 10–30 секунд. Иными словами, развивается эффект монотонии. В таких условиях неизбежно произойдет угашение ориентировочного рефлекса, для поддержания которого необходима именно новизна – либо объекта, либо его свойства. Для сравнения: в ПУВ «Криминалистика» милицейская «мигалка» появляется 4 раза, выполняя роль заставки между логическими частями материала. Возникающие при этом эпизоды резонансного состояния нервной системы можно рассматривать как своеобразную «перезагрузку» сенсорных систем, преднастройку их на восприятие «с новой страницы». Заметим, что по мере просмотра ПУВ депрессия альфа-ритма усиливается – то есть уровень зрительного внимания не снижается. Во время просмотра ИУВ наблюдается противоположная тенденция. Таким образом, анимационные эффекты необходимо тщательно дозировать: они должны оттенять действительно самое главное.

Резонансные явления на ЭЭГ при просмотре ИУВ свидетельствуют о реальной возможности влиять на функциональное состояние обучаемого. Вместе с тем, данные о влиянии ритмической стимуляции на организм  человека неоднозначны: известны как позитивные эффекты, вызванные фотостимуляцией, так и негативные.

Еще в 1934 г.  Adrian и Maithews обнаружили влияние на человека световых мельканий с частотой альфа-ритма (8–12 гц). Позже Waner (1946, 1951) показал, что у 3–4% здоровых людей фотостимуляция вызывает головокружение и тошноту, а у некоторых – оцепенение и кратковременное нарушение сознания. В последнее время все чаще появляется информация о случаях фотосенситивной эпилепсии, связанных с массовыми увлечениями видеоиграми. При этом обнаружено, что наиболее опасны вспышки  красного света [8].

Вместе с тем, ритмическую стимуляцию широко применяют в лечебных и психотерапевтических целях: для снятия стресса и релаксации, для повышения умственной работоспособности и даже для развития творческих способностей [9, 10]. Важно заметить, что эффект воздействия достигается точным подбором параметров стимуляции. Но в любом случае есть ограничения: ритмическая стимуляция не рекомендуется страдающим эпилепсией; тем, кто перенес сотрясение мозга (а это достаточно частая травма), а также людям, у которых мелькающий свет вызывает чувство дискомфорта (то есть с выраженными резонансными свойствами нервной системы). Последних в наших экспериментах оказалось достаточно много – почти треть.

Поэтому при разработке ИУВ необходимо обращать особое внимание на параметры анимационных эффектов, способных вызвать резонансные явления в нервной системе. Прием «прыгающей строки» лучше исключить. Либо замедлить «прыжки» до одного в сек. Эту же частоту не должно превышать мелькание «барабана».

Известно, что резонансный ответ нервной системы возникает на ритмическую стимуляцию, которая продолжается не менее 6 сек. [3].  Для сравнения – действие милицейской «мигалки» продолжается 30 сек., «прыгающей строки» – до 20 сек., «барабана» – до 20 сек. Длительность анимационных эффектов необходимо рассчитывать с учетом вероятности появления резонансных ответов нервной системы.

В целом полученные данные свидетельствуют о потенциальной возможности анимационных эффектов влиять на функциональное состояние человека при просмотре видеолекций.  Но параметры и дозирование анимационных эффектов должны быть физиологически обоснованы и точно просчитаны. Для этого необходимы теоретические разработки, объединяющие данные по психологии и физиологии зрительного восприятия, физиологии глазодвигательной и вестибулярной систем, а также  сравнительно нового научного направления –  видеоэкологии.

 

Выводы

 

1.          Ухудшение субъективного состояния при просмотре ИУВ объясняется перегрузкой глазных мышц и вестибулярного аппарата.

2.          Анимационные эффекты ИУВ вызывают резонансные явления в нервной системе, способные вызвать у части студентов ухудшение функционального состояния.

3.          Разработчикам ИУВ рекомендуется дозировать анимационные эффекты в соответствии с физиологией зрительного восприятия: длительность их не должна превышать 6 секунд, частота мельканий – 1 гц.

 

Литература

1.     Зенков Л.Р., Ронкин М.А. Функциональная диагностика нервных болезней. М., 1991. С. 640.

2.      Yaguchi H., Iwahara H.  Temporal sequence of frequency specific and nonspecific effects of flickering lights upon the occipital electrical activity in man // Brain Research. 1976. V. 107. P. 27–38.

3.     Федотчев А.И, Бондарь А.Т.,. Маевский А.А, Якупова Л.П. Резонансные ЭЭГ реакции при ритмической фотостимуляции и изменения функционального состояния // Журн. высш. нервн. деят. 1996. Т. 46, С. 447–455.

4.     Голубева Э.А. Способности и индивидуальность. М., 1993. С. 306.

5.     Шмидт Р. Физиология человека // Под. ред. Тевс Г. Т. 1. М., 1996. С. 323.

6.     Изнак А.Ф., Гусельников В.И. Ритмическая активность в зрительном анализаторе // Успехи физиологических наук. 1984. Т. 15. С. 3–27.

7.     Благовещенская Н.С. Отоневрологические симптомы и синдромы. М., 1991. С. 432.

8.     Binnie CD, Estevez O, Kasteleijn-Nolst Trenite DG, Peters A. Colour and photosensitive epilepsy // Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 1984. V. 58. P. 387–389.

9. Hutchinson M. Special issue on sound/light // Megabrain Report. 1990. V.1. № 1.

10. Budzynski T. The clinical guide to Light / Sound. Instrumentation and Therapy. Bellevue, 1991.