* Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН
** Государственный институт русского языка им. А.С. Пушкина
Специфика динамики размера зрачка в процессе работы с арифметическими задачами
А.Н. Пучкова, О.Н. Ткаченко, В.Б. Дорохов
Пучкова Александра Николаевна - кандидат биологических наук; старший научный сотрудник лаборатории нейробиологии сна и бодрствования, Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН; ведущий научный сотрудник центра нейрокоммуникативных исследований, Государственный институт русского языка им. А.С. Пушкина, г. Москва
Ткаченко Ольга Николаевна - кандидат биологических наук; научный сотрудник лаборатории нейробиологии сна и бодрствования, Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, г. Москва
Дорохов Владимир Борисович - доктор биологических наук; заведующий лабораторией нейробиологии сна и бодрствования, Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, г. Москва
Исследования показывают, что зрачок у человека реагирует не только на уровень освещенности, но и на уровень эмоционального возбуждения и умственную нагрузку. В целом на активацию любого типа зрачок реагирует расширением. Однако динамика его реакций на продолжительное воздействие остается менее изученной. В статье рассматриваются результаты экспериментального исследования зрачковых реакций в ходе воздействия продолжительной когнитивной нагрузки. Для регистрации диаметра зрачка использовался метод видеоокулографии (айтрекинга), в качестве когнитивной нагрузки применялось решение арифметических задач в уме с последующим выбором правильного ответа на протяжении 60 или 90 минут. В исследовании участвовало 16 испытуемых 18-28 лет. Показана чувствительность диаметра зрачка к подзаданию: вычислению в уме или выбору варианта ответа. Поиск ответа вызывал общую активацию испытуемого и достоверное расширение зрачка. Выраженность и динамика этих различий были индивидуальны. Не удалось обнаружить корреляции между временем решения задачи и средним диаметром зрачка. Кроме того, у троих испытуемых отмечается феномен гиппуса - медленного колебания диаметра зрачка при постоянном освещении, который может сопровождать умственную работу и утомление. Мы предполагаем, что изменение диаметра зрачка может сигнализировать о резком изменении в активации, но не всегда может служить маркером текущей сложности задачи, особенно при выполнении достаточно монотонного задания.
Ключевые слова: видеоокулография, айтрекинг, диаметр зрачка, пупиллография, арифметические задачи, когнитивная нагрузка, биомаркеры когнитивной нагрузки, гиппус.
Puchkova Alexandra N. - PhD in Biology; Senior Research Fellow, Laboratory of Sleep and Wakefulness Neurobiology, Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology RAS; Senior Research Fellow of Center for Cognition and Communication, Pushkin State Russian Language Institute, Moscow
Tkachenko Olga N. - PhD in Biology; Research Fellow, Laboratory of Sleep and Wakefulness Neurobiology, Institute of Higher Nervous s Activity and Neurophysiology RAS
Dorohov Vladimir B. - Dr. Biol. Hab.; Head of Laboratory of Sleep and Wakefulness Neurobiology, Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology RAS, Moscow
A.N. Puchkova*' **, O.N. Tkachenko*, V.B. Dorohov*
* Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences
** Pushkin State Russian Language Institute
Specifics of pupil size dynamics in the process of working with arithmetic tasks
Numerous studies demonstrate that pupil diameter reacts not only to the surrounding luminosity but also to emotional arousal and cognitive workload. Generally, any type of activation leads to pupil dilation. Pupil reactions to the prolonged workload is less well studied. In our study a subject had to solve arithmetic tasks and choose the right answers for 60 or 90 minutes. We were performing pupillometry via eye tracking. 16 subjects (age 18-28) took part in the study. Pupil diameter was a marker of a subtask: mental calculation or selection of a right answer. Searching for an answer caused an overall activation and significant pupil dilation. The scope and dynamic of this reaction have shown individual variability. We have not found any significant correlation between pupil diameter and time spent on each task. Moreover, in three subjects we have detected a phenomenon of hippus, slow pupil oscillations in constant light conditions which may accompany mental work or fatigue. We suppose that pupil diameter can signal a rapid change in arousal S or activation but is not a reliable marker of a current task difficulty, especially when performing a relatively monotonous task.
Key words: videooculography, eye tracking, pupil diameter, pupillography, arithmetic tasks, mental workload, cognitive workload markers, hippus.
Введение
Проблема высоких умственных нагрузок и необходимости поддержания высокого уровня внимания в ходе работы или обучения с каждым годом становится все более актуальной. В связи с этим активно развивается направление исследований возможных биомаркеров когнитивной нагрузки и основанных на них систем мониторинга. Благодаря развитию систем бесконтактной видеоокулографии (видеорегистрации движений глаз, eye trackers) характеристики глазодвигательной активности оказались одними из кандидатов на роль таких маркеров. Одним из параметров, чувствительных к состоянию оператора, оказался диаметр зрачка.
Главной функцией зрачка является контроль количества света, попадающего на сетчатку глаза. Мышцы зрачка не подвержены сознательному контролю и иннервируются обоими отделами вегетативной нервной системы. Активация симпатического или угнетение парасимпатического отдела приводит к расширению зрачка; активация парасимпатического отдела или угнетение симпатического - к сужению. Таким образом, диаметр зрачка определяется, в том числе, балансом активности вегетативной нервной системы. В силу такого типа регуляции зрачок изменяет диаметр в ответ на многочисленные факторы воздействия, помимо световых, в том числе - психологической природы [Beatty, Lucero-Wagoner, 2000].
Исследования показывают, что в общем случае при увеличении уровня возбуждения зрачок расширяется. Увеличение диаметра зрачка наблюдается при эмоциональных реакциях, росте когнитивной нагрузки, появлении неожиданных или значимых для человека стимулов (Там же). Зрачковые реакции неспецифичны по отношению к источнику возбуждения и представляют большой интерес в когнитивных и психологических исследованиях.
Современные системы бесконтактной видеоокулографии позволяют непрерывно отслеживать диаметр зрачка, не мешая испытуемому выполнять поставленную перед ним задачу. Пупиллометрия (измерение диаметра зрачка) эффективно применяется в области исследования когнитивной нагрузки. Она позволяет оценить нагрузку при выполнении операторской деятельности, решении различных экспериментальных и практических заданий [Beatty, Lucero-Wagoner, 2000; Wang, 2011; Величковский, Морозов, 2013].
Диаметр зрачка считается достаточно надежным индикатором общего возрастания умственной нагрузки, однако не для всех задач известна более подробная временная динамика размера зрачка. Для задач отслеживания состояния систем показано, что на временных интервалах нескольких секунд субъективное увеличение сложности приводит к значимому увеличению диаметра зрачка [Величковский, Морозов, 2013]. В то же время в ситуации свободного отслеживания нескольких целей диаметр зрачка значимо увеличивался только для сложного условия и не различался для простого и среднего по сложности. Кроме того, увеличение диаметра начинается с задержкой около 4 с [Meghanathan et all., 2014].
Вызванные заданием зрачковые реакции (task-evoked pupillary response, TEPR) являются объектом активного исследования в области когнитивной и профессиональной психологии. Если есть возможность привязать реакцию зрачка к какому-то четко определяемому событию, например, появлению задачи, то TEPR оказывается более выраженной для более сложных заданий [Wang, 2011; Iqbal et all., 2004; Marquart, 2015].
Значительно менее исследована динамика зрачковых реакций при работе с математическими выражениями. Увеличение диаметра зрачка с ростом сложности показано для одиночной операции умножения в условиях жесткого контроля времени предъявления элементов выражения и работе в парадигме исследования TERP [Marquart, 2015]. Показана значительно более выраженная реакция зрачка при умножении двух чисел по сравнению со сложением, умножения двузначных чисел по сравнению с однозначными, реакция развивается менее чем за секунду [Jainta, Baccino, 2010]. Однако неизвестны зрачковые реакции для более естественных условий и меньших перепадов сложности, когда испытуемый видит все выражение из нескольких действий и может решать его удобным ему образом. Неясно, будет ли зрачок отражать колебания нагрузки при работе с достаточно длинными выражениями и длительным (5 с и более) временем решения.
Большинство работ, оценивающих динамику зрачковых реакций при работе с арифметическими заданиями, используют задачи с одним арифметическим действием и большие различия в сложности заданий.
Их сложность испытуемые легко могут оценить сразу после предъявления. Для данного исследования использовались в целом более сложные для быстрой оценки задачи с несколькими операциями. Эти достаточно длинные выражения требовалось считывать с экрана - испытуемые не могли запомнить все выражение и полностью проводить вычисления «в уме».
Цель исследования
Целью данной работы являлось исследование динамики диаметра зрачка в ходе длительного и непрерывного решения арифметических задач из нескольких действий, а также поиск ассоциаций базовых зрачковых реакций со скоростью решения задач.
1. Материалы и методы исследования
В ходе исследования испытуемые должны были вычислять в уме арифметические задачи, демонстрируемые в центре экрана, и выбирать правильный вариант ответа из двух появляющихся на экране по щелчку курсора мыши на задаче. По правильному ответу следовало щелкнуть курсором мыши, после чего вернуть его в центр экрана.
Задачи состояли из четырех различных двухзначных чисел, двух знаков «+» и одного знака «-» в случайном порядке. Ответы располагались справа и слева от задачи и отличались между собой не более чем на 15.
Перед испытуемыми стояло задание работать как можно быстрее и точнее, сначала вычислять ответ и только после этого щелкать по задаче, а также не угадывать вариант ответа. Перерывы между предъявлениями задач составляли 3 с. Задачи и ответы предъявлялись черным шрифтом в тонкой черной прямоугольной раме на сером фоне [Пучкова и др., 2013].
Было проведено 2 серии экспериментов, имевших общую схему, но отличавшихся нагрузкой. Первая серия: рабочая сессия длилась 60 мин. Вторая серия: рабочая сессия длилась 90 мин, задачи для решения усложнены (задачи, отнимавшие на решение менее 6 с, были убраны). Также во второй серии была введена обратная связь: в перерыве между предъявлениями прямоугольник, в котором находилась задача, был зеленым при правильном решении и красным при неправильном.
Высокая длительность работы позволяла оценить вариабельность g скорости и эффективности решения. Каждый испытуемый принимал участие в двух опытах, разделенных недельным интервалом для оценки стабильности индивидуальных характеристик. В каждой серии было 2 набора заданий, которые решали все испытуемые. Порядок решения наборов заданий был рандомизирован по дням участия в эксперименте. Опыт начинался в 12:00.
Схема эксперимента была одобрена этическим комитетом Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН. Все испытуемые давали информированное согласие на участие в эксперименте.
К эксперименту допускались здоровые испытуемые-правши, с нормальным зрением или скорректированными незначительными нарушениями зрения, не страдающие высокой дневной сонливостью. Были проведены эксперименты на 16 испытуемых в возрасте 18-28 лет (7 женского пола, 9 мужского пола, средний возраст 23,6 ± 3,34 года). 4 испытуемых (2 мужского пола, 2 женского пола) участвовали в первой серии экспериментов, остальные испытуемые - во второй.
Для регистрации движений взора использовалась система видеотрекинга Eyegaze Analysis System (120 Гц) и программа NYAN 2.0. Эксперименты проводились в изолированной камере с фоновым освещением яркостью 500 люмен. Яркость предъявляемых на мониторе стимулов также была постоянной для предотвращения реакций зрачка на освещение. Анализ данных проводился с использованием скриптов в программном пакете Matlab 7.1. Статистическая обработка результатов проводилась в Statistica 7.0 (StatSoft, США), отличия считали достоверными приp < 0,05.
2. Результаты и обсуждение
Результаты работы в 3 экспериментальных сессиях были исключены
из анализа из-за неправильного выполнения задания или качества записи. В качестве параметра сложности задания было выбрано время решения задачи от ее появления до щелчка по ней.
Анализ скорости работы показал, что даже при непрерывной работе в данной парадигме в течение 90 минут не наблюдается заметного снижения темпа или правильности выполнения задания. Колебания скорости работы скорее отражают меняющееся состояние испытуемого, его мотивацию и затрачиваемые на отдельные задачи усилия [Пучкова и др., 2016].
Для исследуемой выборки была характерна высокая индивидуальная вариабельность скорости и правильности работы и внутрииндивидуальная стабильность этих параметров при сравнении результатов в разные дни. Среднее время решения задач в группе испытуемых составило от 8,36 ± 0,46 до 31,03 ± 0,48 с. При этом они совершали от 1,90 ± 1,39 до 20,06 ± 3,70 процентов ошибок.
Был проведен корреляционный анализ времени решения задания и среднего диаметра зрачка в ходе решения. Анализ показал нестабильную корреляцию данных параметров: в случае наличия значимой корреляции коэффициент корреляции составлял не более 0,3, а для одного испытуемого был отрицательным. Корреляция в основном обуславливалась взаимоотношением диаметра зрачка и единичных наиболее долго решаемых задач. При исключении этих точек из анализа однозначная и значимая корреляция этих параметров не обнаруживалась. Таким образом, нельзя однозначно соотнести такие интегральные оценки, как средний диаметр зрачка и время решения при работе с арифметическим заданием из нескольких действий.