Инновационный метод оценки нервно-психического состояния на основе энтропийного подхода

Волов Всеволод Вячеславович

Волов Вячеслав Теодорович

Введение

Среди фундаментальных вопросов психологии особенно остро стоит проблема определения нервно-психического состояния, т.к. ее решение связано с целым спектром научно-практических задач, требующих современного подхода. Прежде всего, это необходимость разработки метода критерильных оценок нервно-психической устойчивости для прогноза моторно-двигательных возможностей, поведения и психоэмоционального состояния индивида (Берг, 2005; Чермянин, Корзунин, 2008; Залевский, Рогачева и др., 2015). Данный показатель является универсальным – он одновременно применим как для установления психического состояния, так и для выявления способности к деятельности в экстремальных и стрессовых условиях (спортивные соревнования, работа при утомлении и др.), связанной с особенностями нервной системы и возможностями психики человека.

Среди всего многообразия диагностических методик не встречаются такие, которые решали бы задачу непосредственного измерения психоэмоционального состояния с последующей критериальной оценкой устойчивости в данный момент времени. Психологические тесты опираются, как правило, на субъективный самоотчет испытуемого либо диагностируют признаки психических отклонений, т.е. предлагают качественные оценки.

Как известно, определение устойчивости любой системы начинается с количественных оценок. В отношении психики и нервно-психического состояния данная задача, на наш взгляд, может быть решена путем естественнонаучного подхода, с применением точных измерений, методов критериальной оценки устойчивости и определения уровня энтропии.

Психофизиологические методики дают возможность количественной оценки нервных процессов, их силы, уравновешенности и подвижности, уровня стрессоустойчивости. Они пригодны и для определения состояния психики, т.к. представляют итоговую ее оценку в деятельности. Такой подход сформировался еще во вермя становления общей психологии. Первые закономерности психических процессов, как известно, были установлены с помощью физиологических измерений внимания, памяти, восприятия и психомоторной деятельности на основе математического анализа. Однако, устойчивость и психоэмоциональных, и нерных процессов существующие методики до сих пор не измеряют. Вместе с тем, необходимость такой оценки, как и определение уровня энтропии, продиктована тенденциями современной психологии к выявлению механизмов самоорганизации. Кроме того, идеология системного подхода, развиваемая в его различных модификациях в отечтественной науке, подразумевает разработку аналитического инструментария для выявления уровней огранизации системы и закономерностей ее функционирования, будь то психологическая система, деятельность или сложная форма поведения (Анохин, 1980; Ломов, 1975).

Необходимость и возможность определения меры хаоса нервно-психического состояния и различных психологических систем, а также подход к решению такой задачи рассматриваются в работах современных ученых в рамках междисциплинарных исследований. На их основе уже установлены отдельные закономерности исследования психомоторных явлений. Такой подход не противоречит и фундаметнальным принципам психологического исследования, т.к. в своей основе он не приводит к механицизму и сведению сложных психологических процессов к абстрактным математическим моделям с применением неадаптированных понятий других наук. Более того, уже сейчас с их помощью получены новые результаты. Применение энтропийного метода, разностороннего аппарата синергетики и естествознания позволило при исследовании базовых эмоций по мимическим реакциям установить отдельные закономерности их проявлений (Зинченко и др., 2016, Chernorizov et al., 2016) и механизмы системы эмоциональной саморегуляции в норме и при патологии головного мозга (Волов, Волов, 2016).

Исследование моторно-двигательных навыков, непроизвольных движений (тремор) является наиболее доступной сферой диагностки и оценки нервно-психического состояния, его устойчивости и определения особенностей саморегуляции индивида. Неслучайно именно на базе исследований в этой области специалисты различных направлений психологии и естествознания выявили отдельные закономерности работы мозга и системной организации высших психических функций (ВПФ) (Haken et al., 1985; Thelen, 1995; Schöner, 1996; Freund, 1993; Summer, Burns, 1993; Kupfermann, 1993; Boksem, Meijman, 2005; Jax, Rosenbaum, 2007).

В связи с вышесказанным, целью исследования является апробация метода критерильных оценок нервно-психической устойчивости индивида при при различных на него воздействиях для прогноза моторно-двигательных возможностей, поведения и состояния индивида. В работе применяются валидные психофизиологические методики и психологические тесты, математические методы (энтропийный и статистический анализ). В оценке устойчивости нервно-психического состояния на основе исследования прихомоторных проявлений мы опираемся на энергетическую парадигму, теорию Н.А. Бернштейна и методологические основы теории функциональных систем П.К. Анохина.

Аналитический метод количественной оценки устойчивости нервно-психического состояния

В качестве основы количественного исследования нервно-психического состояния спортсменов выбран метод условных энтропий (Мартин, Ингленд, 1988; Волов, 2005), т.к. он имеет хорошо разработанный и достаточно простой в использовании аналитический аппарат, который получил широкое распространение и применение в точных, общественных и гуманитарных науках (Волов, 2000, 2001). В связи с этим, необходимо отметить цикл психо-физиологических исследований с применением энтропийного аппарата (Еськов, Зинченко, Филатов, 2016). Для формулы условной энтропии учитывались следующие свойства математической энтропии:

H̃ ≥ 0 – неотрицательность (1);

∃H̃_max > 0; H̃ ≤ H̃_max – ограниченность (2);

∑^N_i=1 H̃_i – аддитивность (3).

Величину H̃_i удовлетворяющую свойствам (1-3), удобно нормировать,

H_i = H̃_i / H̃_i ^max

где H̃_i ^max – максимальное значение энтропии организма и считать, что

0 ≤ H_i ≤ 1

Кроме того, при построении условной энтропии применяется принцип «золотого сечения» или «золотой пропорции»:

H = H₀ = 0.618, (4)

который соответствует не только «принципу красоты» (Gareev et аl.,2002; Stakhov, 2005), но и нормальному функционированию организма (Ляпунов, 1975; Prigogine, 1977).

В качестве обобщенной меры нервно-психического состояния и основы критериев устойчивости индивида мы предлагаем следующую формулу для его нормированной условной энтропии:

H = 1 – (1 – H₀) / ln (N_max / N₀) * ln(N_max / N(t)) (5)

где N_max, N(t) – максимальное и текущее значение показаний в тесте, N₀ – значение показаний, лежащее в интервале и соответствующее значению условной энтропии H = H₀. Выбор логарифмического вида формулы для энтропии (5) обусловлен тем, что за малым исключением (Volov, 2013) все известные формулы энтропии (детерминированные и вероятностные) имеют логарифмический вид. Из формулы (5) следует, что H удовлетворяет условиям (1), (2). Кроме того, отметим, что для возможных составных систем (которые мы здесь не рассматриваем) ненормированная энтропия H̃ = H Ÿ· H̃ ^max удовлетворяет условию аддитивности (3). Естественно, что выбор формулы (5) для нормированной детерминированной энтропии – не единственен, можно предложить и другие формы реализации, согласующиеся со свойствами математической энтропии. Поэтому вопрос о «правильности» данной предложенной формулы (5) в данном теоретическом контексте не имеет смысла, но имеет смысл говорить об адекватности введенной величины для описания исследуемых систем. Единственным критерием адекватности предложенной формулы является ее апробация на реальных данных.

Показания в тесте N(t), соответствующее нулевому значению условной энтропии (H = 0), определяется следующим образом:

N_min = N_max / (N_max / N₀)^{1/(1 – H0)}

Условная энтропия (5) представляет собой детерминированную меру компаративной количественной оценки, полученной в тесте, к максимально возможной. В контексте настоящего исследования условная энтропия представляет собой количественную меру нервно-психического утомления. Под состоянием равновесия в статье понимается состояние, характеризующееся отсутствием нарастания осцилляции тренда энтропии во времени и малой величиной ее осциляций, по сравнению с ее осредненным значением (δH/H_ср≪1). Энтропия «Золотого сечения» H₀ в статье определяется как усредненное значение энтропии повторных замеров первых двух отрезков теппинг-теста (2х5сек.), выполненного группой молодых здоровых испытуемых.

Теория устойчивости А.М. Ляпунова дала теоретико-методологический аппарат формулирования критериев устойчивости в синергетике (Ляпунов, 1950), а более конкретно – в термодинамике структуры, где в качестве критериев устойчивости приняты знаки второго дифференциала энтропии (вблизи равновесия) и производства избыточной энтропии (вдали от равновесия) (Prigogine, 1977):

d²H/dt² ≤ 0

По знаку второго дифференциала, опираясь на теорему И. Пригожина о минимуме производства энтропии, можно определить, устойчива динамика состояния системы или нет.

В случае выпуклой траектории энтропии (d²H/dt² < 0) состояние системы устойчиво, а в случае вогнутой (d²H/dt² < 0) – неустойчиво.

Экспериментальные исследования нервно-психической напряженности

Нервно-психическое напряжение возникает при воздействии стрессоров, вызывающих адаптационные реакции организма и психики в ситуации повышенной или длительной нагрузки. Постепенно, в зависимости от резистентности ЦНС и приспособительных возможностей наступает нервно-психическое утомление и истощение.

В настоящей работе под нервно-психическим утомлением понимается функциональное состояние человека, вызванное длительной напряженной монотонной деятельностью, которое проявляется уменьшением силы и увеличением энергозатрат (умственных и физических) для выполнения работы. Утомление приводит к временному снижению работоспособности. Различают мышечное (физическое) и центральное (нервно-психическое) утомление. Физическое утомление, возникающее в результате интенсивной физической нагрузки и приводящее к аритмии работы мышц, снижению скорости движений, достаточно хорошо изучено. Поэтому в настоящем исследовании на основе разработанного энтропийного метода анализируется центральное (нервно-психическое) утомление при тех или иных воздействиях на индивида. Данный тип утомления развивается не в мышцах, а в областях коры мозга, от которых зависит передача возбуждающего сигнала к мотонейронам. Успешное выполнение деятельности (например, спортивной) зависит от способности центральной нервной системы (ЦНС) инициировать команды к действию, вопреки нарастанию ощущения состояния усталости. При длительной или интенсивной деятельности физическое и центральное утомление сочетаются, приводя к развитию стресса (либо дистресса) и истощению. Мониторинг данного процесса позволяет в динамике оценить способность системы к самоорганизации, устойчивость к нагрузке и уровень ее энтропии.

Под нервно-психической устойчивостью понимается интегральная характеристика нервно-психического состояния, отражающая способность поддерживать определенный уровень деятельности в диапазоне проявлений, позволяющем системе находится в квазиравновесном состоянии (без признаков утомления или истощения).

Перечисленные термины включены в понятие нервно-психического состояния. Признаки напряжения и его переход в утомление определяются с помощью предложенного авторского метода.

Методика исследования.

Основной базой исследований был Биологический факультет МГУ, где испытуемыми стали 143 студента: 71 юноша и 72 девушки, средний возраст 20+-3 года (Сысоева и др., 2009). Выборка представлена контрольной группой (здоровые добровольцы, не занимающиеся спортом) и спортсменами, занимающимися разными видами спорта. В качестве основного теста апробации предлагаемого энтропийного метода оценки напряженности нервно-психического состояния выбран теппинг-тест.

Полуширина доверительного интервала для каждого из испытуемых не превышала p = 0,05 от ожидаемого значения. Все количественные показатели статистической обработки эксперимента по теппинг-тесту приняты согласно полученным данным (Малюченко и др., 2009).

В данном случае в формуле условной энтропии (5) N_max, N(t) – максимально возможное и текущее число касаний в теппинг-тесте соответственно, N₀ – значение касаний, лежащее в интервале 0 ≤ N_max ≤ N и соответствующее значению условной энтропии (H = H₀). Необходимо дать комментарии допущения (3) для энтропийной оценки нервно-психического напряжения. Свойство аддитивности энтропии (3) справедливо, когда имеет место независимость или слабое влияние нервно-психического состояния индивидов друг на друга (например, при групповых видах спорта). Правомерность использования критерия устойчивости (7), соответствующего состоянию системы, находящейся вблизи равновесия, объясняется тем фактом, что все испытуемые психически здоровы, т.е. их психика находится вблизи своего равновесного состояния.

Результаты исследования.

На рис. 1–5 представлены зависимости условной энтропии H числа касаний (тремора) от времени проведения теста для испытуемых. Из рис. 2 следует, что имеет место неустойчивая динамика энтропии (кривая вогнута), что соответствует неустойчивому нервно-психическому состоянию испытуемого, психика которого находится в близи своего равновесия.

Рис. 1 и 2 иллюстрируют устойчивую динамику энтропии (выпуклая кривая – рис. 2), что соответствует устойчивому нервно-психическому состоянию и характеризует нейтральную устойчивость (прямолинейный тренд, зависимость энтропии от времени). Из рис. 2 следует, что любые внешние воздействия на психику испытуемого могут перевести ее в неустойчивое состояние.

Рис.1. Зависимость условной энтропии H в теппинг-тесте при устойчивом нервно-психическом напряжении d²H/dt² < 0

Рис. 2. Зависимость энтропии H при квазинейтральном нервно-психическом состоянии

Рис. 3. Зависимость энтропии H при неустойчивом нервно-психическом напряжении (d²H/dt² > 0)

Необходимо отметить, что выявленные закономерности динамики энтропии согласуются с положениями методологического подхода психодиагностики в психологии и психофизиологии. В частности, выявление тренда деятельности для установления утомления в теппинг-тесте является неотъемлемой частью методики. Последняя по своим результатам согласуется с данными, полученными с помощью предложенного аналитического аппарата по оценке энтропии, показывающим более точные и качественно содержательные оценки не только нервно-психического напряжения, но и состояния системы в целом.

По результатам количественного анализа испытаний в теппинг-тесте можно ввести дополнительный критерий устойчивости нервно-психического напряжения. Если в теппинг-тесте осцилляции энтропии существенно меньше усредненного по интервалу Δt (Δt/T ≪1), где T - период проведения теста) значения энтропии измерений (ΔH/H_ср ≪1), то данный факт свидетельствует о нормальном функционировании испытуемого при внешних воздействиях (рис. 2). В противном случае (ΔH/H_ср ̃1) имеет место негативное нервно-психического состояние. В случае роста параметра (ΔH/H_ср) во времени имеет место нарастание негативных тенденций нервно-психического напряжения. А в случае убывания параметра (ΔH/H_ср) имеет место трансформация в устойчивое нервно-психическое состояние (рис. 4, 5, 6). Очевидно, что теппинг-тест представляет собой характеристику нервно-психического состояния только в измеряемой промежуток времени и повторить его даже у одного и того же индивида невозможно. Однако многократные повторные проведения теппинга с одним и тем испытуемым позволяют достоверно определить тренд энтропии для него, выявить признаки утомления и составить долговременную характеристику устойчивости его нервно-психического состояния.

Рис. 4. Зависимость энтропии H при одновременном нарастании центрального утомления и адаптации испытуемого к нагрузке (ΔH↓)

Рис. 5. Зависимость энтропии H при эталонной адаптации нервно-психического состояния испытуемого к нагрузке (ΔH↓)

Рис. 6. Зависимость энтропии H для испытуемых с феноменальной возможностью устойчивой адаптации к возрастающей нагрузке

Заключение

Следует отметить, что авторами был разработан инновационный метод мониторинга нервно-психического состояния. Апробация метода по данным теппинг-теста позволила, опираясь на жестко формализованный аппарат синергетики, выявить устойчивые и неустойчивые состояния, связанные с ростом нервно-психического напряжения и приводящие к центральному утомлению. В качестве перспективы применения предложенного метода можно рассматривать создание на его основе прибора мониторинга нервно-психического напряжения – «теппинг-холтера». Это создаст предпосылки для более тонкого анализа адаптивных возможностей индивида в динамике в разных условиях. Кроме того, представленный метод и лежащий в его основе научный аппарат в дальнейшем могут быть применимы и для создания и использования других диагностических методик, связанных с оценкой эмоциональной и когнитивной сферы.

Необходимо подчеркнуть, что, согласно полученным результатам, особенно важны следствия свойства аддитивности условной энтропии при психологическом мониторинге и организации групповых видов спорта. Предложенный энтропийный метод позволяет оперативно давать количественные оценки устойчивости нервно-психического напряжения и отдельных членов спортивных команд, и всей команды в целом в процессе тренировок.

Литература:

Анохин П.К. Узловые вопросы теории функциональных систем. – Москва : Наука, 1980. – 197 с.

Берг Т.Н. Нервно-психическая неустойчивость и способы ее выявления. – Владивосток : Морской государственный ун-т, 2005. – 63 с.

Бернштейн Н.А. Физиология движений и активность / под ред. О.Г. Газенко. АН СССР. – Москва : Наука, 1990. – 494 с.

Волов В.Т. Об одном классе условных энтропий // Обозрение прикладной и промышленной математики. – 2005. – Т. 12. – № 4. – С. 929–930. doi: 10.1016/j.acra.2005.03.051

Волов В.Т., Волов В.В. Исследование психоэмоциональной устойчивости на основе матрицы базальных эмоций // Национальный психологический журнал. – 2016. – № 4(24). – С. 98–107. doi: 10.11621/npj.2016.0412

Зинченко Ю.П., Еськов В.М., Еськов В.В. Понятие эволюции Гленсдорфа-Пригожина и проблема гомеостатического регулирования в психофизиологии // Вестник московского университета. Серия 14. Психология. – 2016. – № 1. – С. 3–24. doi: 10.11621/vsp.2016.01.03

Ломов Б.Ф. О системном подходе в психологии // Вопросы психологии. – 1975. – № 2. – С. 31–45.

Ляпунов А.М. Общая задача об устойчивости движения. – Москва; Ленинград : ГИТТЛ, 1950. – 471 с.

Малюченко Н.В., Щеголькова Ю.В., Куликова М.А., Тимофеева М.А., Шлепцова В.А., Сысоева О.В., Тоневицкий А.Г. Гендерные влияния на ассоциацию полиморфизма гена серотонинового транспортера с симптомами центрального утомления // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. – 2009. – Т. 147. – № 4. – С. 445–448. doi: 10.1007/s10517-009-0559-2

 Мартин Н., Ингленд Дж. Математическая теория энтропии. – Москва : Мир, 1988. – 350 с.

Рогачева Т.В., Залевский Г.В., Левицкая Т.Е. Психология экстремальных ситуаций и состояний : учебное пособие. – Томск : Издательский дом ТГУ, 2015. – 276 с.

Сысоева О.В., Малюченко Н.В., Смирнов К.С., Шлепцова В.А., Иваницкий А.М., Тоневицкий А.Г. Особенности анализа информации мозгом у носителей разных вариантов гена транспортера серотонина // Бюллетень эсперименальной биологии и медицины. – 2009. – Т. 148. – № 11. – 484–487. doi: 10.1007/s10517-010-0803-9

Чермянин С.В., Корзунин В.А, Юсупов В.В. Методологические аспекты диагностики нервно-психической неустойчивости у специалистов экстремальных видов деятельности // Медико-биологические и социально-психологические проблемы безопасности в чрезвычайных ситуациях. – 2008. – № 6. – С. 49–54.

Boksem M.S., Meijman T.F., & Monicque M. (2005). Effects of mental fatigue on attention: аn ERP study. Cognitive Brain Research. Vol. 25. doi: 10.1016/j.cogbrainres.2005.04.011

Chernorizov A.M., Zhong-qing J., Petrakova A.V., & Zinchenko Yu. P. (2016). Face cognition in humans: Psychophysiological, developmental, and cross-cultural aspects. Psychology in Russia: State of the Art, 9 (4), 37–50. doi: 10.11621/pir.2016.0404

Freund H.I. (1993). Motor unit and muscle activity in voluntary motor control. Psychological Reviews, 63, 387–436. doi: 10.1152/physrev.1983.63.2.387

Gareev F.A. Gareeva E.F. & Zhidkova I.E. (2002). The Golden Section in Some Parts of Theoretical Physics, Samara.

Haken H., Kelso J.A.S., & Bunz H. (1985). A theoretical model of phase transitions in human hand movements. Biol. Cybernetics, S1, 347–356. doi: 10.1007/BF00336922

Jax S.A., & Rosenbaum D.A. (2007). Hand path priming in manual obstacle avoidance. Journal of Experimental Psychology: Human Perception and Performance, 33, 425–441.  doi: 10.1037/0096-1523.33.2.425

Jax S.A., Rosenbaum D.A., & Vaughan J. (2007). Extending Fitts' Law to manual obstacle avoidance. Journal of Experimental Brain Research, 180, 775–779.  doi: 10.1007/s00221-007-0996-y

Kupfermann I. (1993). The generation of motor pattern. Current directions in Psychological Scince, 2, 126. doi: 10.1111/1467-8721.ep10772613

Prigogine, I., & Nicolis, G. (1977). Self-Organization in Non-Equilibrium Systems, Wiley.

Prigogine, I. "Time, Dynamics and Chaos: Integrating Poincare's 'Non-Integrable Systems", Center for Studies in Statistical Mechanics and Complex Systems at the University of Texas-Austin, United States Department of Energy-Office of Energy Research, Commission of the European  ++Communities.

Schöner G., Haken H., & Kelso J.A.S. (1986). A stochastic theory of phase transitions in human hand movements. Bio+7l. Cybernetics, 53, 247–257. doi: 10.1007/BF00336995

Stakhov, A. The Generalized Principle of the Golden Section and its applications in mathematics. Chaos Solitons & Fractals, 26 (2), 263–289. doi: 10.1016/j.chaos.2005.01.038

Summer J., Rosenbaum D.A., & Burns B. (1993). Production of polyrhythms. Journal of Experimental Psychology: Human Perception and Performance, 19, 416–426. doi: 10.1037//0096-1523.19.2.416

Thelen E. (1995). Motor development: A new synthesis. American Psychophysiologist, 50, 79–95. doi: 10.1037/0003-066X.50.2.79

Volov V.T. (2013). Fractal-cluster theory and thermodynamic principles of the control and analysis for the self-organizing systems. Retrieved from: https://arxiv.org/abs/1309.1415v1.

Volov, V.T. (2000). Fractal-Cluster Theory of Educational Institutions Management, Kazan University Press, Kazan.

Volov, V.T. (2001). Economics, Fluctuations and Thermodynamics, GHQ Academy of Sciences, Samara.