Метод оценки эмоционального состояния с помощью комплекса психофизиологических и тензотреморометрических методов

Белинский Артем Викторович ORCID: 0000-0001-5366-7018 аспирант, кафедра психофизиологии, Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова 125009, Россия, Москва область, г. Москва, ул. Моховая, 11 стр.9 Belinskiy Artem Viktorovich Postgraduate student, Department of Psychophysiology, Lomonosov Moscow State University. 125009, Russia, Moscow region, Moscow, Mokhovaya str., 11 p.9 V10046321@yandex.ru Девишвили Важа Михайлович кандидат биологических наук доцент, кафедра психофизиологии, Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова 125009, Россия, Москва область, г. Москва, ул. Моховая, 11 стр.9 Devishvili Vazha Mikhailovich PhD in Biology Associate Professor, Department of Psychophysiology, Lomonosov Moscow State University. 125009, Russia, Moscow region, Moscow, Mokhovaya str., 11 p.9 vmdev@mail.ru Черноризов Александр Михайлович доктор психологических наук заведующий кафедры психофизиологии, профессор кафедры психофизиологии, Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова 125009, Россия, Москва область, г. Москва, ул. Моховая, 11 стр. 9 Chernorizov Aleksandr Mikhailovich Doctor of Psychology Head of the Department of Psychophysiology, Professor, Department of Psychophysiology, Lomonosov Moscow State University. 125009, Russia, Moscow region, Moscow, Mokhovaya str., 11 p. 9 amchern53@mail.ru

Лобин Михаил Александрович Старший разработчик, Общество с ограниченной ответственностью "Первая Грузовая Компания ДИДЖИТАЛ" 105066, Россия, Москва область, г. Москва, ул. Новорязанская, 24 Lobin Mikhail Aleksandrovich Senior developer, First Cargo Company DJITAL Limited Liability Company 105066, Russia, Moscow, Novoryazanskaya str., 24 m.lobin@list.ru

Введение

Треморография как способ оценки психоэмоционального состояния человека хорошо изучена и применяется в психофизиологии достаточно давно ^{[2, 3, 8]}. Она используется как для оценки патологических состояний (например, болезнь Паркинсона, и эссенциальный тремор) ^{[14, 15, 20]} так и при оценке состояний здорового человека. Известно, что тремор состоит из нескольких компонент, проявляющихся на различных частотах, каждая из которых генерируется своим источником. В данной статье исследуется психоэмоциональное напряжение, здоровых испытуемых, которое характеризуется изменениями физиологического тремора на частотах в диапазоне 8-16 Гц ^{[1, 4, 21, 24]}

Основными инструментальными методами исследования тремора является акселерометрия, электромиография и тензотреморометрия, использующие принципиально различные подходы к сбору данных - так, акселерометрия опирается на измерение ускорения пальцев рук в воздухе, в то время как тензотреморометрия использует опору, на которую кладутся пальцы рук, и снимается сила нажатия на эту опору, а электромиография исследует непосредственно активность мышц, создающих этот тремор. У каждого из этих методов существуют свои характерные особенности, обуславливающие его применение в той или иной ситуации, однако в данной статье основными целями исследования являются изучение принципиальной возможности использования тензотреморометрии как показателя степени выраженности эмоционального напряжения, а также разработка методики оценки силы эмоционального напряжения с её помощью.

Подобные исследования проводились с точки зрения оценки патологического состояния человека, а также возрастных изменений в характере тремора и силе реакции на эмоционально значимые стимулы. Так при исследовании тремора суставного угла с помощью тензометрической установки, как индикатора психофизиологического состояния, были выявлены значимые различия амплитудного распределения в полосе частот 7-11 Гц и 1-3 Гц, при ударе током, физической нагрузкой и когнитивной нагрузкой, в отличие от нормы ^[3].

Е.А. Кристоу с коллегами убедительно показали, что увеличение мощности тремора в диапазонах 0-2 Гц усиливается во всех возрастных категориях, особенно в группе пожилых испытуемых при предъявлении эмоционально значимого стимула в виде электрошока в процессе поддержания заданного усилия 2% от максимального произвольного сокращения. В данной работе реакция на стимул верифицировалась физиологическими показателями. В результате были различия в амплитуде тремора на заданных исследователями частотах ^{[9, 10]}

Последнее исследование, которое использовало схожий дизайн, было проведено Р.Л. Блэкморе совместно с коллегами. Выборка состояла из 18 здоровых испытуемых и 18 испытуемых с болезнью Паркинсона. В задачу входило поддерживать целевое силовое значение, которое было отмечено линией и было равно 15% от максимального произвольного сокращения в течение 12 секунд. В случайный момент последних 6 секунд предъявлялось изображение из базы International affective picture system (IAPS)^[16]. Физиологического подтверждения эмоциональной значимости не проводилось. Результаты показали, что значимых различий увеличения мощности тремора в диапазонах 0-4 Гц, 4-8 Гц и 9-12 Гц, у здоровых испытуемых обнаружить не удалось. Однако у людей с болезнью Паркинсона было обнаружена значимая разница на диапазонах 0-4 Гц и 4-8 Гц в сторону увеличения ^[6]

В данной работе была поставлена задача оценка возможности изучения реакции на эмоционально значимый стимул. В качестве эмоционально значимых стимулов использовалась апробированная база COMPASS ^[23] и звуковые стимулы. Проводился физиологический контроль значимости стимула с помощью показателей ВНС – фотоплетизмограммы (ФПГ) и электрической активности кожи (ЭАК).

Для более точного сбора и анализа данных тензотреморографии использовались специально разработанное устройство на основе ранее не применявшихся в этом направлении силочувствительных датчиков, и методика математического анализа, основанная на фрагментации данных методом «скользящего окна» и дальнейшего сравнения фрагментов записи с контрольной записью тремора в покое с помощью критерия Эппса-Синглтона^[11]

Таким образом, новизна исследования заключается в использовании базы стимулов эмоционально значимых изображений и звуков, в сочетании с более точными датчиками и ранее не применявшимся математическим методом анализа.

Цель исследования состоит в создании методики оценки уровня эмоционального напряжения с использованием тензодатчиков регистрирующих нелинейные изменения сопротивления и регистрацией физиологических показателей в процессе предъявления эмоционально значимых стимулов.

Гипотеза исследования – амплитудные характеристики тензотреморограммы на частоте 8-16 Гц, в изометрическом условии, при предъявлении эмоционально значимых стимулов, будут отличаться от тех же характеристик в контрольных условиях.

Задачи исследования включали в себя проверку возможности использования тензотреморографии для исследования напряжения с дополнительной проверкой с помощью изученных методов, и разработку методики оценки на основании полученных результатов.

Программа исследования

Процедура эксперимента, метод и методика

В исследовании принимало участие 50 человек (28 мужчин и 22 женщины, средний возраст = 23 +/- 2,4 года).

Испытуемые получили инструкцию зажать между указательным и большим пальцем тензодатчик, с обратной стороны которого располагается твердая опора. Это сделано для исключения артефактов, связанных с изгибом датчика. Испытуемый был в положении сидя, рука опиралась предплечьем и кистью на стол, ладонь располагалась со стороны мизинца «ребром ладони» (Рис. 1). Перед испытуемыми на расстоянии 30 см от глаз располагался монитор с обратной связью (рис. 2).

Рис. 1. Удержание заданного усилия в изометрическом условии

Измерение максимального произвольного сокращения

Максимальное произвольное сокращение (МПС) понимается как максимально примененная сила, и используется для нормализации по силовым характеристикам испытуемых.

Испытуемого инструктировали максимально сильно сжать тензодатчик в течение 6 секунд. Среднее значение десяти наибольших образцов силы для каждого датчика в каждом из трех испытаний давало оценку МПС испытуемых. Процедура исследования максимального произвольного сокращения проводится по методике для экспериментов по исследованию обратной связи силового сокращения при болезни Паркинсона ^[22].

Стимульный материал

В качестве стимульного материала, из базы COMPASS ^[23], было отобрано 15 изображений, разделенных по категориям валентности на негативные (изображения, вызывающие отвращение), позитивные (красивые изображения) и нейтральные, 5 звуковых стимулов из базы, включающие в себя звуки взрыва, мужских и женских криков продолжительностью 1 с. на громкости 105 Дб, а также 5 звуковых стимулов, содержащих в себе тишину.

Все стимулы были случайно распределены по времени предъявления в промежутке от 5 до 20 секунд, а также по порядку предъявления и предъявлялись в течение 2 секунд.

Инструкция и процедура

На каждом этапе испытуемому предлагалась следующая инструкция: “Вам необходимо поддерживать заданный уровень целевого усилия (10000), показанный горизонтальной линией на графике (Рис.2), в течение 30 секунд. В случайный момент времени вам может быть предъявлен стимул в виде изображения или звука. Старайтесь поддерживать заданный уровень на протяжении всего испытания”. Перед основной сессией экспериментов испытуемые получали возможность потренироваться в удержании линии, проходя испытание такой же длительности без стимула. Отдых между стимулами составил 5 секунд.

Рис. 2. График отображения обратной связи силовых характеристик, применяемых испытуемым. По вертикальной оси - сила нажатия. По горизонтальной оси – время в течение 30 секунд.

Также для верификации наличия эмоционального напряжения другими методами использовались данные фотоплетизмографии и ЭАК. Физиологические данные были получены с помощью программы с открытым исходным кодом Neurokit2 ^[17]

Полученные в итоге эксперимента данные тензотреморографии обрабатывались методом скользящего окна ^[12] и фильтровались полосовым фильтром Баттерворта на частотах 8-16 Гц, и затем статистически сравнивались участки записи с записью в покое с помощью критерия Эппса-Синглтона, выбранного из соображений того, что он наиболее точно сравнивает сигналы разной длины. Целью эксперимента и задачей анализа был поиск значимых различий между участками записи при подаче стимульного материала, и без такового.

Результаты

Удержание заданного усилия в изометрическом условии

Данные измерения проводились для проверки возможности использования тремора в изометрическом условии как показателя эмоционального напряжения.

Рис. 4 - Тензотреморография в изометрическом условии. Стимул «Отвратительное изображение» предъявлен на 18,5 секунде и отмечен вертикальной линией. Результат фильтрации на частоте 8-16 Гц вертикальная ось – %МПСГц, горизонтальная ось – время.

На треморограмме на рис. 4 заметен характерный пик после фильтрации фильтром Баттерворта на моменте подачи сигнала (18,5 с), отражающий характерное увеличение амплитуды тремора при появлении эмоционального напряжения. Амплитуда этого пика в несколько раз превышает амплитуды других экстремумов. Подобные результаты треморографии позволяют говорить о наличии явно выраженной реакции на возрастание эмоционального напряжения.

Рис. 5 – Электрическая активность кожи. Стимул «Отвратительное изображение» предъявлен на 18,5 секунде и отмечен вертикальной линией. А – фильтрованный сигнал ЭАК, по вертикальной оси - проводимость кожи, в мкСм; Б – Фазовый компонент Электро-кожной проводимости, в десятых доля мкСм; В - тоновый компонент Электро-кожной проводимости по вертикальной оси, в мкСм. По горизонтальной оси всех трех графиков время в секундах.

Как видно на рис. 5, измерения проводимости кожи испытуемого, проводившиеся параллельно тензотреморографии, также показывают характерную реакцию на графике Б, совпадающую с учетом задержки реакции (1,5-6 сек.) с моментом подачи стимула ^[13]

Аналогичную ситуацию можно наблюдать на рис. 6, где демонстрируются графики соответствующей фотоплетизмограммы, с выделенными пиками. На графике заметен быстрый рост ЧСС испытуемого после момента подачи стимульного материала, что также свидетельствует о возбуждении, и эмоциональной реакции организма.

Рис. 6 – Фотоплетизмограмма, стимул «Отвратительное изображение» предъявлен на 18,5 с., и отмечен вертикальной линией. На графике показана частота сердечных сокращений (ЧСС), по вертикальной оси - количество ударов сердца в минуту. По горизонтальной оси графика время.

Таблица 1. Статистический тест Эппса-Синглтона* данных тензотреморограммы.

*Статистика теста значима в каждом случае (p-значение < 0,05)

В таблице 1 представлены результаты статистического анализа (статистика Эппса-Синглтона, p-value для этой статистики, а также разница между минимальной и максимальной амплитудой на записи, dmax). Здесь большее значение статистики Эппса-Синглтона соответствует большему различию между участком записи после стимула и записью до стимула (рис.4), большее значение dmax соответствует большему различию амплитуд на записи по совокупности данных всех испытуемых.

По результатам статистического анализа можно сделать вывод о наличии значимого увеличения степени различия участка после подачи стимульного материала между записями со стимулами типа «Звук», «Красивое изображение», «Отвратительное изображение», и записями со стимулом «нейтральное изображение» или с пустым аудиофайлом в качестве стимула, а также о наличии значительного увеличения разницы минимальной и максимальной амплитуды тремора dmax (примерно в 2,5-3 раза) между теми же записями. Здесь dmax используется как показатель силы реакции на эмоциональный стимул. Это позволяет заключить, что изменение тремора возникает одновременно с изменениями в данных ФПГ и ЭАК характерными для эмоционального напряжения.

Данные статистического анализа подтверждают предположения, построенные по показательным графикам, и также основную гипотезу эксперимента о наличии связи между эмоциональным напряжением испытуемого, определяемого по данным ЭАК и ФПГ и значимым изменением в тензотреморограмме.

Рис. 7 Диаграмма размаха процентов максимального произвольного сокращения (МПС) в зависимости от предъявленных стимулов в условиях изометрического усилия. По вертикальной оси - % МПС.

На рис. 7 можно наблюдать график разброса разницы максимальной амплитуды без стимула и максимальной амплитуды при подаче разных стимулов. Можно заметить, что разброс значительно увеличивается при подаче стимула, вызывающего эмоционального напряжения, и остается сравнительно небольшим при подаче пустого аудиофайла либо же нейтрального изображения в качестве стимульного материала. Здесь среднее по выборке +/- стандартное отклонение находится в интервале от 1,3% до 1,5% при подаче стимула “Звук”, интервале 1,2% - 1,4% при подаче стимула “Красивое изображение”, и интервале 1,3% - 1,4% при подаче стимула “Отвратительное изображение”, при том, что средние значения для экспериментов без стимула или с подачей нейтрального стимула находятся в интервале 0,8% - 1%. Эта разница в разбросе амплитуд является значимой, и говорит о наличии роста мышечного тонуса при предъявлении стимула. Медианные значения в графах с предъявленным стимулом имеют сходные значения, что говорит о неспецифической реакции по отношению к стимулу.

Таким образом, можно говорить о том, что демонстрация стимула, вызывающая стрессовую реакцию, также вызывает значимые изменения при тензотреморографии в условиях удержания одиночного датчика щипковым захватом.

Обсуждение

Выбор методики исследования тремора и психофизиологических параметров обуславливается непродолжительностью значимой реакции на эмоциональное напряжение. Исходя из этого, в методике анализа используется фрагментация методом «скользящего окна», поскольку для определения момента реакции на стимул необходимо провести разделение записи на участки, однако при разделении без наложения существует вероятность того, что момент реакции будет разделен между двумя фрагментами и не будет корректно обработан. Также для анализа был выбран критерий Эппса-Синглтона из-за наибольшей точности при сравнении записей различной длины.

Основное внимание в работе уделено анализу данных тензотреморометрии на частотах, характерных для физиологического тремора, исключая частоты, характерные для патологического и других видов тремора, и корреляции этих данных с синхронно собираемыми данными датчиков физиологических реакций испытуемых.

Большинство исследователей, изучая различными методами, тремор и его изменения, опираются на данные патологического тремора, получаемые при изучении последствий болезни Паркинсона. Другая альтернатива этому подходу - изучение физиологического тремора с помощью акселерометрии ^[8], токовихревых датчиков ^[5], либо тензодатчиков ^[19].

Эксперимент проводился по схеме с удержанием датчика в неподвижной руке, и с использованием апробированной базы стимулов как метода вызова эмоционального напряжения. Основным отличием от других работ в эксперименте была методика анализа, поскольку производилось одновременное исследование данных физиологического состояния испытуемого и треморометрии. Кроме того, важной частью анализа стала фильтрация необходимых частот и фрагментация итоговых данных.

В схожем эксперименте с поддержанием заданного усилия в изометрическом условии, проводилась стимуляция с помощью базы эмоциональных изображений IAPS и данными, полученными от поддержания заданного усилия в 2% от МПС. Авторы по результатам исследования пришли к выводу, что воздействие приятных и неприятных изображений привело к относительному увеличению выработки силы, но не изменило вариабельность выработки силы по сравнению с условиями, в которых участники рассматривали нейтральные изображения ^[18]

В исследовании, где в качестве стимуляции был выбран электрошок, было показано, что мышечное сокращение в изометрическом условии приводит к увеличению вариативности производства силы на низком уровне МПС ^[10]

Расхождение полученных результатов было получено в сравнении с исследованием Р.Л. Блэкморе и коллег, в котором не было получено значимых отличий у группы здоровых испытуемых в диапазоне физиологического тремора. Это может быть следствием малого количества выборки здоровых испытуемых ^[7].

Наши результаты эксперимента частично согласуются с теми, что были получены ранее исследователями с разными вариантами стимульного материала. Например, звуковой стимул, имея больший разброс, как и в эксперименте с электрошоком ^{[9, 10]}, возможно, имел большую значимость для испытуемых.

В результате эксперимента было показано увеличение амплитуды тремора в состоянии эмоционального напряжения, однако масштаб такого увеличения был крайне неоднороден для разных испытуемых, создавая значительное расхождение между 10-м и 90-м перцентилем амплитуд. Причина такого расхождения не вполне ясна, и определенно нуждается в дальнейшем исследовании, поскольку это увеличение наблюдается стабильно, однако при этом сохраняется отношение стандартного отклонения от средней амплитуды близкое к единице.

Исследованы различия в характере таких изменений при предъявлении стимулов различного характера (звуковые и зрительные), а также разной эмоциональной валентности, и продемонстрированы различия

Предложенная методика имеет широкие возможности доработки для практического использования, в частности, в целях инструментальной детекции скрываемой информации как маркеры эмоционального напряжения. Методика также может найти своё применение в клинических исследованиях, а также при исследовании возрастных изменений в моторной системе человека.

Важным направлением использования методики может стать изучение психоэмоционального состояния учащихся, как непосредственно в моменте обучения, так и на протяжении долгого промежутка времени. В дальнейшем получаемые данные могут использоваться для коррекции учебных планов, методик обучения и образовательных программ с тем, чтобы обеспечить наилучшее усвоение учащимися материала.

Заключение

Данная методика позволяет использовать характеристики тензотреморометрии в процессе обнаружения эмоционального напряжения. Представляются широкие возможности использования в качестве клинического метода определения заболеваний нервной системы, которые связаны с тремором. Данный метод дополняет существующие знания о связи психофизиологии движения и эмоций.

В дальнейшем представляется интересным углубить исследование предпосылок и причин повышения уровня психоэмоционального напряжения. Так, одно из возможных направлений дальнейших исследований – изучение с помощью методов ЭЭГ и фМРТ механизмов работы головного мозга при повышении уровня психоэмоционального напряжения. С другой стороны, важно изучить особенности проявления психоэмоционального напряжения в связи с возрастом и наличием психиатрических и психофизиологических заболеваний, поскольку тензотреморографические методы в данных случаях могут быть менее точны. Это связано с дополнительными источниками тремора, которые могут вносить шум в изучаемый сигнал и без коррекции с учетом специфики исследуемого создают почву для неверной интерпретации получаемых данных.