Parameters of oculomotor activity and cerebral hemodynamics in students with different types of autonomic reactivity while performing cognitive tasks

Cover Image

Cite item

Full Text

Abstract

BACKGROUND: At the current state of human development, with the high rates of knowledge accumulation and accelerated social and technical evolution, studying the psychophysiological features of cognitive activity within a limited time is essential.

AIM: To examine oculomotor activity and cerebral hemodynamics parameters in students with different types of autonomic reactivity while performing cognitive tasks.

MATERIALS AND METHODS: The study enrolled 110 students of the Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov (mean age, 19.0±0.5 years). To identify specific features of cognitive activity in various timing conditions, the type of autonomic nervous system reactivity was determined. Eye movements were tracked when solving cognitive tasks at various timing conditions. A rheoencephalogram was simultaneously recorded to assess cerebral hemodynamics. The efficiency of cognitive activity was assessed in various timing conditions with consideration of the identified individual typological features.

RESULTS: The participants demonstrated different efficiency levels of cognitive activity when performing cognitive tasks at various timing conditions. Students with a sympathetic-tone type of autonomic reactivity revealed the most efficient and rapid processing of visual information under a time-constraint setting owing to the presence of a more stable relationship between oculomotor activity and cerebral hemodynamics parameters. Participants with parasympathetic-tone reactivity showed the lowest success rates in cognitive activity and the least stable relationships between oculomotor activity and cerebral hemodynamics.

CONCLUSIONS: Young individuals with different types of autonomic reactivity exhibited general and specific alterations in cerebral hemodynamics and oculomotor activity when performing cognitive tasks under a time-constraint setting. They showed different efficiency levels of cognitive activity. Thus, human cognitive abilities under stress depend on the reactivity type of the nervous system. The specific changes in oculomotor reactions and cerebral hemodynamics parameters may be considered success markers of cognitive activity. The most successful cognitive activity under limited time conditions is ensured with a more stable statistical relationship between cerebral hemodynamics and oculomotor activity parameters. This is reflected in a stable factor model of visual cognitive activity, regardless of time limitations.

About the authors

Anna I. Taleeva

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov

Author for correspondence.
Email: a.taleeva@narfu.ru
ORCID iD: 0000-0002-9346-6357
SPIN-code: 5850-6715

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, Arkhangelsk

Natalya V. Zvyagina

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov

Email: n.zvyagina@narfu.ru
ORCID iD: 0000-0001-8384-0424
SPIN-code: 8090-7591

Cand. Sci. (Biology), Assistant Professor

Russian Federation, Arkhangelsk

Olga E. Karyakina

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov

Email: o.travnikova@narfu.ru
ORCID iD: 0000-0003-0781-0164
SPIN-code: 3269-1935

Cand. Sci. (Biology), Assistant Professor

Russian Federation, Arkhangelsk

Nikolay V. Popov

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov

Email: pnvnick@mail.ru
ORCID iD: 0009-0009-6220-0490
SPIN-code: 1138-5057
Russian Federation, Arkhangelsk

Tatyana V. Zotikova

Archimedes Audio LLC

Email: zotikova.t.v@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0003-4366-0703
SPIN-code: 1473-8312
Russian Federation, Arkhangelsk

References

  1. Babaeva YD, Rotova NA, Sabadosh PA. Determinants of intellectual test performance under time pressure. Psikhologicheskie issledovaniya. 2012;5(25). EDN: PJSHOL doi: 10.54359/ps.v5i25.744
  2. Bazarov TY, Tumanyan DG. Time constraints effect on solving creative problems. Natsional’nyi psikhologicheskii zhurnal. 2012;(2):116–123. EDN: QGQHYG
  3. Krivolapchuk IA, Chernova MB. The functional state of children of preschool age and first grade students at information load with varying degrees of stress. Human Ecology. 2020;(3):31–40. EDN: DJVFLA doi: 10.33396/1728-0869-2020-3-31-40
  4. Hidalgo-Muñoz AR, Mouratille D, Matton N, et al. Cardiovascular correlates of emotional state, cognitive workload and time-on-task effect during a realistic flight simulation. Int J Psychophysiology. 2018;128:62–69. doi: 10.1016/j.ijpsycho.2018.04.002
  5. Mandricka K, Peysakhovich V, Rémy F, et al. Neural and psychophysiological correlates of human performance under stress and high mental workload. Biological Psychology. 2016;121(Pt. A):62–73. doi: 10.1016/j.biopsycho.2016.10.002
  6. Poskotinova LV, Kamenchenko EA. Quiet rheoencephalogram indicators in healthy adolescents aged 15–17 years in european north. Human Ecology. 2011;(9):36–44. EDN: OBRIEZ
  7. Zohdi H, Scholkmann F, Wolf U. Individual differences in hemodynamic responses measured on the head due to a long-term stimulation involving colored light exposure and a cognitive task: A SPA-fNIRS study. Brain Sciences. 2021;11(1):54. doi: 10.3390/brainsci11010054
  8. Barabanshchikov VA. Human oculomotor activity as a subject and method of psychological research. Eyetracking in psychological science and practice. Moscow: Kogito-Tsentr; 2015. (In Russ.)
  9. Merkulova AG, Kalinina SA. The distribution of the visual attention in the training of student-pilots for the flight activity. Hygiene Sanitation. 2017;(8):752–755. EDN: ZGCTDJ doi: 10.47470/0016-9900-2017-96-8-752-755
  10. Hertzum M, Holmegaard KD. Perceived time as a measure of mental workload: Effects of time constraints and task success. Int J Human-Computer Interaction. 2013;29(1):26–39. doi: 10.1080/10447318.2012.676538
  11. Deputat IS, Nekhoroshkova AN, Gribanov AV, et al. Analysis of dc-potential level in assessment of body functional state (review). Human Ecology. 2015;(10):27–36. EDN: UMDFGN doi: 10.17816/humeco16980
  12. Fokin VF, Ponomareva NV, Klopov VI, et al. Vascular reactivity induced by cognitive load in patients with discirculatory encephalopathy. J Asymmetry. 2014;8(3):4–22. EDN: YMZCZV doi: 10.18454/ASY.2016.10.3550
  13. Zaripov VN, Barinova MO. Cerebral hemodynamics changes of girls-students with different type of temperament under the influence of intellectual loadings of various intensity. Vestnik Ivanovskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Estestvennye, obshchestvennye nauki. 2012;(2):14–22. EDN: PBJFXV
  14. Rusanov VB. Influence of information environment on functional features of cerebral blood circulation of a forming organism. Medline.ru. 2012;(8):445–454. (In Russ.)
  15. Zaripov VN, Barinova MO, Bulygin AN. Influence of mental load on the state of cardiovascular system of female students’ organism. Vestnik Ivanovskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Estestvennye, obshchestvennye nauki. 2013;(2):8–13. (In Russ.) EDN: RMRHSN
  16. Mikadze YuV, Bogdanova MD, Lysenko ES, et al. Assessment of hemodynamic cerebral lateralization during the performance of verbal mnestic tasks with the use of functional transcranial doppler ultrasound. Eksperimental’naya psikhologiya. 2015;8(3):62–73. EDN: VCXXOV doi: 10.17759/exppsy.2015080306
  17. Carroll D, Ginty AT, Whittaker AC, et al. The behavioural, cognitive, and neural corollaries of blunted cardiovascular and cortisol reactions to acute psychological stress. Neuroscience Biobehavioral Rev. 2017;77:74–86. doi: 10.1016/j.neubiorev.2017.02.025
  18. Muthukrishnan SP. Does heart rate variability predict human cognitive performance at higher memory loads? Indian J Physiol Pharmacol. 2017;61(1):14–22.
  19. Kol’tsova MM. Slow children. Saint Petersburg: Rech’; 2003. (In Russ.)
  20. Phillips AC, Ginty AT, Hughes BM. The other side of the coin: Blunted cardiovascular and cortisol reactivity are associated with negative health outcomes. Int J Psychophysiology. 2013;90(1):1–7. doi: 10.1016/j.ijpsycho.2013.02.002
  21. Ovchinnikov KV. Interrelation of heart rhythm variability and psychophysiological parameters in persons with different type of vegetative nervous system [dissertation abstract]: 03.00.13. Place of defence: Rostov State University. Rostov-on-Don; 2006. (In Russ.)
  22. Baevskii RM. Analysis of heart rate variability using different electrocardiographic systems. J Arrhythmology. 2002;(24):65–86. EDN: HSPLXF
  23. Benson L, Beach LR. The effects of time constraints on the prechoice screening of decision options. Organizational Behavior Human Decision Processes. 1996;67(2):222–228. doi: 10.1006/obhd.1996.0075
  24. Barabanshchikov VA, Zhegallo AV. Eyetracking: Eye movement recording techniques in psychological research and practice. Moscow: Kogito-Tsentr; 2014. (In Russ.)
  25. Barabanshchikov VA, Milad MM. Oculography methods in the study of cognitive processes and activities. Moscow: Institute of Psychology of the Russian Academy of Sciences; 1994. (In Russ.)
  26. Duchowski AT. Eye tracking methodology. Springer International Publishing; 2017. doi: 10.1007/978-3-319-57883-5
  27. Babiyants AYa, Khananashvili YaA. Cerebral circulation: Physiological aspects and modern research methods. Fundamental Med Biology. 2018;(3):46–54. EDN: YLSVHV
  28. Frolov SV, Stroyev VM, Gorbunov AV, et al. Methods and devices of functional diagnostics. Tambov: Izdatel’stvo Tambovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta; 2008. (In Russ.)
  29. Burykh EA. Correlations between EEG and rheographic indices of cerebral blood flow in children on north-east of Russia. Rossiiskii fiziologicheskii zhurnal im. I.M. Sechenova. 2015;(9):1066–1078. EDN: UFHJLR
  30. Krasnikova IV. Influence of mental stress on the heart rhythm of students with different type of vegetative balance. Izvestiya Tul’skogo gosudarstvennogo universiteta. Estestvennye nauki. 2017;(4):73–81. EDN: YLSJBN

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Reliable changes in cerebral hemodynamic parameters in students performing a cognitive task under time constraints compared to activities without time constraints. Blue marking of brain vessels indicates a reliable decrease in cerebral hemodynamic parameters (p <0.05).

Download (266KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Factor structure of the relationship between oculomotor and hemodynamic parameters in students with different types of autonomic reactivity: RI — rheographic index; Q-x — pulse wave propagation time; MCH — maximum rapid filling velocity; SSN — average slow filling velocity; DIA — diastolic index; VOR — venous outflow index; NF — number of fixations; FF — fixation frequency; ADF — average duration of one fixation; DF — fixation dispersion; NS — number of saccades; SDS — average duration of one saccade; AC — saccade amplitude; SS — saccade velocity; SL — saccade latency; f — frontomastoid leads; o - occipito-mastoid leads.

Download (680KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».