Введение. Современное образовательное пространство характеризуется широким внедрением цифровых технологий, оценка безопасности которых для здоровья обучающихся требует проведения соответствующих гигиенических исследований [1–4]. Отличительной особенностью цифровизации учебного процесса является использование клавиатурного письма, которое существенно отличается от ручного письма и в дальнейшем все в большей степени предполагает его вытеснение [5–8]. Исследования в области гигиены и физиологии письма свидетельствуют о том, что замена ручного письма на клавиатурное небезразлично для развития мозга, особенно в процессе активного развития и формирования мозговых функций у детей в условиях образовательной деятельности [9–13].

Биокибернетический подход к гигиенической оценке клавиатурного письма предусматривает исследование механизмов управления тонко-координированными движениями пальцев и кистей рук на основе сравнительного анализа биоэлектрической активности мозга с ручным письмом [14].

Ручное письмо является сложным моторным актом, при котором траектория пишущего острия не тождественна движениям кончиков пальцев, направляющих пишущий инструмент [15][16]. Это очень латерализованный процесс, характеризующийся участием одной руки и трех пальцев. Клавиатурное письмо отличается от ручного как по характеру движений, так и по тактильным, проприоцептивным и кинестетическим ощущениям пальцев и кистей рук. При печатании на клавиатуре используются обе руки и все 10 пальцев. Движения пальцев при клавиатурном письме менее разнообразные, менее точные и менее тонкие, чем при письме рукой.

Отличительной биомеханической особенностью клавиатурного письма является внутренняя ротация предплечья в локтевом суставе, в то время как при ручном письме сохраняется естественное положение предплечья и кисти руки практически в одной вертикальной плоскости с небольшим углом ротации внутрь. Положение кисти при ручном письме является более физиологичным, чем при клавиатурном [17].

Ручное письмо требует более высокого уровня зрительно-моторной координации в отличие от клавиатурного письма. При клавиатурном письме положение кистей рук практически не меняется, в то время как при ручном письме кисть рабочей руки постоянно меняет свое положение.

Особенности клавиатурного письма определили необходимость разработки методического обеспечения гигиенических исследований по оценке его влияния на организм обучающихся.

Цель исследования – разработать методический подход и провести тестовое исследование по гигиенической оценке клавиатурного письма на основе биокибернетического анализа биоэлектрической активности мозга.

Материалы и методы исследования. Для разработки методического подхода обоснован алгоритм и проведено тестовое исследование с использованием биокибернетического анализа механизмов управления сложно координированными движениями пальцев и кистей рук на основе оценки результатов ЭЭГ-активности отделов головного мозга, участвующих в управлении тонкой моторикой в процессе клавиатурного и ручного письма.

Предварительное тестовое исследование проведено в лаборатории биокибернетических методов исследования с участием волонтера-студента 21 года для установления адекватности и информативности методического подхода и обоснования возможности дальнейших серийных исследований с участием детей и подростков разного возраста и пола, а также в разных условиях их обучения и воспитания, в том числе в современных условиях цифровой образовательной среды. Рабочая гипотеза состояла в том, что отсутствие адекватных цели результатов явилось бы основанием корректировки или модификации предложенного методического подхода прежде проведения исследования с участием обучающихся школьного возраста.

У участника исследования было получено письменное информированное согласие до начала исследования. Условием включения в исследование являлось отсутствие хронических заболеваний в стадии обострения и жалоб на состояние здоровья, в том числе со стороны центральной нервной системы.

Исследование выполнено в соответствии с принципами Хельсинкской декларации (2013).

Алгоритм исследования включал:

1) регистрацию ЭЭГ в покое: глаза открыты – 3 мин, затем глаза закрыты – 3 мин;

2) печать на клавиатуре стандартного текста – 3 мин, запись ЭЭГ (F5)–(F5) – 3 мин;

3) регистрацию ЭЭГ в покое: глаза открыты – 3 мин, затем глаза закрыты – 3 мин;

4) письмо рукой стандартного текста (того же, что и при клавиатурном письме) – 3 мин, запись ЭЭГ (F6)–(F6);

5) регистрацию ЭЭГ в покое: глаза открыты – 3 мин, затем глаза закрыты – 3 мин.

Система наложения электродов состояла из монополярных отведений по международной системе 10–20 (Fp1,2; F3,4; C3,4; P3,4; O1,2; F7,8; T3,4; T5,6; Fz; Cz; Pz). Регистрация ЭЭГ проводилась на компьютерном электроэнцефалографе «Нейро-КМ» с пакетом программ Brainsys для спектрально-когерентного и статистического анализа ЭЭГ. Программное обеспечение позволяет проводить статистическую обработку электроэнцефалограмм с расчетом мощности альфа-ритма и определением топографии абсолютной мощности альфа-ритма ЭЭГ и ее различий при клавиатурном и ручном письме.

При проведении исследования необходимо соблюдение следующих условий: а) выключение экрана монитора во время регистрации ЭЭГ покоя с открытыми глазами; б) стандартный текст должен соответствовать психофизиологическому уровню развития обследуемых; в) текст для печати на клавиатуре и для ручного письма должен быть расположен перед обследуемым.

Результаты исследования и их обсуждение. Апробация предложенного алгоритма проведена в условиях тестового исследования. По результатам электроэнцефалографического исследования установлено, что в покое при открытых глазах фиксируется характерный для данного состояния сенсомоторный ритм альфа-диапазона, который исчезает при письме рукой и печатании на клавиатуре.

Статистический анализ выявил снижение абсолютной мощности ритмов альфа-диапазона при письме и печатании (рис. 1).

Топография значимого снижения мощности альфа-волн различна при письме рукой и клавиатурном письме (рис. 2).

При письме рукой снижение мощности альфаволн, отражающее активацию коры, отмечается в более обширной зоне (рис. 3, слева) и включает не только моторные (F, C), но и зрительные (О) отделы. При клавиатурном письме снижение мощности альфа-волн отмечено лишь в моторных и сенсомоторных отделах.

Анализ показателей когерентности альфа-волн, отражающий сонастроенность в работе различных зон коры мозга, также выявил различия между ручным и клавиатурным письмом (рис. 3–6).

При ручном письме по сравнению с состоянием покоя (рис. 4, слева) значимо возрастало взаимодействие всех областей коры внутри обоих полушарий. При клавиатурном письме усиливалось взаимодействие лишь внутри правого полушария, но оно было менее выражено. В обоих случаях взаимодействие областей в большей степени усиливалось в правом полушарии, которое, по-видимому, является речевым у испытуемого левши.

Письмо рукой и на клавиатуре сопровождалось также снижением межполушарного взаимодействия, причем это снижение было более выражено при клавиатурном письме (рис. 5 и 6).

Проведенный анализ ЭЭГ показал, что письмо рукой обеспечивается более сложной системой активации и взаимодействия областей коры, чем письмо на клавиатуре.

С биокибернетических позиций система является более гибкой в процессе адаптации к разным видам деятельности при наличии большего количества сформированных нервных связей. Несмотря на то что использование клавиатуры позволяет увеличить скорость набора текста, письмо вручную в большей степени способствует обучению [8][19]. Простота движений при печатании на клавиатуре облегчает бездумное копирование текста, тогда как дополнительные усилия, связанные с ручным письмом, требуют глубокой обработки его содержания. По данным Мюллер и Оппенгеймера [20], студенты, которые во время просмотра фильма и прослушивания отрывков прозаического текста использовали для заметок ноутбуки, были более склонны делать записи дословно, а те, кто вел записи вручную, использовали творческий подход, перефразируя текст. Проверка усвоения материала показала, что пользовавшиеся клавиатурой менее эффективно запоминали его более глубокий смысл, чем те, кто делал заметки от руки.

В ряде исследований показано, что обучение письму и чтению на клавиатуре менее эффективно, чем с помощью ручного письма. Исследование, проведенное на взрослых, которые в течение трех недель обучались новым буквенным знакам с помощью ручного письма и клавиатуры [21], показало, что те, кто учился писать вручную, лучше справлялись с задачами на запоминание и визуальное распознавание этих знаков, чем те, кто обучался с помощью клавиатуры. Это преимущество ручного письма проявлялось не сразу, а чаще всего спустя 3 недели после обучения.

Различия в эффективности обучения с помощью клавиатуры и ручного письма, как показывают исследования, обусловлены различиями в мозговых механизмах ручного и клавиатурного письма.

Более высокая активация мозга при восприятии букв, изученных с помощью письма, в сравнении с клавиатурой, наблюдается не только в моторной, но и в ассоциативной зрительной коре, что показано в МРТ-исследовании дошкольников [22][23]. Авторы проводили МРТ-сканирование мозга до и после обучения детей разным буквам и геометрическим фигурам последовательно: 1) с помощью ручного письма, 2) на клавиатуре и 3) путем зрительного отслеживания. Анализ МРТ при проверке на узнавание букв показал, что наибольшая активация областей мозга, ответственных за чтение, наблюдалась лишь у тех, кто обучался письму вручную, а самая низкая – у детей, обучавшихся на клавиатуре.

Меньшая эффективность клавиатурного письма в обучении, возможно, связана также с особенностями внимания. При ручном письме зрительное внимание, направленное на кончик ручки или карандаша, максимально приближено к зоне движения, что обеспечивает наиболее близкое совпадение внимания и движения во времени и пространстве. При использовании клавиатуры зрительное внимание, направленное на экран, отдалено от процесса движения пальцев на клавиатуре. При печатании на клавиатуре пользователь может абстрагироваться от думания и слушания, но ручное письмо требует сосредоточения и «помогает думать» [24–26]. Максимальное пространственно временное совпадение зрительного внимания с движением при письме рукой способствует более высокому функциональному взаимодействию между зрительными и моторными зонами коры в сравнении с печатанием на клавиатуре.

Заключение. Проведенное предварительное исследование позволило разработать методический подход к гигиенической оценке клавиатурного письма на основе сравнительного анализа результатов ЭЭГ-исследования с ручным письмом. Полученные данные свидетельствуют о том, что ручное письмо обеспечивается более сложной системой активации и взаимодействия областей коры мозга, чем при клавиатурном письме. Предложенный алгоритм может быть использован при проведении дальнейших углубленных научных исследований по гигиенической оценке клавиатурного письма.