認(rèn)知疲勞的電生理研究

廖軍和 李艷玲

摘要：目的?采用電生理信號(hào)測(cè)量個(gè)體處于認(rèn)知疲勞狀態(tài)的生理指標(biāo)。方法?選取8名在校大學(xué)生（男女各四名），設(shè)計(jì)認(rèn)知任務(wù)誘發(fā)不同程度的疲勞水平，運(yùn)用Spirit10生物反饋系統(tǒng)對(duì)其腦電和生理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果?被試完成認(rèn)知疲勞任務(wù)后theta波值增大，theta/beta數(shù)值增大，心率加快，皮膚溫度升高;疲勞恢復(fù)后，theta波值減小，theta/beta數(shù)值減小，心率減慢，皮膚溫度降低。結(jié)論?認(rèn)知疲勞引發(fā)的電生理指標(biāo)的變化趨勢(shì)與其他疲勞（如生理疲勞）的變化趨勢(shì)相同。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知疲勞?電生理研究

引言

疲勞是一個(gè)非常復(fù)雜的生理心理問題，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)它都并沒有一個(gè)明確的定義?，F(xiàn)代漢語(yǔ)詞典對(duì)疲勞的解釋是：因體力或者腦力消耗過度而需要休息;因運(yùn)動(dòng)過度或刺激過強(qiáng)，而導(dǎo)致的細(xì)胞、組織或器官的機(jī)能或反應(yīng)能力的減弱;因外力過強(qiáng)或作用時(shí)間過久導(dǎo)致不能繼續(xù)做正常的反應(yīng)。在辭海中將疲勞解釋為持久或過度勞累后導(dǎo)致的身體不適和工作效率減退的現(xiàn)象。所以綜上，可以將疲勞大致解釋為機(jī)體因過度消耗而出現(xiàn)工作能力暫時(shí)下降的現(xiàn)象。

國(guó)外學(xué)者將疲勞劃分為四類：心理疲勞、腦力疲勞、體力疲勞以及病理疲勞。[1]作為腦力疲勞的一種形式，認(rèn)知疲勞是持續(xù)的認(rèn)知負(fù)荷導(dǎo)致個(gè)體過量消耗認(rèn)知資源引發(fā)認(rèn)知操作水平下降的現(xiàn)象。[2]國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)研究表明，認(rèn)知疲勞產(chǎn)生后大腦皮層喚醒水平會(huì)降低，認(rèn)知活動(dòng)效率下降，突出表現(xiàn)為注意力水平的下降。楊博（2013）的研究以事件相關(guān)電位（ERP）為手段，研究持續(xù)性警戒任務(wù)下人員前注意和注意加工能力的變化，發(fā)現(xiàn)認(rèn)知疲勞后確實(shí)出現(xiàn)注意能力一定程度的受損，非隨意注意能力也有下降[3]，范潔儀等（2018）的研究發(fā)現(xiàn)飛行任務(wù)后飛行員的平均反應(yīng)時(shí)延長(zhǎng)，持續(xù)性注意力、選擇注意力和注意力轉(zhuǎn)換能力下降。[4]

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)于腦力疲勞的檢測(cè)采用以下三種類型的參數(shù)為主：（1）基于行為特征參數(shù)（如劃消測(cè)驗(yàn)），此方法易操作，不過至今還未形成具有說服力的標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)效果也不夠理想;（2）基于表情特征參數(shù)，例如眼睛的閉合程度、眨眼的頻率、點(diǎn)頭的頻率等等，對(duì)個(gè)體腦力疲勞程度做估計(jì)。這種方法對(duì)疲勞估計(jì)識(shí)別精度較低;（3）基于心電、心率、肌電、眼電和EEG等生理特征，生理特征較為客觀，可以直接反應(yīng)個(gè)體的生理變化，所以使用其進(jìn)行疲勞估計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確率相對(duì)較高[5]。尤其是基于腦電（Electroencephalogram，簡(jiǎn)稱EEG）信號(hào)的腦力疲勞估計(jì)，相比較于其他信號(hào)，EEG信號(hào)能夠直接反應(yīng)大腦皮層不同區(qū)域的電活動(dòng)，被稱作是檢測(cè)疲勞最準(zhǔn)確最可靠的指標(biāo)，得到了科學(xué)研究與醫(yī)學(xué)界的廣泛認(rèn)可。但是基于EEG信號(hào)的疲勞測(cè)量是否適用于認(rèn)知疲勞的測(cè)量？認(rèn)知疲勞的產(chǎn)生與發(fā)展是否與腦力疲勞及其他形式的疲勞存在一致的生理機(jī)制？這些問題還有待研究者們進(jìn)一步的研究探討。另一方面，加強(qiáng)認(rèn)知疲勞的神經(jīng)基礎(chǔ)研究對(duì)于了解認(rèn)知疲勞產(chǎn)生的機(jī)理，恢復(fù)干預(yù)，提高工作效率具有重要意義。

本研究在嚴(yán)格控制的情境下，試通過Spirit10生物反饋系統(tǒng)，收集被試在不同精神狀態(tài)下的腦電信號(hào)，以此來探索不同生理特征參數(shù)與被試認(rèn)知疲勞狀態(tài)的相關(guān)性。

一、實(shí)驗(yàn)

1.方法

（1）被試

招募某省屬師范學(xué)院在校大學(xué)生13名，根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求（年齡、健康狀況、睡眠質(zhì)量、左右利手、有無燙染發(fā)等）剔除無效被試5名，剩余男生4名，女生4名，有效被試8名。被試平均年齡為19.62歲，視力或矯正視力正常，均為右利手。被試選好后，實(shí)驗(yàn)要注意以下幾項(xiàng)：①實(shí)驗(yàn)前被試要避免服用任何會(huì)影響到中樞神經(jīng)興奮或抑制的藥物和食物，包括酒類、咖啡、紅牛等刺激型飲料;②實(shí)驗(yàn)前被試要注意休息，避免熬夜，并且保證每天8小時(shí)的睡眠時(shí)間;③實(shí)驗(yàn)前被試需保持放松、心情舒暢;④被試需要預(yù)先了解本實(shí)驗(yàn)的目的，自愿參加實(shí)驗(yàn);⑤所有被試要參與模擬實(shí)驗(yàn)，熟悉實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)流程;⑥主試向被試說明如在實(shí)驗(yàn)過程中有任何不適，可隨時(shí)退出實(shí)驗(yàn);⑦女性被試在實(shí)驗(yàn)時(shí)不要佩戴耳釘、耳環(huán)、項(xiàng)鏈等飾品。

（2）研究工具

實(shí)驗(yàn)采用的是Spirit10生物反饋系統(tǒng)，該儀器的參數(shù)包括腦電（左右腦）、心率、皮膚溫度、皮膚電、血容量、呼吸、緩慢皮層電位、血氧飽和度等。腦電反饋可以將大腦皮層各區(qū)的腦電活動(dòng)節(jié)律反饋出來，腦電活動(dòng)節(jié)律、振幅與情緒、覺醒狀態(tài)以及注意力等有密切的聯(lián)系，該儀器將被試腦電信號(hào)通過編碼器處理、前置放大器放大，最后以視覺或者聽覺方式呈現(xiàn)。數(shù)據(jù)記錄、采集、分析工具為BioTrace+軟件。

（3）實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)方案如下：①基線階段，觀察安靜放松狀態(tài)下被試的認(rèn)知加工狀態(tài)，采集此時(shí)的生理反應(yīng)數(shù)據(jù)，采集時(shí)間為5分鐘;②實(shí)驗(yàn)處理階段（施予認(rèn)知任務(wù)），認(rèn)知任務(wù)為生僻單詞記憶任務(wù)，圖1?認(rèn)知疲勞電生理信號(hào)采集流程生僻單詞從大學(xué)生僻單詞表中查找出18個(gè)單詞，交予被試記憶直至完全復(fù)述。該任務(wù)進(jìn)行15分鐘，前5分鐘為輕度疲勞，5到10分鐘為中度疲勞，10到15分鐘為重度疲勞，與此同時(shí)腦電信號(hào)的記錄不間斷;③放松階段，被試完成心理保健操，該階段持續(xù)5分鐘，同時(shí)記錄腦電生理反應(yīng)數(shù)據(jù)。具體技術(shù)流程如圖1。

（4）實(shí)驗(yàn)情景

實(shí)驗(yàn)在專業(yè)生物反饋實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，室內(nèi)寬敞通風(fēng)，無噪音無異味，溫度保持在27 ℃左右，照明條件良好，無其他電子設(shè)備干擾。

2.結(jié)果

通過BioTrace+軟件記錄、保存各個(gè)階段被試的電生理數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，使用SPSS18.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

（1）認(rèn)知疲勞不同階段的EEG信號(hào)

圖2表明，伴隨著認(rèn)知疲勞的產(chǎn)生及發(fā)展，6名被試EEG信號(hào)中的theta波幅值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)被試放松下來，認(rèn)知疲勞降低，6名被試theta波幅值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖3表明，6名被試EEG信號(hào)中theta與beta波的腦電比有升高趨勢(shì);認(rèn)知疲勞恢復(fù)后，7名被試的theta與beta波的腦電比下降。

（2）認(rèn)知疲勞不同階段的心率與皮膚溫度信號(hào)

圖4表明，7名被試在不同程度的認(rèn)知疲勞狀態(tài)下，心率有加快趨勢(shì);認(rèn)知疲勞恢復(fù)后，7名被試的心率減慢。

圖5表明，6名被試在不同程度的認(rèn)知疲勞狀態(tài)下，皮膚溫度有上升趨勢(shì);認(rèn)知疲勞恢復(fù)后，7名被試的皮膚溫度下降。

二、討論

1.認(rèn)知疲勞與腦電波的關(guān)系

EEG信號(hào)的節(jié)律與人的精神疲勞狀態(tài)有對(duì)應(yīng)關(guān)系，以往疲勞引起EEG變化的研究認(rèn)為從正常狀態(tài)向疲勞狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程中，慢波增加，快波降低;大腦在放松狀態(tài)時(shí)腦電圖上占優(yōu)勢(shì)的是頻率為8～12 Hz、波幅較低的alpha波;身心由興奮轉(zhuǎn)入困倦狀態(tài)時(shí)，腦電

圖上由alpha波轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率為4～7 Hz、波幅較高的theta波。[6]有研究直接將EEG各節(jié)律波的比值（如theta/beta）作為腦力疲勞的檢測(cè)指標(biāo)，其比值會(huì)伴隨著疲勞程度的增加而逐漸增大。[7]疲勞對(duì)認(rèn)知活動(dòng)的突出影響為注意穩(wěn)定性下降，在針對(duì)注意缺陷多動(dòng)障礙（簡(jiǎn)稱ADHD）兒童的EEG信號(hào)研究中發(fā)現(xiàn)該群體有theta/beta腦電比升高等表現(xiàn)，研究者將它作為鑒別與治療ADHD的技術(shù)手段與目標(biāo)。[8]國(guó)外學(xué)者Brookhuis等使用腦能量參數(shù)（theta+alpha）/beta對(duì)駕駛員進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著工作時(shí)間的增加、疲勞狀態(tài)的加重，該參數(shù)呈上升趨勢(shì)。[9]

本研究中，認(rèn)知疲勞同樣引起了被試EEG的變化，其變化趨勢(shì)與其他腦力疲勞、運(yùn)動(dòng)疲勞引起的EEG變化的趨勢(shì)基本一致。不同程度的認(rèn)知疲勞狀態(tài)下，theta波出現(xiàn)且幅值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，theta/beta腦電比值也在上升。表明，認(rèn)知疲勞對(duì)腦力資源的消耗同樣降低了大腦的警覺性。

本實(shí)驗(yàn)中使用Spirit10生物反饋系統(tǒng)和BioTrace+軟件，可以客觀地觀察到個(gè)體疲勞狀態(tài)下的生理反應(yīng)數(shù)據(jù)，一定程度上克服了使用自陳量表來評(píng)定認(rèn)知疲勞的局限，做到更加準(zhǔn)確，能夠在生理數(shù)據(jù)上直觀地對(duì)認(rèn)知疲勞進(jìn)行界定和測(cè)量。

2.認(rèn)知疲勞與心率、皮膚溫度的關(guān)系

疲勞對(duì)心率的影響多見于運(yùn)動(dòng)疲勞、慢性疲勞綜合征的生理特征研究。有研究表明體溫每升高1 ℃，心率就會(huì)增加10多次左右，機(jī)體基礎(chǔ)代謝率就會(huì)增加百分之十二左右，造成人體自身更多的消耗。[10]在國(guó)內(nèi)研究中，心率也是隨著運(yùn)動(dòng)負(fù)荷量的增加而增加，每次運(yùn)動(dòng)的心率都與休息時(shí)的心率有顯著性差異，心率可看作是一個(gè)體力負(fù)荷的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo);心率變異性在腦力負(fù)荷過程中有降低現(xiàn)象，是腦力負(fù)荷的敏感生理指標(biāo)。本研究中僅考察了心率在認(rèn)知疲勞的不同狀態(tài)下的表現(xiàn)，未來將進(jìn)一步研究心率變異性的變化趨勢(shì)。被試在不同程度的認(rèn)知疲勞狀態(tài)下，皮膚溫度有上升趨勢(shì)，查閱文獻(xiàn)有一種解釋為大腦在完成認(rèn)知任務(wù)時(shí)，產(chǎn)生更多代謝所致。大腦的相關(guān)區(qū)域在完成具體任務(wù)時(shí)，會(huì)有更高的喚醒水平，大腦皮層會(huì)更活躍，也會(huì)消耗更多的能量和氧氣，對(duì)皮膚溫度產(chǎn)生影響。[11]

3.認(rèn)知疲勞的恢復(fù)

認(rèn)知疲勞恢復(fù)的方式有很多，如冥想訓(xùn)練、傾聽音樂，芳香療法等。本實(shí)驗(yàn)中采用的是崔立中等人設(shè)計(jì)的心理保健操，強(qiáng)調(diào)肌肉漸進(jìn)式放松，具有緩解認(rèn)知疲勞的效果，這與以往實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。有研究發(fā)現(xiàn)通過放松訓(xùn)練可以使心率、呼吸頻率、氧耗、血壓等下降。[12]本實(shí)驗(yàn)中的被試經(jīng)過心理保健操訓(xùn)練后，心率、皮膚溫度都有降低趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)中所使用的是生物反饋儀器也可以對(duì)被試進(jìn)行認(rèn)知疲勞恢復(fù)，該儀器將被試腦部生理機(jī)能用現(xiàn)代電子儀器予以描記，并轉(zhuǎn)換為光、圖像等反饋信號(hào)，來明確被試處于什么樣的生理狀態(tài)。被試可以感知肌體狀況的變化過程，自我調(diào)節(jié)內(nèi)部心理生理變化，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化生理心理狀態(tài)的效果。

結(jié)語(yǔ)

1.認(rèn)知疲勞誘發(fā)的EEG信號(hào)中，theta波值增大，theta/beta數(shù)值增大，心率加快，皮膚溫度升高;

2.認(rèn)知疲勞恢復(fù)后，theta波值減小，theta/beta數(shù)值減小，心率減慢，皮膚溫度降低;

3.認(rèn)知疲勞引發(fā)的電生理指標(biāo)的變化趨勢(shì)與其他疲勞（如生理疲勞、運(yùn)動(dòng)疲勞等）的變化趨勢(shì)相同。

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責(zé)任編輯：黃大燦