心率變異性與人格的神經(jīng)質(zhì)之間關(guān)系研究 *

李昌竹鄭士春陸梭張雨青劉正奎

(1中國(guó)科學(xué)院心理研究所心理健康重點(diǎn)實(shí) 驗(yàn)室，北京100101)

(2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)心理學(xué)系，北京100049)

1 引言

人格是心理學(xué)理論的重要組成部分，人格與心理學(xué)其他理論部分的關(guān)系研究是心理學(xué)研究中的重要領(lǐng)域。心理應(yīng)激狀態(tài)（stress）是與大五人格中神經(jīng)質(zhì)概念高度相關(guān)的概念（Knapp, 2018）。心率變異性（heart rate variability, HRV）是指?jìng)€(gè)體在一段時(shí)間內(nèi)心跳間隔序列的一系列度量指標(biāo)（Bilchick & Berger, 2006; Malik & Camm, 1993）。已有研究認(rèn)為，HRV 受交感神經(jīng)–副交感神經(jīng)活躍性的直接控制，交感神經(jīng)活動(dòng)增強(qiáng)與副交感神經(jīng)活動(dòng)減弱構(gòu)成了應(yīng)激的生理基礎(chǔ)（Dickerson &Kemeny, 2004）。傳統(tǒng)的HRV 指標(biāo)是利用心電圖設(shè)備采集基礎(chǔ)心電圖數(shù)據(jù)并提取心跳波峰時(shí)間點(diǎn)，利用波峰時(shí)間點(diǎn)序列依次計(jì)算波峰間期序列，再利用此間期序列計(jì)算相關(guān)指標(biāo)（Malik &Camm, 1993）。近年來(lái)，隨著傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，大量研究開始利用其他傳感器采集與基于心電圖的波峰序列等效的R-R 間期數(shù)據(jù)作為HRV 指標(biāo)提取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（Bolanos, Nazeran, &Haltiwanger, 2006; Gil et al., 2010; Li et al., 2018;Pinheiro et al., 2016）。

利用HRV，研究者對(duì)應(yīng)激狀態(tài)及其預(yù)測(cè)已有廣泛的探討并得到大量有意義的結(jié)論。如，劉溪和梁寶勇（2008）發(fā)現(xiàn)，特質(zhì)焦慮的個(gè)體在心算應(yīng)激后的HRV 難以在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到基線期的生理水平。應(yīng)激狀態(tài)被認(rèn)為是交感神經(jīng)與副交感神經(jīng)相互作用的結(jié)果，其中交感神經(jīng)的活躍性提高個(gè)體的應(yīng)激水平；與之相反，副交感神經(jīng)的活躍則降低個(gè)體的應(yīng)激水平；綜合交感神經(jīng)與副交感神經(jīng)活性對(duì)應(yīng)激狀態(tài)具有明確預(yù)測(cè)效果（Lown &Desilva, 1978）。除應(yīng)激帶來(lái)的諸多生理變化（如消化系統(tǒng)活動(dòng)停止、瞳孔放大、呼吸急促等）外（Gunnar & Vazquez, 2006），應(yīng)激與神經(jīng)質(zhì)所指向的所有情緒體驗(yàn)都具有廣泛聯(lián)系（G?rgens-Ekermans & Brand, 2012）。因此，利用HRV 及與之相關(guān)的應(yīng)激狀態(tài)考察神經(jīng)質(zhì)水平特征應(yīng)具有科學(xué)意義。

神經(jīng)質(zhì)作為一種人格特質(zhì), 核心特征是具有負(fù)性情緒體驗(yàn)的傾向（Digman, 1997）。長(zhǎng)久以來(lái)，對(duì)神經(jīng)質(zhì)的調(diào)查和評(píng)價(jià)方法以自評(píng)量表為主，即通過(guò)填寫結(jié)構(gòu)化問(wèn)卷呈現(xiàn)自身人格在情緒穩(wěn)定及調(diào)整層面的特征（于肖楠, 張建新, 2007; Costa &McCrae, 1985）。神經(jīng)質(zhì)維度作為主流人格理論框架的構(gòu)成因素之一，已被證明能夠比較穩(wěn)定地概括其所指向的一個(gè)獨(dú)立人格特質(zhì)，也具有較好的外部效度（周潔, 2010; Barrick & Mount, 1991）。隨著人格測(cè)試廣泛應(yīng)用，研究者開始探索更客觀化、更具生態(tài)學(xué)效度的人格評(píng)估方法，例如，基于設(shè)計(jì)社交媒體數(shù)據(jù)判定和挖掘人格指標(biāo)（Kosinski,Stillwell, & Graepel, 2013），其中，通過(guò)研究測(cè)定與神經(jīng)質(zhì)有關(guān)概念的生理基礎(chǔ)探求人格的維度及指標(biāo)尤為研究者所關(guān)注。它涉及交感神經(jīng)–副交感神經(jīng)拮抗作用、中樞神經(jīng)喚醒和下丘腦–垂體–腎上腺軸活動(dòng)等基礎(chǔ)神經(jīng)活動(dòng)研究（楊娟, 2009;Villarejo, Zapirain, & Zorrilla, 2012），其采用的技術(shù)涉及皮膚電、呼吸、HRV、皮質(zhì)醇（cortisol）、化驗(yàn)、神經(jīng)影像學(xué)（neuroimaging）等技術(shù)（Alaoui-Isma?li, Vernet-Maury, Dittmar, Delhomme, & Chanel,1997; Gross & Levenson, 1993; Hellhammer, Wüst, &Kudielka, 2009）。然而該類研究主要為“神經(jīng)質(zhì)概念存在”作為一個(gè)科學(xué)假設(shè)提供系列旁證，并不將各類測(cè)量及測(cè)量結(jié)果與心理學(xué)大五人格理論進(jìn)行直接聯(lián)系（Appelhans & Luecken, 2006; Dedovic et al., 2005; Kelly, Tyrka, Anderson, Price, & Carpenter,2008; Kim, Kang, Kim, Kang, & Park, 2017）。

本研究目的是探索利用HRV 所表達(dá)的應(yīng)激狀態(tài)與人格理論中神經(jīng)質(zhì)維度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，嘗試尋找人格中神經(jīng)質(zhì)特征的神經(jīng)活動(dòng)基礎(chǔ)。研究者以大五人格量表中的神經(jīng)質(zhì)維度得分作為神經(jīng)質(zhì)的指標(biāo)，采用HRV 作為應(yīng)激反應(yīng)的客觀指標(biāo)，探索了HRV 指標(biāo)對(duì)神經(jīng)質(zhì)水平區(qū)分力。特別的是，研究利用嚴(yán)格控制的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境及有效的高水平應(yīng)激觸發(fā)手段實(shí)現(xiàn)了應(yīng)激條件下HRV 數(shù)據(jù)的采集。

2 方法

2.1 被試

在天津市某大學(xué)招募200 名被試參與實(shí)驗(yàn)，由于數(shù)據(jù)缺損導(dǎo)致22 位被試被排除，剩余178 例（年齡16～36 歲，女93 人），被試參與實(shí)驗(yàn)之前均簽署知情同意書。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

采用光體積掃描傳感器作為HRV 指標(biāo)收集設(shè)備，該傳感器為便攜手表狀，佩戴于被試的非利手。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用美國(guó)BIOPAC公司生產(chǎn)的MP150 型16 導(dǎo)生理記錄儀采集被試的HRV 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用于準(zhǔn)確性驗(yàn)證。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用蒙特利爾應(yīng)激任務(wù)（Dedovic et al., 2005）作為實(shí)驗(yàn)范式隨機(jī)向被試呈現(xiàn)心算題目，該范式利用（1）心算任務(wù)；（2）對(duì)被試報(bào)告的心算結(jié)果正確與否的反饋；（3）緊湊的計(jì)算時(shí)間限制，以上三者作為應(yīng)激源，向被試施加應(yīng)激壓力并誘發(fā)被試的應(yīng)激狀態(tài)。在被試參與蒙特利爾范式任務(wù)的同時(shí)，實(shí)驗(yàn)者同步采集被試的HRV 數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)具體分為3 個(gè)階段，分別是：（1）呼吸調(diào)整階段（R 階段，時(shí)長(zhǎng)2 min），在該階段中向被試呈現(xiàn)一個(gè)帶有秒針的時(shí)鐘，主試在開始前引導(dǎo)被試?yán)妹脶樄?jié)律輔助尋找自己最佳的放松呼吸狀態(tài)并維持該狀態(tài)；（2）有限條件階段（C 階段，時(shí)長(zhǎng)2 min），使用計(jì)算機(jī)屏幕呈現(xiàn)心算題目，每道題目有一定的限時(shí)，該時(shí)限由被試者的做題表現(xiàn)決定，每對(duì)一道題目限時(shí)在原先基礎(chǔ)上減去10%，做錯(cuò)一道題目則限時(shí)增加10%，時(shí)限變化的上下限區(qū)間為4～8 s，每位被試被分配200 元初始獎(jiǎng)勵(lì)金額，每做錯(cuò)一道題目扣除5 元，不應(yīng)答的題目依照錯(cuò)誤計(jì)算，剩余額度以紅色文字顯示在題目下方醒目位置；（3）全條件階段（E 階段，時(shí)長(zhǎng)2 min），在C 階段的基礎(chǔ)上在題目界面上方加入醒目的藍(lán)色倒計(jì)動(dòng)畫時(shí)條，動(dòng)畫條自右側(cè)向左收縮，收縮消失時(shí)即倒計(jì)時(shí)結(jié)束的時(shí)刻。E 階段和C 階段以隨機(jī)順序出現(xiàn)，界面如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)中題目均為答案范圍在0～9 的四則混合運(yùn)算，被試通過(guò)操作鼠標(biāo)點(diǎn)擊屏幕上排列為圓形的0～9 的方形按鈕作答。

圖 1 實(shí)驗(yàn)操作界面

運(yùn)算分為5 個(gè)難度等級(jí)：個(gè)位數(shù)無(wú)進(jìn)退位加減法，兩位數(shù)無(wú)進(jìn)退位加減法，有進(jìn)退位加減法，無(wú)進(jìn)退位加減法結(jié)合乘法或除法，有進(jìn)退位加減法結(jié)合乘法或除法。不同難度等級(jí)以相同概率隨機(jī)出現(xiàn)且題目隨機(jī)。每個(gè)階段之間被試有2 min的空白靜坐時(shí)間，在正式開始前要求被試完成20 道不限時(shí)長(zhǎng)的計(jì)算練習(xí)階段，練習(xí)中被試接受主試指導(dǎo)并確保熟悉應(yīng)答的操作方式，如圖2 所示。

圖 2 實(shí)驗(yàn)流程示意圖

2.4 指標(biāo)提取

光體積掃描傳感器采集手腕毛細(xì)血管的血流量以判定被試的心跳時(shí)刻從而獲取其心跳的RR 間期。此類傳感器在先前的研究中已被反復(fù)證明與傳統(tǒng)心電圖傳感器所獲取的R-R 間期數(shù)據(jù)有高于0.95 的高度相關(guān)。利用R-R 間期數(shù)據(jù)，研究者導(dǎo)出其HRV 指標(biāo)。研究利用R-R 間期計(jì)算得到諸多HRV 指標(biāo)，這些指標(biāo)均作為輸入特征參與綜合指標(biāo)的生成運(yùn)算。HRV 信號(hào)數(shù)據(jù)導(dǎo)出和計(jì)算采用MATLAB 2014b 實(shí)現(xiàn)。

大五人格中神經(jīng)質(zhì)維度數(shù)據(jù)方面，研究采用NEO-FFI 中國(guó)版（Bilchick & Berger, 2006）作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，該版本神經(jīng)質(zhì)維度共12 題，每位參與者在參與心算及HRV 指標(biāo)采集之前填寫該自評(píng)量表。量表計(jì)分方式為直接計(jì)算總分，總分大于38 分可認(rèn)為是典型高分（唐靜, 2012）。

2.5 數(shù)據(jù)分析

本研究采用LASSO 回歸歸納二者之間的此類線性關(guān)系。除HRV 生理指標(biāo)之外，研究者將各階段出現(xiàn)的時(shí)間作為額外參數(shù)加入?yún)?shù)列表，將受不同實(shí)驗(yàn)階段出現(xiàn)先后關(guān)系影響的因素考慮在內(nèi)。在機(jī)器學(xué)習(xí)操作方法上，HRV 生理指標(biāo)與階段順序編碼合并為特征參數(shù)向量（feature vector），為抽取具有指標(biāo)性意義的度量值，研究者先將被試的神經(jīng)質(zhì)維度數(shù)據(jù)依照38 分作為劃界分，將38 分以上被試者歸類為高分組，編碼為1；將38 分以下被試者歸類為低分組，編碼為0，并將此作為事實(shí)指標(biāo)（ground truth）。將C 階段的特征參數(shù)向量作為訓(xùn)練集實(shí)施LASSO 回歸并運(yùn)行交叉驗(yàn)證，并選取誤差最小的lambda 作為模型懲罰系數(shù)。

將C、E 和R 階段的數(shù)據(jù)分別代入模型，得到三組預(yù)測(cè)值，其中C 階段的預(yù)測(cè)值反映了數(shù)據(jù)的擬合程度，E 和R 階段反映被試在高強(qiáng)度壓力和低強(qiáng)度壓力下不同的模型預(yù)測(cè)力。本研究利用該3 組預(yù)測(cè)值繪制了操作者特征曲線（receiver operating characteristic curve, ROC）并計(jì)算了曲線下面積（area under the curve, AUC）用以鑒定模型表現(xiàn)，同時(shí)還計(jì)算了預(yù)測(cè)值與事實(shí)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)并利用Bonferroni 多重比較校正方法校正。此外，研究者使用單因素方差分析對(duì)三組預(yù)測(cè)值實(shí)施了兩兩比較以觀察不同條件下預(yù)測(cè)值之間的差異狀況。

數(shù)據(jù)分析部分，本研究采用R 語(yǔ)言3.4.0 版本（Bolanos et al., 2006），其中ROC 及AUC 計(jì)算采用了pROC 庫(kù)，LASSO 回歸采用glmnet 庫(kù)。

3 結(jié)果

LASSO 模型構(gòu)建的殘差（見圖3）顯示，在基于階段C 的特征迭代搜索過(guò)程中，該模型的殘差逐步收斂。利用該模型產(chǎn)生的C 階段的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)求取與被試神經(jīng)質(zhì)高分組–普通組（見圖4）的二分序列相關(guān)關(guān)系，得到r=0.43（p＜0.01）的顯著正相關(guān)；將E 階段的各被試特征向量代入模型，可得到r=0.32（p＜0.01）的顯著正相關(guān)；以同樣方式代入R 階段特征向量，得到r=0.17（p=0.06）；同時(shí)本研究計(jì)算了未經(jīng)分組的連續(xù)神經(jīng)質(zhì)得分與LASSO 預(yù)測(cè)之間的相關(guān)系數(shù)，依照順序，其C、E、R 階段的相關(guān)系數(shù)分別為r=0.23（p＜0.01）、r=0.21（p＜0.01）和r=0.1（p=0.19）。以上顯著性的p 值均經(jīng)過(guò)Bonferroni 多重比較校正。

圖 3 LASSO 模型構(gòu)建的殘差圖

圖 4 E 階段（上）、R 階段（下）階段操作者特征曲線

以E 階段為特征的ROC 得到的AUC 為0.729（最佳切點(diǎn)敏感度0.770, 特異度為0.636）；以R 階段為特征的ROC 得到AUC 為0.621（最佳切點(diǎn)敏感度0.403, 特異度為0.848）（見圖4）。

為比較三組數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，研究者分別對(duì)E、C 和R 階段的預(yù)測(cè)指標(biāo)實(shí)施單因素方差分析。三組數(shù)據(jù)Bartlett test 結(jié)果為K2=4.7816（df=2,p=0.092），可認(rèn)為方差齊性。以TuckyHSD 作為校正手段，分析各階段兩兩比較結(jié)果顯示，E 組與C 組之間無(wú)顯著差異，但R 組與E 組、R 組與C 組間均差異顯著（見表1）。

表1 三組數(shù)據(jù)兩兩比較結(jié)果

4 討論

本研究旨在通過(guò)利用HRV 參數(shù)結(jié)合大五人格中神經(jīng)質(zhì)維度的自評(píng)分?jǐn)?shù)，以廣義線性回歸的方法探索生理指標(biāo)與維度概念之間可能存在的關(guān)系。

經(jīng)探索性的LASSO 回歸模型逐步收斂的殘差及其產(chǎn)生的C 階段預(yù)測(cè)與被試神經(jīng)質(zhì)分類的擬合可以看出，利用C 階段數(shù)據(jù)（即應(yīng)激負(fù)荷狀態(tài)下的特征指標(biāo)）實(shí)施建?？梢缘玫骄哂酗@著中等相關(guān)的結(jié)果，這證明模型的擬合具有科學(xué)意義。此外，利用E 階段特征作為輸入，所得預(yù)測(cè)值與神經(jīng)質(zhì)自評(píng)之間的顯著相關(guān)及較大程度上高于隨機(jī)，AUC 值結(jié)果說(shuō)明該模型在同樣具有應(yīng)激負(fù)荷的條件下（即E 階段）仍然具有較好的推廣效果。因此，綜合以上可以認(rèn)為，在應(yīng)激負(fù)荷條件下，HRV 是人格中神經(jīng)質(zhì)較好的生理預(yù)測(cè)指標(biāo)。該結(jié)論也支持了前人研究中的觀點(diǎn)，即較高的神經(jīng)質(zhì)與被試在休息和壓力狀態(tài)下的HRV 降低有關(guān)（?uki? & Bates, 2015）。

R 階段的數(shù)據(jù)與神經(jīng)質(zhì)得分邊緣顯著相關(guān)，在AUC 方面R 階段數(shù)據(jù)也表現(xiàn)出了相對(duì)E 階段更加接近隨機(jī)水平的數(shù)值，這些證據(jù)暗示著R 階段可能與C 階段和E 階段具有完全不同的生理模式。從實(shí)驗(yàn)操作的角度考慮可以從一個(gè)側(cè)面印證這個(gè)觀點(diǎn)：R 階段與C 和E 階段有本質(zhì)的不同，該階段不具備應(yīng)激源，屬于非應(yīng)激階段；從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的角度考慮，R 階段是一個(gè)放松階段，它的實(shí)驗(yàn)操作類似于自由呼吸放松技術(shù)的執(zhí)行流程（Gil et al., 2010）。三者差異的重點(diǎn)在于，本研究利用的是以神經(jīng)質(zhì)評(píng)分作為機(jī)器學(xué)習(xí)的標(biāo)簽而構(gòu)建的判定模型，R 階段不僅在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上區(qū)別于應(yīng)激階段，在神經(jīng)質(zhì)的判定結(jié)果上也區(qū)別于應(yīng)激階段。即在非應(yīng)激狀態(tài)下，個(gè)體表現(xiàn)出的自主神經(jīng)活動(dòng)特征并不像在應(yīng)激狀態(tài)下一樣具有預(yù)測(cè)意義。關(guān)于此點(diǎn)，更加有針對(duì)性的證據(jù)是三階段的單因素方差分析，其非常顯著的效應(yīng)的根源就來(lái)自于R 階段與E/C 階段的巨大差異。神經(jīng)質(zhì)作為人格特征是一種較為穩(wěn)定的特質(zhì)，但HRV 在不同條件下差異顯著。結(jié)合以上討論可以認(rèn)為，在低應(yīng)激水平條件下，人格的神經(jīng)質(zhì)特質(zhì)在神經(jīng)活動(dòng)表現(xiàn)中呈隱性狀態(tài)，而在高應(yīng)激水平條件下，人格的神經(jīng)質(zhì)特質(zhì)在神經(jīng)活動(dòng)中呈顯性狀態(tài)。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)質(zhì)概念在自主神經(jīng)活動(dòng)特征方面的表現(xiàn)只存在于應(yīng)激狀態(tài)下，該發(fā)現(xiàn)對(duì)于今后研究自主神經(jīng)對(duì)神經(jīng)質(zhì)概念的表達(dá)具有啟發(fā)性意義，尋找其神經(jīng)質(zhì)特征在應(yīng)激條件下應(yīng)當(dāng)更為可行。同時(shí)也提示，每個(gè)具體特征應(yīng)激狀態(tài)下與非應(yīng)激狀態(tài)下的區(qū)別對(duì)未來(lái)研究具有重要的啟發(fā)，即未來(lái)在具有更高預(yù)測(cè)力、更能表征神經(jīng)質(zhì)特征的指標(biāo)尋求研究中，可以采用觀察不同狀態(tài)間自主神經(jīng)活動(dòng)的數(shù)值變化及其組合模式作為入手點(diǎn)。

本研究的不足之處表現(xiàn)在未能采集一個(gè)與模型建構(gòu)完全一致的模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)集。雖然E 階段與C 階段的差別為是否顯示倒計(jì)時(shí)，但如果構(gòu)建與驗(yàn)證采用完全相同的階段可能可以得到具有更高區(qū)分力的結(jié)果。

上述研究結(jié)果提示，HRV 特征中存在大五人格中神經(jīng)質(zhì)維度直接的生理基礎(chǔ)證據(jù)，人格與HRV 所表示的應(yīng)激與心理健康、幸福感都具有密切關(guān)系。本研究探究了人格中神經(jīng)質(zhì)維度和應(yīng)激二者之間的關(guān)系，這對(duì)于心理調(diào)適具有一定的指導(dǎo)意義，如針對(duì)人格中神經(jīng)質(zhì)特質(zhì)較強(qiáng)個(gè)體而言，應(yīng)激狀態(tài)的監(jiān)控和及時(shí)調(diào)整可能在心理健康促進(jìn)方面相對(duì)其他人群更加關(guān)鍵；同時(shí)本研究成果還在應(yīng)用層面具有啟發(fā)意義，即這種針對(duì)神經(jīng)質(zhì)特質(zhì)較強(qiáng)人群的狀態(tài)監(jiān)控，可以應(yīng)用可采集心跳/脈搏間期數(shù)據(jù)的設(shè)備（如，運(yùn)動(dòng)手環(huán)、運(yùn)動(dòng)手表）以達(dá)到促進(jìn)心理健康的目的。

5 結(jié)論

綜上，本研究發(fā)現(xiàn)在高應(yīng)激狀態(tài)下，多個(gè)HRV 指標(biāo)對(duì)人格的神經(jīng)質(zhì)特質(zhì)都具有預(yù)測(cè)力，人格的神經(jīng)質(zhì)特質(zhì)具有較明確的生理表現(xiàn)，且與應(yīng)激水平高度相關(guān)。人格的神經(jīng)質(zhì)特質(zhì)和主觀應(yīng)激體驗(yàn)具有密切聯(lián)系，可以作為促進(jìn)心理健康的一個(gè)切入點(diǎn)。