認知疲勞的電生理研究

廖軍和 李艷玲

摘要：目的?采用電生理信號測量個體處于認知疲勞狀態的生理指標。方法?選取8名在校大學生（男女各四名），設計認知任務誘發不同程度的疲勞水平，運用Spirit10生物反饋系統對其腦電和生理指標進行測量，采集數據進行分析。結果?被試完成認知疲勞任務后theta波值增大，theta/beta數值增大，心率加快，皮膚溫度升高;疲勞恢復后，theta波值減小，theta/beta數值減小，心率減慢，皮膚溫度降低。結論?認知疲勞引發的電生理指標的變化趨勢與其他疲勞（如生理疲勞）的變化趨勢相同。

關鍵詞：認知疲勞?電生理研究

引言

疲勞是一個非常復雜的生理心理問題，目前國內外對它都并沒有一個明確的定義。現代漢語詞典對疲勞的解釋是：因體力或者腦力消耗過度而需要休息;因運動過度或刺激過強，而導致的細胞、組織或器官的機能或反應能力的減弱;因外力過強或作用時間過久導致不能繼續做正常的反應。在辭海中將疲勞解釋為持久或過度勞累后導致的身體不適和工作效率減退的現象。所以綜上，可以將疲勞大致解釋為機體因過度消耗而出現工作能力暫時下降的現象。

國外學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，認知疲勞是持續的認知負荷導致個體過量消耗認知資源引發認知操作水平下降的現象。[2]國內外多項研究表明，認知疲勞產生后大腦皮層喚醒水平會降低，認知活動效率下降，突出表現為注意力水平的下降。楊博（2013）的研究以事件相關電位（ERP）為手段，研究持續性警戒任務下人員前注意和注意加工能力的變化，發現認知疲勞后確實出現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）的研究發現飛行任務后飛行員的平均反應時延長，持續性注意力、選擇注意力和注意力轉換能力下降。[4]

當前國內外對于腦力疲勞的檢測采用以下三種類型的參數為主：（1）基于行為特征參數（如劃消測驗），此方法易操作，不過至今還未形成具有說服力的標準，檢測效果也不夠理想;（2）基于表情特征參數，例如眼睛的閉合程度、眨眼的頻率、點頭的頻率等等，對個體腦力疲勞程度做估計。這種方法對疲勞估計識別精度較低;（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，可以直接反應個體的生理變化，所以使用其進行疲勞估計時的準確率相對較高[5]。尤其是基于腦電（Electroencephalogram，簡稱EEG）信號的腦力疲勞估計，相比較于其他信號，EEG信號能夠直接反應大腦皮層不同區域的電活動，被稱作是檢測疲勞最準確最可靠的指標，得到了科學研究與醫學界的廣泛認可。但是基于EEG信號的疲勞測量是否適用于認知疲勞的測量？認知疲勞的產生與發展是否與腦力疲勞及其他形式的疲勞存在一致的生理機制？這些問題還有待研究者們進一步的研究探討。另一方面，加強認知疲勞的神經基礎研究對于了解認知疲勞產生的機理，恢復干預，提高工作效率具有重要意義。

本研究在嚴格控制的情境下，試通過Spirit10生物反饋系統，收集被試在不同精神狀態下的腦電信號，以此來探索不同生理特征參數與被試認知疲勞狀態的相關性。

一、實驗

1.方法

（1）被試

招募某省屬師范學院在校大學生13名，根據實驗任務要求（年齡、健康狀況、睡眠質量、左右利手、有無燙染發等）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，實驗要注意以下幾項：①實驗前被試要避免服用任何會影響到中樞神經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實驗前被試要注意休息，避免熬夜，并且保證每天8小時的睡眠時間;③實驗前被試需保持放松、心情舒暢;④被試需要預先了解本實驗的目的，自愿參加實驗;⑤所有被試要參與模擬實驗，熟悉實驗環境和實驗流程;⑥主試向被試說明如在實驗過程中有任何不適，可隨時退出實驗;⑦女性被試在實驗時不要佩戴耳釘、耳環、項鏈等飾品。

（2）研究工具

實驗采用的是Spirit10生物反饋系統，該儀器的參數包括腦電（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的腦電活動節律反饋出來，腦電活動節律、振幅與情緒、覺醒狀態以及注意力等有密切的聯系，該儀器將被試腦電信號通過編碼器處理、前置放大器放大，最后以視覺或者聽覺方式呈現。數據記錄、采集、分析工具為BioTrace+軟件。

（3）實驗方案

實驗方案如下：①基線階段，觀察安靜放松狀態下被試的認知加工狀態，采集此時的生理反應數據，采集時間為5分鐘;②實驗處理階段（施予認知任務），認知任務為生僻單詞記憶任務，圖1?認知疲勞電生理信號采集流程生僻單詞從大學生僻單詞表中查找出18個單詞，交予被試記憶直至完全復述。該任務進行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，與此同時腦電信號的記錄不間斷;③放松階段，被試完成心理保健操，該階段持續5分鐘，同時記錄腦電生理反應數據。具體技術流程如圖1。

（4）實驗情景

實驗在專業生物反饋實驗室內進行，室內寬敞通風，無噪音無異味，溫度保持在27 ℃左右，照明條件良好，無其他電子設備干擾。

2.結果

通過BioTrace+軟件記錄、保存各個階段被試的電生理數據，將數據導出，使用SPSS18.0進行統計分析。

（1）認知疲勞不同階段的EEG信號

圖2表明，伴隨著認知疲勞的產生及發展，6名被試EEG信號中的theta波幅值呈現上升趨勢，當被試放松下來，認知疲勞降低，6名被試theta波幅值呈現下降趨勢。

圖3表明，6名被試EEG信號中theta與beta波的腦電比有升高趨勢;認知疲勞恢復后，7名被試的theta與beta波的腦電比下降。

（2）認知疲勞不同階段的心率與皮膚溫度信號

圖4表明，7名被試在不同程度的認知疲勞狀態下，心率有加快趨勢;認知疲勞恢復后，7名被試的心率減慢。

圖5表明，6名被試在不同程度的認知疲勞狀態下，皮膚溫度有上升趨勢;認知疲勞恢復后，7名被試的皮膚溫度下降。

二、討論

1.認知疲勞與腦電波的關系

EEG信號的節律與人的精神疲勞狀態有對應關系，以往疲勞引起EEG變化的研究認為從正常狀態向疲勞狀態轉變的過程中，慢波增加，快波降低;大腦在放松狀態時腦電圖上占優勢的是頻率為8～12 Hz、波幅較低的alpha波;身心由興奮轉入困倦狀態時，腦電

圖上由alpha波轉變為頻率為4～7 Hz、波幅較高的theta波。[6]有研究直接將EEG各節律波的比值（如theta/beta）作為腦力疲勞的檢測指標，其比值會伴隨著疲勞程度的增加而逐漸增大。[7]疲勞對認知活動的突出影響為注意穩定性下降，在針對注意缺陷多動障礙（簡稱ADHD）兒童的EEG信號研究中發現該群體有theta/beta腦電比升高等表現，研究者將它作為鑒別與治療ADHD的技術手段與目標。[8]國外學者Brookhuis等使用腦能量參數（theta+alpha）/beta對駕駛員進行研究，發現隨著工作時間的增加、疲勞狀態的加重，該參數呈上升趨勢。[9]

本研究中，認知疲勞同樣引起了被試EEG的變化，其變化趨勢與其他腦力疲勞、運動疲勞引起的EEG變化的趨勢基本一致。不同程度的認知疲勞狀態下，theta波出現且幅值呈現上升趨勢，theta/beta腦電比值也在上升。表明，認知疲勞對腦力資源的消耗同樣降低了大腦的警覺性。

本實驗中使用Spirit10生物反饋系統和BioTrace+軟件，可以客觀地觀察到個體疲勞狀態下的生理反應數據，一定程度上克服了使用自陳量表來評定認知疲勞的局限，做到更加準確，能夠在生理數據上直觀地對認知疲勞進行界定和測量。

2.認知疲勞與心率、皮膚溫度的關系

疲勞對心率的影響多見于運動疲勞、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 ℃，心率就會增加10多次左右，機體基礎代謝率就會增加百分之十二左右，造成人體自身更多的消耗。[10]在國內研究中，心率也是隨著運動負荷量的增加而增加，每次運動的心率都與休息時的心率有顯著性差異，心率可看作是一個體力負荷的一個評價指標;心率變異性在腦力負荷過程中有降低現象，是腦力負荷的敏感生理指標。本研究中僅考察了心率在認知疲勞的不同狀態下的表現，未來將進一步研究心率變異性的變化趨勢。被試在不同程度的認知疲勞狀態下，皮膚溫度有上升趨勢，查閱文獻有一種解釋為大腦在完成認知任務時，產生更多代謝所致。大腦的相關區域在完成具體任務時，會有更高的喚醒水平，大腦皮層會更活躍，也會消耗更多的能量和氧氣，對皮膚溫度產生影響。[11]

3.認知疲勞的恢復

認知疲勞恢復的方式有很多，如冥想訓練、傾聽音樂，芳香療法等。本實驗中采用的是崔立中等人設計的心理保健操，強調肌肉漸進式放松，具有緩解認知疲勞的效果，這與以往實驗的結果一致。有研究發現通過放松訓練可以使心率、呼吸頻率、氧耗、血壓等下降。[12]本實驗中的被試經過心理保健操訓練后，心率、皮膚溫度都有降低趨勢。實驗中所使用的是生物反饋儀器也可以對被試進行認知疲勞恢復，該儀器將被試腦部生理機能用現代電子儀器予以描記，并轉換為光、圖像等反饋信號，來明確被試處于什么樣的生理狀態。被試可以感知肌體狀況的變化過程，自我調節內部心理生理變化，實現優化生理心理狀態的效果。

結語

1.認知疲勞誘發的EEG信號中，theta波值增大，theta/beta數值增大，心率加快，皮膚溫度升高;

2.認知疲勞恢復后，theta波值減小，theta/beta數值減小，心率減慢，皮膚溫度降低;

3.認知疲勞引發的電生理指標的變化趨勢與其他疲勞（如生理疲勞、運動疲勞等）的變化趨勢相同。

參考文獻：

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責任編輯：黃大燦