失事潛艇環境應激源對艇員認知能力影響的研究進展

呂傳祿，仇順海，陳杰，王世鋒

美軍認為潛艇失事事件發生后最安全的策略是艇內生存待援，當情況惡化到必須脫險的程度時，幸存艇員才會適時執行逃生行動［1］。因此，失事潛艇艇員的生存可能性很大程度上取決于失事后各項生存任務的執行以及逃生時機的科學決策［2］，而這要求幸存艇員具有較高水平的認知能力。本文根據美軍的相關研究，討論了失事潛艇認知能力需求及其與環境應激源的相關性，并提出后續研究建議。

1 失事潛艇艇員認知能力需求

美軍通過文獻［3］分析提出了失事潛艇艇員執行艇內生存任務所需的6 項主要認知能力。

1.1 精神運動能力

精神運動能力對于需要靈活性、協調能力或運動的任務是至關重要的。潛艇失事后，幸存艇員在使用艇內生存裝備時必須具有足夠的精神運動能力，精神運動能力受損會影響艇員手部力量和協調能力，引發操作失誤。例如，不慎撕裂氫氧化鋰簾，導致有害的氫氧化鋰粉塵泄露［4］。

1.2 注意力與警覺性

注意力是個體集中于特定刺激或信息的能力，警覺性是個體持續關注某一任務的能力。失事潛艇中，艇員不僅需要持續監測周圍環境的風險，還要迅速就某一危險事件做出正確反應。注意力和/或警覺性一旦下降，艇員就可能忽略新出現的風險，例如，無法察覺突然出現的火花，或者無法集中精力計算逃生時機［5］。

1.3 記憶能力

記憶是編碼、存儲和回憶信息的能力，通常分為長期記憶和短期記憶，以及在形成短期記憶之前臨時存儲和操作信息的工作記憶。潛艇失事后，幸存艇員必須回憶存儲在長期記憶中的信息（如平時的培訓內容），并利用工作記憶和短期記憶來編碼新的信息。記憶能力缺損的艇員可能無法快速利用失事潛艇警衛手冊或相關培訓中的信息，導致操作失誤。

1.4 數學處理能力

失事潛艇幸存艇員需要完成一系列數學計算以確定空氣污染物的積累水平和計算可停留時間。計算結果失誤可能會導致逃生時機選擇錯誤，危及艇員的生命安全。

1.5 決策能力

盡管美軍失事潛艇警衛手冊中列出了生存決策相關的客觀標準，但手冊中不可能涵蓋所有情況，幸存艇員需要對手冊規定之外的情況做出相應決策。決策是一種更為高階的認知任務，與認知靈活性和冒險/沖動相關。潛艇失事后，幸存艇員需要執行種類不同的任務，適時將注意力轉移到需要關注的任務上，這就要求艇員具備較高的認知靈活性。認知靈活性受損會降低艇員綜合評估自身狀況、權衡多種行動方案和選擇最優生存計劃的能力。

1.6 情緒控制能力

情緒狀態對維持艇員士氣至關重要。潛艇失事后，幸存艇員強烈的緊張情緒或憤怒情緒可能會導致人際沖突和指揮鏈的崩潰。

2 失事潛艇環境應激源對艇員認知能力的影響

2.1 溫濕度變化

不同失事環境會導致艙室溫度的不同變化。一般來說，潛艇失事后艙室溫度會經歷持續數天的逐漸升高；若發生火災，則可能會導致艙室溫度驟然升高；若低溫海水進入艙室，且幸存者的數量較少，艙室溫度也可能會下降［6］。美國海軍失事潛艇警衛手冊中沒有與溫度變化相關的逃生規定。

2.1.1 溫度升高 急性熱應激最可能影響復雜認知任務的表現，如工作記憶和警覺性［7］。此外，暴露在高溫下的個體會低估潛在風險，表現出更多的冒險傾向［8］。冒險傾向會讓艇員放棄最安全的行動策略，例如在未達到逃生時機前貿然執行相對危險的逃生行動。熱應激還可能會對情緒和士氣產生負面影響，導致產生攻擊性、敵意、抑郁、易怒等。失事潛艇環境最可能發生的持續數日的漸進式熱應激對認知的影響尚不明確。

2.1.2 溫度下降 若低溫海水進入艙室，幸存艇員有可能出現浸入式冷暴露。急性暴露于10 ℃時工作記憶、選擇反應時間和執行能力下降［9］。持續性低溫會導致精神混亂、肌肉不協調和記憶損傷現象。其中，記憶損傷主要表現在新學習信息的保留和回憶方面，這與失事后艇員生存直接相關，因為大多數潛艇艇員不會提前學習失事潛艇警衛手冊，需要臨時學習接受新的信息。此外，冷水暴露導致的認知能力受損不會隨著體溫恢復而立即恢復。在艇員冷暴露后，即使采取措施也不會立即逆轉冷暴露引起的認知能力下降。

2.1.3 濕度升高 濕度水平與認知能力相關性的研究很少，且多是關于辦公室和學校等環境的報道。一般來說，高溫暴露下濕度下降會顯著提高認知準確性［10］。但濕度單因素對認知影響的研究匱乏，失事潛艇環境下的濕度對幸存艇員認知的影響也需要進一步研究。

2.2 大氣組分變化

2.2.1 氧水平降低 潛艇失事后，艇內氧氣水平可能會持續性逐漸下降［11］。缺氧會導致注意力、警覺性、工作記憶、短期記憶、學習能力及推理能力的下降［12］。由于長時間暴露在低氧環境會誘發人體對低氧水平的適應，潛艇失事后氧氣水平逐漸下降，艇員認知能力可能會經歷最初的下降和適應后的逐漸恢復［13］。然而，由于氧氣水平并不是穩定不變的，因此其適應能力還不明確。此外，缺氧環境中的體力消耗（例如，滅火）可能會加重認知能力下降。相反，在狀況相對穩定的失事潛艇中，艇員能夠保持靜息狀態，缺氧對認知的不利影響有可能減輕、延遲或消除。

2.2.2 二氧化碳水平升高 潛艇失事后，艇內二氧化碳水平有可能逐漸升高［14］。高水平二氧化碳暴露與認知之間的關系仍存在爭議。一些研究發現，二氧化碳水平升高可能會損害認知能力，包括決策、注意力、心理效能和數學處理。例如，1945 年對旗魚號（SS-192）潛艇的研究發現暴露于3%的二氧化碳水平會導致心理效能、注意力和思考能力受損。而1953 年在阿道鱈號（SS-231）潛艇上暴露于1.5% 二氧化碳42 d 的艇員，并未表現出問題處置、復雜運動協調、感覺辨別或警覺性方面的能力下降［15］。美國海軍潛艇醫學研究實驗室在實驗室研究中也未觀察到暴露于1.5% 二氧化碳水平時艇員決策能力的變化。對失事潛艇最高濃度為6% 的二氧化碳對認知能力影響的研究未見報道。

2.2.3 空氣污染物 失事潛艇中已確定可能存在9 種空氣污染物：氨氣、一氧化碳、氯、氯化氫、氰化氫、硫化氫、氫氧化鋰、二氧化氮和二氧化硫［16］。其中大多數是由于火災產生的。有研究報道，短時大劑量氨暴露可能對認知產生負面影響，低劑量氨暴露對認知能力無顯著影響［17］，但類似失事潛艇艇員可能面臨的氨暴露水平（125 ml/m3，24 h）對認知的影響尚不清楚。一氧化碳暴露對認知能力影響的研究結果并不一致，有研究提出一氧化碳暴露會導致警覺性下降，也有研究發現高達250 ml/m3一氧化碳暴露對警覺性、記憶或數學處理能力也沒有影響，類似失事潛艇艇員可能面臨的一氧化碳暴露水平（150 ml/m3，24 h）對認知的影響尚無研究。工業事故中高濃度氯急性暴露會導致記憶力、注意力、表達能力、精神運動能力、解決問題能力、視覺、前庭和聽覺缺陷，但其濃度遠超過艇員在失事潛艇環境中的暴露濃度，失事潛艇氯暴露對艇員認知能力的影響還需要進一步的研究驗證。氯化氫并不能直接影響認知能力，吸入氯化氫有可能對組織器官產生腐蝕作用，引起疼痛導致無法對任務保持持續關注。高水平氰化氫急性暴露（500～625 ml/m3）可導致頭暈、困惑、不安和焦慮，但其濃度遠超過艇員在失事潛艇環境中的暴露濃度。有研究表明急性暴露于低濃度的硫化氫（0.05～5 ml/m3）會降低語言學習能力，提示硫化氫可能會影響失事潛艇艇員認知能力。材料安全數據表明，攝入氫氧化鋰可能通過誘發頭痛、震顫、定向障礙、意識混亂、易怒和注意力受損進而影響中樞神經系統，但并沒有人體受試者認知效應的研究報道。成年人暴露在二氧化氮水平大于0.02 ml/m3的多因素復合環境下有記憶能力下降現象，然而，該研究并非二氧化氮對認知能力影響的單因素分析，且長達數月乃至數年的慢性暴露與失事潛艇艇員的經歷并不相同。二氧化硫與其他空氣污染物（一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳和甲烷碳氫化合物）聯合暴露與注意力和情緒控制能力降低有關，但未見評估二氧化硫暴露對認知獨立影響的研究。

2.3 艙室壓力上升

2.3.1 氧分壓升高 氧分壓與認知能力關系的研究較少且結果并不一致。總的來說，氧分壓升高可能導致認知障礙，但當壓力恢復正常時認知障礙迅速恢復。迄今為止，還無法確定認知障礙是由氧麻醉還是氧中毒引起的。關于在潛艇失事期間可能發生的氧分壓增加對認知的影響需要進一步研究。

2.3.2 氮分壓增加 呼吸高氮分壓空氣會導致氮麻醉，導致情緒和行為的改變。與氮麻醉相關的認知缺陷包括計算錯誤、記憶障礙、精神運動失調、精神活動減慢、警覺性受損、推理能力下降、疼痛感知減少及莫名的興奮和欣快感，甚至產生虛假的幸福感，危及應急情況下的行為能力［18］。然而，可能出現氮麻醉的壓力一般大于4 ATA，這接近于失事潛艇艇員逃生最大壓力限值，因此，可以推斷氮麻醉對失事潛艇艇員生存影響不大。

2.4 弱光照明

大多數失事潛艇無法供應正常的電力，而潛艇失事后許多認知任務需要足夠的照明，較弱的應急照明可能會對艇員的情緒產生負面影響，誘發抑郁和精神運動功能障礙［19］。而抑郁情緒狀態可能會導致判斷能力、記憶能力和信息處理能力受損。此外，短時照明剝奪有可能會改善非視覺領域的表現，失事事件中的一些非視覺任務（例如，收聽救援隊伍敲擊信號）反而可能受益。

2.5 低噪聲水平

潛艇失事時，環境噪聲會保持在較低水平。這種持續性低噪聲水平對認知的影響并不清楚。一般來說，背景噪聲會分散人員執行任務的認知資源，導致視覺/聽覺注意力下降［20］。而且，低水平噪聲也會導致低興奮感和強烈的無聊感，從而誘導認知能力下降。總的來說，低水平背景噪聲對認知能力的影響可能取決于艇員睡眠狀況、噪聲發生時間、周圍照明環境和環境溫度。此外，噪聲和環境溫度之間存在相互作用，而失事潛艇環境中低水平噪聲和高溫經常共存，因此需要進一步開展相關研究。

2.6 輻射

盡管潛艇失事很少發生放射性泄漏，但若核反應堆破壞嚴重可能導致艇員暴露在強輻射中。急性輻射暴露可以導致智力下降、效率降低和精神運動減慢的遠期效應。輻射暴露后對認知能力的短期影響尚不明確。

3 失事潛艇艇員認知能力研究展望

總的來說，失事潛艇的一些環境應激源會對艇員的認知能力產生影響，如溫度升高或降低、氧氣水平降低、二氧化碳水平升高、氧分壓和氮分壓增加等。但失事潛艇環境或類似環境下特殊應激源對幸存艇員認知能力影響的研究還存在許多空白，需要開展進一步研究。

3.1 失事潛艇特殊環境應激源對認知能力影響的研究

理想狀態下，艇員在失事潛艇中要生存數天時間以等待救援，但相應的環境應激暴露與其他環境有很大差異。因此，應當針對失事潛艇特有的環境應激暴露，進行環境應激單因素認知能力影響的研究［21-23］：持續數日并逐漸升高的艙室溫度對認知能力的影響；持續性高濕度環境對認知能力的影響；持續數日并逐漸降低的氧氣水平對認知的影響；持續數日并逐漸升高的二氧化碳水平對認知的影響；失事潛艇空氣污染物對認知的影響；不同照明持續性暴露對認知的影響；持續性高壓暴露對認知的影響；長期低水平噪聲對認知的影響。

3.2 失事潛艇復合應激源對認知能力影響的研究

失事潛艇可能會發生一系列特殊事件，如艙室進水、火災、核泄露等。這些特殊事件可能會導致環境應激的復合作用。艙室進水可能導致冷水浸泡、高壓環境、空氣污染物等；火災會導致高溫、煙霧和空氣污染物等；核泄露不僅會導致強輻射水平，還經常伴隨艙室進水及其他事件。因此，應當緊貼潛艇失事特殊環境，開展基于預設場景的復合應激源對認知能力影響的研究。

3.3 艇內生存能力提升針對性研究

基于環境應激對認知能力影響的研究成果，優化失事潛艇生存方案，改進生存裝備。一是研制環境應激應對裝備，如失事后應急照明裝備、氣體控制技術與裝備；二是降低對艇員的認知能力需求，如改進氣體監測方式，優化逃生決策計算方法；三是制定針對性特情訓練方案，開發不同特情場景的模擬訓練方案［24］，通過適應性訓練提升艇員對失事環境的適應性；四是嘗試將失事環境適應性訓練與艇員逃生訓練相結合，提升艇員應對失事事件的綜合能力。