事件相关电位在脑力疲劳研究中的应用*

张 焱 贡京京 宋华淼△

脑力疲劳是一种渐进、累积的过程，在长时间的要求工作效率的认知活动期间以及之后，出现的对任务的厌恶感，并伴随效率和警觉性下降以及执行功能受损。在现代生活中，这是一种常见的现象。尤其是对于特定职业或者工作环境的脑力疲劳研究，有着非常重要的现实意义。例如，长时间的驾驶工作导致的脑力疲劳会损伤车辆控制能力以及避免冲撞的能力，需要驾驶员付出更多的认知努力，包括持续不变的警惕性、选择性注意、决策以及知觉运动控制能力;飞行员在模拟飞行一段时间后，注意方面的差错频率越来越高，操作时变得更容易分心。然而，很少有人了解脑力疲劳的心理生理机制。因此，脑力疲劳对认知功能的影响以及通过脑力疲劳进一步研究大脑机制，是近年来脑力疲劳研究的重点。

事件相关电位(ERP)是被试对刺激信息进行认知加工时记录到的电生理变化，是反映从刺激信息出现到对它进行反应之间的大脑信息处理过程的理想指标，并因其卓越的瞬时分辨力为评估中央神经系统的功能提供了更加直接的证据。因此，人们认为ERP是反映认知加工活动敏感而有意义的指标，为观察脑功能提供了客观且简便可行的方法，在心理学、生理学、认知神经科学及人机工效学等领域都得到了广泛的应用，例如其在鉴别和评价认知功能中的重要作用，就使ERP指标有望为帕金森、焦虑症、抑郁症、精神分裂等疾病提供新的预测和诊断依据，以减少临床观察和经验的主观性导致的误诊[1-4]。同样，早期关于脑力疲劳的研究仅限于主观评定和行为学测量，无法深刻了解脑力疲劳的大脑机制，难以更准确、客观的测量脑力疲劳。因此，应用ERP技术研究脑力疲劳是十分必要的。

1 持续认知负荷下的脑力疲劳

很多脑力疲劳的研究，都是在持续的认知任务下应用ERP技术监测疲劳对认知功能(如注意)的影响。Maarten等就评估了脑力疲劳对注意过程的影响，他们要求被试持续完成3个小时的视觉注意任务，发现选择注意会影响早期的视觉ERP成分—P1和N1。P1的波幅刺激出现在相关位置时比出现在不相关的位置时更大，N1则相反。随着执行任务的时间延长，N1的波幅减小，而P1波幅却没发生变化。脑力疲劳对P1和N2影响的差异提示这些注意相关的早期成分不能反映单一的概念[5]。其它研究也得出了类似的结论，提示P1也许反映了早期注意焦点的感觉加工，N1可能反映了早期感觉加工自上而下的调节。

另一项研究则检测了脑力疲劳对行为影响是否由于行为监控能力下降引起的。结果显示，随着执行认知任务的时间延长，反映行为监控的ERN成分的波幅降低，同时CNV的波幅减小，提示随着疲劳的增加，反应的准备能力降低。但进一步研究发现，这种脑力疲劳引起的认知能力的损伤，可以通过奖赏的增加得到缓解。动机水平的增加会改变被试的行为和大脑活动:提高任务准确性会伴随着ERN波幅的增加，提高反应速度则伴随着CNV波幅的增加。被试采用不同的方式改善其执行能力的结果提示，人们在脑力疲劳的情况下，会因为奖赏而采取适当的行为战略使任务绩效保持在一个可接受的水平[6]。

Go/NoGo任务诱发出的ERP成分可以被解释为抑制行为的一个信号，并与在NoGo任务中反应执行的中断相关联[7-8]。一项脑力疲劳对反应过程影响的研究显示，Go－P3的潜伏期会随任务执行时间的增加而延长，并有显著的统计学意义。NoGo－P3的波幅随着任务时间的增加而减小，潜伏期延长，提示脑力疲劳也许限制了对NoGo刺激分配注意资源的能力，约束了对反应抑制的处理;疲劳后Go－和NoGo－P3的潜伏期延长则显示脑力疲劳会延长对Go和NoGo刺激的评估时间。这些结果暗示了脑力疲劳会损伤反应抑制过程的不同处理阶段[9]。

2 特定环境下的脑力疲劳

驾驶期间的脑力疲劳会导致驾驶员的一系列认知功能和心理运动操作水平受损，对外界环境的注意能力和反应能力都会降低，从而引起事故的发生。ERP作为研究大脑认知过程的重要方法和手段，其与驾驶疲劳的相关研究一直都是应用心理学研究领域的热点之一。

近几年来，宋国萍等一直致力于采用ERP技术研究驾驶疲劳对各种认知功能的影响[10-14]。他们在注意能力方面的研究中发现[12]，视觉和听觉的随意注意以及非随意注意能力都在驾驶疲劳后有所下降，只是相关ERP成分的变化方式不同。驾驶疲劳对听觉注意影响的研究结果显示，连续10小时的驾驶后，被试的P3a波幅显著降低，但潜伏期没有明显变化，提示虽然连续的驾驶没有影响被试对于新异刺激的觉察速度，但其觉察能力却明显下降，说明驾驶员无法很好的察觉来自听觉的危险信号。与P3a的结果一样，P3b在连续的驾驶后波幅降低，但潜伏期没有显著变化。P3b的波幅反映了所投入的心理资源量，潜伏期则反映对刺激物的评价时间，并与任务难度相关[15]。这些结果提示驾驶时间的延长使驾驶员投入到有意识作业中的注意力资源减少。与听觉注意研究的结果相似，视觉P300成分的波幅显著下降，潜伏期无明显变化[12]。另一项关于视觉疲劳对驾驶员注意能力影响的研究显示[16]，高速公路录像引起的视觉疲劳会导致驾驶员的P3a和P3b潜伏期延长、波幅减小，提示长时间视觉疲劳会降低大脑接受和处理信息的速度，减少心理资源的投入，注意能力受损。在实际驾驶过程中，由于高速公路的行驶环境单调，其导致的视觉疲劳会使驾驶员出现注意分散、反应迟钝的情况，继而影响操作技能，造成交通事故隐患。

可以看出，P300是研究驾驶疲劳最常用的ERP成分，但随着ERP各种成分研究的日渐成熟，人们也开始采用其它诱发电位的指标来研究驾驶疲劳，例如失匹配负波(MMN)。MMN与注意的自动开启过程有关，反映大脑对信息的自动加工[17]。宋国萍等的另一项研究显示[14]，驾驶疲劳后MMN波幅显著增大，潜伏期延长，提示驾驶疲劳导致大脑对听觉信息变化出现过度的自动加工，降低了过滤无用信息的能力，从而使有用信息的有效加工能力受损。在实验任务中表现为对默片的注意力降低，而在实际驾驶过程中，就可能导致驾驶失误，增加了事故发生的可能性。

然而，多数特殊职业下的脑力疲劳研究虽然可以建立职业相关的脑力疲劳模型，但ERP成分的诱发是在实验条件下进行的，与实际情况下获取信息并做出反应的过程还存在一定差距。而MMN则是唯一不用对任务刺激进行反应就能诱发出来的ERP成分，这种非任务相关的研究范式，为开展特殊职业(如飞行)的复杂任务下脑力疲劳的评价研究提供了技术支持。一项不同强度的飞行任务诱发出的不同程度的脑力疲劳对脑功能影响的研究，要求被试进行飞行模拟任务时忽略听到的听觉刺激。结果显示，与低程度的脑力疲劳相比，高程度的脑力疲劳下的MMN平均波幅增强，说明听觉MMN对飞行任务下的脑力疲劳具有较好敏感性[18]。这些结果提示MMN也许可以为评价特殊职业任务下的脑力疲劳提供可靠的指标，并为将来开发脑力疲劳的监测系统提供一定的电生理依据。

3 展望与不足

近年来，越来越多的研究人员将不同的ERP指标整合起来，从不同角度揭示脑力疲劳的脑机制，也为评价脑力疲劳提供了新的方向，即通过脑力疲劳对不同认知功能影响的研究，根据不同的ERP指标来评价脑力疲劳对认知功能各个方面的损伤情况。

然而，由于受到疲劳模型、任务难度、诱发范式等条件的不同，很多研究结果之间存在差异。如前所述的驾驶员在驾驶疲劳后P3b的潜伏期没有明显变化[12]，而宋健等人的研究则显示驾驶后其潜伏期发生改变[19]。另外，关于脑力疲劳对反应抑制能力影响的研究结果也存在分歧:Falkenstein等报道与反应抑制过程相关的NoGo－N2和NoGo－P3成分在进行长时间警戒性任务后没有受到影响，因此他们认为脑力疲劳与反应抑制的过程并无很大的联系[20]。而另外一些研究则发现随着疲劳的增加NoGo－N2和NoGo－P3成分发生了变化，说明脑力疲劳与抑制过程有着密切关系。但他们的结果却不尽相同:Yuichiro Kato等认为疲劳不会降低N2波幅[9]。Boksem和Lorist等则认为疲劳不会引起P3波幅的改变[6，21]。这些可能都是由于在实验过程中被试、任务时间、任务内容和难度不同造成的结果差异。因此，今后脑力疲劳的系列研究，应考虑这些因素对结果的影响，并根据研究目的建立有效的脑力疲劳模型，制定更加合理的诱发范式，从而避开混杂因素得到准确的信息。

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