认知疲劳的电生理研究

廖军和 李艳玲

摘要：目的 采用电生理信号测量个体处于认知疲劳状态的生理指标。方法 选取8名在校大学生（男女各四名），设计认知任务诱发不同程度的疲劳水平，运用Spirit10生物反馈系统对其脑电和生理指标进行测量，采集数据进行分析。结果 被试完成认知疲劳任务后theta波值增大，theta/beta数值增大，心率加快，皮肤温度升高;疲劳恢复后，theta波值减小，theta/beta数值减小，心率减慢，皮肤温度降低。结论 认知疲劳引发的电生理指标的变化趋势与其他疲劳（如生理疲劳）的变化趋势相同。

关键词：认知疲劳 电生理研究

引言

疲劳是一个非常复杂的生理心理问题，目前国内外对它都并没有一个明确的定义。现代汉语词典对疲劳的解释是：因体力或者脑力消耗过度而需要休息;因运动过度或刺激过强，而导致的细胞、组织或器官的机能或反应能力的减弱;因外力过强或作用时间过久导致不能继续做正常的反应。在辞海中将疲劳解释为持久或过度劳累后导致的身体不适和工作效率减退的现象。所以综上，可以将疲劳大致解释为机体因过度消耗而出现工作能力暂时下降的现象。

国外学者将疲劳划分为四类：心理疲劳、脑力疲劳、体力疲劳以及病理疲劳。[1]作为脑力疲劳的一种形式，认知疲劳是持续的认知负荷导致个体过量消耗认知资源引发认知操作水平下降的现象。[2]国内外多项研究表明，认知疲劳产生后大脑皮层唤醒水平会降低，认知活动效率下降，突出表现为注意力水平的下降。杨博（2013）的研究以事件相关电位（ERP）为手段，研究持续性警戒任务下人员前注意和注意加工能力的变化，发现认知疲劳后确实出现注意能力一定程度的受损，非随意注意能力也有下降[3]，范洁仪等（2018）的研究发现飞行任务后飞行员的平均反应时延长，持续性注意力、选择注意力和注意力转换能力下降。[4]

当前国内外对于脑力疲劳的检测采用以下三种类型的参数为主：（1）基于行为特征参数（如划消测验），此方法易操作，不过至今还未形成具有说服力的标准，检测效果也不够理想;（2）基于表情特征参数，例如眼睛的闭合程度、眨眼的频率、点头的频率等等，对个体脑力疲劳程度做估计。这种方法对疲劳估计识别精度较低;（3）基于心电、心率、肌电、眼电和EEG等生理特征，生理特征较为客观，可以直接反应个体的生理变化，所以使用其进行疲劳估计时的准确率相对较高[5]。尤其是基于脑电（Electroencephalogram，简称EEG）信号的脑力疲劳估计，相比较于其他信号，EEG信号能够直接反应大脑皮层不同区域的电活动，被称作是检测疲劳最准确最可靠的指标，得到了科学研究与医学界的广泛认可。但是基于EEG信号的疲劳测量是否适用于认知疲劳的测量？认知疲劳的产生与发展是否与脑力疲劳及其他形式的疲劳存在一致的生理机制？这些问题还有待研究者们进一步的研究探讨。另一方面，加强认知疲劳的神经基础研究对于了解认知疲劳产生的机理，恢复干预，提高工作效率具有重要意义。

本研究在严格控制的情境下，试通过Spirit10生物反馈系统，收集被试在不同精神状态下的脑电信号，以此来探索不同生理特征参数与被试认知疲劳状态的相关性。

一、实验

1.方法

（1）被试

招募某省属师范学院在校大学生13名，根据实验任务要求（年龄、健康状况、睡眠质量、左右利手、有无烫染发等）剔除无效被试5名，剩余男生4名，女生4名，有效被试8名。被试平均年龄为19.62岁，视力或矫正视力正常，均为右利手。被试选好后，实验要注意以下几项：①实验前被试要避免服用任何会影响到中枢神经兴奋或抑制的药物和食物，包括酒类、咖啡、红牛等刺激型饮料;②实验前被试要注意休息，避免熬夜，并且保证每天8小时的睡眠时间;③实验前被试需保持放松、心情舒畅;④被试需要预先了解本实验的目的，自愿参加实验;⑤所有被试要参与模拟实验，熟悉实验环境和实验流程;⑥主试向被试说明如在实验过程中有任何不适，可随时退出实验;⑦女性被试在实验时不要佩戴耳钉、耳环、项链等饰品。

（2）研究工具

实验采用的是Spirit10生物反馈系统，该仪器的参数包括脑电（左右脑）、心率、皮肤温度、皮肤电、血容量、呼吸、缓慢皮层电位、血氧饱和度等。脑电反馈可以将大脑皮层各区的脑电活动节律反馈出来，脑电活动节律、振幅与情绪、觉醒状态以及注意力等有密切的联系，该仪器将被试脑电信号通过编码器处理、前置放大器放大，最后以视觉或者听觉方式呈现。数据记录、采集、分析工具为BioTrace+软件。

（3）实验方案

实验方案如下：①基线阶段，观察安静放松状态下被试的认知加工状态，采集此时的生理反应数据，采集时间为5分钟;②实验处理阶段（施予认知任务），认知任务为生僻单词记忆任务，图1 认知疲劳电生理信号采集流程生僻单词从大学生僻单词表中查找出18个单词，交予被试记忆直至完全复述。该任务进行15分钟，前5分钟为轻度疲劳，5到10分钟为中度疲劳，10到15分钟为重度疲劳，与此同时脑电信号的记录不间断;③放松阶段，被试完成心理保健操，该阶段持续5分钟，同时记录脑电生理反应数据。具体技术流程如图1。

（4）实验情景

实验在专业生物反馈实验室内进行，室内宽敞通风，无噪音无异味，温度保持在27 ℃左右，照明条件良好，无其他电子设备干扰。

2.结果

通过BioTrace+软件记录、保存各个阶段被试的电生理数据，将数据导出，使用SPSS18.0进行统计分析。

（1）认知疲劳不同阶段的EEG信号

图2表明，伴随着认知疲勞的产生及发展，6名被试EEG信号中的theta波幅值呈现上升趋势，当被试放松下来，认知疲劳降低，6名被试theta波幅值呈现下降趋势。

图3表明，6名被试EEG信号中theta与beta波的脑电比有升高趋势;认知疲劳恢复后，7名被试的theta与beta波的脑电比下降。

（2）认知疲劳不同阶段的心率与皮肤温度信号

图4表明，7名被试在不同程度的认知疲劳状态下，心率有加快趋势;认知疲劳恢复后，7名被试的心率减慢。

图5表明，6名被试在不同程度的认知疲劳状态下，皮肤温度有上升趋势;认知疲劳恢复后，7名被试的皮肤温度下降。

二、讨论

1.认知疲劳与脑电波的关系

EEG信号的节律与人的精神疲劳状态有对应关系，以往疲劳引起EEG变化的研究认为从正常状态向疲劳状态转变的过程中，慢波增加，快波降低;大脑在放松状态时脑电图上占优势的是频率为8～12 Hz、波幅较低的alpha波;身心由兴奋转入困倦状态时，脑电

图上由alpha波转变为频率为4～7 Hz、波幅较高的theta波。[6]有研究直接将EEG各节律波的比值（如theta/beta）作为脑力疲劳的检测指标，其比值会伴随着疲劳程度的增加而逐渐增大。[7]疲劳对认知活动的突出影响为注意稳定性下降，在针对注意缺陷多动障碍（简称ADHD）儿童的EEG信号研究中发现该群体有theta/beta脑电比升高等表现，研究者将它作为鉴别与治疗ADHD的技术手段与目标。[8]国外学者Brookhuis等使用脑能量参数（theta+alpha）/beta对驾驶员进行研究，发现随着工作时间的增加、疲劳状态的加重，该参数呈上升趋势。[9]

本研究中，认知疲劳同样引起了被试EEG的变化，其变化趋势与其他脑力疲劳、运动疲劳引起的EEG变化的趋势基本一致。不同程度的认知疲劳状态下，theta波出现且幅值呈现上升趋势，theta/beta脑电比值也在上升。表明，认知疲劳对脑力资源的消耗同样降低了大脑的警觉性。

本实验中使用Spirit10生物反馈系统和BioTrace+软件，可以客观地观察到个体疲劳状态下的生理反应数据，一定程度上克服了使用自陈量表来评定认知疲劳的局限，做到更加准确，能够在生理数据上直观地对认知疲劳进行界定和测量。

2.認知疲劳与心率、皮肤温度的关系

疲劳对心率的影响多见于运动疲劳、慢性疲劳综合征的生理特征研究。有研究表明体温每升高1 ℃，心率就会增加10多次左右，机体基础代谢率就会增加百分之十二左右，造成人体自身更多的消耗。[10]在国内研究中，心率也是随着运动负荷量的增加而增加，每次运动的心率都与休息时的心率有显著性差异，心率可看作是一个体力负荷的一个评价指标;心率变异性在脑力负荷过程中有降低现象，是脑力负荷的敏感生理指标。本研究中仅考察了心率在认知疲劳的不同状态下的表现，未来将进一步研究心率变异性的变化趋势。被试在不同程度的认知疲劳状态下，皮肤温度有上升趋势，查阅文献有一种解释为大脑在完成认知任务时，产生更多代谢所致。大脑的相关区域在完成具体任务时，会有更高的唤醒水平，大脑皮层会更活跃，也会消耗更多的能量和氧气，对皮肤温度产生影响。[11]

3.认知疲劳的恢复

认知疲劳恢复的方式有很多，如冥想训练、倾听音乐，芳香疗法等。本实验中采用的是崔立中等人设计的心理保健操，强调肌肉渐进式放松，具有缓解认知疲劳的效果，这与以往实验的结果一致。有研究发现通过放松训练可以使心率、呼吸频率、氧耗、血压等下降。[12]本实验中的被试经过心理保健操训练后，心率、皮肤温度都有降低趋势。实验中所使用的是生物反馈仪器也可以对被试进行认知疲劳恢复，该仪器将被试脑部生理机能用现代电子仪器予以描记，并转换为光、图像等反馈信号，来明确被试处于什么样的生理状态。被试可以感知肌体状况的变化过程，自我调节内部心理生理变化，实现优化生理心理状态的效果。

结语

1.认知疲劳诱发的EEG信号中，theta波值增大，theta/beta数值增大，心率加快，皮肤温度升高;

2.认知疲劳恢复后，theta波值减小，theta/beta数值减小，心率减慢，皮肤温度降低;

3.认知疲劳引发的电生理指标的变化趋势与其他疲劳（如生理疲劳、运动疲劳等）的变化趋势相同。

参考文献：

[1]张力为.心理学研究的七个方向：以运动性心理疲劳为例[J].体育科学，2010，30（10）：312.

[2]李艳玲，吴小玲.某高校大学生认知疲劳日变化趋势研究[J].中国学校卫生，2017（4）：542545.

[3]杨博.长时间持续警戒任务下脑力疲劳对前注意和注意加工能力影响的ERP研究[D].西安：第四军医大学，2013.

[4]范洁怡，王亮，宁致博，等.脑力疲劳对飞行员认知功能的影响及相关认知指标探讨[J].解放军医学院学报，2018，39（4）：291293+302.

[5]Jared M B，Amanda S B.Response Variability Is Associated With Self-Reported Cognitive Fatigue in Multiple Sclerosis. [J]. Neuropsychology ，2010， 25（1）：4857.

[6]陆磊， 崔立中.心理保健操缓解认知疲劳效果的脑电检验[J].科协论坛（下半月），2010（3）：5051.

[7]范晓丽，牛海燕，周前祥等.基于EEG的脑力疲劳特征研究[J].北京航空航天大学学报，2016，42（7）：14061413.

[8]丁强，张文海，刘强.脑电生物反馈治疗注意缺陷多动障碍[J].中华行为医学与脑科学杂志，2016，25（7）：657661.

[9]张崇，郑崇勋，欧阳轶，等.基于脑电功率谱特征的脑力疲劳分析[J].航天医学与医学工程，2008，21（1）：3539.

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[11]王正伦.心率变异性与体力负荷、脑力负荷之间关系的实验研究[D].武汉：华中科技大学，2003.

[12]张文彩，吕新湖，闫克乐，等.放松训练对心率、T波幅度、心算成绩的影响研究[J].心理科学，2005，28（3）：706707.

责任编辑：黄大灿