睡眠限制下人的警觉性和瞳孔直径的昼夜节律特征

2020-07-02于洪强陈晓萍王春慧

载人航天 2020年3期

于洪强，陈晓萍，王春慧，蒋婷，田雨

(中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京100094)

1 引言

航天员是载人航天活动的主体和核心，充分发挥航天员主观能动作用是确保载人航天任务成功的关键。航天员执行任务时，需保持良好的警觉性，对相关信号指示、可能出现的特殊情况作出快速反应；否则，发生事故的风险或概率会增大。

由于飞行任务的多样性、复杂性以及环境应激等因素的影响，航天员容易出现睡眠不足[1-3]。Wu 等[4]报道部分航天员在轨平均睡眠时长约为5 h，处于睡眠不足的状态。而睡眠质量是影响警觉性的重要因素[5]，如果睡眠不足，警觉性、认知能力和绩效表现都会受到负面影响；同时，由于受到生物钟的调控，人的体温等生理指标和代谢过程以及注意、记忆等认知能力具有显著的昼夜节律特征，人的警觉性也会有1 天24 小时的节律性变化[6]。

为评估操作者警觉性，研究者提出了行为绩效测试、主观问卷调查、生理电信号测量等[7-8]测试方法。其中，心理运动警觉性测试(Psychomotor Vigilance Test，PVT)由于操作简单、指标较为敏感等优点，被较为广泛地使用[9-11]。此外，瞳孔大小的测量作为一种非侵入式方便快捷的检测手段，在某些疾病的诊断方面有很好的应用前景[12-13]，其在警觉性检测方面的应用也被关注。

然而，有关瞳孔节律特性及瞳孔与警觉性关系的研究，不同研究结果不尽相同。 Nikolaou等[14]认为瞳孔测试可作为快速评估睡意或警觉性的方式；Wilhelm 等[15]发现了瞳孔的节律变化并认为与警觉性相关；Daguet 等[16]认为瞳孔有节律性变化，但只有在1 天的特定时间范围内与警觉性相关；Loving 等[17]认为瞳孔1 天内的变化有一定随机性；Ranzijn 等[18]认为瞳孔不能用来评估睡意或警觉性。

因此，本研究开展多天连续睡眠限制实验，重点关注睡眠限制以及觉醒期间的测试时间点这两个因素对警觉性和瞳孔直径的影响，以及警觉性和瞳孔直径变化的关联性，为面临睡眠不足问题的航天员警觉性监测和作业任务安排提供参考。

2 方法

2.1 志愿者

8 名健康男性志愿者，年龄(23.3±3.0)岁，右利手，视力或矫正视力大于5.0。主诉无睡眠障碍、无不良嗜好，平时作息时间相近且规律，实验期间志愿者未饮用咖啡或服用药物。志愿者均充分了解实验内容并签署了知情同意书，本实验获得中国航天员科研训练中心伦理委员会批准。

2.2 警觉性测试

本研究采用基于视觉刺激的PVT 测试研究志愿者的警觉性[11]。测试中一个正常试次的流程示意如图1 所示。测试开始时，计算机屏幕(24 英寸，60 Hz 刷新率)正中央显示一个符号“＋”(宽度和高度约为3°视角)，要求志愿者保持注视屏幕中央，并将右手放置在键盘的空格键上。当看到“＋”变成从0 开始不断增加的数字时(数字表示时间，单位为ms)，志愿者应尽可能快地按空格键做出反应，但是在数字出现前不能提前按键，否则界面上出现错误提示。志愿者按键后数字停止增加，屏幕所显示的数字为志愿者的反应时，反应时结果在屏幕上呈现1 s 后消失，“＋”重新出现。 “＋”呈现时间(Inter-stimulus Interval，ISI)为2 ～10 s 之间的一个随机值。标准的PVT测试时长为10 min[11]，基于Loh 等[19]的研究，5 min的PVT 测试的有效性与10 min 测试相当。因此本研究的PVT 测试持续时间设置为5 min，在此期间志愿者共进行约40 次按键反应。研究中警觉反应时指标为有效按键反应试次(剔除了数字出现前就按键的试次以及按键反应时短于100 ms 的提前启动试次)的平均反应时[11]，反应时越短表明警觉性越高。

图1 PVT 测试正常试次流程示意图Fig.1 Diagram of a normal trial in PVT test

2.3 瞳孔直径测试

使用Tobii Pro T60XL 桌面式眼动仪进行瞳孔直径采集，眼动仪采样频率为60 Hz。在对志愿者开展PVT 测试时(持续5 min)，同步采集其瞳孔直径。测试时使用固定不变的房间照明装置，同时保持志愿者和测试设备位置不变，以使光环境保持稳定。

2.4 实验流程

实验共持续5 天，前3 天是睡眠限制条件，志愿者每天5 h 睡眠；后2 天是正常睡眠条件，志愿者恢复每天8 h 睡眠(晚上约7 h 睡眠，中午约1 h睡眠，与志愿者日常作息习惯保持一致)。为研究警觉反应时和瞳孔直径的节律特征，志愿者每天在不同时间重复进行PVT 和瞳孔直径测试。在睡眠限制的前3 天，志愿在上午、中午、下午、晚上和深夜分别进行1 次测试，每天共5 次测试。在正常睡眠的后2 天，为不影响实验期间志愿者的睡眠，只在上午、下午和晚上分别进行1 次测试，每天共3 次测试。上午测试时间段为8：30 ～10：00；中午测试时间段为12：00 ～13：30；下午测试时间段为15：30 ～17：00；晚上测试时间段为19：00～20：30；深夜测试时间段为22：30～24：00。

2.5 数据处理

本研究使用MATLAB 代码计算每次测试的平均反应时和平均瞳孔直径。并利用SPSS 22.0 软件进行统计分析。选用重复测量方差分析考察测试时间点、睡眠限制天数(解除睡眠限制天数)等因素对警觉反应时和平均瞳孔直径的影响。在分析睡眠时长(5 h、8 h)对警觉反应时和瞳孔直径影响时，使用配对样本t检验。在分析警觉反应时与瞳孔直径相关性时，使用Pearson 双侧相关分析。统计检验的显著性水平均设定为P＜0.05。

3 结果

3.1 警觉反应时

实验中8 名志愿者连续5 天共21 个时间点PVT 测试的反应时数据如图2 所示。可以看出，警觉性在5 h 睡眠条件表现出一定的节律性波动趋势，具体表现为每天上午/中午的警觉反应时相对较长，而下午和晚上的警觉反应时相对较短。同时相对于5 h 睡眠条件，8 h 睡眠条件下，警觉反应时相对更短。

3.1.1 睡眠限制下警觉反应时变化

对于连续3 天睡眠限制下共15 个时间点的警觉反应时数据，将睡眠限制的天数(共3 水平，第1 天、第2 天、第3 天)和每天测试的时间点(共5 水平，上午、中午、下午、晚上、深夜)作为2 个自变量，进行重复测量方差分析，结果显示：睡眠限制天数的主效应不显著，F(2，14)＝0.555，η2＝0.074，P＝0.586；测试时间点的主效应临界显著，F(4，28)＝2.588，η2＝0.27，P＝0.058；睡眠限制天数与测试时间点的交互效应不显著，F(8，56)＝1.838，η2＝0.208，P＝0.089。随后成对检验显示，睡眠限制后，上午的警觉反应时(317.0±8.5)ms 显著长于下午的警觉反应时(313.5±8.9)ms，也显著长于晚上的警觉反应时(309.6±8.4)ms，P值分别为0.006、0.002。其他成对比较未发现显著差异(P＞0.05)。总体而言，睡眠限制条件下警觉反应时呈现出了一定的节律性波动特征，每天上午和中午警觉反应时相对较长，而下午和晚上警觉反应时相对较短。

3.1.2 正常睡眠下警觉反应时变化

对于解除睡眠限制(每天睡眠累积8 h)的2 天共6 个时间点的警觉反应时数据，将解除睡眠限制的天数(共2 水平)和每天测试的时间点(共3 水平，上午、下午、晚上)作为2 个自变量，进行重复测量方差分析。结果显示：解除睡眠限制天数的主效应不显著，F(1，7)＝0.262，η2＝0.036，P＝0.624；测试时间点的主效应不显著，F(2，14)＝2.559，η2＝0.268，P＝0.113；解除睡眠限制天数与测试时间点的交互效应不显著，F(2，14)＝0.947，η2＝0.119，P＝0.411。总体而言，正常睡眠条件下警觉反应时一天中的波动相对较小。

3.1.3 睡眠时长对警觉反应时的影响

图2 警觉性测试反应时平均值(误差线表示标准误)Fig.2 Mean reaction time of PVT test (error bar denotes standard error)

在实验前3 天睡眠5 h 条件下以及后2 天睡眠8 h 条件下，志愿者均在上午、下午和晚上进行了PVT 测试，对每种睡眠条件下每位志愿者的上午、下午和晚上的警觉反应时进行平均，使用配对T检验进行数据分析，发现睡眠8 h 条件下反应时(301.4±7.9)ms 显著低于睡眠5 h 条件下的警觉反应时(313.6±8.6)ms，t(7)＝5.066，P＝0.001，说明睡眠减少会导致警觉性变差。

3.2 瞳孔直径

实验中8 名志愿者连续5 天共21 个时间点PVT 测试中瞳孔直径数据如图3 所示。可以看出，瞳孔直径在5 h 睡眠条件表现出有一定的节律性波动趋势，具体表现为从上午到晚上，瞳孔直径有增大的趋势。同时相对于5 h 睡眠条件，8 h睡眠条件下，瞳孔直径有增大的趋势。

3.2.1 睡眠限制下瞳孔直径变化

对于连续3 天相对睡眠限制下的15 个时间点瞳孔直径数据，将睡眠限制的天数(共3 水平)和每天测试的时间点(共5 水平)作为2 个自变量，进行重复测量方差分析。结果显示：睡眠限制天数的主效应不显著，F(2，14)＝1.819，η2＝0.206，P＝0.198；测试时间点的主效应临界显著，F(4，28)＝6.659，η2＝0.488，P＝0.001；睡眠限制天数与测试时间点的交互效应不显著，F(8，56)＝0.621，η2＝0.081，P＝0.757。事后成对检验显示，睡眠限制后，上午的瞳孔直径(2.962±0.097)mm显著小于下午(3.106±0.095)mm、晚上(3.198±0.110)mm、深夜(3.194±0.115)mm 的瞳孔直径，P值分别为0.028、0.011、0.038。中午的瞳孔直径(3.068±0.087)mm 显著小于晚上的瞳孔直径(3.198 ±0.110)mm，P＝0.013。下午的瞳孔直径(3.106±0.095)mm 显著小于晚上的瞳孔直径(3.198±0.110)mm，P＝0.026。其它成对比较未发现显著差异(P＞0.05)。整体而言，上午和中午的瞳孔直径小于下午之后的瞳孔直径，这种差异在多个成对比较中达到了显著水平。

3.2.2 正常睡眠下瞳孔直径变化

对于解除睡眠限制的2 天共6 个时间点的瞳孔直径数据，将解除睡眠限制的天数(共2 水平)和每天测试的时间点(共3 水平)作为自变量，进行重复测量方差分析。结果显示：解除睡眠限制天数的主效应不显著，F(1，7) ＝1.169，η2＝0.143，P＝0.315；测试时间点的主效应不显著，F(2，14)＝1.089，η2＝0.135，P＝0.363；解除睡眠限制天数与测试时间点的交互效应不显著，F(2，14)＝0.230，η2＝0.032，P＝0.798。总体而言，正常睡眠条件下瞳孔直径一天中的波动相对较小。

3.2.3 睡眠时长对瞳孔直径的影响

在实验前3 天睡眠5 h 及实验后2 天睡眠8 h条件下，志愿者均在上午、下午和晚上进行了PVT测试，并在过程中采集了瞳孔直径，对每种睡眠条件下每位志愿者的上午、下午和晚上的瞳孔直径进行平均，然后使用配对样本t检验进行数据分析，发现睡眠8 h 条件下瞳孔直径(3.231±0.092)ms显著大于睡眠5 h 条件下的瞳孔直径(3.086±0.096)mm，t(7)＝4.467，P＝0.003，表明睡眠限制会导致瞳孔直径变小。

3.3 警觉反应时与瞳孔直径相关性分析

图3 警觉性测试中瞳孔直径平均值(误差线表示标准误)Fig.3 Mean pupil diameter in the PVT tests (error bar denotes standard error)

将实验中8 名志愿者连续5 天，共21 个时间点的警觉反应时指标(8 人的平均值，即图2 中的21 个点的数据)和瞳孔直径指标(8 人的平均值，即图2 中的21 个点的数据)进行相关分析(Pearson 双侧相关)，得到的相关系数r＝-0.408，P＝0.066。两者呈现负相关关系，相关强度中等，但未达到显著水平。瞳孔直径指标对警觉反应时有一定的预测能力。特别地，相对于上午和中午，下午和晚上的瞳孔直径相对较大，而警觉反应时也相对较低，表明警觉性更好，两者在一天中的波动趋势有一定的关联性。

4 讨论

本次实验结果表明，睡眠限制会导致人的警觉性变差，这与此前大量研究结果一致[20-22]。应该注意到，不同人受睡眠限制影响的程度不一样，具有明显的个体差异性[23]。本研究中，相对于正常8 h 睡眠条件，睡眠限制5 h 条件下的平均反应时虽然有显著下降，但下降幅度较小(不足5%)，这可能是由于本研究中的被试为青年志愿者，身心状态较好，通过主观努力可以补偿一部分睡眠不足对警觉注意的负面影响[24]。

本研究更重要的一个发现是，睡眠限制条件下，下午和晚上的警觉性优于早上和中午的警觉性；正常睡眠情况下，上午、下午和晚上的警觉反应时则波动较小。对于一天中不同时间点的警觉性变化规律，文献报道并不一致，这些结果的分歧可能是个体差异或人群差异造成[25]。警觉性的节律特性与人群的生活工作习惯可能密切相关，有些人可能早晨警觉性较高(“百灵鸟”型)，而有些人可能晚上警觉性较高(“猫头鹰”型)。此外，人的警觉性还可能受到年龄、光照条件等因素的影响，这都可能造成研究结果的差异。

本研究结果表明，睡眠限制条件下(疲劳条件下)，瞳孔直径会显著减小，且瞳孔直径有一定的节律特征，表现为上午瞳孔直径相对较小，下午和晚上瞳孔直径相对较大。 Fosnaugh 等[26]研究认为瞳孔大小的节律性变化幅度较小，但却在统计学具有显著意义；Xu 等[27]研究则发现早上和傍晚的瞳孔大小测试结果基本一致，没有明显的节律性。上述研究结果差异可能是因为个体差异的影响，不同生活工作习惯的人群节律特性理应有差异。另一方面疲劳状态、光环境变化[28-29]等多种内外在因素会影响瞳孔直径，如果不对这些条件加以明确的限制或描述，不同研究结果之间的横向比较价值较低，提示后续在进行瞳孔相关研究时，应对测试条件进行严格的限定与精确的描述。

本研究中警觉反应时与瞳孔直径在一天内的波动趋势有一定的关联性，表现为警觉反应时变长(警觉性变差)时，瞳孔直径有变小的趋势。这说明2 个指标都能一定程度地反映出警觉性/疲劳度的变化。考虑到基于计算机视觉的瞳孔直径测量对人的干扰很小，瞳孔指标在航天等领域警觉性监测中有很好的应用前景。