失事潜艇环境应激源对艇员认知能力影响的研究进展

吕传禄，仇顺海，陈杰，王世锋

美军认为潜艇失事事件发生后最安全的策略是艇内生存待援，当情况恶化到必须脱险的程度时，幸存艇员才会适时执行逃生行动［1］。因此，失事潜艇艇员的生存可能性很大程度上取决于失事后各项生存任务的执行以及逃生时机的科学决策［2］，而这要求幸存艇员具有较高水平的认知能力。本文根据美军的相关研究，讨论了失事潜艇认知能力需求及其与环境应激源的相关性，并提出后续研究建议。

1 失事潜艇艇员认知能力需求

美军通过文献［3］分析提出了失事潜艇艇员执行艇内生存任务所需的6 项主要认知能力。

1.1 精神运动能力

精神运动能力对于需要灵活性、协调能力或运动的任务是至关重要的。潜艇失事后，幸存艇员在使用艇内生存装备时必须具有足够的精神运动能力，精神运动能力受损会影响艇员手部力量和协调能力，引发操作失误。例如，不慎撕裂氢氧化锂帘，导致有害的氢氧化锂粉尘泄露［4］。

1.2 注意力与警觉性

注意力是个体集中于特定刺激或信息的能力，警觉性是个体持续关注某一任务的能力。失事潜艇中，艇员不仅需要持续监测周围环境的风险，还要迅速就某一危险事件做出正确反应。注意力和/或警觉性一旦下降，艇员就可能忽略新出现的风险，例如，无法察觉突然出现的火花，或者无法集中精力计算逃生时机［5］。

1.3 记忆能力

记忆是编码、存储和回忆信息的能力，通常分为长期记忆和短期记忆，以及在形成短期记忆之前临时存储和操作信息的工作记忆。潜艇失事后，幸存艇员必须回忆存储在长期记忆中的信息（如平时的培训内容），并利用工作记忆和短期记忆来编码新的信息。记忆能力缺损的艇员可能无法快速利用失事潜艇警卫手册或相关培训中的信息，导致操作失误。

1.4 数学处理能力

失事潜艇幸存艇员需要完成一系列数学计算以确定空气污染物的积累水平和计算可停留时间。计算结果失误可能会导致逃生时机选择错误，危及艇员的生命安全。

1.5 决策能力

尽管美军失事潜艇警卫手册中列出了生存决策相关的客观标准，但手册中不可能涵盖所有情况，幸存艇员需要对手册规定之外的情况做出相应决策。决策是一种更为高阶的认知任务，与认知灵活性和冒险/冲动相关。潜艇失事后，幸存艇员需要执行种类不同的任务，适时将注意力转移到需要关注的任务上，这就要求艇员具备较高的认知灵活性。认知灵活性受损会降低艇员综合评估自身状况、权衡多种行动方案和选择最优生存计划的能力。

1.6 情绪控制能力

情绪状态对维持艇员士气至关重要。潜艇失事后，幸存艇员强烈的紧张情绪或愤怒情绪可能会导致人际冲突和指挥链的崩溃。

2 失事潜艇环境应激源对艇员认知能力的影响

2.1 温湿度变化

不同失事环境会导致舱室温度的不同变化。一般来说，潜艇失事后舱室温度会经历持续数天的逐渐升高；若发生火灾，则可能会导致舱室温度骤然升高；若低温海水进入舱室，且幸存者的数量较少，舱室温度也可能会下降［6］。美国海军失事潜艇警卫手册中没有与温度变化相关的逃生规定。

2.1.1 温度升高 急性热应激最可能影响复杂认知任务的表现，如工作记忆和警觉性［7］。此外，暴露在高温下的个体会低估潜在风险，表现出更多的冒险倾向［8］。冒险倾向会让艇员放弃最安全的行动策略，例如在未达到逃生时机前贸然执行相对危险的逃生行动。热应激还可能会对情绪和士气产生负面影响，导致产生攻击性、敌意、抑郁、易怒等。失事潜艇环境最可能发生的持续数日的渐进式热应激对认知的影响尚不明确。

2.1.2 温度下降 若低温海水进入舱室，幸存艇员有可能出现浸入式冷暴露。急性暴露于10 ℃时工作记忆、选择反应时间和执行能力下降［9］。持续性低温会导致精神混乱、肌肉不协调和记忆损伤现象。其中，记忆损伤主要表现在新学习信息的保留和回忆方面，这与失事后艇员生存直接相关，因为大多数潜艇艇员不会提前学习失事潜艇警卫手册，需要临时学习接受新的信息。此外，冷水暴露导致的认知能力受损不会随着体温恢复而立即恢复。在艇员冷暴露后，即使采取措施也不会立即逆转冷暴露引起的认知能力下降。

2.1.3 湿度升高 湿度水平与认知能力相关性的研究很少，且多是关于办公室和学校等环境的报道。一般来说，高温暴露下湿度下降会显著提高认知准确性［10］。但湿度单因素对认知影响的研究匮乏，失事潜艇环境下的湿度对幸存艇员认知的影响也需要进一步研究。

2.2 大气组分变化

2.2.1 氧水平降低 潜艇失事后，艇内氧气水平可能会持续性逐渐下降［11］。缺氧会导致注意力、警觉性、工作记忆、短期记忆、学习能力及推理能力的下降［12］。由于长时间暴露在低氧环境会诱发人体对低氧水平的适应，潜艇失事后氧气水平逐渐下降，艇员认知能力可能会经历最初的下降和适应后的逐渐恢复［13］。然而，由于氧气水平并不是稳定不变的，因此其适应能力还不明确。此外，缺氧环境中的体力消耗（例如，灭火）可能会加重认知能力下降。相反，在状况相对稳定的失事潜艇中，艇员能够保持静息状态，缺氧对认知的不利影响有可能减轻、延迟或消除。

2.2.2 二氧化碳水平升高 潜艇失事后，艇内二氧化碳水平有可能逐渐升高［14］。高水平二氧化碳暴露与认知之间的关系仍存在争议。一些研究发现，二氧化碳水平升高可能会损害认知能力，包括决策、注意力、心理效能和数学处理。例如，1945 年对旗鱼号（SS-192）潜艇的研究发现暴露于3%的二氧化碳水平会导致心理效能、注意力和思考能力受损。而1953 年在阿道鳕号（SS-231）潜艇上暴露于1.5% 二氧化碳42 d 的艇员，并未表现出问题处置、复杂运动协调、感觉辨别或警觉性方面的能力下降［15］。美国海军潜艇医学研究实验室在实验室研究中也未观察到暴露于1.5% 二氧化碳水平时艇员决策能力的变化。对失事潜艇最高浓度为6% 的二氧化碳对认知能力影响的研究未见报道。

2.2.3 空气污染物 失事潜艇中已确定可能存在9 种空气污染物：氨气、一氧化碳、氯、氯化氢、氰化氢、硫化氢、氢氧化锂、二氧化氮和二氧化硫［16］。其中大多数是由于火灾产生的。有研究报道，短时大剂量氨暴露可能对认知产生负面影响，低剂量氨暴露对认知能力无显著影响［17］，但类似失事潜艇艇员可能面临的氨暴露水平（125 ml/m3，24 h）对认知的影响尚不清楚。一氧化碳暴露对认知能力影响的研究结果并不一致，有研究提出一氧化碳暴露会导致警觉性下降，也有研究发现高达250 ml/m3一氧化碳暴露对警觉性、记忆或数学处理能力也没有影响，类似失事潜艇艇员可能面临的一氧化碳暴露水平（150 ml/m3，24 h）对认知的影响尚无研究。工业事故中高浓度氯急性暴露会导致记忆力、注意力、表达能力、精神运动能力、解决问题能力、视觉、前庭和听觉缺陷，但其浓度远超过艇员在失事潜艇环境中的暴露浓度，失事潜艇氯暴露对艇员认知能力的影响还需要进一步的研究验证。氯化氢并不能直接影响认知能力，吸入氯化氢有可能对组织器官产生腐蚀作用，引起疼痛导致无法对任务保持持续关注。高水平氰化氢急性暴露（500～625 ml/m3）可导致头晕、困惑、不安和焦虑，但其浓度远超过艇员在失事潜艇环境中的暴露浓度。有研究表明急性暴露于低浓度的硫化氢（0.05～5 ml/m3）会降低语言学习能力，提示硫化氢可能会影响失事潜艇艇员认知能力。材料安全数据表明，摄入氢氧化锂可能通过诱发头痛、震颤、定向障碍、意识混乱、易怒和注意力受损进而影响中枢神经系统，但并没有人体受试者认知效应的研究报道。成年人暴露在二氧化氮水平大于0.02 ml/m3的多因素复合环境下有记忆能力下降现象，然而，该研究并非二氧化氮对认知能力影响的单因素分析，且长达数月乃至数年的慢性暴露与失事潜艇艇员的经历并不相同。二氧化硫与其他空气污染物（一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳和甲烷碳氢化合物）联合暴露与注意力和情绪控制能力降低有关，但未见评估二氧化硫暴露对认知独立影响的研究。

2.3 舱室压力上升

2.3.1 氧分压升高 氧分压与认知能力关系的研究较少且结果并不一致。总的来说，氧分压升高可能导致认知障碍，但当压力恢复正常时认知障碍迅速恢复。迄今为止，还无法确定认知障碍是由氧麻醉还是氧中毒引起的。关于在潜艇失事期间可能发生的氧分压增加对认知的影响需要进一步研究。

2.3.2 氮分压增加 呼吸高氮分压空气会导致氮麻醉，导致情绪和行为的改变。与氮麻醉相关的认知缺陷包括计算错误、记忆障碍、精神运动失调、精神活动减慢、警觉性受损、推理能力下降、疼痛感知减少及莫名的兴奋和欣快感，甚至产生虚假的幸福感，危及应急情况下的行为能力［18］。然而，可能出现氮麻醉的压力一般大于4 ATA，这接近于失事潜艇艇员逃生最大压力限值，因此，可以推断氮麻醉对失事潜艇艇员生存影响不大。

2.4 弱光照明

大多数失事潜艇无法供应正常的电力，而潜艇失事后许多认知任务需要足够的照明，较弱的应急照明可能会对艇员的情绪产生负面影响，诱发抑郁和精神运动功能障碍［19］。而抑郁情绪状态可能会导致判断能力、记忆能力和信息处理能力受损。此外，短时照明剥夺有可能会改善非视觉领域的表现，失事事件中的一些非视觉任务（例如，收听救援队伍敲击信号）反而可能受益。

2.5 低噪声水平

潜艇失事时，环境噪声会保持在较低水平。这种持续性低噪声水平对认知的影响并不清楚。一般来说，背景噪声会分散人员执行任务的认知资源，导致视觉/听觉注意力下降［20］。而且，低水平噪声也会导致低兴奋感和强烈的无聊感，从而诱导认知能力下降。总的来说，低水平背景噪声对认知能力的影响可能取决于艇员睡眠状况、噪声发生时间、周围照明环境和环境温度。此外，噪声和环境温度之间存在相互作用，而失事潜艇环境中低水平噪声和高温经常共存，因此需要进一步开展相关研究。

2.6 辐射

尽管潜艇失事很少发生放射性泄漏，但若核反应堆破坏严重可能导致艇员暴露在强辐射中。急性辐射暴露可以导致智力下降、效率降低和精神运动减慢的远期效应。辐射暴露后对认知能力的短期影响尚不明确。

3 失事潜艇艇员认知能力研究展望

总的来说，失事潜艇的一些环境应激源会对艇员的认知能力产生影响，如温度升高或降低、氧气水平降低、二氧化碳水平升高、氧分压和氮分压增加等。但失事潜艇环境或类似环境下特殊应激源对幸存艇员认知能力影响的研究还存在许多空白，需要开展进一步研究。

3.1 失事潜艇特殊环境应激源对认知能力影响的研究

理想状态下，艇员在失事潜艇中要生存数天时间以等待救援，但相应的环境应激暴露与其他环境有很大差异。因此，应当针对失事潜艇特有的环境应激暴露，进行环境应激单因素认知能力影响的研究［21-23］：持续数日并逐渐升高的舱室温度对认知能力的影响；持续性高湿度环境对认知能力的影响；持续数日并逐渐降低的氧气水平对认知的影响；持续数日并逐渐升高的二氧化碳水平对认知的影响；失事潜艇空气污染物对认知的影响；不同照明持续性暴露对认知的影响；持续性高压暴露对认知的影响；长期低水平噪声对认知的影响。

3.2 失事潜艇复合应激源对认知能力影响的研究

失事潜艇可能会发生一系列特殊事件，如舱室进水、火灾、核泄露等。这些特殊事件可能会导致环境应激的复合作用。舱室进水可能导致冷水浸泡、高压环境、空气污染物等；火灾会导致高温、烟雾和空气污染物等；核泄露不仅会导致强辐射水平，还经常伴随舱室进水及其他事件。因此，应当紧贴潜艇失事特殊环境，开展基于预设场景的复合应激源对认知能力影响的研究。

3.3 艇内生存能力提升针对性研究

基于环境应激对认知能力影响的研究成果，优化失事潜艇生存方案，改进生存装备。一是研制环境应激应对装备，如失事后应急照明装备、气体控制技术与装备；二是降低对艇员的认知能力需求，如改进气体监测方式，优化逃生决策计算方法；三是制定针对性特情训练方案，开发不同特情场景的模拟训练方案［24］，通过适应性训练提升艇员对失事环境的适应性；四是尝试将失事环境适应性训练与艇员逃生训练相结合，提升艇员应对失事事件的综合能力。