睡眠限制下人的警覺性和瞳孔直徑的晝夜節(jié)律特征

于洪強(qiáng)，陳曉萍，王春慧，蔣 婷，田 雨

(中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094)

1 引言

航天員是載人航天活動的主體和核心，充分發(fā)揮航天員主觀能動作用是確保載人航天任務(wù)成功的關(guān)鍵。 航天員執(zhí)行任務(wù)時，需保持良好的警覺性，對相關(guān)信號指示、可能出現(xiàn)的特殊情況作出快速反應(yīng)；否則，發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)或概率會增大。

由于飛行任務(wù)的多樣性、復(fù)雜性以及環(huán)境應(yīng)激等因素的影響，航天員容易出現(xiàn)睡眠不足[1-3]。Wu 等[4]報(bào)道部分航天員在軌平均睡眠時長約為5 h，處于睡眠不足的狀態(tài)。 而睡眠質(zhì)量是影響警覺性的重要因素[5]，如果睡眠不足，警覺性、認(rèn)知能力和績效表現(xiàn)都會受到負(fù)面影響；同時，由于受到生物鐘的調(diào)控，人的體溫等生理指標(biāo)和代謝過程以及注意、記憶等認(rèn)知能力具有顯著的晝夜節(jié)律特征，人的警覺性也會有1 天24 小時的節(jié)律性變化[6]。

為評估操作者警覺性，研究者提出了行為績效測試、主觀問卷調(diào)查、生理電信號測量等[7-8]測試方法。 其中，心理運(yùn)動警覺性測試(Psychomotor Vigilance Test，PVT)由于操作簡單、指標(biāo)較為敏感等優(yōu)點(diǎn)，被較為廣泛地使用[9-11]。 此外，瞳孔大小的測量作為一種非侵入式方便快捷的檢測手段，在某些疾病的診斷方面有很好的應(yīng)用前景[12-13]，其在警覺性檢測方面的應(yīng)用也被關(guān)注。

然而，有關(guān)瞳孔節(jié)律特性及瞳孔與警覺性關(guān)系的研究，不同研究結(jié)果不盡相同。 Nikolaou等[14]認(rèn)為瞳孔測試可作為快速評估睡意或警覺性的方式；Wilhelm 等[15]發(fā)現(xiàn)了瞳孔的節(jié)律變化并認(rèn)為與警覺性相關(guān)；Daguet 等[16]認(rèn)為瞳孔有節(jié)律性變化，但只有在1 天的特定時間范圍內(nèi)與警覺性相關(guān)；Loving 等[17]認(rèn)為瞳孔1 天內(nèi)的變化有一定隨機(jī)性；Ranzijn 等[18]認(rèn)為瞳孔不能用來評估睡意或警覺性。

因此，本研究開展多天連續(xù)睡眠限制實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注睡眠限制以及覺醒期間的測試時間點(diǎn)這兩個因素對警覺性和瞳孔直徑的影響，以及警覺性和瞳孔直徑變化的關(guān)聯(lián)性，為面臨睡眠不足問題的航天員警覺性監(jiān)測和作業(yè)任務(wù)安排提供參考。

2 方法

2.1 志愿者

8 名健康男性志愿者，年齡(23.3±3.0)歲，右利手，視力或矯正視力大于5.0。 主訴無睡眠障礙、無不良嗜好，平時作息時間相近且規(guī)律，實(shí)驗(yàn)期間志愿者未飲用咖啡或服用藥物。 志愿者均充分了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并簽署了知情同意書，本實(shí)驗(yàn)獲得中國航天員科研訓(xùn)練中心倫理委員會批準(zhǔn)。

2.2 警覺性測試

本研究采用基于視覺刺激的PVT 測試研究志愿者的警覺性[11]。 測試中一個正常試次的流程示意如圖1 所示。 測試開始時，計(jì)算機(jī)屏幕(24 英寸，60 Hz 刷新率)正中央顯示一個符號“＋”(寬度和高度約為3°視角)，要求志愿者保持注視屏幕中央，并將右手放置在鍵盤的空格鍵上。當(dāng)看到“＋”變成從0 開始不斷增加的數(shù)字時(數(shù)字表示時間，單位為ms)，志愿者應(yīng)盡可能快地按空格鍵做出反應(yīng)，但是在數(shù)字出現(xiàn)前不能提前按鍵，否則界面上出現(xiàn)錯誤提示。 志愿者按鍵后數(shù)字停止增加，屏幕所顯示的數(shù)字為志愿者的反應(yīng)時，反應(yīng)時結(jié)果在屏幕上呈現(xiàn)1 s 后消失，“＋”重新出現(xiàn)。 “＋”呈現(xiàn)時間(Inter-stimulus Interval，ISI)為2 ～10 s 之間的一個隨機(jī)值。 標(biāo)準(zhǔn)的PVT測試時長為10 min[11]，基于Loh 等[19]的研究，5 min的PVT 測試的有效性與10 min 測試相當(dāng)。因此本研究的PVT 測試持續(xù)時間設(shè)置為5 min，在此期間志愿者共進(jìn)行約40 次按鍵反應(yīng)。 研究中警覺反應(yīng)時指標(biāo)為有效按鍵反應(yīng)試次(剔除了數(shù)字出現(xiàn)前就按鍵的試次以及按鍵反應(yīng)時短于100 ms 的提前啟動試次)的平均反應(yīng)時[11]，反應(yīng)時越短表明警覺性越高。

圖1 PVT 測試正常試次流程示意圖Fig.1 Diagram of a normal trial in PVT test

2.3 瞳孔直徑測試

使用Tobii Pro T60XL 桌面式眼動儀進(jìn)行瞳孔直徑采集，眼動儀采樣頻率為60 Hz。 在對志愿者開展PVT 測試時(持續(xù)5 min)，同步采集其瞳孔直徑。 測試時使用固定不變的房間照明裝置，同時保持志愿者和測試設(shè)備位置不變，以使光環(huán)境保持穩(wěn)定。

2.4 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)共持續(xù)5 天，前3 天是睡眠限制條件，志愿者每天5 h 睡眠；后2 天是正常睡眠條件，志愿者恢復(fù)每天8 h 睡眠(晚上約7 h 睡眠，中午約1 h睡眠，與志愿者日常作息習(xí)慣保持一致)。 為研究警覺反應(yīng)時和瞳孔直徑的節(jié)律特征，志愿者每天在不同時間重復(fù)進(jìn)行PVT 和瞳孔直徑測試。在睡眠限制的前3 天，志愿在上午、中午、下午、晚上和深夜分別進(jìn)行1 次測試，每天共5 次測試。在正常睡眠的后2 天，為不影響實(shí)驗(yàn)期間志愿者的睡眠，只在上午、下午和晚上分別進(jìn)行1 次測試，每天共3 次測試。 上午測試時間段為8：30 ～10：00；中午測試時間段為12：00 ～13：30；下午測試時間段為15：30 ～17：00；晚上測試時間段為19：00～20：30；深夜測試時間段為22：30～24：00。

2.5 數(shù)據(jù)處理

本研究使用MATLAB 代碼計(jì)算每次測試的平均反應(yīng)時和平均瞳孔直徑。 并利用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。 選用重復(fù)測量方差分析考察測試時間點(diǎn)、睡眠限制天數(shù)(解除睡眠限制天數(shù))等因素對警覺反應(yīng)時和平均瞳孔直徑的影響。 在分析睡眠時長(5 h、8 h)對警覺反應(yīng)時和瞳孔直徑影響時，使用配對樣本t檢驗(yàn)。 在分析警覺反應(yīng)時與瞳孔直徑相關(guān)性時，使用Pearson 雙側(cè)相關(guān)分析。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的顯著性水平均設(shè)定為P＜0.05。

3 結(jié)果

3.1 警覺反應(yīng)時

實(shí)驗(yàn)中8 名志愿者連續(xù)5 天共21 個時間點(diǎn)PVT 測試的反應(yīng)時數(shù)據(jù)如圖2 所示。 可以看出，警覺性在5 h 睡眠條件表現(xiàn)出一定的節(jié)律性波動趨勢，具體表現(xiàn)為每天上午/中午的警覺反應(yīng)時相對較長，而下午和晚上的警覺反應(yīng)時相對較短。同時相對于5 h 睡眠條件，8 h 睡眠條件下，警覺反應(yīng)時相對更短。

3.1.1 睡眠限制下警覺反應(yīng)時變化

對于連續(xù)3 天睡眠限制下共15 個時間點(diǎn)的警覺反應(yīng)時數(shù)據(jù)，將睡眠限制的天數(shù)(共3 水平，第1 天、第2 天、第3 天)和每天測試的時間點(diǎn)(共5 水平，上午、中午、下午、晚上、深夜)作為2 個自變量，進(jìn)行重復(fù)測量方差分析，結(jié)果顯示：睡眠限制天數(shù)的主效應(yīng)不顯著，F(xiàn)(2，14)＝0.555，η2＝0.074，P＝0.586；測試時間點(diǎn)的主效應(yīng)臨界顯著，F(xiàn)(4，28)＝2.588，η2＝0.27，P＝0.058；睡眠限制天數(shù)與測試時間點(diǎn)的交互效應(yīng)不顯著，F(xiàn)(8，56)＝1.838，η2＝0.208，P＝0.089。 隨后成對檢驗(yàn)顯示， 睡 眠 限 制 后， 上 午 的 警 覺 反 應(yīng) 時(317.0±8.5)ms 顯著長于下午的警覺反應(yīng)時(313.5±8.9)ms，也顯著長于晚上的警覺反應(yīng)時(309.6±8.4)ms，P值分別為0.006、0.002。 其他成對比較未發(fā)現(xiàn)顯著差異(P＞0.05)。 總體而言，睡眠限制條件下警覺反應(yīng)時呈現(xiàn)出了一定的節(jié)律性波動特征，每天上午和中午警覺反應(yīng)時相對較長，而下午和晚上警覺反應(yīng)時相對較短。

3.1.2 正常睡眠下警覺反應(yīng)時變化

對于解除睡眠限制(每天睡眠累積8 h)的2 天共6 個時間點(diǎn)的警覺反應(yīng)時數(shù)據(jù)，將解除睡眠限制的天數(shù)(共2 水平)和每天測試的時間點(diǎn)(共3 水平，上午、下午、晚上)作為2 個自變量，進(jìn)行重復(fù)測量方差分析。 結(jié)果顯示：解除睡眠限制天數(shù)的主效應(yīng)不顯著，F(xiàn)(1，7)＝0.262，η2＝0.036，P＝0.624；測試時間點(diǎn)的主效應(yīng)不顯著，F(xiàn)(2，14)＝2.559，η2＝0.268，P＝0.113；解除睡眠限制天數(shù)與測試時間點(diǎn)的交互效應(yīng)不顯著，F(xiàn)(2，14)＝0.947，η2＝0.119，P＝0.411。 總體而言，正常睡眠條件下警覺反應(yīng)時一天中的波動相對較小。

3.1.3 睡眠時長對警覺反應(yīng)時的影響

圖2 警覺性測試反應(yīng)時平均值(誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.2 Mean reaction time of PVT test (error bar denotes standard error)

在實(shí)驗(yàn)前3 天睡眠5 h 條件下以及后2 天睡眠8 h 條件下，志愿者均在上午、下午和晚上進(jìn)行了PVT 測試，對每種睡眠條件下每位志愿者的上午、下午和晚上的警覺反應(yīng)時進(jìn)行平均，使用配對T檢驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)睡眠8 h 條件下反應(yīng)時(301.4±7.9)ms 顯著低于睡眠5 h 條件下的警覺反應(yīng)時(313.6±8.6)ms，t(7)＝5.066，P＝0.001，說明睡眠減少會導(dǎo)致警覺性變差。

3.2 瞳孔直徑

實(shí)驗(yàn)中8 名志愿者連續(xù)5 天共21 個時間點(diǎn)PVT 測試中瞳孔直徑數(shù)據(jù)如圖3 所示。 可以看出，瞳孔直徑在5 h 睡眠條件表現(xiàn)出有一定的節(jié)律性波動趨勢，具體表現(xiàn)為從上午到晚上，瞳孔直徑有增大的趨勢。 同時相對于5 h 睡眠條件，8 h睡眠條件下，瞳孔直徑有增大的趨勢。

3.2.1 睡眠限制下瞳孔直徑變化

對于連續(xù)3 天相對睡眠限制下的15 個時間點(diǎn)瞳孔直徑數(shù)據(jù)，將睡眠限制的天數(shù)(共3 水平)和每天測試的時間點(diǎn)(共5 水平)作為2 個自變量，進(jìn)行重復(fù)測量方差分析。 結(jié)果顯示：睡眠限制天數(shù)的主效應(yīng)不顯著，F(xiàn)(2，14)＝1.819，η2＝0.206，P＝0.198；測試時間點(diǎn)的主效應(yīng)臨界顯著，F(xiàn)(4，28)＝6.659，η2＝0.488，P＝0.001；睡眠限制天數(shù)與測試時間點(diǎn)的交互效應(yīng)不顯著，F(xiàn)(8，56)＝0.621，η2＝0.081，P＝0.757。 事后成對檢驗(yàn)顯示，睡眠限制后，上午的瞳孔直徑(2.962±0.097)mm顯著小于下午(3.106±0.095)mm、晚上(3.198±0.110)mm、深夜(3.194±0.115)mm 的瞳孔直徑，P值分別為0.028、0.011、0.038。 中午的瞳孔直徑(3.068±0.087)mm 顯著小于晚上的瞳孔直徑(3.198 ±0.110)mm，P＝0.013。 下午的瞳孔直徑(3.106±0.095)mm 顯著小于晚上的瞳孔直徑(3.198±0.110)mm，P＝0.026。 其它成對比較未發(fā)現(xiàn)顯著差異(P＞0.05)。 整體而言，上午和中午的瞳孔直徑小于下午之后的瞳孔直徑，這種差異在多個成對比較中達(dá)到了顯著水平。

3.2.2 正常睡眠下瞳孔直徑變化

對于解除睡眠限制的2 天共6 個時間點(diǎn)的瞳孔直徑數(shù)據(jù)，將解除睡眠限制的天數(shù)(共2 水平)和每天測試的時間點(diǎn)(共3 水平)作為自變量，進(jìn)行重復(fù)測量方差分析。 結(jié)果顯示：解除睡眠限制天數(shù)的主效應(yīng)不顯著，F(xiàn)(1，7) ＝1.169，η2＝0.143，P＝0.315；測試時間點(diǎn)的主效應(yīng)不顯著，F(xiàn)(2，14)＝1.089，η2＝0.135，P＝0.363；解除睡眠限制天數(shù)與測試時間點(diǎn)的交互效應(yīng)不顯著，F(xiàn)(2，14)＝0.230，η2＝0.032，P＝0.798。 總體而言，正常睡眠條件下瞳孔直徑一天中的波動相對較小。

3.2.3 睡眠時長對瞳孔直徑的影響

在實(shí)驗(yàn)前3 天睡眠5 h 及實(shí)驗(yàn)后2 天睡眠8 h條件下，志愿者均在上午、下午和晚上進(jìn)行了PVT測試，并在過程中采集了瞳孔直徑，對每種睡眠條件下每位志愿者的上午、下午和晚上的瞳孔直徑進(jìn)行平均，然后使用配對樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)睡眠8 h 條件下瞳孔直徑(3.231±0.092)ms顯著大于睡眠5 h 條件下的瞳孔直徑(3.086±0.096)mm，t(7)＝4.467，P＝0.003，表明睡眠限制會導(dǎo)致瞳孔直徑變小。

3.3 警覺反應(yīng)時與瞳孔直徑相關(guān)性分析

圖3 警覺性測試中瞳孔直徑平均值(誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.3 Mean pupil diameter in the PVT tests (error bar denotes standard error)

將實(shí)驗(yàn)中8 名志愿者連續(xù)5 天，共21 個時間點(diǎn)的警覺反應(yīng)時指標(biāo)(8 人的平均值，即圖2 中的21 個點(diǎn)的數(shù)據(jù))和瞳孔直徑指標(biāo)(8 人的平均值，即圖2 中的21 個點(diǎn)的數(shù)據(jù))進(jìn)行相關(guān)分析(Pearson 雙側(cè)相關(guān))，得到的相關(guān)系數(shù)r＝-0.408，P＝0.066。 兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)強(qiáng)度中等，但未達(dá)到顯著水平。 瞳孔直徑指標(biāo)對警覺反應(yīng)時有一定的預(yù)測能力。 特別地，相對于上午和中午，下午和晚上的瞳孔直徑相對較大，而警覺反應(yīng)時也相對較低，表明警覺性更好，兩者在一天中的波動趨勢有一定的關(guān)聯(lián)性。

4 討論

本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，睡眠限制會導(dǎo)致人的警覺性變差，這與此前大量研究結(jié)果一致[20-22]。 應(yīng)該注意到，不同人受睡眠限制影響的程度不一樣，具有明顯的個體差異性[23]。 本研究中，相對于正常8 h 睡眠條件，睡眠限制5 h 條件下的平均反應(yīng)時雖然有顯著下降，但下降幅度較小(不足5%)，這可能是由于本研究中的被試為青年志愿者，身心狀態(tài)較好，通過主觀努力可以補(bǔ)償一部分睡眠不足對警覺注意的負(fù)面影響[24]。

本研究更重要的一個發(fā)現(xiàn)是，睡眠限制條件下，下午和晚上的警覺性優(yōu)于早上和中午的警覺性；正常睡眠情況下，上午、下午和晚上的警覺反應(yīng)時則波動較小。 對于一天中不同時間點(diǎn)的警覺性變化規(guī)律，文獻(xiàn)報(bào)道并不一致，這些結(jié)果的分歧可能是個體差異或人群差異造成[25]。 警覺性的節(jié)律特性與人群的生活工作習(xí)慣可能密切相關(guān)，有些人可能早晨警覺性較高(“百靈鳥”型)，而有些人可能晚上警覺性較高(“貓頭鷹”型)。 此外，人的警覺性還可能受到年齡、光照條件等因素的影響，這都可能造成研究結(jié)果的差異。

本研究結(jié)果表明，睡眠限制條件下(疲勞條件下)，瞳孔直徑會顯著減小，且瞳孔直徑有一定的節(jié)律特征，表現(xiàn)為上午瞳孔直徑相對較小，下午和晚上瞳孔直徑相對較大。 Fosnaugh 等[26]研究認(rèn)為瞳孔大小的節(jié)律性變化幅度較小，但卻在統(tǒng)計(jì)學(xué)具有顯著意義；Xu 等[27]研究則發(fā)現(xiàn)早上和傍晚的瞳孔大小測試結(jié)果基本一致，沒有明顯的節(jié)律性。 上述研究結(jié)果差異可能是因?yàn)閭€體差異的影響，不同生活工作習(xí)慣的人群節(jié)律特性理應(yīng)有差異。 另一方面疲勞狀態(tài)、光環(huán)境變化[28-29]等多種內(nèi)外在因素會影響瞳孔直徑，如果不對這些條件加以明確的限制或描述，不同研究結(jié)果之間的橫向比較價(jià)值較低，提示后續(xù)在進(jìn)行瞳孔相關(guān)研究時，應(yīng)對測試條件進(jìn)行嚴(yán)格的限定與精確的描述。

本研究中警覺反應(yīng)時與瞳孔直徑在一天內(nèi)的波動趨勢有一定的關(guān)聯(lián)性，表現(xiàn)為警覺反應(yīng)時變長(警覺性變差)時，瞳孔直徑有變小的趨勢。 這說明2 個指標(biāo)都能一定程度地反映出警覺性/疲勞度的變化。 考慮到基于計(jì)算機(jī)視覺的瞳孔直徑測量對人的干擾很小，瞳孔指標(biāo)在航天等領(lǐng)域警覺性監(jiān)測中有很好的應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

1)在睡眠限制條件下，本研究中的志愿者下午和晚上的警覺性更好。 提示在飛行致睡眠不足的情況下，對于航天員或地面監(jiān)控人員，推薦將需要較高警覺注意投入的任務(wù)安排在下午或晚上。當(dāng)然，考慮到個體差異的存在，更科學(xué)合理的方法是獲取每名航天員一天中的警覺性波動特征，進(jìn)而針對性地進(jìn)行任務(wù)安排。

2)瞳孔直徑變化與警覺反應(yīng)時變化有一定關(guān)聯(lián)性，考慮到警覺反應(yīng)時需要中斷人的工作進(jìn)行專門測試，而瞳孔直徑則可以連續(xù)無干擾監(jiān)測，因此推薦在載人航天等領(lǐng)域?qū)⑼字睆阶鳛榫X性測量的輔助指標(biāo)進(jìn)行更多關(guān)注。