飛行員低氧敏感指標(biāo)在心理旋轉(zhuǎn)認(rèn)知中的表達(dá)

陳 瓊，何 琳，陳曉健，徐玉林，郭慶軍，陳春雷，鄭 蔚，章炎文，許 濤

(空軍杭州特勤療養(yǎng)中心：1療養(yǎng)一區(qū)加速度生理訓(xùn)練科，2療養(yǎng)二區(qū)機(jī)關(guān)，3療養(yǎng)二區(qū)高空生理訓(xùn)練科，4療養(yǎng)二區(qū)航空心理訓(xùn)練科，5療養(yǎng)二區(qū)療養(yǎng)科，浙江 杭州 310007)

高空急性缺氧狀態(tài)會(huì)對(duì)飛行員的認(rèn)知加工過(guò)程產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此需要對(duì)飛行員進(jìn)行缺氧體驗(yàn)訓(xùn)練。但目前缺氧訓(xùn)練任務(wù)單一、缺乏客觀有效的低氧狀態(tài)敏感測(cè)量指標(biāo)。本研究采用能揭示神經(jīng)活動(dòng)快速變化的事件相關(guān)電位(event-related potential，ERP)技術(shù)[1-3]進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比飛行員在正常氧與低氧兩種狀態(tài)下完成經(jīng)典的心理旋轉(zhuǎn)任務(wù)(mental rotation task，MRT)[4-5]時(shí)行為反應(yīng)差異與大腦活動(dòng)差異，以揭示低氧狀態(tài)對(duì)行為、認(rèn)知、腦活動(dòng)的影響，進(jìn)而探索對(duì)低氧狀態(tài)敏感的客觀測(cè)量指標(biāo)。研究共分為兩個(gè)模塊，第一個(gè)模塊(正常氧狀態(tài))在地面環(huán)境下(氧含量210 mL/L)進(jìn)行，第二個(gè)模塊(低氧狀態(tài))在模擬海拔5 000 m高空低氧環(huán)境下(氧含量105 mL/L)進(jìn)行。本研究采用“ 2(供氧狀態(tài)：正常氧、低氧)×6(旋轉(zhuǎn)角度：0°、60°、120°、180°、240°、300°)×2(字母方向：正、反) ”的完全被試內(nèi)設(shè)計(jì)，每種刺激組合呈現(xiàn)5次，即每個(gè)被試共完成120次視覺(jué)認(rèn)知任務(wù)。

1 對(duì)象與方法

1.1 對(duì)象

以空軍15名飛行員為研究對(duì)象，入選標(biāo)準(zhǔn)為視力正常，健康男性，右利手。實(shí)驗(yàn)前告知被試實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并要求被試簽署實(shí)驗(yàn)知情同意書。

實(shí)驗(yàn)材料分為兩類：正常字母R、反寫字母R。兩類材料都包含6種旋轉(zhuǎn)角度(0°、60°、120°、180°、240°、300°)。因此有2(正、反)×6(角度)共12種實(shí)驗(yàn)材料。

采用Synamp2放大器(Scan 4.3.1，美國(guó)Neuroscan公司)進(jìn)行ERP數(shù)據(jù)采集，采樣率為1 000 Hz，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行50 Hz在線凹陷濾波，以消除50 Hz市電對(duì)信號(hào)采集的影響。電極帽上64個(gè)探測(cè)電極按照10-20導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)的分布方式放置。接地電極放置在前額位置，參考電極放置在頂后中間區(qū)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持所有電極的阻抗都在10 kΩ以下，以保證ERP數(shù)據(jù)質(zhì)量。使用DY- 84型低氧檢查儀(空軍航空醫(yī)學(xué)研究所)、YM9915G型飛行供氧面罩(上海膠帶股份有限公司)、IMEC8型心電監(jiān)護(hù)儀(深圳邁瑞)、醫(yī)用氧氣與氮?dú)?杭氧集團(tuán))等設(shè)備來(lái)模擬5 000 m高空低氧環(huán)境。

1.2 方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)流程 練習(xí)階段：在正式實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，被試先進(jìn)行6個(gè)試次的練習(xí)，以熟悉實(shí)驗(yàn)任務(wù)。若被試未能完全掌握實(shí)驗(yàn)任務(wù)，則返回重新練習(xí)，直至完全掌握為止。正式實(shí)驗(yàn)階段：實(shí)驗(yàn)任務(wù)為判斷字母R是“正寫”(正常)的還是“反寫”(左右鏡像)的，然后按對(duì)應(yīng)的鍵。被試總共需要完成60個(gè)試次的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。供氧狀態(tài)階段：被試需要在低氧與正常氧狀態(tài)下各完成1次完整的實(shí)驗(yàn)。為降低順序效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，其中7位被試先進(jìn)行正常氧再進(jìn)行低氧狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)，另外8位被試則相反。在每個(gè)試次中，電腦屏幕上依次呈現(xiàn)注視點(diǎn)(1 000 ms)、空白屏(500 ms)、字母R(2 000 ms)。被試需要對(duì)字母R進(jìn)行按鍵反應(yīng)。若R為“正寫”的，按1鍵，若R為“反寫”的，按3鍵。按鍵時(shí)間窗為2 000 ms，在按鍵時(shí)間窗內(nèi)按鍵，則圖片隨即消失；在按鍵時(shí)間窗外按鍵，則為無(wú)效按鍵。

1.2.2 時(shí)域指標(biāo)分析 在ERP研究中，P2成分與知覺(jué)匹配和刺激分類有關(guān)[6]，其被誘發(fā)于認(rèn)知加工的早期階段。此外，P2還與快速警覺(jué)性有關(guān)，可以作為多感覺(jué)處理的認(rèn)知標(biāo)記[7]，同時(shí)P2成分也涉及深度感知和目標(biāo)特征處理[8-9]。而N2成分通常與關(guān)注相關(guān)刺激特征有關(guān)[10-11]，N2振幅和潛伏期也反映了刺激條件與被試認(rèn)知的匹配程度[12]。根據(jù)以往研究，在與個(gè)體認(rèn)知不一致的刺激條件下，P2和N2振幅均會(huì)增大[13]。N2增大反映了自動(dòng)注意捕獲和抑制模式的增強(qiáng)[14]。因此，本實(shí)驗(yàn)從時(shí)域的角度對(duì)P2和N2兩種成分進(jìn)行分析，探究任務(wù)難度、供氧條件對(duì)飛行員空間旋轉(zhuǎn)加工過(guò)程中大腦活動(dòng)的影響。

對(duì)每名被試的分段數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件分別進(jìn)行疊加平均。將疊加平均后分段的150～200 ms時(shí)間窗內(nèi)極大值作為P2的幅值，將極大值出現(xiàn)的時(shí)間作為P2的潛伏期；將疊加平均后分段的150～320 ms時(shí)間窗內(nèi)極小值作為N2的幅值，將極小值出現(xiàn)的時(shí)間作為N2的潛伏期。

1.2.3 頻譜指標(biāo)分析 根據(jù)腦電波頻率范圍的不同，可以對(duì)其進(jìn)行以下分類[15]：0.1～<4 Hz為Delta，4～<8 Hz為Theta，8～<12 Hz為Alpha，12～<30 Hz為Beta。根據(jù)以往研究，人類大腦中的Delta的震蕩與深度睡眠有關(guān)，Theta的震蕩與工作記憶有關(guān)，Alpha的振蕩與注意力有關(guān)[16-17]，Beta的振蕩與當(dāng)前感覺(jué)運(yùn)動(dòng)或認(rèn)知狀態(tài)的維持有關(guān)[18]，其又可細(xì)分為L(zhǎng)ow beta、Mid beta以及High beta，分別表征運(yùn)動(dòng)感覺(jué)、警覺(jué)程度以及沖突檢測(cè)。因?yàn)镸RT涉及注意力、運(yùn)動(dòng)感覺(jué)、視覺(jué)加工、警覺(jué)等認(rèn)知過(guò)程，因此對(duì)Alpha、Low beta、Mid beta的功率值進(jìn)行分析。

1.2.4 ERP數(shù)據(jù)預(yù)處理 采用Matlab 2018b的工具箱腦電圖實(shí)驗(yàn)室(Electroencephalogram Lab，EEGLAB)v2021.0[19]來(lái)對(duì)ERP數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，過(guò)程如下。

手動(dòng)剔除原始數(shù)據(jù)中存在明顯偽跡的數(shù)據(jù)段，將數(shù)據(jù)參考點(diǎn)由頭頂參考轉(zhuǎn)換至全腦參考，刪除數(shù)據(jù)質(zhì)量太差的電極點(diǎn)。采用獨(dú)立成分分析的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分解處理，并剔除眼動(dòng)等偽跡成分。使用1～30 Hz的帶通濾波函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。通過(guò)EEGLAB的插值方法“還原”被刪除的壞電極點(diǎn)的數(shù)據(jù)。提取字符R出現(xiàn)前200 ms至其出現(xiàn)后2 000 ms的ERP數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。換句話說(shuō)，ERP分段的時(shí)間窗為-200～2 000 ms，其中以字母R出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)為0 ms。以-200～0 ms時(shí)間段的數(shù)據(jù)作為基線，對(duì)ERP分段進(jìn)行基線校正。剔除包含極端值(超出±80 μV范圍)的數(shù)據(jù)分段。

1.2.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

1.2.5.1 行為數(shù)據(jù)分析 對(duì)正確率、反應(yīng)時(shí)分別進(jìn)行“2(供氧：正常氧、低氧)×2(正反：正寫、反寫)×6(角度：0°、60°、120°、180°、240°、300°)”的重復(fù)測(cè)量方差分析。

2 結(jié)果

2.1 供氧變化對(duì)行為結(jié)果的影響

在正確率指標(biāo)中供氧因素的主效應(yīng)不顯著[F(1，14)=0.001，P>0.05]，低氧狀態(tài)下正確率[(93.2±17.7)%]與正常氧狀態(tài)下正確率[(93.2±17.4)%]無(wú)顯著差異。在反應(yīng)時(shí)指標(biāo)中供氧因素的主效應(yīng)也不顯著[F(1，12)=0.842，P>0.05]，低氧狀態(tài)下反應(yīng)時(shí)[(866.01±235.12)ms]與正常氧狀態(tài)下反應(yīng)時(shí)[(844.86±228.95)ms]無(wú)顯著差異。

2.2 供氧變化對(duì)腦電時(shí)域指標(biāo)的影響

①低氧狀態(tài)降低P2幅值。供氧的主效應(yīng)顯著[F(1，14)=4.798，P<0.05]，正常氧狀態(tài)下的P2幅值顯著高于低氧狀態(tài)，即額葉和額葉中央的P2幅值在低氧狀態(tài)時(shí)較正常氧會(huì)顯著降低(圖1)；難度主效應(yīng)不顯著[F(1，14)=0.338，P>0.05]；所有交互作用均不顯著[F供氧×難度(1， 14)=1.403，F(xiàn)供氧×電極點(diǎn)(8， 112)=1.566，F(xiàn)難度×電極點(diǎn)(8， 112)=1.471，F(xiàn)供氧×難度×電極點(diǎn)(8， 112)=1.105，P>0.05； 表1]。②供氧變化對(duì)P2潛伏期無(wú)影響。 供氧、 難度的主效應(yīng)均不顯著[F供氧(1， 14)=1.141，F(xiàn)難度(1， 14)=3.972]， 所有交互作用均不顯著[F供氧×難度(1， 14)=0.118，F(xiàn)供氧×電極點(diǎn)(8， 112)=1.863，F(xiàn)難度×電極點(diǎn)(8， 112)=0.53，F(xiàn)供氧×難度×電極點(diǎn)(8， 112)=1.458，P>0.05； 表1]。③供氧變化對(duì)N2幅值無(wú)影響。供氧、難度的主效應(yīng)均不顯著[F供氧(1， 14)=0.909，F(xiàn)難度(1， 14)=0.03]， 所有交互作用均不顯著[F供氧×難度(1， 14)=0.066，F(xiàn)供氧×電極點(diǎn)(8， 112)=1.503，F(xiàn)難度×電極點(diǎn)(8， 112)=1.599，F(xiàn)供氧×難度×電極點(diǎn)(8， 112)=0.652，P>0.05； 表1]。 ④低氧狀態(tài)降低N2潛伏期。 供氧的主效應(yīng)顯著[F(1， 14)=9.471，P<0.05]， 正常氧狀態(tài)下的N2潛伏期顯著高于低氧狀態(tài)； 難度的主效應(yīng)顯著[F(1， 14)=11.291，P<0.05]， 困難條件下的N2潛伏期顯著高于簡(jiǎn)單條件； 所有交互作用均不顯著[F供氧×難度(1， 14)=0.219，F(xiàn)供氧×電極點(diǎn)(8， 112)=1.109，F(xiàn)難度×電極點(diǎn)(8， 112)=0.522，F(xiàn)供氧×難度×電極點(diǎn)(8， 112)=1.589，P>0.05； 表1]。

圖中顯示了4種條件下P2波電壓幅值在頭皮表面的分布情況。P2波最活躍的區(qū)域位于額葉區(qū)。

表1 供氧變化對(duì)腦電時(shí)域指標(biāo)的影響

2.3 供氧變化對(duì)腦電頻譜指標(biāo)的影響

①低氧狀態(tài)增強(qiáng)Alpha波功率。供氧的主效應(yīng)顯著[F(1，14)=5.466，P<0.05]，在低氧狀態(tài)下左側(cè)額頂區(qū)的Alpha波的功率值顯著高于正常氧。難度的主效應(yīng)不顯著[F(1，14)=2.261，P>0.05]；供氧與難度的交互作用不顯著[F(1，14)=1.447，P>0.05；圖2，表2]。

②低氧狀態(tài)增強(qiáng)Low beta波功率。供氧的主效應(yīng)顯著[F(1，14)=4.704，P<0.05]，低氧狀態(tài)下Low beta波功率值顯著高于正常氧。難度的主效應(yīng)不顯著[F(1，14)=1.992，P>0.05]。供氧與難度的交互作用顯著[F(1，14)=8.195，P<0.05]。事后簡(jiǎn)單效應(yīng)分析表明，當(dāng)任務(wù)難度為簡(jiǎn)單時(shí)，低氧狀態(tài)下的左側(cè)額頂區(qū)的Low beta波功率值顯著高于正常氧；當(dāng)任務(wù)難度為困難時(shí)，兩者的功率值差異不顯著(表2)。

③低氧狀態(tài)增強(qiáng)Mid beta波功率。供氧的主效應(yīng)顯著[F(1，14)=4.921，P<0.05]，低氧狀態(tài)下Mid beta功率值顯著高于正常氧。難度的主效應(yīng)不顯著[F(1，14)=0.051，P>0.05]。供氧與難度的交互作用顯著[F(1，14)=6.142，P<0.05]。事后簡(jiǎn)單效應(yīng)分析表明，當(dāng)任務(wù)難度為簡(jiǎn)單時(shí)，低氧狀態(tài)下的左側(cè)額頂區(qū)的Mid beta功率值顯著高于正常氧；當(dāng)任務(wù)難度為困難時(shí)，兩者的功率值差異不顯著(表2)。

A：正常氧狀態(tài)-簡(jiǎn)單條件；B：正常氧狀態(tài)-困難條件；C：低氧狀態(tài)-簡(jiǎn)單條件；D：低氧狀態(tài)-困難條件。

表2 供氧變化對(duì)腦電頻譜指標(biāo)的影響

3 討論

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)經(jīng)典MRT，從行為及ERP角度對(duì)飛行員在低氧狀態(tài)與正常氧狀態(tài)下的行為決策及腦認(rèn)知加工過(guò)程進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，低氧狀態(tài)對(duì)飛行員的行為結(jié)果并無(wú)顯著影響(P>0.05)，即傳統(tǒng)行為指標(biāo)(包含反應(yīng)時(shí)、準(zhǔn)確率)并不適合作為低氧狀態(tài)任務(wù)表現(xiàn)的敏感指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)了低氧與正常氧狀態(tài)下飛行員執(zhí)行MRT過(guò)程中ERP成分、功率值的顯著性差異(P<0.05)。

根據(jù)ERP數(shù)據(jù)的時(shí)域分析結(jié)果可知，飛行員大腦額葉和額葉中央的P2幅值與N2潛伏期均為低氧的敏感指標(biāo)，低氧狀態(tài)會(huì)顯著降低P2的幅值以及N2的潛伏期。

頻譜分析的結(jié)果表明，飛行員在低氧狀態(tài)下執(zhí)行MRT時(shí)的Alpha、Low beta、Mid beta的功率值顯著高于正常氧狀態(tài)(P<0.05)。Alpha、Low beta、Mid beta的功率值分別表征了注意力、視覺(jué)加工以及警覺(jué)程度。Beta活動(dòng)增強(qiáng)反映了更高的警覺(jué)性和認(rèn)知參與[20]。因此，本研究表明低氧狀態(tài)使得飛行員的注意力、視覺(jué)加工強(qiáng)度以及警覺(jué)性顯著增加，并且顯著高于正常氧狀態(tài)(P<0.05)。飛行員在低氧狀態(tài)下需要消耗更多的腦力資源來(lái)提高這三方面的加工能力，保持在MRT中的行為表現(xiàn)。

綜上所述，模擬的5 000 m低氧狀態(tài)會(huì)顯著降低額葉和額葉中央P2的幅值以及N2的潛伏期，并且顯著提升左側(cè)額頂區(qū)Alpha、Low beta、Mid beta的功率值。因此，當(dāng)監(jiān)測(cè)到ERP出現(xiàn)以上變化時(shí)，表明飛行員的大腦活動(dòng)處于低氧狀態(tài)，此時(shí)低氧訓(xùn)練已呈現(xiàn)效果可及時(shí)停止。

本研究表明，低氧狀態(tài)對(duì)MRT行為表現(xiàn)層面未造成顯著影響，但對(duì)ERP的時(shí)域、頻域皆產(chǎn)生顯著影響?？赡茉蚴秋w行員為了保持與正常氧狀態(tài)下同樣的行為表現(xiàn)，需要提高注意力、警覺(jué)性，耗費(fèi)更多的認(rèn)知資源。而這些大腦加工機(jī)制的變化，是難以從行為表現(xiàn)層面測(cè)量出來(lái)的。因此，為了更全面地評(píng)估飛行員在缺氧體驗(yàn)訓(xùn)練中的大腦認(rèn)知加工情況，應(yīng)在訓(xùn)練中引入更多元化的測(cè)量手段，如ERP等。未來(lái)可對(duì)飛行員缺氧程度與相關(guān)ERP指標(biāo)變化的關(guān)系進(jìn)行更系統(tǒng)的量化研究，探索將相關(guān)ERP指標(biāo)作為低氧訓(xùn)練效果客觀指標(biāo)的可能性。