航天员在轨认知能力监测研究进展

石玉生， 黄伟芬， 江 源， 吴 昊， 张 相， 秦海波

（中国航天员科研训练中心， 北京 100094）

1 引言

随着中国载人航天进入空间站时代，航天员将执行3～6 个月的长期在轨任务，完成包括在轨空间实验、设备维护更换、出舱活动巡检、机械臂遥操作等复杂任务，这对航天员的在轨认知能力水平提出了更高要求。 但在轨失重、噪声、光照、密闭隔离环境等多种因素下可能影响航天员的基本认知能力，航天员在轨认知能力监测是评估航天员在轨状态、安排航天员执行复杂动态任务的重要依据。

为了全面、有效地监测评估航天员在轨认知能力，苏联及国际空间站任务在不同阶段使用了多种方法进行认知能力测试，并获得了宝贵的在轨监测数据。 中国自神舟九号飞行任务以来进行了包括警觉性测试、眼手协调测试等在内的多项在轨认知能力及操作能力研究，积累了短期飞行航天员眼手协调等多项操作能力变化数据。 随着计算机技术和测试范式的不断进步，在轨认知能力监测的方法不断改进，同时，随着在轨数据的积累，对航天员认知能力影响的认识也在不断加深。本文总结梳理在轨认知能力监测的研究方法和主要成果，为空间站时代研究长期在轨认知能力监测工具及对认知能力的影响提供借鉴。

2 在轨基本认知能力测试

不同时期研究者使用的在轨认知能力测试方法总体上遵循了测试时间较短、测试限制较少、测试无练习效应等原则。 这些方法以计算机软件测试为主，选取经典认知能力测试范式作为测试任务，同时又根据相关研究风险偏好、情绪测试等领域的不断进步而进行更新。以标志性软件的不同，可将在轨认知能力测试的发展分为3 个阶段。

2.1 前WinSCAT 阶段

在和平号空间站时代及国际空间站任务早期，不同研究者使用的在轨认知测试方法并不相同。 例如Ratino 等较早进行在轨反应时测试和时间知觉测试，使用简单反应时、选择反应时以及时间知觉测试范式，并未测试其他认知能力。随后，Benke 等在1991 年的飞行中使用了多项计算机测试任务：简单反应时、选择反应时、Stroop型干扰测试、空间记忆能力测试以及空间知觉能力测试等。 而Manzey 等则发展了环境压力研究标准测试工具（Standardized Tests for Research with Environmental Stressors，STRES），该软件包括了语义推理测试、记忆搜索测试、不稳定追踪测试以及双任务测试，并在多个研究中进行了应用。 相比于Benke 等的测试项目，Manzey 等的软件中增加了推理、眼手协调（不稳定追踪）以及注意分配（双任务）等认知能力测试。

NASA 研究者Eddy 等根据前人的研究成果， 提出了操作测试评估站（ Performance Assessment Workstation，PAWS）软件包。 该软件包由6 个认知测试任务以及2 个量表测试组成，可在20 min 内完成，测试短时记忆、空间记忆、注意、眼手协调以及注意分配等能力。 PAWS 包含的认知测试项目如表1 所示，包含量表为情绪词评估量表和疲劳量表。 该软件包在NASA 相关研究中得到了广泛应用。

表1 PAWS 认知测试项目［12］Table 1 Cognitive tests of PAWS［12］

2.2 WinSCAT 测试阶段

Windows 系统飞行乘组认知能力测评工具（Spaceflight Cognitive Assessment Tool for Windows，WinSCAT）由NASA 在2005 年公布。 软件包括符号替换测试、符号替换再认测试、延迟匹配测试、加减法测试以及连续工作记忆测试，满足了在轨认知测试敏感性、简便性、可重复性、有效性等要求，如表2 所示。 相比于过去的PAWS 测试，WinSCAT 删除了追踪测试和双任务测试，增加了2 种符号替换测试，修改了心理旋转测试内容，保留了加减法测试。 整体上降低了测试难度，也减少了航天员在轨测评的时间，便于航天员短时间内完成自评。

表2 WinSCAT 认知测试项目［16］Table 2 Cognitive tests in WinSCAT［16］

该系统发布后一直在国际空间站的各次任务中使用，一般每个月会对乘员评估一次，在乘员执行重大任务之前还会进行再评估；在Mars 500大型地面模拟实验中也对志愿者进行了该项测试。 WinSCAT 发布后成为NASA 的标准认知测验工具。

2.3 Cognition 测试阶段

在WinSCAT 使用了近10 年之后，2015 年Basner 等公布了新的认知能力测试工具—乘组认知能力测试工具（Cognition Test Battery for Spaceflight，简称Cognition）。 WinSCAT 主要关注的是反应时、工作记忆等内容，对抽象推理、情绪判别、注意力的持久度以及风险决策等内容都没有涉及；此外之前的评估方法得到的结果显示航天员在轨认知测试成绩未出现显著变化，这和部分航天员在轨自述失眠、疲劳甚至衰弱等情况不一致，可能是由于在轨测试不够全面导致。 因此开发出了含有10 项测试的Cognition 测试工具，测试项目见表3，测试项目示意图见图1。

图1 NASA Cognition 测试项目图示［19］Fig.1 Example of tests in NASA Cognition［19］

表3 Cognition 测试项目［19］Table 3 Cognition test items［19］

对比WinSCAT，Cognition 工具包重新引入了眼手协调测试和反应时（警觉性）测试，还加入了抽象推理测试、线段朝向测试、情绪识别测试、逻辑推理测试和气球模拟测试；此外对心理旋转和工作记忆测试进行了修改，保留了字符匹配测试。这些说明NASA 开始关注航天员的逻辑推理、情绪识别和风险偏好能力，之前在轨测试中并未涉及这些部分；重视了空间认知能力评估，引入了二维和三维测试2 种手段；保留了前人重点关注的眼手协调、字符匹配、工作记忆以及警觉性测试。

该工具发布后即在NASA 的多项研究中应用。在NASA 的天地双生子研究中，研究者利用Cognition 测试集对比了双胞胎的天地认知表现；2018 年发表的二氧化碳浓度对模拟乘组认知能力影响的研究中，也使用了Cognition 测试。目前来看，该测试取代了WinSCAT 的地位，成为NASA 新一代的标准认知测试集。

2.4 中国载人飞行任务中使用的测试方法

中国自神舟九号载人飞行任务以来，在轨完成了多项面向工效学评价和认知能力研究的在轨测试项目，主要包括在轨眼手协调测试、简单反应时测试、选择反应时测试、时间知觉测试、工作记忆测试和双任务测试等。 与国际空间站相比，中国短期在轨飞行中选用的认知测试项目更加偏向警觉性、注意、记忆、精细操作能力等基本认知能力和影响航天员在轨操作绩效的因素。

综上，载人航天飞行中研究者选择的认知测试具有以下特点：

1）覆盖了知觉、注意、工作记忆、眼手协调、逻辑推理、空间认知等多项基本认知能力；

2）测试任务较为简单，尽量避免练习效应的干扰；

3）单项测试任务时间不长，避免给航天员造成过大的脑力压力。

值得注意的是，尽管都是为了更好地监测航天员在轨认知能力变化，但是不同时期研究者选用的测试种类和数量均不相同。 从早期阶段到WinSCAT 时期减少了测试种类（例如删除了追踪任务）、降低了测试数量（由6 个降为5 个）；但是Cognition 阶段又增加了测试种类和测试数量，并且引入了诸如逻辑推理测试等高级认知功能的测试。 3 种测试集认知能力测试对比如表4 所示。

表4 不同测试集测试能力对比Table 4 Comparison of different test batteries

相比过去的测试集，最新的Cognition 测试集测试的能力最多，测试范式也更加复杂，加入了包括逻辑推理测试、情绪识别测试以及风险认知测试等高级认知功能的测试。 随着更多高级认知功能测试范式不断成熟，在轨测试将会更加丰富，也有助于更加全面地评估长期在轨对航天员认知能力的影响。

3 航天飞行对认知能力的影响

目前航天飞行对航天员认知能力影响研究大多集中在和平号空间站和国际空间站早期任务中，以中短期飞行（小于20 天）研究结果为主；Manzey 等和Bakelman 等发表的NASA 双胞胎研究是极少的长期飞行对基本认知能力影响的研究；中国自神舟九号任务以来也积累了短期在轨测试数据，可为后续长期在轨的研究提供借鉴。

3.1 中短期飞行对基本认知能力的影响

从现有的研究结果来看，中短期飞行并未对航天员的认知能力造成显著影响。 Benke 等针对一名到访和平号空间站6 天的澳大利亚航天员进行测试，发现其在轨测试反应时和准确率并没有显著变化；Manzey 等对1 名德国航天员在轨飞行8 天进行了测试，发现短时记忆和逻辑推理任务的测试成绩都未下降，但追踪任务在入轨早期和任务末期变差，这被认为是入轨早期不适应微重力环境、任务末期长时间高负荷工作导致疲劳和睡眠质量下降的影响；Eddy 等针对3 名航天员进行了为期13 天的在轨认知能力研究，包括短时记忆、注意、追踪等多方面的测试，发现一名航天员的工作记忆测试、注意测试表现变好，一名航天员的注意测试、追踪测试及双任务中的追踪测试表现下降，这种认知测试下降发生在入轨早期和任务后期，与前人的研究结果一致；Manzey等在4 名航天员18 天在轨飞行中，进行了包括工作记忆、注意、空间认知、追踪任务、双任务等测试，发现一名航天员的空间认知测试和注意测试成绩下降，另一名航天员的注意测试成绩下降，但是追踪能力测试成绩提高，其他2 名航天员无显著性差异；Kelly 等对4 名航天员在轨飞行10天的研究结果发现，认知能力测试在轨没有显著变化，航天员主观评价中的疲劳感和情绪唤醒度在轨升高，着陆后降低。

中国神舟九号、神舟十号和神舟十一号载人飞行任务航天员在轨测试数据表明，入轨早期有航天员的部分测试表现出现一定程度的下降（如警觉性测试），但同组航天员之间存在显著个体差异，随后会恢复到地面水平；相比于简单认知任务（例如简单反应时等），复杂认知任务（例如双任务追踪测试）的绩效在入轨早期受到的影响更大，适应在轨环境后恢复，返回后绩效水平可快速完全恢复；时间知觉在轨受到了较为明显的影响。 这些结果说明航天员入轨早期主要存在适应过程，度过适应期后认知表现与地面差异不大，这与前人的研究成果基本一致。

总体而言，中短期飞行航天员的基本认知能力并没有受到显著损害，部分测试在入轨早期和任务末期的下降是入轨适应和疲劳积累导致的；此外，同组航天员的测试结果存在较大差异，部分航天员全程认知能力测试成绩均保持稳定，个体化差异是后续需要重点关注的方向。

3.2 长期飞行对基本认知能力的影响

公开发表的长期飞行的相关研究非常少见。Manzey 等针对1 名俄罗斯航天员进行了为期4个月的在轨认知能力测试，发现在发射前2 天该航天员认知表现下降，但是入轨后这种下降消失，在入轨早期仅有视觉运动能力测试成绩出现下降，随后的13 周测试中航天员的认知绩效保持稳定，与地面测试没有显著性差异。

Manzey 等针对1 名俄罗斯航天员进行了在轨438 天长期飞行研究，包括语义推理、记忆测试、追踪测试以及双任务测试等认知能力测试。飞行前测试4 次，飞行中测试29 次，着陆后测试8 次。 结果发现除了在轨第一周出现了追踪任务测试绩效下降之外（与前人研究结果相同），其他测试在轨期间均比较稳定，但是着陆后记忆测试有显著下降。

Bakelman 等发表的NASA 双胞胎研究对比了天地2 个同卵双胞胎航天员的认知测试成绩，发现在轨的航天员比地面航天员表现出了更强的冒险倾向，在轨测试中情绪识别测试和字符匹配测试的反应时、抽象推理测试的准确率均出现了下降，其他的反应时和准确率均没有显著变化。 值得注意的是，着陆后航天员认知能力测试成绩出现了普遍下降，并且这种下降持续至少6个月。 目前尚未确定这种认知能力下降的原因，可能是航天员的重力再适应、返回后参加多项研究、多种媒体活动等所致。 考虑到返回后航天员需要在重新适应的同时参加多种活动或测试，加之认知测试的敏感性，认知测试成绩的下降可能反映了航天员返回后处于疲劳或较为放松的状态。

除了真实飞行之外，地面长期模拟实验的研究结果也为长期飞行对航天员认知能力的影响提供有益借鉴。 Barger 等探究了24 h 轮班和睡眠不足对认知绩效的影响，利用Mars 500 实验前的105 天隔离实验。 研究发现在24 h 轮班期间，由于睡眠不足，受试者以及任务中心的指挥人员均出现了典型的认知绩效下降，在24 h 轮班结束后认知绩效恢复到正常水平。 Torre 等利用NASA WinSCAT 工具对Mars 500 的受试者前8 个月的认知表现每月测试1 次，发现部分测试成绩出现了显著下降，但是并未说明具体哪些测试在何阶段出现了下降，也未说明后续的测试成绩。中国2016 年开展的4 人180 天大型密闭实验中，4 名志愿者的部分决策能力在第107 天测试点出现了较为明显的下降。

上述长期航天飞行任务的结果表明，航天员的基本认知能力长期在轨期间基本不会受到显著影响，尤其是经历过适应阶段之后；但返回后认知测试成绩往往出现了显著下降。 此外，虽然地面模拟实验证明了睡眠剥夺和密闭隔离环境等因素会对认知绩效表现造成显著影响，但是这种绩效下降并没有出现在真实飞行任务中，这可能是因为在轨执行任务时航天员会受到各种支持，同时他们会付出更多的努力或者找到更好的策略完成任务。

总的来看，载人航天飞行航天员在轨期间认知能力总体保持正常水平。 从中短期飞行的研究结果看，入轨早期适应重力、在轨末期高强度工作的疲劳积累可能导致追踪测试、注意测试等绩效下降，但是不同航天员之间存在较大差异，并没有一致性数据证明中短期在轨飞行对航天员认知能力造成持续影响；在轨期间度过适应期后航天员的认知能力测试成绩保持稳定，但是返回后有显著的下降。 这种长期在轨飞行返回后的认知能力测试水平下降还需进一步研究分析原因。

值得注意的是，当前的研究成果，尤其是长期飞行的研究成果仅基于3 名航天员的飞行数据，样本量较小，相关研究结论还需要进一步数据积累。

4 结语

随着认知领域研究的深入，在轨认知测试的种类从注意、记忆、视觉搜索等基本认知能力测试向着更加丰富的测试种类发展，如情绪识别、风险决策等。 我国短期飞行任务中重点关注了航天员警觉性、眼手协调、工作记忆、双任务等认知能力变化，为工效学设计等研究提供了在轨数据。

目前已有的研究结果表明在轨飞行，尤其是长期在轨飞行，除了早期可能由于空间适应等因素的影响外，航天员的认知功能特别是复杂认知功能能够保持在较高水平。 但该结论仍需要空间站长期飞行任务进一步的检验。 同时，目前研究中不同航天员测试结果之间存在较大差异，这可能和航天员参与测试时段、状态和投入程度等多种因素有关，需要在后续的在轨研究中加强变量控制和多项指标综合分析，发展个性化的监测方法和监测安排。

随着中国空间站任务逐步开展，航天员在轨认知监测是获取航天员在轨工作状态、适时安排重大操作任务的重要基础，探究在轨环境对认知能力影响，需要发展全面、有效地认知能力评价测试集，加入高级认知功能（比如逻辑推理、风险决策等）。 此外，随着人工智能、大数据、虚拟现实等技术的发展，心理学研究领域会涌现出更多敏感、有效、综合的测试方法和分析方法，助力在轨认知监测的进步。

从发展趋势看，在保留警觉性、工作记忆等基本认知能力测试的基础上，借鉴心理学领域已有的成熟范式，同时结合负荷状态、情绪状态等多种指标，发展适用于空间站长期飞行任务的综合认知能力测试评价工具是后续研究的重要方向。