潜航员深海潜航任务前后警觉度及工作记忆容量的变化

金 旭，董一丹，陈云赛，赵晟娅，黄文初，何丽华△

(1.北京大学公共卫生学院劳动卫生与环境卫生学系，北京 100191；2.哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨 150001；3.国家深海基地管理中心，山东青岛 266237)

深海在资源、军事及生态环境等领域有着重要的战略价值，近年来深海领域的探索成为了海洋开发动态的前沿。潜航员是以探索海洋(深海)环境为职业的人员，是驾驶深海载人潜水器在深海区域作业的特殊岗位人才[1]。潜航员在执行任务时，任务地点常位于与地表环境差异巨大的深海高压、无光、复杂的地质构造环境中，此外，深潜器内部空间狭小，微气候环境中的温度、湿度及通风等因素不适宜，这些因素都会对潜航员的生理、情绪、疲劳状态和身体健康造成影响[2-3]。潜航员在深潜任务过程中，适应深海及深潜器内部特殊环境并保持最佳的身心状态和作业能力，是决定深潜任务执行效果的关键因素。

既往研究表明，睡眠障碍、节律紊乱及精神疲劳等不良健康状态常常带来行为上的改变，如自我控制能力降低，反应迟钝，以及认知水平下降等[4-5]。潜航员在出海执行深潜任务时，一次出海持续时间较长，由于任务特殊性，常跨时区下潜作业，加之出海环境艰苦，任务繁重，因而所导致的睡眠及疲劳等职业健康问题较为突出。

警觉度是指在一段时间内集中注意力对刺激保持警惕并做出相应反应的能力[6]。既往研究表明，个体的警觉度与机体的疲劳状态有较高的相关性，在飞行员、交通运输人员、警察等作业时间不规律、疲劳现象比较常见的职业人群中有较多研究[7-9]。工作记忆是指个体短暂保存和处理已知或新信息的容量有限的系统[10]。工作记忆容量与其他一些高级认知能力如推理、决策和阅读理解等紧密相关[11]，潜航员在下潜任务过程中，需要完成一些复杂的操作指令，因而工作记忆容量对其至关重要。目前，出海深潜任务对于潜航员的警觉度及工作记忆的影响尚不清楚，本研究通过对我国4名潜航员出海前后的警觉度及工作记忆容量的变化情况分析研究，为保障潜航员的职业健康与作业能力提供依据。

1 资料与方法

1.1 资料

研究对象为潜航员4名(均为男性，分别用A、B、C、D表示)，年龄32～36(33.25±1.89)岁，身高1.67～1.73(1.69±0.03)m，体质量60.1～76.1(68.95±7.85)kg，体重指数(body mass index, BMI)21.46～27.29(24.02±2.97)kg/m2，所有研究对象均为右利手。研究对象在开始测试前精神状况良好，无视觉障碍，近期无外伤，肌肉骨骼系统健康状态良好，在试验前48 h内无剧烈运动，未饮用咖啡、茶饮及服用药物。本研究已获得北京大学生物医学伦理委员会的批准(批件号：IRB00001052-20080)，并在测试开始前将本研究可能产生的风险告知研究对象，研究对象均签署纸质知情同意书并自愿参加本研究。

本研究中潜航员执行的出海任务共持续48 d，期间在不同海域进行深潜作业，每次下潜的平均时长为12 h。无下潜任务时，潜航员主要在母船上活动，为正常作息时间。

1.2 方法

测试在执行中国大洋某航次任务前5 d和任务后次日内进行。测试开始前由研究者讲解测试流程及测试程序的操作说明。研究对象采取坐姿测试，要求集中注意力注视屏幕，同时保持测试环境无外界干扰。

1.2.1警觉度测试 试验通过基于视觉刺激-操作反应时开发的警觉度测试程序。测试内容包括三个部分：静态反应速度测试、动态反应速度测试及分辨追踪速度测试。静态反应速度测试要求研究对象在屏幕变换颜色时立即点击屏幕任意位置，动态反应速度测试要求研究对象立即点击在屏幕随意位置出现的彩色圆形图案，分辨追踪速度测试时，屏幕上会出现数个随机排列的彩色圆形图案，其中会有一个圆形与其他颜色不同，要求研究对象找出不同颜色的圆形并立即点击它。研究对象依次完成三种警觉度测试任务，每部分持续时间均为5 min，每次操作的等待时间为2～4 s。测试界面如图1所示，选择警觉度测试中常用的平均反应时、最快10%反应时、最慢10%反应时及遗漏次数指标进行分析，本研究将各部分测试中大于平均反应时标准差的2.5倍作为遗漏[12]。

图1 警觉度测试操作界面

1.2.2工作记忆广度任务 通过梅高兴等[11]基于E-prime软件开发的程序“自动化运算广度任务”(automated operation span task, Aospan)测量研究对象的工作记忆容量。测试过程如下：开始测试时，屏幕上将交替出现数学运算题和字母，要求研究对象正确判断运算结果并记忆字母及其顺序，一组测试中可能出现3～7个字母，每位研究对象共需完成15组这样的回忆任务。Aospan通过记录正确回忆字母及顺序的次数及数学运算正确率来评分,其中总广度得分指研究对象正确回忆的字母及其排序的数量，绝对广度得分指当一组内所有字母及其排序均正确的字母数量，总错误数为整个测试算式计算错误的数量和超时错误数量之和。

1.3 统计学分析

2 结果

2.1 警觉度在出海任务前后的变化情况

使用配对t检验对出海前后反应时间均值差异性进行分析，与出海前相比，潜航员的平均反应时长均显著增加，如图2所示。静态反应时间由(263.76±29.22)ms增加至(286.05±28.76)ms，t=3.630，P=0.036。动态反应时间由(434.14±29.19)ms增加至(477.53±34.54)ms，t=11.768，P=0.001。分辨追踪反应时间由(623.00±43.82)ms增加至(735.98±77.67)ms，t=3.320，P=0.045。在警觉度各项测试中最快10%反应时间和最慢10%反应时间前后差异无统计学意义。

A, static resopnse; B, dynamic response; C, tracking response; *P < 0.05, #P < 0.01.

对出海前后个体的反应时间进行单因素方差分析，出海任务后潜航员A在动态反应测试中反应速度数值显著增大，差异有统计学意义(P<0.05)，在静态反应和分辨追踪测试中前后差异无统计学意义(表1～3)；出海任务后潜航员B在动态反应和分辨追踪测试中数值显著增大，差异有统计学意义(P<0.05)，在静态反应测试中前后差异无统计学意义；出海任务后潜航员C、D在三种反应测试中数值均显著增大，差异有统计学意义(P<0.05)。以上结果说明，潜航员出海前后警觉度会受到影响。

表1 4名潜航员出海任务前后静态反应速度变化

表2 4名潜航员出海任务前后动态反应速度变化

表3 4名潜航员出海任务前后分辨追踪速度变化

此外，本研究还比较了4名潜航员出海任务前、后最快10%反应时和最慢10%反应时的变化情况。潜航员A在静态反应和分辨追踪测试中最快10%反应时显著增大，差异有统计学意义(P<0.05)，而在三种测试中最慢10%反应时前后差异均无统计学意义。潜航员B三种测试中最快10%反应时和最慢10%反应时前后差异均无统计学意义。潜航员C三种测试中最快10%反应时显著增大，差异有统计学意义(P<0.001)，而最慢10%反应时前后差异无统计学意义。潜航员D的分辨追踪测试中最快10%反应时显著增大，差异有统计学意义(P<0.05)，在静态反应测试和动态反应测试中最慢10%反应时显著增大，差异有统计学意义(P<0.05)。在对比了出海任务前、后测试的遗漏数后，出海任务后潜航员D在三种测试中的遗漏数均明显高于出海前，同时所有潜航员在出海任务后的分辨追踪测试中遗漏数均明显增多(图3)。

A′, number of missing times in static response test; B′, number of missing times in dynamic response test; C′, number of missing times in tracking response test.

2.2 出海任务前后工作记忆容量的变化

在工作记忆广度测试中，4名潜航员的总广度平均得分由出海任务前的64.00±5.94下降至58.75±4.57，所有潜航员得分均降低(图4A)。绝对广度平均得分由42.50±9.46下降至39.75±2.63，其中潜航员A、C、D得分下降，潜航员B得分上升(图4B)。总计算错误数由6.25±2.87上升至9.75±3.86，其中潜航员A、C、D得分上升，而潜航员B得分下降(图4C)。

A′, total span scoring; B′, absolute span scoring; C′, number of total errors.

3 讨论

作业疲劳常会伴随着疲倦、注意力下降、反应迟钝、情绪低落及工作效率下降等负面结果[13]，被认为是职业健康及作业安全的重要危险因素[14]，对于潜航员这类需要时刻保持最佳精力的职业而言至关重要，疲劳所带来的事故可能是致命的。深海潜航作业是一项对能力、技能和知识水平都要求极高的工作。潜航员在执行下潜任务过程中处于高度应激状态，一方面需要精准的操纵深潜器执行下潜/上浮、着底、调整姿态等作业，及时对各类复杂信息进行快速解析并做出响应动作，另一方面还要承担故障排除、操控机械臂、通信、维护、摄影等多项工作[15]，这就要求潜航员需要具备健康的生理、心理状态，维持较高的警觉度和心理认知水平，在复杂的深海环境中保持判断及决策能力，从而保障深潜器和人员安全。

反应时测定是检测警觉度或疲劳的简单、有效的方法。马欢等[16]通过心理运动警觉度任务测量3名宇航员在轨飞行任务前后的反应时发现，警觉度发生改变并存在个体差异。Russo等[17]对8名空军飞行员跨昼夜模拟飞行任务后的研究发现，反应速度及遗漏数明显增多。国际空间站也对航天员采取定期的警觉度测试，通过评估反应时间来预测航天员的疲劳状态和作业能力[18]。

本研究中，出海深潜任务后潜航员整体平均反应时间增加，警觉度下降。根据研究显示，平均反应时改变可能和大脑的整体清醒状态有关，能够反映机体的整体警觉度变化情况[19]。张延猛等[20]对“蛟龙”号潜航员连续作业脑电图进行研究后发现，潜航作业对人体脑功能觉醒水平有一定程度的影响。此外，周鹏等[21]研究发现睡眠限制会引起机体生物节律失常，导致警觉度下降，在恢复正常作息后警觉度短期无法回到最初水平。潜航员工作环境特殊，海上风浪引起的颠簸会影响休息；在下潜作业时深潜器舱内缺失自然光，引起生物节律紊乱；工作压力大和特殊的环境应激也会引起负性情绪增多，以上这些会导致潜航员的睡眠出现问题，从而使警觉度下降。

最快10%反应时反映测试中的最优表现，表示最佳警觉度[22]。本研究有三名潜航员最佳警觉度在出海前后的差异具有统计学意义，其中潜航员C在三项测试中前后差异均具有统计学意义，提示警觉度降低。最慢10%反应时可作为觉醒水平的反应，本研究中除潜航员D外，其余潜航员出海前后差异均无统计学意义。结合平均反应时和最快10%反应时，可以认为潜航员警觉度虽降低，但仍能维持正常的觉醒程度。有研究把遗漏数作为警觉度测试的绩效，其结果与主观疲劳有较好的一致性[23]。本研究发现，遗漏数随着测试难度的增大而增多，出海后4名潜航员分辨追踪测试中遗漏数增多较为明显。潜航员在三项测试中的不同表现可能与任务难度有关。难度过低，整体反应时间偏低，表现为天花板效应，而难度过高，整体反应时间偏高，表现为地板效应。测试难度过高或过低都会影响结果的反映，故在结果评价时应综合三项测试的结果以避免假阳性/假阴性的结果。

本研究中，4名潜航员出海深潜任务后工作记忆容量的变小，表明认知能力降低，其中总广度得分均减少，绝对广度得分则有三名潜航员减少，原因可能是绝对广度得分忽略了部分试验次数。此外，有三名潜航员在任务后的测试中数学运算错误数变多，也从侧面反映认知能力的变化。潜航员在出海深潜任务时，一方面需要完成复杂的操作指令，对认知活动要求较高，对大脑的信息处理资源消耗较大，另一方面还要面对复杂海况及特殊的舱内环境，从而加剧了对认知功能的负面影响[15, 20]。潜航员在返航后的测试中虽脱离特殊环境，但短暂的放松休息无法完全使大脑功能恢复到最初水平，因而潜航员在出海后次日的认知功能测试中得分低于出海前。

综上所述，本研究关注了出海深潜任务对潜航员的警觉度和工作记忆容量的影响，研究发现4名潜航员完成任务后均出现不同程度的警觉度下降和工作记忆容量减少等情况。

由于潜航员数量稀缺，本研究受试者较少，研究尚存在局限性，在今后的研究中还应收集更丰富、更精准的数据，以期对潜航员警觉度及认知能力变化规律有更全面、深入的了解。