飞行员低氧敏感指标在心理旋转认知中的表达

陈 琼，何 琳，陈晓健，徐玉林，郭庆军，陈春雷，郑 蔚，章炎文，许 涛

(空军杭州特勤疗养中心：1疗养一区加速度生理训练科，2疗养二区机关，3疗养二区高空生理训练科，4疗养二区航空心理训练科，5疗养二区疗养科，浙江 杭州 310007)

高空急性缺氧状态会对飞行员的认知加工过程产生严重影响，因此需要对飞行员进行缺氧体验训练。但目前缺氧训练任务单一、缺乏客观有效的低氧状态敏感测量指标。本研究采用能揭示神经活动快速变化的事件相关电位(event-related potential，ERP)技术[1-3]进行测量，对比飞行员在正常氧与低氧两种状态下完成经典的心理旋转任务(mental rotation task，MRT)[4-5]时行为反应差异与大脑活动差异，以揭示低氧状态对行为、认知、脑活动的影响，进而探索对低氧状态敏感的客观测量指标。研究共分为两个模块，第一个模块(正常氧状态)在地面环境下(氧含量210 mL/L)进行，第二个模块(低氧状态)在模拟海拔5 000 m高空低氧环境下(氧含量105 mL/L)进行。本研究采用“ 2(供氧状态：正常氧、低氧)×6(旋转角度：0°、60°、120°、180°、240°、300°)×2(字母方向：正、反) ”的完全被试内设计，每种刺激组合呈现5次，即每个被试共完成120次视觉认知任务。

1 对象与方法

1.1 对象

以空军15名飞行员为研究对象，入选标准为视力正常，健康男性，右利手。实验前告知被试实验内容，并要求被试签署实验知情同意书。

实验材料分为两类：正常字母R、反写字母R。两类材料都包含6种旋转角度(0°、60°、120°、180°、240°、300°)。因此有2(正、反)×6(角度)共12种实验材料。

采用Synamp2放大器(Scan 4.3.1，美国Neuroscan公司)进行ERP数据采集，采样率为1 000 Hz，实验过程中进行50 Hz在线凹陷滤波，以消除50 Hz市电对信号采集的影响。电极帽上64个探测电极按照10-20导联系统的分布方式放置。接地电极放置在前额位置，参考电极放置在顶后中间区。实验过程中保持所有电极的阻抗都在10 kΩ以下，以保证ERP数据质量。使用DY- 84型低氧检查仪(空军航空医学研究所)、YM9915G型飞行供氧面罩(上海胶带股份有限公司)、IMEC8型心电监护仪(深圳迈瑞)、医用氧气与氮气(杭氧集团)等设备来模拟5 000 m高空低氧环境。

1.2 方法

1.2.1 实验流程 练习阶段：在正式实验开始前，被试先进行6个试次的练习，以熟悉实验任务。若被试未能完全掌握实验任务，则返回重新练习，直至完全掌握为止。正式实验阶段：实验任务为判断字母R是“正写”(正常)的还是“反写”(左右镜像)的，然后按对应的键。被试总共需要完成60个试次的实验任务。供氧状态阶段：被试需要在低氧与正常氧状态下各完成1次完整的实验。为降低顺序效应对实验结果的影响，其中7位被试先进行正常氧再进行低氧状态下的实验，另外8位被试则相反。在每个试次中，电脑屏幕上依次呈现注视点(1 000 ms)、空白屏(500 ms)、字母R(2 000 ms)。被试需要对字母R进行按键反应。若R为“正写”的，按1键，若R为“反写”的，按3键。按键时间窗为2 000 ms，在按键时间窗内按键，则图片随即消失；在按键时间窗外按键，则为无效按键。

1.2.2 时域指标分析 在ERP研究中，P2成分与知觉匹配和刺激分类有关[6]，其被诱发于认知加工的早期阶段。此外，P2还与快速警觉性有关，可以作为多感觉处理的认知标记[7]，同时P2成分也涉及深度感知和目标特征处理[8-9]。而N2成分通常与关注相关刺激特征有关[10-11]，N2振幅和潜伏期也反映了刺激条件与被试认知的匹配程度[12]。根据以往研究，在与个体认知不一致的刺激条件下，P2和N2振幅均会增大[13]。N2增大反映了自动注意捕获和抑制模式的增强[14]。因此，本实验从时域的角度对P2和N2两种成分进行分析，探究任务难度、供氧条件对飞行员空间旋转加工过程中大脑活动的影响。

对每名被试的分段数据根据实验条件分别进行叠加平均。将叠加平均后分段的150～200 ms时间窗内极大值作为P2的幅值，将极大值出现的时间作为P2的潜伏期；将叠加平均后分段的150～320 ms时间窗内极小值作为N2的幅值，将极小值出现的时间作为N2的潜伏期。

1.2.3 频谱指标分析 根据脑电波频率范围的不同，可以对其进行以下分类[15]：0.1～<4 Hz为Delta，4～<8 Hz为Theta，8～<12 Hz为Alpha，12～<30 Hz为Beta。根据以往研究，人类大脑中的Delta的震荡与深度睡眠有关，Theta的震荡与工作记忆有关，Alpha的振荡与注意力有关[16-17]，Beta的振荡与当前感觉运动或认知状态的维持有关[18]，其又可细分为Low beta、Mid beta以及High beta，分别表征运动感觉、警觉程度以及冲突检测。因为MRT涉及注意力、运动感觉、视觉加工、警觉等认知过程，因此对Alpha、Low beta、Mid beta的功率值进行分析。

1.2.4 ERP数据预处理 采用Matlab 2018b的工具箱脑电图实验室(Electroencephalogram Lab，EEGLAB)v2021.0[19]来对ERP数据进行预处理，过程如下。

手动剔除原始数据中存在明显伪迹的数据段，将数据参考点由头顶参考转换至全脑参考，删除数据质量太差的电极点。采用独立成分分析的方法对数据进行分解处理，并剔除眼动等伪迹成分。使用1～30 Hz的带通滤波函数对数据进行滤波处理。通过EEGLAB的插值方法“还原”被删除的坏电极点的数据。提取字符R出现前200 ms至其出现后2 000 ms的ERP数据进行分析。换句话说，ERP分段的时间窗为-200～2 000 ms，其中以字母R出现的时间点为0 ms。以-200～0 ms时间段的数据作为基线，对ERP分段进行基线校正。剔除包含极端值(超出±80 μV范围)的数据分段。

1.2.5 统计学分析

1.2.5.1 行为数据分析 对正确率、反应时分别进行“2(供氧：正常氧、低氧)×2(正反：正写、反写)×6(角度：0°、60°、120°、180°、240°、300°)”的重复测量方差分析。

2 结果

2.1 供氧变化对行为结果的影响

在正确率指标中供氧因素的主效应不显著[F(1，14)=0.001，P>0.05]，低氧状态下正确率[(93.2±17.7)%]与正常氧状态下正确率[(93.2±17.4)%]无显著差异。在反应时指标中供氧因素的主效应也不显著[F(1，12)=0.842，P>0.05]，低氧状态下反应时[(866.01±235.12)ms]与正常氧状态下反应时[(844.86±228.95)ms]无显著差异。

2.2 供氧变化对脑电时域指标的影响

①低氧状态降低P2幅值。供氧的主效应显著[F(1，14)=4.798，P<0.05]，正常氧状态下的P2幅值显著高于低氧状态，即额叶和额叶中央的P2幅值在低氧状态时较正常氧会显著降低(图1)；难度主效应不显著[F(1，14)=0.338，P>0.05]；所有交互作用均不显著[F供氧×难度(1， 14)=1.403，F供氧×电极点(8， 112)=1.566，F难度×电极点(8， 112)=1.471，F供氧×难度×电极点(8， 112)=1.105，P>0.05； 表1]。②供氧变化对P2潜伏期无影响。 供氧、 难度的主效应均不显著[F供氧(1， 14)=1.141，F难度(1， 14)=3.972]， 所有交互作用均不显著[F供氧×难度(1， 14)=0.118，F供氧×电极点(8， 112)=1.863，F难度×电极点(8， 112)=0.53，F供氧×难度×电极点(8， 112)=1.458，P>0.05； 表1]。③供氧变化对N2幅值无影响。供氧、难度的主效应均不显著[F供氧(1， 14)=0.909，F难度(1， 14)=0.03]， 所有交互作用均不显著[F供氧×难度(1， 14)=0.066，F供氧×电极点(8， 112)=1.503，F难度×电极点(8， 112)=1.599，F供氧×难度×电极点(8， 112)=0.652，P>0.05； 表1]。 ④低氧状态降低N2潜伏期。 供氧的主效应显著[F(1， 14)=9.471，P<0.05]， 正常氧状态下的N2潜伏期显著高于低氧状态； 难度的主效应显著[F(1， 14)=11.291，P<0.05]， 困难条件下的N2潜伏期显著高于简单条件； 所有交互作用均不显著[F供氧×难度(1， 14)=0.219，F供氧×电极点(8， 112)=1.109，F难度×电极点(8， 112)=0.522，F供氧×难度×电极点(8， 112)=1.589，P>0.05； 表1]。

图中显示了4种条件下P2波电压幅值在头皮表面的分布情况。P2波最活跃的区域位于额叶区。

表1 供氧变化对脑电时域指标的影响

2.3 供氧变化对脑电频谱指标的影响

①低氧状态增强Alpha波功率。供氧的主效应显著[F(1，14)=5.466，P<0.05]，在低氧状态下左侧额顶区的Alpha波的功率值显著高于正常氧。难度的主效应不显著[F(1，14)=2.261，P>0.05]；供氧与难度的交互作用不显著[F(1，14)=1.447，P>0.05；图2，表2]。

②低氧状态增强Low beta波功率。供氧的主效应显著[F(1，14)=4.704，P<0.05]，低氧状态下Low beta波功率值显著高于正常氧。难度的主效应不显著[F(1，14)=1.992，P>0.05]。供氧与难度的交互作用显著[F(1，14)=8.195，P<0.05]。事后简单效应分析表明，当任务难度为简单时，低氧状态下的左侧额顶区的Low beta波功率值显著高于正常氧；当任务难度为困难时，两者的功率值差异不显著(表2)。

③低氧状态增强Mid beta波功率。供氧的主效应显著[F(1，14)=4.921，P<0.05]，低氧状态下Mid beta功率值显著高于正常氧。难度的主效应不显著[F(1，14)=0.051，P>0.05]。供氧与难度的交互作用显著[F(1，14)=6.142，P<0.05]。事后简单效应分析表明，当任务难度为简单时，低氧状态下的左侧额顶区的Mid beta功率值显著高于正常氧；当任务难度为困难时，两者的功率值差异不显著(表2)。

A：正常氧状态-简单条件；B：正常氧状态-困难条件；C：低氧状态-简单条件；D：低氧状态-困难条件。

表2 供氧变化对脑电频谱指标的影响

3 讨论

本实验通过经典MRT，从行为及ERP角度对飞行员在低氧状态与正常氧状态下的行为决策及脑认知加工过程进行对比。根据实验结果可知，低氧状态对飞行员的行为结果并无显著影响(P>0.05)，即传统行为指标(包含反应时、准确率)并不适合作为低氧状态任务表现的敏感指标。本研究发现了低氧与正常氧状态下飞行员执行MRT过程中ERP成分、功率值的显著性差异(P<0.05)。

根据ERP数据的时域分析结果可知，飞行员大脑额叶和额叶中央的P2幅值与N2潜伏期均为低氧的敏感指标，低氧状态会显著降低P2的幅值以及N2的潜伏期。

频谱分析的结果表明，飞行员在低氧状态下执行MRT时的Alpha、Low beta、Mid beta的功率值显著高于正常氧状态(P<0.05)。Alpha、Low beta、Mid beta的功率值分别表征了注意力、视觉加工以及警觉程度。Beta活动增强反映了更高的警觉性和认知参与[20]。因此，本研究表明低氧状态使得飞行员的注意力、视觉加工强度以及警觉性显著增加，并且显著高于正常氧状态(P<0.05)。飞行员在低氧状态下需要消耗更多的脑力资源来提高这三方面的加工能力，保持在MRT中的行为表现。

综上所述，模拟的5 000 m低氧状态会显著降低额叶和额叶中央P2的幅值以及N2的潜伏期，并且显著提升左侧额顶区Alpha、Low beta、Mid beta的功率值。因此，当监测到ERP出现以上变化时，表明飞行员的大脑活动处于低氧状态，此时低氧训练已呈现效果可及时停止。

本研究表明，低氧状态对MRT行为表现层面未造成显著影响，但对ERP的时域、频域皆产生显著影响。可能原因是飞行员为了保持与正常氧状态下同样的行为表现，需要提高注意力、警觉性，耗费更多的认知资源。而这些大脑加工机制的变化，是难以从行为表现层面测量出来的。因此，为了更全面地评估飞行员在缺氧体验训练中的大脑认知加工情况，应在训练中引入更多元化的测量手段，如ERP等。未来可对飞行员缺氧程度与相关ERP指标变化的关系进行更系统的量化研究，探索将相关ERP指标作为低氧训练效果客观指标的可能性。