经皮耳迷走神经刺激对恐惧情绪的实时干预效果研究

黄美清，丛 林，宋春杨，程 珊，熊凯文，马 进，胡文东

(1空军军医大学航空航天医学系航空航天医学装备教研室，陕西 西安 710032；2解放军第95926部队卫生队，吉林 长春 130103)

飞行员的训练包括为异常情况且可能发生的重大事故做准备，比如空气动力学熄火、发动机故障和危险的天气遭遇等[1]，这些训练可能降低但不能完全控制事故发生的可能性，因为人的心理因素也是重大飞行事故的重要影响因素[2]。当飞行员突然面对威胁到自身安全或机身安全的刺激时，可能会引发死亡焦虑和强烈恐惧情绪，注意力集中在威胁刺激而不是解决问题[3]，导致意识延迟或者短暂失能的现象[4]，进而导致操纵延迟或者操作失误，则可能增加飞行事故发生的概率。因此，如果对飞行员的恐惧情绪进行实时干预，降低恐惧情绪的强度，使其从短暂失能的状态中恢复过来，就能增加飞行员对威胁刺激的应对时间，进而可能减少由心理因素导致的事故发生的可能性。

先前的研究提出，注意静止(冻结)期间的防御反应模式主要是副交感神经支配的[5]，而迷走神经是副交感神经系统的主要神经底物，所以对迷走神经的活动进行调节可以改变冻结的状态。经皮耳迷走神经刺激(transcutaneous auricular vagus nerve stimulation，taVNS)通过对外耳迷走神经耳支形成的皮肤感受野施加电流来影响迷走神经的活动和张力[6]，taVNS可以调节心脏自主神经系统，改善健康人群的交感神经或副交感神经平衡[7]。SZESKA等[8]研究发现与假刺激耳垂相比，左耳taVNS已被证明有助于减少冻结防御反应。恐惧实时干预是在恐惧情绪产生、发展和持续过程中的伴随性干预[9]，通过阻断或者减弱持续恐惧强度，减少恐惧情绪对有机体生理或者心理的消极影响，可应用于突发险情下的恐惧情绪干预。因此可以提出假设，通过taVNS对恐惧情绪进行实时干预，可以调节恐惧情绪的强度，从而避免强烈恐惧情绪引起的短暂失能。本研究旨在探索taVNS对恐惧情绪的实时干预效果，进而为飞行员恐惧情绪提供可参考的实时干预方法。

1 对象与方法

1.1 对象

本实验招募136名男性作为预选实验对象，借鉴流行病学调查方法，在实验前通过问卷星对招募的对象进行恐惧相关疾病筛查和高度敏感度调查，排除有恐惧相关疾病史的对象，并且排除对高度不敏感和曾有虚拟现实(virtual reality，VR)高空体验的对象。最终纳入80名男性作为实验被试，年龄(23.10±3.43)岁，体质量(70.89±10.10)kg。所有被试对实验目的和流程完全知情，均已签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 实验设备和量表 实验中恐惧情绪诱发平台为本人所在科室自主研发(一种浮板式VR跨桥设备ZL202120164793.6，基于VR的恐惧情境下人员生理心理监测系统2021SR0348821)，通过VR创建高空视景诱发恐惧情绪。在虚拟环境中设置实物浮板使用HTC Tracker实现虚拟浮板和真实浮板的一致性，为被试带来更加沉浸逼真的体验，还通过晃动的浮板增加被试体感，进而达到较好的恐惧体验感；实验中的九灯任务为简单的认知任务，被试佩戴VR头盔在恐惧平台上行走时，视景前方呈现九个灯，由红黄绿三个颜色组成，每5 s随机亮起一盏灯，灯的持续时间为2 s，被试通过手柄进行相应颜色按键操作，过程记录正确率和平均按键反应时；实验中使用的经皮耳迷走神经刺激仪是由瑞神安医疗器械研发的耳甲迷走神经刺激器(tVNS501)，刺激幅度为0～60，幅度1代表1 mA，刺激强度根据分组进行调节；实验中使用的是由张卫东等[10]修订的正性负性情绪量表(Positive and Negative Affect Schedule，PANAS)中文版，以量表中畏惧、战战兢兢、害怕3个条目评分求和作为被试对恐惧情绪的主观体验程度。

1.2.2 实验设计 本实验为被试间设计，自变量为经皮耳迷走神经的刺激强度；因变量为主观量表得分(PANAS量表中恐惧维度得分)，生理数据(心电心率、呼吸率、体温)和被试绩效(恐惧平台上行走距离、九灯任务的正确率、九灯任务的平均按键反应时)，旨在验证不同刺激强度的taVNS对恐惧情绪实时干预的可行性和有效性。

1.2.3 实验过程 将被试随机分为4组，每组20名被试，刺激强度分别为设备刺激幅度的0%(伪刺激)、10%(6 mA)、20%(12 mA)、30%(18 mA)，刺激时长5 min，频率30 Hz，脉宽200 μs。

实验开始前被试填写前测问卷，随后佩戴Puray多参数监护仪和耳甲迷走神经刺激器。被试需要佩戴VR头盔和脚部追踪器在恐惧诱发平台上来回行走5 min，视景为260 m高空中的浮板，行走过程中完成九灯任务，期间根据不同组别伴随不同强度taVNS，记录生理数据和绩效。被试行走过程中旁侧有工作人员保护，防止其从浮板掉落。期间工作人员不接触被试，不影响其行走。结束后被试填写后测问卷。

1.2.4 统计学分析 首先使用Matlab 2014对生理数据进行筛选，得出每个被试各项生理指标的均值，然后应用SPSS 24.0软件进行统计分析。通过正态检验，符合正态分布的指标采用方差分析对各项数据进行分析，进一步做多重比较检验分析各干预组之间差异，不符合正态分布的指标采用非参数检验对数据进行分析。P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 taVNS不同刺激强度组初始状态评估

对前测量表数据进行分析，正态检验得出，其不符合正态分布(P<0.05)，遂进行非参数检验。非参数检验结果表明，不同刺激强度组初始量表恐惧维度得分差异没有统计学意义(P>0.05，图1)。

图1 经皮耳迷走神经刺激不同刺激强度组前测分数分布

2.2 taVNS不同刺激强度组绩效指标差异分析

对绩效指标数据进行正态检验得出行走距离和平均按键反应时符合正态分布(P>0.05)，正确率不符合正态分布(P<0.05)。方差分析结果显示，不同组的行走距离差异有统计学意义(P<0.01)，具体表现为20%刺激组和30%刺激组的行走距离显著高于伪刺激组的行走距离(P<0.01)，30%刺激组的行走距离显著高于10%刺激组(P<0.05)；不同组的平均按键反应时差异没有统计学意义(P>0.05)，多重比较检验得出30%刺激组的平均按键反应时显著低于伪刺激组平均按键反应时(P<0.05)。非参数检验结果表明，不同组的正确率差异没有统计学意义(P>0.05)，两两比较结果表示，10%刺激组和30%刺激组的正确率显著高于伪刺激组(P<0.05，图2)。

2.3 taVNS不同刺激强度组生理指标差异分析

对生理指标数据进行正态检验得出生理指标数据均不符合正态分布(P<0.05)。非参数检验结果显示，不同组的心电心率没有统计学意义(P>0.05)；不同组的呼吸率没有统计学意义(P>0.05)，两两比较得出30%刺激组的呼吸率显著高于10%刺激组的呼吸率(P<0.01)；不同组的体温没有统计学意义(P>0.05，图3)。

A：不同刺激强度组心电心率的差异；B：不同刺激强度组呼吸率的差异；C：不同刺激强度组体温的差异。bP<0.01。

2.4 taVNS不同刺激强度组量表恐惧维度得分(后测分数)差异分析

对量表数据进行正态检验得出量表数据不符合正态分布(P<0.05)。非参数检验结果表示，不同组量表恐惧维度得分(后测分数)的差异没有统计学意义(P>0.05)，两两比较结果表示，30%刺激组的量表恐惧维度得分显著低于伪刺激组(P<0.05，图4)。

图4 经皮耳迷走神经刺激不同刺激强度组量表恐惧维度得分(后测分数)的差异(aP<0.05)

3 讨论

恐惧情绪通过提高警惕性和准备性以及在危及生命的遭遇中协调生存反应来保护有机体，但缺乏对恐惧情绪的有效抑制会导致情绪的过分表达和相应的心理障碍的发生，进而导致一系列的身体和心理机能的降低[11-13]。对于特殊行业从事者(如飞行员)，在特殊情况下可能会面临恐惧情绪的过分表达，进而导致意识延迟或者失能状态。因此，有必要通过外界的干预使飞行员从意识延迟或者失能状态中觉醒，减少意识延迟或失能状态的持续时间，进而增加飞行员应对特殊情况的思考和操作时间。

本研究通过基于VR的恐惧诱发平台诱发恐惧情绪，以往研究已经证明VR构建高空场景可以诱发较高强度的恐惧情绪[14]。本研究通过对被试前测量表恐惧维度得分进行差异分析，得出实验开始前量表恐惧维度得分差异没有统计学意义，且分数较低，即实验开始前各组被试状态相似，实验后的后测分数的差异可以体现不同刺激强度的干预效果差异。

taVNS可调节大脑活动和心脏功能，具体来说，taVNS可以诱导副交感神经激活，并可能导致心率的降低[15]。恐惧情绪伴随着交感神经激活和副交感神经抑制[16]，所以taVNS可能通过降低恐惧情绪伴随的交感神经活动性，诱导副交感神经激活，进而控制恐惧情绪的生理症状，从而可能降低恐惧情绪的强度。本研究采用不同强度taVNS对恐惧情绪进行实时干预，验证taVNS实时干预的可行性和有效性。首先，绩效指标差异分析结果表示，不同组的正确率差异没有统计学意义，正确率体现被试的认知和解决问题的能力，其差异不显著的可能原因是本研究设置的认知任务较为简单，只需要被试根据亮灯颜色做出按键反应，加上各组被试在实验前均进行2 min的练习，导致被试个体间差异不大。但两两比较结果表示10%刺激组和30%刺激组正确率显著高于伪刺激组，说明10%刺激强度和30%刺激强度的taVNS可能影响被试的认知绩效水平；不同组的平均按键反应时差异没有统计学意义，多重比较分析得出30%刺激组的平均按键反应时显著低于伪刺激组平均按键反应时，说明比起伪刺激组被试，30%刺激组可以更快地对认知任务做出反应，结合正确率的结果可以判断30%刺激组的认知能力和意识水平优于伪刺激组，即30%刺激强度的taVNS可能减弱恐惧情绪对认知能力和意识水平的消极影响；不同组的行走距离差异有统计学意义，具体表现为20%刺激组和30%刺激组的5 min内行走距离显著高于伪刺激组5 min内的行走距离，30%刺激组的5 min内行走距离显著高于10%刺激组。实验前主试对被试的要求为在保证九灯任务正确率和反应时的前提下，尽可能快地行走。该结果说明，面对恐惧场景，伪刺激组单位时间内行走距离(速度)显著低于20%刺激组和30%刺激组单位时间内行走距离(速度)，即20%刺激组和30%刺激组的剩余能力显著高于伪刺激组剩余能力。因此，在taVNS不同刺激强度当中，30%刺激强度可能减弱恐惧情绪对认知能力和意识水平的消极影响。其次，生理数据差异分析结果表明，不同组的心电心率没有统计学意义，但从图2A可以看出10%刺激组、20%刺激组和30%刺激组心电心率稍低于伪刺激组心电心率，说明taVNS存在降低恐惧状态下心率的趋势。本研究心率变化不显著的可能原因是刺激参数较小，BADRAN等[17]测试发现只有刺激脉宽为500 μs刺激频率在10 Hz和20 Hz显著降低心率，本研究的刺激脉宽为200 μs，刺激频率为30 Hz。不同组的呼吸率没有统计学意义，多重比较检验得出30%刺激组的呼吸率显著高于10%刺激组的呼吸率，此结果表明相比10%刺激组，30%刺激组的生理唤醒水平可能更高。不同组的体温没有统计学意义，可能原因是体温相对其他生理指标来说更稳定，且本研究需要在恐惧诱发平台上行走5 min，时间相对较长，各组体温趋于稳定，故不同刺激强度下被试体温之间的差异不显著。总的来说，taVNS不同刺激组下整体生理差异较小，但也表现出一定趋势。最后，量表恐惧维度差异分析结果表明，伪刺激组的后测分数显著高于30%刺激组的后测分数，说明对比伪刺激组，30%刺激组被试的恐惧情绪主观体验较弱。因此，在被试主观体验方面，30%刺激组可能降低其恐惧情绪的强度。

综合绩效评估、生理变化和主观量表评分的情况，可以得出taVNS对恐惧情绪存在实时干预效果，在taVNS的各刺激强度中，30%刺激强度最有可能成为恐惧情绪实时干预的有效参数，特别其在认知绩效方面体现一定优势，可能减弱恐惧情绪对认知能力和意识水平的消极影响，主观量表评分说明30%刺激强度的经皮耳迷走神经可以减弱恐惧情绪的主观体验，但其对生理方面的影响较弱，后续研究需要进一步探究其最优参数。本研究不足之处有两点：首先，选取的认知任务相对简单，导致干预效果的区分度较小，后续研究可以采用抑制控制相关任务或者决策相关任务对恐惧情绪下的认知能力进行评价；其次，对于恐惧情绪而言，其相对敏感的生理指标为心率和皮电[18]，后续研究可添加敏感指标皮电，并进一步分析其心率变异性[19-20]，尝试进一步说明taVNS对恐惧情绪实时干预的效果，并探讨其内在的生理机制。