脑力疲劳对飞行员认知功能的影响及相关认知指标探讨

范洁怡，王 亮，宁致博，李 曦，冯 旭，罗正学

空军军医大学，陕西西安 710032 1航空航天医学系；2医学遗传学与发展生物学教研室

随着第三代战机装备部队，飞行训练模式逐渐多样化，长航时、夜航飞行次数增加，易引发飞行员脑力疲劳状态，从而导致认知能力下降，严重威胁飞行安全[1]。如何快速监测飞行员脑力疲劳，对于鉴定飞行员功能状态并及时进行预警有着重要的现实意义和迫切的客观需要[2]。现阶段评定脑力疲劳的方法主要分为主观评定和客观评定，主观评定主要采用斯坦福嗜睡量表(stanford sleepiness scale，SSS)和NASA量表等[3-7]，其存在一定的局限性，因而需要客观评定的支持和补充。客观评定主要涉及生理指标和生化指标等，具有准确、客观的优点，但会受到个体差异及设备工具对场所要求等因素的限制。因而建立快速、有效、无创的测量方法对于监测飞行员脑力疲劳状态十分重要。本研究主要从认知功能的角度探讨飞行员在脑力疲劳状态下相关评价指标的变化，为鉴定飞行员功能状态提供科学依据。

对象和方法

1 研究对象 选取海军某部航空兵20名，均为男性，年龄26 ～ 30(27.9±1.5)岁。纳入标准：严格遵守作息制度，身体状态稳定，在飞行日期间未服用任何影响神经系统的药物和饮品。

2 研究方法 在飞行日当天安排试验，要求在飞行任务前后分别进行认知能力测试。对飞行员的注意力、执行功能和运动控制能力进行评估。注意力评估采用警戒作业模拟任务、注意力转换测试和选择性注意力测试。警戒作业模拟任务(psychomotor vigilance task，PVT)主要考察持续性注意力，要求被试者面对屏幕中心随机出现的红色圆点进行按键反应，刺激出现间隔为2 ～ 10 s，测试持续10 min[8]。注意力转换测试(shifting attention test，SAT)要求被试者在最短的时间内，按照屏幕所呈现的提示信息(color或shape)和目标刺激(红色圆形或方块，蓝色圆形或方块)的两个图形进行对应的按键反应。测试持续时间90 s[9]。1)选择性注意力测试(choice reaction time，CRT)：要求被试在红色、黄色和蓝色圆形刺激随机出现任意一种后进行相应的三种不同方向键反应，测试持续时间180 s[10]。PVT的分析指标为平均反应时(Mean RTs)(100 ～ 500 ms)、平均反应时倒数 (Mean 1/RTs)、最慢反应时的10%的倒数(Slowest 10%1/RT)、最快反应时的10%(Fastest 10%RT)、前跳次数(False Starts)(≤100 ms)以及遗漏次数(Lapses)(≥500 ms)。其他测试的分析指标主要为平均反应时(Mean RTs)[11]。2)执行能力评估：采用符号译码测试(digit symbol substitution test，DSST)。该测试要求被试者根据屏幕上方呈现的9组数字与不规则图形的匹配示意图完成屏幕下方9个不规则图形相应数字的填写，完成后屏幕上方会随机出现重新组合的数字和不规则图形的匹配示意图，要求被试按照新的匹配示意图进行填写，测试时间持续180 s[12]。3)运动控制能力评估：采取手指敲击实验(finger tapping test，FTT)，要求被试选取左右手最为灵活的手指，在看到屏幕红色圆形刺激后，尽可能快地进行按键反应，持续时间10 s。统计手指敲击的反应速度[13]。

3 统计学处理 运用SPSS19.0软件进行统计分析。所有测试结果以±s表示，采用配对t检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

结 果

图 1 飞行任务对警戒作业模拟任务、 注意力转换测试和选择性注意力的影响(n=20)Fig. 1 Influence of flight on PVT, SAT and CRT (n=20)

1 注意力评估 20名飞行员在飞行任务前后进行PVT、SAT和CRT，PVT结果显示平均反应时、平均反应时的倒数和最慢反应时的10%的倒数在飞行任务前后差异均有统计学意义(P均＜0.05)，但最快反应时10%、前跳次数和遗漏次数无统计学差异(P＞0.05)。反应时在飞行任务后明显延长，表明持续性注意力明显下降。SAT和CRT测试中，平均反应时在飞行任务后较飞行任务前显著增加(P均＜0.05)，表明飞行任务后飞行员的注意力转换能力和选择性注意力明显下降。见图1。

2 执行能力评估 飞行任务前后DSST平均反应时略有延长，但差异无统计学意义(P＞0.05)，表明执行能力在飞行任务前后没有明显改变。见图2。

3 运动控制能力评估 FTT结果显示飞行任务前后左右手反应时差异均无统计学意义(P＞0.05)，表明运动控制能力在飞行任务前后没有明显改变。见图3。

图 2 飞行任务对符号译码平均反应时的影响Fig. 2 Influence of flight on mean reaction time in DSST

图 3 飞行任务对手指敲击平均反应时的影响Fig. 3 Influence of flight on mean reaction time in FTT

讨 论

飞行员脑力疲劳是航空医学研究的一个重要方向，脑力疲劳会引发诸多问题，认知能力下降就是其中的一个重要方面[14]。飞行任务的完成需要飞行员保持较强的认知能力。

研究表明，脑力疲劳引发认知能力下降，唤醒水平降低，注意力是最易诱发改变的认知能力[15]。注意力是认知功能的基础能力，其他更为高级的认知功能，如记忆力和执行功能主要以注意力为基础受到调节和影响[16]。因而，注意力是基本和重要的认知功能。在本次研究中，同时安排了三项有关注意力的认知能力测试，分别对飞行员的持续性注意力、注意力转换能力和选择性注意力进行评估。结果表明，飞行员在飞行任务后的持续性注意力、注意力转换能力和选择性注意力均有显著下降。主要评估持续性注意力的PVT测试，对脑力疲劳具有较好的敏感性，其分析指标更加全面。平均反应时、平均反应时的倒数和最慢反应时的10%的倒数均在飞行任务后持续性注意力明显下降，同时也验证了关于PVT分析指标的相关研究[17]，即不仅平均反应时是PVT的有效分析指标，平均反应时的倒数和最慢反应时的10%也是较为敏感的有效指标。注意力转换能力和选择性注意力主要通过SAT和CRT在飞行任务前后进行评估，结果表明在飞行任务后，平均反应时会延长。因而三项注意力测试都表明飞行员在飞行任务后，注意力会受到影响。

执行能力是较为高级的认知功能。飞行任务前后，飞行员在该项测试的反应时无显著差异，表明飞行员因自身素质及调节能力较强，可能出现补偿机制对执行功能进行调节而不易发生明显改变，即使在脑力疲劳状态下，也不影响完成操作任务。

通过左右手的有利指敲击平均反应时评价运动控制能力是否发生改变，发现在飞行任务后飞行员的运动控制能力无显著变化。

综上，本研究通过在飞行任务前后进行认知能力测试，对飞行员脑力疲劳状态下的注意力、执行能力和运动控制能力进行评估和鉴定，监测飞行员脑力疲劳状态下认知功能的改变，发现飞行任务前后飞行员执行功能和运动控制能力方面无明显差异，而注意力易发生改变。因而，注意力可以成为鉴定评估脑力疲劳的有效指标。

1 Weidlich CP， Ugarriza DN. A pilot study examining the impact of care provider support program on resiliency， coping， and compassion fatigue in military health care providers［J］. Mil Med， 2015， 180（3）：290-295.

2 Borghini G， Astolfi L， Vecchiato G， et al. Measuring neurophysiological signals in aircraft pilots and car drivers for the assessment of mental workload， fatigue and drowsiness［J］.Neurosci Biobehav Rev， 2014， 44 ： 58-75.

3 Hoddes E， Zarcone V， Smythe H， et al. Quantification of sleepiness：a new approach［J］. Psychophysiology， 1973， 10（4）：431-436.

4 Hart SG， Staveland LE. Development of NASA-TLX （task load index）： Results of empirical and theoretical research［M］//Meshkati PA， Handcock N. Human Mental Workload. North Holland ： Elesvier Science Publshers， 1988 ： 139-183.

5 Deering S， Liu L， Zamora T， et al. CPAP Adherence is Associated With Attentional Improvements in a Group of Primarily Male Patients With Moderate to Severe OSA［J］. J Clin Sleep Med， 2017， 13（12）：1423-1428.

6 Brooks BL， Sherman EM， Iverson GL. Embedded validity indicators on CNS vital signs in youth with neurological diagnoses［J］. Arch Clin Neuropsychol， 2014， 29（5）： 422-431.

7 Church DD， Hoffman JR， LaMonica MB， et al. The effect of an acute ingestion of Turkish coffee on reaction time and time trial performance［J］. J Int Soc Sports Nutr， 2015， 12 ： 37.

8 Bogler C， Vowinkel A， Zhutovsky P， et al. Default Network Activity Is Associated with Better Performance in a Vigilance Task［J］.Front Hum Neurosci， 2017， 11 ： 623.

9 Mantua J， Spencer RMC. Exploring the nap paradox ： are mid-day sleep bouts a friend or foe［J］. Sleep Med， 2017， 37 ： 88-97.

10 Lee JC， Beesley T， Livesey EJ. Sequential effects and sequence learning in a three-choice serial reaction time task［J］. Acta Psychol （Amst）， 2016， 170： 168-176.

11 Nir Y， Andrillon T， Marmelshtein A， et al. Selective neuronal lapses precede human cognitive lapses following sleep deprivation［J］. Nat Med， 2017， 23（12）： 1474-1480.

12 Chen YT， Lin CH， Huang CH， et al. PICK1 Genetic Variation and Cognitive Function in Patients with Schizophrenia［J］. Sci Rep，2017， 7（1）： 1889.

13 Bilodeau MC， Roosink M， Mercier C. Effect of local versus remote tonic heat pain during training on acquisition and retention of a fingertapping sequence task［J］. Exp Brain Res， 2016， 234（2）： 475-482.

14 Borragán G， Slama H， Destrebecqz A， et al. Cognitive Fatigue Facilitates Procedural Sequence Learning［J］. Front Hum Neurosci，2016， 10 ： 86.

15 Schermerhorn AC， Bates JE， Puce A， et al. Socio-emotionally significant experience and children's processing of irrelevant auditory stimuli［J］. Int J Psychophysiol， 2017， 112 ： 52-63.

16 Whitney P， Hinson JM， Satterfield BC， et al. Sleep Deprivation Diminishes Attentional Control Effectiveness and Impairs Flexible Adaptation to Changing Conditions［J］. 2017， 7（1）： 16020.

17 Mandolesi L， Gelfo F， Serra L. Environmental Factors Promoting Neural Plasticity ： Insights from Animal and Human Studies［J/OL］. https：//www.hindawi.com/journals/np/2017/7219461.