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体脑疲劳交互影响机制研究新成果初探

更新时间:2020-03-18 08:42点击:

  引言
 
  疲劳是日常工作生活中的一种普遍现象,但是疲劳的概念却很复杂。疲劳涉及生理、心理等多方面的因素,是一个多维的概念,虽然至今还没有统一的疲劳定义,但仍有一些被大家所认可的描述及判定标准。简单来说,可以认为疲劳是由长时间的体力或脑力劳动所导致的作业绩效下降,主观上伴有倦怠感觉的一种状态。其中疲倦感是人的主观感受,而作业能力下降是其客观体现。
 
  Nakagawa等[1]认为疲劳是人体一种不可或缺的生物警钟,它提醒人身体或大脑需要休息,从而避免由于过度工作和压力对身心造成不可挽回的损伤。疲劳是人体负反馈系统的一种正常响应,从这个角度讲,疲劳对人体是有利的。但是疲劳也会给工作生活带来很多不利,表现在:首先,疲劳会增加负性情绪,降低工作效率;其次,疲劳会分散注意力,引发各种事故;疲劳还会导致焦虑症、抑郁症等慢性疾病;长期处于疲劳状态还会危害生命安全。而随着现代社会的进步,人们工作压力的增大,疲劳现象越来越严重,疲劳已成为一个广泛的社会学问题。
 
  疲劳的评价方法有很多种,主要分为主观评定法和客观评定法。主观评定法多采用问卷调查形式,通常做成规范化疲劳量表进行评定。客观评定法,又分为心理学、行为学指标评定法,生理学指标评定法及生化指标评定法。心理学、行为学指标评定法主要采用心理学测验和心理运动测验方法。用于疲劳检测的生理学指标主要有脑电信号、眼电信号、心电信号、肌电信号等。常用的生化指标有唾液、乳酸含量、氧合血红蛋白含量等(其中有些生化参数检测涉及侵入性技术,很多场合下不宜采用)。
 
  疲劳可由长时间的大脑或肌肉活动引起。从这个方面考虑,Grandjean[2]将疲劳分为脑疲劳和体疲劳,并且认为体疲劳主要关注外部肌肉系统功能的下降,而脑疲劳主要关注脑部功能的下降和疲劳感觉。目前,分别针对体疲劳和脑疲劳单独进行的研究较多,而结合体脑疲劳的相关研究较少。但在很多实际生活与工作场合,体疲劳和脑疲劳是难以分开的。尤其在航空航天、道路交通、临床手术、人机交互等大量复杂的工作环境中,操作者的身心疲劳是由体力疲劳和脑力疲劳相互影响而共同导致的。
 
  例如:在进行外科手术时需要体力和脑力同时付出,极易导致临床医师身体和大脑共同疲劳,这也增加了医疗事故的隐患[3].显然,分别孤立地研究体疲劳或脑疲劳而不涉及体脑疲劳的交互影响难以揭示疲劳的深刻科学本质,也不利于找到缓解疲劳、提高工作效率与生活质量的有效科学方法。体脑疲劳的交互影响不仅与外周肌肉系统有关,而且可能涉及中枢神经系统及相关的脑区基底神经节。这也是当前神经工程研究的前沿热点领域。因此,研究体脑疲劳的交互影响及神经机制不仅具有重要的科学意义,并且应用前景诱人。
 
  本文从体脑疲劳的交互影响、诱发方法和检测参数等方面介绍了近几年的有关研究情况,并介绍了体脑疲劳交互影响机制研究的初步进展,归纳总结了目前存在的研究难点与未来可能的发展方向,以促进该领域研究的深入开展。
 
  1体脑疲劳的交互影响
 
  至今较多学者主要观察脑疲劳程度对体疲劳及其恢复的影响,以便在评价和设定工作任务时更好地综合考虑所需付出的脑力劳动、体力劳动及其负荷量等因素。
 
  Mehta等[4-6]报告了额外的脑负荷对体力疲劳的影响,通过被试在进行体疲劳诱发任务实验时,加入额外的脑负荷任务,得到额外的脑负荷会减小肌肉收缩力、缩短肌力持续时间、增加疲劳感觉及延缓心率恢复过程、延长疲劳肌肉的恢复时间。
 
  结果说明:额外的脑负荷会严重影响体疲劳及其恢复。该团队还报告了用不同等级的静态、动态体力负荷来诱发体力疲劳的情况下,脑负荷对体疲劳的影响。观察到中度体力负荷水平和静态力负荷情况下,脑负荷对体疲劳的影响较大,故建议在需要脑体结合劳动时应尽量减少静态力付出、经常改变姿势或提供体力休息。
 
  Marcora等[7]研究了脑疲劳对体疲劳的影响,通过被试处于脑疲劳状态时,进行体力运动,观察到脑疲劳会导致体力运动持续时间的下降及体疲劳感觉增加。反之,关于体疲劳对脑疲劳影响的研究较少。
 
  Lorist等[8]观察了体疲劳对大脑认知功能的影响,通过被试同时进行体力劳动和认知任务实验,观察到体疲劳会严重影响大脑认知任务的表现。
 
  Mashi-ko等[9]分析了不同位置的橄榄球运动员参加比赛后体疲劳和脑疲劳的关系,通过量表评分和生化参数比较,发现不同位置的运动员体疲劳对脑疲劳的影响关系不同,因此有必要根据运动员的场地位置来制定其健康管理方案。总之,虽然目前尚缺乏全面系统深入的体疲劳与脑疲劳交互影响的研究,但根据已有的研究可初步认为两者是相互影响的[10].
 
  2体脑疲劳的诱发
 
  要通过实验方法研究体脑疲劳的交互影响,首先必须设计出可准确诱发体疲劳和脑疲劳的体力劳动和脑力认知任务实验方案;其次,需选取敏感可靠的疲劳评价指标,以便建立相应的疲劳模型来研究不同体脑疲劳模型的交互影响及其转换机制。这也是疲劳研究的首个难点。而且在疲劳实验的研究中,常以健康人作为被试,不能因实验对被试造成不可逆的心理和生理创伤。相对而言,在体力疲劳实验研究中,对体疲劳可能引发生理创伤的负荷极限较易掌握;而在脑力疲劳和体脑交互疲劳实验研究中,则难以把握脑疲劳所产生心理创伤的负荷极限。
 
  因此,建立合理的脑疲劳模型显得格外重要。
 
  常用的脑疲劳诱发方法有睡眠剥夺、模拟驾驶、连续用脑作业等。睡眠剥夺建立的脑疲劳特征比较明显,但睡眠剥夺为特定的疲劳状态,且睡眠与疲劳机制并不完全相同,故由睡眠剥夺建立的脑疲劳模型难以视为普适模型。模拟驾驶在驾驶疲劳的研究中应用比较广泛,所建立的脑疲劳模型也只能适用于特定环境下的疲劳状态。在研究由脑力认知任务导致脑疲劳的建模方法中,最常用的是连续用脑作业,即在一定量的脑力负荷下执行较长时间的脑力认知活动。连续用脑作业通常采用加法运算、N-back实验[11-13]、精神运动警觉测试(psychomotorvigilancetest,PVT)等方式进行诱发,持续时间一般为1~2h[14-15].连续作业由单一任务诱发脑疲劳,影响因素单一,故易于建立较简单明确的脑疲劳模型;但不同脑作业任务诱发的疲劳特征可能不同,其对应的脑疲劳模型也有差异。
 
  体力疲劳通过给身体一定量的负荷来诱发,分为全身体力疲劳以及局部体力疲劳。全身疲劳可以采用功率自行车、长时间跑步等来诱发;局部体力疲劳一般通过局部肌肉重复进行自主收缩来诱发,采用最大自主收缩力(maximalvoluntarycontraction,MVC)来监测其负荷极限[16].
 
  在体脑疲劳研究中,通常需要将体疲劳诱发方式与脑疲劳诱发方式相结合以产生体脑疲劳模式,即体脑疲劳需通过施加定量体力负荷和脑力负荷来诱发。如:
 
  Mehta等[4-5]通过右臂在进行等长收缩时同时进行加法运算来诱发体脑疲劳;Lorist等[8]通过右手进行自主收缩力的同时进行听觉选择反应任务(choicereactiontask,CRT)来研究体疲劳对大脑信息加工的影响;Marcora等[7]由长时间的AXcontinuousperformancetest(AX-CPT)任务诱发脑疲劳后,再进行功率自行车运动至体疲劳,研究脑疲劳对体疲劳的影响。由于影响体脑疲劳的因素较多、体脑交互疲劳诱发方式各异,故应根据不同研究目标与建模要求选择不同的体脑疲劳诱发方式。
 
  3参数选取
 
  如前所述,选取敏感可靠的疲劳评价指标是研究体脑疲劳交互影响、建立体脑疲劳模型的必要条件之一。一般从疲劳量表、行为学参数(正确率,反应时)、生理生化指标方面选择合适的参数来综合进行评价。其中,疲劳量表用来评定操作任务时的主观感受,行为学参数用来测量作业绩效的变化,生理学指标用来表征神经生理状态的变化[17].
 
  不同疲劳量表侧重反映疲劳的不同方面,所以在一个研究中可能会选择几个量表来进行综合评价。在体脑疲劳相互影响研究中,通常选用SOFI(SwedishOccupationalFatigueInventory)主观量表来反映体疲劳的严重程度。此量表包括5个维度(体能不足、体力付出、身体不适、缺乏动机、困倦),评分从0分(无疲劳)到6分(非常严重疲劳)。用BorgCR10量表来评价执行任务时自我感觉用力程度,分值从0分(不费力)到10分(非常吃力)。
 
  NASA-TLX是常用的评价任务负荷及疲劳程度的多维量表,包括脑力需求、体力需求、时间需求、业绩水平、努力程度和受挫程度等6个方面,可从多个角度反映操作者的主观感受。Likert量表(scale)可以用来综合评价疲劳,该量表含5分(0分为不疲劳,4分为极度疲劳)。
 
  研究脑疲劳对体疲劳的影响,多选择肌电幅值、频率、心率、乳酸含量等对体疲劳敏感的参数。研究体脑疲劳的相互影响,还要选择行为学参数、脑血氧含量、心电、脑电等对脑疲劳敏感的信号特征。其中,行为学参数可以直观地反映出大脑认知状态的改变。随着疲劳程度的增加,反应时间上升,反应正确率下降。
 
  心电信号是常用的疲劳监测指标。心率是反映有氧运动强度的重要指标,一般在疲劳诱发过程中会检测心率的变化。交感神经系统和副交感神经系统的活性控制着自主神经系统的活动,心率变异性(heartratevariability,HRV)是表征交感和副交感神经系统相互影响的重要指标。
 
  HRV的功率谱密度包括两部分:低频(LF)段(0.04~0.15Hz)和高频(HF)段(0.15~0.40Hz)。低频段由交感神经系统控制,通常在紧张状态下激活;高频段由副交感神经系统控制,通常在平静状态下激活。脑疲劳后,LF能量升高,HF能量降低[18].
 
  由于脑电信号具有时间分辨率高、功能特异性强等优势,因此脑电信号已经成为了疲劳监测的一个重要指标。较常使用的脑电信号特征有时域、频域、时-频域和非线性特征参数。脑电信号各频段参数都有特定的生理意义,其各个频段能量会随脑疲劳程度发生变化,故可用不同频段的脑电功率谱及其比值,例如θ或β频段能量、β/α、(α+θ)/β等能量比值作为疲劳脑电特征。研究得到较为一致的结论是,脑疲劳后θ频段能量升高,β频段能量降低[13].
 
  此外,由于脑电信号具有非线性和混沌性,利用脑电信号的熵、相关维数、分形维数等非线性特征参数来分析脑疲劳的研究也较多。例如,脑疲劳后脑电信号的熵值减小,表明疲劳后大脑活动的复杂性降低[19].而利用脑电信号研究体疲劳则相对较少。
 
  但是有研究表明:体疲劳后脑电信号的李雅普诺夫指数(L1)显着降低。在体脑疲劳交互影响的研究中,虽然可选的生理参数较多,但心电和脑电信号随两种疲劳状态敏感变化并且具有较明确生理意义,故这两种电生理信号特征均有望成为研究体脑疲劳相互影响并探讨其机制的合适参数。
 
  表1归纳总结了近十年关于体脑疲劳交互影响研究的代表性成果,分别列举了作者/文献序号、年份、诱发方式、选择参数和主要研究结论。如表1所示,虽然早年(2002年)已发现体疲劳会严重影响脑认知,但未引起关注;至近年(2012年)才有较多体脑疲劳交互影响研究出现,诱发方式也多为MVC(体疲劳)与加法运算(脑疲劳)交叉结合;比较突出的是疲劳评价参数的选择明显增多,但研究结果仍较初步。虽然已有研究证实体脑疲劳会相互影响,但其作用机制仍不清楚,亟待深入开展研究。
 
  4体脑疲劳相互影响机制
 
  从中枢神经系统与外周骨骼肌肉相互作用关系来考虑,体疲劳应直接产生于外周肌肉系统,而脑疲劳则主要来源于中枢神经。但外周肌肉系统还需要依靠大脑来控制肢体行为及各部位感触觉信息。因此,脑疲劳是中枢性的,而体疲劳既是中枢性的又是外周性的[20-21].所以,体脑疲劳的相互影响可能发生在中枢神经系统。
 
  Marcora等[7]证明脑疲劳减少体力活动的持续时间是由于脑疲劳增加了被试的疲惫感,导致主观付出能力的下降,而并非由于脑疲劳对肌肉系统的直接影响。
 
  Lorist等[8]提出,体脑疲劳的相互影响可能发生在脑区背外侧的前额叶皮质(dorsolateralprefrontalcortex),因为背外侧前额叶皮质在进行力的收缩和认知任务时都被激活。但是这种相互影响的机制及其发生的神经生物学水平还不明确。
 
  已有研究认为,中枢疲劳主要表现为内部驱动力不足,即中枢神经无力驱动肌肉收缩或认知任务的执行。而这种驱动功能是由脑区基底神经节(basalganglia)调节的。基底神经节位于前脑,与大脑皮质、丘脑和其他脑区有紧密联系。基底神经节包括尾状核、壳核、苍白球、丘脑底核、黑质和红核。
 
  其中,尾核、壳核和苍白球统称为纹状体。基底神经节有很多分立功能,如运动调节、认知、边缘加工、驱动功能等。有研究表明,基底神经节的脑区激活程度在体疲劳状态下发生改变[22].
 
  Lorist等[23]通过认知任务诱发脑疲劳,发现被试疲劳后,大脑对错误信息的监测能力下降,表现在脑电信号的错误负波(errorrelatednegativity,ERN)减少。而ERN是由基底神经节产生的一个相位信号,经边缘回路传递到前额叶扣带回皮质。
 
  ERN减少必然导致大脑不能及时传递错误信息进而调整错误行为。由此可见,基底神经节与脑疲劳的发生有紧密关系。最近的研究表明,基底神经节可以调控睡眠-觉醒行为。动物实验发现基底神经节损伤会破坏老鼠的睡眠,改变老鼠的觉醒程度,这也表明基底神经节可能在体脑疲劳交互过程中起到重要作用[24].
 
  神经生物学研究指出:与疲劳有关的结构包括唤醒系统、睡眠控制系统,以及在奖赏通路中起重要作用的区域。在人脑功能成像的研究中,目前关于疲劳脑区还没有得到一致的结论,但是公认的在疲劳调节方面起重要作用的脑区有纹状体及皮质区域。中枢神经系统有很多回路,其中运动回路和复杂回路连接了基底神经节和大脑皮质,使基底神经节的输出最终映射到前额叶皮质。在神经细胞水平上,目前从有关动物实验模型得知:当疲劳感增加时,会导致大脑小神经胶质细胞激活或细胞因子和趋化因子的增加[25].
 
  此外,从神经递质方面考虑,与基底神经节有关的神经递质有多巴胺,其神经通路发自黑质,到达壳核和尾核。多巴胺是奖赏通路的最终递质,同时也是第一个被验证在中枢性疲劳中起作用的神经递质[26].研究表明,脑疲劳后大脑内多巴胺含量下降[27].所以,基底神经节及多巴胺可能是揭示脑疲劳和体脑疲劳相互影响的神经生理学机制之关键所在。毋容置疑,阐明基底神经节作用功能和多巴胺释放机理对解读体脑疲劳交互影响的神经机制有重要意义。
 
  5难点与展望
 
  近几年体脑疲劳交互影响及神经机制研究正方兴未艾,虽然其重要的科学意义和应用价值已受到密切关注,但是有关基础理论与实际应用尚存在诸多问题,其难点有:
 
  ①疲劳诱发实验方面,因不同任务诱发的疲劳特征多有差异,体疲劳与脑疲劳诱发条件及效果也不尽相同,故实验中难以按计划获得体疲劳与脑疲劳诱发效果,更难同时达到体脑疲劳,故目前还没有一个有效的体脑疲劳诱发模型。如何设计最佳的疲劳诱发实验,建立泛化能力强、贴近实际工作的疲劳模型是当务之急。
 
  ②疲劳评价参数方面,因疲劳会导致人体心理、生理状态变化,从而引起相应疲劳监测指标参数的变化,加之不同人的疲劳敏感度不尽相同等个体差异因素,使疲劳检测与建模难度增大。如何优选疲劳敏感度、普适性高的参数以削弱或消除个体差异,提供可靠的体脑疲劳评价指标是另一难点。
 
  ③疲劳机制研究方面,与疲劳相关的脑区结构、神经通路及神经递质尚未得到一致确认,体脑疲劳交互影响尚未有统一结论,相关基础研究还远未成熟。
 
  展望未来、任重而道远。今后的体脑疲劳相互影响及机制研究拟在疲劳诱发实验设计、疲劳评价参数优选和疲劳机制建模等几方面做深入探讨和进一步完善,为航空航天、道路交通、临床手术、人机交互等高负荷工作任务的设计提供科学依据和理论指导,为复杂环境场所下人的疲劳监测、疲劳对抗提供科学方法和技术支撑,并将显示其积极深远的应用前景和广泛深入的社会效益。
 
  参考文献
 
  [1]NAKAGAWAS,SUGIURAM,AKITSUKIY,etal.Com-pensatoryeffortparallelsmidbraindeactivationduringmentalfatigue:anfMRIstudy[J].PLoSOne,2013,8(2):e56606.
 
  [2]GRANDJEANE.Fittingthetasktotheman[M].London:TaylorFrancis,1981.
 
  [3]BOURNESK,WALCOTTBP,SHETHSA,etal.Neuro-logicalsurgery:theinfluenceofphysicalandmentaldemandsonhumansperformingcomplexoperations[J].JClinNeu-rosci,2013,20(3):342-348.
 
  [4]MEHTARK,AGNEWMJ.Influenceofmentalworkloadonmuscleendurance,fatigue,andrecoveryduringintermit-tentstaticwork[J].EurJApplPhysiol,2012,112(8):2891-2902.

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