持續濕熱暴露下人體認知表現的響應規律分析*

朱 輝 胡松濤 劉國丹 王海英

(青島理工大學,青島)

0 引言

全球變暖帶來了越來越多的極端氣候事件,熱浪便是近年來出現非常頻繁的一種氣候事件,給人們的健康帶來了極大挑戰,并且熱浪的強度和持續時間不斷增加[1],導致更頻繁和長期的人體濕熱暴露[2]。因此,人們不得不在濕熱環境中停留更長時間,可能會導致嚴重的健康問題,包括中暑、脫水、熱射病,甚至死亡,且可能引發認知能力受損和行為障礙。據報道,因熱浪事件導致的死亡率[3]和住院人數[4]逐年增加,尤其是在發展中國家。

認知能力衰減是濕熱暴露所導致的健康問題的一個重要方面。在以往學者的研究過程中,常采用客觀認知表現來評價認知能力的變化。認知表現指人體大腦的信息處理效率,由速度、準確性和注意力需求來表示[5]。研究發現,濕熱暴露引起的熱應激會影響神經系統的功能,從而導致認知表現降低、認知能力受損。Bruce-Low等人通過試驗研究,指出環境溫度的升高會引起心率變異性變化,從而提高焦慮水平、損傷情緒和創造力及認知表現[6]。Cui等人[7]和Cian等人[8-9]分別在高溫(32、45 ℃)下進行了反應時間和記憶測試,同樣觀察到平均反應時間增加了,并且發現在高溫下短期記憶測試中獲得的最大字符串長度顯著減小。然而,也有少數研究得出了不同的結果,如Jiang等人的研究證明,受試者在50 ℃時進行模式匹配測試的正確率與22 ℃時相比沒有顯著變化[10];Vasmatzidis等人的研究表明,在24.8、30.1、31.0、36.3、37.0、44.0 ℃環境溫度下受試者的總體認知表現未出現顯著變化[11]。

②上統主要分布于測區東部南岸—三門江林場之間，東南部大塘口附近及廣安—通天巖、柳城鳳山摩天嶺一帶亦有少量分布，巖石地層單位分合山組和大隆組，主要有合山組(P3h)和大隆組(P3d)。

在建筑熱環境研究領域,物理環境對人體熱舒適和熱感覺的影響被認為是認知表現變化的原因之一。Lan等人發現偏熱環境會顯著降低受試者的熱舒適、加劇病態建筑綜合征(SBS),從而降低人的認知表現[12]。Liu等人的研究同樣表明,在37 ℃的環境下進行中度強度運動45 min后,受試者的語義干擾和視覺感知測試的準確性顯著降低,但反應速度會變快[13]。Wyon等人總結了環境溫度與認知表現的關聯,提出熱不舒適引起的注意力降低、SBS增強、新陳代謝產熱減弱引起的喚醒水平降低這3個因素會引起認知表現衰減[14]。

除了上述實驗室研究外,在實際沙漠環境中進行的一項關于士兵認知能力的實地研究表明,炎熱氣候會引起士兵認知能力受損,尤其是對于需要持續的注意力、神經運動能力、語言記憶和執行功能的認知能力[15]。此外針對辦公場所打字員的調查發現,男性受試者在33 ℃環境下進行文本輸入時正確率顯著降低[16],在50 ℃時模式識別和空間跨度測試的正確率比20 ℃時顯著降低[17]。

基于以上分析可知,目前的研究發現,濕熱環境通過影響人的神經系統功能,以及人的主觀熱舒適、熱感覺等方面來影響人的認知表現,最終導致認知能力損傷。然而,目前的研究往往采用有限種類的任務(1～3種認知任務)來研究人體認知變化情況,與人們日常實際面對的多種認知需求存在差距。同時,所采用的濕熱暴露時間有待加長,以便更好地觀察持續濕熱暴露下的認知變化規律。此外,由于濕熱暴露的極限性,目前的研究一般以熱暴露居多,關于濕熱暴露的研究有待補充?？紤]到人們在日常工作中可能經常面臨多種認知任務同時刺激,本文選擇了5種不同類型的認知任務,研究持續暴露于4種不同濕熱環境中、處理多種認知任務時受試者認知表現的變化。本文研究的創新性在于采用了多認知任務持續刺激的方法來探索濕熱暴露下的認知變化規律,與研究現狀中的單任務或1～3種任務相比,多種認知任務更加符合人們日常生活和工作中認知需求的真實情況,因此該研究更具實用價值;另外,重點觀察了多認知任務和濕熱暴露持續刺激下人體認知表現隨暴露時間的變化規律,這是目前研究中往往被忽略的方面。在當前全球變暖的大背景下,該研究對于深化濕熱環境暴露下人體的認知表現乃至工作效率的變化規律的理解,以及認知衰減的環境干預技術等方面具有理論指導意義。

1 方法與材料

該研究共招募了14名右利手男性受試者,年齡(21.6±1.8)歲、身高(173.1±6.4)cm、體質量(64.8±5.5)kg、身體質量指數(21.6±1.2) kg/m2。試驗前對受試者進行全面體檢,排除患有心血管疾病或隱性精神障礙的受試者。試驗前進行一次培訓,使受試者更好地理解試驗內容,尤其是認知任務的操作。受試者在試驗期間不允許飲酒、食用咖啡因或服藥。在每次測試的前一天,不允許進行劇烈運動。所有的受試者均為自愿參與,并按小時給予報酬。同時所有受試者在試驗前認真閱讀并簽署了知情同意書。該研究已經通過倫理審查。

該結果不同于以往其他關于人體認知表現的研究。相對認知表現出現U形分布的可能原因為:環境溫度越高,人體針對環境應激的適應性變化出現得越早,以優先人體生理層面的平衡,而忽略了認知任務的優先等級;但在出現了認知表現的最低值后,隨著認知任務的繼續,受試者精神層面可能出現代償效應,表現為交感神經興奮度增高[30],產生了戰斗逃跑效應[31];同時,濕熱暴露引起的體溫升高可能引起喚醒水平增高[26],其相對認知表現增高,甚至在150 min時依然未出現衰減趨勢。需要注意的是,第120～150 min(第5段測試)時受試者依然保持較高的認知表現,原因也可能與心理層面的扇貝效應[25]有關。此時的高認知表現只可能短時間存在,屬于良性應激反應[32],在短暫的高認知表現后可能會快速降低。

近年來，我校在教師中倡導和踐行“四有”好老師和“德藝雙馨”教師的標準和理念，對師德建設工作進行總體規劃與部署，出臺并實施《教師師德師風建設實施辦法》《教師師德考核辦法》等制度，建立健全考核機制，并將考核結果作為教師年度考核、職務聘任和評優獎勵的重要依據，實行師德“一票否決制”，以制度和機制保障師德師風建設，學校形成了良好的師德師風氛圍。

通過試驗觀察到認知測試結果(反應時間、正確率)隨環境溫度的變化,并基于此分析了受試者暴露于32、35、38、41 ℃時的認知表現與26 ℃時認知表現的比值(即相對認知表現)隨環境溫度和暴露時間的變化特征。

由圖2a可知,在32、35、38 ℃的濕熱暴露下,受試者的平均反應時間均顯著高于26 ℃中性環境下的基線值;受試者完成各組認知任務的平均反應時間隨環境溫度的升高而增加,其中35 ℃時的反應時間與32 ℃時存在顯著性差異,但環境溫度高于35 ℃后反應時間的增加速率逐漸降低,不再具有顯著性差異。該研究發現在環境溫度低于35 ℃時反應時間增加的現象與以往的研究結論一致[12-13],說明環境溫度的提高加劇了受試者的應激水平,導致受試者無法專注于認知測試,需要投入更多的努力才能保證一定的反應時間。

濕熱暴露下受試者存在嚴重生理性發汗,導致的失水可能引起電解質失衡,從而導致核心溫度升高。為了排除該影響因素,試驗過程中定時給受試者補充生理鹽水:分別在受試者進入環境艙、完成每段認知測試后提供200 mL生理鹽水[23]。試驗測試期間嚴格禁止飲水。此外,試驗過程中不允許有行為性熱調節活動(如加減衣服、借用風扇散熱等)。試驗過程中采用便攜式心肺監護儀實時監測受試者的心率和呼吸頻次,避免熱應激帶來的風險。該研究涉及的人體試驗嚴格遵循赫爾辛基宣言(涉及人體受試者的醫學研究倫理原則),所有受試者都可以在任何時段退出試驗。

2 結果與討論

考慮到人們在日常工作中通常需要處理一些具有多種認知需求的任務,因此選擇了5種認知任務來模擬真實工作,包括Posner Cueing測試(T1)、Deary-Liewald測試(T2)、N-back測試(T3)、Wisconsin Card Sorting測試(T4)、Visual Search測試(T5),它們分別對應于注意力、選擇反應時間、工作記憶、執行功能及神經運動速度5類認知能力[19]。這些認知測試通過開源PsytoolKit平臺設計[20]:通過登錄平臺賬號,調取這5類認知任務,并按照試驗設計來確定子任務T1、T2、T3、T4、T5的順序。認知測試的數據(正確率、反應時間)的自動獲取也通過該平臺。

2.1 反應時間隨環境溫度的變化規律

對于一個國家，地理信息技術在大數據化的影響下，會對我國的政府的政策方針提供有力支持，每個國家領導人、每個決策執行者在需要作出決策時，都需要大數據的支持，沒有任何一個決定是在盲目無知的情況下作出的。政府的政策方針關系著人民群眾的切實利益的關鍵因素，因此，大數據對測繪地理信息服務的影響是很深遠的。

圖2 認知測試反應時間與環境溫度的關系

試驗設計總時長為180 min,包括30 min的濕熱適應期和150 min試驗測試期(多認知任務持續刺激期)。為了消除受試者之間的相互潛在影響,每組濕熱暴露只有1名受試者進入環境艙來參與試驗。受試者在試驗前15 min到達實驗室,進入環境艙進行30 min的濕熱環境適應,適應期間受試者被要求進行認知測試練習,以消除正式試驗階段由于學習效應[21]帶來的誤差。150 min的認知試驗測試期平均分為5段,每段任務包含5種認知測試(子任務),且每段任務中子任務的順序不同并遵循拉丁方設計[22],以消除子任務順序可能產生的影響。4種濕熱環境下,各段任務的測試內容為:第1段0～30 min(T1、T2、T5、T3、T4);第2段30～60 min(T2、T3、T1、T4、T5);第3段60～90 min(T3、T4、T2、T5、T1);第4段90～120 min(T4、T5、T3、T1、T2);第5段120～150 min(T5、T1、T4、T2、T3)。在每組溫度的濕熱暴露下,每名受試者將在大約20 min內完成每段試驗測試任務,此后他們有近10 min的休息時間,然后開始下一段認知測試,直至主動放棄。當每位受試者在每組濕熱暴露溫度下完成所有5段測試并離開環境艙后(亦可主動放棄提前離開),下一位受試者才能進入環境艙開始該濕熱環境下的暴露試驗。試驗流程如圖1所示。

由圖2b可以看出,受試者完成各段任務所需時間的次序為:第1～3段任務反應時間依次遞增,之后第4段任務的平均反應時間降低至第1段的水平,第5段任務的平均反應時間最短?？紤]到每段認知測試采用了拉丁方設計來排除序列的影響,同時考慮到正式試驗開始前受試者已經適應濕熱環境和練習過認知任務,可以排除學習效應對反應時間的影響[24],因此可以推斷受試者在正式試驗中每段30 min有限的時間內完成測試時,具有較明顯的時間壓力,導致在前3段任務的反應時間逐漸增加。在前3段任務后,反應時間逐漸回落到第1段的水平,說明受試者已經適應時間壓力。第5段測試的平均反應時間最短,這可以采用扇貝效應[25]進行解釋,即受試者了解了即將完成最后1段測試離開該濕熱環境,投入了更多的主觀努力,因此反應時間變短。但不排除受試者無法耐受該濕熱環境,通過犧牲正確率來獲得較短的反應時間,從而達到加速完成測試而逃離濕熱暴露的目的,此時反應時間的縮短必須結合正確率來綜合分析。

2.2 正確率隨環境溫度的變化規律

圖3顯示了受試者完成各組認知測試的平均正確率隨環境溫度的變化。由圖3a可知:不同環境溫度下各段任務的平均正確率均低于26 ℃時的,并且隨著環境溫度的升高,平均正確率均出現持續降低;但當環境溫度高于35 ℃后,降低程度不具備顯著性;41 ℃時的正確率雖然下降幅度大,但是樣本量有限,本文不進行分析。

圖3 認知測試正確率與環境溫度的關系

由圖3b可知,受試者完成各段認知任務正確率的次序為:第1～3段任務(0～90 min)的正確率依次降低,第4段任務(90～120 min)的平均正確率開始回升至第2段(30～60 min)的水平,第5段任務(120～150 min)的平均正確率最高。結合圖2b的分析,第5段任務的認知測試平均反應時間最短、平均正確率也最高,意味著此時受試者具備較高的認知水平,其原因從心理學層面可歸因于扇貝效應[25];從生理學的角度,可能是因為高溫環境在一定程度上提高了受試者的體溫,導致了較高的喚醒水平[26],此時反而具有相對較高的認知能力。

2.3 認知表現在濕熱暴露下的響應特征

該研究中認知表現的計算方法可參考文獻[27]。將計算得到的認知表現與26 ℃時的基線認知表現相比,其比值即為各濕熱環境下受試者的相對認知表現。相對認知表現與環境溫度的關系見圖4。由圖4可知:受試者在32～41 ℃的環境暴露下,相對于26 ℃中性環境,認知表現隨環境溫度升高而降低;尤其是環境溫度從32 ℃升到35 ℃時,相對認知表現從93.4%下降到92.1%,并且下降程度具有顯著性(p<0.05);當環境溫度繼續升高時,相對認知表現持續降低,但下降程度在統計學上不具備顯著性。需要注意的是,在41 ℃的環境溫度下僅有3名受試者完成了前3段的認知任務,因此41 ℃條件下的認知變化規律有待進一步研究。

圖4 相對認知表現與環境溫度的關系

1．農技推廣工作經驗豐富，熱心園藝技術推廣，熟悉當地園藝產業狀況和園藝科技應用情況，有一定的寫作能力。

圖5顯示了相對認知表現隨暴露時間的變化。由圖5可知:相對認知表現隨暴露時間呈近似U形分布;環境溫度越高,U形曲線的最低點出現越早,在32 ℃環境溫度下,認知表現最低點出現在約115 min,35 ℃環境溫度時出現在約85 min,而38 ℃時則出現在70 min左右。

圖2給出了受試者在4種濕熱環境和中性環境下進行各組認知測試的平均反應時間與環境溫度的關系。由于在41 ℃的環境暴露下,僅有3名受試者完成了前3段認知測試(0～90 min),因此僅在圖2中給出41 ℃的結果,而未對該條件下的結果進行討論。

圖5 相對認知表現與暴露時間的關系

該研究在4種環境溫度(32、35、38、41 ℃)下進行,相對濕度均為70%,并選擇ANSI/ASHRAE Standard 55-2020[18]推薦的溫度26 ℃、相對濕度60%的熱中性環境作為基線環境條件,用于對比濕熱暴露下認知表現的變化。試驗所需的濕熱環境由環境艙營造,其尺寸為4 000 mm×3 600 mm×4 250 mm(長×寬×高),可保證溫度偏差在±0.5 ℃以內,相對濕度偏差在±3%以內。

產生圖4中現象的原因可能有兩方面:首先,該研究發現的認知表現隨環境溫度升高而降低的現象與之前的研究結果一致[28-29],因此可以推斷環境溫度對認知表現具有負面作用;其次,當環境溫度高于35 ℃后認知表現的降低并未出現統計學上的顯著性,其原因可能在于環境溫度高于35 ℃后,身體的環境應激水平出現適應性改變以保證生理層面的平衡(如加強自主性熱調節),此時認知水平的保持不再是人體的首要選擇。因此環境溫度35 ℃以上時受試者的平均相對認知表現顯著低于32 ℃時的水平。

3 結論

該研究采用試驗方法探索了濕熱環境持續暴露時多種認知任務刺激下人體認知表現的變化。該研究最突出的發現為:人的認知表現并不會在持續濕熱暴露下隨暴露時間單調地降低。

假期回國，我突然發現母親有時候做菜淡，有時候做菜咸。她平靜地說，味覺退化了。那一刻，我第一次發現——父母親是會老的，而我陪伴他們，和他們一起吃一頓飯，或者親自給他們做一頓飯的時間竟然是那么有限。而當我回家了，有出息了，能請他們吃上山珍海味的時候，他們恐怕已經不在乎那些珍饈奇味了。

1) 受試者的平均反應時間隨環境溫度的升高而增加,而平均正確率則隨環境溫度的升高而降低,但在35～38 ℃時降低速率開始變得平緩。

面向自然災害的應急物聯網要求具有遠距離通信、局域網自組網、精確定位等功能.在遠距離通信方面，針對進入受災區域的大量人員、無人搜救設備一般具有運動性強和活動范圍廣的特點，受災區域前期物聯網建設中未失效的信息感知節點分散而孤立的特點，以及上述所有全信息感知設備異構的特點，在缺少地面固定通信基站的情況下，研究受災區域全信息可靠、節能地遠距離傳輸方法是必要的.

2) 認知試驗前3段的平均正確率持續降低、平均反應時間持續變長,但在后2段正確率開始回升、平均反應時間也逐漸變短。

目前所做的酒店項目基本都要求接入RCU客控系統，通過將客控系統的聯網接入前臺PMS系統中，以實現根據客房入住情況對客房內空調的遠程控制。當客房為空置狀態，風機盤管就會切換到低速運轉狀態，客房溫度會保持在低于酒店正常舒適一定范圍內，實現節電節能；當有客人入住時，風機盤管將切換到高速運轉狀態，以盡快將客房溫度調節到正常舒適的范圍；客人入住后，為滿足不同客人的個性化需求，風機盤管面板權限為開放狀態，方便客人手動調節使用。

3) 平均相對認知表現隨環境溫度的升高呈降低趨勢,但比較意外的是,研究發現相對認知表現在整個暴露時段內呈U形分布,且環境溫度越高,U形曲線最低點(即認知水平最低點)對應的時間越靠前。相對認知表現在暴露時間后段的升高可能與高溫引起的喚醒水平增高,以及扇貝效應、戰斗逃跑效應等心理因素有關。

該研究對濕熱暴露中人的認知能力、工作效率的評價,工作計劃的科學制定具有理論指導意義,如借鑒該試驗方法可對長期濕熱暴露人群的認知能力進行評測,判斷其繼續工作的可行性?；蛘哂糜跐駸岜┞断氯说墓ぷ饔媱澋目茖W制定,保證作業人員在作業期間認知最低點前移,從而確保大部分工作時間處于高認知水平期,以保障較高的工作效率。

該研究的局限在于:選擇了14名右利手年輕男性受試者作為試驗樣本。一方面試驗樣本量有限,所得到的認知變化規律需要經過更大樣本量的試驗驗證;另一方面,由于樣本均為男性受試者,因此結論的普適性有待考證,是否對左利手、不同性別、不同年齡的群體適用,還需要在未來的研究中進行補充。