心理疲劳会调节在模拟飞行过程中、任务需求变化时的脑电图（EEG）微状态动态

《Behavioural Brain Research》：Mental fatigue modulates EEG microstate dynamics during simulated flight with varying task demands

　　脑微状态动态与飞行任务中脑力疲劳及负载的关系研究。通过对30名飞行员进行模拟飞行实验，发现脑力疲劳显著降低微状态D的持续时间、出现率和时间覆盖，且微状态B-C、B-D的转换概率显著变化，而任务负载对微状态参数无显著影响。

　　飞行任务中，飞行员需要处理不断变化的任务负荷以及累积的任务时长，这些因素都会导致心理疲劳的产生。本研究旨在探讨从全球脑网络视角出发，脑微状态的特征是否会在心理疲劳和不同任务负荷下发生显著变化。通过模拟飞行实验，研究人员希望更深入地理解飞行员在执行任务时，大脑活动模式如何受到心理状态的影响。

实验中，招募了三十名健康的男性飞行员学员，他们均来自北京航空航天大学的航空学院，并且具有实际飞行操作经验。所有参与者视力正常或矫正至正常，且无神经系统疾病或近期使用相关药物的历史。为了确保数据质量，参与者被要求在实验前保证充足的睡眠。实验过程中，参与者需完成一项持续1.5小时的模拟飞行任务，其中包括三种任务负荷，以伪随机顺序呈现。整个实验期间，研究人员持续记录了脑电图（EEG）数据，并在每个任务段结束后使用卡罗林斯卡嗜睡量表（KSS）对疲劳程度进行分类。

研究结果显示，随着心理疲劳的出现，微状态D的平均持续时间、出现频率和时间覆盖范围均显著下降。此外，从微状态C和D向B的转换概率也有所降低，而从微状态B向C和D的转换概率则增加。值得注意的是，在整个模拟飞行过程中，任务负荷对微状态参数的影响并未表现出统计学上的显著性。这一发现表明，心理疲劳在模拟飞行中对全球脑网络微状态动态起到了主导作用。

心理疲劳对飞行员的影响是一个重要的航空安全问题。研究表明，心理疲劳主要表现为动机下降、警觉性受损，以及认知功能的显著降低，如注意力不集中、反应时间增加、视觉敏锐度下降以及感到疲惫和易怒。在飞行任务中，飞行员需要处理多种复杂的任务，包括飞行路径控制、监控飞行参数以及识别潜在威胁，这些任务会增加飞行员的认知负荷。长期处于高负荷状态会导致注意力、工作记忆和执行功能的下降，从而显著增加飞行中的决策错误概率。

心理疲劳的产生可能涉及主动和被动两条路径。主动疲劳通常发生在持续的高认知需求下，如在高强度的飞行操作中，大脑需要付出大量控制成本。虽然初期可以通过补偿性努力维持表现，但随着任务时间的延长，这种努力的成本会逐渐增加。被动疲劳则出现在低刺激环境中，外部输入的缺乏会导致注意力漂移和思维游离。持续的低刺激不仅会加剧这种疲劳路径，还可能增加操作错误的风险。在现实飞行中，飞行员可能同时经历这两种路径。

越来越多的证据表明，即使在清醒状态下，大脑也可能出现类似睡眠的活动，产生短暂、局部的“停顿期”，并伴随慢波活动和行为相关的错误表现。此外，在持续任务中，观察到持续约5-15秒的微睡眠事件，这会导致注意力缺失、错误率增加和反应时间延长。随着任务时间的延长和任务条件的不利，局部睡眠压力似乎会以使用依赖的方式积累。同时，低刺激环境会促进思维游离和微睡眠。即使平均表现看似稳定，这两种路径都会削弱警觉性。在类似航空的操作环境中，这种不稳定预计会先于明显的绩效下降。

由于脑电图微状态能够捕捉毫秒级的全球拓扑结构，这些结构反映了大规模的网络动态变化，因此它们为研究任务执行过程中局部睡眠和微睡眠的侵入提供了一个敏感的系统级窗口。当前评估飞行员或驾驶员心理疲劳和任务负荷的方法主要依赖于其与嗜睡的重叠，这种方法未能全面反映心理疲劳的本质。然而，仅基于被动疲劳数据训练的疲劳模型可能无法很好地推广到主动疲劳条件。因此，有必要在不同任务需求下研究警觉和疲劳状态的神经特征，以及它们之间的潜在相互作用。

当前对飞行疲劳和任务负荷的评估主要依赖于主观问卷、生理测量和绩效指标。在这些方法中，脑电图因其直接反映皮层活动，对心理疲劳和认知负荷的变化特别敏感。脑电频率带已被广泛用于评估心理疲劳：β波与警觉性呈正相关，而α波和θ波则与警觉性呈负相关。此外，频率带功率比，如θ/α比，已被确立为评估认知负荷和心理疲劳的重要生理指标。然而，飞行任务涉及多个分布的脑区，仅从单一皮层区域提取的脑电谱特征可能无法全面反映全球脑网络动态的变化。

脑电图微状态反映了全球脑网络活动的动态变化，其特征是持续约60-120毫秒的准稳定拓扑模式。这种方法已被广泛应用于健康人群和临床人群，包括患有精神分裂症、痴呆、幻觉和眩晕的个体。近年来，脑电图微状态分析被用于研究模拟飞行任务中心理疲劳和注意力需求的影响。然而，目前的研究仍然主要局限于持续的单一难度飞行任务或具有二元难度转换的任务范式。相比之下，现实世界中的飞行操作表现出连续的、非平稳的任务负荷波动。在这样的动态条件下，心理疲劳和任务负荷对脑电图微状态动态的复杂交互效应值得进一步研究。

本研究采用三种飞行任务负荷，并在每位参与者中重复进行三次任务块，以确保心理疲劳的可靠诱导。实验中使用KSS和OWL问卷进行主观评分，确认了疲劳的存在以及任务负荷的不同。结果表明，微状态D的平均持续时间、出现频率和时间覆盖范围随着心理疲劳的出现而显著减少。此外，从微状态C和D向B的转换概率也有所降低，而从微状态B向C和D的转换概率则增加。这一发现表明，心理疲劳对大脑网络的动态变化具有显著影响，而任务负荷的变化则未能对微状态参数产生显著影响。

尽管本研究的模拟飞行任务试图更贴近现实飞行环境，但仍存在一些局限性。虽然参与者在模拟飞行的不同任务条件下（如巡航、晴朗天气下的五段飞行和恶劣天气下的五段飞行）报告了明显的主观差异，但所有任务场景主要涉及基本的手动操作流程，缺乏现实飞行中复杂环境和突发状况的模拟。此外，实验中未能完全模拟飞行员在真实飞行中可能面临的多任务处理和高强度操作，这可能影响研究结果的普适性。

研究结果对理解飞行员在长时间任务中的神经机制具有重要意义。通过分析脑电图微状态的变化，可以更精确地评估心理疲劳对大脑网络动态的影响。这不仅有助于识别疲劳状态，还可以为制定有效的疲劳管理策略提供科学依据。此外，研究还揭示了在不同任务负荷下，大脑网络动态的稳定性和变化趋势，为未来的研究提供了新的视角。

本研究的结论表明，在长时间参与飞行任务的过程中，任务负荷对微状态参数的影响并不显著，也没有出现任务负荷与心理疲劳之间的显著交互效应。相反，心理疲劳与微状态D的平均持续时间、出现频率和时间覆盖范围的减少密切相关。此外，从微状态C和D向B的转换概率降低，而从B向C和D的转换概率则增加。这些发现进一步支持了心理疲劳在模拟飞行中对大脑网络动态具有主导作用的观点。

通过本研究，研究人员不仅探索了心理疲劳对脑电图微状态的影响，还强调了在评估飞行疲劳时，考虑任务负荷变化的重要性。由于飞行任务具有高度的动态性和复杂性，单一的评估方法可能无法全面反映飞行员的真实状态。因此，结合多种评估手段，如主观问卷、生理测量和脑电图分析，将有助于更准确地识别和预测心理疲劳的发生。

研究还表明，微状态分析能够提供一种新的视角来理解飞行任务中的神经活动模式。通过观察微状态的变化，可以更直观地了解大脑在不同任务负荷和心理疲劳状态下的动态响应。这一方法不仅适用于飞行员，还可能扩展到其他需要长时间专注的领域，如驾驶、医疗和科研工作。未来的研究可以进一步探索微状态与其他神经指标之间的关系，以及它们在不同任务条件下的变化趋势。

总体而言，本研究为飞行任务中的心理疲劳和任务负荷对大脑网络动态的影响提供了新的证据。通过模拟飞行实验，研究人员能够更真实地再现飞行员在实际操作中的工作环境，从而更准确地评估其心理状态。研究结果不仅有助于理解飞行员在长时间任务中的神经机制，还为制定有效的疲劳管理策略提供了科学依据。此外，研究还强调了在评估飞行疲劳时，需要综合考虑多种因素，包括任务负荷的变化、主观评分和生理数据，以确保评估的全面性和准确性。

在实际应用中，这些研究结果可以为航空安全领域提供重要的参考。通过监测飞行员的脑电图微状态变化，可以更早地识别心理疲劳的发生，从而采取相应的干预措施，提高飞行安全性。此外，研究还揭示了在不同任务条件下，大脑网络动态的稳定性变化，这为未来的研究提供了新的方向。未来的研究可以进一步探索微状态与其他神经活动模式之间的关系，以及它们在不同任务环境下的适应性变化。

通过本研究，研究人员不仅加深了对飞行任务中大脑网络动态变化的理解，还为相关领域的研究提供了新的思路。微状态分析作为一种非侵入性的神经测量方法，具有广泛的应用前景。未来的研究可以结合更多的任务类型和环境条件，以更全面地评估心理疲劳对大脑网络的影响。此外，研究还可以探索微状态与其他心理状态指标之间的关系，如心率变异性、眼动追踪和行为表现，以构建更完整的评估体系。

综上所述，本研究通过模拟飞行实验，揭示了心理疲劳对脑电图微状态的显著影响，而任务负荷的变化则未能对微状态参数产生显著影响。这一发现强调了心理疲劳在模拟飞行中对大脑网络动态的主导作用。未来的研究可以进一步探索微状态与其他神经指标之间的关系，以及它们在不同任务环境下的适应性变化，以构建更全面的评估体系。这些研究结果不仅对航空安全领域具有重要意义，也为其他需要长时间专注的领域提供了有价值的参考。