持续湿热暴露下人体认知表现的响应规律分析*

朱 辉 胡松涛 刘国丹 王海英

(青岛理工大学,青岛)

0 引言

全球变暖带来了越来越多的极端气候事件,热浪便是近年来出现非常频繁的一种气候事件,给人们的健康带来了极大挑战,并且热浪的强度和持续时间不断增加[1],导致更频繁和长期的人体湿热暴露[2]。因此,人们不得不在湿热环境中停留更长时间,可能会导致严重的健康问题,包括中暑、脱水、热射病,甚至死亡,且可能引发认知能力受损和行为障碍。据报道,因热浪事件导致的死亡率[3]和住院人数[4]逐年增加,尤其是在发展中国家。

认知能力衰减是湿热暴露所导致的健康问题的一个重要方面。在以往学者的研究过程中,常采用客观认知表现来评价认知能力的变化。认知表现指人体大脑的信息处理效率,由速度、准确性和注意力需求来表示[5]。研究发现,湿热暴露引起的热应激会影响神经系统的功能,从而导致认知表现降低、认知能力受损。Bruce-Low等人通过试验研究,指出环境温度的升高会引起心率变异性变化,从而提高焦虑水平、损伤情绪和创造力及认知表现[6]。Cui等人[7]和Cian等人[8-9]分别在高温(32、45 ℃)下进行了反应时间和记忆测试,同样观察到平均反应时间增加了,并且发现在高温下短期记忆测试中获得的最大字符串长度显著减小。然而,也有少数研究得出了不同的结果,如Jiang等人的研究证明,受试者在50 ℃时进行模式匹配测试的正确率与22 ℃时相比没有显著变化[10];Vasmatzidis等人的研究表明,在24.8、30.1、31.0、36.3、37.0、44.0 ℃环境温度下受试者的总体认知表现未出现显著变化[11]。

②上统主要分布于测区东部南岸—三门江林场之间，东南部大塘口附近及广安—通天岩、柳城凤山摩天岭一带亦有少量分布，岩石地层单位分合山组和大隆组，主要有合山组(P3h)和大隆组(P3d)。

在建筑热环境研究领域,物理环境对人体热舒适和热感觉的影响被认为是认知表现变化的原因之一。Lan等人发现偏热环境会显著降低受试者的热舒适、加剧病态建筑综合征(SBS),从而降低人的认知表现[12]。Liu等人的研究同样表明,在37 ℃的环境下进行中度强度运动45 min后,受试者的语义干扰和视觉感知测试的准确性显著降低,但反应速度会变快[13]。Wyon等人总结了环境温度与认知表现的关联,提出热不舒适引起的注意力降低、SBS增强、新陈代谢产热减弱引起的唤醒水平降低这3个因素会引起认知表现衰减[14]。

除了上述实验室研究外,在实际沙漠环境中进行的一项关于士兵认知能力的实地研究表明,炎热气候会引起士兵认知能力受损,尤其是对于需要持续的注意力、神经运动能力、语言记忆和执行功能的认知能力[15]。此外针对办公场所打字员的调查发现,男性受试者在33 ℃环境下进行文本输入时正确率显著降低[16],在50 ℃时模式识别和空间跨度测试的正确率比20 ℃时显著降低[17]。

基于以上分析可知,目前的研究发现,湿热环境通过影响人的神经系统功能,以及人的主观热舒适、热感觉等方面来影响人的认知表现,最终导致认知能力损伤。然而,目前的研究往往采用有限种类的任务(1～3种认知任务)来研究人体认知变化情况,与人们日常实际面对的多种认知需求存在差距。同时,所采用的湿热暴露时间有待加长,以便更好地观察持续湿热暴露下的认知变化规律。此外,由于湿热暴露的极限性,目前的研究一般以热暴露居多,关于湿热暴露的研究有待补充。考虑到人们在日常工作中可能经常面临多种认知任务同时刺激,本文选择了5种不同类型的认知任务,研究持续暴露于4种不同湿热环境中、处理多种认知任务时受试者认知表现的变化。本文研究的创新性在于采用了多认知任务持续刺激的方法来探索湿热暴露下的认知变化规律,与研究现状中的单任务或1～3种任务相比,多种认知任务更加符合人们日常生活和工作中认知需求的真实情况,因此该研究更具实用价值;另外,重点观察了多认知任务和湿热暴露持续刺激下人体认知表现随暴露时间的变化规律,这是目前研究中往往被忽略的方面。在当前全球变暖的大背景下,该研究对于深化湿热环境暴露下人体的认知表现乃至工作效率的变化规律的理解,以及认知衰减的环境干预技术等方面具有理论指导意义。

1 方法与材料

该研究共招募了14名右利手男性受试者,年龄(21.6±1.8)岁、身高(173.1±6.4)cm、体质量(64.8±5.5)kg、身体质量指数(21.6±1.2) kg/m2。试验前对受试者进行全面体检,排除患有心血管疾病或隐性精神障碍的受试者。试验前进行一次培训,使受试者更好地理解试验内容,尤其是认知任务的操作。受试者在试验期间不允许饮酒、食用咖啡因或服药。在每次测试的前一天,不允许进行剧烈运动。所有的受试者均为自愿参与,并按小时给予报酬。同时所有受试者在试验前认真阅读并签署了知情同意书。该研究已经通过伦理审查。

该结果不同于以往其他关于人体认知表现的研究。相对认知表现出现U形分布的可能原因为:环境温度越高,人体针对环境应激的适应性变化出现得越早,以优先人体生理层面的平衡,而忽略了认知任务的优先等级;但在出现了认知表现的最低值后,随着认知任务的继续,受试者精神层面可能出现代偿效应,表现为交感神经兴奋度增高[30],产生了战斗逃跑效应[31];同时,湿热暴露引起的体温升高可能引起唤醒水平增高[26],其相对认知表现增高,甚至在150 min时依然未出现衰减趋势。需要注意的是,第120～150 min(第5段测试)时受试者依然保持较高的认知表现,原因也可能与心理层面的扇贝效应[25]有关。此时的高认知表现只可能短时间存在,属于良性应激反应[32],在短暂的高认知表现后可能会快速降低。

近年来，我校在教师中倡导和践行“四有”好老师和“德艺双馨”教师的标准和理念，对师德建设工作进行总体规划与部署，出台并实施《教师师德师风建设实施办法》《教师师德考核办法》等制度，建立健全考核机制，并将考核结果作为教师年度考核、职务聘任和评优奖励的重要依据，实行师德“一票否决制”，以制度和机制保障师德师风建设，学校形成了良好的师德师风氛围。

通过试验观察到认知测试结果(反应时间、正确率)随环境温度的变化,并基于此分析了受试者暴露于32、35、38、41 ℃时的认知表现与26 ℃时认知表现的比值(即相对认知表现)随环境温度和暴露时间的变化特征。

由图2a可知,在32、35、38 ℃的湿热暴露下,受试者的平均反应时间均显著高于26 ℃中性环境下的基线值;受试者完成各组认知任务的平均反应时间随环境温度的升高而增加,其中35 ℃时的反应时间与32 ℃时存在显著性差异,但环境温度高于35 ℃后反应时间的增加速率逐渐降低,不再具有显著性差异。该研究发现在环境温度低于35 ℃时反应时间增加的现象与以往的研究结论一致[12-13],说明环境温度的提高加剧了受试者的应激水平,导致受试者无法专注于认知测试,需要投入更多的努力才能保证一定的反应时间。

湿热暴露下受试者存在严重生理性发汗,导致的失水可能引起电解质失衡,从而导致核心温度升高。为了排除该影响因素,试验过程中定时给受试者补充生理盐水:分别在受试者进入环境舱、完成每段认知测试后提供200 mL生理盐水[23]。试验测试期间严格禁止饮水。此外,试验过程中不允许有行为性热调节活动(如加减衣服、借用风扇散热等)。试验过程中采用便携式心肺监护仪实时监测受试者的心率和呼吸频次,避免热应激带来的风险。该研究涉及的人体试验严格遵循赫尔辛基宣言(涉及人体受试者的医学研究伦理原则),所有受试者都可以在任何时段退出试验。

2 结果与讨论

考虑到人们在日常工作中通常需要处理一些具有多种认知需求的任务,因此选择了5种认知任务来模拟真实工作,包括Posner Cueing测试(T1)、Deary-Liewald测试(T2)、N-back测试(T3)、Wisconsin Card Sorting测试(T4)、Visual Search测试(T5),它们分别对应于注意力、选择反应时间、工作记忆、执行功能及神经运动速度5类认知能力[19]。这些认知测试通过开源PsytoolKit平台设计[20]:通过登录平台账号,调取这5类认知任务,并按照试验设计来确定子任务T1、T2、T3、T4、T5的顺序。认知测试的数据(正确率、反应时间)的自动获取也通过该平台。

2.1 反应时间随环境温度的变化规律

对于一个国家，地理信息技术在大数据化的影响下，会对我国的政府的政策方针提供有力支持，每个国家领导人、每个决策执行者在需要作出决策时，都需要大数据的支持，没有任何一个决定是在盲目无知的情况下作出的。政府的政策方针关系着人民群众的切实利益的关键因素，因此，大数据对测绘地理信息服务的影响是很深远的。

图2 认知测试反应时间与环境温度的关系

试验设计总时长为180 min,包括30 min的湿热适应期和150 min试验测试期(多认知任务持续刺激期)。为了消除受试者之间的相互潜在影响,每组湿热暴露只有1名受试者进入环境舱来参与试验。受试者在试验前15 min到达实验室,进入环境舱进行30 min的湿热环境适应,适应期间受试者被要求进行认知测试练习,以消除正式试验阶段由于学习效应[21]带来的误差。150 min的认知试验测试期平均分为5段,每段任务包含5种认知测试(子任务),且每段任务中子任务的顺序不同并遵循拉丁方设计[22],以消除子任务顺序可能产生的影响。4种湿热环境下,各段任务的测试内容为: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)。在每组温度的湿热暴露下,每名受试者将在大约20 min内完成每段试验测试任务,此后他们有近10 min的休息时间,然后开始下一段认知测试,直至主动放弃。当每位受试者在每组湿热暴露温度下完成所有5段测试并离开环境舱后(亦可主动放弃提前离开),下一位受试者才能进入环境舱开始该湿热环境下的暴露试验。试验流程如图1所示。

由图2b可以看出,受试者完成各段任务所需时间的次序为:第1～3段任务反应时间依次递增,之后第4段任务的平均反应时间降低至第1段的水平,第5段任务的平均反应时间最短。考虑到每段认知测试采用了拉丁方设计来排除序列的影响,同时考虑到正式试验开始前受试者已经适应湿热环境和练习过认知任务,可以排除学习效应对反应时间的影响[24],因此可以推断受试者在正式试验中每段30 min有限的时间内完成测试时,具有较明显的时间压力,导致在前3段任务的反应时间逐渐增加。在前3段任务后,反应时间逐渐回落到第1段的水平,说明受试者已经适应时间压力。第5段测试的平均反应时间最短,这可以采用扇贝效应[25]进行解释,即受试者了解了即将完成最后1段测试离开该湿热环境,投入了更多的主观努力,因此反应时间变短。但不排除受试者无法耐受该湿热环境,通过牺牲正确率来获得较短的反应时间,从而达到加速完成测试而逃离湿热暴露的目的,此时反应时间的缩短必须结合正确率来综合分析。

2.2 正确率随环境温度的变化规律

图3显示了受试者完成各组认知测试的平均正确率随环境温度的变化。由图3a可知:不同环境温度下各段任务的平均正确率均低于26 ℃时的,并且随着环境温度的升高,平均正确率均出现持续降低;但当环境温度高于35 ℃后,降低程度不具备显著性;41 ℃时的正确率虽然下降幅度大,但是样本量有限,本文不进行分析。

图3 认知测试正确率与环境温度的关系

由图3b可知,受试者完成各段认知任务正确率的次序为:第1～3段任务(0～90 min)的正确率依次降低,第4段任务(90～120 min)的平均正确率开始回升至第2段(30～60 min)的水平,第5段任务(120～150 min)的平均正确率最高。结合图2b的分析,第5段任务的认知测试平均反应时间最短、平均正确率也最高,意味着此时受试者具备较高的认知水平,其原因从心理学层面可归因于扇贝效应[25];从生理学的角度,可能是因为高温环境在一定程度上提高了受试者的体温,导致了较高的唤醒水平[26],此时反而具有相对较高的认知能力。

2.3 认知表现在湿热暴露下的响应特征

该研究中认知表现的计算方法可参考文献[27]。将计算得到的认知表现与26 ℃时的基线认知表现相比,其比值即为各湿热环境下受试者的相对认知表现。相对认知表现与环境温度的关系见图4。由图4可知:受试者在32～41 ℃的环境暴露下,相对于26 ℃中性环境,认知表现随环境温度升高而降低;尤其是环境温度从32 ℃升到35 ℃时,相对认知表现从93.4%下降到92.1%,并且下降程度具有显著性(p<0.05);当环境温度继续升高时,相对认知表现持续降低,但下降程度在统计学上不具备显著性。需要注意的是,在41 ℃的环境温度下仅有3名受试者完成了前3段的认知任务,因此41 ℃条件下的认知变化规律有待进一步研究。

图4 相对认知表现与环境温度的关系

1．农技推广工作经验丰富，热心园艺技术推广，熟悉当地园艺产业状况和园艺科技应用情况，有一定的写作能力。

图5显示了相对认知表现随暴露时间的变化。由图5可知:相对认知表现随暴露时间呈近似U形分布;环境温度越高,U形曲线的最低点出现越早,在32 ℃环境温度下,认知表现最低点出现在约115 min,35 ℃环境温度时出现在约85 min,而38 ℃时则出现在70 min左右。

图2给出了受试者在4种湿热环境和中性环境下进行各组认知测试的平均反应时间与环境温度的关系。由于在41 ℃的环境暴露下,仅有3名受试者完成了前3段认知测试(0～90 min),因此仅在图2中给出41 ℃的结果,而未对该条件下的结果进行讨论。

图5 相对认知表现与暴露时间的关系

该研究在4种环境温度(32、35、38、41 ℃)下进行,相对湿度均为70%,并选择ANSI/ASHRAE Standard 55-2020[18]推荐的温度26 ℃、相对湿度60%的热中性环境作为基线环境条件,用于对比湿热暴露下认知表现的变化。试验所需的湿热环境由环境舱营造,其尺寸为4 000 mm×3 600 mm×4 250 mm(长×宽×高),可保证温度偏差在±0.5 ℃以内,相对湿度偏差在±3%以内。

产生图4中现象的原因可能有两方面:首先,该研究发现的认知表现随环境温度升高而降低的现象与之前的研究结果一致[28-29],因此可以推断环境温度对认知表现具有负面作用;其次,当环境温度高于35 ℃后认知表现的降低并未出现统计学上的显著性,其原因可能在于环境温度高于35 ℃后,身体的环境应激水平出现适应性改变以保证生理层面的平衡(如加强自主性热调节),此时认知水平的保持不再是人体的首要选择。因此环境温度35 ℃以上时受试者的平均相对认知表现显著低于32 ℃时的水平。

3 结论

该研究采用试验方法探索了湿热环境持续暴露时多种认知任务刺激下人体认知表现的变化。该研究最突出的发现为:人的认知表现并不会在持续湿热暴露下随暴露时间单调地降低。

假期回国，我突然发现母亲有时候做菜淡，有时候做菜咸。她平静地说，味觉退化了。那一刻，我第一次发现——父母亲是会老的，而我陪伴他们，和他们一起吃一顿饭，或者亲自给他们做一顿饭的时间竟然是那么有限。而当我回家了，有出息了，能请他们吃上山珍海味的时候，他们恐怕已经不在乎那些珍馐奇味了。

1) 受试者的平均反应时间随环境温度的升高而增加,而平均正确率则随环境温度的升高而降低,但在35～38 ℃时降低速率开始变得平缓。

面向自然灾害的应急物联网要求具有远距离通信、局域网自组网、精确定位等功能.在远距离通信方面，针对进入受灾区域的大量人员、无人搜救设备一般具有运动性强和活动范围广的特点，受灾区域前期物联网建设中未失效的信息感知节点分散而孤立的特点，以及上述所有全信息感知设备异构的特点，在缺少地面固定通信基站的情况下，研究受灾区域全信息可靠、节能地远距离传输方法是必要的.

2) 认知试验前3段的平均正确率持续降低、平均反应时间持续变长,但在后2段正确率开始回升、平均反应时间也逐渐变短。

目前所做的酒店项目基本都要求接入RCU客控系统，通过将客控系统的联网接入前台PMS系统中，以实现根据客房入住情况对客房内空调的远程控制。当客房为空置状态，风机盘管就会切换到低速运转状态，客房温度会保持在低于酒店正常舒适一定范围内，实现节电节能；当有客人入住时，风机盘管将切换到高速运转状态，以尽快将客房温度调节到正常舒适的范围；客人入住后，为满足不同客人的个性化需求，风机盘管面板权限为开放状态，方便客人手动调节使用。

3) 平均相对认知表现随环境温度的升高呈降低趋势,但比较意外的是,研究发现相对认知表现在整个暴露时段内呈U形分布,且环境温度越高,U形曲线最低点(即认知水平最低点)对应的时间越靠前。相对认知表现在暴露时间后段的升高可能与高温引起的唤醒水平增高,以及扇贝效应、战斗逃跑效应等心理因素有关。

该研究对湿热暴露中人的认知能力、工作效率的评价,工作计划的科学制定具有理论指导意义,如借鉴该试验方法可对长期湿热暴露人群的认知能力进行评测,判断其继续工作的可行性。或者用于湿热暴露下人的工作计划的科学制定,保证作业人员在作业期间认知最低点前移,从而确保大部分工作时间处于高认知水平期,以保障较高的工作效率。

该研究的局限在于:选择了14名右利手年轻男性受试者作为试验样本。一方面试验样本量有限,所得到的认知变化规律需要经过更大样本量的试验验证;另一方面,由于样本均为男性受试者,因此结论的普适性有待考证,是否对左利手、不同性别、不同年龄的群体适用,还需要在未来的研究中进行补充。