精神運動警覺性任務在不同知覺負荷下的疲勞狀態監測

張 英 陳 晨 劉振華 胡思源

(北京師范大學心理學部，應用實驗心理北京市重點實驗室，心理學國家級實驗教學示范中心(北京師范大學)，北京 100875)

1 前言

疲勞是一種工作中和生活中司空見慣的現象，是由于過多的腦力、體力投入(Van Cutsem et al.，2017)或疾病(Raaf，Klerk，& Rijt，2013)造成的腦力或/和體力活動能力和有效性下降的心理生理狀態(Phillips，2015；李峰等，2016)，通常伴隨著不舒服、想休息、動機下降的主觀體驗(Ishii，Tanaka，& Watanabe，2014)。疲勞已經被認為是危及職業安全的關鍵因素(Williamson et al.，2011)，尤其是在飛機操控、高速列車駕駛等交通部門，疲勞很有可能造成致命傷害(Connor，2009；Ishii et al.，2014)。疲勞可以分為精神疲勞和體力疲勞(Ishii et al.，2014；Marcora，Staiano，& Manning，2009)。相對于有明顯生理狀態變化的體力疲勞，精神疲勞是指由長時間連續的認知活動或任務引起，涉及行為反應、注意、情緒、動機(Faber，Maurits，& Lorist，2012；Ishii et al.，2014；Marcora et al.，2009；Van Cutsem et al.，2017)等多個維度的心理狀態變化。精神疲勞對客觀行為的影響先于主觀報告(Hockey，2013)，所以從客觀行為指標上對精神疲勞進行有效監測具有重要的理論價值和應用意義。本研究旨在針對具體認知任務，從客觀行為上對被試的精神疲勞狀態的變化進行監測，細致分析不同任務水平下的精神疲勞狀態對行為表現的影響。

精神疲勞對行為表現的影響主要表現為執行控制能力降低，警覺水平下降，以及加工速度減緩等方面。已有研究表明，精神疲勞導致注意切換的靈活性(Lorist et al.，2000)和最優計劃(Van der Linden，Frese，& Meijman，2003)等自上而下控制能力的降低(Lorist，2008)。精神疲勞從不同方面影響被試的注意水平，導致被試對干擾刺激的忽視(Csathó，Van Der Linden，Hernádi，Buzás，& Kalmár，2012)、無關信息的抑制(Faber et al.，2012)、局部特征的加工(Van der Linden & Eling，2006)等能力顯著下降。精神疲勞也導致警覺下降(Mackworth，1948)，觀察者在枯燥無趣，沒有挑戰(比如，雷達信號監測、汽車駕駛)的任務中，警覺水平隨著時間的增加而降低，導致對目標刺激的敏感性下降，客觀行為上表現為完成任務的反應時變慢和錯誤率上升(See，Howe，Warm，& Dember，1995)。

疲勞對行為的影響與任務狀態有關。有研究者按照任務負荷水平不同，將疲勞狀態區分為源于認知負荷超載產生的主動疲勞(active fatigue)和源于認知負荷不足引起的被動疲勞(passive fatigue)(Desmond & Hancock，2001)。有研究表明，與復雜任務相比，簡單任務更受精神疲勞影響(Guo，Chen，Zhang，Pan，& Wu，2016；Thomson，Besner，& Smilek，2013)。但也有研究發現，在高需求的認知任務中，被試完成任務的錯誤比例隨著疲勞增加而顯著升高，低認知需求任務中卻不受影響(Haga，Shinoda，& Kokubun，2002；Helton & Russell，2011)。精神疲勞對客觀行為不一致的影響，除了任務水平的差異，可能還源于用于疲勞檢測的任務特征所致。選擇能夠多維度地衡量心理和生理狀態變化、綜合反映疲勞效應的行為任務是研究精神疲勞對行為影響的關鍵。

精神運動警覺性任務(Psychomotor Vigilance Task，簡稱PVT)(Dinges & Powell，1985)是一種廣泛應用于測量被試注意狀態、喚醒水平、警覺變化的行為測試任務，該測試主要通過對突顯信號的及時響應的檢測，評估持續注意能力。通過考察其不同指標變化，可以從生理和心理的不同維度反映疲勞對行為的影響(Dorrian et al.，2005)。測試中常用的行為指標主要有以下四個：(1)最快10%反應時是行為表現中最優表現，反映被試的警覺水平變化(Drummond et al.，2005)。(2)注意忽視是指對刺激響應的延時，反映被試的喚醒水平變化(Dorrian，Rogers，& Dinges，2005；Jung et al.，2011)。(3)平均反應時，測查的是持續任務時間效應，反映認知控制水平變化。(4)最慢10%反應時主要包括忽視范圍內的響應時間，反映個體注意水平的變化(Dinges & Powell，1985；Drummond et al.，2005；Lim & Dinges，2008)。 PVT任務具有操作簡單，學習效應小，受個體差異影響小，能夠很好地減少甚至消除被試間被試內差異等優點(Dinges et al.，1997)。測試的信效度高：注意忽視的重測信度的組內相關系數高達0.89(Dorrian et al.，2005)；對睡眠剝奪(Basner et al.，2008)、興奮藥劑(Walsh，Randazzo，Stone，& Schweitzer，2004)、任務參數(Buckley，Helton，Innes，Dalrymple-Alford，& Jones，2016)等研究反應靈敏。

前人關于精神疲勞對行為表現影響不盡一致的結果，可能源于不同的疲勞引發任務和疲勞探測任務。本研究采用相同的疲勞引發任務，設置不同的負荷水平，同時利用PVT任務的特點，采用雙任務范式(Matthews & Davies，2001)，在引發疲勞的同時探測被試的疲勞狀態。測查不同任務負荷水平是否能夠引起不同的疲勞狀態，并且通過對PVT任務不同指標的測量，考察不同疲勞狀態對行為表現的影響。預期在不同任務水平下，被試都能達到主觀疲勞體驗，而不同的PVT任務指標可以反映不同任務水平下的疲勞狀態。

2 方法

2.1 被試

北京師范大學 44名在校本科生和研究生參與了本實驗，其中男生11名，女生33名。年齡范圍17～30歲，平均年齡為21.38±2.49歲。實驗前一晚平均睡眠時間為7.57±0.70小時，參加實驗之前無明顯睡眠不足，沒有服用精神類藥物，實驗前4小時無咖啡因攝入。所有被試雙眼視力或矯正視力正常，均為右利手。

2.2 儀器和材料

所有刺激材料都用17英寸清華純平CRT顯示器呈現，分辨率為1280×1024，刷新頻率為85Hz。實驗程序采用MATLAB Psychtoolbox-3(Brainard，1997)編制。

視覺搜索任務中，屏幕背景為黑色，刺激畫面為7個白色小圓盤，圓盤中央有黑色大寫英文字母。白色小圓盤位置為圍繞中心的13個等距圓盤中的7個隨機位置，小圓盤視角大小為1.5°，距離屏幕中央視角為5°。字母分別為目標字母：F或J，非目標字母：A C G S V Z O，字母大小為1.35°。精神運動警覺性任務中，刺激為呈現在屏幕中央的紅色注視框內不斷變化的黃色數字，內容為從數字呈現開始計算的當前毫秒數。注視框大小為2.13°×0.98°，數字大小為0.6°。疲勞自評等級為9，1為“完全不疲倦”，9為“極度疲倦”。

2.3 實驗流程

實驗采用2(任務：簡單/復雜)×2(時間：兩個階段)混合設計。其中，任務為被試間變量，時間為被試內變量。因變量為被試對目標刺激的反應時、正確率和疲勞自評報告值。

圖1 實驗流程圖

實驗流程示意圖見圖1。被試分為簡單任務條件組和復雜任務條件組，每組除完成各自任務水平的視覺搜索任務之外，都需要完成相同的PVT任務。實驗過程分為4個組塊，每個組塊10分鐘。在每個組塊內，視覺搜索任務和PVT任務分布隨機，各有70試次，整個實驗包括搜索任務和PVT任務各280試次。每個組塊前后均記錄一次被試主觀疲勞程度報告。取第一和第四組塊的PVT任務作為初始階段和末尾階段數據進行分析。被試眼睛距離屏幕65cm。在正式實驗之前均有練習。

圖2 單個試次示意圖a)視覺搜索任務；b)PVT任務

視覺搜索任務(如圖2a)中，每個試次開始時，屏幕中央呈現一個紅色注視框作為注視點，呈現時間為隨機1～6s，隨后在直徑為10°的虛擬圓形的圓周上隨機呈現7個白色小圓盤，500ms后在白色小圓盤內呈現搜索字母序列。在簡單任務條件下，目標字母(F或J)隨機呈現在7個圓圈中任意一個，其余圓圈內為非目標字母O。在復雜任務條件下，目標字母(F或J)與非目標字母A C G S V Z隨機呈現在7個白色小圓盤內。當目標字母為F時，被試按F鍵反應，當目標字母為J時，被試按J 鍵反應，按鍵后或5秒內未按鍵自動進入下一個試次。

PVT任務(如圖2b)中，每個試次開始與搜索任務一致，都是紅色注視框，呈現時間1～6s，一旦方框內有數字出現，要求被試盡快按空格鍵反應，數字為從數字呈現開始計算的當前毫秒數，被試按鍵后或5秒內未按鍵，自動進入下一個試次。

對被試的要求為：對隨機出現的視覺搜索任務或者PVT任務準確并迅速做出反應。

2.4 數據獲取及處理

3 結果分析

3.1 搜索任務的結果分析

表1 搜索任務反應時(均值±標準誤) 單位：ms

除1名被試以外，所有被試視覺搜索任務平均正確率為95.70%，而該被試的正確率65.73%，位于3倍標準差以外，故未將其數據納入分析，后續數據分析包含43名被試。

對視覺搜索任務反應時(見表1)的重復測量方差分析顯示：搜索任務難度主效應顯著(F(1，41)=24.55，p<0.001，η2=0.38)，被試完成簡單任務反應速度顯著快于完成復雜的字母搜索任務，說明本研究對任務水平的操作有效，兩種任務存在顯著的難易差異。時間主效應顯著(F(1，41)=43.27，p<0.001，η2=0.51)，任務持續時間越長，被試反應越快，說明存在顯著的練習效應；任務和時間的交互作用邊緣顯著(F(1，41)=4.02，p=0.052)。為了進一步確認不同任務水平條件下，不同階段的搜索任務是否存在差異，做配對樣本t檢驗結果顯示：各負荷任務條件下，初始階段平均反應時都顯著高于末尾階段，其統計值分別為：低負荷任務(t(21)=3.35，p=0.003，Cohen’sd=0.75)；高負荷任務(t(20)=5.79，p<0.001，Cohen’sd=1.29)結果表明，不同負荷條件下，都存在顯著的練習效應。

3.2 自評疲勞程度的結果分析

表2 疲勞自評報告值(均值±標準誤)

本研究通過疲勞自評報告測查長時間完成不同水平任務是否都能引起被試的疲勞。由表2可知，不管是簡單任務還是復雜任務，末尾階段的疲勞自評值都有顯著增加。對主觀報告疲勞程度進行重復測量方差分析顯示：時間主效應顯著(F(1，41)=115.09，p<0.001，η2=0.74)，說明通過持續長時間的任務確實引起被試的疲勞狀態。任務主效應不顯著(F(1，41)=0.29，p=0.59)，即在不同任務負荷水平下，被試主觀報告的疲勞程度沒有差異。交互作用也不顯著(F(1，41)=0.01，p=0.92)。

3.3 PVT任務下的結果分析

為了進一步探討不同任務水平造成的疲勞狀態是否存在差異，對PVT不同指標進行了分析。選取初始階段和末尾階段最快10%反應時、注意忽視頻次、平均反應時、最慢10%反應時進行比較(見表3)。

表3 PVT各指標各任務水平下變化情況(均值±標準誤)

注：最快10%反應時、平均反應時、最慢10%反應時單位：ms

對最快10%反應時做重復測量方差分析結果顯示(見圖3(a))：時間主效應顯著(F(1，41)=16.30，p<0.001，η2=0.28)，最快反應時隨著任務時間的增加而增加；任務主效應不顯著(F(1，41)=2.74，p=0.11)；交互作用也不顯著(F(1，41)=0.098，p=0.75)。為了進一步確認各任務水平不同階段是否存在差異，將各任務水平不同階段進行了配對t檢驗。結果發現，在各任務水平下，最快10%反應時在末尾階段都顯著大于初始階段。其統計值分別為，簡單任務條件下(t(21)=-2.48，p=0.017，d=0.53)；復雜任務條件下(t(20)=-3.31，p=0.0028，d=0.72)。結果表明，與被試主觀疲勞體驗一致，各任務水平下，被試的最快反應時間都隨著疲勞的增加而變慢。

對注意忽視頻次做重復測量方差分析，該指標測量的是對刺激反應的延時。結果顯示(見圖3(b))，不同階段的時間主效應顯著(F(1，41)=4.76，p=0.039，η2=0.10)，注意忽視頻次隨著任務持續時間的增加而增加。 任務主效應顯著(F(1，41)=9.61，p=0.003，η2=0.19)，簡單任務條件的注意忽視頻次顯著高于復雜任務條件的注意忽視頻次。交互作用不顯著(F(1，41)=0.54，p=0.47)。為了比較各任務水平在不同階段是否存在差異，進一步做配對樣本t檢驗發現，在簡單任務條件下，初始階段與末尾階段注意忽視頻次存在顯著差異(t(21)=-2.18，p=0.041，Cohen’sd=0.48)；而在復雜條件下，初始階段與末尾階段注意忽視頻次沒有顯著差異(t(20)=-1.18，p=0.23)。結果表明，注意忽視頻次在簡單任務條件下顯著大于復雜任務，并隨著任務持續時間的增加而增加，而在復雜任務條件下，注意忽視頻次不受任務持續時間的影響。

圖3 PVT任務各指標在不同任務水平和實驗階段的平均值注：(a)最快10%反應時；(b)注意忽視頻次；(c)平均反應時；(d)最慢10%反應時。誤差線表示標準誤。圖中*p<0.05，**p<0.01。

對平均反應時做重復測量方差分析(見圖3(c))，結果發現，任務主效應顯著(F(1，41)=6.30，p=0.017，η2=0.13)，與復雜任務相比，簡單任務條件下PVT平均反應時更大。時間主效應顯著(F(1，41)=6.37，p=0.017，η2=0.14)，平均反應時隨著任務持續時間的增加而變長，交互效應不顯著(F(1，41)=0.12，p=0.73)。配對樣本t檢驗顯示，在各任務條件下，初始階段與末尾階段的平均反應時均存在差異趨勢(復雜任務條件下：t(20)=-1.83，p=0.082；簡單任務條件下：t(21)=-1.79，p=0.087)。結果表明，平均反應時可能是一個較為綜合的指標，既體現了一定的疲勞效應，也體現了任務水平的差異。

對最慢10%反應時均值做重復測量方差分析(見圖3(d))，結果發現，任務主效應顯著(F(1，41)=7.62，p=0.0089，η2=0.16)，與復雜任務相比，簡單任務條件下最慢10%反應時更大。時間主效應不顯著(F(1，41)=2.43，p=0.13)；交互效應不顯著(F(1，41)=1.54，p=0.22)。為了進一步考察各任務水平在不同階段的處理情況，將各任務水平不同階段進行配對樣本t檢驗，結果發現，各任務水平條件下，最慢10%反應時在不同階段均沒有顯著差異(簡單任務條件下：t(21)=-1.58，p=0.13；復雜任務下：t(20)=-0.37，p=0.72)。結果表明，最慢10%反應時不能直接反映被試的主觀疲勞感受，但受到任務水平的顯著影響。

為了探究PVT任務各指標與各任務水平的主觀疲勞程度的關系，考察了末尾階段與初始階段PVT任務各指標差值和被試主觀疲勞自評差值的相關。結果發現，在簡單任務條件下，主觀疲勞差值與PVT任務各指標的差值都不相關(p>0.10)。而在復雜條件下，疲勞差值與其他四個指標的差值都顯著相關，其統計值分別為：與最快10%反應時(r(19)=0.44，p=0.046)；與注意忽視頻次(r(19)=0.45，p=0.032)；與平均反應時(r(19)=0.59，p=0.0047)；與最慢10%反應時(r(19)=0.52，p=0.019)。結果表明，在復雜任務條件下，主觀疲勞程度的增加與PVT任務各指標的變化顯著相關，但在簡單任務條件下均不相關。說明在本研究的實驗條件下，被試的主觀疲勞評價與復雜任務下的疲勞程度更相關。復雜任務下的疲勞可能主要源于主動疲勞，如認知資源的消耗，主觀疲勞評定可能主要也體現了這種疲勞狀態。

4 討論

本研究發現，不同任務負荷條件下，PVT任務的不同指標可以反映不同的精神疲勞狀態。在各任務水平下，最快10%反應時與被試的主觀疲勞體驗基本一致，隨著任務持續時間的增加而增加，不受任務水平影響。以往研究發現，PVT任務中最優表現的最快10%反應時取決于持續注意網絡和運動系統皮層的激活，最快10%反應時反映被試的持續注意水平(Drummond et al.，2005)，或稱警覺注意水平(Langner & Eickhoff，2013)。與認知負荷相關的資源消耗論和精神缺失理論，是解釋警覺下降的兩大主流理論(Thomson，Besner，& Smilek，2015)。前者認為警覺下降是由于有限的注意資源消耗所致，任務需求越高，資源消耗越大，可用資源越少，腦力資源的消耗導致認知負荷超載(Smit，Eling，& Coenen，2004；Warm，Parasuraman，& Matthews，2008)，最終導致警覺顯著下降(Smit et al.，2004)；而精神缺失理論則認為單調無趣的警覺任務造成任務參與者對任務的脫離，行為上表現為對目標刺激的忽視，從而導致行為績效降低(Ralph，Onderwater，Thomson，& Smilek，2017)。在本研究中的兩種任務水平可能正好對應了這兩種解釋，簡單搜索任務下由于單調無趣的任務引起對目標刺激的忽視，復雜搜索任務下由于資源的消耗引起認知負荷超載，他們都造成了警覺性下降，反映為疲勞水平上升。最快10%反應時對由不同任務水平引起的疲勞效應都表現出較高的敏感性。

對于注意忽視頻次指標，雖然任務難度和時間過程的交互作用不顯著，但進一步比較發現，僅在簡單任務條件下，注意忽視頻次隨著任務持續時間增加而增加，在復雜任務條件下無此效應。該結果支持精神缺失理論，低認知負荷和低喚醒水平導致行為績效下降(Jackson，Kleitman，& Aidman，2014)。任務難度增加有助于提高個體喚醒程度(Ralph et al.，2017)，降低任務難度可能增加微睡眠的發生(Buckley et al.，2016)。注意忽視指標可能更多反映的是微睡眠頻次。在簡單任務條件下，視覺搜索任務中分心物更少，認知負荷更低，個體喚醒程度也更低，從而增加了“微睡眠”的發生。與復雜任務比較，簡單任務條件下的注意忽視頻次更多。因此，PVT的注意忽視頻次指標可以很好地反映簡單任務條件下的疲勞體驗。

平均反應時是完成一個階段任務的平均反應時間，因此，最快10%反應、最慢10%反應，以及注意忽視頻次等信息都會在平均反應時上有所體現，是一個較為綜合的指標。有研究表明，平均反應時的變化可能與大腦激活的整體狀態變化有關(Drummond et al.，2005；Honn，Riedy，& Grant，2015；Lim & Dinges，2008；Mehta & Parasuraman，2014；Phillips，2015；Wascher et al.，2014)。本研究發現，平均反應時隨主觀疲勞增加而增加，并且不同知覺負荷條件下存在顯著差異。平均反應時是較好的反映任務水平差異和疲勞狀態差異的綜合指標。

本研究發現，簡單任務條件下PVT最慢10%反應時均值顯著高于復雜任務，不存在持續任務時間效應，交互效應也不顯著。有研究發現，最慢10%反應時可能與任務脫離和非注意狀態相關(Drummond et al.，2005)。在簡單任務條件下，低喚醒水平也勢必導致個體的非注意狀態增加，以及任務脫離時間增加。最慢10%反應時均值可能只是反映出任務水平差異，不能很好地體現疲勞效應。

在復雜任務條件下，PVT任務的多個指標與主觀報告疲勞程度顯著相關，而在簡單任務條件下，PVT任務各指標與主觀報告疲勞程度都不相關。可能表明，主觀疲勞報告更多的是反映認知資源消耗引起的主動疲勞，與復雜任務下的疲勞狀態更為一致。而簡單任務下的疲勞更多的是反映個體的喚醒程度、動機水平等造成的注意忽視，所以兩者之間的相關性較小。

5 結論

PVT任務對不同精神疲勞狀態反應靈敏。最快10%反應時與被試主觀疲勞報告反應一致，可能更多體現被試的主動疲勞狀態；注意忽視頻次可能更多反映喚醒水平不足引起的被動疲勞狀態；平均反應時是任務水平差異和疲勞效應的綜合反映；最慢10%反應時主要反映了任務水平差異。