睡眠剝奪在飛行員認知決策領域的研究探討

初建杰，俱雅芳，王磊，陳彥蒿

(1.西北工業大學 工業設計與人機工效工業和信息化部重點實驗室，西安 710072)

(2.菲舍爾航空部件(鎮江)有限公司，鎮江 212132)

0 引 言

睡眠剝奪是指由于自身或工作原因無法滿足正常睡眠要求的情況，可分為選擇性睡眠剝奪和完全睡眠剝奪。睡眠剝奪會對包括注意、警覺性、感知能力、工作記憶、執行決策能力等在內的認知功能造成一定的損害[1-3]。飛行員的職業特性對認知功能有很高的要求，飛機駕駛艙繁多的人機交互界面和復雜多變的任務環境，對飛行員的認知決策和操作能力提出了更高的要求。同時，在面臨飛機復雜顯控界面操作下的長時飛行任務中，睡眠剝奪所致的疲勞駕駛和認知能力下降將給飛行操作安全帶來更大的隱患和風險。隨著航空技術的不斷進步和發展，飛機單程長距離飛行的技術難題正在解決，長達十幾小時甚至超過一晝夜的飛行任務成為飛行員未來必須面對的問題。而在睡眠短缺的情況下，飛行員在變化的任務環境中對信息的感知加工、適應及決策能力研究就成為飛行安全控制和風險防范的重要方面。

國內外睡眠醫學、認知神經科學、實驗心理學等不同領域皆從各自的角度研究睡眠剝奪對機體的影響，但是目前對飛行員在睡眠剝奪狀態下的認知決策鮮有研究。本文將近年來在任務環境下進行睡眠剝奪對認知功能的影響研究進行綜述，從而引發睡眠剝奪對飛行操作的認知機能影響的思考，從感知能力和執行功能的角度出發系統詳述地總結相關研究進展，結合飛行員實際駕駛情況進行類比，以期為飛行員長航時飛行安全和風險管理提供進一步的研究思路與方向。

1 睡眠剝奪的認知影響研究

1.1 睡眠剝奪對感知注意能力的影響

1.1.1 視覺感知能力延遲

感知覺是人腦通過感覺器官對外界刺激的把握，視覺是接受外界刺激和信息的一個重要感官通道。J.Tong等[4]研究了一夜急性睡眠剝奪對動態視運動同步的影響，使用一個連續的視覺跟蹤模式，目標以恒定的速度沿著圓形軌跡移動。結果發現，睡眠剝奪會降低視覺跟蹤和跳視任務的表現。清醒20～22 h時，視同步運動發生了微小但顯著的變化，在缺乏睡眠的情況下，平滑追蹤眼動速度降低，預測性追蹤的準確性較低，這和P.A.Fransson的研究結果一致[5]，但仍能通過眼跳來適應睡眠剝奪對平滑追蹤眼動的影響。

動態視力又稱“動態視敏度”，指的是一個人在頭部運動時能夠看得很清楚的能力，是衡量人動態視覺能力的重要指標。動態視敏度測試(Dynamic Visual Acuity Test，簡稱DVAT)通過測量頭靜止和頭運動的視敏度之間的差異來評估凝視的不穩定性。M.R.Scherer等[6]采用DVAT對20名士兵以120 ～ 180 °/s的角速度進行評估，在26 h睡眠剝奪前后分別獲得主動和被動偏航和俯仰脈沖。結果表明，偏航動態視敏度在睡眠不足的情況下仍保持不變，26 h睡眠剝奪對動態視力沒有顯著影響，但在實際的復雜任務中的表現仍不清楚。

視覺對比敏感度是視覺系統在明亮對比變化下對不同空間頻率的正弦光柵的識別能力，衡量的是視覺系統辨認不同大小的物體時所需的物體表面最低黑白反差的物理量[7]，即衡量低亮度、低對比度視覺條件下的視功能?？涨诤秃Ｇ诘葘I人員的工作特殊性要求他們應具有良好的對比敏感度[8]。飛行員在低視覺對比度環境下(如雨天、大霧等)需要辨別邊界模糊的物體。V.F.Koefoed等[9]采用Vigra-C系統評估60 h睡眠剝奪后對無彩色和彩色(紅與綠、藍與黃)的對比敏感度研究，在空間頻率2、5.9和11.8 cpd下，在選定的1%統計顯著性水平下，消色差和色差視覺對比度測量的方差在第1 h和最后24 h試驗期間沒有顯著差異，說明長時睡眠剝奪不會導致正常視力的健康受試者在臨床或職業上對比敏感度的顯著變化，但研究的實驗對象和測量次數較少，無法證實結論的普適性。

視覺空間認知定位能力是通過視覺、運動等感知覺聯合對客體的識別，多涉及視覺再認、空間定位、軌跡追蹤以及表象轉換等高級認知加工，對空間作業能力有很大的影響。吳興曲等[10]在36 h睡眠剝奪前后對青年軍人進行視覺空間旋轉任務的事件相關電位P500的測定，結果發現36 h后錯誤率升高近一倍、反應時間延長、潛伏期延遲、視覺空間旋轉角度的典型線性函數消失，說明36 h 睡眠剝奪在一定程度上損害了軍人視覺-運動聯結機制，從而損害了視覺空間認知定位能力。

綜上，飛行員對駕駛艙面板注視區域重復觀察，連續相同的感知刺激將引發感知衰減，睡眠剝奪將會誘發神經系統對當前注視目標的感知延遲性增強，因此需要對睡眠剝奪下的飛行員視覺感知能力延遲過程與節點做進一步研究。

1.1.2 警覺性與注意力下降

目前研究表明，在警覺測試任務中睡眠剝奪會顯著削弱警覺性，增加任務反應時間。R.P.Renn等[11]使用Flanker任務和Go/Nogo任務研究睡眠剝奪對監控任務績效的影響。與對照組相比，保持清醒約34 h的睡眠剝奪組在Flanker任務上的速度較慢，對照組隨著時間的推移，對錯誤相關負電位反應中的錯誤表現出習慣性，但睡眠剝奪組無法適應反復出現的錯誤，把不必要的注意分配給重復的刺激將進一步減少有效信息處理的注意力資源。睡眠剝奪組的參與者對Go刺激的命中率準確性較低，對Nogo刺激做出錯誤警報反應的頻率比對照組高8%。事件相關電位P300在Flanker任務中被延遲，在Go/Nogo任務中減小，反映了注意力的下降。

C.E.Chern-Pin等[12]研究了對于高度認知需求的分散注意力任務，睡眠剝奪是否會造成更大的損傷。在40 h睡眠剝奪過程中，受試者每兩小時完成一項任務，包括：執行聽覺Go/Nogo任務(aGNG)；同時執行聽覺和視覺Go/Nogo任務(aGNG和vGNG)；同時執行聽覺、視覺Go/Nogo任務和視覺引導電機跟蹤任務。在睡眠不足的情況下，所有任務的表現都有明顯的下降。在aGNG任務中對Go刺激沒做出反應的頻率幾乎是對Nogo刺激反應的4倍。在需要分散注意力的跨任務中，睡眠剝奪組aGNG任務的失誤比對照組顯著多，表明在睡眠不足的情況下，分散注意力的能力會受到損害。而在雙重任務和三重任務中，vGNG任務上的表現沒有顯著差異，可能是由于視覺追蹤任務的彩色視覺刺激優先引起注意。而G.Dominique等[13]發現，在24 h睡眠剝奪聽覺變化察覺任務(Change Detection Task)中聽覺任務的準確性和速度受到顯著影響，在正常的睡眠狀態下，準確性、平均和中間反應時間在特殊頻率出現后均顯著下降，但在睡眠剝奪狀態下沒有明顯下降。即睡眠剝奪組不太容易將注意力轉移到極少發生的小頻率聽覺刺激上，這意味著其分散注意力明顯受到損害。同時在E-Prime的刺激實驗中，睡眠剝奪24 h后反應準確率更低、反應時間更長、失誤更多，說明了警覺性的下降。C.E.Chern-Pin等[12]還發現睡眠不足導致了視覺運動跟蹤精度嚴重下降，但該研究不能評估分散注意力在其他類型的任務和認知領域的表現是否同樣受到睡眠剝奪的影響。

綜上，飛行中面對的不可控因素繁多，飛行員腦力疲勞會引發認知能力下降，喚醒水平降低。警覺性與注意力最容易受生理狀態干擾，睡眠剝奪將加速腦力疲勞的發生，從而加快警覺性與注意力的下降，因此將其作為核心因素進行研究。

1.2 睡眠剝奪對執行功能的影響

1.2.1 工作記憶削弱

工作記憶是一個基本的認知過程，是在短時間內對信息進行暫時加工和貯存的容量有限記憶系統。A.Baddeley[14]提出工作記憶包括語音存儲、視覺空間存儲、情景存儲和中央執行系統，前兩個部分涉及存儲信息，后兩個部分涉及存儲信息的管理和使用。語音部分側重于處理與語音、閱讀、語言理解和詞匯習得相關的聽覺信息，視覺空間組件負責處理視覺信息，包括圖像以及物體在空間中的位置。睡眠剝奪會影響語言和視覺空間任務的表現，這涉及到工作記憶的語音和視覺空間成分。J.D.Angel等[15]采用三級聽覺和視覺n-back任務研究了5天睡眠不足對工作記憶存儲成分的影響。結果表明連續五天每晚睡眠時間4 h會導致工作記憶的語音和視覺空間存儲成分減少，并且睡眠不足對視覺空間的影響比語音效果的影響更顯著，但該結論還需要對客觀的睡眠參數和較大的樣本量進一步證實。而G.Dominique等[13]發現視覺空間工作記憶任務中，睡眠4 h對視覺空間存儲的表現影響不明顯，而24 h睡眠剝奪則顯著削弱最近出現的記憶圖像的能力，但Y.Hu等[16]稱該能力仍可通過增加注意力和執行功能彌補。

綜上，飛行駕駛操作的嚴謹性與規范性，勢必需要飛行員保持良好的工作記憶能力，工作記憶是飛行操作判斷與決策的關鍵成分。隨著長航飛行信息量成倍的增加，睡眠剝奪可能會持續削弱其工作記憶的加工能力，因此對飛行員工作記憶的視覺成分需要進一步研究。

1.2.2 認知靈活性衰退

認知靈活性是當能夠適當地反應變化以適應新情境要求時，保持反應定勢的思想和動作的靈活性[17]。認知靈活性對在復雜任務中盡快適應新情境并對新刺激作出反應具有重要意義。W.Gevers等[18]采用E-PRIME 2.0軟件的stroop測試研究睡眠剝奪對認知控制的影響。他們將stroop測試的表現劃分為三層：第一層為忽略不相關信息的成功程度(例如選擇性注意)；第二層為自下向上的時序調制；第三層是自上而下的時序調制，反映認知控制的調整。在剝奪夜間10 h睡眠和睡眠10 h后，均明確觀察到重復啟動效應，說明自下而上的認知加工能力不受睡眠剝奪影響，重復刺激和反應的積極效果仍然保持。然而，沖突適應只有在睡眠一晚后才被觀察到，說明剝奪夜間10 h睡眠影響了自上而下認知控制，這和T.S.Horowitz等的研究結果一致[19]，自上而下的沖突適應依賴于廣泛的認知控制網絡，一方面反映了認知資源的不足；另一方面，睡眠剝奪后沖突適應效應的消失，說明選擇性注意也受到損傷。

綜上，飛機航行處于復雜和不確定的環境，認知靈活性是飛行員對緊急情況與指令做出有效決策的根本影響因素。睡眠剝奪將會引發應對認知靈活性減弱，從而增加安全風險。

2 飛行員睡眠剝奪研究進展

2.1 飛行員認知決策

飛行員認知決策包括飛行感知、決策與執行，在飛行中起著至關重要的作用，是認知功能的主要體現。目前針對飛行員認知決策主要研究了飛行員的執行功能以及飛行事故的預測因素。執行功能對于處理飛行、監控發動機參數、規劃導航、保持最新的態勢感知、正確適應交通和環境變化以及通過抑制錯誤的行為響應來執行準確決策至關重要。

M.Causse等[20]通過成套神經心理學測驗研究了24名飛行員的轉換、抑制和刷新三種執行功能，并研究了其效率與飛行導航性能以及在關鍵著陸階段做出相關決策能力的關系。發現推理能力、工作記憶更新和飛行經驗是飛行性能的預測因素，年齡與預測飛行表現無關，沒有發現對處理速度的明顯影響或是對抑制功能的明顯影響，可能是由于使用的測驗任務沒有評估這些能力的因素。

Z.Chua等[21]通過劍橋神經心理學成套測試(CANTAB)的空間工作記憶和空間規劃及推理任務研究了老齡化對大腦效率和執行功能的影響，發現25歲以下的年輕飛行員在空間工作記憶方面比50歲以上的老年飛行員更高效。在空間規劃和推理方面，年齡對表現或大腦激活沒有顯著影響。近兩年的飛行經驗對實驗室任務的表現或大腦激活都沒有顯著影響，但考慮到飛行時間和經驗的影響，應有進一步的數據來支持這種潛在的關系。D.O’Hare等[22]研究了1 144名新西蘭飛行員的自我報告數據，發現與飛行事故有關的失敗原因是沒有選擇合適的目標、策略或程序，而這些失敗與認知能力喪失、精神狀態下降、不利的環境心理條件、來自另一項任務的干擾和別的飛行員干擾。

飛行員必須同時處理、記憶和檢索大量的視覺和聽覺信息，操作飛機會產生很高的工作記憶負荷。C.Mickael等[23]研究了工作記憶負荷處理語言和聽覺干擾的影響，將視覺-聽覺版本的stroop測驗與事件相關電位和瞳孔測量相結合，電生理結果表明，高工作記憶負荷導致任務表現下降，瞳孔直徑變大。工作記憶負荷增加增強了抑制控制，可能是由于對任務的高度認知參與可以減少分心以保證目標不受干擾信息的影響和對額外刺激的反應[24]。高度工作記憶負荷會降低飛行員處理、維護和執行口頭指令以及對關鍵聽覺警報作出反應的能力。

認知決策是飛行員信息加工的核心環節，機敏的感知與迅速的行為響應將保證安全駕駛操作，反之，睡眠剝奪等一系列主客觀因素會對安全駕駛造成重大風險。

2.2 飛行員睡眠剝奪對認知決策的影響

近年來在睡眠剝奪領域對飛行員在任務環境下認知決策表現的研究較少。相關的研究實驗總結如表1所示。多數研究采用了主客觀任務測量與電生理信號測量結合的實驗方法，研究的重點集中在工作記憶和認知表現，但飛行員樣本相對較少，測量任務也采用其他認知任務代替。A.D.O’Hagan等[25]研究了24 h睡眠剝奪對飛行員情緒、疲勞和任務能力的影響，發現自述情緒和主客觀疲勞均明顯增加，認知靈活性和手眼協調能力隨時間推移顯著下降，主觀壓抑情緒明顯增加。然而，工作記憶和情境意識并沒有受到睡眠剝奪的影響，與其他研究不一致，可能是實驗任務具有主觀性并且非航空特定任務。16 h連續清醒后，認知表現明顯下降，表明在這段清醒期后，最佳功能下降。睡眠剝奪致使認知表現急劇下降的時長還有待進一步研究。Liu Z Q等[26]觀察了32 h持續睡眠剝奪對模擬飛行的認知影響。4名受試者在真實飛行模擬器上完成加速、減速、俯仰、偏航、傾斜等操作，高度、俯仰角、橫擺角、傾角偏差參數所示的飛行表現在睡眠剝奪期間有輕微惡化，受試者疲勞感和工作負荷均增加。睡眠剝奪對眼部運動有明顯的影響，瞳孔縮小、掃視振幅降低和掃視速度變慢，平均注視時間顯著增加，這與睡眠剝奪所致的疲勞有關，說明眼動參數對睡眠剝奪的敏感性高于飛行性能。但該研究樣本量太小，將飛行表現沒有顯著變化歸因于睡眠剝奪時間太短需要進一步證實。N.Lopez等[27]考察了35 h連續睡眠剝奪對10名飛行員各種認知任務和模擬飛行中的表現的影響，采用多屬性任務組(MATB)、心理運動警覺任務(PVT)和操作跨度任務(OSPAN)評估睡眠剝奪對多任務能力、警惕性和工作記憶的影響，每隔3 h進行模擬飛行。結果表明在后17 h，所有測試的表現都有所下降，并且PVT和OSPAN得分與飛行表現變化具有良好的相關性，能夠預測疲勞狀態，可以作為此類研究的測試項目。

表1 飛行員認知決策相關研究實驗

雖然大多數飛行員在睡眠不足時能保持正常飛行任務，但很大程度上依賴長時訓練和飛行經驗，而研究也表明，飛行經驗確實能幫助飛行員對抗睡眠剝奪帶來的不利影響。但在復雜工作環境中，尤其在夜間，睡眠剝奪時間越長，對于要求高度分散注意力的復雜任務，主觀努力和認知投入不足以阻止睡眠剝奪的損害效應[28-29]，盡管可以使用咖啡因或藥物來減緩睡眠剝奪期間的認知能力退化，但是可能會對隨后的睡眠有不良影響[30]。同時有研究表明，當連續受限睡眠時間少于4 h，復雜認知能力會嚴重下降[31]，這為輪班作業時長提供了一定依據。

綜上，睡眠剝奪會造成飛行員認知靈活性下降、飛行操作表現惡化、視覺加工過程延遲、主客觀疲勞增加、情緒惡化等。目前研究的局限在于實驗對象，非飛行員且樣本量少或實驗任務非航空特定任務，在睡眠剝奪時間內測量工作能力。飛行環境中的各種變化和刺激是不確定的，而且飛行員要連續飛行很長時間，在試驗研究中，參與者在規定的時間里進行一定的能力測試，并且有相對充分的放松休息時間，這些因素至少能在一段時間內提高后續的警覺性和表現。所以在研究中觀察到的參與者表現惡化都極有可能在實際操作中進一步復雜化。一些與飛行員特定任務相關的因素，如主觀疲勞、認知靈活性和工作記憶特別容易受睡眠剝奪的影響，有必要進一步使用更定期的測試時間點、更多樣的航空特定任務考察更多種的作業能力情況。

3 飛行員睡眠剝奪研究方向

飛行員必須同時處理、記憶和檢索大量的視覺和聽覺信息，需要忽略不相關的干擾但又要對意外刺激保持敏感注意，在短時間內整合信息做出決策和反應，但現有研究在睡眠剝奪的情況下對認知決策的研究較少且較寬泛。在睡眠剝奪的情況下，飛行員的感知能力、注意力、忽視與任務無關的信息和有效地同時處理多項任務的能力均將受到影響和損害。

3.1 飛行員感知能力

完全睡眠剝奪對視覺平滑追蹤有一定影響，但仍可通過眼跳來補償；對視覺空間認知定位能力有一定損害；對動態視力和對比敏感度沒有顯著影響；對視聽的持續注意力、選擇性注意力、分散注意力有顯著損害，削弱了對意外刺激的感知能力。但目前研究的樣本和測量次數較少，實驗任務單一，在復雜多變的飛行任務環境中的表現仍不清楚。未來的研究應將相關測試與復雜認知任務結合起來，并對最優睡眠量做更多探究，以保證飛行員持續作業時認知功能的穩定。

3.2 飛行員決策能力

飛行員在動態變化的任務環境中需要高度認知靈活性，根據變化的刺激信息刷新工作記憶，有效分配注意資源，正確判斷所處情境并作出決策響應。在高度工作記憶負荷下，睡眠剝奪會損害飛行員認知靈活性、工作記憶、注意力，增加疲勞感和惡化精神狀態，這些認知功能的損害可能使飛行員在長時間睡眠剝奪后無法安全有效地面對意外事件。進一步的研究有必要探索睡眠剝奪對飛行員在緊急事件以及持續復雜認知任務表現中的影響。例如當艙內氣壓、溫度等環境條件發生變化或是處于過多刺激條件下，飛行員的感知與認知控制能力。

同時在駕駛艙顯示設計中要考慮到長時飛行后，飛行員的視知覺能力、警覺性水平、手眼協調能力、選擇性注意能力以及情緒狀態等下降問題，采用多通道警報增強飛行員對危險刺激的感知，開發自動化調節系統減少飛行員多任務處理的情況，部署可能的技術用于監測和預測注意力故障以及語音控制等輔助飛行員決策執行。

3.3 飛行員執行能力

完全睡眠剝奪會使工作記憶的語音和視覺空間存儲成分減少，連續睡眠不足對視覺空間的影響比語音效果更顯著。視覺空間工作記憶廣度與空間定向能力、空間視覺化能力均有很強的相關性[32]，未來應針對飛行員在睡眠剝奪狀態下空間定向能力和語言輸出能力做進一步的研究，尤其是在復雜氣象環境以及高負荷任務下的適應水平。同時，睡眠剝奪損害了自上而下的認知控制，這可能會使飛行員在緊急意外事件中的判斷決策和響應執行速度下降，在長時間睡眠剝奪后無法安全有效地面對意外事件。而處理外界刺激有關的自下而上的認知加工則不受睡眠剝奪的影響。進一步的研究應增大樣本數量，關注經過航空任務中意外事件訓練的飛行員是否能在睡眠剝奪狀態下更好地進行認知控制調整。

4 結束語

本文通過睡眠剝奪對認知機能的影響，結合飛行員的實際駕駛情況，提出在剝奪睡眠下飛行員認知決策的影響及解決方向。

目前的研究能夠說明24 h以上的睡眠剝奪對飛行員的認知決策有明顯的損害，尤其是視聽注意力、認知靈活性、反應能力明顯下降，這些認知功能的損害可能導致長時飛行時無法安全有效地面對意外風險。

但直接對飛行員進行睡眠剝奪實驗的研究較少，研究覆蓋面較窄，對多項重要影響因素鮮少涉及，從而無法獲得更全面、更真實可信的數據。睡眠剝奪后，視聽警報是否需要調整、如何調整，復雜變化的外界環境和高認知負荷對飛行員在長時間飛行過程中的心理狀態影響，精神狀態惡化對感知注意、執行能力的影響，如何融合設計學、神經醫學、心理學等學科進行交叉研究為長航時飛行提供人機兩方面相應的對抗策略等因素均需進一步研究與探討。