经过瓦伦蒂娜·切萨里（ValentinaCesari），埃琳娜·玛丽娜（Elena Marinari），马可·劳里诺（Marco Laurino），安吉洛·吉米尼亚尼1（Angelo Gemignani 1）和达尼洛·梅尼库奇（Danilo Menicucci）

1 比萨大学外科，医学和分子病理学与重症医学系，意大利比萨56126

2 国家研究委员会临床生理研究所，意大利比萨56124

*应与之联系的作者

摘要：认知功能可以进行特定的更改，但会被工作负载的非特定影响所掩盖，工作负载是影响调节外围输出的认知功能的常见因素。为了确定工作量相关的和特定的，任务相关的成分，通过研究15名健康志愿者在基线和睡眠剥夺条件下（一周间隔）进行注意任务，得出认知功能的生理相关性。引入睡眠剥夺以增加工作量。在执行任务后评估注意力网络效率（ANT，注意力网络任务； CCT，连续补偿跟踪器）的工作量评估任务期间，我们记录了心搏，面部温度和头部运动。在两种情况下研究了认知和生理指标的变化。通过校正从条件到睡眠剥夺后任务指标的变化与校正条件间工作量变化后的生理指标的相关性，来识别认知表现的生理相关性。我们发现剥夺睡眠后工作量的精神和身体需求增加。我们发现跨条件的认知和生理指标没有变化；注意系统的特定生理相关性，如ANT改变的变化与头部运动幅度的变化之间的负相关，以及CCT速度指数警觉性的变化与面部温度的变化之间的正相关。

关键词：认知功能；注意力;生理信号；工作量；睡眠不足

1. 介绍

人类的日常生活是由与现实世界中感官输入的转化，减少，细化，存储和恢复有关的认知过程驱动的[1]。独特的认知功能的功能是基于特定的大脑网络，并引起可区分的激活。然而，影响认知功能的一个共同因素是工作量，即多维结构量化了表演者响应于认知任务而付出的身心努力的水平。工作量的评估范围从经典的神经认知测试到动态情况，例如航空和驾驶[2]；但是，它通常被认为是个人对苛刻情况的态度而不是对任务的态度的属性[3,4]。

工作量是通过唤醒来维持的，它被描述为工作记忆压力的指标[5]。工作负荷中的唤醒暗示了自主激活，参与了动态平衡的无意识身体协调反应[6]。自主神经通过中央自主神经网络的活动来维持，该网络控制着与认知和情绪加工有关的电生理变化[7]。除了工作量相关的影响外，多项研究还强调了与涉及不同领域的认知任务相关的特定神经功能模式。关于这三个注意网络，波斯纳和彼得森[8]提出了警惕，定向和执行力网络。唤醒和个体认知功能的变化都会引起周围自主神经输出的变化[9]，我们在当前工作中对此进行了研究。

从方法学的角度来看，已经利用受试者内部的变异性研究了认知功能，该变异在睡眠剥夺的背景下得到了广泛的评估，可作为诱发急性应激反应的可靠范例。的确，急性和慢性睡眠剥夺是一种有形的风险，使受试者处于现代社会的压力条件下，对生活质量和心理-身体健康（包括认知能力下降）构成高风险和重大风险[10]。急性总睡眠不足和慢性睡眠受限都会增加体内稳态睡眠（过程S），从而导致睡眠负担。过程S在清醒时增加，在睡眠时间减少[11]；这越来越削弱诸如醒觉期间的注意力，认知速度和记忆等认知功能[12]。因此，一些研究使用急性睡眠剥夺模型来了解其对各种认知领域和主观工作量的影响。确实，急性睡眠剥夺可能会对认知功能的某些方面产生负面影响，尤其是警惕性，如果降低警戒性，则会增加发生事故的风险[13]。据报道，受试者在一夜失眠后感觉到较高的工作量，而任务外部的因素也导致感觉到的工作量增加[14,15]。

这些研究中，通常会评估自主神经的输出，因为较高的脑力劳动量会减少副交感神经（“休息或消化”）自主性的降低。神经系统活动和交感（“战斗或逃跑”）活动增加[16]。

在评估不同认知领域的任务中，通过多种外周生理指标（例如心率，皮肤电导和外周温度[17]）估计了自主神经系统活动的这些变化。例如，认知负荷，大脑中的葡萄糖和氧气水平与前额温度[19,20]之间存在正相关。随着决策难度和注意力水平的增加，心率增加[21,22]，以及由于反应抑制和记忆的难度增加而使心率变异性降低[23,24]。关于皮肤电导，在注意力，记忆力，警惕性和视觉跟踪任务的执行过程中已发现其增加[25-27]。

此外，据报道使用了放置在不同推定位置的不同传感器[19,28,29]。在这里，我们将所有传感器组装在眼周区域-che骨和前额的皮肤温度[19]，glabella（眉毛之间和鼻子上方的小区域）[30]的心搏，以及来自与头[31]。

总之，许多研究已经使用特定的认知任务来建立与认知相关的生理结果。考虑到主观工作量的几项研究表明，生理措施取决于执行任务时主观感知到的困难程度。实际上，据报道主观工作量测量通常与认知表现无关（例如，受试者报告了较高的认知需求，但认知表现并未受到负面影响[32]）。该证据暗示了如维持不同认知域的特定中央网络所建议的那样，对周围生理信号识别特定认知功能的调节的冲动。实际上，特定认知相关因素的识别对于检测和恢复那些可能会发生特定变化但被工作量的非特定影响所掩盖的功能至关重要。为此，我们研究了在基线和睡眠剥夺后经历不同认知任务（涉及注意力系统）的受试者眼周区域中放置的传感器的周围生理相关性（心率，头部运动和面部皮肤温度）。我们评估了在这两种不同条件下执行任务的感知工作量，并研究了从基线到睡眠剥夺的生理指标变化与纠正工作量变化的认知指标之间的关联。我们选择管理注意力网络任务（ANT，[8,33]）和持续补偿跟踪器（CCT，[34,35]）测试，以更好地表征不同系统功能（警报，定向，执行网络）的独立性，被证明受到不同的影响通过睡眠剥夺[36]。为了评估认知测试后的主观工作量，我们使用了NASA任务负荷指数（NASA TLX）量表[37]，因为先前的研究表明，该方法在检测有经验的工作量变化方面是一个合理的量表[14,38]。睡眠剥夺的使用使我们能够诱发短暂和可逆的认知改变，可以对其进行研究以比较特定的注意力改变。

当在同一主题中执行不同任务时，我们有机会将与假定的认知工作量相关的任务的共同外周反应与表征每个特定任务的特定认知功能的那个反应分开。作为认知改变的指标，对周围反应变化的认识可用于检测日常生活活动（如驾驶）中的注意减少，而不会使受试者偏离进行认知任务的管理。

2. 材料和方法

2.1.参加者

15名健康的年轻志愿者（9名女性和6名男性；平均年龄）：

24.5年（2年）参加了该实验方案。符合纳入条件的受试者符合以下标准：无精神症状，如Symptom Checklist-90-Revised所评估[39,40]；根据失眠严重程度指数（ISI）[41,42]和爱华氏嗜睡量表（ESS）[43,44]评估，没有睡眠-觉醒障碍；通过定性回忆调查表评估，没有器质性病变和精神上瘾；正常或矫正视力；年龄介于18至35岁之间。

2.2.实验协议

实验方案包括两个阶段（图1A），这些阶段在参与者之间随机分配并保持平衡，并且至少间隔一周。每次会议从下午6点开始，每个志愿者都接受了单独的测试。实验室温度是受控的（22℃）。

图1.实验方案。 （一种）。实验方案流程图。 （B）。上图是当对象正坐在电脑前时通过PERFORM系统在线记录面部温度，头部运动和心搏的示意图；下面是基线和睡眠剥夺条件下实验时间表的示意图。

在基线阶段和剥夺睡眠后阶段均完成了两项认知测试，然后进行了感知的工作量评估。图1B。睡眠剥夺从会议开始前一天的8:00 am持续到会议结束之后（大约8:00 pm），共36个小时。为了确保志愿者在基线会议之前可以正常睡眠，通过活动记录仪记录每次睡眠前两天的睡眠日记来完成睡眠监测[45,46]。还进行了活动学监测，以确保志愿者在睡眠后剥夺期完全丧失睡眠；任何睡眠事件都暗示该研究被排除在外。为了实现这一双重目的，参与者佩戴了ActiGraphwGT3X-BT（ActiGraph，美国佛罗里达州彭萨科拉）放在他们的手腕上。使用Actilife软件（版本6.11.9）对数据进行分析和视觉检查。

对于每节课，志愿者都要进行“注意力网络任务”（ANT）和“持续补偿跟踪器”（CTT）任务，该任务在心理学实验建筑语言（PEBL）软件中实施并在PC显示器上进行管理（距27英寸屏幕的距离为60厘米）到眼睛，屏幕分辨率为1024768）。执行ANT和CTT任务的时间分别为15分钟和10分钟。我们连续执行每个任务，没有任何间隔。为此，我们使用PEBL软件提供的设置选项将任务链接在一起。在PEBL软件中，假定受试者执行标准化的培训课程以熟悉任务说明并防止归因于课程顺序的偏见。在认知评估过程中，参与者必须佩戴“心理生理学面具”或“现实生活中的认知监控”（PERFORM），这是一种用于生物信号获取的眼周感应面具[29]。因此，通过使用PEBL NASA任务负荷指数（PEBL TLX）量表对两种情况下的PEBL认知任务完成后，立即评估了感知的工作量[47]。会议的总时长约为30分钟。

2.3.认知评估

2.3.1.心理实验教学语言（PEBL）注意网络任务

注意网络任务（ANT）旨在评估警报，定向和执行控制注意网络的功能[8,33]。假定参与者在一组五个箭头中确定中心箭头的方向，而忽略周围箭头的方向。为了指示中心箭头的正确方向，参与者必须按下键盘上的相应按钮。在当前的研究中，使用了Attentional Network Test的PEBL版本，并且据Fan等人所述。 [33]，我们考虑了性能指数计算的正确试验（即，没有考虑错误答案），以（1）警报指数，（2）定向指数和（3）冲突指数表示。

警报网络的效率通过警告信号引起的反应时间（RT）的变化来检查。预警指数是通过从无提示条件的平均RT中减去双提示条件的平均RT来计算的[36]。

定向的效率通过伴随指示目标将发生位置的提示的RT变化来检查。定向指数表示为处于中心提示条件（“中心提示”）的项目的平均RT与处于空间提示条件（“空间提示”）的项目的平均RT之差[36]。

通过要求参与者通过按下两个键来指示执行箭头的响应来检查执行网络的效率，这两个键指示被同等，不一致或中立侧翼包围的中心箭头的方向（左或右）。冲突指数是通过从不一致侧翼条件的平均RT中减去一致侧翼条件的平均RT计算得出的[36]。

2.3.2.PEBL连续补偿跟踪器

持续补偿追踪（CCT）是一种认知测试，最初是用来评估机敏性和警觉性的[34,35]，也用于评估持续的注意力。在连续八次试验（从T1到T8）期间，参与者必须不断调整指针的位置以使其与目标重叠。指针处于需要持续补偿的随机指向的力之下[47]。在当前的研究中，使用CBL任务的PEBL版本通过两个指标（CCT偏差和CCT速度）来评估警惕性。

通过考虑从任务开始（T1）到结束（T8）的偏差和速度的变化来评估适应程度：

l CCT偏差。针对每个试验计算目标位置和指针之间的空间位移的中位数（中位数偏差的下限值与到更高的任务执行精度）和CCT偏差，因为位移从第一次试验到最后一次试验都发生了变化。

l CCT速度。对于每个试验，计算任务上鼠标速度的平均值，并将CCT速度估算为从第一个试验到最后一个试验的速度变化。鼠标速度应指示对象对任务的反应程度；较高的值对应于较高的反应度，用于补偿指针的随机运动。

2.3.3.PEBLNASA任务负荷指数（PEBL TLX）

NASA任务负荷指数[37]是一个自我报告的多维量表，旨在根据六个子量表的加权平均值提供总体可感知的工作量得分。分量表是精神需求，身体需求，时间需求，自己的表现，努力和挫败感。受试者必须通过选择六个分量表的分数（从0到100）来评估在先前完成认知任务时经历的感知工作量；较高的值表示更大的可感知工作量。在本研究中，使用PEBL软件（PEBLTLX）上的NASA TLX版本评估了可感知的工作负荷等级[47]。

2.4.生理评估

在进行认知评估期间，参与者佩戴了针对现实生活的认知监控（PERFORM）的心理生理学面具，这是一种经过验证的多传感器可穿戴和非阻塞性面具[29]，能够从一组以下物体中检测，记录和分析以下生理信号：干燥的电极置于眼周区域：

l 面部温度信号，以1Hz采样率从放置在左右肌和左右前额上的传感器记录下来；

l 心脏脉搏，用光电容积描记器传感器以100 Hz采样率记录，该传感器置于glabella（眉毛之间和鼻子上方的区域）上方；

l 头部运动信号以100 Hz采样率从位于面罩左侧的3轴加速度计记录下来。

对于每个信号，都提取了外围测量，以研究执行认知任务如何改变外围输出。根据每次测量的生理特性，我们获得了从每个认知任务开始到结束的时间序列测量。因此，作为与执行的任务相关的有效参数，我们考虑了每个提取的度量从任务开始（度量在其时间序列的前十分之一的平均值）到结束（度量在最后一个度量的平均值）之间的变化。时间序列的十分之一）。

从面部温度时间序列，我们考虑了：

l MaxT，定义为任务开始和结束之间计算出的四个温度变化中的最大值；

l zfT，通过比较上述额头和vs骨的T变化来定义（zfT =ΔTzΔTf，其中ΔTz是两个额头传感器的平均变化，而ΔTf是两个che骨传感器的平均变化）。

从心脏脉冲时间序列中，我们获得了脉冲到脉冲时间间隔序列[48]，这使我们能够估计心率（HR）的变化，心率（HR）定义为心率开始和结束之间计算出的心率变化。任务。

从头部运动时间序列中，我们从在连续的1 s窗口内计算出的三个轴向振荡组合的方差获得了头部运动的综合度量。我们估计头部运动幅度（HMA）是该措施任务开始和结束之间的变化。

2.5.统计分析

这项工作旨在确定主要涉及独特注意力成分的执行任务的特定生理相关性。我们用睡眠剥夺来操纵为了消除一般工作量对生理反应的影响。我们制定了以下假设（Ha）与原假设（H0）进行比较：

l H0=校正工作量后，从基线到睡眠剥夺后的认知和生理指标之间无显着相关性变化。变量之间的相关性= 0；

l Ha=认知和生理指标变化之间的显着相关性校正工作量后进入睡眠剥夺后基线的基线。变量之间的相关性为<0或> 0。

如果Sig <α，则H0被拒绝，其中<α= 0.05

因此，我们通过以下 两个主要步骤来分析数据：

 （1）识别剥夺睡眠对感知工作量的影响；

     （2）消除工作量变化的影响后，在不同的认知任务中识别受试者内部认知能力变化（从基线到睡眠剥夺后）的生理相关性。

对于步骤（1），通过两尾Wilcoxon符号秩检验评估睡眠剥夺和基线阶段之间的PEBL TLX子量表差异。使用非参数测试是因为它们允许研究参数，而与正态无关。确实，这项研究中的变量是异类的（从心理评分到生理参数）。有些是歪斜的，有些则在几个离散值的范围内变化。我们使用以下公式估算非参数测试的效应大小：

其中N是Z评分所基于的观察总数[49]。

对于步骤（2），通过将认知任务指数的变化与从基线到睡眠剥夺后的生理测量值相关联，来识别受试者内部认知能力变化的生理相关性。为了从认知指标和生理指标之间的相关值中消除工作量变化的贡献，通过控制在步骤（1）达到统计显着性的那些工作量子量表来计算偏相关（rp，偏等级相关）。

运用Yekutieli和Benjamini程序[50]来控制关于与每个认知任务指数相关的所有生理特征的假设检验系列的错误发现率（FDR）。将错误发现率设置为等于0.05，并计算调整后的p值。

3. 结果

3.1.感知的工作量从基准更改为睡眠剥夺

任务后测得的感知工作量在精神和身体需求量表的条件之间有所不同；睡眠剥夺后的精神和身体需求增加（分别为p = 0.04和p = 0.01）。表1提供了每个PEBL TLX子量表的统计信息。

3.2.注意系统功能的生理相关性

关于注意和生理指标，没有发现条件之间的显着差异（补充表S1-S4）。

然而，在消除与知觉工作量变化相关的推定联系效应后，认知指数与生理指标之间发现显着关联（图2）。

图2.注意系统功能的生理相关性。散点图显示，在校正了TLX的精神和身体需求之后，生理指标与认知指标从基线到睡眠剥夺后的状态变化之间的关联（rp，部分等级相关系数-错误发现率<0.05）。

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来源于：mdpi