脑力疲劳对机体的认知、情绪和行为能力会造成极大影响,严重时还会危害工作效能和身心健康。随着空军装备现代化和训练实战化对人的更高要求,以及未来战场环境下面临的高负荷作业、长航时飞行所导致的睡眠不足等情况,飞行员出现的脑力疲劳风险会大大增加。外军调查显示,93%的飞行员曾有过飞行疲劳,全部战斗伤亡中10-54%是由疲劳导致,因此飞行人员的脑力疲劳以及对抗措施是各国航空医学保障的一个重要研究方向。本研究来源于军队“十二五”、“十三五”重大专项课题资助,通过睡眠剥夺的方式在实验室条件下构建脑力疲劳医学模型,利用先进的脑电、功能磁共振技术,结合复杂网络分析等前沿的数据处理方法,从静息态和任务态等方面展开对脑力疲劳后脑功能网络变化的研究,揭示脑力疲劳影响大脑情绪及高级认知功能的内在神经机制,为军事飞行人员脑力疲劳的评估和预警提供生物量化指标,为建立有效的防护措施提供科学依据。研究方法本研究共招募37名健康男性被试,采用自身对照设计,使用40h睡眠剥夺方式构建实验室条件下的脑力疲劳模型。在6个时间点进行了3种状态(睁眼、闭眼、飞行模拟任务)18次脑电采集,2次(剥夺前后)功能磁共振扫描,并动态监测被试的认知能力以及躯体和情绪状态。采用功率谱、相位延迟指数、带权图、最小生成树、功能连接密度、心理-生理交互作用和相关分析等多种计算方法研究了脑力疲劳对情绪状态、注意力、风险决策、复杂操作能力等脑功能的影响,以及静息态和任务态下的脑振荡活动、功能网络拓扑结构等神经机制的变化模式,并对行为表现和神经机制的相关关系进行了分析。研究结果1.脑力疲劳对认知功能、情绪、行为的影响选择躯体和情绪状况评定问卷、精神运动警觉度测试(PVT)、骰子博弈任务(GDT)、模拟飞行任务等评估手段,研究脑力疲劳对认知功能、情绪、行为的影响模式。结果显示,脑力疲劳情况下被试的(1)疲劳、嗜睡感和负性情绪显著增加;(2)注意力下降,风险决策能力受损;(3)复杂操作能力下降;(4)复杂操作任务能力下降出现最早,其后依次为情绪、注意力、风险决策能力下降;(5)愤怒、紧张等负性情绪与风险决策能力、复杂操作能力受损呈正相关,自我、精力等正性情绪与风险决策能力受损呈负相关。2.脑力疲劳对静息态脑功能网络的影响利用静息态EEG数据构建脑功能网络,研究脑力疲劳状态下脑振荡活动、脑功能网络拓扑结构等变化特征及其与行为特征之间的相关性。结果显示,在闭眼状态下(1)慢波功率谱增加,快波功率谱降低,表明脑皮层振荡活动呈现慢化趋势;(2)δ频段网络呈现规则化趋势,α频段网络呈现小世界特性增强;(3)δ、α频段网络全局效率下降,α频段网络局部效率下降;(4)θ频段网络稳定性有轻度增强;(5)α频段网络中心度有所降低;(6)α频段脑主干网络呈现出星形变化;(7)α频段网络全局效率、局部效率变化与疲劳变化呈负相关,与自我变化呈正相关。提示随着其全局效率和局部效率的下降,疲劳感增加而自我情绪减弱;(8)α频段网络中心度变化与PVT反应时变化呈正相关,提示随着其中心度降低,注意力下降。结果显示,在睁眼状态下(1)慢波功率谱增加,快波功率谱降低,表明脑皮层振荡活动呈现慢化趋势;(2)θ、α、γ频段网络稳定性有轻度增强。(3)脑皮层振荡活动的变化与PVT反应时呈正相关,提示随着脑皮层振荡活动的慢化,注意力下降。3.脑力疲劳对任务态脑功能网络的影响利用模拟飞行任务状态下EEG数据构建脑功能网络,研究脑力疲劳状态下脑振荡活动、脑功能网络拓扑结构等变化特征及其与行为特征之间的相关性,结果显示,(1)慢波功率谱增加,快波功率谱降低,表明脑皮层振荡活动呈现慢化趋势;(2)θ、α频段网络呈现规则化趋势,β、γ频段网络的小世界特性增强;(3)β、γ频段网络全局效率增强;(4)θ、α频段网络中心度增强;(5)脑主干网络的整体连接性增强;(6)δ频段主干网络的直径变大,离心度增加;(7)γ频段主干网络的平衡性增强;(8)脑皮层振荡活动的变化与PVT反应时呈正相关,提示随着脑皮层振荡活动的慢化,注意力下降;(9)α频段网络局部效率和中心度的变化和PVT反应时变化呈正相关,提示随着其局部效率和中心度的增强,注意力下降;(10)β频段网络的小世界特性和全局效率的变化和模拟飞行任务成绩变化呈正相关,提示随着其小世界特性和全局效率的增强,模拟飞行任务的完成绩效得以改善,可能是脑功能的代偿机制。4、静息态和任务态脑功能网络存在一定的差异对比两种状态,发现在静息态闭眼下α频段网络中心度下降,且和注意力下降伴随。而模拟飞行任务状态下α频段网络中心度增强,且和注意力下降伴随。提示在这两种状态下影响的α频段亚成分可能存在差异。研究结论本研究紧密结合军事需求,利用脑电、功能磁共振成像手段,并结合复杂网络前沿分析技术和多维度指标,发现了脑功能网络拓扑结构的特征性变化,且这些变化和情绪状态、认知功能以及复杂操作能力密切相关。进一步发现脑力疲劳静息状态下,脑功能网络效率下降,脑振荡活动呈慢化趋势,这些变化与认知功能下降和负性情绪状态呈正相关;在高逼真度飞行模拟任务状态下,β、γ频段的小世界特性和网络效率增强,这种变化趋势与复杂操作任务的绩效呈正相关。这些研究发现对我们深入了解脑力疲劳影响大脑复杂网络的神经机制具有重要意义,为平、战时军事飞行人员脑力疲劳的评估预警和干预防护提供了科学依据。