连续成功诱导生理唤醒的实验范式：揭示压力与运动表现的非线性关系

《iScience》：An experimental paradigm to manipulate physiological arousal using consecutive successes

本研究针对传统压力研究仅关注“有无压力”二元对比的局限，开发了一种通过连续成功次数渐进式诱导心理压力的实验范式。研究人员让参与者完成指尖力量任务，发现当目标为连续成功时，心率随成功次数呈指数增长，最高提升约20 bpm，同时任务表现线性改善；而当目标为总成功次数时，此效应消失。中介分析表明唤醒并非表现改善的唯一中介。该范式为在实验室中高效、可扩展地研究压力谱系及其与表现的关系提供了新工具。

　　

在竞技体育、重要考试或公开演讲等高压情境下，人们常常会“发挥失常”，这种现象在心理学中被称为“压力下的窒息”（choking under pressure）。传统的理论，如基于Yerkes-Dodson定律的过度唤醒理论认为，表现与唤醒水平呈倒U型关系：适度的压力能提升表现，但过度的压力反而会导致表现下降。然而，长期以来，实验心理学研究大多将压力视为一种“有”或“无”的二元状态，例如通过金钱奖励、社会评价或竞争来制造压力情境。这种简化的对比限制了我们理解压力如何作为一个连续谱系影响表现的细微差别，也导致了研究结果的不一致。

为了解决这一难题，来自东京大学的研究团队在《iScience》上发表了一项创新研究，他们设计了一个巧妙的实验范式，利用“连续成功”的概念来在实验室中可控地、渐进式地操纵心理压力。该研究的核心假设是，随着连续成功次数的增加，任务难度（从概率角度看）和心理压力会累积，从而引发生理唤醒的相应变化，并最终影响任务表现。

研究人员设计了两项实验。在实验1中，15名参与者需要完成一项指尖力量任务，目标是连续10次成功地将力量控制在最大自主收缩（MVC）的10%±1%范围内。实验的关键在于，在每次尝试前，屏幕会显示当前已连续成功的次数。研究人员同步记录了参与者每次尝试时的心率（作为生理唤醒的指标）和力量误差（作为表现指标）。结果发现，随着连续成功次数的积累，参与者的心率并非匀速上升，而是呈现出加速增长的趋势。统计分析（线性混合模型，LMM）显示，心率随连续成功次数存在显著的线性和二次项效应，表明是指数型增长。这意味着，越接近连续10次成功的目标，参与者感受到的生理唤醒就越强烈，其强度甚至超过了以往许多采用金钱激励或社会评价等传统方法研究所报告的水平（通常为0-10 bpm，本研究最高可达约20 bpm）。

更令人意外的是任务表现的变化。与倒U型假设的预测相反，在如此高的唤醒水平下，参与者的表现并没有恶化，反而是随着连续成功次数的增加而线性提升，即力量误差显著减小。这表明在当前的相对简单的运动任务中，增加的压力（或唤醒）起到了促进作用而非阻碍作用。

然而，一个重要的替代解释是：表现的改善可能并非源于压力，而是源于“顺序效应”或近期成功记忆带来的运动学习效应。为了排除这种可能性，研究团队进行了实验2。在实验2中，另一组15名参与者执行完全相同的指尖力量任务，但目标改为累计成功100次（而非连续成功），并且在尝试前屏幕上显示的是总成功次数而非连续成功次数。这样，任务结构和运动学习的机会得以保留，但对“连续成功”这一可能引发压力的认知焦点被移除。结果非常明确：在实验2中，连续成功次数与心率变化之间没有显著关系，与力量误差之间也没有显著关系。这表明，实验1中观察到的唤醒增加和表现改善，确实依赖于对连续成功目标的认知，而非简单的动作重复或接近总体目标。

为了进一步探究生理唤醒在连接连续成功与表现改善之间的作用，研究人员进行了多层级中介分析。分析结果显示，连续成功次数确实能显著预测心率的增加（路径a显著），但心率本身在控制了连续成功次数后，并不能显著预测力量误差的改善（路径b不显著）。Sobel检验表明，通过心率的间接效应不显著。有趣的是，连续成功次数对力量误差的直接效应依然显著。这说明，生理唤醒的增加并不能完全解释表现为何改善，可能存在其他更重要的认知或动机因素（如认知控制、注意资源分配或个体特质）在压力情境下直接驱动了表现的提升。

本研究主要采用了行为实验与生理测量相结合的方法。关键技术包括：1）使用定制化的指尖力量任务平台，通过压力传感器精确测量力量输出；2）利用心电图（ECG）传感器无创地连续监测参与者任务期间的心率变化，并以静息心率作为基线；3）采用线性混合模型（LMM）分析纵向数据，以处理个体差异和缺失值；4）运用多层级中介分析检验生理唤醒的中介作用；5）通过改变任务目标（连续成功 vs. 总成功）来巧妙分离压力效应与顺序/学习效应。

结果

连续成功在实验1中而非实验2中增加心率

在实验1中，线性混合模型分析表明，连续成功次数对心率有显著的正面线性影响和二次项影响。指数模型对平均心率的拟合优度（R² = 0.98）远优于线性模型，证实了心率随成功次数呈指数型加速增长。相比之下，实验2中连续成功次数与心率无显著关联，说明当不强调连续成功目标时，生理唤醒不会随之增加。

表现随连续成功在实验1中改善而非实验2中

在实验1中，力量误差随连续成功次数增加而显著线性减小，表明表现持续改善。二次项模型不显著，排除了倒U型关系。实验2中则未发现连续成功次数与力量误差的显著关系。两组实验的总成功率无显著差异，表明任务难度相当。

生理唤醒不能中介连续成功对表现的影响

中介分析显示，连续成功次数能显著预测心率升高，但心率不能显著预测力量误差。间接效应不显著，而连续成功对表现的直接效应依然显著。这表明观察到的表现改善并非单纯由心率所代表的生理唤醒所驱动。

讨论与结论

这项研究成功地提出并验证了一种通过“连续成功”来操纵心理压力谱系的新颖实验范式。其主要发现是：1）当任务目标设定为达成连续成功时，随着成功次数的积累，个体的生理唤醒（以心率为指标）会呈指数级增长，远超过传统压力诱导方法的效果；2）与此高强度唤醒相伴的不是表现的下降，而是表现的线性改善，这对经典的倒U型假设提出了挑战，暗示对于相对简单的任务，高唤醒可能仍处于优化表现的范围内；3）通过改变任务目标（实验2），研究者有效地将压力效应与可能的学习或顺序效应分离开，证实了认知背景（对连续成功的关注）在诱发上述效应中的关键作用；4）更为精细的中介分析揭示，生理唤醒本身并非表现改善的必要中介，提示压力下的优异表现可能更多地依赖于稳定的个体特质（如工作记忆容量、焦虑水平）所调节的认知控制过程。

该研究的重大意义在于它提供了一种高效、可扩展且成本较低的方法，在受控的实验室环境中模拟真实世界中的渐进式压力体验。它突破了将压力视为二元变量的传统框架，为未来深入研究压力与表现之间复杂、动态的关系，以及个体差异如何调节这种关系打开了新的大门。例如，未来研究可以结合该范式与神经影像学技术（如fMRI）或非侵入性神经调节技术（如经耳迷走神经刺激），以更直接地操纵和观察大脑活动，从而厘清压力影响表现的神经机制。当然，研究也存在一些局限性，如仅使用心率作为唤醒指标可能存在的反向推理问题、样本全部为男性、高连续成功次数对应的试次数量较少导致的数据稀疏性问题等，这些都为未来的研究指明了方向。

总之，Kagari Yamada、Kohei Miyata和Kazutoshi Kudo的这项工作为我们理解压力如何影响人类表现提供了新的视角和强大的实验工具，标志着在量化并操纵复杂心理状态以揭示其行为后果的道路上迈出了重要一步。