冷应激暴露对前额叶皮层血流动力学与射击精度的影响：一项功能性近红外光谱研究

《European Journal of Applied Physiology》：Prefrontal cortex hemodynamics and marksmanship accuracy following cold stress exposure

　　

目的：军事行动需要在极端环境中执行任务，而冷应激暴露可能危及安全与任务成功。研究人员利用功能性近红外光谱技术，研究了冷应激暴露对射击表现和前额叶皮层脑血流动力学的影响。研究人员假设，冷应激会降低表现，并增加冷应激下氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的水平。 材料与方法：共13名受试者完成了热中性（TN，24°C空气，无水浸泡）和冷应激暴露（CSE，0°C空气，15°C水浸泡）两次实验。在暴露前和暴露后，受试者分别完成简单射击和射击/不射击任务。通过功能性近红外光谱测量前额叶皮层的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白水平。采用重复测量方差分析评估条件和时间进程对射击表现、核心温度和皮肤温度的影响，并使用一般线性模型评估条件间β值的差异。 结果：冷应激暴露后，简单射击任务的脱氧血红蛋白下降。热中性条件下，简单射击任务后脱氧血红蛋白较暴露前下降，但氧合血红蛋白无显著变化。热中性条件下射击/不射击得分上升。冷应激暴露后射击/不射击得分下降，且未射击次数增加。冷应激暴露后的射击/不射击得分和未射击次数均差于热中性条件。在射击/不射击任务中，热中性条件下氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白均下降，而冷应激暴露后的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白均高于热中性条件。 结论：急性冷应激暴露不影响低难度静态射击表现，但会损害高难度动态射击任务，这可能源于冷应激暴露后认知储备的降低。利用功能性近红外光谱可有效评估战术表现下降背后的神经生理机制。

研究背景与意义

军事人员常在极端环境下执行任务，其中冷应激暴露（Cold Stress Exposure, CSE）可能严重影响作战安全与任务成功率。现有研究表明，冷应激暴露会损害工作记忆、注意力、执行功能等高级认知能力，尤其在水温远低于体温的情况下，水的导热系数约为空气的25倍，使得冷水浸泡带来的热损失更为剧烈。然而，关于冷应激暴露如何影响复杂战术任务（如射击决策与精度）及其背后的神经机制，仍缺乏深入理解。现代射击任务不仅依赖精细运动控制，还涉及较高的认知负荷，易受环境因素干扰。因此，研究人员旨在结合功能性近红外光谱（functional Near-Infrared Spectroscopy, fNIRS）这一非侵入性神经成像技术，探究冷应激暴露对前额叶皮层（Prefrontal Cortex, PFC）血流动力学反应及射击表现的影响，为优化寒冷环境下的训练方案与作战指南提供神经生理学依据。

研究方法概述

本研究招募了13名健康受试者，在随机顺序下完成热中性（TN，24°C空气，无水浸泡）和冷应激暴露（CSE，0°C空气加15°C冷水浸泡至锁骨，平均浸泡约25分钟）两种实验条件。受试者在暴露前后分别完成两项射击任务：简单射击任务（静态固定靶）和射击/不射击任务（动态决策靶）。研究人员使用便携式连续波功能性近红外光谱设备，将两个传感器分别置于受试者双侧眉弓上方2厘米处（对应国际10-20系统的Fp1和Fp2位点），以10Hz采样频率记录前额叶皮层的氧合血红蛋白（O₂Hb）和脱氧血红蛋白（HHb）浓度变化。核心温度（T_eC）和皮肤温度（T_SK）通过佩戴式传感器实时监测。数据分析采用重复测量方差分析和一般线性模型（General Linear Model, GLM），并对多重比较进行错误发现率校正。

研究结果

简单射击任务表现：简单射击成绩在冷应激暴露与热中性条件间无显著的交互作用或主效应，表明急性冷应激暴露不影响低难度静态射击精度。

简单射击任务神经响应：冷应激暴露后，简单射击任务中的氧合血红蛋白水平与热中性条件相比无显著差异，但冷应激暴露后的脱氧血红蛋白比热中性条件高出47.4%。热中性条件下，暴露后脱氧血红蛋白较暴露前下降了114.7%，而冷应激暴露前后脱氧血红蛋白无显著变化。这表明简单射击任务所需认知负荷较低，冷应激暴露对前额叶皮层氧合血红蛋白激活模式影响有限。

射击/不射击任务表现：射击/不射击得分存在显著的条件与时间交互作用。热中性条件下，暴露后得分较暴露前提高15%；而冷应激暴露后得分较热中性暴露后低22%，且冷应激暴露后未射击次数较暴露前增加了200%，较热中性暴露后增加了350%。这说明冷应激暴露显著损害了高难度动态射击任务的表现，主要表现为速度下降以维持精度。

射击/不射击任务神经响应：热中性暴露前，氧合血红蛋白比冷应激暴露前高28.3%；冷应激暴露后，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白分别比热中性暴露后高67.1%和111.4%。热中性条件下，暴露后氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白均较暴露前显著下降（分别下降38.9%和95.4%），反映了学习效应和认知效率提升。相反，冷应激暴露后脱氧血红蛋白较暴露前增加了135.2%，而氧合血红蛋白无显著变化，表明前额叶皮层需调动更多资源应对冷应激带来的额外认知负荷。

核心温度与皮肤温度：冷应激暴露后，核心温度从37.45°C升至38.22°C，皮肤温度从33.97°C骤降至23.78°C，降幅达10.19°C。热中性条件下两者均保持稳定。这证实了冷应激暴露引发了显著的外周血管收缩和核心温度代偿性升高。

讨论与结论

研究发现，冷应激暴露对不同难度的射击任务影响截然不同。对于低难度的简单射击任务，由于所需认知资源较少，即使在外周皮肤温度大幅下降的情况下，表现仍得以维持，前额叶皮层氧合血红蛋白也无明显变化。而对于高难度的射击/不射击任务，冷应激暴露导致未射击次数显著增加，同时前额叶皮层脱氧血红蛋白显著升高，氧合血红蛋白维持在较高水平，反映出认知负荷加重和神经效率下降。这种神经响应模式与以往研究中非熟练射手在热中性条件下的表现相似，提示冷应激暴露可能使原本自动化的技能退化为需要更多意识控制的阶段。

此外，皮肤温度降至23.78°C远低于触发外周血管收缩的阈值（约31°C），导致血液重新分布至核心区域以维持器官温度，同时可能延缓神经传导速度和肌肉功能，进一步削弱动态瞄准能力。研究还指出，冷应激暴露前的预期效应可能导致前额叶皮层预先激活，从而掩盖了部分冷应激对氧合血红蛋白的抑制效应。

结论部分翻译如下：总之，本研究表明急性冷应激暴露不影响低难度静态射击表现，但会显著损害高难度动态射击评估。任务特异性和热条件差异可部分归因于前额叶皮层不同的神经响应模式。因此，这些发现为寒冷作战环境下的人体表现优化提供了可行见解。具体而言，需要低难度战术任务的训练或任务不会受到急性冷应激暴露的损害，且对前额叶皮层神经调控影响甚微。随着冷应激暴露中所需战术任务难度的增加，表现会受到负面影响，部分原因在于前额叶皮层神经调节失调和神经负荷增加。功能性近红外光谱神经成像追踪战术表现指标的能力表明，它可用于评估战术辅助手段如何减轻表现下降。