嗅觉刺激对聚合思维的影响：基于静息态脑电微状态的证据

《Thinking Skills and Creativity》：The Effects of Olfactory Stimulation on Convergent Thinking: Evidence Based on Resting-State EEG Microstates

　　

摘要本研究从行为和神经活动两个角度探讨了嗅觉刺激对聚合思维的影响。共有165名大学生被随机分为三组：空气组（n=55）、薄荷组（n=55）和薰衣草-甜橙组（n=55）。首先，在参与者吸入气味时记录3分钟的静息态脑电图（EEG）。随后，要求他们依次完成气味感知和情绪状态评估，再进行中文远距离联想测验（CRAT）。行为数据采用单因素方差分析进行检验。EEG地形图采用改进的k-means算法进行聚类，并计算微状态参数（持续时间、覆盖率和出现频率）。结果表明，薄荷组（p=0.016）和薰衣草-甜橙组（p=0.042）的CRAT得分显著高于空气组。然而，中介分析未发现情绪路径介导气味对聚合思维影响的证据。与薄荷组和空气组相比，薰衣草-甜橙组表现出EEG微状态A持续时间更长、出现频率更高、覆盖率更广，而微状态D则持续时间更短、出现频率更低。此外，在薄荷条件下，微状态D的出现频率和覆盖率与CRAT得分呈负相关（r=-0.36，p=0.044）。本研究证实了嗅觉刺激对聚合思维的影响。嗅觉刺激可以影响静息态EEG微状态，激活特定神经网络，从而在启动聚合思维任务之前创造不同的认知准备状态。在教育实践中，教师可以通过调节教室环境中的气味来影响学生的创造力。引言嗅觉是感觉系统的重要组成部分，在日常生活中发挥着至关重要的作用（Asahina等，2008）。环境气味提供了重要的线索，帮助人类探测威胁生存和健康的危险，以及识别社会线索和调节情绪状态（Stevenson，2010）。随着对嗅觉研究的深入，它日益被认为是人类及其他动物最重要的感官之一，是行为的关键决定因素。在心理学领域，早期的嗅觉研究主要关注其对情绪和记忆的影响（Herz，2009；Larsson和Willander，2009）。近年来，研究关注点转向了其在高级认知功能中的作用，如社会判断和决策（Chen和Yang，2023）。然而，关于其对创造性思维影响的研究较少。创造性思维是一种复杂的高级认知活动，涉及多个加工阶段，包括发散思维和聚合思维两个组成部分（Guilford，1967）。发散思维涉及突破常规模式、探索多种可能性，并追求数量和新颖性（流畅性、灵活性和独创性）。而聚合思维则相反，它要求从各种选项中缩小范围以寻求唯一正确的答案，强调速度、准确性和规则遵循（Lee和Therriault，2013）。已有研究发现，嗅觉刺激可以影响发散思维。例如，薄荷气味可以影响发散思维的行为表现；在薄荷条件下，前额叶皮层的脑电反应同步化（ERS）值与流畅性和灵活性显著正相关（He，2019）。类似地，在一项调查积极情绪能否通过体味传递的实验中，闻到积极体味的人与闻到中性体味的人相比，在发散思维任务上的流畅性和灵活性得分更高（Richard Ortegón等）。然而，关于嗅觉刺激对聚合思维影响的研究相对稀少。作为创造性思维背后的关键认知过程之一（Guilford，1957），聚合思维涉及在已知条件下解决问题（Lee和Therriault，2013）。它不仅仅是信息的简单叠加，而是一个通过严密的逻辑推理、目标导向的资源分配和系统评估，将零散线索整合为可行且创新性解决方案的过程。聚合思维的效率直接决定了问题解决的精确度和速度，在当今信息过载的社会中，这一能力显得愈发重要。面对海量数据和碎片化知识，缺乏聚合思维的人难以筛选有效信息并形成系统化认知，最终陷入信息过载而无法做出决策。大量研究表明，嗅觉刺激可以影响心理和生理状态，包括情绪和压力，以及注意力和记忆等认知过程（Herz，2009；Porcherot等，2010；Johnson，2011）。从心理学角度看，气味可能通过调节情绪或影响基础认知加工来影响聚合思维。一方面，嗅觉与情绪加工的神经基础存在大量重叠（Soudry等，2011；Kadohisa，2013）。杏仁核、海马、眶额皮层和岛叶不仅是处理嗅觉信息的关键区域，也是情绪加工的核心区域（Dolan，2002）。许多研究支持气味在调节情绪和感受中的作用（Hirasawa等，2019；Warrenburg，2005；Bensafi等，2002），而情绪反过来又显著影响创造性思维（Ivcevic和Hoffmann，2019）。总体而言，积极情绪促进创造力，而消极情绪阻碍创造力（Forgas和George，2001）。因此，情绪可能作为气味影响聚合思维的中介路径。另一方面，研究证实嗅觉刺激也可能影响基础认知活动。刺激性气味（如薄荷）促进集中和专注的心态，而放松性气味（如薰衣草）则引发更广泛和弥散性的注意状态（Colzato等，2014；Basevitch等，2011）。这些状态可能促进主动搜索行为，使个体能够获取和处理大量潜在信息（Carson等，2003），或加速语义网络的激活和扩散，从而促进更多原创想法的产生（Radel等，2015）。实证研究已确认弥散性注意状态与通过问卷测量的现实世界创造性成就之间存在相关性（Zabelina和Andrews-Hanna，2016）。因此，除了对情绪路径的影响外，气味也可能直接影响与聚合思维相关的认知活动。从神经生理学角度看，气味是具有特定化学结构的物质，其成分可以直接作用于中枢神经系统、自主神经系统和内分泌系统（Herz，2009）。嗅觉刺激可以影响自发性脑活动和认知功能（Sowndhararajan等，2015）。例如，吸入薰衣草气味可显著增强β波活动（Diego等，1998），而薰衣草和檀香精油可降低负波伴发的频率（Torii等，1988）。同时，薄荷精油可显著增强双侧颞叶和中央区θ波活动（Sayorwan等，2012）。创造性思维涉及中枢神经系统、自主神经系统和内分泌系统之间的复杂相互作用，其中中枢神经系统起着核心作用（Dietrich，2004；Dietrich和Kanso，2010）。这表明嗅觉刺激对聚合思维的影响可能部分源于其对中枢神经系统的直接影响。近年来，随着神经科学和心理学的进步，EEG微状态在认知神经科学领域受到越来越多的关注。EEG微状态是指脑活动在短暂时间窗口内涌现的稳定空间模式，反映了大脑在执行特定认知或感知任务期间的工作状态。它们通常由特定一组脑区的协同活动产生，揭示了大脑在认知过程中的信息加工机制（Michel和Koenig，2018）。EEG微状态可以捕捉大脑毫秒级的全局活动模式，并通过多个参数量化脑网络动态，从而精确评估嗅觉刺激影响与聚合思维相关的脑状态的实时调节和神经机制。然而，目前关于微状态与聚合思维关系的研究较少。因此，本研究将采用EEG微状态来探讨嗅觉刺激对聚合思维影响的神经机制，从而丰富该研究领域。芳疗法如今被广泛认可，涉及使用从各种天然植物中提取的芳香油来促进健康。在这些精油中，薰衣草、薄荷和甜橙精油的使用最为普遍。大量实证研究揭示了它们的心理和生理效应：薰衣草是一种典型的放松性气味，含有芳樟醇，具有镇静和抗焦虑作用，可显著减少疲劳并增加满意度（Burnett等，2004；Moss等，2003）。在一项涉及虚拟现实（VR）和嗅觉刺激的实验中，薰衣草被发现可以增强创造力（Andonova等，2023）。薄荷是一种刺激性气味，可以增强警觉性，减少日间嗜睡，改善自报的身体状况和能量水平（Norrish和Dwyer，2005）。甜橙中的柠檬烯促进血清素和多巴胺的释放，有效增强愉悦感并缓解紧张和焦虑（Ll等，2019）。一项临床研究和一项动物研究均表明，白天柠檬-迷迭香、晚上薰衣草-甜橙的交替吸入方案可显著改善认知功能评分（Zhu等，2024）。此外，混合精油可以显著改变人脑活动和功能连接，从而增强选择性注意（Liu等，2019）。这些发现表明，吸入特定混合精油可以影响认知功能。因此，本研究选择了薰衣草-甜橙精油混合物和单一薄荷精油作为两种嗅觉刺激。这一选择既有现有研究作为依据，又能够比较混合精油与单一精油的效果。综上所述，尽管嗅觉刺激对基础认知和情绪的调节作用已经确立，但其对高级认知活动的影响及其潜在机制仍不清楚。此外，在创造力研究领域，大多数研究聚焦于发散思维，而鲜有关注聚合思维。因此，本研究旨在探讨嗅觉刺激对聚合思维的影响及其潜在的神经机制。我们使用三种气味刺激来操控嗅觉环境：刺激性气味（薄荷）、放松性混合气味（薰衣草-甜橙）和无气味空气。我们假设，与空气对照组相比，薄荷组和薰衣草-甜橙组均对创造性思维产生积极影响。参与者在每种环境中完成中文远距离联想测验（CRAT），通过其测验得分测量联想思维。此外，在创造力领域，已有几项研究探讨了EEG微状态与成人创造力之间的关系，但尚无人研究微状态与聚合思维的关系。微状态的变化反映了大脑中全局神经活动的动态协调。这些"微状态"可能代表了个体心理状态的基本构建模块，或"思维原子"。区分不同类别的微状态不仅有助于理解静息状态下大脑的功能组织模式，也进一步支持了微状态是研究大脑时空动态的有力工具这一观点。因此，本研究将利用静息态EEG微状态来调查嗅觉刺激对聚合思维影响的神经机制。这一方法不仅为进一步探索嗅觉刺激影响聚合思维的脑机制奠定了基础，也为支持嗅觉刺激对高级认知功能的影响提供了新证据。研究片段被试使用G*Power 3.1软件，设定统计功效为0.8，第一类错误概率（α水平）为0.05，中等效应量（f=0.25）（Faul等，2007），估算所需样本量为159人。本研究参与者来自一所综合性大学的本科生，采用便利抽样法招募。招募通过校园公告、课堂通知和大学学生论坛帖子进行。共招募180人。行为结果不同嗅觉刺激条件下的主观评分、CRAT结果和人口学信息见表1。单因素方差分析显示，空气组、薄荷组和薰衣草-甜橙组之间存在显著差异（F(2,162)=3.415，p=0.035，η2=0.04）。进一步的事后比较表明，空气组的CRAT正确回答数显著少于薄荷组（p=0.016）和薰衣草-甜橙组（p——讨论本研究采用EEG技术探讨了嗅觉刺激对聚合思维的影响及其潜在的神经关联。行为结果显示，与空气对照组相比，薄荷和薰衣草-甜橙精油组的CRAT正确回答数均显著更高。两种精油组之间无显著差异，且该效应并未通过情绪路径介导。静息态EEG结论嗅觉刺激（薄荷和薰衣草-甜橙）可以通过改变静息态EEG微状态动态来影响聚合思维。

在任务开始前，薰衣草-甜橙气味组合提高了与感官相关的微状态A和B的时间覆盖率及发生率，同时降低了与注意干扰相关的微状态D的活动水平，从而可能释放注意资源并提升CRAT（远程联想测试）表现。此外，EEG微状态与嗅觉之间的相关性也得到了验证。

**影响声明**

目前大多数创造力研究聚焦于发散思维，而对收敛思维的关注甚少。以往关于嗅觉的研究主要围绕情绪与记忆展开，而将其与更高阶认知功能联系起来的研究仍显匮乏。将嗅觉与收敛思维相连接，有助于加深我们对气味如何影响高级认知过程的理解。

**CRediT作者贡献声明**

彭怡婷：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，软件，资金获取，形式分析，数据管理。陈震才：写作——审稿与编辑，可视化，验证，方法论，调查研究，概念构思。萧三蓉：验证，监督，资源，项目管理，调查研究。王婷：写作——审稿与编辑，监督，项目管理，概念构思。

**利益冲突声明**

作者声明不存在竞争性经济利益关系。

**致谢**

本研究得到了2024年江西省研究生创新专项基金项目（项目编号：YC2024-S743）的支持。

彭怡婷 | 陈震才 | 萧三蓉 | 王婷

江西中医药大学人文学院，中国南昌