《COGNITIVE, AFFECTIVE & BEHAVIORAL NEUROSCIENCE》：Neural mechanisms underlying the effects of cognitive fatigue on physical effort-based choice
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疲劳是一种耗竭状态，会影响个体参与费力任务的意愿。尽管体力消耗和认知消耗均可引起疲劳，但关于一个消耗域（如认知域）的疲劳如何影响另一域（如体力域）付出决策的理解仍然有限。研究人员首先训练人类受试者将其体力付出与努力水平的数值量表相关联。随后，受试者在完成引起认
疲劳是一种耗竭状态，会影响个体参与费力任务的意愿。尽管体力消耗和认知消耗均可引起疲劳，但关于一个消耗域（如认知域）的疲劳如何影响另一域（如体力域）付出决策的理解仍然有限。研究人员首先训练人类受试者将其体力付出与努力水平的数值量表相关联。随后，受试者在完成引起认知疲劳的工作记忆（3-back）任务前后，完成一项针对预期体力付出的迫选任务。采用功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）测量选择和3-back任务期间的大脑活动。通过对选择行为的计算建模，研究人员发现受试者报告认知疲劳和体力疲劳水平均增加，但仅有认知疲劳感的增加使受试者对高水平体力付出更加风险规避。功能磁共振成像结果分析显示，与基线休息状态相比，右侧前岛叶（right anterior insula, rIns）编码认知疲劳诱导的受试者体力付出主观成本增加，而右侧背外侧前额叶皮层（right dorsolateral prefrontal cortex, rdlPFC）活动增加则追踪3-back任务所花费的时间。心理生理交互（psychophysiological interaction, PPI）分析揭示，疲劳相关的右侧前岛叶和右侧背外侧前额叶皮层激活具有相关性，且这些区域在一个跨消耗域的通用疲劳网络中相互连接。研究结果支持存在一个整合消耗特异性信息以指导基于付出选择的通用疲劳信号的观点。
**研究背景**
疲劳是一种在长时间体力或认知消耗后产生的参与费力活动意愿降低或感知能力下降的状态。日常生活中，一个域的疲劳常被认为可影响另一域的行为，例如经过一整天高认知需求的数据分析后，个体可能决定不参加下班后的高强度足球比赛。尽管体力疲劳和认知疲劳均会降低个体付出意愿并增加后续付出时的感知努力，且功能神经影像研究已发现前扣带皮层（anterior cingulate cortex, ACC）、岛叶皮层和腹内侧前额叶皮层（ventromedial prefrontal cortex, vmPFC）参与认知和体力付出决策，但这些区域对疲劳状态敏感。然而，关于一个消耗域的疲劳如何影响另一消耗域的付出决策，以及大脑如何在决策过程中整合跨不同努力和疲劳模态的信息，目前理解仍然有限。以往行为实验虽已观察到认知疲劳与体力表现之间的交叉影响，但认知疲劳影响体力付出决策的神经生物学机制尚不清楚。此外，以往研究主要关注体力疲劳如何影响体力付出决策，未考察不同努力和疲劳类型在付出决策中的交互作用。因此，本研究旨在探究认知疲劳如何与大脑的估值和决策回路交互以影响体力付出选择。
**研究概述与结论**
研究人员结合行为计算建模和功能磁共振成像，考察了认知疲劳对预期体力付出估值及其神经表征的影响。受试者在基线选择阶段和疲劳选择阶段分别完成体力付出迫选任务，疲劳阶段穿插引起认知疲劳的3-back工作记忆任务。研究发现，重复认知消耗增加了认知和体力疲劳感，且认知疲劳感的增加速率显著高于体力疲劳感，两者增加速率显著相关，提示存在跨消耗域的通用疲劳感。行为上，认知疲劳使受试者对高水平体力付出更加风险规避，主观付出成本参数ρ显著增加，但选择随机性参数τ无显著变化。贝叶斯分层逻辑回归显示，仅认知疲劳评分与确定选项价值的交互显著影响选择行为，体力疲劳评分无此效应。神经层面，右侧前岛叶编码认知疲劳诱导的体力付出主观成本增加，且其活动与认知和体力疲劳评分的协变程度相关；右侧背外侧前额叶皮层活动随3-back任务时间增加而增强；心理生理交互分析表明，随着认知疲劳评分增加，右侧背外侧前额叶皮层与右侧前岛叶之间的功能连接增强。研究结果表明，认知疲劳通过影响右侧前岛叶对体力付出价值的编码，并经右侧背外侧前额叶皮层传递认知消耗相关信息，形成跨消耗域的通用疲劳网络来指导基于付出的选择。研究的重要意义在于揭示了不同消耗域之间交互影响付出决策的神经机制，支持通用疲劳信号整合消耗特异性信息以指导基于付出选择的观点。
**关键技术方法**
研究人员采用手部握力测力计（hand-clench dynamometer）测量最大自主收缩（maximum voluntary contraction, MVC）并训练受试者将体力付出与努力水平数值量表关联；采用3-back工作记忆任务诱导认知疲劳；采用基于风险的迫选范式评估预期体力付出选择；采用功能磁共振成像（fMRI）测量选择和3-back任务期间的大脑活动；采用两参数计算模型和贝叶斯分层逻辑回归建模选择行为；采用心理生理交互（PPI）分析评估脑区间功能连接。受试者来自公开招募的健康右利手人群（最终分析n=26，神经影像分析n=25）。
**研究结果**
重复认知消耗导致疲劳感增加：通过3-back任务前后疲劳评分比较及分层线性模型分析，发现认知疲劳和体力疲劳评分均随认知消耗进程显著增加，且认知疲劳增加速率显著大于体力疲劳，两者增加速率显著正相关。
疲劳易感性对疲劳感影响极小：通过分析3-back任务反应时和成功率，发现随认知消耗进程反应时降低、成功率提高，不符合疲劳易感性（performance fatiguability）模式；最大自主收缩在实验前后无显著差异，表明疲劳感增加非源于客观表现下降或体力能力变化。
认知疲劳诱导的体力付出价值变化：通过无模型选择相似性分析和基于模型的两参数分析，发现认知疲劳使受试者在高付出选项条件下更倾向选择确定选项，ρ显著增加，表明认知疲劳增加了体力付出的主观边际成本。
体力付出价值的神经编码：通过全脑对比分析和感兴趣区（region of interest, ROI）分析，发现双侧岛叶和背侧前扣带皮层对所选与未所选体力付出价值的差异敏感；右侧前岛叶活动在疲劳阶段编码体力付出价值变化，且与认知和体力疲劳评分的协变程度相关。
认知疲劳增加影响体力付出估值：通过分析3-back任务期间脑活动，发现右侧背外侧前额叶皮层活动随重复认知消耗增加；心理生理交互分析显示右侧背外侧前额叶皮层与右侧前岛叶之间功能连接随认知疲劳评分增加而增强，且疲劳阶段末期的连接强于初期。
**讨论与结论**
讨论部分指出，重复认知消耗增加认知和体力疲劳感及体力付出主观成本，表明疲劳信号可跨不同消耗域影响行为。神经结果显示，认知疲劳诱导的体力付出估值变化由右侧前岛叶编码，右侧前岛叶与右侧背外侧前额叶皮层之间的功能连接受疲劳状态影响。研究强调了主观疲劳与客观任务表现的分离，即尽管认知疲劳感逐渐增加，工作记忆表现保持稳定或略有提高。右侧前岛叶可能作为跨域疲劳判断的节点，整合内感受信号与预期付出成本估计。研究还讨论了动机对疲劳状态下付出行为的影响，以及本研究的局限性，包括主观疲劳测量的多维性、缺乏研究内的跨域主动控制条件、以及实验设计无法完全区分共享疲劳过程与其他因素。研究结论为：通过结合行为和神经分析，研究表明认知疲劳影响体力疲劳感和体力付出决策，提示存在一个跨消耗域的疲劳网络，利用消耗相关神经信号影响认知和体力付出判断；右侧前岛叶中体力付出价值表征受右侧背外侧前额叶皮层认知疲劳诱导变化的调制，且这些脑区作为努力-疲劳网络的一部分功能连接，影响基于付出的决策。
