长期认知干扰下前额叶网络的适应性重构：fNIRS研究提供的证据

《Brain Research》：Adaptive reconfiguration of prefrontal networks during prolonged cognitive interference: Evidence from fNIRS

　　潘玉佳|彭俊峰|李晓丽|金学松|云立军|陈在青中国云南省昆明市650500，云南师范大学信息科学与技术学院摘要在信息过载的时代，了解大脑对长时间认知任务的适应性反应至关重要。本研究探讨了在精神疲劳状态下维持认知表现的神经补偿机制，为动态资源分配以及高要求环境中的实际应用提供了见解。20名健康参与者在完成基于斯特鲁普任务的认知干扰任务的同时，通过功能性近红外光谱技术监测前额叶的血流动力学活动。主观疲劳程度则通过多维度疲劳量表、NASA任务负荷指数和视觉模拟量表进行评估，同时记录行为表现（反应时间和准确率）。研究采用广义线性模型分析神经激活情况，并评估功能连接性及网络拓扑指标（全局效率、聚类系数）。结果显示，任务结束后主观疲劳显著增加（MFI-20，p＜0.05），视觉模拟量表得分也逐步上升。从行为表现来看，反应时间缩短而准确率保持稳定，反映出速度与准确率之间的权衡。功能性近红外光谱显示，特定前额叶区域（如CH1、CH7）的激活状态发生明显变化，整体激活从正态转变为负态。这种模式可能反映了任务引发激活的时变调节，可能与疲劳导致的注意力变化、习惯化效应或资源相关过程等多种因素有关。此外，随着疲劳积累，额眼区与背外侧前额叶皮层之间的功能连接性增强（F=4.61，p=0.008），前顶极区域与背外侧前额叶皮层之间的功能连接性也有所增强（F=3.74，p=0.020）。随着任务进展，全局效率（F=0.169，p=0.022）和聚类系数（F=0.177，p=0.008）也呈现显著上升趋势。综上，这些发现表明在长时间认知干扰任务中，前额叶网络结构会经历时变调节。这些变化并非由单一机制导致，而是可能与持续任务需求下的功能协调动态调整有关。这些研究结果可为神经人机工程、脑机接口以及认知工作负荷管理提供初步的神经生理学依据。引言在当代社会，新兴技术快速发展，信息生成速度加快，过多的信息负荷会导致身体和心理上的疲惫，这种现象被称为“信息疲劳综合征”（Hoq，2016；Bawden和Robinson，2020）。在此背景下，系统阐明大脑应对复杂认知任务的神经行为补偿机制，不仅有助于深入理解认知资源的动态调节机制，还为揭示信息过载条件下的补偿机制提供了科学依据（Nakagawa等人，2013）。长时间从事高认知负荷任务会导致认知疲劳。在这种状态下，人们并非依赖固定的神经效率，而是通过补偿性努力来维持任务表现，所谓补偿性努力是指为抵消疲劳带来的性能下降而额外调动神经资源（Wang等人，2016）。Hockey的补偿控制模型为这一过程提供了经典的理论框架，该模型认为，当人们感到疲劳或面临高负荷任务时，可以通过增加控制投入来维持表现，但代价是更高的主观努力和行为压力（Robert和Hockey，1997）。最近的神经影像学研究进一步表明，补偿并不仅仅体现在局部激活的增加上，还体现在大规模控制网络的动态重构上。Badarin等人利用长时间的斯特鲁普工作记忆任务，结合功能性近红外光谱技术和眼动追踪技术，发现尽管行为表现相对稳定，但随着疲劳的积累，神经激活模式及其时间协调性会发生系统性变化（Badarin等人，2024）。从网络角度来看，认知控制和记忆功能都依赖于一个灵活的前顶叶控制网络，该网络会根据任务需求和内部资源状况动态调整其功能配置（Harding等人，2015）。越来越多的证据表明，在持续认知负荷下，疲劳相关的补偿表现为神经活动的时变重新分配，这是对处理资源的一种适应性重新调配，而非整体大脑激活水平的均匀上升。总体而言，这些发现表明认知疲劳中的补偿性努力是一种在网络层面发生的、具有动态性和过程依赖性的现象。重要的是，认知疲劳和补偿性努力并非源于单个脑区的孤立变化，而是源于大规模网络的动态协调，尤其是那些参与冲突处理和认知控制的网络。根据注意力网络模型，目标导向行为依赖于警觉、定向和执行控制子系统的协同作用（Petersen和Posner，2012）。其中，执行控制网络在诸如斯特鲁普任务这样的冲突处理任务中尤为重要，且极易受到持续认知负荷的影响。随着任务持续时间延长和疲劳积累，这些子系统之间的平衡被打破，从而导致冲突监测和反应抑制的效率下降，进而需要额外投入资源来维持表现。从更宏观的角度来看，全球神经元工作空间理论认为，诸如解决反应冲突之类的复杂认知操作依赖于前额叶和顶叶区域之间的长距离相互作用，从而实现广泛的信息整合和有意识的访问（Dehaene，xxxx）。在认知疲劳状态下，要维持有效的冲突解决能力，就需要加强或重新分配这个前顶叶工作空间内的信息交流。最近的功能连接性研究也支持这一观点（Sánchez等人，2026；Li等人，2025；Huang等人，2026），研究表明，疲劳更准确的特征是网络间互动模式的改变，而非区域激活的均匀下降。例如，Wylie等人发现了一种“疲劳网络”，在这种网络中，持续的任务投入会导致与控制相关的网络之间连接方式的重新配置，这反映了大脑对长时间冲突处理需求的一种适应性但代价较高的反应（Wylie等人，2020）。在本研究中，我们采用了源自斯特鲁普范式的认知控制任务。斯特鲁普干扰任务在认知神经科学、临床心理学（MacLeod，2005）以及人类因素工程领域都有广泛应用（Yuan等人，2020）；由于它能够有效引发认知冲突并量化执行控制能力，因此已成为研究注意力调节和认知疲劳的经典范式（Scarpina和Tagini，2017）。该任务的核心组成部分，包括持续注意力、冲突监测、反应抑制和错误监测，对疲劳极为敏感，在长时间任务执行过程中容易出现性能下降或需要更多的补偿性资源调动（Song等人，2017）。神经影像学研究一致表明，斯特鲁普干扰任务会强烈激活前顶叶控制网络，该网络包括背外侧前额叶皮层、前扣带皮层、顶叶区域以及额眼区，这些都是参与适应性控制和补偿调节的关键节点（Bush等人，2000；Egner和Hirsch，2005）。在持续认知负荷下，这些区域的反应并非一致，而是会出现与疲劳相关的时变调节模式，比如初期反应减弱，随后又出现增强或辅助区域的激活。功能性近红外光谱的研究结果进一步支持了斯特鲁普任务用于研究疲劳相关补偿的适用性。Fan等人发现，在斯特鲁普任务的后期阶段，前额叶和顶叶的激活水平会增加，这被解释为为维持表现而进行的补偿性资源调动（Fan等人，2025）。同样，Samuel等人观察到，在长时间进行斯特鲁普任务时，早期神经反应减弱，而在后期其他区域的活跃度会增加，这与PASA和ELSA模型的补偿性网络重构理论相符（Babu Henry Samuel等人，2019）。综上所述，斯特鲁普任务与功能性近红外光谱技术的结合为探究认知疲劳如何动态调节冲突处理和补偿性神经网络提供了一种灵敏且具有理论依据的研究框架（Reuter-Lorenz和Cappell，2008）。基于补偿控制模型、以往关于认知疲劳的研究成果以及网络神经科学的相关原理，我们在实验设计阶段就提出了明确的假设。我们假设，随着斯特鲁普干扰任务的进行，主观疲劳会显著增加，而行为准确率则会在一段时间内保持稳定，同时反应时间会因补偿性努力的增加而发生系统性变化。在神经层面，我们预计关键前额叶区域，包括背外侧前额叶皮层、前顶极区域和额眼区，其任务相关激活会在任务进展过程中发生变化，同时这些区域之间的功能连接性也会发生变化。在网络层面，我们进一步假设，在持续认知负荷下，大脑会通过重新组织前额叶功能网络来维持整体处理效率，表现为功能连接模式和网络拓扑结构的适应性变化。通过同时考察主观、行为和神经网络层面的指标，本研究旨在系统验证这些假设，从而阐明认知疲劳期间补偿性努力的多层级神经机制（Bassett和Sporns，2017）。尽管人们对认知疲劳下的补偿性神经机制越来越感兴趣，但目前仍存在一些关键缺陷。首先，以往的研究大多集中在工作记忆或外部施加的任务负荷上，尚不清楚在持续的冲突处理过程中是否也会出现类似的补偿机制，而冲突处理正是认知控制的核心组成部分。其次，现有的疲劳相关斯特鲁普研究主要报告了区域激活的变化，较少关注功能网络随时间的发展如何支撑长时间的任务执行。第三，认知疲劳本质上是一个动态过程，但许多研究仍然采用静态的条件对比，而非明确追踪任务执行过程中的神经变化。为弥补这些不足，本研究采用了延长的斯特鲁普干扰任务，系统地研究了从任务初期到后期的主观疲劳、行为表现以及神经动态的变化。鉴于认知疲劳是一个动态且具有时间依赖性的过程，而非静态状态，我们结合了多种主观疲劳评估方法，包括MFI-20、VAS和NASA-TLX，并通过多次分块评估来捕捉整个任务过程中疲劳的积累和演变趋势。我们利用功能性近红外光谱技术监测关键前额叶区域的任务相关激活，同时分析在持续冲突处理过程中功能连接性和网络结构的时变特征。通过将主观、行为和网络层面的神经指标整合在一个统一的时间框架内，本研究旨在阐明长期认知负荷所带来的神经适应性变化，以及疲劳发展过程中支持认知控制的机制。参与者本研究共招募了20名健康参与者，其中男性4名，女性16名，平均年龄为21±1.7岁。所有参与者的视力均为正常或经过矫正后为正常。在实验开始之前，参与者接受了口头健康筛查，并完成了基本健康问卷，以确保他们没有已知的神经系统或精神疾病。实验开始前，所有参与者都签署了书面知情同意书，所有实验步骤均在符合伦理标准的环境下进行。主观疲劳评估结果与主观问卷相关的分析结果见图3。我们对所有主观评估指标的疲劳程度变化进行了统计分析。根据MFI-20量表的结果（图3a），任务前的主观疲劳程度显著低于任务后（p=0.007）。具体而言，任务前的疲劳程度平均值为43.55，标准差为9.052，而任务后的疲劳程度平均值为47.20，标准差为8.477，这表明任务执行显著加剧了参与者的主观疲劳感。讨论本研究观察到，在持续任务执行过程中，主观疲劳与行为表现之间存在明显的差异。与先前的研究结果一致，MFI-20量表的得分在任务前后出现了显著上升，而VAS疲劳评分在整个实验过程中也呈持续上升趋势，这说明在长时间任务执行过程中，主观疲劳会逐渐积累。这一模式与大量文献的研究结果相符，这些研究均表明主观疲劳会随着任务的持续而不断加重。结论本研究阐明了在长时间认知干扰和疲劳条件下，大脑功能网络的适应性重组机制。通过整合多种评估方法——主观报告、行为表现以及基于功能性近红外光谱技术的神经指标——我们发现，虽然主观疲劳感会加剧，局部前额叶区域的激活水平会下降，但大脑会通过加强关键区域之间的功能连接性（如额眼区与背外侧前额叶皮层、前顶极区域与背外侧前额叶皮层之间的连接）来起到补偿作用。作者贡献声明潘玉佳：项目管理、方法学、研究实施、数据整理。彭俊峰：研究实施、资金获取、定量分析。李晓丽：结果验证、资源协调、定量分析。金学松：资源协调、方法学、数据整理。云立军：资源协调、数据整理。陈在青：研究实施、资金获取、定量分析。资助本研究得到了中国国家自然科学基金（62565018）、云南省李晓丽专家工作站（202605AF350049）以及云南省青年和中青年学术技术带头人后备人才计划（202305AC160084）的支持。利益冲突声明作者声明自己不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。致谢我们感谢所有参与研究的受试者。同时也要感谢云南师范大学色彩与图像视觉实验室为实验提供的设备和支持。