压力的干扰作用：执行注意力功能受损与疲劳感知延迟

《Applied Ergonomics》：The distracting role of stress: Impaired executive attention and delayed fatigue perception

　　奥辛·泰亚吉|兰贾娜·K·梅塔
美国密歇根大学，安阿伯市在fNIRS探针图中，检测器和信号源在前额叶皮层形成了7个通道，在M1区域形成了13个通道。数据采集的采样率为约10赫兹。皮质区域的位置是通过布罗德曼分区来确定的（Strotzer，2009）。图1展示了fNIRS数据的分析流程。红外光信号首先被转换为光学密度，再根据Huppert等人（2009）描述的方法转化为血红蛋白浓度。预处理分析是在MATLAB中的fNIRS处理软件Homer 2中完成的（Boas，2025）。首先通过对原始强度数据取对数将其转换为光学密度。然后使用函数“hmrMotionArtifactByChannel”，以50为移动窗口标准差阈值、5为振幅阈值，识别每个通道中的运动伪影。接着，采用两种校正算法来平滑这些伪影：参数p为0.99的样条插值法（“hmrMotionCorrectSplineSG”），以及阈值为3.3的基于峰度的小波变换法（“hmrMotionCorrectKurtosisWavelet”）。最后，对数据施加0.1 – 0.5赫兹的带通滤波，以去除生理噪声，之后将数据转换为ΔHBO和ΔHBR浓度，两者的差分路径长度因子均设为6.0。仅使用ΔHBO数据进行进一步分析。为了解疲劳对皮质区域功能整合与功能分离的影响，分别分析了运动早期阶段（疲劳任务的第一个三分之一时段）和晚期阶段（疲劳任务的最后一个三分之一时段）的数据。对于每个皮质区域以及早期、晚期两个阶段，计算了各通道氧合血红蛋白浓度时间序列数据对之间的皮尔逊相关系数。随后将这些皮尔逊相关系数转换为费希尔Z分数。绝对值低于0.4的Z分数被视为虚假关联，依据Rhee和Mehta（2018）描述的方法将其剔除。对于每个皮质区域，以每个通道作为节点，以皮尔逊相关系数作为权重构建有向和无向加权图（见图1）。根据Rubinov和Sporns（2010）给出的公式，计算了每个图的总体效率——即功能整合程度的指标，以及聚类系数——即功能分离程度的指标。总体效率的计算公式为：Globalefficiency=1n∑i?N∑j?N,j≠idij?1n?1，其中dij表示节点i和j之间的最短路径长度；聚类系数的计算公式为：ClusteringCoefficient=1n∑i?N2tiki(ki?1)，其中ti表示围绕节点i的有向三角形数量，ki表示节点i的度数。该方案借鉴了Keller-Ross等人（2014年）和Yoon等人（2009年）的研究成果，他们发现与对照组相比，压力测试过程中的心率以及感知焦虑水平（STAI量表和视觉模拟量表评分）均有所上升。本研究中采用了相同的方案，在间歇性运动的同时诱发压力状态。Mehta（2015年）也报告称，通过类似的心理算术任务结合间歇性握力收缩，能够成功诱发压力反应，这一结论从升高的心率和心率变异性中得到印证。本研究中STAI量表得分在两种条件下均出现与任务相关的上升趋势，但在压力条件下的得分显著高于对照组，这说明通过心理算术确实实现了对压力的有效调控。不过需要指出的是，STAI量表主要适用于测量认知压力，而非躯体压力（Gr?s等人，2007年）。

4.2 压力状态下的运动功能与疲劳机制
本研究中，与对照组相比，压力测试条件下的耐力时间有所延长。这一结果与Yoon等人（2009年）的发现不同，后者认为压力会降低耐力。Yoon等人采用20%最大等长收缩强度的持续肘部收缩动作，疲劳任务平均持续时间约为10分钟。而本研究则考察了30%最大等长收缩强度的间歇性收缩所引发的长期疲劳效应，任务持续时间约为28分钟。由于相同强度的持续收缩比间歇性收缩更容易引发中枢疲劳（Bilodeau，2006年），因此两者在中枢疲劳发展机制上可能存在差异。尽管耐力时间更长，但压力状态下运动表现和关节稳定性仍有所下降。此外，仅在对照组中观察到了与疲劳相关的力量稳定性下降现象，而在压力组中，由于运动初期表现就已受损，后续并未进一步因疲劳而恶化。此前的研究也表明，在进行类似同时进行的任务时，力量稳定性会出现下降（Pereira等人，2019年；Yoon等人，2009年）。力量稳定性与中等力量水平下运动单位放电时间的共同调节机制密切相关，同时与感觉运动功能也存在一定关联，这表明力量稳定性与其中枢调控机制之间存在紧密联系（Enoka和Farina，2021年；Missenard等人，2009年）。当前及以往的研究结果表明，压力会对运动表现和疲劳发展的中枢机制产生调节作用。

在两种条件下，疲劳程度加剧时二头肌和三头肌的均方根肌电信号都会升高，而肌肉纤维传导频率则下降，这些变化进一步证实了神经肌肉疲劳的进展过程（Viitasalo和Komi，1977年）。在整个疲劳任务过程中，压力状态下的均方根肌电信号也明显更低，这说明压力会导致神经驱动能力的下降。另外，与肌肉纤维传导速度呈线性相关的肌肉纤维传导频率在压力状态下的二头肌中也有所降低。尽管存在这些中枢功能的受损，但受试者在压力状态下仍表现出较低的疲劳感。其中一个可能的解释是压力状态下肌肉的协同收缩模式发生了变化。在对照组中，三头肌的均方根肌电信号从任务早期到后期持续上升，而在压力组中则在任务中期趋于平稳，与此同时二头肌的均方根肌电信号则持续上升，这表明压力状态下运动后期拮抗肌与主动肌的比例更高。通常情况下，疲劳时会出现主动肌与拮抗肌激活比例下降的现象（Gagnon等人，1992年）。压力状态下较高的主动肌与拮抗肌激活比例则说明存在代偿性的运动募集模式，这类模式可能有助于延长运动时间。

4.3 运动疲劳的神经工程学特征以及压力状态下感知努力的延迟评估
本研究中，对照组中观察到前额叶皮层和运动皮层的功能整合与分离指标因疲劳而下降，这一趋势与其他疲劳实验中观察到的脑功能变化一致（例如精神疲劳；Karthikeyan等人，2024年）。因此，预计对照组中运动皮层的功能整合与分离能力也会因疲劳而下降。压力对身体的影响可能是保护性的，也可能是破坏性的，具体取决于压力持续的时间，而大脑在这些影响中起着核心作用（McEwen，2007年）。当前的研究结果表明，虽然对照组中观察到了前额叶皮层和运动皮层功能特化能力的下降，但在压力状态下并未出现此类现象。这些发现反映了“稳态适应”现象，这一概念由Sterling和Eyer（1988年）提出，用于描述机体在面对压力时通过主动的生理过程来维持内环境稳定的机制。这一过程是通过多种相互调节的应激响应机制实现的。例如，边缘系统会与下丘脑等原始脑区以及前额叶皮层等高级皮层区域协同工作，以调节应对压力的行为、生理和情绪反应，从而保持运动表现并提升机体的适应能力（McEwen，2007年）。然而，这种机制也会导致前额叶皮层的认知功能受损，其执行控制能力下降（Arnsten，2009年）。压力对大脑网络结构的这种稳态适应效应可能使人的运动能力超出其“正常水平”。不过需要强调的是，虽然压力下的稳态适应效应在短期内具有适应性，但长期处于压力环境中则可能导致不利的神经可塑性变化，进而降低机体的适应能力（McEwen和Gianaros，2011年）。

压力对前额叶皮层的这种稳态适应效应对于理解疲劳机制具有重要意义，因为它会影响通过感觉运动区域传递的下行指令（Jiang等人，2012年；Tyagi和Mehta，2023年）。压力状态下前额叶皮层对疲劳程度的影响还体现在对努力程度的感知上。在压力条件下，复杂的心理算术任务所带来的高认知负荷似乎产生了“分心效应”，减少了用于运动表现的注意力资源（Bigliassi，2021年），不仅影响了运动表现（如力量稳定性），也影响了对努力程度的感知（表现为自我报告的用力程度较低）。根据de Morree和Marcora（2015年）的观点，努力程度的感知在运动自我调节中起着重要作用，它受到下行指令向肌肉传递的伴随放电信号的影响。根据动机强度理论，努力程度的感知被用作判断任务失败点（即力竭点）的依据，人们通过将当前的努力感知与自身愿意付出的最大努力进行比较来确定这一点（Marcora，2008年）。我们的研究结果表明，压力降低了受试者的努力感知程度，使得他们自我设定的任务失败点向后推迟，从而延缓了疲劳的出现。

4.4 对工作场所的启示
本研究的发现表明，高认知负荷与体力劳动同时进行时，可以延缓体力疲劳的出现，并降低运动表现。这意味着，当需要同时处理认知任务和需要高精度控制的体力任务时，性能将会出现显著下降。这些发现也与以下事实相符：那些需要高运动控制能力的任务往往涉及高级运动区和前额叶皮层区域（Goldman-Rakic；Kr?mer等人，2013年）。因此，如果这些高级执行区域还要承担额外的认知任务，以至于超负荷运转（即出现高认知压力），那么这两类任务很可能会争夺有限的认知资源，从而导致性能下降。尽管已有大量研究探讨了不同认知任务需求如何竞争大脑皮层资源（Alonso等人，2013年），但本研究则分析了当人体同时面临体力与认知任务需求时，大脑会如何进行调整。未来的研究需要明确在该实验方案中哪些任务被优先处理，以便更好地理解最终的性能表现。

认知压力对体力运动的另一个影响是延缓了疲劳的出现，其机制是通过干扰执行控制和疲劳调节功能来产生分心效应。虽然短期内疲劳出现的延迟看似是一种积极现象，但从长远来看，它可能对肌肉骨骼健康造成严重危害。研究表明，对运动的中央调控机制对于预防运动损伤至关重要（McLean和Samorezov，2009年）。中枢疲劳在调节局部肌肉疲劳的发展过程中起着关键作用，有助于避免受伤风险（Amann等人，2020年；Taylor等人，2016年）。虽然某些认知因素，如压力和高度动机，可以暂时延缓这些中枢机制的作用（Sadri等人，2014年），但在这种状态下继续进行体力运动仍可能带来较高的受伤风险。

因此，在那些对安全要求极高的领域，如应急响应、医疗保健等，同时处理多项任务可能会对肌肉骨骼健康造成长期不良影响。目前，从事这些高风险职业的人群正面临着日益严重的职业倦怠和压力问题（Cydulka等人，1997年；Taranu等人，2022年）。虽然已有不少研究探讨了高压力和高疲劳水平对表现和心理健康的影响，如焦虑和职业倦怠，但正如本研究所示，在高压力和高工作负荷条件下，肌肉疲劳的感知指标可能会被掩盖，从而导致疲劳感出现延迟，进而造成某些肌肉的过度使用和损伤。因此，长期处于高压力和高工作负荷的环境中，也可能对从业人员的肌肉骨骼健康产生负面影响，这一问题同样需要进一步研究。

4.5 研究局限性
压力状态下运动表现会暂时下降，但随着时间推移又会逐渐恢复，这表明受试者可能需要更多时间来适应双重任务的需求。未来的研究应当为受试者设置“练习期”，让他们有足够的时间适应双重任务，练习结束后还需安排充足的休息时间。虽然在压力条件下的运动过程中，前额叶皮层的功能整合水平较低，但这种差异并不具有统计学显著性。未来的研究需要纳入更大规模的样本群体，以考虑个体间的差异性。由于每组的样本量相对较小（n=15），本研究可能未能观察到预期的性别差异。未来如果能够扩大样本规模，或许能够揭示此前未观察到的性别差异在疲劳反应上的表现。此外，本研究中选择的肌肉群为肘部屈肌，这类肌肉体积相对较大，且收缩方式为等长收缩。由于这些肌肉的中枢调控机制不同，或者因为等长收缩与动态收缩在疲劳表现上的差异，本研究的结论可能不适用于其他较小的肌肉群，如手部握力肌肉和下肢肌肉。因此，这些结论的适用范围也较为有限。未来的研究应当聚焦于那些在日常工作中更常被使用的肌肉群。

另外，本研究没有控制女性群体的激素周期和避孕药物使用情况。由于女性的疲劳程度会随每月的激素周期发生变化（Pallavi等人，2017年），未来的研究应当考虑这一因素，以减少每日之间的性能差异。此外，虽然本研究表明中枢机制，尤其是前额叶皮层的功能紊乱，会影响到疲劳调节，但这些中枢机制与疲劳发展之间的直接因果关系尚未得到证实。未来的研究需要进一步探究前额叶皮层功能紊乱与疲劳感知之间是否存在直接的因果关系。

由于本研究的设计原因，受试者之间的耐力时间（其中一个因变量）以及不同测试次数之间的耐力时间并不一致。虽然这是研究设计所决定的，但我们无法计算高度依赖于测量时间的心率变异性指标。因此，本研究主要关注高认知负荷所引发的压力的感知和行为反应，而没有对生理压力进行评估。未来研究在探讨压力影响时，也应纳入心率变异性和唾液皮质醇等生理指标，以全面了解认知压力对生理反应的影响，以及这些生理反应可能对疲劳机制产生的作用。生理反应指标还有助于揭示那些可能未被STAI量表捕捉到的性别差异。最后，本研究没有使用短间隔通道来消除生理噪声和运动伪影，而是依赖过滤算法。因此，用于提取相关性指标并构建连接图的分析方法可能并未完全去除所有的生理噪声和伪影，从而影响了研究结果的准确性。结论：本研究探讨了间歇性肘部屈曲运动在急性认知压力下产生疲劳的机制。认知压力会延迟疲劳感的出现，并降低运动表现（力量稳定性）。此外，压力还会降低运动初期对用力程度的感知，同时在疲劳状态下仍能保持前额叶皮层的功能特异性。我们的研究结果表明，压力会对高级执行注意力资源产生干扰，从而导致疲劳感出现延迟。该研究的结果展示了压力和双重任务处理对疲劳感知的影响，同时也强调了在高压力和高工作量条件下研究多任务处理的长期影响的重要性。

作者贡献说明：Oshin Tyagi：概念构建、数据整理、定量分析、研究设计、方法学、项目管理、资源协调、软件应用、研究监督、结果验证、数据可视化、初稿撰写、修订与编辑。Ranjana K. Mehta：概念构建、数据整理、定量分析、资金筹集、方法学、项目管理、资源协调、研究监督、初稿撰写、修订与编辑。