任务需求对模拟手术环境中无关声音和言语的脑电图反应的影响

《Psychophysiology》：The Effect of Task Demand on EEG Responses to Irrelevant Sound and Speech in Simulated Surgical Environments

　　

高风险环境（如手术室，OR）中的复杂声景以多种重叠的听觉刺激为特征，给人员带来显著挑战，特别是在高需求时期。本研究使用移动脑电图（EEG）调查了任务需求和包含无关言语的手术室声景如何影响模拟手术环境中的感知工作量、手术表现和听觉处理。参与者执行了两项模拟手术任务，即夹子转移和缝合，分别代表低需求和高需求任务。任务在两种声音条件下执行：呈现手术室声景伴无关言语或单独呈现。分别使用事件相关电位（ERPs）和时间响应函数（TRFs）分析对瞬态和连续听觉刺激的神经反应。结果显示，无关言语增加了自我报告的工作量，而任务表现未受影响。EEG分析揭示了在高任务需求下言语包络的神经跟踪降低。这可以解释为对主观上分散注意力且不必要完成任务的声音的处理减少，可能指向对无关言语的成功抑制。值得注意的是，观察到对言语的神经反应与自我报告工作量之间存在负相关，表明言语反应可能作为感知工作量的标记。总体而言，本研究展示了EEG在现实工作环境中评估无关声音处理的潜力，并强调了任务需求在调节对声景的神经反应和自我报告工作量中的关键作用。

**研究背景与问题**
手术室（OR）等高风险环境中的复杂声景包含多种重叠的听觉刺激（如团队沟通、警报、仪器声），这些声音部分与任务相关，部分无关。无关言语（irrelevant speech）常被报告为分散注意力的来源，增加主观工作量和压力，但关于其对手术表现（客观分心）的影响证据不一。部分研究发现言语降低表现，但另一些研究在真实OR场景中未发现显著影响。此外，医疗人员主观报告指出，在高任务需求阶段，无关言语的干扰感更强。因此，需系统研究任务需求如何调节对OR声景（包括无关言语）的感知和神经处理，以区分主观与客观分心，并评估神经生理指标作为补充测量的潜力。

**研究内容与意义**
研究人员在模拟手术环境中，让25名无手术经验的参与者（含10名医学生）执行低需求（夹子转移，peg transfer）和高需求（缝合，suturing）任务，同时呈现OR背景声（OR playback）和/或无关言语（由三位讲述者朗读的故事）。使用移动24通道脑电图（EEG）记录神经反应，通过事件相关电位（ERPs）分析配对点击（paired clicks）的感官门控（sensory gating），通过时间响应函数（TRFs）分析连续言语和OR背景声的神经跟踪。结果表明：无关言语显著增加自我报告工作量（SURG-TLX总分及分心、压力维度），但不影响手术表现；高任务需求下，言语包络的神经跟踪（重建精度）降低，且与主观工作量呈负相关；感官门控在无言语条件下有增强趋势（但未校正显著）。该研究发表于《Psychophysiology》，展示了移动EEG在现实工作环境中评估无关声音处理的潜力，强调任务需求调节神经反应，且言语反应可作为感知工作量的客观标记。

**主要关键技术方法**
1. **移动EEG采集**：使用24通道无线EEG放大器（SMARTING），参考和接地电极分别位于FCz和AFz，采样率500Hz。
2. **配对点击范式**：每对点击间隔500ms，点击对间隔9–11s，共35对/块；分析ERP的N1和P2成分峰值间振幅，计算第一与第二点击响应差作为感官门控值。
3. **后向时间响应函数（TRF）建模**：使用mTRF工具箱，从多通道EEG信号（0–300ms延迟窗）重建言语或OR背景声的包络，通过脊回归（ridge regression）估计解码器权重，以重建包络与实际包络的皮尔逊相关系数（预测精度）表示神经跟踪强度。
4. **样本队列**：25名参与者，5名因记录错误或伪影被排除于EEG分析，其余用于行为分析。数据经独立成分分析（ICA）去除眼动和肌肉伪影，并重参考至双侧乳突（Tp9/Tp10）。

**研究结果**
**3.1 自我报告工作量**
**3.1.1 总分**：线性混合模型显示，任务（缝合>夹子转移，b=4.58，p<0.001）和声音（有言语>无言语，b=1.2，p<0.001）的主效应显著，无交互效应。参与者随机斜率表明个体差异。
**3.1.2 探索性项目分析**：SURG-TLX各项目分析显示，任务显著影响“心理需求”“身体需求”“时间需求”“复杂性”，而有言语显著增加“环境分心”和“压力”评分，其它项目无显著声音效应。
**3.2 手术任务表现**：夹子转移的“转移次数”和“掉落次数”、缝合的“完成时间”和“损伤评分”均未受言语条件显著影响（所有p>0.05/4），表明无关言语不损害客观表现。
**3.3 感官门控**：配对点击ERP分析显示，两种声音条件下均存在显著门控效应（第二点击响应振幅小于第一点击，p<0.05）。在无言语条件下，任务对门控强度的影响呈边缘显著（b=0.732，p=0.027，校正α=0.025），缝合任务门控趋势更强；在有言语条件下，任务效应不显著（p=0.064）。
**3.4 连续刺激反应**：TRF预测精度均高于置换检验的95%分位。OR背景声的预测精度不受任务影响（无言语：p=0.149；有言语：p=0.6）。言语刺激的预测精度在夹子转移任务中显著高于缝合任务（b=-0.014，p=0.001），表明高任务需求降低言语神经跟踪。
**3.5 自我报告与神经跟踪的关系**：OR背景声预测精度与工作量无显著相关（p>0.3）。言语预测精度与工作量呈负相关（b=-1.399，p=0.027），即言语跟踪越低，工作量越高；任务与预测精度无交互作用（p=0.857）。

**总结讨论与结论**
讨论部分指出，本研究区分了主观和客观分心：无关言语增加主观工作量但不影响手术表现，表明表现维持可能以补偿性努力为代价，长期影响操作者健康。感官门控在高需求下增强的趋势（无言语条件）和高需求下言语跟踪降低，共同支持任务需求增强早期听觉过滤机制。言语跟踪与主观工作量的负相关表明，言语反应可作为感知工作量的客观标记，且该效应发生在早期听觉处理阶段（0–300ms延迟窗）。局限性包括任务短、性能指标变异大、参与者无经验，以及TRF模型对OR背景声的单一对象处理可能忽略其内部异质性。未来研究应用更长任务和专业人员进一步验证。
研究结论翻译：研究结果表明，无关言语在困难任务中增加了主观分心和工LOAD，尽管客观分心（反映在手术任务表现上）未改变。这凸显了在自然任务中从表现中发现主观需求效应的复杂性。重要的是，任务需求改变了声音处理：瞬态点击显示出更强的门控趋势，对无关言语的反应减弱，表明当认知需求高时，对无关听觉输入的过滤增强。此外，本研究为移动EEG在实验室外和工作场所的应用增添了证据。通过移动EEG，研究人员在不干扰任务表现的情况下，探究了处理声景中无关方面的神经生理机制。研究显示，在需求高的任务中，无关言语反应在早期处理阶段减弱，且该减弱与自我报告工作量呈负相关。神经生理测量常基于人工和重复性声音，但本研究结果证明，对自然言语的反应也可作为感知工作量的敏感标记。这凸显了使用移动EEG配合自然刺激评估复杂现实环境中工作量的潜力，为在手术室等高危情境中监测和减轻听觉分心策略铺平了道路。