功能性近紅外光譜fNIRS在揭示精神疲勞神經(jīng)生物標(biāo)志研究中的應(yīng)用
牛馬之光：fNIRS揭示精神疲勞神經(jīng)生物標(biāo)志
引言
在一個(gè)“連休息都要高效”的時(shí)代，我們似乎都在透支大腦。白天，我們?cè)诠ぷ髦懈咚偾袚Q任務(wù)；閑暇時(shí)，又沉浸在社交媒體的信息洪流；夜晚，躺在床上，身體已經(jīng)休息，但腦子還在復(fù)盤今天的任務(wù)。精神疲勞，一種因長(zhǎng)時(shí)間認(rèn)知或心理活動(dòng)而導(dǎo)致的心理資源耗竭狀態(tài)，正成為現(xiàn)代人最普遍卻最隱形的疾病。長(zhǎng)時(shí)間的精神疲勞會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知功能受損，焦慮、抑郁以及睡眠障礙。然而，精神疲勞的發(fā)生機(jī)制一直難以捉摸，如何用客觀手段早期識(shí)別它，成為科研界的重要課題。
近期，天津中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)者在《Psychophysiology》發(fā)表的系統(tǒng)綜述與元分析，為這一問(wèn)題提供了關(guān)鍵答案。該研究通過(guò)整合 27 項(xiàng)采用功能性近紅外光譜（fNIRS） 的研究，首次明確：心理疲勞會(huì)導(dǎo)致前額葉皮層（PFC）顯著激活，且 fNIRS 可成為監(jiān)測(cè)心理疲勞的高效工具。
文章信息
研究背景
精神疲勞（Mental Fatigue） 是一種普遍存在但被低估的心理生理狀態(tài)，表現(xiàn)為：精神倦怠、注意力下降、動(dòng)機(jī)減退；精神疲勞會(huì)導(dǎo)致工作和學(xué)習(xí)效率降低，增加操作錯(cuò)誤與事故風(fēng)險(xiǎn)（如駕駛、飛行、監(jiān)控作業(yè)等）。精神疲勞的機(jī)制復(fù)雜，涉及主觀、心理、生理與神經(jīng)過(guò)程的交互，目前仍缺乏客觀生物標(biāo)志物。近年來(lái)，功能近紅外光譜（fNIRS） 被廣泛用于檢測(cè)大腦血氧變化，可間接反映神經(jīng)活動(dòng)，特別適合連續(xù)監(jiān)測(cè)認(rèn)知負(fù)荷與疲勞狀態(tài)。
但已有研究在結(jié)果上存在不一致：
系統(tǒng)檢索了 PubMed、Web of Science、知網(wǎng)等 8 個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)（建庫(kù)至 2022 年 12 月），最終納入 27 項(xiàng)符合標(biāo)準(zhǔn)的研究，聚焦心理疲勞如何影響腦活動(dòng)這一核心問(wèn)題。檢索關(guān)鍵詞：fNIRS、mental fatigue、cognitive fatigue、ego depletion、driving fatigue 等。
文獻(xiàn)納入標(biāo)準(zhǔn)：
-研究對(duì)象為健康成人；
-使用 fNIRS 監(jiān)測(cè)誘導(dǎo)精神疲勞的任務(wù)前后腦血氧變化；
-報(bào)告了腦區(qū)激活（特別是前額葉皮層）；
-疲勞誘導(dǎo)持續(xù)時(shí)間 ≥30 分鐘。
數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)：
-提取 HbO₂/HbR 的變化、腦區(qū)位置、任務(wù)類型；
-將 t 或 F 值轉(zhuǎn)換為相關(guān)系數(shù)后進(jìn)行 Fisher’s Z 變換注1；
-使用 RevMan 5.3 進(jìn)行 Meta分析；
-異質(zhì)性以 I² 評(píng)估（>75%為高異質(zhì)性）。
注1：將文獻(xiàn)中的 F 值 /t 值轉(zhuǎn)換為相關(guān)系數(shù)（r） ，再通過(guò) Fisher Z 轉(zhuǎn)換 計(jì)算效應(yīng)量，是基于統(tǒng)計(jì)方法學(xué)中 “不同檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量間可相互推導(dǎo)” 的原理實(shí)現(xiàn)的，核心目的是統(tǒng)一不同原始研究的效應(yīng)量指標(biāo)（因部分研究未直接報(bào)告相關(guān)系數(shù)或效應(yīng)量，僅提供 F/t 值等顯著性檢驗(yàn)結(jié)果）。
質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)：
-是否明確疲勞模型；
-是否控制晝夜節(jié)律；
-是否限制咖啡因、酒精；
-是否對(duì)fNIRS數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；
-每項(xiàng)1–5分，得分越高代表質(zhì)量越好。
研究結(jié)果
共篩選出 107篇文獻(xiàn)，去重與篩除后， 29篇納入系統(tǒng)綜述，其中 27篇進(jìn)入Meta分析。被試：健康成人（20–30歲）；任務(wù)時(shí)長(zhǎng)30分鐘至24小時(shí)。
精神疲勞誘導(dǎo)模型包括：
14項(xiàng)模擬駕駛疲勞
6項(xiàng)睡眠剝奪
6項(xiàng)工作記憶與認(rèn)知范式（N-back, Go/No-go等）
3項(xiàng)其他任務(wù)（視覺(jué)顯示終端操注2、減7測(cè)試等）
注2：視覺(jué)顯示終端操作（Visual Display Terminal Operation, VDT 操作） 是一類以 “長(zhǎng)時(shí)間使用電子屏幕進(jìn)行認(rèn)知或操作任務(wù)” 為核心的精神疲勞誘發(fā)任務(wù)，本質(zhì)是通過(guò)模擬日常工作 / 生活中高頻的屏幕交互場(chǎng)景，引發(fā)持續(xù)性認(rèn)知負(fù)荷與視覺(jué)疲勞，最終誘導(dǎo)精神疲勞狀態(tài)。
總體激活情況：
心理疲勞顯著激活了前額葉皮層，HbO₂濃度顯著升高（見(jiàn)圖2），PFC激活是心理疲勞的可靠神經(jīng)指標(biāo)。
監(jiān)測(cè)狀態(tài)的影響：
圖3展示了靜息狀態(tài)下，PFC HbO₂濃度顯著下降，表現(xiàn)為負(fù)激活（Z = -0.49）；任務(wù)狀態(tài)下，HbO₂濃度顯著升高，表現(xiàn)為正激活（Z = 0.25）。
誘導(dǎo)模型的影響：
不同模型（睡眠剝奪、模擬駕駛、工作記憶任務(wù)）之間無(wú)顯著差異（見(jiàn)圖4），說(shuō)明誘導(dǎo)方式不影響PFC激活水平。
預(yù)訓(xùn)練的影響：
是否進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練對(duì)PFC激活無(wú)顯著影響（Z = 0.07，p = 0.40）。
大多數(shù)研究報(bào)告了雙側(cè)PFC激活，其中右側(cè)背外側(cè)前額葉皮層（DLPFC）激活更為顯著，尤其在任務(wù)狀態(tài)下。
結(jié)論與展望
功能性近紅外光譜（fNIRS）是一種可靠且實(shí)用的工具，能夠有效監(jiān)測(cè)心理疲勞狀態(tài)下前額葉皮層（PFC）的激活變化。研究發(fā)現(xiàn)，PFC在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中呈現(xiàn)顯著激活，尤其在疲勞初期表現(xiàn)為HbO₂濃度升高，而在疲勞加重時(shí)則可能轉(zhuǎn)為抑制。此外，右側(cè)背外側(cè)前額葉（DLPFC）在工作記憶任務(wù)中表現(xiàn)出更強(qiáng)的激活，提示其在疲勞感知中具有側(cè)化特征。作者指出，監(jiān)測(cè)狀態(tài)對(duì)結(jié)果影響顯著，而誘導(dǎo)模型類型和是否預(yù)訓(xùn)練則無(wú)顯著差異。最后，作者呼吁未來(lái)研究應(yīng)加強(qiáng)數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)化、報(bào)告完整血紅蛋白指標(biāo)，并推動(dòng)fNIRS在職業(yè)健康與安全領(lǐng)域的應(yīng)用。
原文信息鏈接
Yan, Y., Guo, Y., & Zhou, D. (2025). Mental fatigue causes significant activation of the prefrontal cortex: A systematic review and meta-analysis of fNIRS studies. Psychophysiology, 62(1), e14747.
https://doi.org/10.1111/psyp.14747
研究團(tuán)隊(duì)介紹
本研究由天津中醫(yī)藥大學(xué)針灸研究中心與針灸推拿學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)完成，聚焦于心理疲勞的神經(jīng)機(jī)制及功能性近紅外光譜（fNIRS）技術(shù)的應(yīng)用。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國(guó)內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長(zhǎng)期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進(jìn)的技術(shù)和服務(wù)帶給各個(gè)領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競(jìng)爭(zhēng)力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗(yàn)。
相關(guān)產(chǎn)品
引言
在一個(gè)“連休息都要高效”的時(shí)代，我們似乎都在透支大腦。白天，我們?cè)诠ぷ髦懈咚偾袚Q任務(wù)；閑暇時(shí)，又沉浸在社交媒體的信息洪流；夜晚，躺在床上，身體已經(jīng)休息，但腦子還在復(fù)盤今天的任務(wù)。精神疲勞，一種因長(zhǎng)時(shí)間認(rèn)知或心理活動(dòng)而導(dǎo)致的心理資源耗竭狀態(tài)，正成為現(xiàn)代人最普遍卻最隱形的疾病。長(zhǎng)時(shí)間的精神疲勞會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知功能受損，焦慮、抑郁以及睡眠障礙。然而，精神疲勞的發(fā)生機(jī)制一直難以捉摸，如何用客觀手段早期識(shí)別它，成為科研界的重要課題。
近期，天津中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)者在《Psychophysiology》發(fā)表的系統(tǒng)綜述與元分析，為這一問(wèn)題提供了關(guān)鍵答案。該研究通過(guò)整合 27 項(xiàng)采用功能性近紅外光譜（fNIRS） 的研究，首次明確：心理疲勞會(huì)導(dǎo)致前額葉皮層（PFC）顯著激活，且 fNIRS 可成為監(jiān)測(cè)心理疲勞的高效工具。
文章信息
研究背景
精神疲勞（Mental Fatigue） 是一種普遍存在但被低估的心理生理狀態(tài)，表現(xiàn)為：精神倦怠、注意力下降、動(dòng)機(jī)減退；精神疲勞會(huì)導(dǎo)致工作和學(xué)習(xí)效率降低，增加操作錯(cuò)誤與事故風(fēng)險(xiǎn)（如駕駛、飛行、監(jiān)控作業(yè)等）。精神疲勞的機(jī)制復(fù)雜，涉及主觀、心理、生理與神經(jīng)過(guò)程的交互，目前仍缺乏客觀生物標(biāo)志物。近年來(lái)，功能近紅外光譜（fNIRS） 被廣泛用于檢測(cè)大腦血氧變化，可間接反映神經(jīng)活動(dòng)，特別適合連續(xù)監(jiān)測(cè)認(rèn)知負(fù)荷與疲勞狀態(tài)。
但已有研究在結(jié)果上存在不一致：
- 一些研究發(fā)現(xiàn)精神疲勞導(dǎo)致前額葉氧合血紅蛋白（HbO₂）上升，常見(jiàn)于一些大腦為了抵抗疲勞，維持專注的活動(dòng)，例如剛進(jìn)入疲勞駕駛的司機(jī)會(huì)更加努力集中注意力，保證完成駕駛；
- 另一些研究發(fā)現(xiàn)HbO₂下降或信號(hào)減弱，常見(jiàn)于個(gè)體長(zhǎng)期高耗能后，例如長(zhǎng)時(shí)間駕駛或睡眠剝奪，進(jìn)入明顯的疲勞或倦怠階段。
- 哪些腦區(qū)在精神疲勞下顯著激活；
- 不同任務(wù)類型、監(jiān)測(cè)狀態(tài)、受試者訓(xùn)練是否影響fNIRS信號(hào)；
- HbO₂/HbR 是否可作為精神疲勞的可靠生物指標(biāo)。
系統(tǒng)檢索了 PubMed、Web of Science、知網(wǎng)等 8 個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)（建庫(kù)至 2022 年 12 月），最終納入 27 項(xiàng)符合標(biāo)準(zhǔn)的研究，聚焦心理疲勞如何影響腦活動(dòng)這一核心問(wèn)題。檢索關(guān)鍵詞：fNIRS、mental fatigue、cognitive fatigue、ego depletion、driving fatigue 等。
圖1. 數(shù)據(jù)搜索流程
文獻(xiàn)納入標(biāo)準(zhǔn)：
-研究對(duì)象為健康成人；
-使用 fNIRS 監(jiān)測(cè)誘導(dǎo)精神疲勞的任務(wù)前后腦血氧變化；
-報(bào)告了腦區(qū)激活（特別是前額葉皮層）；
-疲勞誘導(dǎo)持續(xù)時(shí)間 ≥30 分鐘。
數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)：
-提取 HbO₂/HbR 的變化、腦區(qū)位置、任務(wù)類型；
-將 t 或 F 值轉(zhuǎn)換為相關(guān)系數(shù)后進(jìn)行 Fisher’s Z 變換注1；
-使用 RevMan 5.3 進(jìn)行 Meta分析；
-異質(zhì)性以 I² 評(píng)估（>75%為高異質(zhì)性）。
注1：將文獻(xiàn)中的 F 值 /t 值轉(zhuǎn)換為相關(guān)系數(shù)（r） ，再通過(guò) Fisher Z 轉(zhuǎn)換 計(jì)算效應(yīng)量，是基于統(tǒng)計(jì)方法學(xué)中 “不同檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量間可相互推導(dǎo)” 的原理實(shí)現(xiàn)的，核心目的是統(tǒng)一不同原始研究的效應(yīng)量指標(biāo)（因部分研究未直接報(bào)告相關(guān)系數(shù)或效應(yīng)量，僅提供 F/t 值等顯著性檢驗(yàn)結(jié)果）。
質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)：
-是否明確疲勞模型；
-是否控制晝夜節(jié)律；
-是否限制咖啡因、酒精；
-是否對(duì)fNIRS數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；
-每項(xiàng)1–5分，得分越高代表質(zhì)量越好。
研究結(jié)果
共篩選出 107篇文獻(xiàn)，去重與篩除后， 29篇納入系統(tǒng)綜述，其中 27篇進(jìn)入Meta分析。被試：健康成人（20–30歲）；任務(wù)時(shí)長(zhǎng)30分鐘至24小時(shí)。
精神疲勞誘導(dǎo)模型包括：
14項(xiàng)模擬駕駛疲勞
6項(xiàng)睡眠剝奪
6項(xiàng)工作記憶與認(rèn)知范式（N-back, Go/No-go等）
3項(xiàng)其他任務(wù)（視覺(jué)顯示終端操注2、減7測(cè)試等）
注2：視覺(jué)顯示終端操作（Visual Display Terminal Operation, VDT 操作） 是一類以 “長(zhǎng)時(shí)間使用電子屏幕進(jìn)行認(rèn)知或操作任務(wù)” 為核心的精神疲勞誘發(fā)任務(wù)，本質(zhì)是通過(guò)模擬日常工作 / 生活中高頻的屏幕交互場(chǎng)景，引發(fā)持續(xù)性認(rèn)知負(fù)荷與視覺(jué)疲勞，最終誘導(dǎo)精神疲勞狀態(tài)。
總體激活情況：
心理疲勞顯著激活了前額葉皮層，HbO₂濃度顯著升高（見(jiàn)圖2），PFC激活是心理疲勞的可靠神經(jīng)指標(biāo)。
圖2. 心理疲勞狀態(tài)下前額葉皮層的總體激活情況
監(jiān)測(cè)狀態(tài)的影響：
圖3展示了靜息狀態(tài)下，PFC HbO₂濃度顯著下降，表現(xiàn)為負(fù)激活（Z = -0.49）；任務(wù)狀態(tài)下，HbO₂濃度顯著升高，表現(xiàn)為正激活（Z = 0.25）。
圖3. 不同監(jiān)測(cè)狀態(tài)下前額葉皮層的激活差異
誘導(dǎo)模型的影響：
不同模型（睡眠剝奪、模擬駕駛、工作記憶任務(wù)）之間無(wú)顯著差異（見(jiàn)圖4），說(shuō)明誘導(dǎo)方式不影響PFC激活水平。
圖4. 不同心理疲勞誘導(dǎo)模型對(duì)PFC激活的影響
預(yù)訓(xùn)練的影響：
是否進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練對(duì)PFC激活無(wú)顯著影響（Z = 0.07，p = 0.40）。
圖5. 是否進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練對(duì)PFC激活的影響
腦區(qū)差異：大多數(shù)研究報(bào)告了雙側(cè)PFC激活，其中右側(cè)背外側(cè)前額葉皮層（DLPFC）激活更為顯著，尤其在任務(wù)狀態(tài)下。
結(jié)論與展望
功能性近紅外光譜（fNIRS）是一種可靠且實(shí)用的工具，能夠有效監(jiān)測(cè)心理疲勞狀態(tài)下前額葉皮層（PFC）的激活變化。研究發(fā)現(xiàn)，PFC在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中呈現(xiàn)顯著激活，尤其在疲勞初期表現(xiàn)為HbO₂濃度升高，而在疲勞加重時(shí)則可能轉(zhuǎn)為抑制。此外，右側(cè)背外側(cè)前額葉（DLPFC）在工作記憶任務(wù)中表現(xiàn)出更強(qiáng)的激活，提示其在疲勞感知中具有側(cè)化特征。作者指出，監(jiān)測(cè)狀態(tài)對(duì)結(jié)果影響顯著，而誘導(dǎo)模型類型和是否預(yù)訓(xùn)練則無(wú)顯著差異。最后，作者呼吁未來(lái)研究應(yīng)加強(qiáng)數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)化、報(bào)告完整血紅蛋白指標(biāo)，并推動(dòng)fNIRS在職業(yè)健康與安全領(lǐng)域的應(yīng)用。
未來(lái)場(chǎng)景展望✌（小編os: 未來(lái)還是牛馬么...
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Yan, Y., Guo, Y., & Zhou, D. (2025). Mental fatigue causes significant activation of the prefrontal cortex: A systematic review and meta-analysis of fNIRS studies. Psychophysiology, 62(1), e14747.
https://doi.org/10.1111/psyp.14747
研究團(tuán)隊(duì)介紹
本研究由天津中醫(yī)藥大學(xué)針灸研究中心與針灸推拿學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)完成，聚焦于心理疲勞的神經(jīng)機(jī)制及功能性近紅外光譜（fNIRS）技術(shù)的應(yīng)用。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國(guó)內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長(zhǎng)期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進(jìn)的技術(shù)和服務(wù)帶給各個(gè)領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競(jìng)爭(zhēng)力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗(yàn)。
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