功能性近红外光谱fNIRS在揭示精神疲劳神经生物标志研究中的应用
2025-11-21 来源:本站 点击次数:232
牛马之光：fNIRS揭示精神疲劳神经生物标志
引言
在一个“连休息都要高效”的时代，我们似乎都在透支大脑。白天，我们在工作中高速切换任务；闲暇时，又沉浸在社交媒体的信息洪流；夜晚，躺在床上，身体已经休息，但脑子还在复盘今天的任务。精神疲劳，一种因长时间认知或心理活动而导致的心理资源耗竭状态，正成为现代人最普遍却最隐形的疾病。长时间的精神疲劳会导致认知功能受损，焦虑、抑郁以及睡眠障碍。然而，精神疲劳的发生机制一直难以捉摸，如何用客观手段早期识别它，成为科研界的重要课题。
近期，天津中医药大学学者在《Psychophysiology》发表的系统综述与元分析，为这一问题提供了关键答案。该研究通过整合 27 项采用功能性近红外光谱（fNIRS） 的研究，首次明确：心理疲劳会导致前额叶皮层（PFC）显著激活，且 fNIRS 可成为监测心理疲劳的高效工具。
文章信息
研究背景
精神疲劳（Mental Fatigue） 是一种普遍存在但被低估的心理生理状态，表现为：精神倦怠、注意力下降、动机减退；精神疲劳会导致工作和学习效率降低，增加操作错误与事故风险（如驾驶、飞行、监控作业等）。精神疲劳的机制复杂，涉及主观、心理、生理与神经过程的交互，目前仍缺乏客观生物标志物。近年来，功能近红外光谱（fNIRS） 被广泛用于检测大脑血氧变化，可间接反映神经活动，特别适合连续监测认知负荷与疲劳状态。
但已有研究在结果上存在不一致：
系统检索了 PubMed、Web of Science、知网等 8 个数据库（建库至 2022 年 12 月），最终纳入 27 项符合标准的研究，聚焦心理疲劳如何影响脑活动这一核心问题。检索关键词：fNIRS、mental fatigue、cognitive fatigue、ego depletion、driving fatigue 等。
文献纳入标准：
-研究对象为健康成人；
-使用 fNIRS 监测诱导精神疲劳的任务前后脑血氧变化；
-报告了脑区激活（特别是前额叶皮层）；
-疲劳诱导持续时间 ≥30 分钟。
数据处理与统计：
-提取 HbO₂/HbR 的变化、脑区位置、任务类型；
-将 t 或 F 值转换为相关系数后进行 Fisher’s Z 变换注1；
-使用 RevMan 5.3 进行 Meta分析；
-异质性以 I² 评估（>75%为高异质性）。
注1：将文献中的 F 值 /t 值转换为相关系数（r） ，再通过 Fisher Z 转换 计算效应量，是基于统计方法学中 “不同检验统计量间可相互推导” 的原理实现的，核心目的是统一不同原始研究的效应量指标（因部分研究未直接报告相关系数或效应量，仅提供 F/t 值等显著性检验结果）。
质量评估标准：
-是否明确疲劳模型；
-是否控制昼夜节律；
-是否限制咖啡因、酒精；
-是否对fNIRS数据进行预处理；
-每项1–5分，得分越高代表质量越好。
研究结果
共筛选出 107篇文献，去重与筛除后， 29篇纳入系统综述，其中 27篇进入Meta分析。被试：健康成人（20–30岁）；任务时长30分钟至24小时。
精神疲劳诱导模型包括：
14项模拟驾驶疲劳
6项睡眠剥夺
6项工作记忆与认知范式（N-back, Go/No-go等）
3项其他任务（视觉显示终端操注2、减7测试等）
注2：视觉显示终端操作（Visual Display Terminal Operation, VDT 操作） 是一类以 “长时间使用电子屏幕进行认知或操作任务” 为核心的精神疲劳诱发任务，本质是通过模拟日常工作 / 生活中高频的屏幕交互场景，引发持续性认知负荷与视觉疲劳，最终诱导精神疲劳状态。
总体激活情况：
心理疲劳显著激活了前额叶皮层，HbO₂浓度显著升高（见图2），PFC激活是心理疲劳的可靠神经指标。
监测状态的影响：
图3展示了静息状态下，PFC HbO₂浓度显著下降，表现为负激活（Z = -0.49）；任务状态下，HbO₂浓度显著升高，表现为正激活（Z = 0.25）。
诱导模型的影响：
不同模型（睡眠剥夺、模拟驾驶、工作记忆任务）之间无显著差异（见图4），说明诱导方式不影响PFC激活水平。
预训练的影响：
是否进行预训练对PFC激活无显著影响（Z = 0.07，p = 0.40）。
大多数研究报告了双侧PFC激活，其中右侧背外侧前额叶皮层（DLPFC）激活更为显著，尤其在任务状态下。
结论与展望
功能性近红外光谱（fNIRS）是一种可靠且实用的工具，能够有效监测心理疲劳状态下前额叶皮层（PFC）的激活变化。研究发现，PFC在任务执行过程中呈现显著激活，尤其在疲劳初期表现为HbO₂浓度升高，而在疲劳加重时则可能转为抑制。此外，右侧背外侧前额叶（DLPFC）在工作记忆任务中表现出更强的激活，提示其在疲劳感知中具有侧化特征。作者指出，监测状态对结果影响显著，而诱导模型类型和是否预训练则无显著差异。最后，作者呼吁未来研究应加强数据处理标准化、报告完整血红蛋白指标，并推动fNIRS在职业健康与安全领域的应用。
原文信息链接
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
研究团队介绍
本研究由天津中医药大学针灸研究中心与针灸推拿学院的科研团队完成，聚焦于心理疲劳的神经机制及功能性近红外光谱（fNIRS）技术的应用。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
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引言
在一个“连休息都要高效”的时代，我们似乎都在透支大脑。白天，我们在工作中高速切换任务；闲暇时，又沉浸在社交媒体的信息洪流；夜晚，躺在床上，身体已经休息，但脑子还在复盘今天的任务。精神疲劳，一种因长时间认知或心理活动而导致的心理资源耗竭状态，正成为现代人最普遍却最隐形的疾病。长时间的精神疲劳会导致认知功能受损，焦虑、抑郁以及睡眠障碍。然而，精神疲劳的发生机制一直难以捉摸，如何用客观手段早期识别它，成为科研界的重要课题。
近期，天津中医药大学学者在《Psychophysiology》发表的系统综述与元分析，为这一问题提供了关键答案。该研究通过整合 27 项采用功能性近红外光谱（fNIRS） 的研究，首次明确：心理疲劳会导致前额叶皮层（PFC）显著激活，且 fNIRS 可成为监测心理疲劳的高效工具。
文章信息
研究背景
精神疲劳（Mental Fatigue） 是一种普遍存在但被低估的心理生理状态，表现为：精神倦怠、注意力下降、动机减退；精神疲劳会导致工作和学习效率降低，增加操作错误与事故风险（如驾驶、飞行、监控作业等）。精神疲劳的机制复杂，涉及主观、心理、生理与神经过程的交互，目前仍缺乏客观生物标志物。近年来，功能近红外光谱（fNIRS） 被广泛用于检测大脑血氧变化，可间接反映神经活动，特别适合连续监测认知负荷与疲劳状态。
但已有研究在结果上存在不一致：
- 一些研究发现精神疲劳导致前额叶氧合血红蛋白（HbO₂）上升，常见于一些大脑为了抵抗疲劳，维持专注的活动，例如刚进入疲劳驾驶的司机会更加努力集中注意力，保证完成驾驶；
- 另一些研究发现HbO₂下降或信号减弱，常见于个体长期高耗能后，例如长时间驾驶或睡眠剥夺，进入明显的疲劳或倦怠阶段。
- 哪些脑区在精神疲劳下显著激活；
- 不同任务类型、监测状态、受试者训练是否影响fNIRS信号；
- HbO₂/HbR 是否可作为精神疲劳的可靠生物指标。
系统检索了 PubMed、Web of Science、知网等 8 个数据库（建库至 2022 年 12 月），最终纳入 27 项符合标准的研究，聚焦心理疲劳如何影响脑活动这一核心问题。检索关键词：fNIRS、mental fatigue、cognitive fatigue、ego depletion、driving fatigue 等。
图1. 数据搜索流程
文献纳入标准：
-研究对象为健康成人；
-使用 fNIRS 监测诱导精神疲劳的任务前后脑血氧变化；
-报告了脑区激活（特别是前额叶皮层）；
-疲劳诱导持续时间 ≥30 分钟。
数据处理与统计：
-提取 HbO₂/HbR 的变化、脑区位置、任务类型；
-将 t 或 F 值转换为相关系数后进行 Fisher’s Z 变换注1；
-使用 RevMan 5.3 进行 Meta分析；
-异质性以 I² 评估（>75%为高异质性）。
注1：将文献中的 F 值 /t 值转换为相关系数（r） ，再通过 Fisher Z 转换 计算效应量，是基于统计方法学中 “不同检验统计量间可相互推导” 的原理实现的，核心目的是统一不同原始研究的效应量指标（因部分研究未直接报告相关系数或效应量，仅提供 F/t 值等显著性检验结果）。
质量评估标准：
-是否明确疲劳模型；
-是否控制昼夜节律；
-是否限制咖啡因、酒精；
-是否对fNIRS数据进行预处理；
-每项1–5分，得分越高代表质量越好。
研究结果
共筛选出 107篇文献，去重与筛除后， 29篇纳入系统综述，其中 27篇进入Meta分析。被试：健康成人（20–30岁）；任务时长30分钟至24小时。
精神疲劳诱导模型包括：
14项模拟驾驶疲劳
6项睡眠剥夺
6项工作记忆与认知范式（N-back, Go/No-go等）
3项其他任务（视觉显示终端操注2、减7测试等）
注2：视觉显示终端操作（Visual Display Terminal Operation, VDT 操作） 是一类以 “长时间使用电子屏幕进行认知或操作任务” 为核心的精神疲劳诱发任务，本质是通过模拟日常工作 / 生活中高频的屏幕交互场景，引发持续性认知负荷与视觉疲劳，最终诱导精神疲劳状态。
总体激活情况：
心理疲劳显著激活了前额叶皮层，HbO₂浓度显著升高（见图2），PFC激活是心理疲劳的可靠神经指标。
图2. 心理疲劳状态下前额叶皮层的总体激活情况
监测状态的影响：
图3展示了静息状态下，PFC HbO₂浓度显著下降，表现为负激活（Z = -0.49）；任务状态下，HbO₂浓度显著升高，表现为正激活（Z = 0.25）。
图3. 不同监测状态下前额叶皮层的激活差异
诱导模型的影响：
不同模型（睡眠剥夺、模拟驾驶、工作记忆任务）之间无显著差异（见图4），说明诱导方式不影响PFC激活水平。
图4. 不同心理疲劳诱导模型对PFC激活的影响
预训练的影响：
是否进行预训练对PFC激活无显著影响（Z = 0.07，p = 0.40）。
图5. 是否进行预训练对PFC激活的影响
脑区差异：大多数研究报告了双侧PFC激活，其中右侧背外侧前额叶皮层（DLPFC）激活更为显著，尤其在任务状态下。
结论与展望
功能性近红外光谱（fNIRS）是一种可靠且实用的工具，能够有效监测心理疲劳状态下前额叶皮层（PFC）的激活变化。研究发现，PFC在任务执行过程中呈现显著激活，尤其在疲劳初期表现为HbO₂浓度升高，而在疲劳加重时则可能转为抑制。此外，右侧背外侧前额叶（DLPFC）在工作记忆任务中表现出更强的激活，提示其在疲劳感知中具有侧化特征。作者指出，监测状态对结果影响显著，而诱导模型类型和是否预训练则无显著差异。最后，作者呼吁未来研究应加强数据处理标准化、报告完整血红蛋白指标，并推动fNIRS在职业健康与安全领域的应用。
未来场景展望✌（小编os: 未来还是牛马么...
原文信息链接
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
研究团队介绍
本研究由天津中医药大学针灸研究中心与针灸推拿学院的科研团队完成，聚焦于心理疲劳的神经机制及功能性近红外光谱（fNIRS）技术的应用。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
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