《Brain Sciences》：Comparative Prefrontal Multimodal Physiological Signatures Under Active- and Passive-Fatigue-Inducing Simulated Driving Paradigms
Feiyang Zhang,
Dequan Fang,
Shiji Yuan,
Huaizhi Tang,
Xiao Liang,
Shuai Wang,
Kang Ma,
Dezhi Zheng and
Shangchun Fan
编辑推荐：
三、摘要翻译
背景/目的：驾驶期间的脑力疲劳可在不同任务条件下产生，通常从轻到重状态进展。主动疲劳通常与认知需求高的驾驶相关，而被动疲劳则与长时间单调驾驶相关。然而，关于多级脑力疲劳的研究仍较少，且主动与被动疲劳的前额叶多模态生理反应的直接比较仍然有限。本研究
三、摘要翻译
背景/目的：驾驶期间的脑力疲劳可在不同任务条件下产生，通常从轻到重状态进展。主动疲劳通常与认知需求高的驾驶相关，而被动疲劳则与长时间单调驾驶相关。然而，关于多级脑力疲劳的研究仍较少，且主动与被动疲劳的前额叶多模态生理反应的直接比较仍然有限。本研究旨在表征和比较两种旨在诱导主动和被动疲劳的模拟驾驶范式下三个疲劳水平的前额叶多模态生理特征。方法：十一名健康参与者完成了旨在诱导主动和被动疲劳的两种模拟驾驶任务。使用自主研发的前额叶脑电图-功能性近红外光谱（EEG-fNIRS）系统记录生理数据，并从血流动力学测量中导出脉搏相关信号。基于主观和客观指标，将疲劳分为非疲劳（NonF）、中度疲劳（ModF）和重度疲劳（SevF）。结果：在主动疲劳诱导范式中，从前额叶脑电图和血流动力学已出现从NonF到ModF的显著变化；例如，脑电图β/(θ + α)功率比从0.973增加到1.157（p < 0.001），归一化平均脱氧血红蛋白特征从?0.06增加到0.09（p < 0.001）。在被动疲劳诱导范式中，脑电图变化主要从ModF到SevF变得显著，β/(θ + α)功率比从0.806降低到0.761（p < 0.05）。脉搏率变异性在两种范式中均显示增加趋势。结论：这些发现表明，两种模拟驾驶范式在三个疲劳水平上表现出不同的前额叶电生理、血流动力学和自主神经演变模式，支持驾驶中的分级疲劳评估和 multimodal 疲劳监测。
四、论文解读
研究背景与意义
驾驶过程中的脑力疲劳是一种伴随警觉性降低、认知效率受损和行为表现下降的心理生理状态，是交通安全的主要隐患。现有研究多将疲劳视为单一现象或简单的二元状态（疲劳/非疲劳），忽略了其从轻度到重度的渐进性发展。此外，驾驶疲劳可分为由高认知负荷引起的主动疲劳和由单调低刺激引起的被动疲劳，但两者在前额叶多模态生理层面的直接比较研究尚显不足。针对这些局限，Feiyang Zhang、Dequan Fang等研究人员开展了本研究，旨在通过三级疲劳分类框架，揭示主动与被动疲劳诱导范式下前额叶皮层电生理、血流动力学及自主神经反应的阶段性差异，相关成果发表在《Brain Sciences》。
关键技术方法
研究人员招募了11名持有驾照的健康男性受试者，排除了神经系统疾病史及药物干扰因素。实验采用驾驶模拟器构建主动（复杂路况、高认知负荷）和被动（单调高速、低认知负荷）两种模拟驾驶范式，每种任务持续81分钟。疲劳评估结合了主观即时自评（F-ISA）和面部行为指标（PERCLOS、打哈欠时长），将疲劳划分为非疲劳（NonF）、中度疲劳（ModF）和重度疲劳（SevF）三个等级。生理数据采集使用自主研发的前额叶EEG-fNIRS头带同步记录脑电图（EEG）和功能性近红外光谱（fNIRS）信号，并从fNIRS短通道中提取脉搏率变异性（PRV）特征。信号处理采用线性混合效应模型（LMMs）进行统计分析。
研究结果
- 1.
主观与行为证据及三级标签
F-ISA评分在两种范式中均随时间显著增加，证实了疲劳诱导的有效性。主动疲劳的主观评分上升较平缓，而被动疲劳后期上升更快。面部行为分析显示，主动疲劳中PERCLOS具有显著的阶段效应，而被动疲劳中打哈欠时长在中后期增加。三级标签结果显示，被动疲劳的NonF→ModF及ModF→SevF转换时间点均早于主动疲劳，表明单调驾驶导致疲劳发生更早。
- 2.
EEG特征
在主动疲劳范式中，通道平均EEG特征（如δ、θ、α、β相对功率及β/(θ+α)比值）在NonF→ModF和ModF→SevF阶段均显示出显著变化，呈现连续的电生理重组。而在被动疲劳范式中，EEG变化主要在ModF→SevF阶段变得显著，早期变化不明显。通道特异性分析进一步揭示，主动疲劳的空间演变相对均匀，而被动疲劳表现出更强的通道依赖性。
- 3.
血流动力学特征
主动疲劳范式中，通道平均血流动力学特征（氧合血红蛋白[HbO]、脱氧血红蛋白[HbR]、总血红蛋白[HbT]及脑氧交换[COE]）显示出显著的阶段依赖性和累积性调节，如HbO在晚期显著降低。相比之下，被动疲劳的通道平均血流动力学特征无显著差异，但通道特异性分析揭示了局部化的选择性反应，表明其血管调节具有空间异质性。
- 4.
脉搏变异性特征
两种范式中，脉搏率变异性的两个指标——正常间期标准差（SDNN）和相邻间期差值的均方根（RMSSD）均随疲劳进展而增加。被动疲劳中这种增长趋势更为单调和显著，表明自主神经系统对疲劳累积的敏感性。
讨论与结论
讨论部分指出，本研究提出的分级疲劳框架克服了传统二元分类的局限，能够区分早期、晚期和累积的生理变化。研究发现，主动疲劳伴随更强、更协调的多模态调节，尤其是EEG的连续变化；而被动疲劳则表现为较弱的平均血流动力学效应、更强的空间异质性以及更清晰的自主神经累积效应。脉搏变异性被证实是跨范式稳定的疲劳累积标志物。这些发现强调了结合EEG、fNIRS和脉搏相关指标进行多模态前额叶监测的价值，有助于实现更精细的分级疲劳评估。结论重申，两种模拟驾驶范式在前额叶多模态生理反应上存在截然不同的阶段性演变模式，这为开发适应不同驾驶场景（高认知需求与单调驾驶）的疲劳预警系统提供了重要的生理学依据。
