功能性近紅外光譜fNIRS在揭示精神疲勞神經(jīng)生物標志研究中的應用
牛馬之光：fNIRS揭示精神疲勞神經(jīng)生物標志
引言
在一個“連休息都要高效”的時代，我們似乎都在透支大腦。白天，我們在工作中高速切換任務；閑暇時，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，但腦子還在復盤今天的任務。精神疲勞，一種因長時間認知或心理活動而導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。長時間的精神疲勞會導致認知功能受損，焦慮、抑郁以及睡眠障礙。然而，精神疲勞的發(fā)生機制一直難以捉摸，如何用客觀手段早期識別它，成為科研界的重要課題。
近期，天津中醫(yī)藥大學學者在《Psychophysiology》發(fā)表的系統(tǒng)綜述與元分析，為這一問題提供了關鍵答案。該研究通過整合 27 項采用功能性近紅外光譜（fNIRS） 的研究，首次明確：心理疲勞會導致前額葉皮層（PFC）顯著激活，且 fNIRS 可成為監(jiān)測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、動機減退；精神疲勞會導致工作和學習效率降低，增加操作錯誤與事故風險（如駕駛、飛行、監(jiān)控作業(yè)等）。精神疲勞的機制復雜，涉及主觀、心理、生理與神經(jīng)過程的交互，目前仍缺乏客觀生物標志物。近年來，功能近紅外光譜（fNIRS） 被廣泛用于檢測大腦血氧變化，可間接反映神經(jīng)活動，特別適合連續(xù)監(jiān)測認知負荷與疲勞狀態(tài)。
但已有研究在結果上存在不一致：
系統(tǒng)檢索了 PubMed、Web of Science、知網(wǎng)等 8 個數(shù)據(jù)庫（建庫至 2022 年 12 月），最終納入 27 項符合標準的研究，聚焦心理疲勞如何影響腦活動這一核心問題。檢索關鍵詞：fNIRS、mental fatigue、cognitive fatigue、ego depletion、driving fatigue 等。
文獻納入標準：
-研究對象為健康成人；
-使用 fNIRS 監(jiān)測誘導精神疲勞的任務前后腦血氧變化；
-報告了腦區(qū)激活（特別是前額葉皮層）；
-疲勞誘導持續(xù)時間 ≥30 分鐘。
數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計：
-提取 HbO₂/HbR 的變化、腦區(qū)位置、任務類型；
-將 t 或 F 值轉換為相關系數(shù)后進行 Fisher’s Z 變換注1；
-使用 RevMan 5.3 進行 Meta分析；
-異質性以 I² 評估（>75%為高異質性）。
注1：將文獻中的 F 值 /t 值轉換為相關系數(shù)（r） ，再通過 Fisher Z 轉換 計算效應量，是基于統(tǒng)計方法學中 “不同檢驗統(tǒng)計量間可相互推導” 的原理實現(xiàn)的，核心目的是統(tǒng)一不同原始研究的效應量指標（因部分研究未直接報告相關系數(shù)或效應量，僅提供 F/t 值等顯著性檢驗結果）。
質量評估標準：
-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fNIRS數(shù)據(jù)進行預處理；
-每項1–5分，得分越高代表質量越好。
研究結果
共篩選出 107篇文獻，去重與篩除后， 29篇納入系統(tǒng)綜述，其中 27篇進入Meta分析。被試：健康成人（20–30歲）；任務時長30分鐘至24小時。
精神疲勞誘導模型包括：
14項模擬駕駛疲勞
6項睡眠剝奪
6項工作記憶與認知范式（N-back, Go/No-go等）
3項其他任務（視覺顯示終端操注2、減7測試等）
注2：視覺顯示終端操作（Visual Display Terminal Operation, VDT 操作） 是一類以 “長時間使用電子屏幕進行認知或操作任務” 為核心的精神疲勞誘發(fā)任務，本質是通過模擬日常工作 / 生活中高頻的屏幕交互場景，引發(fā)持續(xù)性認知負荷與視覺疲勞，最終誘導精神疲勞狀態(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（見圖2），PFC激活是心理疲勞的可靠神經(jīng)指標。
監(jiān)測狀態(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)為負激活（Z = -0.49）；任務狀態(tài)下，HbO₂濃度顯著升高，表現(xiàn)為正激活（Z = 0.25）。
誘導模型的影響：
不同模型（睡眠剝奪、模擬駕駛、工作記憶任務）之間無顯著差異（見圖4），說明誘導方式不影響PFC激活水平。
預訓練的影響：
是否進行預訓練對PFC激活無顯著影響（Z = 0.07，p = 0.40）。
大多數(shù)研究報告了雙側PFC激活，其中右側背外側前額葉皮層（DLPFC）激活更為顯著，尤其在任務狀態(tài)下。
結論與展望
功能性近紅外光譜（fNIRS）是一種可靠且實用的工具，能夠有效監(jiān)測心理疲勞狀態(tài)下前額葉皮層（PFC）的激活變化。研究發(fā)現(xiàn)，PFC在任務執(zhí)行過程中呈現(xiàn)顯著激活，尤其在疲勞初期表現(xiàn)為HbO₂濃度升高，而在疲勞加重時則可能轉為抑制。此外，右側背外側前額葉（DLPFC）在工作記憶任務中表現(xiàn)出更強的激活，提示其在疲勞感知中具有側化特征。作者指出，監(jiān)測狀態(tài)對結果影響顯著，而誘導模型類型和是否預訓練則無顯著差異。最后，作者呼吁未來研究應加強數(shù)據(jù)處理標準化、報告完整血紅蛋白指標，并推動fNIRS在職業(yè)健康與安全領域的應用。
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
研究團隊介紹
本研究由天津中醫(yī)藥大學針灸研究中心與針灸推拿學院的科研團隊完成，聚焦于心理疲勞的神經(jīng)機制及功能性近紅外光譜（fNIRS）技術的應用。
關于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學、康復工程、人因工程、心理學、體育科學等領域的科研解決方案供應商。公司與國內外多所大學、研究機構、企業(yè)長期保持合作關系，致力于將優(yōu)質的產品、先進的技術和服務帶給各個領域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗。
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引言
在一個“連休息都要高效”的時代，我們似乎都在透支大腦。白天，我們在工作中高速切換任務；閑暇時，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，但腦子還在復盤今天的任務。精神疲勞，一種因長時間認知或心理活動而導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。長時間的精神疲勞會導致認知功能受損，焦慮、抑郁以及睡眠障礙。然而，精神疲勞的發(fā)生機制一直難以捉摸，如何用客觀手段早期識別它，成為科研界的重要課題。
近期，天津中醫(yī)藥大學學者在《Psychophysiology》發(fā)表的系統(tǒng)綜述與元分析，為這一問題提供了關鍵答案。該研究通過整合 27 項采用功能性近紅外光譜（fNIRS） 的研究，首次明確：心理疲勞會導致前額葉皮層（PFC）顯著激活，且 fNIRS 可成為監(jiān)測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、動機減退；精神疲勞會導致工作和學習效率降低，增加操作錯誤與事故風險（如駕駛、飛行、監(jiān)控作業(yè)等）。精神疲勞的機制復雜，涉及主觀、心理、生理與神經(jīng)過程的交互，目前仍缺乏客觀生物標志物。近年來，功能近紅外光譜（fNIRS） 被廣泛用于檢測大腦血氧變化，可間接反映神經(jīng)活動，特別適合連續(xù)監(jiān)測認知負荷與疲勞狀態(tài)。
但已有研究在結果上存在不一致：
- 一些研究發(fā)現(xiàn)精神疲勞導致前額葉氧合血紅蛋白（HbO₂）上升，常見于一些大腦為了抵抗疲勞，維持專注的活動，例如剛進入疲勞駕駛的司機會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下降或信號減弱，常見于個體長期高耗能后，例如長時間駕駛或睡眠剝奪，進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；
- 不同任務類型、監(jiān)測狀態(tài)、受試者訓練是否影響fNIRS信號；
- HbO₂/HbR 是否可作為精神疲勞的可靠生物指標。
系統(tǒng)檢索了 PubMed、Web of Science、知網(wǎng)等 8 個數(shù)據(jù)庫（建庫至 2022 年 12 月），最終納入 27 項符合標準的研究，聚焦心理疲勞如何影響腦活動這一核心問題。檢索關鍵詞：fNIRS、mental fatigue、cognitive fatigue、ego depletion、driving fatigue 等。
圖1. 數(shù)據(jù)搜索流程
文獻納入標準：
-研究對象為健康成人；
-使用 fNIRS 監(jiān)測誘導精神疲勞的任務前后腦血氧變化；
-報告了腦區(qū)激活（特別是前額葉皮層）；
-疲勞誘導持續(xù)時間 ≥30 分鐘。
數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計：
-提取 HbO₂/HbR 的變化、腦區(qū)位置、任務類型；
-將 t 或 F 值轉換為相關系數(shù)后進行 Fisher’s Z 變換注1；
-使用 RevMan 5.3 進行 Meta分析；
-異質性以 I² 評估（>75%為高異質性）。
注1：將文獻中的 F 值 /t 值轉換為相關系數(shù)（r） ，再通過 Fisher Z 轉換 計算效應量，是基于統(tǒng)計方法學中 “不同檢驗統(tǒng)計量間可相互推導” 的原理實現(xiàn)的，核心目的是統(tǒng)一不同原始研究的效應量指標（因部分研究未直接報告相關系數(shù)或效應量，僅提供 F/t 值等顯著性檢驗結果）。
質量評估標準：
-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fNIRS數(shù)據(jù)進行預處理；
-每項1–5分，得分越高代表質量越好。
研究結果
共篩選出 107篇文獻，去重與篩除后， 29篇納入系統(tǒng)綜述，其中 27篇進入Meta分析。被試：健康成人（20–30歲）；任務時長30分鐘至24小時。
精神疲勞誘導模型包括：
14項模擬駕駛疲勞
6項睡眠剝奪
6項工作記憶與認知范式（N-back, Go/No-go等）
3項其他任務（視覺顯示終端操注2、減7測試等）
注2：視覺顯示終端操作（Visual Display Terminal Operation, VDT 操作） 是一類以 “長時間使用電子屏幕進行認知或操作任務” 為核心的精神疲勞誘發(fā)任務，本質是通過模擬日常工作 / 生活中高頻的屏幕交互場景，引發(fā)持續(xù)性認知負荷與視覺疲勞，最終誘導精神疲勞狀態(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（見圖2），PFC激活是心理疲勞的可靠神經(jīng)指標。
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)為負激活（Z = -0.49）；任務狀態(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)測狀態(tài)下前額葉皮層的激活差異
誘導模型的影響：
不同模型（睡眠剝奪、模擬駕駛、工作記憶任務）之間無顯著差異（見圖4），說明誘導方式不影響PFC激活水平。
圖4. 不同心理疲勞誘導模型對PFC激活的影響
預訓練的影響：
是否進行預訓練對PFC激活無顯著影響（Z = 0.07，p = 0.40）。
圖5. 是否進行預訓練對PFC激活的影響
腦區(qū)差異：大多數(shù)研究報告了雙側PFC激活，其中右側背外側前額葉皮層（DLPFC）激活更為顯著，尤其在任務狀態(tài)下。
結論與展望
功能性近紅外光譜（fNIRS）是一種可靠且實用的工具，能夠有效監(jiān)測心理疲勞狀態(tài)下前額葉皮層（PFC）的激活變化。研究發(fā)現(xiàn)，PFC在任務執(zhí)行過程中呈現(xiàn)顯著激活，尤其在疲勞初期表現(xiàn)為HbO₂濃度升高，而在疲勞加重時則可能轉為抑制。此外，右側背外側前額葉（DLPFC）在工作記憶任務中表現(xiàn)出更強的激活，提示其在疲勞感知中具有側化特征。作者指出，監(jiān)測狀態(tài)對結果影響顯著，而誘導模型類型和是否預訓練則無顯著差異。最后，作者呼吁未來研究應加強數(shù)據(jù)處理標準化、報告完整血紅蛋白指標，并推動fNIRS在職業(yè)健康與安全領域的應用。
未來場景展望✌（小編os: 未來還是牛馬么...
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
研究團隊介紹
本研究由天津中醫(yī)藥大學針灸研究中心與針灸推拿學院的科研團隊完成，聚焦于心理疲勞的神經(jīng)機制及功能性近紅外光譜（fNIRS）技術的應用。
關于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學、康復工程、人因工程、心理學、體育科學等領域的科研解決方案供應商。公司與國內外多所大學、研究機構、企業(yè)長期保持合作關系，致力于將優(yōu)質的產品、先進的技術和服務帶給各個領域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗。
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