基于多模态大脑感知谐振效应的快速提高警觉度方法研究

Recently, manned spacecraft engineering develops rapidly and the task of constructing space station is approaching. Multitudinous crucial projects based on ergonomics in space are extremely urgent. Serious insomnia and circadian rhythm disorders appear in longtime orbiting astronauts, resulting of special changes of space in day and night, work overload, weightless and isolated environment. In addition, this situation not only cause mental fatigue but has negative impacts on alertness and work performance of astronauts definitely, even cause disaster. Therefore, exploring new methods improving brain alertness effectively and rapidly is one of the hottest researches in the area of aviation ergonomic at home and aboard. Combining with increasing demands of manned aerospace industry, our project proposed a hypothesis that multimodal brain perception resonant effect basing on "sound, light and electromagnetism" would improve alertness rapidly. This project intends to study the following areas basing on years of researches in our group: ① Discovering brain perception resonant pattern in response to three physical factors of binaural beats, light simulation, extremely low frequency pulsed magnetic field, and establishing response model on brain. ② Researching the pattern of the effect of these three physical factors on brain alertness and finding the optimal multimodal stimulation by designing experiments of sleep deprivation and mental alertness load test. This project will establish foundation for space station in-orbit research and also has important theoretical significance and practical value.

随着我国载人航天事业的快速发展和太空站建站任务的日益临近，众多关键航天工效学研究任务已迫在眉睫。由于太空特殊的昼夜变化规律，失重和隔离幽闭环境，以及超负荷工作强度等问题会引起长期在轨航天员生理节律失调和严重的失眠现象，从而引发脑力疲劳，并对其大脑警戒水平产生负面影响，进而降低作业绩效甚至引发灾难性事故。因此，研究快速有效的提高航天员大脑警觉度技术成为目前国际航天工效学领域研究的热点和难点课题。本项目在多年研究基础上，提出了基于"声、光、电磁"多模态大脑感知谐振效应来快速提高警觉度的科学假设。拟开展：①探索双耳节拍、闪光刺激，极低频脉冲磁场三种物理因子诱发大脑感知谐振效应的作用规律，建立大脑响应模型；②设计睡眠剥夺和脑力负荷警觉度检测实验，研究三种刺激方式对大脑警觉度影响规律，并筛选提高警觉度的最佳刺激方案。本研究为下一步空间站运行期的在轨研究奠定基础，具有重要理论意义和实用价值。

警觉度是指大脑对具有重复、非唤醒性质的刺激进行自我导向式清醒加工处理并维持的能力，警觉注意力水平降低会造成任务绩效的下降并可能导致任务失败。在载人航天领域，由于太空特殊的昼夜变化规律，失重和隔离幽闭环境，以及超负荷工作强度等问题会引起长期在轨航天员生理节律失调和严重的失眠现象，从而引发脑力疲劳，并对其大脑警戒水平产生负面影响，进而降低作业绩效甚至引发灾难性事故。因此，对大脑警觉度调控方法和神经机制的研究尤为重要，尤其研究快速有效的提高航天员大脑警觉度技术成为目前国际航天工效学领域研究的热点和难点课题。. 本项目首次提出了基于"声、光、电、磁"多模态物理刺激大脑感知谐振效应来快速提高警觉度的科学假设。通过构建合理的实验范式，重点研究了“双耳节拍差频声音刺激”、“闪光刺激”、“极低频脉冲磁诱导”、以及“经颅交流电刺激”，四种物理因子诱发脑电信号的时-频-空域作用规律，建立大脑响应模型，深入探索“声、光、电、磁”大脑感知谐振效应。并通过脑力负荷、警觉度检测，睡眠剥夺等实验，从自发电位、诱发电位、事件相关电位、脑网络等角度，结合EEG时域、频域、空域、非线性等处理方法，研究四种物理因子对大脑警觉度的具体影响规律。. 实验结果表明，大脑EEG对外界物理刺激表现出显著跟随特征，证实了本研究大脑谐振效应科学假设的合理性。同时，通过每种物理刺激对警觉度调控作用的具体研究，探讨了物理调控的神经机制，证明了各种物理刺激对提高大脑警觉度的可行性，并初步筛选了每种刺激模式的最佳参数。自行研制了多模态快速提高警觉度仪器样机平台，为该研究的进一步深入探索和实用化奠定了基础。. 物理调控技术是一种简单有效，无副作用的大脑调控手段，本项目的研究成果对于该方法的神经机制有了更深入的探索，未来在载人航天、军工和民用领域都具有较高应用前景。