功能性近紅外光譜fNIRS在揭示精神疲勞神經生物標志研究中的應用
牛馬之光：fNIRS揭示精神疲勞神經生物標志
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，正成為現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，天津中醫藥大學學者在《Psychophysiology》發表的系統綜述與元分析，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，表現為：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、監控作業等）。精神疲勞的機制復雜，涉及主觀、心理、生理與神經過程的交互，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，可間接反映神經活動，特別適合連續監測認知負荷與疲勞狀態。
但已有研究在結果上存在不一致：
系統檢索了 PubMed、Web of Science、知網等 8 個數據庫（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 監測誘導精神疲勞的任務前后腦血氧變化；
-報告了腦區激活（特別是前額葉皮層）；
-疲勞誘導持續時間 ≥30 分鐘。
數據處理與統計：
-提取 HbO₂/HbR 的變化、腦區位置、任務類型；
-將 t 或 F 值轉換為相關系數后進行 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（r） ，再通過 Fisher Z 轉換 計算效應量，是基于統計方法學中 “不同檢驗統計量間可相互推導” 的原理實現的，核心目的是統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；
-是否控制晝夜節律；
-是否限制咖啡因、酒精；
-是否對fNIRS數據進行預處理；
-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，引發持續性認知負荷與視覺疲勞，最終誘導精神疲勞狀態。
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指標。
監測狀態的影響：
圖3展示了靜息狀態下，PFC HbO₂濃度顯著下降，表現為負激活（Z = -0.49）；任務狀態下，HbO₂濃度顯著升高，表現為正激活（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，能夠有效監測心理疲勞狀態下前額葉皮層（PFC）的激活變化。研究發現，PFC在任務執行過程中呈現顯著激活，尤其在疲勞初期表現為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，監測狀態對結果影響顯著，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據處理標準化、報告完整血紅蛋白指標，并推動fNIRS在職業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機制及功能性近紅外光譜（fNIRS）技術的應用。
關于維拓啟創
維拓啟創（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、企業長期保持合作關系，致力于將優質的產品、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，協助用戶的科研工作，持續提升使用體驗。
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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，正成為現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，天津中醫藥大學學者在《Psychophysiology》發表的系統綜述與元分析，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，表現為：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、監控作業等）。精神疲勞的機制復雜，涉及主觀、心理、生理與神經過程的交互，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，可間接反映神經活動，特別適合連續監測認知負荷與疲勞狀態。
但已有研究在結果上存在不一致：
- 一些研究發現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；
- 另一些研究發現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。
- 哪些腦區在精神疲勞下顯著激活；
- 不同任務類型、監測狀態、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。
系統檢索了 PubMed、Web of Science、知網等 8 個數據庫（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. 數據搜索流程
文獻納入標準：
-研究對象為健康成人；
-使用 fNIRS 監測誘導精神疲勞的任務前后腦血氧變化；
-報告了腦區激活（特別是前額葉皮層）；
-疲勞誘導持續時間 ≥30 分鐘。
數據處理與統計：
-提取 HbO₂/HbR 的變化、腦區位置、任務類型；
-將 t 或 F 值轉換為相關系數后進行 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（r） ，再通過 Fisher Z 轉換 計算效應量，是基于統計方法學中 “不同檢驗統計量間可相互推導” 的原理實現的，核心目的是統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；
-是否控制晝夜節律；
-是否限制咖啡因、酒精；
-是否對fNIRS數據進行預處理；
-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，引發持續性認知負荷與視覺疲勞，最終誘導精神疲勞狀態。
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指標。
圖2. 心理疲勞狀態下前額葉皮層的總體激活情況
監測狀態的影響：
圖3展示了靜息狀態下，PFC HbO₂濃度顯著下降，表現為負激活（Z = -0.49）；任務狀態下，HbO₂濃度顯著升高，表現為正激活（Z = 0.25）。
圖3. 不同監測狀態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
腦區差異：大多數研究報告了雙側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，能夠有效監測心理疲勞狀態下前額葉皮層（PFC）的激活變化。研究發現，PFC在任務執行過程中呈現顯著激活，尤其在疲勞初期表現為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，監測狀態對結果影響顯著，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據處理標準化、報告完整血紅蛋白指標，并推動fNIRS在職業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機制及功能性近紅外光譜（fNIRS）技術的應用。
關于維拓啟創
維拓啟創（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、企業長期保持合作關系，致力于將優質的產品、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，協助用戶的科研工作，持續提升使用體驗。
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