睡眠缺失对大脑警觉度的影响规律及其对抗措施研究

In recent years, China has obtained a lot of great achievements in the area of manned aerospace industry and all the success attracts worldwide attention.. As the task of constructing space station is approaching, the sleep problems of astronauts who work in-orbit have become one of urgent problems which need to be solved as soon as possible. Because of the special changes in day and night of space, it will lead to disorders in astronauts' circadian rhythm. In addition, weightless environment of space, overloaded work intensity and lacking sense of time also lead to astronauts' sleep deficiency and serious insomnia.Furthermore, all the factors mentioned above will cause mental fatigue and will have negative impacts on alertness of astronauts and their work performance definitely. .Combined with increasing demands of manned aerospace industry, this project intends to study the following areas based on years of researches in our group: ① automatically classifying brain alertness based on the research of detecting brain alertness with multi-modal physiological parameters; ② exploring influence rule of sleep deficiency on brain alertness and establishing forecast model through sleep deprivation experiment, and also providing basis for optimizing astronaut's sleep schedules in space ; ③ Based on the phenomenon of brain resonance effect induced by magnetic stimulation, testifying the method of improvement brain alertness rapidly with extremely low-frequency magnetic stimulation and utilizing it to enhance astronauts 'reaction capabilities in emergency. This project will establish foundation for space station in-orbit research and also has important theoretical significance and practical value.

近年来，我国载人航天事业捷报频传，取得了令国际瞩目的成就。随着太空站建站任务的日益临近，长期在轨航天员的睡眠问题成为亟待解决的难题之一。由于太空特殊的昼夜规律变化，会引起长期在轨航天员生理节律失调，加之太空失重环境、超负荷工作强度、以及时间感缺失等问题，导致航天员睡眠缺失和严重的失眠现象，进而引发脑力疲劳，并且对航天员警戒水平产生负面影响，降低作业绩效。本项目结合载人航天的重大需求，在课题组多年的研究基础上，拟开展：①基于多模态生理参数的大脑警觉度检测方法研究，实现对大脑警觉状态的自动分级；②通过睡眠剥夺试验，探索睡眠缺失对大脑警觉度的影响规律，并建立预测模型，为优化完善航天员太空睡眠制度提供依据；③基于磁诱导大脑谐振效应，研究极低频脉冲磁场快速提高大脑警觉度的方法，以提高航天员在紧急状态下的任务执行能力。本研究为下一步空间站运行期的在轨研究奠定基础，具有重要的理论意义和实用价值。

本项目针对航天员睡眠缺失所导致的警觉度下降，工作绩效降低的航天工效学问题，开展了前期基础实验研究，探索了睡眠缺失对大脑警觉度的影响规律及其对抗措施。在自然基金一年期面上项目资助下，本课题按原定计划开展了以下研究工作：①基于睡眠剥夺模型的EEG大脑警觉度检测方法研究。设计了36小时睡眠剥夺实验，并针对大脑警觉度的三层不同内涵（即注意力的集中程度、对紧急事件的反应能力，以及大脑的觉醒程度），分别优化设计了警觉度检测脑电实验范式；分析了自发脑电的时域、频域、非线性特征，诱发脑电中CNV、P300、MMN特征及行为学特征，全面研究了基于EEG 的警觉度检测客观指标；并采用BP神经网络和SVM进行分类，取得了较好的分类效果。 ②基于脑力负荷模型的多参数警觉度检测方法研究。设计了基于三位数加减法的脑力负荷警觉度检测实验，结合主观量表评价和PVT实验，全面分析了脑力负荷模型下，不同警觉度状态的心律变异性和EEG的时-频-空-非线性特征，采用Fisher判别优化和SVM进行模式分类，证明了多生理参数融合的警觉度检测方法的优越性。③睡眠缺失对大脑警觉度影响规律。通过36小时睡眠剥夺实验表明：睡眠缺失12h-24h时，脑力资源不足，导致警觉度状态急剧下降，且枕部变化更为明显；睡眠剥夺24h-36h时，脑力资源影响与生物钟效应相互抵消，受试者警觉度状态保持基本稳定，处于第二平台期；随着睡眠剥夺时间的增加，个体间差异性逐渐增大。④基于磁诱导的警觉度调节技术研究。设计并实施了磁诱导调节警觉度试验，初步证明了基于磁诱导大脑谐振效应的快速提高警觉度方法的可行性。目前课题已发表期刊论文2篇，发表会议论文3篇，录用期刊论文1篇,其中EI检索2篇，SCI检索1篇。还有多篇论文和专利正在审稿和申请中,以后会持续向基金委汇报项目研究后期正式发表或公布的成果。有4名博士生和5名硕士生参与了课题相关研究工作，已直接培养硕士毕业生3人。在本课题研究工作基础上，新获1项国家自然科学基金面上项目。本课题总体较好的完成了项目预定目标,取得了阶段性成果,为下一步警觉度监测与调节技术实用化奠定了基础。