• 這是“神經工程管理”第15篇推送
• 内容來源： 薛朋東
• 本期編輯： 薛朋東
• 校 對： 付漢良
• 審 核： 付漢良
• 僅用于學術交流，原文版權歸原作者和原發刊所有

本文是針對論文《探索室内co2濃度升高對生理、神經和認知能力的影響》（Exploring the physiological, neurophysiological and cognitive performanceeffects of elevated carbon dioxide concentrations indoors）的一篇論文解析，該論文于2019年發表于《Building and Environment》。該研究作者包括Stephen Snow; Amy S. Boyson; Karlien H.W. Paas; Hannah Gough; Marco-Felipe King; Janet Barlow; Catherine J. Noakes; m.c. schraefel。

1.基本原理

室内空間中二氧化碳的大量積累與注意力、嗜睡和認知能力等方面的的消極表現相關。然而，有以下幾點問題尚不清楚：

a）二氧化碳本身相對于其他污染物的影響？

b）使認知能力受到影響的最小必要暴露時間？

c）室内二氧化碳濃度增加導緻認知能力下降的生理驅動力？

2.實驗方法

采用組内實驗設計方法。

3.結果

在房間中加入純二氧化碳，會影響認知能力測試。這無法用任何生理、心理上或被試報告的舒适、病态建築綜合征等健康指标的測量來解釋。

4.貢獻

研究結果顯示：

a) 短時間的暴露在有純二氧化碳添加的環境中就可能會影響到認知能力的某些方面；

b) 這些變化是在缺乏明确的生理驅動力的情況下發生的；

c) 缺乏睡眠可能會使人們對高濃度二氧化碳的反應增強。

5.關鍵詞

室内空氣質量；腦電技術；睡意；認知能力；二氧化碳

通風和增加二氧化碳濃度對人的工作效率和生理指标的影響尚不完全清楚。二氧化碳作為人類呼吸産物的一部分，也被用作房間通風率的指标，但是也可能存在其他室内污染物，如揮發性有機化合物(VOC's)、人體生物排放物（經研究發現，其中的主要成分是丙酮、乙醇、甲醇、乙酸乙酯等物質）等。

先前有文獻的研究試圖通過認知能力測試、計算機測試、通過考試成績衡量的學業表現以及不限制通風時純二氧化碳水平增加對人體的影響。結果表明，通風減少或通風不足與病态建築綜合征(SBS)症狀、注意力難以集中、認知能力下降和學習成績下降之間存在着重大聯系。

(1) 室内CO2濃度增加後測量人的認知、生理、神經生理(EEG)和情緒的變化。

(2) 驗證在室内環境對人體影響的研究中，腦電圖可以作為一種客觀測量睡意程度的方法。

（這項研究是在正常二氧化碳(830ppm)或高二氧化碳(2700ppm)條件下進行的。測量的參數有認知能力、情緒/情感、病态建築綜合征症狀、生理(呼吸、心率、皮膚溫度)和神經生理(腦電圖)參數以及室内空氣質量。）

1.被試狀況

在2017年10月至12月間招募了31名參與者參加這項研究。參與者多為有辦公室工作習慣的在校員工或學生，年齡在18-36歲之間。體重指數(BMI)在18.1(體重過輕)至33.9(肥胖)之間。31名參與者中有一位是偶爾吸煙，其他人都不吸煙。

被試被分為四組，所有被試都經曆了正常和高二氧化碳的環境。參與者被告知他們将參與兩種實驗條件，但他們不知道将進入哪種條件。

考慮到晝夜節律對靈敏性的影響(例如，午餐後的嗜睡)和對生産力的主觀信念(例如，成為一個“早起的人”)，我們控制每天上午和下午的參與者人數相同。上午時段為9:00至10:30，下午時段為13:00至14.30。研究設計還平衡了為控制先前co2條件的任何殘留影響而給出的co2處理順序:正常co2優先或高co2優先(見表1)。

表1：被試分組概況

2.研究空間及準備工作

圖1：研究場景

（可以看到戴着腦電圖帽和呼吸帶的被試、二氧化碳記錄器的位置、窗戶和二氧化碳瓶，被試左手上還裝有溫度傳感器）。

如圖1所示：該研究的一個關鍵是複制現實的辦公環境，因此，該研究選擇了一個功能齊全、自然通風的辦公室，而不是實驗室。該辦公室尺寸為4.0m×3.4m(建築面積)×3.1m(高)，裡面有地毯和家具。辦公室位于英格蘭南部一所大學大樓的四層。在房間的北角和西角的兩個窗戶中，隻有西側的窗戶(高1.7米，寬0.4米)可以打開，并且位于參與者身後。在可打開的窗戶前可以看到二氧化碳圓柱體，編号的箭頭表示三個二氧化碳記錄器的位置。當參與者在房間内時，窗戶是關閉的，存在滲透通風（通過圍護結構縫隙進出的自然通風換氣量是難以調節的，這種通風方式稱為無組織自然通風或稱滲透通風）。

對室内溫度進行調整，保持熱中性環境（21-23°C），并使環境溫度變化幅度最小。在實驗開始前，調整被試的衣服，以确保他們在實驗過程中保暖舒适。房間裡的二氧化碳濃度是在實驗開始前15-20分鐘準備的(第1組和第3組)，或者是在被試不在時，在正常和高二氧化碳條件之間的15分鐘休息時間準備(第2組和第4組)。在正常的co2條件下，實驗開始時測量的濃度在700ppm左右。選擇的高二氧化碳濃度為2700ppm，遠高于辦公室(1200ppm)和教室(1500ppm)的二氧化碳濃度标準（這在被使用的門窗關閉的通風不良的建築中很常見）。

3.實驗步驟

1）研究人員調整主實驗室的二氧化碳濃度到正常濃度（小于800ppm）或高濃度（2700pm）。

2）在辦公室進行問卷填寫：

①收集人口統計資料。持續10min左右。

②填寫對照調查問卷a。（有關病态建築綜合征(SBS)症狀，斯坦福嗜睡量表（SSS），情緒量表（PANAS（Positive And Negative Affect Schedule））。持續5min左右。

③對照認知能力測驗。（Stroop測試，轉移注意任務，連續操作測試等）。持續20min左右。

3）研究人員和被試進入主實驗室。在主實驗室進行測試：

①填寫對照調研問卷b。（關于熱舒适(7分制)，感知的空氣質量、通風、空氣新鮮度）持續2min左右

②研究人員準備并連接腦電圖和生理監測設備（生理測量包括皮膚溫度、脈搏率和呼吸率）到被試者并開始記錄生理參數。持續5min左右。

③被試閉眼靜坐。進行腦電圖和生理記錄。精确地持續2min。

④被試睜眼靜坐。進行腦電圖和生理記錄。精确地持續8min。

⑤第二次認知能力測驗。（Stroop測試，轉移注意任務，連續操作測試等）持續20min左右。

⑥填寫第二次調查問卷。（關于熱舒适(7分制)，感知的空氣質量、通風、空氣新鮮度，有關病态建築綜合征(SBS)症狀，斯坦福嗜睡量表（SSS），情緒量表（PANAS））。持續5min左右。

⑦被試睜眼靜坐。進行腦電圖和生理記錄。精确地持續8min。

⑧移除被試的腦電圖和生理傳感器。

5）中場休息：被試離開主實驗室，到另一個地方。精确地持續15min。同時研究人員調整主實驗室的二氧化碳濃度到高濃度（2700pm）或正常濃度（小于800ppm）。

6）研究人員和被試返回主實驗室。

①研究人員重新連接受試者的腦電圖和生理監測設備，開始記錄生理參數。持續約5min左右。

②被試閉眼靜坐。進行腦電圖和生理記錄。精确地持續2min。

③被試睜眼靜坐。進行腦電圖和生理記錄。精确地持續8min。

④最終的認知能力測驗。（内容同前）持續約20min。

⑤最終的調查問卷填寫。（内容同前）持續約5min。

⑥被試睜眼靜坐。進行腦電圖和生理記錄。精确地持續8min。

⑦中斷腦電圖和生理監測，被試離開房間。持續約5min

綜上，整個實驗過程持續約153min。

表2：實驗步驟

1.室内空氣質量參數

在正常情況下，co2濃度平均為830ppm，在高二氧化碳水平下為2700ppm。

表3：溫度、濕度、二氧化碳濃度及平均值

在3.3、3.4、3.7、6.2、6.3、6.6實驗步驟中，還記錄了室内溫度、濕度、二氧化碳濃度，并且為了進行數據分析，取了平均值。如表3。

2.認知能力測驗結果

不同環境對認知能力造成的影響均采用三因素（對照、正常濃度、高濃度）重複測量方差分析去評估。如表4。

表4認知能力測量的标準化分數

結果表明：

①co2對反應時間、複雜注意、簡單注意、持續注意和工作記憶無影響。

②正常的二氧化碳條件下的認知靈活性和執行力兩方面，得分明顯高于對照組。

3.對病态建築綜合征症狀，嗜睡，情緒影響的結果

①對被試自我報告的病态建築綜合征症狀進行分析，發現在研究中的暴露時間内，二氧化碳水平對病态建築綜合征症狀沒有影響。

②對被試自我報告的嗜睡狀況分析表明，二氧化碳對其有顯著影響。正常濃度和高濃度下的嗜睡情況比對照組都增加了。

③在對情緒量表結果的分析中，發現被試在研究過程都處于積極，但是會逐漸變得明顯不那麼積極，但未處于消極狀态。

4.腦電數據分析

根據文獻：把腦電圖在1-8赫茲(delta和theta)低頻範圍顯示出更大的功率并且在大腦的多個區域都會有記錄，确定為本實驗中嗜睡表現的特征。

腦電圖數據采用4(頻率:α，β，高δ，θ)×4(電極區域:中央，頂葉，颞葉，枕葉)×2(腦電圖記錄階段:1,2)×2(條件:高CO2，正常CO2)重複測量方差分析。腦電圖分析的目的是确定額外的二氧化碳是否會引起被試腦電圖模式的變化，特别是這些變化是否預示着嗜睡的情況。

結果發現在腦電圖結果中沒有證據表明二氧化碳導緻被試嗜睡的增加。

5.生理數據分析

表5：皮膚溫度、呼吸頻率、心率重複測量方差分析的均值和标準差

可以發現：

①呼吸速率随時間保持穩定，不受co2水平的影響。

②第一次睜眼靜坐的體溫高于第二次睜眼靜坐。無論在哪種濃度下。

③在高二氧化碳條件下的心率明顯高于在正常二氧化碳條件下心率，無論在哪個階段。

6.用環境和生理狀态來預測認知能力的回歸分析結果

對高二氧化碳和正常二氧化碳條件運行回歸模型，以評估認知測試完成前的環境和/或生理狀态是否可以預測這些測試的表現。（這隻适用于兩個顯示出二氧化碳顯著影響的認知測試:認知靈活性和執行功能。）變量包括:濕度、溫度、二氧化碳水平、alpha、beta、高delta和theta、皮膚溫度、呼吸頻率和第一次腦電圖記錄期間的心率(在他們參加認知測試之前)。

表6：每個預測變量在高二氧化碳和正常二氧化碳條件下對認知能力的貢獻

四個模型中沒有一個是顯著的。在正常的二氧化碳條件下，呼吸頻率和高delta是最強的認知能力預測指标。而在高二氧化碳條件下，theta功率是最強的預測指标。每一項的增加都與較差的表現相關。然而，每一個的預測能力并不足以保證進一步的調查，即都不顯著。

7.相關性分析

用相關性來評估多個參數之間的關系。

表7：相關情況

表8：所有顯著相關的結果

表8可以看到，在第3部分中高二氧化碳條件下，θ和β頻率與被試前一晚睡眠時間之間存在顯著的負相關關系。結果表明被試前一晚睡眠越少，在高二氧化碳暴露的情況下腦電圖結果越接近睡意。為了進一步檢驗這些發現，對每個電極區域進行了額外的相關性研究，以确定這些影響是否由某個特定區域驅動。結果顯示隻有颞區與高δ波有關系，沒有其他特定區域涉及具有全腦影響的頻率。

表明：

①那些已經受到睡眠不足影響的被試可能更容易受到二氧化碳影響

②腦電圖可以作為測量困倦的客觀指标。

腦電圖的數據結果并沒有指出任何特定的神經生理驅動因素影響在真實的二氧化碳濃度下的認知能力，相關性分析為腦電圖作為睡眠的客觀衡量提供了支持。腦電圖不受二氧化碳的影響，但客觀測量的困倦結果與參與者報告的前一夜睡眠時間密切相關。

本文試圖測量和解釋額外的純二氧化碳對認知能力、生理、神經生理、情緒/情感和主觀因素方面的影響。研究表明

1）當室内二氧化碳被人為提高時，人的執行力和認知靈活性會受到影響。

2）這種影響不是由于SBS症狀或可感知的空氣質量引起，而可能是在短期暴露于較高的二氧化碳環境後發生，而且無法用生理、神經生理或主觀因素來解釋。

3）缺乏睡眠的人可能更容易受到封閉空間中二氧化碳的影響。這些發現為二氧化碳本身可能是一種有害污染物的說法提供了支持。還需要進行更多的研究，以更好地分離二氧化碳和其他室内污染物對認知能力的影響。

4）更好的室内空氣質量可以改善通風不足對人體性能的負面影響。

此外，本文還為使用腦電圖作為睡眠的客觀指标做出了貢獻，這可用于其他有關室内環境對人體表現影響的研究。

引用：

Snow, S.; Boyson, A.S.; Paas, K.H.W.; Gough, H.; King, M.; Barlow, J.; Noakes, C.J.; Schraefel, M.C. Exploring the physiological, neurophysiological and cognitive performance effects of elevated carbon dioxide concentrations indoors[J]. Building and Environment, 2019, 156, 243-252.

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