办公室亲生物干预对压力反应和认知功能的影响:虚拟现实中的随机交叉研究

这是“神经工程管理”第22篇推送

内容来源：宋慧慧

本期编辑：薛朋东

校       对：王萌萌

审       核：付汉良

仅用于学术交流，原文版权归原作者和原发刊所有

原文信息

本文是针对论文《办公室亲生物干预对压力反应和认知功能的影响:虚拟现实中的随机交叉研究》(Effects of biophilic interventions in office on stress reaction and cognitive function: A randomized crossover study in virtual reality)的一篇论文解析。该论文于2019年发表于《INDOOR AIR》。该论文的作者包括Jie Yin, Nastaran Arfaei, Piers MacNaughton, Paul J. Catalano, Joseph G. Allen, John D. Spengler.

原文摘要

亲生物假说表明，人类与自然有着天然的联系，这种联系可能会影响我们的健康和生产力。然而，我们目前生活在一个快速城市化的世界里，人们大部分时间都呆在室内。因此我们设计了一项随机交叉研究，让30名参与者在虚拟现实所模拟的开放和封闭的办公空间中，来体验亲生物设计的三个版本。在整个虚拟现实测试过程中，我们测量了血压、心率、心率变异性和皮肤电导水平，并进行认知测试来测量他们的反应时间和创造力。与基本情况相比，在三个具有亲生物元素的空间中，参与者的生理压力指标水平始终较低，创造力得分较高。此外，我们还利用眼动跟踪技术捕捉到了暴露在亲生物元素中的强度的变化。这些结果表明，亲生物干预有助于减轻压力和提高创造力。此外，这些影响与亲生物元素的类型有关，并且可能因工作空间类型(开放式与封闭式)而异。这项研究表明，虚拟现实模拟办公空间在区分对两种构型和亲生物元素的反应方面是有用的。

关键词：生物监测传感器、亲生物设计、眼动追踪、人类反应、虚拟现实、工作空间

思维导图

研究背景、现状及问题

研究背景

如今，我们对自然环境的可及性正在下降，因为我们生活在一个快速城市化的世界，人们大部分时间都呆在室内。室内环境质量(IEQ)在影响生产力、健康和福祉方面起着至关重要的作用。这些影响在工作场所尤为突出，全职员工每天大约有三分之一的时间在这里工作。

当前理论发展现状

大量现有研究都表明，接触或再现室外自然对健康有益，但是仍存在一些不足。

除了室内植物和自然光之外，自然类似物材料也是生物设计的核心，然而，很少有研究检查它们的健康益处。

目前自然因素如何影响居住者的健康和福祉尚未明确，而且很少有人知道自然元素在不同的工作环境中是否会产生相似的效果。

最近的一项审查指出，迄今为止进行的关于自然和健康的研究未能捕捉到人们如何体验自然的变化，也没有量化在具有亲生物元素空间中的沉浸或接触程度，大多数研究使用了自我报告的健康和福祉衡量标准，这可能会引入反应偏差。

研究问题

新兴技术有潜力解决以前研究的一些局限，为此，本文结合虚拟现实VR、眼动跟踪和可佩戴生物监测传感器，设计了一项办公室亲生物干预(BIO)研究，检查参与者对两种工作空间(即开放空间和封闭空间)中不同亲生物设计(即自然元素、自然元素类似物以及两者的组合，称为“组合”)的反应。除了压力反应的生理测量，我们还包括创造力和注意力的认知评估。

实验

实验设计

实验人群：通过电子邮件邀请和张贴传单招募了30名参与者，他们代表了哈佛大学TH Chan公共卫生学院学生和工作人员的便利样本。人员排除标准包括服用药物或压力治疗，在实验前24小时内吸烟或饮酒，以及在实验前6小时内参加高强度运动。

实验条件：虚拟实验室的室内环境条件在所有访问中保持一致。由实时传感器组件测量包括温度、相对湿度和PM2.5浓度在内的室内环境质量(IEQ)指标。通过关闭实验室的门，将噪音干扰保持在最低限度。

本研究中采用了随机交叉设计，所有参与者参观虚拟现实实验室两次，以随机顺序体验开放和封闭空间，一次一个空间。在每次访问中，他们被暴露在四个不同的虚拟环境中，顺序是随机的。四种虚拟环境分别是非生物环境（参照组）、融入绿色植物和自然光等自然元素的亲生物干预环境、融入模仿自然材料的自然类似物的亲生物干预环境以及自然元素和自然类似物组合的环境。

图1：封闭空间(E1~E4)和开放空间(O1~O4)中的模拟虚拟环境

实验步骤

1）介绍实验程序，并让参与者阅读并签署同意书。

2）设置设备(即VR头盔和生物监测传感器)，提供了VR环境中安全和导航的一般说明。

3)参与者有10分钟时间熟悉虚拟现实体验和在虚拟现实中进行认知测试的方法。建议前七分钟来适应虚拟现实作为一种新的刺激，剩下的三分钟用于眼睛跟踪器的校准。

4)参与者被随机分配到一个工作空间类型(封闭式或开放式)下查看四个虚拟环境(E1、E2、E3和E4或O1、O2、O3和O4)(图一)。

坐下休息3分钟，虚拟现实中只显示默认的灰色背景环境。这一时期使他们的生理状况稳定下来，在此期间收集他们的基线生理状态，包括血压、心率、心率变异性和皮肤电导水平。

休息一段时间后，参与者实际在室内办公室环境中呆了五分钟(已被证明是改变急性生理压力水平的足够时间)。在此期间，他们可以自由行走和观察周围环境，此时我们使用眼睛跟踪设备收集了他们的凝视数据。

之后，留在这个虚拟环境中，使用VR中的虚拟桌面进行5分钟的认知测试（见图2）。

5）在经历这四种环境后，完成一项5分钟的在线调查，内容包括他们的背景信息，如：人口统计(仅适用于第一次访问)、总体健康状况(优秀、非常好、良好、一般或差)、压力水平(李克特量表从1到5分，1分表示非常小的压力，5分表示极度压力)、饮用含咖啡因的饮料(是/否)以及前一天晚上的睡眠质量(是/否)。此外，他们用李克特量表从1到10评价了四种环境，并对四种亲生物模式(“与自然的视觉联系”、“动态漫射光”、“生物形态和模式”以及“与自然的物质联系”)进行了排序。整个实验每次大约需要80分钟(图2)。在第二次访问中，参与者重复这个过程，并重新体验两种工作空间。

图2：实验程序和取样时间表(一次访问)

数据收集与分析

压力反应的生理数据：血压、心率、心率变异性(HRV)和皮肤电导水平(SCL)通过穿戴式生物传感器测量，作为急性应激反应的生理指标。

认知功能:选择性注意相关的认知功能通过Stroop颜色词测验进行测量；与创造力相关的认知功能通过Guilford’s Alternative Uses测验进行测量。

最后通过广义加性混合效应模型(GAMM) (R程序包“gamm4”，版本0.2‐5)，在控制同一参与者重复测量的相关性的同时，分析亲生物干预与生理和认知结果输出之间的关联。

结果分析与讨论

压力水平

血压、心率、心率变异性和皮肤电导水平的四种接触前(基线)条件之间没有统计学显著差异(均P > .05)。这表明在生理反应方案中这四种类型的接触没有顺序效应。生理测量的后续变化可能归因于不同的虚拟接触。

表1：不同工作空间中，亲生物环境与非亲生物环境中应激压力反应前后生理变化的估计差异(β和95%置信区间)

从表一可以看出：

在两种工作空间类型中，亲生物干预对降低收缩压和舒张压以及心率有显著的效果，在开放空间中更强。亲生物干预对心率变异性前后变化的影响存在差异。在自然因素和组合条件下，参与者的RMSSD增加，意味着与缓解压力有关的副交感神经活动增加，而在自然类似物条件下则减少。曾有研究就表明与观看建筑相比，参与者在观看自然时的RMSSD增加了，另外，与观看建筑相比，观看自然场景后的RMSSD恢复过程更快。亲生物干预与皮肤电导水平(SCL)的降低轻微相关，尽管效果估计通常接近零，且有很大的置信区间。

生理结果始终表明，亲生物干预对降低压力水平有积极作用，亲生物干预对血压和心率的积极影响与以前关于阳光和绿植对健康影响的研究一致。有趣的是，这些结果也与最近的户外自然健康益处的meta分析一致。

认知功能

亲生物干预对认知功能的影响如表2所示。亲生物干预对提高创造力分数有积极作用。与非亲生物环境中的表现相比，在调整了工作空间类型和访问间变量后，在自然因素和组合条件下，参与者的创造力测试分数标准差更高。这些效应在封闭空间比在开放空间中更显著，标准差更高。

同时，与非生物环境的参与者相比，在亲生物环境的参与者在Stroop测试中的反应时间更长。具体来说，在调整了工作空间类型和访问间变量后，自然因素和组合条件使反应时间的几何平均值增加了5%，在封闭空间和开放空间中，这些关联的模式是相似的。（注：一般来说，在对其他变量进行调整后，再进行一次测试，反应时间的几何平均值会减少2.5%。）

表2：亲生物环境与非亲生物环境下创造力平均Z值和反应时间几何平均值的估计差异

亲生物干预通常对提高参与者的创造力产生积极影响，同时增加他们在注意力集中任务中的反应时间。带有自然元素的办公空间模拟了创造性思维，但对注意力集中的反应时间产生了负面影响，这是一个明显的矛盾。结合上述生理学发现，似乎亲生物力因素具有镇静作用，允许进入更具创造性的思考，但分散了需要参与者更集中注意力的注意力任务。这些从虚拟现实模拟办公室环境中获得的结果与前人的研究相似。

眼动追踪

表3：参与者在三种生物亲环境中通过眼睛跟踪测量的花费在        特定亲生物模式上的时间百分比(%)(平均标准差(%))

可以发现，人们花了超过三分之二的时间在三种生物环境中观察亲生物元素，具体来说，他们花更多的时间在绿色植物和生物形态模式上。

表4：在三种亲生物环境中，通过眼动跟踪测量参与者在亲生物元素上花费的时间百分比(%)的估计差异(β (%)和95%置信区间) 

我们发现女性参与者通常花更多时间来观察亲生物环境因素，在组合条件下，这种差异很显著。我们还发现，在农村和郊区长大的参与者分别花了3.9%和2.8%的时间观察亲生物元素。

亲生物设计和工作空间的不同影响

采用自然元素的办公室在创造力指标上优于采用自然类似元素的设计，但在注意力任务上表现不佳。同时，参与者在有自然元素的办公室环境中压力水平更低。这一趋势与我们讨论的镇静作用可以促进创造性思维，但会分散注意力是一致的。在室内环境中使用参与者喜爱的亲生物元素可能会增加参与者的积极影响，降低他们的压力水平，并促进解决问题的创造力。

虽然我们没有发现亲生物干预与工作空间类型(封闭与开放)之间有统计学意义上的交互作用，但我们从分层分析观察到，类似的亲生物干预对开放与封闭工作空间的生理和认知结果有不同的影响。总的来说，亲生物干预对减少生理压力的效果在开放空间更好，而对创造力的效果在封闭空间更好。

虚拟暴露于亲生物环境的强度

眼睛跟踪数据使我们能够首次捕捉到人们对亲生物设计的暴露程度，结果表明，在三种亲生物环境中，参与者大部分时间都在观察亲生物元素，而不是盯着非亲生物元素看，甚至长时间闭眼。所以下一步应设计虚拟环境，更好地控制亲生物元素的数量，以研究虚拟亲生物环境的变化如何与参与者的生理和认知反应相关联。

优势与局限

优势：①对同一个体的生理和认知结果的重复测量有助于控制潜在的不变因素(如性别、社会经济因素)。②随机安排访问顺序和每次访问中的接触顺序有助于减少顺序效应，减少不同情景之间比较的潜在偏差。③所有实验都在稳定的环境中进行，采用实时IEQ措施，这有助于控制来自物理环境的混杂因素(例如，PM2.5、温度、相对湿度)。④结合虚拟现实、眼动追踪和可穿戴生物监测传感器，提供了客观的措施来量化虚拟亲生物暴露对压力和认知功能的影响。

局限：①使用虚拟现实模拟了亲生物设计的暴露，与真实环境中的相同干预相比，虚拟现实可能对生理和认知功能产生不同的影响。②缺乏参与者在虚拟现实中进行认知测试时的眼动跟踪数据，这些数据可以用来衡量他们在实际的测试过程中是否被周围的亲生物元素分心。③没有基线认知测量来减少潜在的学习效果。④推广性有限。大多数参与者都是年轻健康、知识渊博的成年人，这限制了对一般人群的推广；另一个限制是，我们模拟的亲生物干预是以办公室环境为模型的，可能不适用于其他建筑类型，如家庭、医院或零售环境。

结论

亲生物设计，作为一种促进健康的方法，可以帮助在办公室环境中减少压力和提高创造力。这些影响在不同类型的亲生物干预和不同的工作空间(开放式与封闭式)中有所不同。

本研究引入了一种新的实证研究工具，通过结合虚拟现实、眼动追踪和可穿戴生物监测传感器来量化人类对虚拟亲生物环境的反应。我们的发现有助于建筑师、设计师和办公室经理了解亲生物的办公设计如何影响居住者的健康和表现。