温度如何影响注意力水平？

摘要：在这项研究中，被试在7种平均热感觉指数(PMV)情况下(−3到+3)的注意力通过脑电图(eeg)进行了测量。总共进行了49次脑电图记录(7名被试在7种PMV条件下)，每次持续65分钟。通过头皮记录脑电图，并使用功率谱分析按频率进行分类。注意力水平的最佳PMV条件会随着时间的推移而变化，从温度稍低到温度较高。但极端的PMV条件导致实验过程中注意力水平较差。根据我们的脑电图分析，最高的注意力水平是PMV +1，但被试报告的PMV均为0和+1。根据被试自己的评价，在高温条件下，注意力水平最低(PMV +2， +3)，而在低温条件下，大脑活动最低(PMV -2，- 3)。

关键词：注意力；脑电图(EEG)；平均热感觉指数(PMV)；温度；感知注意力；生产力

这项研究是基于脑电图(EEG)测量，评估居住者在7种平均热感觉指数(PMV)条件下(从−3到+3)的注意力水平。注意力是在特定的时间跨度内集中精力完成某一任务的认知过程。以往的研究已经探讨了室内热环境对居住者注意力的影响，利用纸上或机上的考试分数来衡量注意力水平。最近，在教育、体育和工效学（人类工程学）领域发表了许多利用脑电图测量来探索注意力水平的研究。因此，利用脑电测量注意力相关脑活动对室内环境质量研究具有重要价值。在以前的研究中，衡量生产力的适当方法一直是一个争论的话题。在这项研究中，注意力水平是通过脑电图(EEG)作为生产力的衡量标准，而不是生产力本身。脑电图是记录头皮表面的电活动，按频率分为delta (0 – 4hz)、theta (4 – 8hz)、alpha (8 – 13hz)、beta (13 – 30hz)和gamma (30 – 50hz)波。本研究采用感觉运动节律(SMR)波检测注意能力。SMR波的频率范围为12 – 15hz，包括α波和β波。这个频率范围是众所周知的与注意力有关的范围。此外，中beta波(16-20赫兹)经常发生在积极的心理活动中，如学习、记忆或计算。在本研究中，我们使用这两种波的特定功率比([SMR + Middle Beta]/Theta)来分析被试的注意水平。

实验条件

7名男性被试(年龄22-28岁)参与了研究，并获得了金钱补偿。他们的参与得到了延世大学制度审查委员会(IRB)的批准。在每次实验之前，采用日本职业健康学会开发的“自我疲劳评估工具”对被试的健康状况进行检测。此外，研究对象报告说，他们从未被诊断出脑部疾病。女性被试不包括在本研究中，因为当实验持续时间超过一个月时，月经周期可能会影响热感觉等结果。除清晨和傍晚时段外，所有实验均在白天进行。实验是在该大学的气候室中于2013年9月24日至10月29日之间进行。室外平均温度为16.6℃，相对湿度为59.7%。使用七个PMV条件搭建实验环境。空气温度如表1所示，其他条件固定在50%的相对湿度，0.1 m/s的空气速度，0.8 克罗值(训练服、电极帽和办公椅)，1.0 met代谢。将实验前的预室设置为中性条件(24.4°C, PMV 0)，气候室特征如图1所示。

测量工具:脑电图记录系统

采用国际10-20系统的脑电帽的Ag/AgCl电极记录8个头皮部位的脑电图，右耳垂作为参考，记录位置为中线左侧4个侧位(Fp1、F3、T3、P3)及中线右侧对应位置，如图2所示。用一次性表面电极(Tyco Healthcare Group LP, Norwalk, CT, USA)记录眼电图以纠正伪影，包括眨眼和眼球运动。所有信号均使用生物信号仪器系统MP150 (Biopac system Inc.， Santa Barbara, CA, USA)进行记录。所有在线记录使用0.1 – 35赫兹带通滤波器，用1000hz的采样率采集脑电图和眼电图。使用“BrainMap-3D”（脑3D）S/W (Laxtha，大田，韩国)计算功率谱密度，将原始脑电图信号分为以下三个频率:theta (4-8 Hz)、SMR (12-15 Hz)、中beta (16-20 Hz)，这些被用来计算注意力水平([SMR + Middle beta]/theta)，如上所述。

实验过程

所有被试在七天内经历了七种情况，每个被试每天接触一种情况。被试在中性环境的预室中穿上运动衫和裤子后，接上脑电图电极。然后，在中性环境中等待15分钟以适应。然后他们被转移到气候室，电极被连接到一台电脑上。实验时间为65分钟，要求被试进行学习。在测量脑电图65分钟后，被试被要求回答一个关于感知注意力水平的问题，即，他们集中注意力的程度，从“完全不能集中注意力”到“非常集中注意力”。为了排除顺序效应，所有被试的实验条件顺序不同，如表2所示。共进行了49次实验。

在8个被测的脑电图通道中，我们分析前额叶通道(Fp1和Fp2)的功率，计算[SMR + Middle beta]/theta值。注意能力的最佳PMV条件被证明是随时间变化的(图3)。在前30分钟PMV为-1条件下脑电图功率最强，在最后30分钟PMV为0的条件下脑电图功率最强。在实验的最后,在PMV为+1条件下脑电图功率迅速增加，PMV为-3是整个实验中最糟糕的注意力条件。为了更清晰地显示结果，我们将图分为温和温度(PMV + 1,0，−1)和其他极端温度(PMV +3， +2，−3，−2)的数据(图4和图5)，轻度温度(PMV + 1,0，−1)的EEG功率值更强。

在温和温度下的注意力水平

脑电功率值分别用Fp1(左)和Fp2(右)表示，这两个领域都显示出类似的趋势。PMV-1在前30 min最强，PMV0在后30 min最强。实验结束前，PMV+1条件下的脑电图功率最高。

在极端温度下的注意力水平

为了进行分析，我们测量了PMV +3、+2、-3、-2时的注意能力。图6和图7显示了Fp1和Fp2在极端温区的注意能力。在极端条件下，PMV -2的脑电图功率值在前30分钟最强，PMV +2在最后30分钟最强，这与温和温度下观察到的趋势相似。开始时相对较低的温度更有利于注意力，但在随后的训练中，较温暖的环境更有利于注意力。在极端条件下发生这种变化的时间(25分钟)比在温和温度下(30分钟)要快。实验期间，PMV -3的脑电图功率值最差。

感知注意力的比较

图8为实验60分钟时的平均EEG功率值([SMR + Middle beta]/ theta)，图9为实验后被试对感知注意力的评价(0：根本无法集中注意力，6：非常集中)。大脑活动似乎与感知注意力相关，然而，根据脑电图分析，PMV +1时的注意水平最高，但根据感知注意力，PMV 0和+1时的注意水平都最高。根据被试的评估，在高温下感知注意力水平最低(PMV +2， +3)，然而在低温下大脑活动最低(PMV -2，  -3)。

生产力被定义为基于目标执行活动的程度，热环境对工作性能的影响通常是通过评价生产率来研究的。不同热环境下的人体生产力已经通过现场或实验室的观测得到量化。在现场观察中，我们使用了呼叫中心或工厂的工作绩效，因为在这些情况中，生产率很容易量化。Niemela等人通过监测电话通话次数除以电信办公室的活跃工作时间，研究了气温对劳动生产率的影响。他们发现，当气温超过25.8摄氏度时，生产率会下降5-7%。Ye等人在一家工厂进行了实地调查，调查了员工生产率与热环境之间的关系。建筑物内稍微凉爽的温度更有可能对生产率产生积极的或肯定的影响。Tham和Willem测量了温度对呼叫处理表现的影响。将温度从轻微的热感觉降低到轻微的冷感觉(在低通风率下)，操作人员的交谈性能提高了5-13%。Federspiel等人测量了美国呼叫中心工作人员的生产力，他们发现，在舒适区内，温度对生产率没有显著影响。Lan等人发现，当热环境偏离中性条件时，神经行为测试的表现会下降。参与者经历了更多的负面情绪，需要付出更多的努力来保持他们在中度不利(稍微温暖或稍微凉爽)的环境条件下的表现。从这些研究中，常见的发现是，当温度超过舒适区时，生产率会下降。此外，稍微凉爽的环境对生产力有积极的影响。在这项研究中，我们发现，在实验的第一部分，稍微低一点的温度可以提高注意力，就像之前的实验一样，稍微低一点的温度会提高注意力水平，但最佳的注意力温度会随着时间的推移而增加。

实验室的生产力研究主要使用认知任务，如记忆和计算任务，来量化生产力。Johansson将被试暴露在有效温度为24°C、27°C和30°C的气候室中，采用了几种测试方法来评估热环境对性能的影响，除了线索利用和类似的知觉和非运动任务外，大多数任务在两个较高的温度下都受到了损害。知觉任务测量线索利用率和注意度与温度呈倒U型关系，并且在27°C时性能最佳。Witterseh等人研究了温度对模拟办公室工作(包括乘法、打字和加法测试)的影响，发现当温度从热中性温度(22℃)增加到轻微温暖不适温度(25℃)时，温度对工作表现没有显著影响。Lan等人在实验室中进行了四种温度下的神经行为测试，发现根据任务类型，室温会对表现产生不同的影响。Lorsch报告说，存在一个临界温度区(在32.2°C到35°C之间)，高于这个温度区，智力任务的准确性会下降。这些实验室研究得出了与实地研究相似的结果，舒适区附近的温度对生产率有积极影响，而极端高温对生产率有负面影响。此外，根据工作类型不同，温度对生产率的影响也不同。

在生产力研究中，如何准确地衡量生产力一直是一个挑战，因为有许多工作类型。在这项研究中，我们关注的是注意力水平本身，它似乎已经解决了这个问题。注意力水平更容易客观测量，因为它可以通过脑电图功率等生理信号来测量。在热舒适分析中，脑电图的研究并不常见。Yao等人用一对电极测量头部右侧和前额中心，测量了心率变异性和脑电图与热舒适的关系。他们发现，在中性热感觉下，β波的整体相对脑电图功率最低，而当被试感到轻微凉爽时α波的整体相对脑电图功率最高。Lan等人发现，参与者在中度不舒服的环境中工作的动机较低，脑电图δ波减少。Shan等人观察到脑电图额叶不对称活动与主观问卷调查和客观任务表现相关。中性热条件比其他热条件导致一个更积极的方法。此外，自我感觉的表现与实际表现并没有很好地关联。在我们的研究中，我们发现极端条件对注意力有负面影响，感知注意力和生理测量注意力之间存在差距。实验后的感知注意力在较高的温度下最差(PMV +2， +3)，但测量的脑电图在较低的温度下最差(PMV -2，−3)。此外，根据脑电图分析，PMV +1时的注意力水平最高，但根据被试的评价，PMV 0和+1时的注意力水平都最高，这表明人们不知道他们的注意力水平的最佳温度或他们的注意力最集中时的温度。Leaman和Bordass显示了住户报告他们的建筑是舒适的和住户描述他们的建筑是不舒适的之间的感知生产力与实际的差异。不舒服的人员反映他们的工作效率更低，感知生产力可能会受到热舒适的影响。然而，生产力的最佳温度并不总是与舒适温度相同。一些研究人员声称，提供热舒适的热条件并不能提供最大的效率。因此，温度需要在舒适和生产力需求之间平衡。

习惯上，热舒适研究的重点是寻找舒适的最佳温度。然而，根据特定的任务类型，最佳热舒适和最佳性能可能并不一致。例如，创造性的脑力劳动可能需要相似的最佳热温度和最佳性能温度，但另一种类型的脑力工作可能需要稍微低一点的温度才能达到最佳生产力。

热环境不仅对个人的舒适很重要，而且对居住者的行为、健康和幸福也很重要。目前的研究主要集中在注重居住者的注意力，以更好地学习或工作，但需要更多的研究来调查热环境对居住者的健康和行为的影响。未来研究的另一个潜在课题是年龄对热环境效应的影响，本研究的参与者年龄在30岁以下，但热环境可能对该人群产生一些影响，不同于中年人和其他年龄段的个体。

本研究通过测量注意力水平来客观地衡量生产力，而不是通过被试的评价或有限的工作类型。通过脑电图对生理信号的测量可以量化结果，注意力是许多类型工作的基础，所以这可能是衡量生产力的最好方法，主观评价是评价热环境对生产率影响的重要指标。然而，主观评价和大脑活动测量之间存在差距。因此，脑电图可以作为一种客观有效的，测量人员注意力和生产力水平的方法。