引言
煤矿工人常在高温高湿环境中工作，这影响他们的认知功能，尤其是工作记忆。研究显示，高温和高湿环境会降低矿工的反应速度和工作记忆能力，增加工作风险。了解这些环境因素如何影响工作记忆的神经机制对于改善矿工的工作条件和提升作业安全至关重要。本研究采用fNIRS技术，结合短期视觉记忆任务，评估高温高湿对矿工工作记忆的影响，旨在优化矿工的工作环境，提高工作效率和安全性。
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实验背景
煤矿员工常在湿热环境中工作，这对他们的健康、安全能力和认知功能，特别是工作记忆产生不利影响。传统研究多关注神经生理参数，对湿热环境对认知功能的影响研究较少，且未将热和湿作为单独因素考虑。神经影像学可揭示神经活动与实验室环境中中长期、生态有效结果之间的联系，fNIRS可在自然环境中测量实际大脑活动，适用于研究认知过程。
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实验内容
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被试选择
100名来自红柳林矿业集团的煤矿工人，随机分为4组，每组25人。参与者均为右利手，无吸烟饮酒嗜好，视力正常，且在实验前保证充足睡眠，未服用精神类药物，并签署知情同意书。
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实验条件
在西安科技大学安全与应急管理实验室的温度和湿度舱中进行实验，舱内尺寸为3m*2.4m*4m，外部尺寸为3.2m*2.7m*5.6m，温度设置范围为-20°C+90°C，湿度控制范围为20%-95%R.H。
根据中国煤矿实际温度和湿度条件及实验设备支持的最大工作环境参数，设置了如下四种实验环境条件：
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实验设计
短期视觉记忆任务：采用该任务研究工作记忆，通过计算模型基于击中率（h）和误报率（f）来获得工作记忆容量（K），记录矿工在不同湿度和温度条件下的反应时间和工作记忆容量，以探究工作记忆表现。
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实验程序
实验于2023年6月至8月进行，使用E-Prime 3.0软件编程短期视觉记忆任务。参与者到达实验室后完成签到，接受实验程序讲解，进行任务训练和练习，然后进入舱内，在特定温度和湿度条件下进行10分钟的短期视觉记忆任务，包括约180次判断，同时使用fNIRS设备记录脑活动。完成任务后，在常温常湿环境中休息恢复。
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数据采集
在休息状态和短期视觉记忆任务期间，使用Cortivision Photon Cap（型号C20）和Cortivision PathFinder采集fNIRS数据，该设备采用“10-5系统”进行电极放置，共覆盖前额叶皮层附近的27个通道，包括10个光源和9个探测器，采样率为5-6Hz。
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数据处理
排除异常数据后，使用Tukey’s HSD比较4种条件下受试者的反应时间和工作记忆容量，使用多元线性回归分析温度和湿度对反应时间和工作记忆容量的影响，使用NIRS_KIT软件对数据进行预处理，采用GLM进行个体层面的统计分析，计算不同感兴趣区域（ROI）的β值并绘制激活图，通过Tukey’s HSD检验比较不同条件下Oxy-Hb浓度的变化，使用多元线性回归模型研究温度和湿度对矿工Oxy-Hb浓度的影响，采用ANCOVA分析年龄对Oxy-Hb浓度的独立影响，使用Wilcoxon符号秩检验比较不同条件下三个ROI对刺激的反应差异。
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实验结果
行为结果
反应时间：条件I的反应时间显著快于其他条件，温度和湿度对反应时间有显著影响，温度每升高1摄氏度，反应时间估计增加10.623单位，湿度每增加1个百分点，反应时间增加2.3107单位。
工作记忆容量：条件I的工作记忆容量显著高于条件II和条件IV，温度对工作记忆容量有负向影响，每升高1摄氏度，工作记忆容量系数减少0.05134，湿度每增加1个百分点，工作记忆容量系数减少0.00918。
NIRS结果
Oxy-Hb浓度：条件I与条件IV相比，Oxy-Hb浓度显著降低；条件II与条件IV相比，条件IV的Oxy-Hb浓度显著降低；条件III与条件IV相比，条件IV的Oxy-Hb浓度也显著降低。温度和湿度对Oxy-Hb浓度有显著影响，温度系数为0.315，每升高1摄氏度，氧气浓度预计上升0.3145单位；湿度系数为0.0913，每增加1个百分点，氧气浓度预计增加0.0913单位，温度对Oxy-Hb浓度的影响大于湿度。
ROI激活
ROI A和B（前额叶皮层）的激活随着温度和湿度的增加而增加，ROI C（辅助运动区）对温度不太敏感。在所有ROI中，温度和湿度对通道激活有显著影响，温度的影响更为显著。
讨论
行为数据表明，高温高湿条件（条件IV）对矿工的认知表现有害，温度对反应时间和错误率的影响比湿度更显著，这与其他研究结果一致。
fNIRS数据显示，高温高湿条件下Oxy – Hb浓度显著不同，温度和湿度对Oxy – Hb浓度有显著影响，且温度的影响更大。
ROI分析表明，前额叶皮层（PFC）的激活与认知过程、信息处理和决策有关，高温高湿导致认知负荷增加，任务难度增大，从而影响认知任务表现。辅助运动区（SMA）主要参与运动的启动和执行，由于短期视觉记忆任务不涉及复杂的运动规划和协调，所以SMA激活程度相对较低。
总结
这项综合研究强调了优化环境条件以提高认知能力和大脑功能的迫切需要。研究结果表明，反应时间的缩短和工作记忆能力的提高与更凉爽、更少湿度的环境(条件I)显著相关，突出了高温和湿度对这些认知功能的有害影响。此外，在不同大脑区域观察到的不同激活模式进一步阐明了环境因素与大脑活动之间复杂的相互作用，最极端的条件(条件IV)显著影响大脑功能。这项研究表明，温度对认知表现的影响比湿度更大，这是设计认知需求高的工作场所或环境的关键考虑因素。这些发现的意义超出了直接的研究背景，为职业健康、工作场所安全以及更广泛的环境心理学领域提供了有价值的见解。
原文信息
Author: Chenning Tian, Hongxia Li, Shuicheng Tian，Fangyuan Tian and Hailan Yang.
Subject: The neurocognitive mechanism linking temperature and humidity with miners’ working memory: an fNIRS study
Crossref DOI link: https://doi.org/10.3389/fnhum.2024.1414679
Cortivision无线便携式近红外光学脑成像系统
Cortivision研发的PHOTON CAP设备是一种无线便携式近红外脑光学脑成像系统(fNIRS)，是一款能够有效测量大脑血红蛋白的浓度变化的设备。该设备可记录和分析在人对外界刺激感知时大脑活动区域的氧合血红蛋白浓度和脱氧血红蛋白浓度的变化情况，来推测感知活动脑区和与其相关脑区之间的相互关系。
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