石玉生， 黃偉芬， 江 源， 吳 昊， 張 相， 秦海波

（中國航天員科研訓(xùn)練中心， 北京 100094）

1 引言

隨著中國載人航天進(jìn)入空間站時(shí)代，航天員將執(zhí)行3～6 個(gè)月的長期在軌任務(wù)，完成包括在軌空間實(shí)驗(yàn)、設(shè)備維護(hù)更換、出艙活動(dòng)巡檢、機(jī)械臂遙操作等復(fù)雜任務(wù)，這對航天員的在軌認(rèn)知能力水平提出了更高要求。 但在軌失重、噪聲、光照、密閉隔離環(huán)境等多種因素下可能影響航天員的基本認(rèn)知能力，航天員在軌認(rèn)知能力監(jiān)測是評估航天員在軌狀態(tài)、安排航天員執(zhí)行復(fù)雜動(dòng)態(tài)任務(wù)的重要依據(jù)。

為了全面、有效地監(jiān)測評估航天員在軌認(rèn)知能力，蘇聯(lián)及國際空間站任務(wù)在不同階段使用了多種方法進(jìn)行認(rèn)知能力測試，并獲得了寶貴的在軌監(jiān)測數(shù)據(jù)。 中國自神舟九號飛行任務(wù)以來進(jìn)行了包括警覺性測試、眼手協(xié)調(diào)測試等在內(nèi)的多項(xiàng)在軌認(rèn)知能力及操作能力研究，積累了短期飛行航天員眼手協(xié)調(diào)等多項(xiàng)操作能力變化數(shù)據(jù)。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和測試范式的不斷進(jìn)步，在軌認(rèn)知能力監(jiān)測的方法不斷改進(jìn)，同時(shí)，隨著在軌數(shù)據(jù)的積累，對航天員認(rèn)知能力影響的認(rèn)識(shí)也在不斷加深。本文總結(jié)梳理在軌認(rèn)知能力監(jiān)測的研究方法和主要成果，為空間站時(shí)代研究長期在軌認(rèn)知能力監(jiān)測工具及對認(rèn)知能力的影響提供借鑒。

2 在軌基本認(rèn)知能力測試

不同時(shí)期研究者使用的在軌認(rèn)知能力測試方法總體上遵循了測試時(shí)間較短、測試限制較少、測試無練習(xí)效應(yīng)等原則。 這些方法以計(jì)算機(jī)軟件測試為主，選取經(jīng)典認(rèn)知能力測試范式作為測試任務(wù)，同時(shí)又根據(jù)相關(guān)研究風(fēng)險(xiǎn)偏好、情緒測試等領(lǐng)域的不斷進(jìn)步而進(jìn)行更新。以標(biāo)志性軟件的不同，可將在軌認(rèn)知能力測試的發(fā)展分為3 個(gè)階段。

2.1 前WinSCAT 階段

在和平號空間站時(shí)代及國際空間站任務(wù)早期，不同研究者使用的在軌認(rèn)知測試方法并不相同。 例如Ratino 等較早進(jìn)行在軌反應(yīng)時(shí)測試和時(shí)間知覺測試，使用簡單反應(yīng)時(shí)、選擇反應(yīng)時(shí)以及時(shí)間知覺測試范式，并未測試其他認(rèn)知能力。隨后，Benke 等在1991 年的飛行中使用了多項(xiàng)計(jì)算機(jī)測試任務(wù)：簡單反應(yīng)時(shí)、選擇反應(yīng)時(shí)、Stroop型干擾測試、空間記憶能力測試以及空間知覺能力測試等。 而Manzey 等則發(fā)展了環(huán)境壓力研究標(biāo)準(zhǔn)測試工具（Standardized Tests for Research with Environmental Stressors，STRES），該軟件包括了語義推理測試、記憶搜索測試、不穩(wěn)定追蹤測試以及雙任務(wù)測試，并在多個(gè)研究中進(jìn)行了應(yīng)用。 相比于Benke 等的測試項(xiàng)目，Manzey 等的軟件中增加了推理、眼手協(xié)調(diào)（不穩(wěn)定追蹤）以及注意分配（雙任務(wù)）等認(rèn)知能力測試。

NASA 研究者Eddy 等根據(jù)前人的研究成果， 提出了操作測試評估站（ Performance Assessment Workstation，PAWS）軟件包。 該軟件包由6 個(gè)認(rèn)知測試任務(wù)以及2 個(gè)量表測試組成，可在20 min 內(nèi)完成，測試短時(shí)記憶、空間記憶、注意、眼手協(xié)調(diào)以及注意分配等能力。 PAWS 包含的認(rèn)知測試項(xiàng)目如表1 所示，包含量表為情緒詞評估量表和疲勞量表。 該軟件包在NASA 相關(guān)研究中得到了廣泛應(yīng)用。

表1 PAWS 認(rèn)知測試項(xiàng)目［12］Table 1 Cognitive tests of PAWS［12］

2.2 WinSCAT 測試階段

Windows 系統(tǒng)飛行乘組認(rèn)知能力測評工具（Spaceflight Cognitive Assessment Tool for Windows，WinSCAT）由NASA 在2005 年公布。 軟件包括符號替換測試、符號替換再認(rèn)測試、延遲匹配測試、加減法測試以及連續(xù)工作記憶測試，滿足了在軌認(rèn)知測試敏感性、簡便性、可重復(fù)性、有效性等要求，如表2 所示。 相比于過去的PAWS 測試，WinSCAT 刪除了追蹤測試和雙任務(wù)測試，增加了2 種符號替換測試，修改了心理旋轉(zhuǎn)測試內(nèi)容，保留了加減法測試。 整體上降低了測試難度，也減少了航天員在軌測評的時(shí)間，便于航天員短時(shí)間內(nèi)完成自評。

表2 WinSCAT 認(rèn)知測試項(xiàng)目［16］Table 2 Cognitive tests in WinSCAT［16］

該系統(tǒng)發(fā)布后一直在國際空間站的各次任務(wù)中使用，一般每個(gè)月會(huì)對乘員評估一次，在乘員執(zhí)行重大任務(wù)之前還會(huì)進(jìn)行再評估；在Mars 500大型地面模擬實(shí)驗(yàn)中也對志愿者進(jìn)行了該項(xiàng)測試。 WinSCAT 發(fā)布后成為NASA 的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知測驗(yàn)工具。

2.3 Cognition 測試階段

在WinSCAT 使用了近10 年之后，2015 年Basner 等公布了新的認(rèn)知能力測試工具—乘組認(rèn)知能力測試工具（Cognition Test Battery for Spaceflight，簡稱Cognition）。 WinSCAT 主要關(guān)注的是反應(yīng)時(shí)、工作記憶等內(nèi)容，對抽象推理、情緒判別、注意力的持久度以及風(fēng)險(xiǎn)決策等內(nèi)容都沒有涉及；此外之前的評估方法得到的結(jié)果顯示航天員在軌認(rèn)知測試成績未出現(xiàn)顯著變化，這和部分航天員在軌自述失眠、疲勞甚至衰弱等情況不一致，可能是由于在軌測試不夠全面導(dǎo)致。 因此開發(fā)出了含有10 項(xiàng)測試的Cognition 測試工具，測試項(xiàng)目見表3，測試項(xiàng)目示意圖見圖1。

圖1 NASA Cognition 測試項(xiàng)目圖示［19］Fig.1 Example of tests in NASA Cognition［19］

表3 Cognition 測試項(xiàng)目［19］Table 3 Cognition test items［19］

對比WinSCAT，Cognition 工具包重新引入了眼手協(xié)調(diào)測試和反應(yīng)時(shí)（警覺性）測試，還加入了抽象推理測試、線段朝向測試、情緒識(shí)別測試、邏輯推理測試和氣球模擬測試；此外對心理旋轉(zhuǎn)和工作記憶測試進(jìn)行了修改，保留了字符匹配測試。這些說明NASA 開始關(guān)注航天員的邏輯推理、情緒識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)偏好能力，之前在軌測試中并未涉及這些部分；重視了空間認(rèn)知能力評估，引入了二維和三維測試2 種手段；保留了前人重點(diǎn)關(guān)注的眼手協(xié)調(diào)、字符匹配、工作記憶以及警覺性測試。

該工具發(fā)布后即在NASA 的多項(xiàng)研究中應(yīng)用。在NASA 的天地雙生子研究中，研究者利用Cognition 測試集對比了雙胞胎的天地認(rèn)知表現(xiàn)；2018 年發(fā)表的二氧化碳濃度對模擬乘組認(rèn)知能力影響的研究中，也使用了Cognition 測試。目前來看，該測試取代了WinSCAT 的地位，成為NASA 新一代的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知測試集。

2.4 中國載人飛行任務(wù)中使用的測試方法

中國自神舟九號載人飛行任務(wù)以來，在軌完成了多項(xiàng)面向工效學(xué)評價(jià)和認(rèn)知能力研究的在軌測試項(xiàng)目，主要包括在軌眼手協(xié)調(diào)測試、簡單反應(yīng)時(shí)測試、選擇反應(yīng)時(shí)測試、時(shí)間知覺測試、工作記憶測試和雙任務(wù)測試等。 與國際空間站相比，中國短期在軌飛行中選用的認(rèn)知測試項(xiàng)目更加偏向警覺性、注意、記憶、精細(xì)操作能力等基本認(rèn)知能力和影響航天員在軌操作績效的因素。

綜上，載人航天飛行中研究者選擇的認(rèn)知測試具有以下特點(diǎn)：

1）覆蓋了知覺、注意、工作記憶、眼手協(xié)調(diào)、邏輯推理、空間認(rèn)知等多項(xiàng)基本認(rèn)知能力；

2）測試任務(wù)較為簡單，盡量避免練習(xí)效應(yīng)的干擾；

3）單項(xiàng)測試任務(wù)時(shí)間不長，避免給航天員造成過大的腦力壓力。

值得注意的是，盡管都是為了更好地監(jiān)測航天員在軌認(rèn)知能力變化，但是不同時(shí)期研究者選用的測試種類和數(shù)量均不相同。 從早期階段到WinSCAT 時(shí)期減少了測試種類（例如刪除了追蹤任務(wù)）、降低了測試數(shù)量（由6 個(gè)降為5 個(gè)）；但是Cognition 階段又增加了測試種類和測試數(shù)量，并且引入了諸如邏輯推理測試等高級認(rèn)知功能的測試。 3 種測試集認(rèn)知能力測試對比如表4 所示。

表4 不同測試集測試能力對比Table 4 Comparison of different test batteries

相比過去的測試集，最新的Cognition 測試集測試的能力最多，測試范式也更加復(fù)雜，加入了包括邏輯推理測試、情緒識(shí)別測試以及風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知測試等高級認(rèn)知功能的測試。 隨著更多高級認(rèn)知功能測試范式不斷成熟，在軌測試將會(huì)更加豐富，也有助于更加全面地評估長期在軌對航天員認(rèn)知能力的影響。

3 航天飛行對認(rèn)知能力的影響

目前航天飛行對航天員認(rèn)知能力影響研究大多集中在和平號空間站和國際空間站早期任務(wù)中，以中短期飛行（小于20 天）研究結(jié)果為主；Manzey 等和Bakelman 等發(fā)表的NASA 雙胞胎研究是極少的長期飛行對基本認(rèn)知能力影響的研究；中國自神舟九號任務(wù)以來也積累了短期在軌測試數(shù)據(jù)，可為后續(xù)長期在軌的研究提供借鑒。

3.1 中短期飛行對基本認(rèn)知能力的影響

從現(xiàn)有的研究結(jié)果來看，中短期飛行并未對航天員的認(rèn)知能力造成顯著影響。 Benke 等針對一名到訪和平號空間站6 天的澳大利亞航天員進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)其在軌測試反應(yīng)時(shí)和準(zhǔn)確率并沒有顯著變化；Manzey 等對1 名德國航天員在軌飛行8 天進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)短時(shí)記憶和邏輯推理任務(wù)的測試成績都未下降，但追蹤任務(wù)在入軌早期和任務(wù)末期變差，這被認(rèn)為是入軌早期不適應(yīng)微重力環(huán)境、任務(wù)末期長時(shí)間高負(fù)荷工作導(dǎo)致疲勞和睡眠質(zhì)量下降的影響；Eddy 等針對3 名航天員進(jìn)行了為期13 天的在軌認(rèn)知能力研究，包括短時(shí)記憶、注意、追蹤等多方面的測試，發(fā)現(xiàn)一名航天員的工作記憶測試、注意測試表現(xiàn)變好，一名航天員的注意測試、追蹤測試及雙任務(wù)中的追蹤測試表現(xiàn)下降，這種認(rèn)知測試下降發(fā)生在入軌早期和任務(wù)后期，與前人的研究結(jié)果一致；Manzey等在4 名航天員18 天在軌飛行中，進(jìn)行了包括工作記憶、注意、空間認(rèn)知、追蹤任務(wù)、雙任務(wù)等測試，發(fā)現(xiàn)一名航天員的空間認(rèn)知測試和注意測試成績下降，另一名航天員的注意測試成績下降，但是追蹤能力測試成績提高，其他2 名航天員無顯著性差異；Kelly 等對4 名航天員在軌飛行10天的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知能力測試在軌沒有顯著變化，航天員主觀評價(jià)中的疲勞感和情緒喚醒度在軌升高，著陸后降低。

中國神舟九號、神舟十號和神舟十一號載人飛行任務(wù)航天員在軌測試數(shù)據(jù)表明，入軌早期有航天員的部分測試表現(xiàn)出現(xiàn)一定程度的下降（如警覺性測試），但同組航天員之間存在顯著個(gè)體差異，隨后會(huì)恢復(fù)到地面水平；相比于簡單認(rèn)知任務(wù)（例如簡單反應(yīng)時(shí)等），復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)（例如雙任務(wù)追蹤測試）的績效在入軌早期受到的影響更大，適應(yīng)在軌環(huán)境后恢復(fù)，返回后績效水平可快速完全恢復(fù)；時(shí)間知覺在軌受到了較為明顯的影響。 這些結(jié)果說明航天員入軌早期主要存在適應(yīng)過程，度過適應(yīng)期后認(rèn)知表現(xiàn)與地面差異不大，這與前人的研究成果基本一致。

總體而言，中短期飛行航天員的基本認(rèn)知能力并沒有受到顯著損害，部分測試在入軌早期和任務(wù)末期的下降是入軌適應(yīng)和疲勞積累導(dǎo)致的；此外，同組航天員的測試結(jié)果存在較大差異，部分航天員全程認(rèn)知能力測試成績均保持穩(wěn)定，個(gè)體化差異是后續(xù)需要重點(diǎn)關(guān)注的方向。

3.2 長期飛行對基本認(rèn)知能力的影響

公開發(fā)表的長期飛行的相關(guān)研究非常少見。Manzey 等針對1 名俄羅斯航天員進(jìn)行了為期4個(gè)月的在軌認(rèn)知能力測試，發(fā)現(xiàn)在發(fā)射前2 天該航天員認(rèn)知表現(xiàn)下降，但是入軌后這種下降消失，在入軌早期僅有視覺運(yùn)動(dòng)能力測試成績出現(xiàn)下降，隨后的13 周測試中航天員的認(rèn)知績效保持穩(wěn)定，與地面測試沒有顯著性差異。

Manzey 等針對1 名俄羅斯航天員進(jìn)行了在軌438 天長期飛行研究，包括語義推理、記憶測試、追蹤測試以及雙任務(wù)測試等認(rèn)知能力測試。飛行前測試4 次，飛行中測試29 次，著陸后測試8 次。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)除了在軌第一周出現(xiàn)了追蹤任務(wù)測試績效下降之外（與前人研究結(jié)果相同），其他測試在軌期間均比較穩(wěn)定，但是著陸后記憶測試有顯著下降。

Bakelman 等發(fā)表的NASA 雙胞胎研究對比了天地2 個(gè)同卵雙胞胎航天員的認(rèn)知測試成績，發(fā)現(xiàn)在軌的航天員比地面航天員表現(xiàn)出了更強(qiáng)的冒險(xiǎn)傾向，在軌測試中情緒識(shí)別測試和字符匹配測試的反應(yīng)時(shí)、抽象推理測試的準(zhǔn)確率均出現(xiàn)了下降，其他的反應(yīng)時(shí)和準(zhǔn)確率均沒有顯著變化。 值得注意的是，著陸后航天員認(rèn)知能力測試成績出現(xiàn)了普遍下降，并且這種下降持續(xù)至少6個(gè)月。 目前尚未確定這種認(rèn)知能力下降的原因，可能是航天員的重力再適應(yīng)、返回后參加多項(xiàng)研究、多種媒體活動(dòng)等所致。 考慮到返回后航天員需要在重新適應(yīng)的同時(shí)參加多種活動(dòng)或測試，加之認(rèn)知測試的敏感性，認(rèn)知測試成績的下降可能反映了航天員返回后處于疲勞或較為放松的狀態(tài)。

除了真實(shí)飛行之外，地面長期模擬實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果也為長期飛行對航天員認(rèn)知能力的影響提供有益借鑒。 Barger 等探究了24 h 輪班和睡眠不足對認(rèn)知績效的影響，利用Mars 500 實(shí)驗(yàn)前的105 天隔離實(shí)驗(yàn)。 研究發(fā)現(xiàn)在24 h 輪班期間，由于睡眠不足，受試者以及任務(wù)中心的指揮人員均出現(xiàn)了典型的認(rèn)知績效下降，在24 h 輪班結(jié)束后認(rèn)知績效恢復(fù)到正常水平。 Torre 等利用NASA WinSCAT 工具對Mars 500 的受試者前8 個(gè)月的認(rèn)知表現(xiàn)每月測試1 次，發(fā)現(xiàn)部分測試成績出現(xiàn)了顯著下降，但是并未說明具體哪些測試在何階段出現(xiàn)了下降，也未說明后續(xù)的測試成績。中國2016 年開展的4 人180 天大型密閉實(shí)驗(yàn)中，4 名志愿者的部分決策能力在第107 天測試點(diǎn)出現(xiàn)了較為明顯的下降。

上述長期航天飛行任務(wù)的結(jié)果表明，航天員的基本認(rèn)知能力長期在軌期間基本不會(huì)受到顯著影響，尤其是經(jīng)歷過適應(yīng)階段之后；但返回后認(rèn)知測試成績往往出現(xiàn)了顯著下降。 此外，雖然地面模擬實(shí)驗(yàn)證明了睡眠剝奪和密閉隔離環(huán)境等因素會(huì)對認(rèn)知績效表現(xiàn)造成顯著影響，但是這種績效下降并沒有出現(xiàn)在真實(shí)飛行任務(wù)中，這可能是因?yàn)樵谲増?zhí)行任務(wù)時(shí)航天員會(huì)受到各種支持，同時(shí)他們會(huì)付出更多的努力或者找到更好的策略完成任務(wù)。

總的來看，載人航天飛行航天員在軌期間認(rèn)知能力總體保持正常水平。 從中短期飛行的研究結(jié)果看，入軌早期適應(yīng)重力、在軌末期高強(qiáng)度工作的疲勞積累可能導(dǎo)致追蹤測試、注意測試等績效下降，但是不同航天員之間存在較大差異，并沒有一致性數(shù)據(jù)證明中短期在軌飛行對航天員認(rèn)知能力造成持續(xù)影響；在軌期間度過適應(yīng)期后航天員的認(rèn)知能力測試成績保持穩(wěn)定，但是返回后有顯著的下降。 這種長期在軌飛行返回后的認(rèn)知能力測試水平下降還需進(jìn)一步研究分析原因。

值得注意的是，當(dāng)前的研究成果，尤其是長期飛行的研究成果僅基于3 名航天員的飛行數(shù)據(jù)，樣本量較小，相關(guān)研究結(jié)論還需要進(jìn)一步數(shù)據(jù)積累。

4 結(jié)語

隨著認(rèn)知領(lǐng)域研究的深入，在軌認(rèn)知測試的種類從注意、記憶、視覺搜索等基本認(rèn)知能力測試向著更加豐富的測試種類發(fā)展，如情緒識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)決策等。 我國短期飛行任務(wù)中重點(diǎn)關(guān)注了航天員警覺性、眼手協(xié)調(diào)、工作記憶、雙任務(wù)等認(rèn)知能力變化，為工效學(xué)設(shè)計(jì)等研究提供了在軌數(shù)據(jù)。

目前已有的研究結(jié)果表明在軌飛行，尤其是長期在軌飛行，除了早期可能由于空間適應(yīng)等因素的影響外，航天員的認(rèn)知功能特別是復(fù)雜認(rèn)知功能能夠保持在較高水平。 但該結(jié)論仍需要空間站長期飛行任務(wù)進(jìn)一步的檢驗(yàn)。 同時(shí)，目前研究中不同航天員測試結(jié)果之間存在較大差異，這可能和航天員參與測試時(shí)段、狀態(tài)和投入程度等多種因素有關(guān)，需要在后續(xù)的在軌研究中加強(qiáng)變量控制和多項(xiàng)指標(biāo)綜合分析，發(fā)展個(gè)性化的監(jiān)測方法和監(jiān)測安排。

隨著中國空間站任務(wù)逐步開展，航天員在軌認(rèn)知監(jiān)測是獲取航天員在軌工作狀態(tài)、適時(shí)安排重大操作任務(wù)的重要基礎(chǔ)，探究在軌環(huán)境對認(rèn)知能力影響，需要發(fā)展全面、有效地認(rèn)知能力評價(jià)測試集，加入高級認(rèn)知功能（比如邏輯推理、風(fēng)險(xiǎn)決策等）。 此外，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的發(fā)展，心理學(xué)研究領(lǐng)域會(huì)涌現(xiàn)出更多敏感、有效、綜合的測試方法和分析方法，助力在軌認(rèn)知監(jiān)測的進(jìn)步。

從發(fā)展趨勢看，在保留警覺性、工作記憶等基本認(rèn)知能力測試的基礎(chǔ)上，借鑒心理學(xué)領(lǐng)域已有的成熟范式，同時(shí)結(jié)合負(fù)荷狀態(tài)、情緒狀態(tài)等多種指標(biāo)，發(fā)展適用于空間站長期飛行任務(wù)的綜合認(rèn)知能力測試評價(jià)工具是后續(xù)研究的重要方向。