co2浓度怎么影响呼吸速率的（探索室内CO2浓度升高对生理）

• 这是“神经工程管理”第15篇推送
• 内容来源： 薛朋东
• 本期编辑： 薛朋东
• 校 对： 付汉良
• 审 核： 付汉良
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原文信息

本文是针对论文《探索室内co2浓度升高对生理、神经和认知能力的影响》（Exploring the physiological, neurophysiological and cognitive performanceeffects of elevated carbon dioxide concentrations indoors）的一篇论文解析，该论文于2019年发表于《Building and Environment》。该研究作者包括Stephen Snow; Amy S. Boyson; Karlien H.W. Paas; Hannah Gough; Marco-Felipe King; Janet Barlow; Catherine J. Noakes; m.c. schraefel。

摘 要

1.基本原理

室内空间中二氧化碳的大量积累与注意力、嗜睡和认知能力等方面的的消极表现相关。然而，有以下几点问题尚不清楚：

a）二氧化碳本身相对于其他污染物的影响？

b）使认知能力受到影响的最小必要暴露时间？

c）室内二氧化碳浓度增加导致认知能力下降的生理驱动力？

2.实验方法

采用组内实验设计方法。

3.结果

在房间中加入纯二氧化碳，会影响认知能力测试。这无法用任何生理、心理上或被试报告的舒适、病态建筑综合征等健康指标的测量来解释。

4.贡献

研究结果显示：

a) 短时间的暴露在有纯二氧化碳添加的环境中就可能会影响到认知能力的某些方面；

b) 这些变化是在缺乏明确的生理驱动力的情况下发生的；

c) 缺乏睡眠可能会使人们对高浓度二氧化碳的反应增强。

5.关键词

室内空气质量；脑电技术；睡意；认知能力；二氧化碳

研究背景

通风和增加二氧化碳浓度对人的工作效率和生理指标的影响尚不完全清楚。二氧化碳作为人类呼吸产物的一部分，也被用作房间通风率的指标，但是也可能存在其他室内污染物，如挥发性有机化合物(VOC's)、人体生物排放物（经研究发现，其中的主要成分是丙酮、乙醇、甲醇、乙酸乙酯等物质）等。

先前有文献的研究试图通过认知能力测试、计算机测试、通过考试成绩衡量的学业表现以及不限制通风时纯二氧化碳水平增加对人体的影响。结果表明，通风减少或通风不足与病态建筑综合征(SBS)症状、注意力难以集中、认知能力下降和学习成绩下降之间存在着重大联系。

研究目的

(1) 室内CO2浓度增加后测量人的认知、生理、神经生理(EEG)和情绪的变化。

(2) 验证在室内环境对人体影响的研究中，脑电图可以作为一种客观测量睡意程度的方法。

（这项研究是在正常二氧化碳(830ppm)或高二氧化碳(2700ppm)条件下进行的。测量的参数有认知能力、情绪/情感、病态建筑综合征症状、生理(呼吸、心率、皮肤温度)和神经生理(脑电图)参数以及室内空气质量。）

实验设计

1.被试状况

在2017年10月至12月间招募了31名参与者参加这项研究。参与者多为有办公室工作习惯的在校员工或学生，年龄在18-36岁之间。体重指数(BMI)在18.1(体重过轻)至33.9(肥胖)之间。31名参与者中有一位是偶尔吸烟，其他人都不吸烟。

被试被分为四组，所有被试都经历了正常和高二氧化碳的环境。参与者被告知他们将参与两种实验条件，但他们不知道将进入哪种条件。

考虑到昼夜节律对灵敏性的影响(例如，午餐后的嗜睡)和对生产力的主观信念(例如，成为一个“早起的人”)，我们控制每天上午和下午的参与者人数相同。上午时段为9:00至10:30，下午时段为13:00至14.30。研究设计还平衡了为控制先前co2条件的任何残留影响而给出的co2处理顺序:正常co2优先或高co2优先(见表1)。

表1：被试分组概况

2.研究空间及准备工作

图1：研究场景

（可以看到戴着脑电图帽和呼吸带的被试、二氧化碳记录器的位置、窗户和二氧化碳瓶，被试左手上还装有温度传感器）。

如图1所示：该研究的一个关键是复制现实的办公环境，因此，该研究选择了一个功能齐全、自然通风的办公室，而不是实验室。该办公室尺寸为4.0m×3.4m(建筑面积)×3.1m(高)，里面有地毯和家具。办公室位于英格兰南部一所大学大楼的四层。在房间的北角和西角的两个窗户中，只有西侧的窗户(高1.7米，宽0.4米)可以打开，并且位于参与者身后。在可打开的窗户前可以看到二氧化碳圆柱体，编号的箭头表示三个二氧化碳记录器的位置。当参与者在房间内时，窗户是关闭的，存在渗透通风（通过围护结构缝隙进出的自然通风换气量是难以调节的，这种通风方式称为无组织自然通风或称渗透通风）。

对室内温度进行调整，保持热中性环境（21-23°C），并使环境温度变化幅度最小。在实验开始前，调整被试的衣服，以确保他们在实验过程中保暖舒适。房间里的二氧化碳浓度是在实验开始前15-20分钟准备的(第1组和第3组)，或者是在被试不在时，在正常和高二氧化碳条件之间的15分钟休息时间准备(第2组和第4组)。在正常的co2条件下，实验开始时测量的浓度在700ppm左右。选择的高二氧化碳浓度为2700ppm，远高于办公室(1200ppm)和教室(1500ppm)的二氧化碳浓度标准（这在被使用的门窗关闭的通风不良的建筑中很常见）。

3.实验步骤

1）研究人员调整主实验室的二氧化碳浓度到正常浓度（小于800ppm）或高浓度（2700pm）。

2）在办公室进行问卷填写：

①收集人口统计资料。持续10min左右。

②填写对照调查问卷a。（有关病态建筑综合征(SBS)症状，斯坦福嗜睡量表（SSS），情绪量表（PANAS（Positive And Negative Affect Schedule））。持续5min左右。

③对照认知能力测验。（Stroop测试，转移注意任务，连续操作测试等）。持续20min左右。

3）研究人员和被试进入主实验室。在主实验室进行测试：

①填写对照调研问卷b。（关于热舒适(7分制)，感知的空气质量、通风、空气新鲜度）持续2min左右

②研究人员准备并连接脑电图和生理监测设备（生理测量包括皮肤温度、脉搏率和呼吸率）到被试者并开始记录生理参数。持续5min左右。

③被试闭眼静坐。进行脑电图和生理记录。精确地持续2min。

④被试睁眼静坐。进行脑电图和生理记录。精确地持续8min。

⑤第二次认知能力测验。（Stroop测试，转移注意任务，连续操作测试等）持续20min左右。

⑥填写第二次调查问卷。（关于热舒适(7分制)，感知的空气质量、通风、空气新鲜度，有关病态建筑综合征(SBS)症状，斯坦福嗜睡量表（SSS），情绪量表（PANAS））。持续5min左右。

⑦被试睁眼静坐。进行脑电图和生理记录。精确地持续8min。

⑧移除被试的脑电图和生理传感器。

5）中场休息：被试离开主实验室，到另一个地方。精确地持续15min。同时研究人员调整主实验室的二氧化碳浓度到高浓度（2700pm）或正常浓度（小于800ppm）。

6）研究人员和被试返回主实验室。

①研究人员重新连接受试者的脑电图和生理监测设备，开始记录生理参数。持续约5min左右。

②被试闭眼静坐。进行脑电图和生理记录。精确地持续2min。

③被试睁眼静坐。进行脑电图和生理记录。精确地持续8min。

④最终的认知能力测验。（内容同前）持续约20min。

⑤最终的调查问卷填写。（内容同前）持续约5min。

⑥被试睁眼静坐。进行脑电图和生理记录。精确地持续8min。

⑦中断脑电图和生理监测，被试离开房间。持续约5min

综上，整个实验过程持续约153min。

表2：实验步骤

结果分析

1.室内空气质量参数

在正常情况下，co2浓度平均为830ppm，在高二氧化碳水平下为2700ppm。

表3：温度、湿度、二氧化碳浓度及平均值

在3.3、3.4、3.7、6.2、6.3、6.6实验步骤中，还记录了室内温度、湿度、二氧化碳浓度，并且为了进行数据分析，取了平均值。如表3。

2.认知能力测验结果

不同环境对认知能力造成的影响均采用三因素（对照、正常浓度、高浓度）重复测量方差分析去评估。如表4。

表4认知能力测量的标准化分数

结果表明：

①co2对反应时间、复杂注意、简单注意、持续注意和工作记忆无影响。

②正常的二氧化碳条件下的认知灵活性和执行力两方面，得分明显高于对照组。

3.对病态建筑综合征症状，嗜睡，情绪影响的结果

①对被试自我报告的病态建筑综合征症状进行分析，发现在研究中的暴露时间内，二氧化碳水平对病态建筑综合征症状没有影响。

②对被试自我报告的嗜睡状况分析表明，二氧化碳对其有显著影响。正常浓度和高浓度下的嗜睡情况比对照组都增加了。

③在对情绪量表结果的分析中，发现被试在研究过程都处于积极，但是会逐渐变得明显不那么积极，但未处于消极状态。

4.脑电数据分析

根据文献：把脑电图在1-8赫兹(delta和theta)低频范围显示出更大的功率并且在大脑的多个区域都会有记录，确定为本实验中嗜睡表现的特征。

脑电图数据采用4(频率:α，β，高δ，θ)×4(电极区域:中央，顶叶，颞叶，枕叶)×2(脑电图记录阶段:1,2)×2(条件:高CO2，正常CO2)重复测量方差分析。脑电图分析的目的是确定额外的二氧化碳是否会引起被试脑电图模式的变化，特别是这些变化是否预示着嗜睡的情况。

结果发现在脑电图结果中没有证据表明二氧化碳导致被试嗜睡的增加。

5.生理数据分析

表5：皮肤温度、呼吸频率、心率重复测量方差分析的均值和标准差

可以发现：

①呼吸速率随时间保持稳定，不受co2水平的影响。

②第一次睁眼静坐的体温高于第二次睁眼静坐。无论在哪种浓度下。

③在高二氧化碳条件下的心率明显高于在正常二氧化碳条件下心率，无论在哪个阶段。

6.用环境和生理状态来预测认知能力的回归分析结果

对高二氧化碳和正常二氧化碳条件运行回归模型，以评估认知测试完成前的环境和/或生理状态是否可以预测这些测试的表现。（这只适用于两个显示出二氧化碳显著影响的认知测试:认知灵活性和执行功能。）变量包括:湿度、温度、二氧化碳水平、alpha、beta、高delta和theta、皮肤温度、呼吸频率和第一次脑电图记录期间的心率(在他们参加认知测试之前)。

表6：每个预测变量在高二氧化碳和正常二氧化碳条件下对认知能力的贡献

四个模型中没有一个是显著的。在正常的二氧化碳条件下，呼吸频率和高delta是最强的认知能力预测指标。而在高二氧化碳条件下，theta功率是最强的预测指标。每一项的增加都与较差的表现相关。然而，每一个的预测能力并不足以保证进一步的调查，即都不显著。

7.相关性分析

用相关性来评估多个参数之间的关系。

表7：相关情况

表8：所有显著相关的结果

表8可以看到，在第3部分中高二氧化碳条件下，θ和β频率与被试前一晚睡眠时间之间存在显著的负相关关系。结果表明被试前一晚睡眠越少，在高二氧化碳暴露的情况下脑电图结果越接近睡意。为了进一步检验这些发现，对每个电极区域进行了额外的相关性研究，以确定这些影响是否由某个特定区域驱动。结果显示只有颞区与高δ波有关系，没有其他特定区域涉及具有全脑影响的频率。

表明：

①那些已经受到睡眠不足影响的被试可能更容易受到二氧化碳影响

②脑电图可以作为测量困倦的客观指标。

脑电图的数据结果并没有指出任何特定的神经生理驱动因素影响在真实的二氧化碳浓度下的认知能力，相关性分析为脑电图作为睡眠的客观衡量提供了支持。脑电图不受二氧化碳的影响，但客观测量的困倦结果与参与者报告的前一夜睡眠时间密切相关。

结论

本文试图测量和解释额外的纯二氧化碳对认知能力、生理、神经生理、情绪/情感和主观因素方面的影响。研究表明

1）当室内二氧化碳被人为提高时，人的执行力和认知灵活性会受到影响。

2）这种影响不是由于SBS症状或可感知的空气质量引起，而可能是在短期暴露于较高的二氧化碳环境后发生，而且无法用生理、神经生理或主观因素来解释。

3）缺乏睡眠的人可能更容易受到封闭空间中二氧化碳的影响。这些发现为二氧化碳本身可能是一种有害污染物的说法提供了支持。还需要进行更多的研究，以更好地分离二氧化碳和其他室内污染物对认知能力的影响。

4）更好的室内空气质量可以改善通风不足对人体性能的负面影响。

此外，本文还为使用脑电图作为睡眠的客观指标做出了贡献，这可用于其他有关室内环境对人体表现影响的研究。

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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