心跳要亂,反應要穩 上面一條心電圖,相鄰心跳的間隔依次是 940、1010、1080、1030、960 毫秒,並不整齊;下面是一串 PVT 反應時,大多貼著同一條線,只有一次走神高高跳過虛線;右邊是一個代表藍斑的增益旋鈕,能轉動的一段被高亮出來。 940 1010

兩個人的心率都是每分鐘 60 次。把每兩次心跳之間隔了多少毫秒逐個記下來,第一個人是這樣的:

1000, 1000, 1000, 1000, 1000 ms ...

第二個人是這樣的:

940, 1010, 1080, 1030, 960 ms ...

如果問誰的心臟狀態更好,直覺會選第一個:規律、穩定。答案正好相反。健康的心跳本來就不規律;像節拍器一樣精準的心跳,往往出現在高度緊張、極度疲勞或者生病的時候。這串間隔有多不規律,就是運動手錶上常見的 HRV(Heart Rate Variability,心率變異性)。

我在上一篇裡專門講過 HRV。寫完以後,留下來的不是哪個公式,而是一個看問題的角度:一個生理指標好不好,不能只看它的數值,還要看身體能把它調動多大的範圍。心率 60 本身說明不了什麼;能隨著需要在 50 到 90 之間靈活地調,才說明調控它的系統是好的。

那篇文章裡還有一件事沒有解釋。有一個下午,我的 HRV 掉得很低,而我自己的感覺是:

並沒覺得壓力大,就是人有點木木的,思維不太活躍。

“木木的”說的是注意力。我們平時評價注意力,用的也是一個數值:專不專注,反應快不快。可如果換成 HRV 的角度,注意力背後會不會也有一個調控系統,真正該量的是它能調動的範圍?

本文就從 HRV 的這個啟示出發:先看清楚心跳的“不規律”到底在量什麼,再到注意力裡去找對應的東西,看看能不能照著量。

一、心跳為什麼要不規律

現象:心率一直在變

“心率 60”是一分鐘的平均數。逐拍去看,每一拍之間的間隔(醫學上叫 RR 間期)都不一樣:吸氣時心跳加快、間隔變短,呼氣時變慢、間隔變長;站起來、走兩步、想起一件著急的事,心率也會跟著變。

原因:心率變,是為了讓血壓不變

心臟裡有一個天然的起搏點,叫竇房結,自己的節奏大約是每分鐘 100 次。靜息心率之所以只有 60 多,是因為迷走神經一直在踩剎車;它可以在一秒之內鬆開或踩下,所以能做到一拍一拍地調速,這在上一篇裡講過。

可它為什麼要一直調?因為心臟的任務不是按某個固定速度跳,而是讓全身的血壓穩定。身體時時刻刻都在打擾血壓:站起來時血液往腿上墜,呼吸時胸腔裡的壓力一起一伏。頸動脈和主動脈上有感受血壓的壓力感受器,血壓一低,迷走神經就鬆開剎車,心跳加快;血壓一高,就踩下剎車,心跳放慢。這個迴路叫壓力反射。站起來那一下,最能看出它的作用:

心率變,是為了讓血壓不變 兩組示意曲線,都從坐著到站起來。左邊調控寬:坐著時心率隨呼吸起伏,站起來後幾秒內從每分鐘 62 次升到將近 80 次,血壓只輕微下沉就回到原位。右邊調控窄:心率像節拍器一樣平,站起來後只升了 3 次,血壓卻明顯跌下去,很久回不來。 調控寬 心率 血壓 站起來 心率隨呼吸起伏,站起來立刻加速, 血壓幾乎沒動。 調控窄 心率 血壓 站起來 心率像節拍器,站起來也調不動, 血壓跌下去,半天回不來。
圖 1 · 壓力反射的示意。站起來時血液往下墜,血壓要掉;調控寬的人心率立刻加速把血壓托住,調控窄的人心率幾乎不動,血壓就掉了下去。心率該動,血壓該穩。曲線為示意。

這裡其實有兩層。一層是被穩住的結果:血壓;另一層是用來穩住它的動作:心率。好的調控系統,結果穩,動作靈活,而且能動的範圍寬。HRV 量的是動作那一層:迷走神經能多快、多大幅度地調動心率。緊張、疲勞、生病時,迷走神經撤退,心率就變得像節拍器。這不是因為身體更穩了,而是調控者沒有餘量了。

所以 HRV 的啟示可以歸結成一句話:看一個被調控的系統,先分清哪個量應該穩、哪個量應該動,再去量那個應該動的量能動多寬。

帶著這句話去看注意力,第一個問題就是:注意力背後,有沒有這樣一個調控者?

二、注意力背後有沒有一個調控者

現象:盯得越久,漏得越多

最早認真研究注意力能維持多久的,是二戰時期的英國皇家空軍。雷達操作員要在螢幕上盯幾個小時,等待偶爾出現的敵機訊號,可值班到後半段,漏看的訊號明顯變多。

1948 年,心理學家 Mackworth 把這個場景搬進了實驗室,設計了後來很有名的“鐘錶測試”:一根指標每秒跳一格,偶爾會一下跳兩格,受試者要在它跳兩格的時候按鍵。結果和雷達站一樣,開始後不久,漏報就越來越多1。後來大量研究都重複了這個現象,衰減通常在 15 分鐘以內就會出現。這被稱為警覺衰減(vigilance decrement)。

第一次嘗試:注意力是一塊電池

最直觀的解釋是:注意力是一種有限的資源,持續的任務消耗得比恢復得快,就像電池慢慢沒電。如果真是這樣,注意力就只有一個數值,“還剩多少電”,談不上調控。

這個“電池說”在心理學裡流行了很多年,最有名的版本叫“自我損耗”(ego depletion):先做一件費意志力的事,接下來的自控就會變差。可是 2016 年,23 個實驗室按同一套預先登記的方案一起重複這個實驗,一共 2141 人,測出來的效應量只有 d = 0.04,置信區間包含 0,也就是說幾乎沒有效應2。

電池說的另一個麻煩是,它解釋不了為什麼任務越單調,衰減反而越快。真要是耗電,越輕鬆的任務應該越省電才對。

原因:注意力不是被用光了,而是被調低了

現在比較有解釋力的看法,是把“耗電”換成“調控”。

Thomson 等人在 2015 年提出的資源-控制理論認為:注意力的總量並沒有減少,但大腦預設會往自己的念頭上漂,把注意力按在任務上需要執行控制,而執行控制會隨著時間變弱。於是走神越來越多,表現越來越差3。

Kurzban 等人走得更遠。他們認為,“累”的感覺並不是電量見底的讀數,而是大腦在算一筆賬:把有限的執行功能留在這件事上,放棄了別的什麼。當這件事的回報越來越低,費力感就越來越強,它是一個“該換件事了”的訊號,人於是減少投入,表現也就下降了4。

這兩種解釋的共同點是:注意力不是被耗盡了,而是被一個調控系統調低了。這就和心跳對上了:注意力背後也有一個調控者,它會根據情況把投入調高、調低。

調控者:腦幹裡的一個增益旋鈕

這個調控者在哪?目前證據最多的候選,是腦幹裡一個很小的核團:藍斑(locus coeruleus)。它是大腦去甲腎上腺素的主要來源,投射到幾乎整個大腦皮層,放電強的時候,皮層對輸入的反應就被放大,像是擰大了一個增益旋鈕。

它還有一個方便的特點:藍斑放電的強弱,和瞳孔大小的變化高度同步。早在 1973 年,Kahneman 就在《注意與努力》一書裡用瞳孔擴張來衡量“心理努力”:心算越難,瞳孔擴得越大5。後來的研究把這個現象和藍斑聯絡了起來。Aston-Jones 和 Cohen 的適應性增益理論認為,藍斑有幾種工作狀態6:

藍斑的三種工作狀態 三欄分別是睏倦、專注和分心找別的。睏倦時藍斑基線放電低、任務刺激後幾乎沒有相位反應、瞳孔小;專注時基線中等,刺激後有一個明顯的短促放電,瞳孔隨之擴張;分心時基線高、相位反應小、瞳孔大。表現呈倒 U 形。 睏倦 刺激 瞳孔直徑 · 8 秒 藍斑 基線放電低 刺激後的相位幾乎沒有 瞳孔基線小 表現遲鈍、漏看 專注 刺激 瞳孔直徑 · 8 秒 藍斑 基線放電中等 刺激後的相位明顯 瞳孔基線中等 表現按任務快速反應 分心 · 找別的 刺激 瞳孔直徑 · 8 秒 藍斑 基線放電高 刺激後的相位很小 瞳孔基線大 表現容易被別的吸引 從左到右,基線越來越高;表現先升後降,像一個倒 U。
圖 2 · 適應性增益理論裡藍斑的三種狀態。專注的標誌不是基線高,而是任務刺激一來就有一次短促的放電,瞳孔跟著擴張。曲線為示意。
  • 專注:基線放電中等,任務相關的刺激一來,就有一次短促的放電(叫相位反應),瞳孔跟著擴張一下。這時人對任務反應又快又準。
  • 分心、找別的:基線放電偏高,對當前任務的相位反應反而變小。這時人更容易被別的東西吸引。作者認為,當前任務的回報變低時,大腦就會切到這個狀態,去探索別的選擇,這正好對上 Kurzban 說的那筆賬。
  • 睏倦:基線低,相位反應也小,人遲鈍、容易漏看。

把它和心跳放在一起看,結構是一樣的。藍斑相當於迷走神經,它調動的增益相當於心率,是應該動的那一層:任務來了擰大,回報低了鬆開去找別的,困了整個塌下去。被它穩住的結果相當於血壓,是任務表現:該反應的時候,又快又準,一次一次都差不多。

問題是,增益在腦子裡,看不見;能直接拿到的只有表現那一層。如果把 HRV 的演算法用在表現上,會得到什麼?

三、照搬 HRV 的演算法去量

先要有一串數

HRV 能算,是因為心臟自己會產生一個接一個的離散事件,我們只需要記下間隔。注意力不會“跳”,也不會在某個時刻發出一個訊號說“我現在走神了”。

最直接的辦法是問本人。Killingsworth 和 Gilbert 做過一個很有名的研究:讓 2250 名成年人裝一個 App,在一天裡隨機時刻彈出問題,“你現在在想正在做的事嗎?”結果是 46.9% 的時刻,人在想別的事7。可這沒法當 HRV 用:一天最多問幾十次,每次只有“在 / 不在”兩種回答,而且依賴本人察覺。我那個下午如果被問“你在走神嗎”,大概會回答“沒有啊,我在幹活”,只是乾得很慢。

研究睡眠和疲勞的人用的是另一個辦法:精神運動警覺測試(Psychomotor Vigilance Test,下文簡稱 PVT)。規則簡單到近乎無聊:螢幕上隔幾秒隨機出現一個跳動的毫秒計數器,看到就按鍵,按下去計數器停住,顯示這次用了多少毫秒。標準版測 10 分鐘,刺激之間隨機間隔 2 到 10 秒8。

每次從數字出現到按下的時間叫反應時(Reaction Time)。10 分鐘下來,就得到一串形狀和 RR 間期一模一樣的資料:

268 ms, 241 ms, 256 ms, 302 ms, 249 ms, 277 ms, 255 ms, 612 ms, 263 ms ...

可這串數和注意力是什麼關係?按一下鍵,測的明明是反應。

一次反應時裡,哪一段是注意力

把一次反應拆開看。數字出現以後,要先被眼睛看到,再決定按,再讓手指動起來。注意力在螢幕上時,這一串幾乎是立刻開始的,整個過程兩百多毫秒,長短主要由神經傳導和肌肉決定,同一個人今天和明天差不了多少。

注意力不在螢幕上時,數字照樣出現了,可這一串要等注意力回到螢幕上才開始。等的這一段,會整段加到反應時上:

一次反應時裡,哪一段是注意力 兩次 PVT 反應的時間軸。上面一次注意力在螢幕上:數字出現後立刻開始看到、決定、按下,約 260 毫秒按下。下面一次注意力在別處:數字出現後先等了約 350 毫秒,注意力回到螢幕上,再用同樣約 260 毫秒完成反應,總共 612 毫秒,超過 355 毫秒的走神線。 一次反應 = 反應本身 + 等注意力回來 注意力在螢幕上 看到、決定、按下 262 ms 注意力在別處 等注意力回來 ≈ 350 看到、決定、按下 612 ms 0 100 200 300 400 500 600 700 數字出現 355 ms 走神線 “看到、決定、按下”這一段兩次差不多長,它是速度;多出來的那一段才是注意力。
圖 3 · 一次反應時可以粗略拆成兩段:反應本身的耗時,加上等注意力回到螢幕上的時間。注意力在,第二段接近 0;注意力不在,它就整段加到反應時上。數值為示意。

所以一個反應時可以粗略地拆成兩段:反應本身的耗時,加上等注意力回來的時間。前一段是速度,後一段才是注意力。注意力在的時候,後一段接近 0,反應時整整齊齊地落在兩百多毫秒;注意力一離開,後一段突然冒出來,就成了上面第 8 次那樣的 612 毫秒。

換句話說,PVT 並不是在比誰的手快,而是每隔幾秒“抽查”一次:數字出現的這一刻,注意力在不在螢幕上。它用反應時來測注意力,靠的是第二段,所以它最看重的指標不是平均反應時,而是有多少次明顯“等了一下”。

這樣一次明顯的等待,就叫一次走神(lapse)。標準 PVT 把 500 毫秒以上的反應記為一次走神;後來 Basner 等人把測試壓縮到 3 分鐘、刺激間隔縮短到 1 到 4 秒,為了補償靈敏度,把閾值降到了 355 毫秒8。走神次數是 PVT 對睡眠不足最敏感的指標,航天、航空、交通領域評估疲勞都用它。

現象:一次走神,就讓兩個數翻了幾倍

HRV 最常用的兩個公式是這樣的。設一串間隔為 x1,x2,…,xNx_1, x_2, \dots, x_N:

  • SDNN 就是這串數的標準差,衡量整體有多分散;
  • RMSSD 是相鄰兩個數之差的均方根,衡量“一下一下”的變化有多大。

在心跳上,這兩個數越高,說明迷走神經調得越靈活。我們把同樣的公式分別用在 16 個心跳間期和 16 次反應時上:

同一個公式,兩串數 上面是 16 個心跳間期,隨呼吸在 941 到 1047 毫秒之間平滑起伏,SDNN 35.2、RMSSD 33.1 毫秒。下面是 16 次 PVT 反應時,大多在 241 到 302 毫秒,第 8 次是 612 毫秒的一次走神;算上它標準差是 88.3、相鄰差均方根是 132.3,去掉它只有 17.8 和 31.0。 心跳間期 · 16 拍 反應時 · 16 次 PVT 刺激 950 1000 1050 呼吸一進一出,間期跟著平滑地起伏。 300 500 355 612 ms 虛線 355 毫秒以上記一次走神(3 分鐘版 PVT 的標準)。 公式照搬 SDNN35.2 ms RMSSD33.1 ms 單位都是毫秒,兩個數都來自迷走神經的調速。 公式照搬 標準差88.3 ms 相鄰差均方根132.3 ms 去掉 612 後17.8 / 31.0
圖 4 · 同一個公式算兩串數。心跳間期的波動來自迷走神經一拍一拍地調速;反應時的波動幾乎全由一次走神貢獻,去掉它,兩個數都縮成原來的幾分之一。數值為示意。

心跳那一串,波動是平滑的:吸氣時間隔變短,呼氣時變長,SDNN 和 RMSSD 都是 30 多毫秒。反應時那一串,前後 15 次都整整齊齊,標準差只有 17.8 毫秒;只因為第 8 次那個 612 毫秒,標準差變成了 88.3,相鄰差均方根變成了 132.3。

如果按 HRV 的邏輯解讀,第二串數“波動更大,調控更靈活”。這顯然不對:那次波動恰恰是注意力掉線了。

原因:反應時是“血壓”,不是“心率”

回到第一節那句話:先分清哪個量應該穩、哪個量應該動。

PVT 的要求是“每次都一樣快”。一個專注的人,反應時會穩定地落在一個很窄的區間裡。所以反應時不是調控動作,而是被穩住的結果,它在注意力裡的位置相當於血壓,不相當於心率。血壓大起大落說明調控沒守住,反應時大起大落也一樣:波動主要來自沒能維持住專注,一次走神、一次眼皮發沉、一次腦子裡閃過別的事。

於是,反應時裡的大波動對應的不是 HRV 裡“好的波動”,而是 HRV 計算前要剔除的那部分:早搏和偽跡。在 HRV 裡它們是噪聲,要先刪掉才能算;在 PVT 裡,它們恰恰是要數的訊號。

研究裡的證據也指向同一個方向:

  • 睡眠剝奪:Doran、Van Dongen 和 Dinges 讓受試者 88 小時不睡,每 2 小時做一次 10 分鐘 PVT。反應時的波動隨著不睡的時間越來越大。他們的解釋是“狀態不穩定”:缺覺的大腦會在幾秒鐘的尺度上,在清醒和入睡之間來回切換9。
  • ADHD:一項彙總了 319 項研究的元分析發現,ADHD 兒童和青少年的反應時波動明顯大於正常發育的同齡人(效應量 g = 0.76),成人也是如此(g = 0.46);而一旦把波動考慮進去,他們的平均反應速度並不更慢10。

把兩邊的對應關係放在一張表裡:

心跳和注意力的兩層
心跳注意力
調控者迷走神經藍斑(去甲腎上腺素)
應該動的一層
是什麼心率增益,瞳孔能看到一部分
動得寬意味著調控有餘量能按需專注、切換
應該穩的一層
是什麼血壓任務表現,比如反應時
波動大意味著調控沒守住注意力沒守住
偶發的極端值早搏、偽跡,先剔除走神,是要數的訊號

HRV 量的是心跳“應該動”的那一層;反應時落在注意力“應該穩”的那一層,所以同一個公式,方向正好相反。

圖 5 · 把 HRV 的思路搬到注意力上。反應時對應的是血壓,不是心率。

反應快,不等於注意力在

前面把一次反應拆成了兩段:反應本身的耗時是速度,等注意力回來的時間才是注意力。所以注意力和反應速度不是一回事。反應速度回答的是:注意力線上的時候,從看到到按下要多快,它取決於神經傳導和動作準備,也取決於人有多清醒。注意力回答的是另一個問題:注意力有沒有在這件事上,能在上面待多久。

這也解釋了一個日常經驗:無聊的時候,注意力明明已經飄走了,手上的反應卻好像還挺快。快的是第一段,飄走的是第二段要管的事。

單看一次反應,分不出這兩段各佔多少;把一次測試的幾百個反應時畫成分佈,它們就分開了:

一次 PVT 的反應時分佈 300 次反應的反應時直方圖。大多數反應擠在 220 到 320 毫秒之間,形成一個窄峰,中位數約 274 毫秒,峰的位置反映速度和清醒度;右邊拖著一條稀疏的長尾,18 次反應超過 355 毫秒,長尾反映注意力偶爾掉線。 反應時分佈 · 300 次 200 300 400 500 600 700 毫秒 355 ms 峰:注意力線上時有多快 長尾:注意力偶爾掉線 看速度 中位反應時274 ms 最快 10%221 ms 看注意力 走神次數18 次 最慢 10%426 ms 標準差64 ms 同一次測試,兩組數回答的是兩個問題。
圖 6 · 一次 PVT 的反應時分佈。窄峰的位置是速度,右邊的長尾才是注意力掉線。速度快、長尾長,和速度慢、沒有長尾,是兩種不同的狀態。資料為模擬。

大多數反應擠成一個窄峰,峰的位置就是速度,中位反應時和最快那 10% 的反應看的主要是它。峰的右邊拖著一條稀疏的長尾,那是注意力偶爾掉線時留下的,走神次數、最慢那 10% 和標準差看的都是它。上面那篇 ADHD 元分析也是這樣分開的:把波動算進去以後,ADHD 患者的平均速度並不慢,差別出在長尾上10。

那麼無聊時的走神,為什麼反而不慢?Robertson 等人在 1997 年設計過一個任務:螢幕上依次閃過 1 到 9 的數字,看到就按,只有出現 3 的時候要忍住不按,平均九次裡有一次11。他們發現,按錯之前的那幾次反應往往會明顯變快。他們的解釋是,人從有意識地控制每一次反應,滑進了自動駕駛:手還跟著節奏在按,心已經不在了,所以碰到該忍住的那一次,也就按了下去。

這種走神,PVT 不太測得出來。PVT 的刺激是一個突然跳出來的計數器,而突然出現的東西本身就會把注意力拽回來。就算人正在想別的,數字一跳出來,還是能很快按下去。PVT 對睏倦造成的掉線很敏感,因為困到一定程度,連這一下都拽不回來;對無聊造成的走神,它就沒那麼敏感了。

穩和亂,來回切換

如果注意力是被調控的,那表現這一層應該時穩時亂,而不是一路往下掉。Esterman 等人在 2013 年用一個設計得很巧的任務驗證了這一點:螢幕上的圖片緩慢地漸變成下一張,不會突然出現,沒有東西“提醒”你注意,正好避開了上面說的 PVT 的盲區;大多數圖片要按鍵,偶爾出現的一種不要按。他們把每次反應偏離平均值的程度畫成一條隨時間變化的曲線,再以中位數為界切成兩半:

注意力在兩種狀態之間來回切換 上面是 120 次連續反應的反應時,有幾段很整齊,有幾段忽快忽慢、還有漏按。下面把每次反應偏離平均值的程度平滑成一條波動曲線,以中位數為界,低於中位數的時段叫 in the zone,高於中位數的時段叫 out of the zone,兩種狀態每隔十幾到二十幾次反應就切換一次。 逐次反應時 · 120 次 波動曲線 · 偏離平均值的程度,平滑後 虛線框:下圖判為 out of the zone 的時段 400 600 800 中位數 in the zone:穩、少錯 out of the zone:亂、易錯
圖 7 · 持續注意不是一條慢慢下滑的線。按反應時的波動程度切分,注意力在“穩”和“亂”兩種狀態之間反覆切換。做法參照 Esterman 等 2013,資料為模擬。

低於中位數的時段,反應穩定、很少出錯,作者稱之為 in the zone;高於中位數的時段,反應忽快忽慢、錯誤集中出現,稱為 out of the zone。兩種狀態在整個任務中反覆切換12。第二節說的警覺衰減,換個看法,很大程度上就是 out of the zone 的時段越來越多、越來越長。

到這裡可以說清楚了:照搬 HRV 的演算法,用在反應時上方向是反的,因為反應時是該穩的那一層。真正對應 HRV 的,是調控動作本身能動多寬:任務刺激一來,增益能擰多大;回報變低時,能不能鬆開去換件事。這一層今天還量不到,反應時能告訴我們的,是調控有沒有守住結果。

心跳的調控會被緊張、疲勞壓窄,注意力的調控呢?

四、調控會不會被壓窄,又怎麼恢復

第一次嘗試:短暫休息

如果警覺衰減是調控被調低了,最便宜的辦法是歇一下,讓它重新調回來。Ariga 和 Lleras 在 2011 年做過一個實驗:受試者做一個較長的視覺警覺任務,同時記住幾個數字。只在最後回憶數字的一組,表現照常隨時間下滑;中途被要求偶爾回憶一下數字的那一組,衰減沒有出現。他們的解釋是,長時間面對同一個目標,大腦會對這個目標“習慣”,短暫切開再回來,目標就被重新啟用了13。

不過,Helton 和 Russell 第二年的重複實驗沒能得到同樣的結果14。到自然環境裡走走呢?有一篇系統綜述彙總了相關研究,發現自然環境對工作記憶和認知靈活性有小到中等的改善,對注意控制的改善就不那麼可靠了15。

所以,短休息和換個環境大概有用,但效果有多大、為什麼有用,還沒有定論。

解決:睡眠,以及一個讓人不安的發現

關於恢復,證據最硬的是睡眠。Van Dongen 等人在 2003 年做了一個很嚴格的實驗:48 個健康成年人住進實驗室,分別連續 14 天每晚只給 8 小時、6 小時或 4 小時睡覺,另有一組連續 3 晚不睡,每天定時做 PVT,同時給自己的睏意打分16。

睡得少的兩週裡,表現和感覺 左邊是 PVT 走神次數:每晚睡 8 小時的組基本不變;6 小時組 14 天裡一路上升,到第 14 天達到通宵 1 晚的水平;4 小時組升得更快,達到通宵 2 晚的水平。右邊是主觀睏意:6 小時和 4 小時組第一天跳高一下,之後幾乎持平,兩組分不出差別,也從未達到通宵 2 晚時的睏意。 客觀 · PVT 走神次數 主觀 · 自評睏意 第 0 天 第 7 天 第 14 天 通宵 1 晚 通宵 2 晚 8 h 6 h 4 h 第 0 天 第 7 天 第 14 天 通宵 2 晚 8 h 6 h 4 h 第一天之後,睏意幾乎不再上升。
圖 8 · Van Dongen 等 2003 的睡眠限制實驗。每晚只睡 6 小時,兩週後走神次數到了通宵一晚的水平,本人的睏意卻在第一天之後幾乎不再上升。曲線按原文圖 1 的趨勢示意重畫,不是原始資料。

結果有兩條:

  • 客觀表現一路下滑。每晚 6 小時的組,到第 14 天,走神次數達到了通宵一晚的水平;每晚 4 小時的組,達到了通宵兩晚的水平。
  • 主觀感覺幾乎沒跟上。睡眠減少的第一天,睏意明顯上升,之後就基本持平了;6 小時和 4 小時兩組的睏意甚至分不出差別。作者在結論裡寫道,受試者基本沒有意識到自己越來越嚴重的認知缺陷。

這和 HRV 又很像。迷走神經撤退的時候,人未必覺得緊張;注意力的調控被缺覺壓窄的時候,人也未必覺得困。變窄是會累積的,而本人感覺不到。

這也是為什麼需要一個數字:感覺靠不住。可 PVT 每次都得停下來專門測幾分鐘,而 HRV 是手錶戴著就有的。注意力能不能也做到“戴著就測”?

五、能不能像 HRV 一樣戴著測

瞳孔:調控者的視窗

要找一個像心跳一樣、身體自己會持續產生、又能反映調控者的訊號,最有希望的是瞳孔。第二節說過,藍斑的放電和瞳孔大小高度同步;而且瞳孔本身也由自主神經控制,交感神經讓它擴大,副交感神經讓它縮小,和調節心跳的是同一套系統。

按本文的思路,最接近“注意力的 HRV”的,應該是任務刺激一來時瞳孔那一下擴張有多大,也就是增益能擰多大。這是我的推斷,目前還沒有人把它做成一個像 HRV 那樣日常可用的指標。

已經比較成熟的,是睏倦研究裡的一個測法。德國圖賓根的一個研究組設計了“瞳孔睏倦測試”:在暗室裡注視 11 分鐘,用紅外攝像頭記錄瞳孔直徑。人清醒時,瞳孔在暗處穩定地張大;一旦困了,就會出現幾十秒一次的緩慢大幅振盪,像是在清醒和入睡之間來回搖擺。他們用瞳孔不安指數(Pupillary Unrest Index,PUI)把這種不穩定量化成一個數:

清醒和睏倦時的瞳孔 暗室裡注視 11 分鐘、用紅外攝像頭記錄瞳孔直徑。清醒時瞳孔直徑在 7 毫米附近只有很小的抖動;睏倦時出現幾十秒一次的緩慢大幅振盪,直徑在 5 到 7 毫米之間起落。瞳孔不安指數 PUI 把這種不穩定量化成一個數,清醒時低,睏倦時高。 清醒 睏倦 5 mm 6 mm 7 mm 02 分鐘 5 mm 6 mm 7 mm 02 分鐘 直徑穩定,只有細小的抖動。PUI 低。 幾十秒一次的緩慢起落。PUI 高。
圖 9 · 瞳孔睏倦測試:同一個人清醒和睏倦時,暗室裡兩分鐘的瞳孔直徑。睏倦時出現緩慢的大幅振盪,PUI 把它量化成一個數。曲線為示意。

一項 40 小時不睡的實驗顯示,PUI 隨清醒時間顯著上升,而且測 5.5 分鐘和測滿 11 分鐘結果相近17。

PUI 又是一個“波動越大越糟”的指標。它和 HRV 測的是同一套自主神經系統,方向卻正好相反,原因和反應時一樣:在暗室裡靜靜注視時,瞳孔落在“應該穩”的那一層,波動來自沒能維持住清醒。

那為什麼手錶還不測瞳孔?因為瞳孔對光線太敏感了。在日常環境裡,走到窗邊、抬頭看一眼螢幕,瞳孔的變化都比注意力帶來的變化大得多。在光線可控的場景裡,比如頭戴顯示器,這條路也許走得通,但目前還沒有成熟的消費產品。

腦電和 HRV 本身

另外兩個常被提到的候選,目前都還不夠。

腦電。市面上已經有能測腦電、給出“專注分”的耳機和頭帶,但目前能找到的驗證大多來自廠商自己。IEEE Spectrum 試用其中一款時提到,它需要大約一週來適應新使用者,要幾周到幾個月的資料讀數才會穩定18。

HRV 本身。靜息 HRV 和注意力確實有關:一篇彙總了 13 項研究的元分析發現,迷走神經介導的 HRV 和執行功能正相關,相關係數 r = 0.1919。可 r = 0.19 意味著 HRV 只能解釋執行功能差異的 4% 左右。兩個調控系統有關聯,但心跳的調控寬度不能直接當成注意力的調控寬度。

行為日誌:測的是注意力去了哪,而不是調控得怎麼樣

還有一類被動資料是行為日誌。加州大學爾灣分校的 Gloria Mark 記錄了上班族在電腦上的操作,發現人們在一個螢幕上停留的平均時長,從 2004 年的約 2.5 分鐘,降到 2012 年的 75 秒,最近五六年又降到 47 秒20。

這個數字常被說成“現代人的注意力只有 47 秒”,但它測的其實是注意力被分配到哪裡、多久換一次,而不是調控系統本身的狀態。切換得頻繁,可能是走神,也可能只是工作需要來回查資料。

所以,到今天為止,注意力還沒有一個能像 HRV 那樣戴著就測、又經過充分驗證的數字。最可靠的仍然是那個“問出來”的辦法:PVT。它量不到調控的寬度,但能看出調控有沒有守住結果。那它能告訴我那個下午什麼?

六、回到那個下午

把前面幾節放在一起,可以試著回答“木木的”是什麼了。下面這段是推斷,不是測量結果。

“木木的”最像的,不是注意力的某個數值低了,而是調控者整體塌了下去:藍斑的睏倦端,基線低,任務來了也擰不動增益。那個下午的幾個因素,餐後、午後的警覺低谷、可能的睡眠不足,都會把人往這一端推,同時也會讓迷走神經撤退、壓低 HRV。所以上一篇的結論在這裡依然成立:HRV 低和人木木的,更可能是同一個原因的兩個結果,而不是誰導致了誰。

PVT 能做的,是把“木木的”拆成兩種可能:

  • 如果 3 分鐘裡中位反應時明顯比早上慢、走神次數變多,那是警覺本身下降了,調控連結果都守不住,更像缺覺和晝夜節律的問題,睡一覺或者小睡一下比喝咖啡硬撐更有用。
  • 如果認真測的那 3 分鐘裡反應和早上差不多,那警覺其實還在。這不說明注意力沒問題,第三節說過,PVT 測不太出無聊式的走神;“木木的”更可能是第二節說的那筆賬:手上的事回報太低,大腦在提示該換件事了。

不過,這個判斷需要先有自己的基線。就像 HRV 的數字只能和自己比一樣,反應時的絕對值會受裝置、按法影響,有意義的是同一個人、同一臺裝置、不同時間的差別。

下面是一個按 3 分鐘版 PVT 引數寫的小測試:刺激間隔 1 到 4 秒,355 毫秒以上記一次走神,100 毫秒以內算搶跑。測完會顯示中位反應時、走神次數、標準差,以及按 RMSSD 公式算出來的相鄰差均方根,還會把每一次的反應畫成一條序列,可以對照圖 4 看。記住反應時是“應該穩”的那一層:這裡的標準差和相鄰差均方根越小越好,和 HRV 正好相反。結果只存在你自己的瀏覽器裡,最近幾次會列在下面方便比較。

看到數字就按空格,手機上點螢幕。也可以單獨開啟,原始碼在 main.js。

需要說明的是,瀏覽器、螢幕重新整理和鍵盤本身都會帶來延遲,這裡測出的反應時會比實驗室裝置慢一些,也不能和別人比。

寫在最後

從“心跳越不規律越健康”這個反直覺的事實出發,我們一路追到了:

  1. HRV 給了什麼啟示? 心率的不規律是調控在工作:心率靈活地變,血壓才穩。看一個被調控的系統,要分清哪個量該穩、哪個量該動,再去量該動的那個能動多寬。
  2. 注意力背後有調控者嗎? 有。警覺衰減不像電池被用光,更像被一個調控系統調低了;目前最好的候選是藍斑,它像一個增益旋鈕,能在專注、探索和睏倦之間切換。
  3. 照搬 HRV 的演算法會怎樣? 方向正好相反。反應時在注意力裡相當於血壓,是該穩的那一層;它的波動說明調控沒守住,一次走神在 HRV 裡相當於要剔除的早搏,在這裡卻是最該數的訊號。
  4. 注意力和反應速度是一回事嗎? 不是。反應時分佈的窄峰是速度,長尾才是注意力掉線;無聊時的走神甚至會讓反應變快,而 PVT 突然跳出的數字也容易把它掩蓋掉。
  5. 調控會被壓窄嗎? 會。盯得越久,狀態越容易亂;缺覺造成的下滑會悄悄累積,本人幾乎察覺不到。短休息、換環境大概有用,證據最硬的是睡眠。
  6. 能不能像 HRV 一樣戴著就測? 目前還不能。瞳孔最有希望,它既是藍斑的視窗,又和心跳受同一套神經調控,可惜對光線太敏感;腦電產品缺少獨立驗證;HRV 和注意力只是弱相關。
  7. 所以注意力的“HRV”是什麼? 是調控者能動多寬:該專注時增益擰得上去,該換時松得開。今天還量不到它本身,能做的是用 PVT 看它守不守得住結果:每天同一時間測 3 分鐘,和自己的過去比。

參考資料

  1. The breakdown of vigilance during prolonged visual searchMackworth NH · Quarterly Journal of Experimental Psychology 1(1) · 1948 ↩

  2. A multilab preregistered replication of the ego-depletion effectHagger MS, Chatzisarantis NLD, et al. · Perspectives on Psychological Science 11(4) · 201623 個實驗室、2141 人,d = 0.04,95% 置信區間 [−0.07, 0.15] ↩

  3. A resource-control account of sustained attentionThomson DR, Besner D, Smilek D · Perspectives on Psychological Science 10(1) · 2015收藏psychologicalscience.orghttps://www.psychologicalscience.org/journals/perspectives/1745691614556681/ ↩

  4. An opportunity cost model of subjective effort and task performanceKurzban R, Duckworth A, Kable JW, Myers J · Behavioral and Brain Sciences 36(6) · 2013收藏pmc.ncbi.nlm.nih.govhttps://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3856320/ ↩

  5. Attention and EffortDaniel Kahneman · Prentice-Hall · 1973 ↩

  6. An integrative theory of locus coeruleus-norepinephrine function: adaptive gain and optimal performanceAston-Jones G, Cohen JD · Annual Review of Neuroscience 28 · 2005 ↩

  7. A wandering mind is an unhappy mindKillingsworth MA, Gilbert DT · Science 330(6006) · 20102250 名成年人,手機隨機提問,46.9% 的時刻在想別的事 ↩

  8. Validity and sensitivity of a brief psychomotor vigilance test (PVT-B) to total and partial sleep deprivationBasner M, Mollicone D, Dinges DF · Acta Astronautica 69 · 2011收藏pmc.ncbi.nlm.nih.gov3 分鐘版 PVT:刺激間隔 1–4 秒(含 1 秒反饋),走神閾值從 500 毫秒降到 355 毫秒https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3197786/ ↩ ↩2

  9. Sustained attention performance during sleep deprivation: evidence of state instabilityDoran SM, Van Dongen HPA, Dinges DF · Archives Italiennes de Biologie 139(3) · 200188 小時不睡,每 2 小時做 10 分鐘 PVT ↩

  10. Reaction time variability in ADHD: a meta-analytic review of 319 studiesKofler MJ, Rapport MD, Sarver DE, et al. · Clinical Psychology Review 33(6) · 2013pubmed.ncbi.nlm.nih.gov ↗https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23872284/ ↩ ↩2

  11. 'Oops!': performance correlates of everyday attentional failures in traumatic brain injured and normal subjectsRobertson IH, Manly T, Andrade J, Baddeley BT, Yiend J · Neuropsychologia 35(6) · 1997SART:數字 1–9 依次出現,看到就按,遇到 3 不按;按錯之前的幾次反應明顯變快 ↩

  12. In the zone or zoning out? Tracking behavioral and neural fluctuations during sustained attentionEsterman M, Noonan SK, Rosenberg M, DeGutis J · Cerebral Cortex 23(11) · 2013 ↩

  13. Brief and rare mental “breaks” keep you focused: deactivation and reactivation of task goals preempt vigilance decrementsAriga A, Lleras A · Cognition 118(3) · 2011收藏pubmed.ncbi.nlm.nih.govhttps://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/21211793/ ↩

  14. Brief mental breaks and content-free cues may not keep you focusedHelton WS, Russell PN · Experimental Brain Research · 2012 ↩

  15. Attention Restoration Theory II: a systematic review to clarify attention processes affected by exposure to natural environmentsStevenson MP, Schilhab T, Bentsen P · Journal of Toxicology and Environmental Health, Part B · 2018 ↩

  16. The cumulative cost of additional wakefulness: dose-response effects on neurobehavioral functions and sleep physiology from chronic sleep restriction and total sleep deprivationVan Dongen HPA, Maislin G, Mullington JM, Dinges DF · Sleep 26(2) · 2003收藏pubmed.ncbi.nlm.nih.gov48 人,每晚 4、6、8 小時持續 14 天,或連續 3 晚不睡https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12683469/ ↩

  17. The validity of the pupillographic sleepiness test at shorter task durationsManousakis JE, Maccora J, Anderson C · Behavior Research Methods收藏link.springer.com40 小時不睡,每 2 小時測一次;PUI 隨清醒時間顯著上升,測 5.5 分鐘和 11 分鐘結果相近https://link.springer.com/article/10.3758/s13428-020-01509-x ↩

  18. Review: Neurable's EEG headphonesIEEE Spectrum收藏spectrum.ieee.orghttps://spectrum.ieee.org/eeg-headphones-neurable-one ↩

  19. Does heart rate variability predict better executive functioning? A systematic review and meta-analysisMagnon V, Vallet GT, Benson A, et al. · Cortex 155 · 2022收藏doi.org13 項相關研究,迷走介導的 HRV 與執行功能 r = 0.19https://doi.org/10.1016/j.cortex.2022.07.008 ↩

  20. UCI Podcast: If you can't pay attention, you're not aloneGloria Mark · UC Irvine News · 2023-05-05收藏news.uci.edu螢幕停留時間:2004 年約 2.5 分鐘,2012 年 75 秒,最近五六年 47 秒(2023 年訪談)https://news.uci.edu/2023/05/05/uci-podcast-if-you-cant-pay-attention-youre-not-alone ↩

延伸閱讀

  • Cognitive emissions of 1/f noiseGilden DL · Psychological Review 108(1) · 2001
  • A neuromarker of sustained attention from whole-brain functional connectivityRosenberg MD, Finn ES, Scheinost D, et al. · Nature Neuroscience 19(1) · 2016