盯得越紧，大脑越“累”？｜前额叶解码快速视觉搜寻中的注意力消耗
在快速序列视觉呈现(RSVP)任务中，个体需要在极短的时间内监控连续出现的视觉刺激，并判断其中是否包含目标图像。这种范式广泛应用于视觉监控、安检、军事操作及脑机接口(BCI)领域。尽管脑电图(EEG)因具备毫秒级的时间分辨率而长期主导该领域研究，但其在便携性和抗运动干扰方面存在局限。功能性近红外光谱(fNIRS)作为一种非侵入性、便携的光学成像技术，近年来逐渐受到关注。然而，前额叶皮层(PFC)在RSVP任务中的血流动力学响应特征尚未被系统描述。为此，韩国淑明女子大学与加州大学圣迭戈分校的研究团队联合开展了一项研究，系统考察了前额叶fNIRS信号在目标存在与目标缺失条件下的激活与功能连接差异，并探讨了其与行为反应时之间的关联。
研究已于期刊Frontiers in Human Neuroscience发表。
研究方法
本研究共纳入50名健康年轻女性被试，均无神经或精神疾病史。实验采用15通道前额叶fNIRS设备(NIRSIT Lite，OBELAB Inc.，韩国)记录血流动力学信号，采样率为8.138 Hz。刺激材料选自STL-10数据集的交通工具图像(飞机、汽车、船舶、卡车)，其中一张红色飞机图像作为固定目标，其余为非目标图像。实验包含40个试次，其中20个为目标试次(含1张目标图像与19张非目标图像)，20个为纯非目标试次。每个试次包括1秒启动提示、2秒快速图像序列(20张图像，每张100毫秒)、自定步调的反应阶段以及30秒的静息恢复期。目标在序列中的位置随机化，以避免时间预期效应。所有正确反应的试次(共1996个)被纳入分析。
图1 快速序列视觉呈现(RSVP)实验范式
数据处理方面，研究提取了11类统计激活特征，涵盖幅值(均值、最大值、最小值)、变异性(方差、标准差、斜率)及高阶分布特征(偏度、峰度、峰值和、峰值均值、峰值最大)。同时，计算所有通道对的Pearson相关系数，经转换后作为功能连接指标。采用配对样本t检验比较目标与非目标条件，并使用Benjamini-Hochberg错误发现率(FDR)进行多重比较校正。此外，研究还分析了反应时与血流动力学特征之间的相关关系。
图2 NIRSIT Lite便携式近红外采集系统
图3 NIRSIT Lite设备的前额叶通道布局
研究结果
1. 行为结果：非目标条件下反应时显著更长
非目标条件的平均反应时显著长于目标条件，表明确认目标缺失需要更长的评估时间。
2. 激活特征：非目标条件HbO幅值更高，HbR分布特征更敏感
氧合血红蛋白(HbO)在非目标条件下表现出更高的幅值相关特征，尤其在通道10(Ch10)上差异最为显著。脱氧血红蛋白(HbR)则在分布性特征上表现出更强的条件差异，其中通道12的峰度(kurtosis)差异最大，非目标条件下HbR分布更趋近于正态。这表明HbO和HbR可能反映了注意力加工的不同方面。
图4 平均HbO(氧合血红蛋白)激活变化
图5 平均 HbR（脱氧血红蛋白）激活变化
3. 功能连接：非目标条件HbO连接增强，HbR连接模式部分相反
在HbO功能连接中，非目标条件表现出更强的通道间耦合，最大差异出现在Ch06-Ch10。而HbR连接则显示目标条件下连接更强，最大差异出现在Ch05-Ch10。这些结果提示，目标与非目标条件在神经网络层面也表现出不同的协调模式。
图6目标条件与非目标条件之间的功能连接差异（左：HbO 右：HbR）
4. 反应时-血流动力学相关：分布性与时间特征更具预测性
反应时与血流动力学特征的相关分析显示，偏度、峰度和斜率等分布性与时间性特征在多个通道上与反应时显著相关，而幅值类特征的相关性较弱。这表明反应时的个体差异更多地与血流动力学响应的时间动态相关，而非简单的激活强度。
结论与讨论
本研究首次系统描述了前额叶fNIRS信号在RSVP任务目标与非目标条件下的激活与功能连接差异。主要发现包·括：(1)非目标条件诱发更高的HbO幅值，可能反映了持续性监控与决策需求的增加；(2)HbR信号在分布性特征(如峰度、偏度)上对条件差异更敏感，提示其与HbO提供互补信息；(3)功能连接分析显示非目标条件下HbO耦合增强，而HbR耦合在目标条件下更强，表明不同神经血管机制在不同任务条件下发挥主导作用；(4)反应时与分布性/时间性特征的相关性更强，提示行为表现与血流动力学的时间结构密切相关。
这些发现为fNIRS在注意力监测领域的应用提供了初步的生理基础，并强调了多特征融合的重要性。研究同时指出，样本主要为年轻女性、效应量偏小、功能连接采用零滞后相关等局限性。未来研究应纳入性别均衡样本、结合EEG等多模态技术、并发展单试次分类模型，以提升其在真实场景中的适用性与可靠性。总体而言，该研究为基于fNIRS的快速视觉注意力解码和闭环脑机接口系统设计提供了有益的前期探索。
Citation:Lim, S., Dong, S.-Y., & Jung, T.-P. (2026). Prefrontal fNIRS hemodynamic correlates of attentional load during rapid serial visual presentation tasks. Frontiers in Human Neuroscience, 20, 1843879.
DOI:[10.3389/fnhum.2026.1843879]
通讯作者：Suh-Yeon Dong，韩国淑明女子大学人工智能工程学部
