基于腦電波的城市環(huán)境對居民情緒狀態(tài)影響

馮建喜,沈心彤

(南京大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,江蘇 南京 210023)

心理健康是人類健康的基本組成,是聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標及全球發(fā)展議程中的重大優(yōu)先事項[1]。當前人類面臨嚴峻的心理健康問題,心理疾病已經(jīng)成為導(dǎo)致殘疾和死亡的重要殺手[2]。隨著城市化和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,我國民眾的心理疾病增速更快、規(guī)模更大,成為新的健康問題,造成了重大社會經(jīng)濟負擔。2021 年中國家庭健康大數(shù)據(jù)報告指出,近80%的城鎮(zhèn)居民處于心理亞健康狀態(tài),心理健康人數(shù)不足10%。民眾的心理健康問題引起廣發(fā)關(guān)注,《全國精神衛(wèi)生工作規(guī)劃(2015—2020年)》《關(guān)于加強心理健康服務(wù)的指導(dǎo)意見》等文件的公布,體現(xiàn)了政府對人民心理健康的重視。黨的二十大報告在部署“推進健康中國建設(shè)”時提出,把保障人民健康放在優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略位置。其中,特別強調(diào)要“重視心理健康和精神衛(wèi)生”。如何構(gòu)建心理友好型城市以減少心理疾病的產(chǎn)生成為熱點問題。

情緒是影響心理健康的重要因素[3-5]。積極、穩(wěn)定的情緒狀態(tài)可以增強個體的安全感和控制感,從而增強其心理健康的調(diào)適水平。但如果個體的情緒狀態(tài)出現(xiàn)較大波動或頻繁轉(zhuǎn)換時,會產(chǎn)生認知負荷,致使生活無法預(yù)期或產(chǎn)生自我矛盾,進而降低心理健康水平[3]。特別是對于情緒自旋(affect spin)較高的個體,在情緒調(diào)節(jié)過程中因為需要不斷地損耗積極情緒而導(dǎo)致消極情緒增加,無法維持持續(xù)的努力狀態(tài),更容易產(chǎn)生抑郁、對負性事件恢復(fù)能力弱、生活滿意度低等心理問題[4]。已有研究表明,城市環(huán)境對情緒有著持續(xù)性、廣泛性和潛移默化性的影響[5]。綠地空間對減少人們消極的心理狀態(tài)有積極作用,具有重要的情感恢復(fù)價值[6]。而人們生活在高樓林立、不易親近綠地空間的環(huán)境中,心理壓力難以紓解,容易患上精神方面的疾病[7],比如,焦慮癥對于居住在土地使用和開發(fā)強度高的城市居民中更為普遍[8]。然而需要指出的是,已有研究在分析“環(huán)境”作用于“人體”(環(huán)境人)的影響機理時,多通過對各類環(huán)境要素以及個體健康表征的選取和測量,利用數(shù)理模型(相關(guān)分析、回歸模型)等方法建立環(huán)境要素與個體健康結(jié)果之間的關(guān)系,以此評估環(huán)境對人類健康的影響[9-10]。這些研究或立足于截面相關(guān)性分析,或在研究設(shè)計上模糊了要素之間的因果關(guān)系,只能回答“環(huán)境差異與個體健康是否存在關(guān)聯(lián)性”,而無法回答“環(huán)境調(diào)整會帶來怎樣的健康變化”。在某種意義上,現(xiàn)有研究并沒有真正揭示環(huán)境作用于人體(環(huán)境人)的機制黑箱,導(dǎo)致研究結(jié)果無法為空間規(guī)劃和行為引導(dǎo)提供精準的政策建議。且在研究情緒及心理健康時,多通過調(diào)研問卷或量表的方式對人的心理變化進行主觀評價,無法完全模擬真實環(huán)境以及人類對環(huán)境當時的反應(yīng)和適應(yīng)。問卷的方式極大依賴人的回憶,對以往經(jīng)歷的回溯,難免會產(chǎn)生遺忘和不準確現(xiàn)象,其有效性和可靠性往往存在誤差[9]。

近年來,環(huán)境暴露對個體心理健康的影響研究出現(xiàn)了 “神經(jīng)轉(zhuǎn)向”(neural turn)。神經(jīng)科學(xué)與神經(jīng)科學(xué)實驗為研究環(huán)境與人的相互關(guān)系,揭示環(huán)境對個體的健康效應(yīng)提供了新的研究范式與方法[10-13]。神經(jīng)科學(xué)(neuroscience)是跨科學(xué)、心理學(xué)、生物學(xué)等融合的交叉學(xué)科,主要探究人體神經(jīng)回路如何感受世界、實施行為[10-11]。而神經(jīng)科學(xué)實驗則是通過一系列實驗范式,引入神經(jīng)科學(xué)測度儀器,從生理機制層面解釋環(huán)境對個體情緒及心理健康的影響[12-13]。其顯著優(yōu)勢在于能基于不同群體的生理差異探究其對客觀環(huán)境的實時感知,從而針對性提升環(huán)境,改善群體健康狀況?；谏窠?jīng)科學(xué)實驗,通過多通道(腦電、皮電、血氧濃度、心率、血壓等)生物反饋設(shè)備和技術(shù)等實時測量人的生理變化,可以直接、實時測度環(huán)境(要素)暴露對人體的作用效果,揭示環(huán)境影響個體健康的深層機理,打開“黑箱”。

已有關(guān)于腦電波特征與情緒狀態(tài)之間的關(guān)系研究已經(jīng)取得了一定成就[14],腦電信號或腦電圖能客觀反映大腦的內(nèi)部狀態(tài)[15],讓通過客觀生理指標定量解析人類行為及心理情緒成為可能。首先,它具有不易偽裝、實時性、靈敏性等特點。腦電信號由中樞神經(jīng)系統(tǒng)支配,不易受主觀意識控制,能反映客觀真實的情緒狀態(tài);高時間分辨率(可達1 ms)能夠記錄細微的情緒波動與認知過程[16],實時監(jiān)測心理變化;實驗環(huán)境下的腦電圖數(shù)據(jù)對觀察不同環(huán)境下的情緒變化非常敏感,為自然環(huán)境的恢復(fù)效果提供了證據(jù)基礎(chǔ)[17]。其次,采用腦電波頻譜分析可反映不同的情緒狀態(tài),成人腦電波按頻率可被分為δ波(0.5～4 Hz)、θ波(4～8 Hz)、α波(8～13 Hz)、β波(13～30 Hz)。其中α波和β波被廣泛應(yīng)用于心理評估中,α波反映人體進入放松的狀態(tài)[18],主觀感覺舒適和輕松;β波反映人在受到外界刺激后的情緒變化,表明更高的壓力或警覺性[19]。目前已有國外學(xué)者將腦電波技術(shù)應(yīng)用到城市環(huán)境評價中[20-22],國內(nèi)學(xué)者則較少將其應(yīng)用到建成環(huán)境對居民健康的影響中。

本研究將使用Emotiv EPOC+設(shè)備測度不同城市環(huán)境(城市繁忙區(qū)、城市靜謐區(qū)和城市綠地區(qū))對個體腦電生理數(shù)據(jù)的影響,分析城市環(huán)境對居民情緒及心理健康的作用效應(yīng),并提出相關(guān)的政策建議。作為一項試驗性質(zhì)的研究,本研究的主要目的是驗證基于神經(jīng)科學(xué)實驗的方法研究環(huán)境對個體影響的可行性和可靠性,展示這一研究方式的前景。

1 試驗設(shè)計

1.1 實驗人員招募

由于實驗過程較為復(fù)雜,耗時較長,考慮到實驗的可操作性且本次實驗還只是試驗階段,實驗招募的學(xué)生均為在校大學(xué)生。已有研究表明性別對環(huán)境變化的生理反應(yīng)有顯著差異[23],且不同年齡段生理指標可能存在較大差異(比如老年人對刺激的反應(yīng)速度低于年輕人),從而易導(dǎo)致實驗結(jié)果不可類比,故參與本次實驗的人員均為女性,年齡在20～25歲之間人員招募方式為網(wǎng)絡(luò)報名。被測人員來自同一學(xué)院但不同專業(yè),實驗開展前均通過了資質(zhì)篩選。根據(jù)日常學(xué)習生活表現(xiàn)以及自述的疾病史,排除有視力障礙、慢性精神疾病、癲癇或精神病史的人,減少腦電數(shù)據(jù)采集時的干擾。為了排除大腦半球差異的影響,所有被測者均為右撇子[24]。由于實驗耗時較長,考慮到可操作性,本次實驗僅20個樣本,屬于小樣本設(shè)計,這是實驗心理學(xué)中常見的研究設(shè)計。小樣本設(shè)計是被試內(nèi)設(shè)計的一種變式(1≤被試人數(shù)≤30),由于檢測人數(shù)較少,需要在高度控制的實驗中對每一個被試進行大量觀察并記錄,通過對自變量的良好控制和因變量的反復(fù)測量,小樣本設(shè)計本身就能強有力地進行實驗推論[25]。

由于實驗場景不止一個,為了獲取同一個人在不同環(huán)境中的實驗數(shù)據(jù),被測者被要求參與到完整的實驗中?？紤]到被測者可能并不知道腦電波測量儀器的原理及使用方法,并由此可能產(chǎn)生懼怕或好奇等情緒干擾實驗結(jié)果,所以在實驗開展前對所有被測者進行簡短的培訓(xùn),學(xué)習儀器佩戴方法,體驗佩戴儀器并告知大致實驗原理。

1.2 實驗場景

由于設(shè)備精度的原因,當實驗人員保持靜止時,設(shè)備數(shù)據(jù)的聯(lián)通效率可以穩(wěn)定保持在80%以上(本實驗所采用的設(shè)備為Emotiv EPOC+),從而保證獲取數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性,所以,本實驗采取了觀看視頻方式替代在真實環(huán)境中步行。本實驗研究地點位于江蘇省南京市玄武區(qū),該區(qū)不僅擁有繁華的商業(yè)街區(qū),還有豐富的自然資源豐富,居住小區(qū)眾多,具備多種建成環(huán)境便于步行視頻的拍攝。根據(jù)街景環(huán)境差異,選取了3個實驗區(qū)域,如表1所示,這3個區(qū)域分別為城市繁忙區(qū)(擁有眾多人流量、摩天大廈、各式商店,交通便利)、城市靜謐區(qū)(道路兩側(cè)為居民樓,有眾多小區(qū)綠化,有私家車停放,有一些生活用品商店)、城市綠地區(qū)(有眾多樹木和草坪連接湖泊和人行道,可欣賞名勝古跡,車輛稀少)。實驗前,已分別于3個場景拍攝了5 min的步行視頻。實驗采樣地客觀條件如表2所示,其中,噪音、人流量、車流量和路途停留時間指標為多個采樣點數(shù)據(jù)的均值,綠化率和道路寬度指標為估測值,路途停留時間指因道路交叉口避讓車流、紅綠燈管制、商店參觀花費的時間。

表1 研究區(qū)域及線路概況Tab.1 Map and overview of the walking routes

表2 采樣點客觀條件Tab.2 Objective conditions of the research area

1.3 實驗流程

本實驗在2021年4月1—10日進行。被測者均參加了2次活動(時間間隔大約1周),第一次為儀器培訓(xùn)課程,使他們熟悉佩戴儀器,第二次為腦電數(shù)據(jù)采集實驗。由于實驗人員數(shù)量較多,腦電數(shù)據(jù)采集實驗分為2 d進行。為了確保將時間效應(yīng)保持在最低限度[26],所有實驗都在上午進行(9∶00—11∶30)。

實驗場地為一個安靜、較為密閉的房間,以減少外界噪音的影響。實驗開始時拉上窗簾以減少室外光線影響,同時幫助被測者將視線集中在電腦屏幕上。為減少視頻中客觀因素對被測者腦電波的影響,實驗場景拍攝選擇在天氣晴朗、溫度濕度適宜的上午時間段進行。實驗流程如下。

1)調(diào)試設(shè)備。確保實驗儀器阻抗顯示為綠色,各電極連接通暢,當連接率80%以上時視為連接率良好,可以進行實驗。

2)對照實驗。被測者首先閉眼聽一段約3.5 min的舒緩音樂,幫助自己放松身心,達到冥想的狀態(tài)。同時記錄下冥想時的情緒狀態(tài),作為平靜組,便于對照分析。

3)觀看視頻。被測者采用坐姿通過電腦屏幕觀看街景路線的漫步視頻,視頻大約3～5 min,期間實時記錄下腦電波數(shù)據(jù)并完成收集。

4)簡要訪談。觀看完成視頻后,與每名被測者進行簡短訪談,了解他們的情緒變化以及可能的原因。

5)短暫休息。在觀看下一段視頻之間,要求被測者閉目休息60 s,放松身心,以免對接下來的測試產(chǎn)生影響。之后重復(fù)實驗流程3和5直至完成3個場景的實驗。

1.4 腦電數(shù)據(jù)獲取及處理

本實驗采用Emotiv EPOC+無線便攜式腦電儀設(shè)備,從頭皮處非侵入性地獲取腦電活動。它是美國神經(jīng)科技公司(Emotiv Systems)開發(fā)的一種無線藍牙腦電EEG記錄儀,通過快速且易于使用的設(shè)計提供對專業(yè)級大腦數(shù)據(jù)的讀取。該設(shè)備可以采集14通道腦電信號,對應(yīng)國際10～20位系統(tǒng)(AF3、F7、F3、FC5、T7、P7、O1、O2、P8、T8、FC6、F4、F8、AF4),通過浸潤鹽水的氈墊將電極與被測者的皮膚相接,從而實時監(jiān)測腦電波數(shù)據(jù),并將獲取的數(shù)據(jù)通過藍牙實時傳輸至電腦。

在腦電波的分析中,本實驗采用了Emotiv開發(fā)的專有軟件EmotivPro來處理腦電波數(shù)據(jù)。EmotivPro軟件為每個被測者創(chuàng)建了一個分析環(huán)境,以解釋神經(jīng)水平上的潛在差異,進而將EEG活動解釋為6個情緒指標:“參與度”(engagement)、“興奮度”(excitement)、“注意力集中度”(focus)、“興趣度”(interest)、“放松度”(relaxation)和“壓力程度”(stress)。EmotivPro軟件每10 s更新一次各情緒指標瞬時變化情況。綜合該軟件對情緒指標的官方定義以及已有研究對這些指標的解釋,這6項情緒指標的含義如表3所示。腦電從設(shè)備中被采集傳輸?shù)杰浖羞M行分析的情況如圖1所示。

(a)Emotiv EPOC+設(shè)備以及14個傳感器點位圖;(b)EmotivPro軟件獲取到的14個通道中的原始腦電數(shù)據(jù);(c)EmotivPro軟件將腦電信號通過處理輸出的情緒指標數(shù)據(jù)。圖1 實驗設(shè)備及軟件界面示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment and software interface

表3 情緒指標的含義Tab.3 Meaning of emotional indicators

獲取腦電數(shù)據(jù)之后需要進一步處理數(shù)據(jù)以便進行分析。首先,進行原始數(shù)據(jù)提取。在3個實驗場景獲得的數(shù)據(jù)中,分別在實驗過程的中段(去除實驗前后30 s數(shù)據(jù))每10 s抽樣提取1次情緒指標數(shù)據(jù),并通過計算均方根值的方法得出該樣本在3個場景中的6項情緒指標數(shù)據(jù)。接著,進行數(shù)據(jù)標準化處理。將實驗場景兩兩分為一組,將每個樣本的原始均方根值減去組間均方根值,然后除以組間均方根值的標準偏差來進行標準化。使用z=2.5的標準識別和修正異常值(即將可能產(chǎn)生過度影響的高差異異常值恢復(fù)到2.5標準差內(nèi))[27]。

2 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果

2.1 觀看不同環(huán)境視頻后生理數(shù)據(jù)變化

為反映實驗后的情緒指標數(shù)值與實驗前對照組數(shù)據(jù)之間的變化情況,需要依次進行配對檢驗。根據(jù)數(shù)據(jù)的分布特征以及統(tǒng)計理論,使用兩相關(guān)樣本非參數(shù)檢驗方法中的威爾科克森(Wilcoxon)符號秩檢驗法。

2.1.1 城市繁忙區(qū)與平靜組(對照組)生理數(shù)據(jù)對比

觀看城市繁忙區(qū)視頻后的情緒指標數(shù)據(jù)與實驗前對照組數(shù)據(jù)對比情況如圖2所示?？梢钥闯?所有的6個維度均發(fā)生顯著變化,除“放松度”指標顯著下降外,其余5項情緒指標均顯著上升。

圖2 城市繁忙區(qū)中情緒指標數(shù)值與對照組對比Fig.2 Comparison of emotional indicators with the control group in urban busy area

2.1.2 城市靜謐區(qū)與平靜組(對照組)生理數(shù)據(jù)對比

觀看城市靜謐區(qū)視頻后的情緒指標數(shù)據(jù)與實驗前對照組數(shù)據(jù)對比情況如圖3所示?？梢钥闯?在城市靜謐區(qū) “注意力集中度”“壓力程度”指標顯著上升,“放松度”指標顯著下降,而“參與度”“興奮度”“興趣度”指標變化不顯著。

圖3 城市靜謐區(qū)中情緒指標數(shù)值與對照組對比Fig.3 Comparison of emotional indicators with the control group in urban quiet area

2.1.3 城市綠地區(qū)與平靜組(對照組)生理數(shù)據(jù)對比

觀看城市綠地區(qū)視頻后的情緒指標數(shù)據(jù)與實驗前對照組數(shù)據(jù)對比情況如圖4所示?？梢钥闯?在城市綠地區(qū)除了“參與度”和 “興趣度”指標有顯著上升外,其余指標變化均不顯著。

圖4 城市綠地區(qū)中情緒指標數(shù)值與對照組對比Fig.4 Comparison of emotional indicators with the control group in urban green area

2.2 回歸模型分析

為進一步比較不同場景下情緒指標的主要影響因素,本研究將實驗場景兩兩組合,以組間綜合情緒值的差值作為因變量,以6項情緒指標的組間差值作為自變量,進行最小二乘線性回歸(OLS)分析,以模型調(diào)整后的R2作為判斷模型擬合優(yōu)度的標準。以城市繁忙區(qū)和城市綠地區(qū)組合為例,回歸模型計算公式為

Y繁-Y綠=aEn(X繁En-X綠En)+aEx(X繁Ex-X綠Ex)+aFo(X繁Fo-X綠Fo)+aIn(X繁In-X綠In)+aRe(X繁Re-X綠Re)+aSt(X繁St-X綠St)+C

(1)

式中:Y繁與Y綠為城市繁忙區(qū)和城市綠地區(qū)主成分分析結(jié)果;X繁En為城市繁忙區(qū)“參與度”指標數(shù)值,其余以此類推;aEn至aSt為系數(shù);C為常數(shù)項。

2.2.1 城市繁忙區(qū)與城市綠地區(qū)比較

經(jīng)過OLS模型分析,表4顯示了在城市繁忙區(qū)與城市綠地區(qū)中,“參與度” “興奮度” “興趣度”“放松度”“壓力程度”指標出現(xiàn)顯著差異(P≤0.05),R2為0.99體現(xiàn)了較高的擬合優(yōu)度。

表4 OLS分析結(jié)果(城市繁忙區(qū)與城市綠地區(qū))Tab.4 OLS analysis results (urban busy area vs urban green area)

圖5顯示了指標在不同環(huán)境中的標準化均方根值,通過對比不同環(huán)境中的情緒指標“正”和“負”情況,可以分析出環(huán)境對情緒的影響效果?！皡⑴c度”“興奮度” “興趣度”“壓力程度”指標在城市繁忙區(qū)為“正”,在城市綠地區(qū)為“負”,說明這些情緒在城市繁忙區(qū)更加明顯,人們的情緒相對更強烈。而“放松度”指標則在城市靜謐區(qū)為“負”,在城市綠地區(qū)為“正”,說明其在城市綠地區(qū)的數(shù)值更高,相對而言更能起到放松的效果。

圖5 城市繁忙區(qū)與城市綠地區(qū)中“參與度”“興奮度”“興趣度”“放松度” “壓力程度”指標的標準化均方根值Fig.5 Difference scores of "engagement" "excitement" "interest" "relaxation" and "stress" in urban busy and urban green area

2.2.2 城市繁忙區(qū)與城市靜謐區(qū)比較

經(jīng)過OLS模型分析,表5顯示了在城市繁忙區(qū)與城市靜謐區(qū)中,“注意力集中度”與“放松度”指標出現(xiàn)顯著差異(P≤0.05),R2為0.94體現(xiàn)了較高的擬合優(yōu)度。

表5 OLS分析結(jié)果(城市繁忙區(qū)與城市靜謐區(qū))Tab.5 OLS analysis results (urban busy area vs urban quiet area)

圖6顯示了“注意力集中度”“放松度”指標在不同環(huán)境中的標準化均方根值?！白⒁饬卸取敝笜嗽诔鞘蟹泵^(qū)為“正”,在城市靜謐區(qū)為“負”,說明城市靜謐區(qū)有分散注意力的效果。而“放松度”指標在城市繁忙區(qū)為“負”,在城市靜謐區(qū)為“正”,說明城市靜謐區(qū)有令人放松的效果。

圖6 城市繁忙區(qū)與城市靜謐區(qū)中“注意力集中度”與“放松度”指標的標準化均方根值Fig.6 Difference scores of "focus" and "relaxation" in urban busy and urban quiet area

2.2.3 城市靜謐區(qū)與城市綠地區(qū)比較

經(jīng)過OLS模型分析,表6顯示了在城市靜謐區(qū)與城市綠地區(qū)中,“興奮度”“興趣度”指標出現(xiàn)顯著差異(P≤0.05),R2為0.94體現(xiàn)了較高的擬合優(yōu)度。

表6 OLS分析結(jié)果(城市靜謐區(qū)與城市綠地區(qū))Tab.6 OLS analysis results (urban quiet area vs urban green area)

圖7顯示了“興奮度” 與“興趣度”指標在不同環(huán)境中的標準化均方根值?！芭d奮度”指標在城市靜謐區(qū)為“正”,在城市綠地區(qū)為“負”,說明城市綠地區(qū)給人的興奮感相對較弱。而“興趣度”指標則在城市靜謐區(qū)為“負”,在城市綠地區(qū)為“正”,說明城市綠地區(qū)相對而言更能提起人們的興趣。

圖7 城市靜謐區(qū)與城市綠地區(qū)中“興奮度” 與“興趣度”指標的標準化均方根值Fig.7 Difference scores of "excitement" and "interest" in urban quiet and urban green area

3 討論

EmotivPro軟件將腦電波數(shù)據(jù)解析為6項情緒,相較于同公司的早期產(chǎn)品將情緒解析為4項情緒(“frustration”“engagement”“LT excitement”和“meditation”),細化了對情緒的劃分,能更準確地體現(xiàn)被測者豐富的心理情緒,同時在進行數(shù)據(jù)分析時可以獲得更多元的數(shù)據(jù)。通過對6項情緒指標統(tǒng)計分析,可以揭示青年人在不同的城市環(huán)境中情緒的不同反應(yīng)。總的來說,當城市繁忙區(qū)與城市綠地區(qū)進行對比時,產(chǎn)生顯著變化的指標最多,大腦活動的差異性更加明顯;城市靜謐區(qū)和另外2個實驗地點之間的大部分情緒指標沒有顯著差異。這表明,城市繁忙區(qū)(以商業(yè)環(huán)境為主且人車稠密的城市環(huán)境)和城市綠地區(qū)(以自然環(huán)境為主且人車稀疏的城市環(huán)境)中有一些獨特的建成要素在影響情緒方面發(fā)揮著重要作用。

3.1 城市繁忙區(qū)與城市綠地區(qū)對比分析

實驗結(jié)果表明,被試者的腦電活動在觀看城市繁忙區(qū)和城市綠地區(qū)2種視頻差異最大,6個情緒指標中有5個呈現(xiàn)出顯著差異。城市繁忙區(qū)中的 “興奮度”“參與度”“興趣度” “壓力程度”顯著高于城市綠地區(qū),“放松度”則在城市綠地中的數(shù)值更高。

已有研究表明,腦電波中β波的活躍程度與使用Emotiv開發(fā)的Affectiv suite軟件測量時顯示的“興奮度”“參與度”正向相關(guān)[22],而β波越活躍,被試者的認知負荷(cognitive load)越大。繁忙區(qū)中復(fù)雜的環(huán)境(交通擁擠、人流密集等)增加了大腦的警覺,而其精心布置的櫥窗、明亮多彩的廣告,也讓個體的情緒呈現(xiàn)出一個相對亢奮的狀態(tài)。與環(huán)境相對簡單、靜謐的城市綠地區(qū)相比,城市繁忙區(qū)給被試者帶來的認知負荷更大,需要更多定向注意力(directed attention,自上而下的神經(jīng)活動,包括所有需要腦力勞動的任務(wù),一段時間后會讓人精神疲勞)自上而下地處理各種信息。

“壓力程度” “放松度”是一對含義相反的指標, 在城市綠地區(qū)“壓力程度”指標更低, “放松度”指標更高, 說明在城市綠地中步行具有明顯的恢復(fù)性效果。 已有研究表明, 暴露于自然環(huán)境有助于人們將定向注意力轉(zhuǎn)變?yōu)榉请S意注意(involuntary attention,放松的、無意識的注意力),這種效應(yīng)在環(huán)境心理學(xué)中被描述為軟魅力(soft-fascination)[28]。這一過程與恢復(fù)性健康效應(yīng)有關(guān),有助于緩解疲勞、壓力和情緒低落。與之相反,暴露在城市嘈雜紛亂環(huán)境中的個體,壓力恢復(fù)程度較低[29-30]。

對參與實驗人員進行訪談的結(jié)果也與腦電實驗結(jié)果一致,認為城市綠地遠離喧囂,空氣質(zhì)量好,風景秀麗,對放下工作或?qū)W習上的壓力達到放松愉悅的效果更有益。在談及閑暇時間更愿意前往哪種環(huán)境中時,90%的受訪者選擇了噪音較少、綠植豐富的城市綠地。她們普遍認為過多的噪音會影響步行者的心情,讓人心生煩躁。豐富的綠植可以適當調(diào)節(jié)局部地區(qū)微氣候,為行人遮陽擋雨美化環(huán)境。而選擇城市繁忙區(qū)的受訪者表示這與平常生活習慣有關(guān),有逛街購物習慣的人選擇城市繁忙區(qū)的可能性越高?？偟膩碚f,本實驗結(jié)果進一步佐證了綠地區(qū)對情緒的恢復(fù)性作用。

3.2 城市繁忙區(qū)與城市靜謐區(qū)對比分析

實驗結(jié)果表明,在觀看城市繁忙區(qū)與城市靜謐區(qū)視頻時,腦電波活動的差異沒有繁忙區(qū)與綠地區(qū)差異那么大,只有“注意力集中度”和“放松度”指標發(fā)生了顯著變化,其中“注意力集中度”指標在城市繁忙區(qū)的數(shù)值更高,“放松度”指標在城市靜謐區(qū)的數(shù)值更高。

“注意力集中度”指標在城市繁忙區(qū)數(shù)值高,說明建成要素復(fù)雜的環(huán)境會使人產(chǎn)生更高的專注度。腦電波中的β波段與警惕性和視覺上的注意力有關(guān)[31-32],Kacha的一項實驗表明,當在實驗室環(huán)境中觀看不同復(fù)雜性的街景時,環(huán)境越復(fù)雜,β波活動越顯著,注意力的喚醒程度越高[33]。由此可以推測,“注意力集中度”指標與腦電波的β波段具有一定相關(guān)性,可以通過“注意力集中度”指標的高低衡量環(huán)境的復(fù)雜程度對一個人的定向注意力的影響。此外,根據(jù)訪談結(jié)果,實驗人員表示步行在城市繁忙區(qū)時,環(huán)境中背景音量較大,建筑類型多樣,人車密集,不同的環(huán)境要素交織在一起傳遞到大腦中時,需要被測者分散一部分注意力來分解和處理這些信息。商業(yè)環(huán)境相比靜謐的小區(qū),無疑會讓大腦提高負荷,呈現(xiàn)出興奮活躍的狀態(tài),訪談結(jié)果從側(cè)面佐證了實驗結(jié)果。

“放松度”指標在城市靜謐區(qū)更高,說明城市靜謐區(qū)與城市綠地區(qū)一樣具有恢復(fù)性功能?？赡艿脑蛴袃蓚€。一是本實驗選取的城市靜謐區(qū)位于居住小區(qū),在自然環(huán)境上具有與城市綠地區(qū)相似的一些特點,如道路兩側(cè)栽有闊葉行道樹,在遮陰的同時也給人綠色的視覺體驗;并且在人為環(huán)境上與城市繁忙區(qū)有一定區(qū)別,如主要建筑物為涼亭、棋牌桌、居民樓,僅有的一些商鋪也多為鹵菜、水果、文具店,很少產(chǎn)生噪音,遠不及城市繁忙區(qū)的商鋪種類繁多、色彩鮮麗。二是在“熟悉”的城市環(huán)境更容易誘發(fā)與放松狀態(tài)相關(guān)的情緒活動。已有研究表明,環(huán)境的熟悉程度與腦電波中α波段的數(shù)值高低具有相關(guān)性,對街景圖像的熟悉程度越高,α功率增加,反映一個人的放松程度越高[32]。本研究選取的居住小區(qū)并非高檔小區(qū),具有一般性,被測者看到居住環(huán)境中普遍性的布局與街景,可能會產(chǎn)生熟悉感,從而誘發(fā)其進入放松狀態(tài)。根據(jù)訪談結(jié)果,當實驗人員看到城市靜謐區(qū)環(huán)境時,多數(shù)表示“居住小區(qū)的環(huán)境與學(xué)校宿舍區(qū)很相似”“并沒有什么特別值得注意的地方”“靜謐區(qū)的環(huán)境比繁忙區(qū)安靜得多”,在一定程度上為研究結(jié)論提供了支撐。

3.3 城市靜謐區(qū)與城市綠地區(qū)對比分析

實驗結(jié)果表明,在觀看城市靜謐區(qū)與城市綠地區(qū)視頻時,“興奮度”“興趣度”指標發(fā)生了顯著變化,其中“興奮度”指標在城市靜謐區(qū)數(shù)值更高,而“興趣度”指標在城市綠地區(qū)數(shù)值更高。

“興奮度”指標受β波段影響,當β波段表現(xiàn)較為強烈的時候,“興奮度”指標越高,表明在情緒上越不利于恢復(fù)平靜。城市靜謐區(qū)與城市綠地區(qū)均有恢復(fù)性功能,但城市綠地的恢復(fù)性功能更優(yōu)?！芭d趣度”指標在城市綠地區(qū)數(shù)值更高,說明城市綠地區(qū)對人們的吸引力更大。興趣是一種評價性條件反射活動,反映了人們對當前刺激的吸引力或厭惡程度[34]。Zhang研究發(fā)現(xiàn),與通常被認為與“基本”的生理活動有關(guān)的興奮等自主條件反射不同,興趣是一種評價性的條件反射,更多地與人的“高級”心理活動有關(guān),比如審美[35]。城市綠地作為城市中的景區(qū),不僅在景觀特色、游覽趣味性等方面具有對居民的吸引力,還在植被的選擇、色彩的搭配上具有美學(xué)的考量,因而相較于城市靜謐區(qū)相對單一的景觀,興趣值更高。城市靜謐區(qū)中大同小異的布局、單調(diào)的街道不會讓人產(chǎn)生好奇感,多數(shù)受訪者表示他們對城市靜謐區(qū)中的景觀漠不關(guān)心,并沒有值得注意的美景引起興趣,而觀看城市綠地區(qū)視頻時,更容易沉浸在對環(huán)境的欣賞中。另外,部分受訪者提出她們并未去過實驗場景所在的前湖公園。出于好奇心理,人總是對未知事物更容易產(chǎn)生興趣,因而覺得前湖公園的環(huán)境比城市靜謐區(qū)更容易吸引她們。

3.4 3個場景情緒指標綜合分析

在3組觀看視頻之后的情緒數(shù)據(jù)與各自對照組的對比中可以看出,城市環(huán)境越復(fù)雜,其情緒發(fā)生顯著變化的維度越多。城市繁忙區(qū)、城市靜謐區(qū)和城市綠地區(qū)與對照組相比,產(chǎn)生顯著變化的情緒指標數(shù)量依次遞減,城市綠地區(qū)的情緒與對照組的情緒數(shù)值最為接近。激勵理論及超負荷理論的支持者認為由植物和水組成的自然環(huán)境相對于建筑物環(huán)境具有認知的低度復(fù)雜性,可以減少壓力,更有助于恢復(fù)健康[2,21]。本文的研究結(jié)果與這一論斷相符。

但是3個場景與對照組相比,情緒產(chǎn)生變化后的數(shù)值高低并不是完全按照城市繁忙區(qū)、城市靜謐區(qū)、城市綠地區(qū)的順序遞增或遞減排列,城市綠地區(qū)的 “興趣度”和 “參與度”2個指標均高于城市靜謐區(qū)。正如前文所述,興趣涉及到人對環(huán)境的評價,與人的高級心理活動有關(guān),“參與度”指標也與注意力和興趣有關(guān),是一種需要對環(huán)境投入情感的情緒。這說明綠地區(qū)環(huán)境更符合人們認知中某些有趣的意象,可以引起他們的關(guān)注和興趣,表明該環(huán)境對人體獲得更高層級的精神體驗具有幫助。3個場景在各組情緒度量維度的數(shù)值表明,環(huán)境對個體情緒的影響不是簡單的壓力-放松或者定向注意力-非隨意注意二元影響和解釋機制可以概括,其中還涉及到更多維、更高級的情緒反應(yīng)和心理活動及影響機制。

3.5 小結(jié)

從以上分析可知,城市繁忙區(qū)、靜謐區(qū)和綠地區(qū)對個體的生理指標的影響有顯著差異,城市繁忙區(qū)與綠地區(qū)之間的差異最大,靜謐區(qū)的影響處于兩者之間。繁忙區(qū)復(fù)雜的環(huán)境、較大的人流和噪聲會使身處其中的人產(chǎn)生更多興奮、緊張等情緒,需要個體投入更多的定向注意力,長時間暴露在這種環(huán)境下會引致疲勞、焦躁等負面情緒,從而會對居民的心理健康產(chǎn)生不利影響。城市綠地區(qū)具有最優(yōu)的情緒恢復(fù)功能,可以顯著降低消極情感,提升居民的放松感。自然環(huán)境可以引起自下而上的神經(jīng)活動,從而減少大腦的負荷,起到良好的舒緩心情、降壓解悶作用。在承擔居住功能的城市靜謐區(qū)中,該環(huán)境由于構(gòu)成要素與城市綠地相近,環(huán)境比較安靜,可能產(chǎn)生熟悉感從而具備一定恢復(fù)性功能。不同城市環(huán)境對腦電波的影響實際上體現(xiàn)了個體在信息處理過程中(information-processing)對不同城市環(huán)境所帶來刺激的不同處理機制。城市繁忙區(qū)復(fù)雜的環(huán)境需要個體提高警覺,投入更多的定向注意力,是一種自上而下的、內(nèi)生的神經(jīng)活動。這種信息處理方式代表的是控制,需要投入更多的有意識的“努力”,會產(chǎn)生較大的認知負擔,時間久了會產(chǎn)生認知疲勞。而城市綠地區(qū)則通常與非隨意注意相關(guān),是一種自下而上、外生的神經(jīng)活動。這種信息處理方式不需要付出過多的心理“努力”,從而有助于緩解疲勞、壓力和情緒低落,產(chǎn)生恢復(fù)性健康效應(yīng),有利于心理健康。

4 結(jié)論

作為一次試驗(pilot study)性質(zhì)的研究嘗試,本文使用Emotiv Epoc+設(shè)備采集腦電數(shù)據(jù),通過Emotiv Pro軟件將腦電波6項情緒指標進行分析,同時及時進行回顧性訪談,對南京市玄武區(qū)的城市繁忙區(qū)、城市靜謐區(qū)和城市綠地區(qū)這3種類型的建成環(huán)境中人們心理情緒變化的情況進行了研究。研究發(fā)現(xiàn),通過腦電數(shù)據(jù)可以直接測度個體在不同環(huán)境中生理數(shù)據(jù)的變化,反映了環(huán)境對個體生理指標及情緒的影響,揭示了環(huán)境作用于個體的生理機制。相比于通過問卷調(diào)查或者量表方式獲取的個體對環(huán)境的主觀評價,客觀數(shù)據(jù)確實可以更直接、更準確地反應(yīng)環(huán)境對于個體的影響程度,有利于精準揭示不同環(huán)境(要素)對于個體的影響效應(yīng)及機制,實現(xiàn)環(huán)境作用于個體的因果效應(yīng)推斷。

在實踐層面,研究發(fā)現(xiàn)相對于城市繁忙區(qū),城市綠地區(qū)具有更好的情緒恢復(fù)功能,可以顯著消除疲勞,降低消極情感,提升居民的心理健康水平,這與以往的研究一致。本研究還發(fā)現(xiàn)城市靜謐區(qū),特別是具有一定綠化水平和安靜的居住區(qū)空間也可以對個體情緒和心理有一定的恢復(fù)性效果。對于很多居住在老城區(qū)的居民而言,由于公園綠地的稀缺性以及個人時間的有限性,很難規(guī)律地接近城市綠地去放松自我。但是其居住區(qū)卻是每天都要接觸的環(huán)境,如果通過研究發(fā)現(xiàn)某些環(huán)境(要素)可以產(chǎn)生較好的恢復(fù)性效果,就可以在老舊小區(qū)改造的過程中進行循證設(shè)計,從而以較低的成本提高居民的心理健康水平和福祉。遺憾的是由于本文只是初步的研究,沒有通過實驗設(shè)計來嚴格判別到底是靜謐區(qū)中的哪些環(huán)境要素產(chǎn)生這樣的療愈效果。但從3個不同城市環(huán)境的要素對比來看,較高的綠化水平、較小的噪音和人流可能是關(guān)鍵因素。因此,在舊城更新的過程中,通過各種方式(水平綠化和垂直綠化)提高綠化水平,對道路功能的分類和純化設(shè)計及管理(如社區(qū)道路就應(yīng)以交往性功能為主,交通性功能設(shè)置在周邊主干道)將是提高居民生活福祉的重要方式。需要注意的是,本研究選擇的樣本為年輕女性,研究結(jié)論對其他人群的適用性有待進一步的考證。本研究表明基于科學(xué)實驗得出的結(jié)果可為政策制定及空間設(shè)計提供更直接的證據(jù),實現(xiàn)循證決策和設(shè)計,有助于推動空間干預(yù)決策由依靠主觀個體經(jīng)驗向客觀證據(jù)轉(zhuǎn)變,由統(tǒng)計學(xué)路徑到實驗路徑轉(zhuǎn)變。

本實驗只是一次初步的嘗試,存在一些局限性。首先,本實驗選擇在室內(nèi)進行,通過觀看視頻的方式進行虛擬暴露,并非在真實環(huán)境中進行的實驗。真實環(huán)境中的溫度、氣味、光照等各個因素都可能會對個體的生理指標產(chǎn)生影響,從而會造成研究結(jié)果的偏差。但另一方面,通過觀看視頻的方式進行實驗實際上可以更好地控制相關(guān)因素的影響,更利于精準辨析不同環(huán)境因素的影響作用。未來將同時進行真實暴露和虛擬暴露,并對結(jié)果進行對比,深化環(huán)境對個體生理影響的研究。其次,本研究在實驗設(shè)計上存在改進空間。實驗人員數(shù)量上可以招募更多志愿者,讓實驗結(jié)果更具有普遍性。在研究人員選擇上被測者大都是本專業(yè)學(xué)生,具備一定專業(yè)知識,相較于一般人看待城市建成環(huán)境的感受可能受專業(yè)影響存在一定差異。且被試者均為女性,研究結(jié)果具有一定局限性,后續(xù)研究應(yīng)該擴大研究對象的多樣性,以獲取更具普遍意義的研究結(jié)果。在實驗周期上,可進行長期跟蹤式實驗,綜合分析長時間序列下個體的心理變化對健康產(chǎn)生的影響,從而更加科學(xué)準確地評估心理健康狀態(tài)。

總體而言,作為一種新的研究范式和方法,基于神經(jīng)科學(xué)實驗研究不同環(huán)境(自然環(huán)境、建成環(huán)境、社會環(huán)境)對個體心理指標的影響效應(yīng)和機制,雖然在實驗設(shè)計、儀器的穩(wěn)定性等方面存在一些局限,但其的確可以實時、精準地分析環(huán)境對個體造成的影響,深化地理學(xué)對微觀人地關(guān)系的理解,代表著人類認知、解析環(huán)境與自我關(guān)系的新的進步。隨著各種便攜式、低成本的生理指標測度儀器的不斷出現(xiàn),這一方向?qū)@得越來越多的關(guān)注,推動人文地理和城市規(guī)劃學(xué)科從觀察(經(jīng)驗)研究走向?qū)嶒炑芯?并豐富學(xué)科科學(xué)化發(fā)展內(nèi)涵,為地理學(xué)的發(fā)展注入新的活力。