J Environ Psychol | 利用 fNIRS 技术揭示自然暴露对健康人群和重度抑郁症患者的情绪及大脑激活的影响

一、研究背景

如今，我们已迈入人类历史上首个 “城市时代”—— 全球超半数人口扎根城市，钢筋水泥的丛林成为日常图景。但繁华背后，一场隐形的 “心灵危机” 正在蔓延：城市化进程与抑郁症、焦虑症等精神疾病的高发率密切相关，这类疾病甚至被学界称为 “城市相关疾病”。

我们与自然的联结越来越稀薄，而这种联结的缺失，正在悄悄侵蚀心理健康。事实上，自然对心灵的疗愈力早已被三大经典理论证实。压力减少理论指出，自然环境能直接降低生理与心理压力，缓解负面情绪；亲生命假说认为人类天生具有亲近自然的本能，接触自然会本能地提升积极情绪；注意力恢复理论则提到，自然场景能让疲惫的注意力得到修复，摆脱城市环境带来的认知耗竭。

随着 “神经城市学” 这一新兴领域的兴起，科学家们开始深入探究环境影响心理的神经生物学机制。此前的研究已发现，城市环境会增强大脑中焦虑与压力中枢（杏仁核）的活动，而长期亲近自然则能改善杏仁核功能、调节前额叶皮层活性。但这些研究大多聚焦于 “接触自然后的长期效果”，却留下了一个关键疑问：当我们实时身处自然环境中时，大脑活动会发生怎样的即时变化？这种变化对抑郁症患者是否同样有效？

更重要的是，传统脑成像技术（如 fMRI）需在封闭实验室中进行，难以还原真实场景的生态效度。而便携的功能性近红外光谱技术（fNIRS）的出现，让在真实城市与自然场景中实时监测大脑活动成为可能。正是为了填补这一研究空白，德国研究团队展开了这场探索自然与大脑实时互动的实验。

二、实验方法

1. 实验对象

研究共招募 32 名参与者，分为两组，每组各 16 人。抑郁症患者组 16 人，经专业临床医生依据 ICD-10 标准诊断为重度抑郁症，部分正在服用抗抑郁药物包括选择性 5 - 羟色胺再摄取抑制剂、去甲肾上腺素 - 多巴胺再摄取抑制剂等）；健康对照组 16 人, 无神经或精神疾病史，与患者组在年龄、性别等人口学特征上无显著差异。所有参与者均以德语为母语，被伪随机分配到 “自然环境组” 或 “城市环境组”，每组各包含 8 名抑郁症患者和 8 名健康人。

2. 实验场景

    

两个实验场景均距离研究中心约 8 分钟步行路程（自然环境 650 米，城市环境 700 米），确保参与者到达场景时的生理状态一致。

自然环境为波鸿市立公园（Stadtpark Bochum），核心区域为树木环绕的草地，周边仅少量步行道、路灯、长椅等城市元素，以 “自然景观为主”；城市环境为卡斯托珀大街（Castroper Straße），繁忙的双向车道，中间及两侧设有停车场，周边为 2-5 层公寓楼，仅路边有少量行道树和树篱，以 “城市人工景观为主”。

实验时间限定在 2023 年 8 月至 2024 年 10 月，仅选择室外温度≥15℃、无降水的时段（上午 10 点至下午 6 点），同时控制了时段、天气、成长环境（城市 / 乡村）等潜在混杂因素，确保两组实验条件公平可比。

图 1. 自然暴露与城市暴露条件的位置分布

3. 实验流程

    

整个实验遵循 “前测→暴露→后测” 的流程，全程无干扰记录。

前测阶段：参与者签署知情同意书后，填写人口学问卷、抑郁量表（HAMD-21 项，评估抑郁症状严重程度）、自然联结量表（CNS-SF，评估与自然的联结程度），完成认知测试（DSST 数字符号替换测试，90 秒纸笔测试，敏感反映认知功能）；随后填写正负性情绪量表（PANAS）和视觉模拟量表（VAS，含 “压力感”“疲惫感”“不安全感”“焦虑感” 4 个维度，0-100 分评分），记录基线情绪状态。

参与者戴上便携式功能性近红外光谱（fNIRS）设备，设备调试完成后，步行前往指定场景。参与者在场景中站立 10 分钟，可自由观察周围环境，研究人员离场避免干扰，fNIRS 设备全程实时记录大脑皮层活动。

后测阶段：返回研究中心后，再次填写 PANAS 和 VAS 量表，重复 DSST 认知测试（更换符号和顺序，避免练习效应）。

图 2. 实验流程示意图

4. 核心技术

    

(1) 数据采集

研究采用先进的便携 NIRSport 2 近红外设备（NIRX Medical Technologies, Berlin, Germany，南京尖创科技为NIRx 设备中国区代理商），该设备配有16 个激光二极管发射器（波长 760/850nm，平均功率 < 1mW）和16 个双尖端雪崩光电二极管探测器，共 34 个有效通道，采样率 5.1Hz；

光极排列依据国际 EEG 10-20 系统和 ICBM 152 脑图谱，通过 NIRSite 2.0 软件定位，同时设置 16 个短距离通道（光源 - 探测器间距 8mm），用于后续排除头皮表层的系统伪影；最终分析 26 个通道，覆盖左右额极皮层（FPC）、背外侧前额叶皮层（dlPFC）、腹外侧前额叶皮层（vlPFC）、颞上回（STG）和视觉皮层（V1/2）等关键脑区。

图 3. 光极布局与感兴趣区域。展示了 16 个光源（S）和 14 个探测器（D），以及经分析的 26 个通道与彩色编码感兴趣区域（ROIs）的对应关系。在光源位置设置了 16 个短距离光极

（2） 数据预处理（减少噪声干扰）

通过 MATLAB 的 NIRS-KIT 工具箱对原始数据进行一系列处理。

修剪：截取 10 分钟有效数据；

通道剔除：计算头皮耦合指数（SCI），剔除 SCI<0.75 的低质量通道；

噪声回归：以与其他通道相关性最高的短距离通道为回归因子，去除系统性噪声；

线性去趋势：消除数据中的线性漂移；

运动校正：采用 TDDR 方法，修正头部运动导致的尖峰伪影和基线偏移；

滤波：使用三阶巴特沃斯滤波器，提取 0.01-0.10Hz 频率范围（反映大脑自发神经活动）；

转换：依据修正比尔 - 朗伯定律（DPF=6），将原始信号转换为血氧饱和度（HbO）变化数据。

（3） 数据处理

对预处理后的血氧数据，按脑区（ROI）计算平均值，通过傅里叶变换转换为功率谱，最终提取 0.01-0.10Hz 范围内的低频波动振幅（ALFF），作为反映大脑自发神经活动强度的核心指标。

5. 统计分析

    

(1) 基础统计

主要使用 SPSS 29.0，聚类置换检验使用 MATLAB R2023b；正态性检验采用 Shapiro-Wilk 检验，正态分布数据用独立样本 t 检验，非正态数据用 Mann-Whitney U 检验；相关性分析采用 Spearman 等级相关，探究抑郁症状与情绪、脑活动的关联；敏感性分析通过多元协方差分析（MANCOVA），控制抑郁症状态和抗抑郁药物的影响，验证结果稳健性。

(2) 聚类置换检验（CBPT）

为解决多重比较导致的假阳性问题，对额叶通道进行聚类置换检验。

聚类规则：以 3 个空间相邻（欧氏距离≤40mm）的通道为候选聚类；

迭代次数：10000 次随机重分配组标签，生成经验零分布；

显著性判断：聚类 t 值与零分布对比，p<0.05 为显著，同时计算效应量（Cohen's d）。

三、实验结果

1. 情绪与心理：自然暴露显著减少负面情绪，缓解压力与焦虑

实验开始前，自然环境组与城市环境组在各项心理指标上均无显著差异，包括积极情绪、负面情绪、抑郁症状严重程度、认知表现以及与自然的联结程度等，这为后续实验结果的有效性奠定了基础。暴露结束后，两组呈现出明显的差异化表现：自然环境组的负面情绪显著下降，而城市组反而略有上升；压力感方面，自然组呈现下降趋势，城市组则有所上升，两组差异明显；焦虑感和不安全感上，自然组均出现显著缓解，城市组却未显现明显改善，部分指标甚至略有加重。不过，无论是积极情绪的提升，还是认知表现的变化，两组均未呈现出具有统计学意义的差异。

图 4. 自然暴露与城市暴露对大脑激活的影响

2. 大脑活动：自然暴露降低左前额叶皮层及右颞上回激活

以低频波动振幅作为反映大脑自发神经活动强度的核心指标，分析发现自然环境与城市环境对大脑活动的影响存在明显的脑区特异性。与城市环境相比，自然环境暴露下，左腹外侧前额叶皮层和右颞上回的激活强度均显著降低，而额极皮层、背外侧前额叶皮层、视觉皮层等其他脑区的激活强度未呈现显著差异。为排除多重比较可能导致的假阳性问题，经聚类置换检验校正后，进一步确认左前额叶皮层（覆盖部分背外侧前额叶皮层和腹外侧前额叶皮层）存在显著的激活降低现象。值得注意的是，视觉皮层在两组中无显著差异，这表明自然与城市环境的影响并非源于视觉处理的全局变化，而是针对情绪调节相关脑区的特异性效应。

图 5. 大脑激活差异的可视化

3. 抑郁症状的影响：不干扰自然疗愈，反而增强负面情绪减少效应

敏感性分析结果显示，在控制抑郁症状态（患者 / 健康人）和抗抑郁药物使用后，环境类型对负面情绪变化的影响依然显著，而对积极情绪变化无显著作用；脑区激活的组间差异有所减弱，这可能与样本量较小、混杂因素的潜在影响有关。同时，抑郁症状态本身以及它与环境类型的交互作用，对情绪和脑激活均无显著影响，说明自然环境的疗愈效应不受抑郁状态或药物干扰。相关性分析进一步发现，抑郁症状越严重的参与者，在自然或城市环境暴露后，负面情绪下降得越多；此外，负面情绪的减少幅度与压力感、焦虑感、不安全感的减少幅度均呈显著正相关，表明情绪改善是全方位的，而抑郁症状、情绪变化与脑激活变化之间未发现显著相关性。