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人与狗的互动方式 饶 机器翻译 / 2026年05月01日 / 约 15 分钟
人与狗的互动方式及狗的熟悉度对急性应激后前额叶连接性和自主神经恢复的差异性调节：一项功能性近红外光谱研究 Brianna Kish1, Reina Nishiura2, Niwako Ogata2,*, Yunjie Tong1,* 1Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, IN; 2The Purdue University College of Veterinary Medicine, Purdue University, West Lafayette, IN 摘要 人与狗的互动被广泛用于缓解压力，但急性应激期间及恢复过程中伴随的皮质和自主神经动态变化尚未得到充分表征。本研究中，70名成年狗主人完成了标准化应激协议，期间采用功能性近红外光谱（fNIRS）持续监测前额叶皮质活动，同时收集主观压力评分和唾液皮质醇数据。随后，参与者进入恢复阶段，通过与伴侣犬互动进行干预，干预方式分为接触类型（直接面对面互动vs.间接视频通话互动）和熟悉度（自己的狗vs.陌生的狗）两个维度。研究通过心率（HR）、心率变异性（HRV）、低频和高频谱功率（LF、HF及LF/HF比值），以及基于fNIRS通道间最大互相关系数的前额叶功能连接性（FC）量化应激反应。如预期所示，从基线到应激阶段，心率、心率变异性衍生指标和功能连接性均显著升高，证实自主神经和前额叶网络被有效激活。在恢复阶段，所有犬类互动条件下，心率、LF/HF比值和功能连接性均向基线水平或低于基线水平降低，与生理和神经层面的应激恢复一致；其中直接互动与副交感神经的显著增强相关，且在某些情况下功能连接性的下降显著低于基线水平。在所有组中，心率变异性、LF/HF比值和功能连接性是主观压力评分最稳定的预测因子，而与皮质醇的相关性有限。这些发现表明，人与狗的互动可促进急性应激后自主神经和前额叶的协同恢复，且功能性近红外光谱衍生指标或可作为一种应激调节标志物，能够区分高认知负荷和低认知需求状态，其功能超越传统应激指标。 引言 人与动物的互动对压力调节、情绪及整体幸福感的积极影响已被广泛证实。此类互动与身心健康的改善相关，包括认知功能和情绪稳定性的提升¹⁻³。近年来，伴侣动物和人与动物的互动在医疗保健和生活质量提升项目中的重要性日益凸显，尤其适用于创伤后应激障碍、抑郁症等情绪相关疾病患者⁴⁻⁵。在各类伴侣动物中，犬类的应用最为普遍，人与狗的互动已被证实具有多种生理益处，如降低心率和血压，同时还能带来减少孤独感、改善情绪等心理益处¹・²・⁶・⁷。 尽管动物陪伴的长期健康益处已得到充分证实（例如降低高血压发病风险和改善血压控制⁸），但人与狗互动的短期效应（尤其是在应激环境中的介导作用）仍有待明确。研究一致表明，与动物互动可降低感知压力，但这一效应的潜在机制尚未完全阐明⁹⁻²⁰。例如，艾伦等人（Allen et al.）报道，当有狗在场时，参与者在应激测试中的心率和血压显著降低²¹。类似地，马托斯-蒙特斯等人（Martos-Montes et al.）观察到，在有狗在场的情况下，完成特里尔社会应激测试（Trier Social Stress Test）的大学生心率降低，但血压无变化²²。相比之下，马乔娃等人（Machová et al.）发现，与狗进行10分钟的短暂互动可改善情绪，但心率和血压未发生相应变化²³。这些不一致的生理研究结果表明，仅依靠传统指标可能不足以充分表征应激反应和恢复过程。 神经成像技术为探究人与动物互动背后的心理和神经机制提供了新的契机。采用功能性近红外光谱（fNIRS）的研究报道，与静息状态相比，与狗互动时前额叶皮质激活增强²⁴・²⁵；而脑电图（electroencephalography）研究显示，α波和β波功率增加，表明注意力增强且无应激状态²⁶。此外，李等人（Lee et al.）发现，即使是间接接触狗（如观看狗玩耍的视频），也能产生类似的α波和β波功率增加效应²⁷。这些发现表明，无需直接身体接触，与狗相关的刺激也可能有助于改善应激反应。 尽管取得了这些进展，现有文献仍存在重要空白。很少有神经成像研究探讨人与动物互动在应激恢复中的作用，同时考虑动物熟悉度等个体差异，或直接比较不同互动模式的效果。这一局限性在现代社会尤为重要，如今宠物主人越来越多地通过宠物摄像头、视频通话等平台与宠物进行数字化互动²⁸。因此，了解间接互动是否能提供与面对面接触相当的减压效果，其重要性日益凸显。 为填补这些空白，本研究采用功能性近红外光谱技术，探究应激状态下人与狗互动的生理、心理和神经相关性。具体而言，本研究旨在回答以下问题： 功能性近红外光谱衍生的神经活动指标与感知压力是否相关？ 方法 参与者 本研究成功招募了70对狗主人-狗组合（男性：5人，女性：65人，非二元性别/第三性别：1人；18-35岁：43人，36-55岁：28人）。参与者的招募标准如下：主人需年龄在18-55岁之间，与狗相伴6个月以上，无循环系统疾病或恐慌症，且不服用任何特定药物；狗需年龄在1-12岁之间，体重超过15磅（约6.8kg），无影响活动的重大健康问题，且性格友好温顺（即无攻击行为或严重的分离焦虑）。所有参与者均签署了书面知情同意书。 实验方案 首次访问前，通过在线问卷收集参与者的人口统计学信息（完整清单见图1a）。每次访问时，为参与者佩戴功能性近红外光谱帽，该设备包含20个通道，覆盖前额叶皮质（采样率：7.185Hz；探头布局见图1b；设备型号：NIRScoutXP，德国柏林NIRx Medizintechnik GmbH公司）。本实验选择功能性近红外光谱技术监测神经元活动，因其可测量氧合血红蛋白和去氧血红蛋白浓度的变化。通过神经血管耦合效应，该技术既能反映神经元需求，也能捕捉由心跳等基本生理过程引起的血流变化。随后收集基线唾液皮质醇样本（浓度越高，生理应激水平越高）和主观压力评分，主观压力评分采用视觉模拟评分法（VAS，范围：0-100分，分数越高，主观压力越大）。 a）实验方案。参与者在首次访问前完成在线人口统计学问卷。两次访问期间，均在3分钟基线扫描、10分钟应激测试和20分钟恢复期收集功能性近红外光谱数据。在时间点T1、T2和T3收集唾液皮质醇样本和主观压力评分。A组参与者与狗进行直接或间接互动，B组参与者与自己的狗或陌生的狗进行间接互动。参与者返回进行第二次访问，以另一种恢复期条件重复该过程。b）功能性近红外光谱探头配置，7个检测器（绿色）和8个光源（红色）放置在前额叶皮质（20个通道）。c）直接犬类互动条件示例。d）间接犬类互动条件示例。 参与者随后完成3分钟的静息态功能性近红外光谱记录，期间需保持静止并专注于视觉注视点。之后进行马斯特里赫特急性应激测试（MAST）。该应激任务采用交替块设计，包含认知应激源（心算）和生理应激源（冷加压测试），参与者需将左手浸入冰水（4℃）中，总时长约10分钟²⁹。应激任务结束后，收集应激后唾液皮质醇样本和视觉模拟评分法评分。 参与者随后进入20分钟的恢复阶段，并根据犬类互动类型被分配至两组之一。A组（n=40）与自己的狗进行直接或间接互动（图1c），而B组（n=30）与自己熟悉的狗或陌生的狗进行间接互动（图1d）。每位参与者在不同访问中互动条件的顺序随机分配。 在直接互动条件下，允许参与者的狗在围栏内自由活动，与主人相伴。参与者可通过任何他们认为最能缓解压力的方式与狗互动（例如抚摸、观察、交谈），同时需尽量减少头部移动，以降低功能性近红外光谱信号中的运动伪影（图1c）。在间接互动条件下，狗被安置在单独的房间，通过音视频通信（Zoom，美国加利福尼亚州圣何塞Zoom视频通信公司）与参与者互动。参与者还可通过口头请求远程给狗喂食（图1d）。恢复阶段结束后，收集最终的唾液皮质醇样本和视觉模拟评分法评分。 数据分析 所有功能性近红外光谱数据均在MATLAB（MATLAB 2021b；美国马萨诸塞州纳提克MathWorks公司）中采用以下流程进行预处理：将光吸收值转换为氧合血红蛋白和去氧血红蛋白浓度变化（分别为Δ[HbO]和Δ[Hb]）、运动校正（基于峰度的小波算法）³⁰、去趋势化和带通滤波（0.01-2Hz）。在个体受试者内，排除运动过多或信号质量不佳（例如未检测到心跳）的通道。由于数据质量不佳，排除了A组2名参与者和B组2名参与者的扫描数据。由于氧合血红蛋白信号强度更高，所有后续分析均使用Δ[HbO]信号。 随后将数据分为3分钟基线期、10分钟应激测试期和20分钟恢复期。考虑到人类行为在长时间内可能波动，将恢复期数据进一步分为前10分钟和后10分钟。为评估生理应激反应，计算每个阶段的心率（HR）、心率变异性（HRV）、总低频功率（LF；0.04-0.15Hz）、总高频功率（HF；0.15-0.4Hz）以及低频功率与高频功率的比值（LF/HF）。心率以相对于基线测量值的变化表示，以解释个体基线心率的差异。心率变异性计算为RR间期标准差（SDNN）与RR间期导数均方根（RMSSD）的比值，该方法反映交感神经系统和副交感神经系统活动的平衡，比值越高表明交感神经占优势³¹。通过MATLAB函数pwelch和bandpower确定谱功率。最后，通过功能连接性（FC）测量心理应激反应。简要来说，将功能性近红外光谱时间序列滤波至神经元低频范围（0.01-0.1Hz），并对所有通道对进行互相关分析。将所有通道对的平均最大互相关系数（MCCC）报告为功能连接性。在平均前排除0.3以下的最大互相关系数，以去除虚假相关性³²。 统计分析 采用四因素方差分析（ANOVA）对所有功能性近红外光谱衍生指标进行分析，比较不同实验阶段（基线期、应激期和恢复期）的差异（A组：间接或直接互动；B组：熟悉或陌生的狗），并考虑年龄、性别和基线视觉模拟评分法评分的影响。纳入基线视觉模拟评分法评分是为了说明实验范式开始前参与者的初始应激水平。随后采用杜凯氏诚实显著性检验（Tukey’s honest significant test）进行组间多重比较，以确定显著性。此外，在调整年龄和性别后，对功能性近红外光谱指标与皮质醇和视觉模拟评分法数据进行线性建模。由于皮质醇值无效，A组1名参与者被排除在linear建模之外。 结果 图1a和图1b呈现了心率分析结果。结果显示，心率从基线期到应激期升高，随后在恢复期显著下降，这与之前采用马斯特里赫特急性应激测试的研究一致³³。所有互动条件下均观察到显著下降，A组的直接互动与间接互动之间、B组的熟悉狗与陌生狗之间均无差异。心率变异性方面，从基线期到应激期显著升高，随后在恢复期下降。在A组中，这种下降在恢复期后半段最为明显。互动条件之间未观察到显著差异。 两组的低频功率在实验阶段或互动条件之间均未观察到显著变化，但与基线相比，所有阶段均呈现非显著性升高（图2a、b）。两组的高频功率均呈现类似的升高趋势，且在A组中，直接互动条件的前半段和后半段与基线记录相比显著升高（图2c、d）。最后，对于LF/HF比值，两组从基线期到应激期均显著升高。在A组中，仅直接互动条件的后半段与应激期相比显著下降（图2e）。在B组中，所有互动条件下与应激期相比均显著下降，但后半段功率更高；然而，互动条件之间无差异（图2f）。 图2应激测试期间的心率和心率变异性变化（A组：左列，B组：右列） a、b）基线期、应激期和恢复期心率相对于基线测量值的变化。c、d）基线期、应激期和恢复期的心率变异性。恢复期分为前10分钟和后10分钟。星号表示组间显著差异（：p<0.05，：p<0.01， ：p<0.001）。 图4呈现了功能连接性分析结果。在A组中，平均最大互相关系数从基线期到应激期显著升高，随后所有互动条件下均显著下降。此外，直接互动条件下的最大互相关系数显著低于基线期，而间接互动条件下未观察到这一现象（图4a）。在图4b中，观察到从基线期到应激期同样的升高趋势，随后所有互动条件下均下降。基线与互动条件之间、熟悉和陌生互动条件之间均未发现显著差异。 图4应激测试期间的平均功能连接性（A组：左列，B组：右列） a、b）基线期、应激期和恢复期的平均最大互相关系数。恢复期分为前10分钟和后10分钟。星号表示组间显著差异（：p<0.05，：p<0.01， ：p<0.001）。 表1报告了6项功能性近红外光谱衍生指标与皮质醇和视觉模拟评分法实验数据之间的线性回归结果。显著相关性（p<0.05）用星号标记。在A组中，功能连接性是皮质醇和视觉模拟评分法的显著预测因子，心率、心率变异性和LF/HF比值是视觉模拟评分法的显著预测因子。在B组中，心率变异性、低频功率、高频功率、LF/HF比值和功能连接性均是视觉模拟评分法的显著预测因子。两组中，皮质醇均未观察到显著相关性。在两组中，仅有心率变异性、LF/HF比值和功能连接性是视觉模拟评分法的显著预测因子。 表1功能性近红外光谱指标与皮质醇和视觉模拟评分法的线性建模 报告了功能性近红外光谱指标（心率、心率变异性、低频功率、高频功率、LF/HF比值和功能连接性）与唾液皮质醇和视觉模拟评分法数据的线性回归p值。结果调整了年龄和性别因素。 本研究采用功能性近红外光谱技术，探究了应激对人体的心理和生理影响，以及人与狗互动期间的恢复过程。研究采用了两种犬类互动模式：直接互动与间接互动、陌生狗与熟悉狗。结果表明，在应激测试引发的认知负荷和感知压力增加的情况下，大多数功能性近红外光谱指标升高，而在引入狗陪伴后降低。尽管陌生狗和熟悉狗的效应之间未发现明显差异，但直接互动相比间接互动似乎更能影响应激恢复。 心脏指标 A组和B组的心率均从基线期到应激期升高，随后在恢复期下降（图2a、b）。作为身体“战斗或逃跑”反应（即交感神经系统激活）的一部分，大脑会响应外部应激源释放肾上腺素，导致心率升高。当身体适应或摆脱应激源时，“休息和消化”反应（即副交感神经系统激活）启动，释放乙酰胆碱，降低迷走神经刺激，从而降低心率。如结果所示，马斯特里赫特急性应激测试足以引发显著的应激反应，这与之前的研究一致，且犬类互动足以使心率恢复至基线水平³⁴。心率的这些波动进而导致心率变异性的相应变化（图2c、d）。将心率变异性计算为RR间期标准差与RR间期导数均方根的比值，可突出交感神经系统与副交感神经系统活动的效应³¹。因此，我们的数据与已知的暴露于应激环境时交感神经活动增强的结论高度一致。值得注意的是，所有犬类互动条件均引发了类似的放松反应，无显著差异。 频率反应 我们通过信号的频率成分进一步探究了自主神经活动。先前的研究已证实，血液信号中的低频带（0.04-0.15Hz）是与交感神经系统活动相关的心率变异性成分，而高频带（0.15-0.4Hz）则相应地与副交感神经系统相关³⁵。令人惊讶的是，A组和B组的低频功率在实验阶段之间均未观察到显著差异；然而，与基线相比呈现升高趋势。在高频功率方面，B组未观察到变化，但A组中从基线期到直接互动条件显著升高（图3）。这可能表明，直接的犬类互动触发了显著的副交感神经激活，与更强的“休息和消化”功能或镇静效应一致。据我们所知，这是首个观察到这一对比的研究。 与我们计算心率变异性的方法类似，LF/HF功率比突出了交感神经活动相对于副交感神经活动的强度。结果显示，从基线期到应激期该比值升高，随后在犬类互动阶段下降。有趣的是，A组中仅直接互动条件与应激期相比显著下降，而B组中所有条件均显著降低（图3e、f）。总之，这些结果可能表明，在我们的应激测试期间，生理变化的驱动因素可能并非交感神经活动，而是交感神经和副交感神经活动的综合效应。 图3应激测试期间的总频段功率（A组：左列，B组：右列） a、b）基线期、应激期和恢复期的低频（0.04-0.15Hz）功率。c、d）基线期、应激期和恢复期的高频（0.15-0.4Hz）功率。e、f）基线期、应激期和恢复期的低频功率与高频功率比值。恢复期分为前10分钟和后10分钟。星号表示组间显著差异（：p<0.05，：p<0.01， ：p<0.001）。 神经元活动 功能连接性表征了不同大脑区域活动的一致性。前额叶皮质（PFC）作为信息处理、决策和自我监控的执行中枢发挥作用。在前额叶皮质内，工作记忆任务、规划等过程中，区域内的一致性和活动较强。静息状态下，这种活动下降，内部一致性降低，转而倾向于遵循默认模式网络的模式³⁶。我们的数据恰好验证了这一原理（图4）。当认知负荷较高时，应激测试期间的功能连接性显著升高。当参与者放松并与狗互动时，不再需要高阶执行功能。该区域内的活动和一致性相应下降。值得注意的是，直接互动阶段的功能连接性也显著低于基线阶段，这表明转向需求更低的安全状态，减少了对持续自上而下控制和自我监控的需求。这可能反映了情绪压力的减轻，而非神经脱离。 感知压力和皮质醇 本研究在三个时间点收集了常见的应激指标（视觉模拟评分法和皮质醇）：基线期、应激后和互动后阶段。本研究是一项更大规模项目的一部分，该项目旨在探究人与动物互动在急性应激恢复中的作用，关于互动类型和动物熟悉度之间视觉模拟评分法和皮质醇的具体分析将单独呈现。 为确定这些指标是否与功能性近红外光谱衍生指标相关，进行了线性回归分析。仅A组中皮质醇与功能连接性之间观察到显著相关性。对于视觉模拟评分法，所有指标均观察到显著相关性，但两组中仅有心率变异性、LF/HF比值和功能连接性与视觉模拟评分法显著相关。这可能表明，感知压力的起源既包括心理层面（前额叶皮质的认知负荷），也包括生理层面（交感神经系统与副交感神经系统活动的比值）。这在应激恢复领域具有令人振奋的意义，并进一步表明，狗的干预是一种有前景的减压工具，因为所有犬类条件均显著影响了心率变异性、LF/HF比值和功能连接性。 局限性 本研究的参与者主要为女性。尽管记录了狗的行为（即狗的兴奋性、与主人的互动程度），但在这些分析中未予以考虑。未来的研究将探究人与狗的行为和生理之间的相互作用。 结论 本研究从心理和生理角度探究了狗的干预在应激恢复中的作用。犬类互动模式的结果表明，尽管所有犬类互动类型（直接和间接互动、陌生狗和熟悉狗）均能有效降低常见应激指标，但直接互动提供了最强的效果，甚至超过了静息状态。本研究的结果可为未来动物辅助干预的开发提供重要参考。
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