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生理学的研究范围十分宽广，不同研究领域对生理效应的定义也有很大差别。本书在 1.4.1 节中已经明确了生理效应的研究范围，即短时间内的人体生理反应。这些生理反应大多十分灵敏，并且需要通过电生理学的研究手段进行观测。因此，本节需要对电生理学的基础理论进行探讨，明确哪些生理指标对环境及声景敏感，并对这些指标的反应机制进行阐述。
人们对电生理的研究从两个多世纪以前就开始了，意大利医生路易吉·阿洛伊西奥·伽伐尼（Luigi Aloisio Galvani）在一次解剖实验中发现了青蛙肌肉的颤动，进而提出了“生物电”这一专业术语。在研究早期，科学界对生物电现象保持怀疑，主要的怀疑者是亚历山德罗·伏特（Alessandro Volta），他认为这有可能是一种热释电现象。生物电信号的原理就在两位先驱相互尊重又争议不断的过程中发展起来。随着科学技术的进步，现在生物电现象已经被解释清楚，这类关于肌肉及其他器官发出电信号的研究领域被称为电生理学（Electrophysiology） [98] 。电生理学是一门研究生物体受神经电信号作用及生物体发生放电现象的一门科学，是生理学的一个分支。
生物放电现象是神经肌肉细胞等细胞的细胞膜中钠、钾离子进行跨膜运动时产生的动作电位引起的。身体中各个器官在受神经调节的同时，几乎都会发生有节律的放电现象，这些现象通过一系列放大电路可以达到可观测的水平，进而可以在一定程度上反映人体的生理状态。由于生物的电信号十分灵敏且真实，故其经常在医学和心理学等相关研究领域中作为观测人体生理状态的可靠手段 [99] 。
为了将生物电信号稳定地记录下来，生理测量仪器起码需要由电极、放大器和显示器 3 部分构成。其中电极作为良好的导电体，将微弱的生物电信号导出；放大器由一系列放大电路构成，由于人体的生物电信号都十分微弱，一般只有毫伏级别，因此放大器负责将电信号进行滤波增益等；显示器负责将放大后的电信号呈现并记录下来。
电生理学将生理反应以电信号的形式进行观测和收集，将原本只能定性描述的生理反应定量化。随着技术的不断发展，自 20 世纪 60 年代起，计算机的运算能力不断提高，电生理技术已经逐渐从侵入式观测转变为无损伤检测，从原有的纸张记录形式转变为电子记录形式。本书中所用到的生理记录仪器为BIOPAC公司生产的MP160 生理记录仪，该仪器具有以下 3 个方面优势：①时间精度和测量精度高；②能够以模块化的方式实现对多种生理指标同时观测；③专业接口能够与E-prime刺激呈现软件连接，能够支持本书后续研究中的精确实验控制。
生理反应大多依靠神经和激素调节。其中神经调节通过电信号进行传输，信号从一个神经的神经元传输到神经末梢。神经末梢之间则通过激素刺激传输，将信号从一个神经传递到另一个神经。因此，生理反应的调节方式一般统称为神经-体液调节。
人在环境中的电生理反应主要依靠交感神经和副交感神经进行调节。从生理学角度来看，声信号是我们在外部环境中可检测到的环境变化，它可以引发人体的一系列无意识反应，从而使人体的稳态（体内的动态平衡状态）失去平衡。这些反应在面临相似情况的人群中是相似的，也是自动的，并由交感神经系统（Sympathetic Nervous System，SNS）进行调节；相反，则是副交感神经系统（Parasympathetic Nervous System，PNS）持续活跃以维持体内的动态平衡。长期以来，科学界一般认为交感神经系统和副交感神经系统都是自主神经系统（Autonomic Nervous System，ANS）的一部分 [100] 。
在听觉神经的认知过程中，携带着听觉信号的大脑区域协调着大脑对听觉刺激的反应方式，并且可能存在分离信息的途径。从耳蜗到听觉皮层的上升听觉系统已被证明可以对声音的物理或声学特性做出响应，并且在这一阶段听觉系统不能细致地区别声音的情感内容或声音的背景 [101] 。几乎是同时，边缘系统（情感性大脑）中的某些区域，例如杏仁核和岛状区域（被称为“突显网络”的核心枢纽），参与处理听觉刺激的情感强度。中枢神经系统响应着从两个上升路径中获取的听觉信息，将其整合并最终形成了人对声音信号的完整感知 [102，103] 。
人类生理反应的调节机制具有以下两方面的特点：首先，生理反应的调节是一种动态平衡，动态平衡是指在正常生理情况下发生的调节 [104] 。在这种情况下，身体可以有效应对各种挑战。这意味着在生物体的进化史中也存在着类似的挑战，从而使抵抗它们的有效反射的补偿反应得以发展。其次，生理反应具有一定的学习机制，换句话说，生理反应的调节是预先通过先前的经验进行调控的。近几十年的认知学研究结果表明，有机体利用过去的经验是更可取的，实际上也是更为普遍的，它可以利用过去的经验使其能够为潜在的挑战做好准备，并在潜在的挑战发生之前对其加以缓解。实现生理机能的机制未得到充分认识、调节是预期的反应，可以为即将发生的生理相关刺激提供更好的补偿或准备。
由于人体的稳态机制的存在，生理反应一般都是十分微弱的。例如，健康人的脉搏一般不会在静息态下有剧烈的变化。但同时，人的生理反应也在不停地对人所处的环境进行反馈。因此，环境的变化会对人的生理信号造成改变，而人体又在所处的环境中不断地调节生理信号以达到自身的稳定状态。在本书后文中对生理反应的讨论，就是观察人的常见的生理信号在不同环境中的变化，进而总结出相应的变化规律。
本书 1.4.1 节中已经明确界定了生理信号的概念，在本节中，将分别讨论后续实验研究中涉及的常见生理信号，分析这些信号的常见生理指标的计算方式，以及生理指标与情绪、压力等生理状态的关系。
心电是指在心脏的每个心动周期中生物电信号的规律性变化，这些变化主要是由心脏内的起搏点、心房和心室的相继兴奋引起的。心电的研究主要有时域和频域两方面。
时域方面主要包括心率、R波幅度和心率变异性（Heart Rate Variability，HRV）等参数。其中，心率通常是计算 1 min内心动周期的次数（RR间期个数）；R波幅度是通过计算每次心动周期中的R波与基线之间的幅值得出的；心率变异性是指逐次心跳周期之间差异的变化情况，由每两次RR间期之间的差值构成，一般用一段时间内RR间期的标准差表示。
心电的频域参数也是反映生理状态的重要参数，通过傅里叶变换将时域信号转换成频域信号，再分别计算各个频谱带中的功率谱密度，从而得到超低频、低频、高频和超高频 4 个频率带下的心电频域参数。其中，心率变异性的低频带（LF-HRV）、高频带（HF-HRV）以及低频与高频的比值（LF/ HF-HRV）通常容易受环境以及情绪的影响。
因此，本研究中的心电指标包括心率、R波幅度、心率变异性、低频心率变异性、高频心率变异性以及低频与高频的比值。在一般情况下，心率的变化与恐惧等情绪相关，同时也反映了人对压力的感受 [105，106] 。心率越高，表明人的生理状态可能越紧张。交感神经的激活或副交感神经活性的降低会导致心脏加速跳动，反之会导致心率减速。R波幅度反映了心电信号的幅度，该值与血压值显著相关 [107] ，并可以用作情绪分类的指标 [108] 。研究表明，人在唤醒度较高的音乐中R波幅度会降低，在镇静音乐中的R波幅度要显著高于唤醒度高的音乐 [109] 。因此，越低的R波幅度可能代表了越舒适的状态 [110] 。
心率变异性在本书中通过SDNN法（Standard Deviation of N-N intervals，SDNN）进行计算，该方法是计算全部窦性心搏RR间期（或称“NN间期”）的标准差。心率变异性的时域信号表明了副交感神经的活性，一般而言，心率变异性可以作为评估威胁、安全性以及压力的指标，压力的升高通常会使心率变异性降低 [111] 。因此，心率变异性越高表明人的状态越紧张，而心率变异性越低则表明人的状态越放松 [112-114] 。低频心率变异性和低频与高频心率变异性的比值表明了副交感神经的活性，它们的值越高表明人的状态越接近舒适和平静。高频心率变异性的变化正好相反，反映了交感神经的活性，其值越高表明人越紧张 [115，116] 。为了表述方便，在本书各章节中，将心率变异性中的频域信号——低频心率变异性、高频心率变异性以及低频与高频的比值分别简称为低频、高频和低高比。
脑电是人体头皮上相应位置的微弱电位信号的变化，不同的位置反映了不同脑区的大脑皮层的活动状态，听觉神经的反应主要和大脑中的颞叶区域相关 [117，118] 。脑电的研究主要包括时域、频域、时频域和空间域 4 个方面。脑科学研究是一门比较完善的独立学科，已有大量的研究方法，本书由于篇幅限制，仅对后续研究中所涉及的频域分析法进行描述。首先，将原始的时域信号转换至频域，获得频谱，再从中计算特征。根据频率带的不同，脑电信号可以分解为 5个子频段：δ波（1~4 Hz），θ波（4~8 Hz），α波（8~12 Hz），β波（13~30 Hz），γ波（31~45 Hz） [119，120] 。
在对脑电波进行记录的同时，需要同时记录人体的眼电信号，以去除眼电伪迹。眼电是人体调节眼球运动过程中的电信号反应，显示了眼球周边的肌肉的紧张程度。检测眼球左右的电位差值可以观察眼球的水平位移，检测眼球上下的电位差可以观察眼球的垂直位移。这样观测，就可以捕捉到人体眼球的动作，进而研究人的注意力的走势。
眨眼频率与疲劳等身体状态相关，一般情况下，人在精力集中或压力状态下，眨眼频率会降低；而在放松或疲劳状态下眨眼频率会有所升高 [121，122] 。记录眼电的另一个作用就是去除脑电信号中的眼电伪迹 [123] 。由于眼电信号十分强烈，会干扰脑电信号的测量，一般在进行脑电数据处理时会先去除掉眨眼等眼电信号的干扰。对于本书中研究的脑电信号，在计算之前均去除了眼电伪迹。
本书研究中主要涉及脑电的生理指标为α脑电波和β脑电波，因为这两种脑电波是人在日常清醒状态下的脑电波的主要成分。α脑电波的上升与人的愉悦和放松状态相关，而β脑电波的活跃状态被证实与人的思考活动相关。
呼吸波是对呼吸过程的记录，通常有两种形式的测量方法：一种是面罩式，另一种是绑带式。面罩式测量是将面罩扣在人体口鼻处，通过测量人体呼吸的气体量来进行测量。绑带式测量则将弹性绑带绑在人体胸前，依靠测量胸部的起伏间接测量呼吸过程。绑带式测量相比面罩式测量，无法计算出具体的呼气量，因为胸部绑带的幅度靠弹力计算，这与测量时绑带的预紧力度有关。但面罩式测量可能会给人体造成不适，还容易遮挡视线；不仅如此，呼吸面罩还很可能与脑电的测量电位冲突，影响脑电的测量精度与计算的准确性。因此，本书中采用绑带式测量进行呼吸波的测量。本书的所有生理数据都经过归一化处理，再进行统计分析，这一步将在最大程度上消除个体间在基础状态下生理指标的差异，同时也消除了绑带式测量过程中个体之间无法进行比较的不足。详细的归一化计算方法将在 2.3.2 节中描述。
本书中涉及的呼吸波生理指标主要有呼吸频率和呼吸深度两种。呼吸频率就是呼吸的快慢，一般情况下人在剧烈运动的情况下呼吸会变得急促。在静止状态下，呼吸频率与恐惧等情绪相关，恐惧和其他强烈刺激会使人的呼吸频率升高 [124，125] 。呼吸深度则表明了人每次在呼吸状态下的气体交换量，医学中一般将其定义为潮气量。该值与疲劳和放松等状态相关，人在疲劳或放松状态下，呼吸深度可能会升高 [126，127] 。
皮肤电阻是十分敏感的生理指标，本书中观测皮肤电阻的生理指标是每个刺激中皮肤电反应的最大值（Skin Conductance Level，SCL），人体的皮肤电阻值反映了人体皮肤的电活动情况。学界一般认为，皮肤电阻受交感神经调控，交感神经的激活会引起人体皮肤汗腺状态的改变，进而影响皮肤的电阻抗能力，从而造成皮肤电阻值的改变。皮肤电阻与紧张等情绪密切相关，此外，恐惧、愤怒以及焦虑等负面情绪的激活也会使皮肤电阻值升高 [128-130] 。
由于人体指尖皮肤中汗腺分布十分密集，一般情况下，人体两根手指之间的电阻值代表皮肤电阻。本书中以测量的被试的非利手的食指和中指之间的电阻值代表该被试的皮肤电反应。
体表温度测量是一种非侵入性的人体温度测量方法，其通过对体表部分区域的温度检测来反映人体体温的变化。通常情况下人的体温是恒定的，在疾病（尤其是炎症）或应激状态下会有所升高。此外，体温的变化与人的日常生理周期相关，一般情况下人体体温在夜间会偏高，早上会偏低。本研究所采集的皮肤区域为人体手背的体表温度，其值要比人体的体内温度低。体表温度与交感神经关系密切，交感神经激活可以使末梢血管收缩，因而体表温度会降低 [131] 。还有一些研究表明，体表温度的变化与恐惧和愤怒等情绪相关，但尚无文献反映体温与放松状态之间是否存在明确的相关性 [132，133] 。
综上所述，本节中对人体生理效应中反应较为敏感且无须侵入的生理信号进行了总结和分析。如表 2.2 所示为本书后续研究中涉及的生理信号和生理指标。
表 2.2 本书后续研究中涉及的生理信号和生理指标
续表
