通過EEG超掃描技術研究工作量如何影響認知合作

實驗目的：

通過結合行為，主觀和神經(jīng)生理學數(shù)據(jù)來分析任務難度與合作之間的關系，研究工作量需求如何影響合作。

實驗方法：

實驗小組

從新加坡國立大學招募10名健康參與者。被試（25±3歲）被要求在實驗前避免飲酒，咖啡因和重餐。實驗室環(huán)境（光線強度，室溫，座位位置）也得到控制。另外，為了避免性別差異，實驗組僅由男性組成。

NASA多屬性任務組（MATB）

是一種基于計算機的任務，由美國宇航局旨在評估認知操作能力和需要不同層次的合作模擬條件，因為它可以提供必須是不同的任務由受試者并行參加，并且每個任務的難度也可以調整。MATB包含四個子任務：跟蹤（TRCK），聽覺監(jiān)視（COMM），資源管理（RMAN）和對事件開始的響應（SYSM）。

實驗方案：

要求參與者連續(xù)三周練習并學習正確執(zhí)行MATB，然后在最后一天（每次30分鐘）安排實驗。在合作期間，五對組合完成MATB的兩個難度級別：HARD和SUPER-HARD。

腦電記錄與預處理：

腦電圖由數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)（ANT Waveguard系統(tǒng)）記錄，采樣頻率為256（Hz）。參考電極位置為耳垂，接地為AFz通道，并且其阻抗保持在低于10KΩ。帶通濾波（高通1Hz，低通45Hz）。使用EEGLAB工具箱的特定程序來識別受人為因素（例如眨眼）影響的EEG時期。所有標記為偽影的EEG數(shù)據(jù)被剔除，得到無偽影的EEG數(shù)據(jù)，從中估計協(xié)作和工作量分析的參數(shù)。由于EEG傳感器功能異常，兩對組合不進入后續(xù)數(shù)據(jù)分析中。

實驗結果：

任務情況

任務表現(xiàn)指標上的雙尾t檢驗顯示，相對于HARD條件，SUPER-HARD條件下的性能顯著降低(p=0.01)。

主觀工作量感知

在NASA-TLX（美國航天員任務負荷指數(shù)量表）評分的t檢驗報告顯示，參與者在SUPER-HARD條件下感知到了顯著較高的工作量需求（p=0.0001）。

工作量評估

在MWI（工作量指數(shù)，額葉θ波段腦電通道和頂葉α波段腦電通道上估計的功率譜密度之間的比率）上的雙尾t檢驗報告了HARD和SUPERHARD條件之間的顯著差異(p=0.04)。特別是當任務的工作量需求增加時 (SUPER-HARD)，根據(jù)每組被試的大腦活動估計，MWI也增強了。

合作評估

對于每個感興趣的波段（θ和α），圖1.d顯示了在HARD和SUPER-HARD條件下兩組受試者之間連接的實驗樣本的平均值，它們之間存在顯著差異。

圖1  依次為a任務表現(xiàn)指標的t檢驗結果、b NASA-TLX評分的t檢驗報告、c MWI T檢驗結果、d 兩組被試在兩種難度任務下的腦間連接、e 兩組被試在兩種難度任務下θ和α波之間的關系

實驗結論：

從一項困難的合作任務轉變?yōu)橐豁椄щy的任務（SUPER-HARD），被試任務表現(xiàn)顯著降低，這和NASA-TLX測量以及工作量指數(shù)（MWI）計算出來的結果一致，這表明需要更多的智力資源來應對更苛刻的條件。隨著工作量的增加，腦間連接的強度也降低了，這表明一個被試影響另一個的活動減少。可能原因是兩個個體中疊加激活的減少，由于巨大的工作量，每個個體都將精力集中在自己的個人活動上而減少合作。

參考文獻：

Sciaraffa, N. , Borghini, G. , Arico, P. , Di Flumeri, G. , Toppi, J. , & Colosimo, A. , et al. (2017). How the workload impacts on cognitive cooperation: A pilot study. International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (pp.3961-3964).