通过EEG超扫描技术研究工作量如何影响认知合作

实验目的：

通过结合行为，主观和神经生理学数据来分析任务难度与合作之间的关系，研究工作量需求如何影响合作。

实验方法：

实验小组

从新加坡国立大学招募10名健康参与者。被试（25±3岁）被要求在实验前避免饮酒，咖啡因和重餐。实验室环境（光线强度，室温，座位位置）也得到控制。另外，为了避免性别差异，实验组仅由男性组成。

NASA多属性任务组（MATB）

是一种基于计算机的任务，由美国宇航局旨在评估认知操作能力和需要不同层次的合作模拟条件，因为它可以提供必须是不同的任务由受试者并行参加，并且每个任务的难度也可以调整。MATB包含四个子任务：跟踪（TRCK），听觉监视（COMM），资源管理（RMAN）和对事件开始的响应（SYSM）。

实验方案：

要求参与者连续三周练习并学习正确执行MATB，然后在最后一天（每次30分钟）安排实验。在合作期间，五对组合完成MATB的两个难度级别：HARD和SUPER-HARD。

脑电记录与预处理：

脑电图由数字监测系统（ANT Waveguard系统）记录，采样频率为256（Hz）。参考电极位置为耳垂，接地为AFz通道，并且其阻抗保持在低于10KΩ。带通滤波（高通1Hz，低通45Hz）。使用EEGLAB工具箱的特定程序来识别受人为因素（例如眨眼）影响的EEG时期。所有标记为伪影的EEG数据被剔除，得到无伪影的EEG数据，从中估计协作和工作量分析的参数。由于EEG传感器功能异常，两对组合不进入后续数据分析中。

实验结果：

任务情况

任务表现指标上的双尾t检验显示，相对于HARD条件，SUPER-HARD条件下的性能显著降低(p=0.01)。

主观工作量感知

在NASA-TLX（美国航天员任务负荷指数量表）评分的t检验报告显示，参与者在SUPER-HARD条件下感知到了显著较高的工作量需求（p=0.0001）。

工作量评估

在MWI（工作量指数，额叶θ波段脑电通道和顶叶α波段脑电通道上估计的功率谱密度之间的比率）上的双尾t检验报告了HARD和SUPERHARD条件之间的显著差异(p=0.04)。特别是当任务的工作量需求增加时 (SUPER-HARD)，根据每组被试的大脑活动估计，MWI也增强了。

合作评估

对于每个感兴趣的波段（θ和α），图1.d显示了在HARD和SUPER-HARD条件下两组受试者之间连接的实验样本的平均值，它们之间存在显著差异。

图1  依次为a任务表现指标的t检验结果、b NASA-TLX评分的t检验报告、c MWI T检验结果、d 两组被试在两种难度任务下的脑间连接、e 两组被试在两种难度任务下θ和α波之间的关系

实验结论：

从一项困难的合作任务转变为一项更困难的任务（SUPER-HARD），被试任务表现显著降低，这和NASA-TLX测量以及工作量指数（MWI）计算出来的结果一致，这表明需要更多的智力资源来应对更苛刻的条件。随着工作量的增加，脑间连接的强度也降低了，这表明一个被试影响另一个的活动减少。可能原因是两个个体中叠加激活的减少，由于巨大的工作量，每个个体都将精力集中在自己的个人活动上而减少合作。

参考文献：

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).