基于信息加工的理論與模型在腦力負(fù)荷生理測(cè)量中的應(yīng)用

李文斌，謝小萍，常耀明

(空軍軍醫(yī)大學(xué) 航空航天醫(yī)學(xué)系，西安 710032)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，腦力勞動(dòng)在勞動(dòng)中逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。腦力勞動(dòng)主要是運(yùn)用大腦的思維與記憶進(jìn)行感知、分析、判斷及決策的高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)[1]。腦力勞動(dòng)強(qiáng)度一定程度上可通過腦力負(fù)荷來衡量。腦力負(fù)荷產(chǎn)生于作業(yè)人員用有限的腦力資源來處理任務(wù)的過程中[2]。適度的腦力負(fù)荷有利于維持良好的工作績(jī)效，而過高的腦力負(fù)荷會(huì)使工作績(jī)效下降。因此，腦力負(fù)荷測(cè)量對(duì)提高人機(jī)系統(tǒng)效率和安全有著至關(guān)重要的作用。腦力負(fù)荷測(cè)量在飛機(jī)駕駛、汽車駕駛、信息監(jiān)視與處理以及電腦操作等領(lǐng)域有著較為廣泛的研究。腦力負(fù)荷是人機(jī)交互作用的一個(gè)抽象屬性，因此它無法被直接觀測(cè)[3]。但可以通過測(cè)量作業(yè)人員的多種生理反應(yīng)來間接測(cè)量腦力負(fù)荷。其理論基礎(chǔ)是腦力勞動(dòng)中的信息加工過程會(huì)引發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)，神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)可引起相應(yīng)生理指標(biāo)的改變。

腦力勞動(dòng)與信息密不可分，經(jīng)感官接受的信息通過大腦的加工，從而獲得任務(wù)的執(zhí)行。在腦力勞動(dòng)的過程中，作業(yè)人員首先經(jīng)感覺器官接受信息，然后通過大腦對(duì)信息進(jìn)行加工，從而完成任務(wù)的執(zhí)行。在信息加工的過程中，信息處理的各個(gè)階段都依賴于人的信息處理資源。信息處理資源的調(diào)動(dòng)及分配可導(dǎo)致生理指標(biāo)的改變，因此研究信息加工過程有利于深入探討生理指標(biāo)反映腦力負(fù)荷的機(jī)制。本文基于信息加工的理論和模型進(jìn)行綜述，闡述了信息加工的過程和選擇性注意在信息加工中的作用，并對(duì)基于信息加工的理論在腦力負(fù)荷生理測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

2 認(rèn)知負(fù)荷理論和信息加工模型

腦力負(fù)荷又被稱為心理負(fù)荷、精神負(fù)荷或者認(rèn)知負(fù)荷，腦力負(fù)荷一般產(chǎn)生于對(duì)體力要求較小的任務(wù)，而這種任務(wù)對(duì)作業(yè)人員的認(rèn)知、思維、判斷等要求較高。腦力負(fù)荷的產(chǎn)生與信息加工有著緊密的聯(lián)系。信息加工的過程即認(rèn)知，它是人獲得知識(shí)或應(yīng)用知識(shí)的過程[4]。它包括感覺與知覺、注意、信息的理解與判斷、問題的解決與決策、知識(shí)與記憶的形成等過程。

2.1 認(rèn)知負(fù)荷理論(Cognitive Load Theory,CLT)

Miller首先提出人的工作記憶能力是有內(nèi)在限制的[5]，這是認(rèn)知負(fù)荷理論(Cognitive Load Theory，CLT)的研究雛形。John Sweller在研究問題解決的同時(shí)提出了CLT，該理論將認(rèn)知負(fù)荷分為三種類型：內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、外在認(rèn)知負(fù)荷和關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷[6]。

內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷是認(rèn)知任務(wù)本身的屬性，它由認(rèn)知任務(wù)的難度決定并受作業(yè)人員自身能力的影響[7]。在認(rèn)知任務(wù)的信息加工過程中，作業(yè)人員首先需要對(duì)任務(wù)中所有信息以及信息與信息之間的相互作用進(jìn)行充分的理解，才能進(jìn)一步進(jìn)行信息加工。當(dāng)任務(wù)中的信息過多或者信息之間的相互作用過于復(fù)雜，即任務(wù)的難度越大，那么內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷也就越大。

外在認(rèn)知負(fù)荷是由信息呈現(xiàn)的方式所產(chǎn)生[7]。它與信息呈現(xiàn)方式的不合理性有關(guān)，不合理的信息呈現(xiàn)方式會(huì)對(duì)作業(yè)人員的信息加工過程有一定的阻礙作用或者需要作業(yè)人員進(jìn)行不必要的認(rèn)知操作，從而讓作業(yè)人員感受到認(rèn)知負(fù)荷較高，但它與任務(wù)本身并沒有關(guān)系。因此外在認(rèn)知負(fù)荷是一種額外的認(rèn)知負(fù)荷，可以稱為無效認(rèn)知負(fù)荷[8]。

關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷是對(duì)信息進(jìn)行加工處理時(shí)所產(chǎn)生的[9]。它是作業(yè)人員在任務(wù)過程中對(duì)任務(wù)相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)質(zhì)性認(rèn)知操作所產(chǎn)生的，即任務(wù)信息的加工過程和結(jié)果。關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷體現(xiàn)了作業(yè)人員對(duì)任務(wù)有關(guān)信息的有效認(rèn)知，因此也可稱為有效認(rèn)知負(fù)荷[8]。

2.2 信息加工模型

信息加工模型是描述人對(duì)外界信息認(rèn)知過程的理論模型，模型中一般包括感覺、知覺、注意、記憶等認(rèn)知理論。

簡(jiǎn)單的信息加工模型一般包括感覺存儲(chǔ)、短時(shí)記憶和永久記憶三種心理結(jié)構(gòu)并且三種心理結(jié)構(gòu)之間相互影響。Wickens在簡(jiǎn)單的信息加工模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步總結(jié)并提出了一種信息加工模型。該模型描述了一系列處理階段或心理操作，這些階段或操作描述了人執(zhí)行任務(wù)時(shí)的信息流[10]。其模型共包含四個(gè)階段和兩種記憶：感覺階段、知覺階段、反應(yīng)的選擇階段、反應(yīng)的執(zhí)行階段以及工作記憶和長(zhǎng)時(shí)記憶，同時(shí)增加了注意和反饋兩個(gè)重要的元素。其信息加工模型的框架如圖1所示。

人通過視覺、聽覺等感覺接受環(huán)境中的信息，并且部分信息可被短暫的保存在短期感覺存儲(chǔ)(Short Term Sensory Store，STSS)。在感覺到的信息中，只有很少的一部分信息被實(shí)際感知，形成知覺。知覺的形成是利用過去的經(jīng)驗(yàn)來理解被實(shí)際感知信息含義的過程，而過去的經(jīng)驗(yàn)存儲(chǔ)在長(zhǎng)期記憶中。感知后的信息后可通過兩條途徑進(jìn)一步進(jìn)行加工處理。第一條途徑為信息被感知后通過對(duì)反應(yīng)的多種可能性進(jìn)行選擇，最后執(zhí)行相應(yīng)的反應(yīng)。第二條途徑為信息被感知后通過工作記憶暫時(shí)保存對(duì)信息的理解，然后主動(dòng)收集并獲取更多的相關(guān)信息，對(duì)這些信息進(jìn)行思考，最后對(duì)信息做出反應(yīng)或?qū)⑿畔⑻峤唤o長(zhǎng)時(shí)記憶儲(chǔ)存。在反應(yīng)執(zhí)行之后，相應(yīng)的環(huán)境或任務(wù)情況發(fā)生變化，從而導(dǎo)致需要對(duì)新環(huán)境或新任務(wù)情況中的信息重新進(jìn)行感知，即反饋的過程。另外，注意在該模型中起了重要的作用。如前所述，注意是有選擇性的，因此其作用之一是對(duì)信息進(jìn)行篩選，篩選出任務(wù)相關(guān)的信息而忽略任務(wù)非相關(guān)信息。注意還可為信息加工的各個(gè)階段提供注意力資源，起到促進(jìn)信息加工的作用。

在腦力負(fù)荷測(cè)量中，信息加工模型應(yīng)根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行具體化和特性化。如在飛行活動(dòng)中，重點(diǎn)突出飛行員的情境意識(shí)對(duì)信息加工的作用[11-12]。情境意識(shí)(Situational Awareness,SA)是對(duì)環(huán)境中各種要素和事件在時(shí)間或空間上的感知，對(duì)其意義的理解，以及對(duì)其隨后的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)[13]。飛行員的情境意識(shí)可以理解為飛行員在飛行過程中對(duì)影響飛行的各種因素和事件的感知、理解和預(yù)測(cè)。飛行員的情境意識(shí)水平受飛行任務(wù)、飛行環(huán)境、飛機(jī)類型及飛行員的經(jīng)驗(yàn)等因素影響[14]，而飛行員的情境意識(shí)水平又可直接影響飛行決策并進(jìn)一步影響飛行安全?；谧⒁?情境意識(shí)模型(Attention-situation Awareness,A-SA)[15]，情境意識(shí)與注意密不可分，合理的注意力分配可提高情境意識(shí)水平而降低腦力負(fù)荷[16]。

圖1 人的信息加工模型[10]

3 基于注意的信息加工

注意是一種選擇性地集中于某些信息而忽略其他可感知信息的行為和認(rèn)知過程，也被描述為有限的認(rèn)知加工資源的分配[17]。人的信息加工能力是有限的，無法感知外界所有的信息，即使感知到的信息也僅有部分信息得到加工處理。

3.1 選擇性注意及其理論模型

從外界環(huán)境中優(yōu)先感知和加工處理特定的信息而忽略其他信息的過程可被稱為選擇性注意。

Shannon和Weaver認(rèn)為信息加工受通道容量的限制[18]，Broadbent基于該理論在聽覺實(shí)驗(yàn)研究中提出了過濾器模型[19]。該模型認(rèn)為，當(dāng)大量的信息通過平行通道進(jìn)入神經(jīng)系統(tǒng)時(shí)，為了避免信息總量超過有限的信息加工容量，將會(huì)過濾掉一部分信息。過濾器模型是一種“全或無”的模型，它強(qiáng)調(diào)了信息的物理性質(zhì)對(duì)信息選擇的作用，但并不適用于語義在信息選擇中的作用[20]。

針對(duì)語義加工在信息選擇中的作用，Treisman提出了衰減模型[21]。衰減模型的信息選擇方式不是“全或無”的模式，該模型認(rèn)為在進(jìn)行信息選擇之前，會(huì)根據(jù)信息粗略的物理性質(zhì)以及語義信息進(jìn)行評(píng)估。然后所有信息進(jìn)入衰減控制器，未被注意的信息或任務(wù)無關(guān)信息發(fā)生衰減而需要注意的信息或任務(wù)相關(guān)信息不發(fā)生衰減。信息經(jīng)過衰減控制器后，未衰減的信息可以激活作業(yè)人員的“詞典”而被識(shí)別，而衰減到一定程度的信息不能激活“詞典”而不被識(shí)別。另外，該模型強(qiáng)調(diào)“詞典”中不同“單詞”的閾值不同。有些信息如自己的名字等任務(wù)無關(guān)信息即使發(fā)生衰減，由于其閾值較低，因此也可能被識(shí)別。

不同于前兩種模型，Deutsch認(rèn)為信息的選擇發(fā)生在信息加工后期的記憶階段[22]，該模型被稱為反應(yīng)選擇模型或后期選擇理論。該理論認(rèn)為任務(wù)中所有的信息(任務(wù)相關(guān)的信息和任務(wù)不相關(guān)的信息)都能得到知覺上的加工而進(jìn)入工作記憶中，而工作記憶的能力有限，所有的信息并不能都得到進(jìn)一步加工處理。根據(jù)任務(wù)的要求和信息的重要性，主動(dòng)地選擇相關(guān)的信息而放棄不相關(guān)的信息。

3.2 注意的加工方式

Schneider和Shifferin在以前理論和研究的基礎(chǔ)上總結(jié)了注意的兩種加工方式：自動(dòng)化加工(Automatic Processing)和控制性加工(Controlled Processing)[23-24]。

自動(dòng)化加工一般是在不需要注意的情況下發(fā)生的，加工的啟動(dòng)和過程是無意識(shí)的，并且自動(dòng)化加工過程可以平行存在而不相互影響，因此自動(dòng)化加工不受注意力資源數(shù)量的限制。Hasher 和Zacks將自動(dòng)化加工分為兩種：一種為先天的，經(jīng)遺傳獲得的；另一種為后天的，經(jīng)學(xué)習(xí)獲得的[25]。任務(wù)的練習(xí)過程就是注意加工逐漸自動(dòng)化的過程，隨著練習(xí)次數(shù)的增加，執(zhí)行任務(wù)時(shí)所消耗的認(rèn)知資源越來越少，最終實(shí)現(xiàn)執(zhí)行任務(wù)時(shí)的自動(dòng)化加工?？刂菩约庸な窃谌擞幸庾R(shí)的控制下對(duì)注意進(jìn)行加工的過程，并且需要作業(yè)人員付出努力，因此控制性加工受當(dāng)前可用的注意力資源數(shù)量的限制。

Schneider和Chein總結(jié)了自動(dòng)化加工和控制性加工的區(qū)別[26]：自動(dòng)化加工是快速的和平行的而控制性加工是緩慢的和連續(xù)的；自動(dòng)化加工幾乎不需要作業(yè)人員付出努力而控制性加工需要作業(yè)人員付出大量的努力；自動(dòng)化加工對(duì)疲勞、應(yīng)激等因素不敏感而控制性加工對(duì)其敏感；自動(dòng)化加工形成后不易被認(rèn)知控制而控制性加工常受認(rèn)知控制；學(xué)習(xí)與控制性加工過程密切相關(guān)而與自動(dòng)化加工過程相關(guān)性不大；在很容易的任務(wù)或者作業(yè)人員經(jīng)過很充分練習(xí)后的任務(wù)中，注意的加工常為自動(dòng)化，而在困難的任務(wù)或新的任務(wù)中，加工方式為控制性加工。

在任務(wù)過程中，控制性加工還會(huì)受到自動(dòng)化加工的影響，如Stroop效應(yīng)。在經(jīng)典的Stroop范式任務(wù)中，受試人員根據(jù)詞義判斷色詞的顏色為自動(dòng)化加工，而根據(jù)墨水顏色判斷色詞的顏色為控制性加工。在辨別顏色時(shí)，詞義的自動(dòng)化加工會(huì)對(duì)實(shí)際顏色判斷的控制性加工起到干擾性作用。

3.3 基于選擇性注意對(duì)干擾信息的信息加工控制

在任務(wù)過程中，作業(yè)人員不僅需要同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)相關(guān)信息，還會(huì)面臨任務(wù)非相關(guān)信息的干擾。某些突然出現(xiàn)的干擾信息可能會(huì)導(dǎo)致作業(yè)人員分心而影響作業(yè)績(jī)效。因此，對(duì)干擾信息加工處理的控制有利于作業(yè)人員保持任務(wù)績(jī)效。Lavie認(rèn)為有兩種不同的機(jī)制來控制干擾信息的加工處理，這兩種機(jī)制的理論分別是知覺負(fù)載理論和認(rèn)知控制理論[27]。知覺負(fù)載理論與選擇性注意的早期選擇和信息的自動(dòng)化加工有關(guān)而認(rèn)知控制理論與選擇性注意的后期選擇和信息的控制性加工有關(guān)。

知覺負(fù)載理論認(rèn)為在高知覺負(fù)荷的情況下，對(duì)干擾信息的控制是在知覺階段，是一個(gè)被動(dòng)機(jī)制[28]。該理論認(rèn)為，高知覺負(fù)荷會(huì)消耗作業(yè)人員大量的信息處理能力，從而導(dǎo)致沒有足夠的信息處理能力來感知干擾信息，最終降低了干擾信息對(duì)任務(wù)的干擾作用[29]。這種干擾作用的降低是由于降低了干擾信息的感知而與抑制干擾信息的加工無關(guān)。知覺負(fù)荷可體現(xiàn)在感知信息的數(shù)量和感知信息的難度兩方面。過多的感知信息數(shù)量或過高的感知信息要求所造成的高知覺負(fù)荷均可降低干擾信息的干擾效應(yīng)[30-31]?；谠摾碚?，當(dāng)腦力負(fù)荷以知覺負(fù)荷為主時(shí)，腦力負(fù)荷的升高，會(huì)降低干擾信息對(duì)任務(wù)的干擾作用。

認(rèn)知控制理論認(rèn)為在知覺負(fù)荷不高的情況下，對(duì)干擾信息的控制是在更高級(jí)別的認(rèn)知階段如工作記憶階段，是一個(gè)積極主動(dòng)的機(jī)制[32]。這種主動(dòng)抑制干擾信息的機(jī)制確保了任務(wù)信息處理的優(yōu)先級(jí)。該理論認(rèn)為認(rèn)知負(fù)荷的增加，會(huì)消耗作業(yè)人員的信息處理資源，從而導(dǎo)致這種主動(dòng)抑制干擾信息的能力降低，進(jìn)而使干擾信息得到了進(jìn)一步加工處理。工作記憶負(fù)荷對(duì)干擾信息干擾作用的研究驗(yàn)證了該理論，研究顯示工作記憶負(fù)荷的增加會(huì)增大干擾信息對(duì)任務(wù)的干擾作用[33-34]。基于該理論，當(dāng)腦力負(fù)荷以認(rèn)知負(fù)荷為主時(shí)，腦力負(fù)荷的升高，會(huì)增加干擾信息對(duì)任務(wù)的干擾作用，這與知覺負(fù)載理論是不同的。

4 展望

生理指標(biāo)測(cè)量腦力負(fù)荷具有實(shí)時(shí)性和客觀性的優(yōu)勢(shì)，但生理指標(biāo)并不是直接衡量腦力負(fù)荷的指標(biāo)，而是通過反映信息加工過程中的變化來測(cè)量腦力負(fù)荷。因此，深入探討信息加工的機(jī)制有利于提高生理指標(biāo)測(cè)量腦力負(fù)荷的可靠性。目前生理測(cè)量方法發(fā)展迅速，腦功能連接，腦影像的機(jī)器學(xué)習(xí)以及結(jié)構(gòu)磁共振成像等方法，可深入分析腦結(jié)構(gòu)與腦功能的關(guān)系。未來的研究可結(jié)合信息加工理論和腦功能成像技術(shù)進(jìn)一步研究生理指標(biāo)變化與腦力負(fù)荷的關(guān)系，重點(diǎn)探索生理指標(biāo)變化與績(jī)效變化的關(guān)系，將生理指標(biāo)的變化轉(zhuǎn)化為績(jī)效中的“拐點(diǎn)”和“紅線”，從而更好地發(fā)揮生理測(cè)量指標(biāo)在腦力負(fù)荷測(cè)量中的實(shí)際應(yīng)用。