聽覺失匹配負(fù)波在模擬飛行多任務(wù)不同腦力負(fù)荷下的變化研究

李文斌, 康 陽, 任澤勝, 史克東, 常耀明*

(1.空軍軍醫(yī)大學(xué)航空航天醫(yī)學(xué)系, 西安 710032; 2.解放軍71901 部隊, 聊城 252000;3.空軍軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院學(xué)員二大隊, 西安 710032)

1 引言

現(xiàn)代飛行活動中,飛行員駕駛飛機(jī)的同時,還要時時注意飛機(jī)的高度表、空速表、垂直速率表、姿態(tài)儀、航向指示表等各種儀表信息。另外,在特殊情況下,還要根據(jù)各種信息在短時間內(nèi)處置突發(fā)情況。這類飛行活動可以視為一個由多個子任務(wù)組成的多任務(wù)處理過程,由于接受的信息數(shù)量多和可用于信息處理的時間短,飛行員面臨較高腦力負(fù)荷[1]。人的信息處理資源由多個維度組成,在信息處理過程中會在維度中進(jìn)行資源的選擇和分配,當(dāng)同時處理多個任務(wù)發(fā)生資源競爭而導(dǎo)致資源相對不足時,任務(wù)績效明顯下降[2]。因此,進(jìn)行多任務(wù)腦力負(fù)荷研究對于優(yōu)化飛行績效和保障飛行安全具有重要的現(xiàn)實意義。

目前尚沒有特異性的生理指標(biāo)來測量腦力負(fù)荷,但腦電(Electroencephalogram, EEG)測量作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)生理測量的一種,具有很高的時間分辨率,并表現(xiàn)出對腦力負(fù)荷變化敏感[3]。EEG是很多神經(jīng)來源的混合活動,在施加特定的刺激后,通過對刺激前后一段時間內(nèi)的EEG 進(jìn)行平均疊加,可得到事件相關(guān)電位(Event Related Potential, ERP)。不同于EEG 的自發(fā)節(jié)律,ERP 是一種誘發(fā)電位,代表了大腦對特定感覺、運(yùn)動和認(rèn)知事件做出的神經(jīng)反應(yīng)[4]。

失匹配負(fù)波(Mismatch Negativity, MMN)是反映腦力負(fù)荷變化的ERP 成分之一,MMN 是指在持續(xù)重復(fù)的相同刺激下,因偶然出現(xiàn)的不匹配刺激所誘發(fā)的一種腦電電位波形。MMN 的產(chǎn)生是一個內(nèi)源性的認(rèn)知過程,反映了大腦皮層基于感覺記憶對刺激變化的察覺和前注意的水平[5]。前注意是注意加工過程的早期階段,反映了大腦對外界信息的自動化加工。因此,MMN 通過反映前注意水平來評估腦力負(fù)荷的變化。Zhang 等[6]在一項視覺追蹤任務(wù)中發(fā)現(xiàn),MMN 的波幅隨著腦力負(fù)荷的增加而增加。但Takegata 等[7]研究發(fā)現(xiàn),在工作記憶任務(wù)中,腦力負(fù)荷的變化對于聽覺MMN 的波幅無差異性影響。還有研究發(fā)現(xiàn)任務(wù)負(fù)荷的增加會導(dǎo)致MMN 的波幅降低[8]?？梢?上述研究所得到的結(jié)論并不一致,且上述實驗?zāi)Ｐ团c飛行員在實際飛行中的多任務(wù)過程存在較大的差異。另外,飛行員在飛行過程中,可以熟練地完成掌握飛行姿態(tài)、觀察空域和飛行儀表、控制飛行速度與飛行高度等多項任務(wù),這與大腦對部分信息能夠做到自發(fā)性意識加工有關(guān)[9]。因此,MMN 反映飛行多任務(wù)腦力負(fù)荷的變化具有理論依據(jù)。在模擬飛行的研究中,研究人員通過設(shè)定監(jiān)視任務(wù)中目標(biāo)信息的數(shù)量來控制腦力負(fù)荷水平,研究發(fā)現(xiàn)模擬飛行多任務(wù)腦力負(fù)荷對MMN影響顯著[10]。然而,這一結(jié)果并不能反映多任務(wù)中子任務(wù)各自的效果,因為不同的子任務(wù)有不同的神經(jīng)認(rèn)知需求[11]。

因此,為了研究特定子任務(wù)對腦力負(fù)荷的影響,本文通過控制子任務(wù)的數(shù)量來建立腦力負(fù)荷梯度。以模擬飛行為任務(wù)模型,比較在低、中、高三級腦力負(fù)荷下的MMN,并探討MMN 在不同腦力負(fù)荷下的變化機(jī)理,為基于前注意水平評估飛行員腦力負(fù)荷提供實驗依據(jù)。

2 方法

2.1 受試者

24 名在校本科生,男性,年齡(21.29±0.69)歲。均為右利手(愛丁堡利手問卷結(jié)果一側(cè)商數(shù)和十分位數(shù)分別為80.24±20.96 和5.92±3.91),視力或矯正視力及聽力正常,既往無神經(jīng)精神疾病史及近期用藥史。所有參與者在實驗前對實驗內(nèi)容知情同意。

2.2 實驗任務(wù)模型

實驗任務(wù)模型是模擬飛行中的多任務(wù)模型,該任務(wù)包含4 項子任務(wù):目標(biāo)追蹤任務(wù)、儀表監(jiān)視任務(wù)、光點(diǎn)計數(shù)任務(wù)、數(shù)字反應(yīng)任務(wù)。多任務(wù)程序在電腦上運(yùn)行。目標(biāo)追蹤任務(wù)要求受試者通過操縱桿控制圓形光標(biāo)來持續(xù)追蹤移動的目標(biāo);儀表監(jiān)視任務(wù)要求受試者監(jiān)視4 個儀表并在儀表指針達(dá)到警戒區(qū)域時及時做出反應(yīng);光點(diǎn)計數(shù)任務(wù)要求受試者快速數(shù)出不定期出現(xiàn)的光點(diǎn)數(shù)目,并按下相應(yīng)按鍵;數(shù)字反應(yīng)任務(wù)要求受試者按下與屏幕呈現(xiàn)數(shù)字相同的數(shù)字鍵來做出反應(yīng)。4 項子任務(wù)分別抽象地模擬飛行操縱、儀表監(jiān)視、突發(fā)事件處理和剩余能力。目標(biāo)追蹤任務(wù)、儀表監(jiān)視任務(wù)和光點(diǎn)計數(shù)任務(wù)均是主任務(wù),需要受試者投入主要的精力并優(yōu)先完成。數(shù)字反應(yīng)任務(wù)是次任務(wù),需要受試者在先完成主任務(wù)的前提下利用剩余的精力來完成。該任務(wù)模型已被用于飛行腦力負(fù)荷和飛行疲勞的研究[12-13]。

2.3 實驗量表及設(shè)備

腦力負(fù)荷主觀評價采用NASA 任務(wù)負(fù)荷指數(shù)(National Aeronautics and Space Administration-Task Load Index, NASA-TLX)量表[14],該量表包含6 個維度:腦力需求(Mental Demand, MD)、體力需求(Physical Demand, PD)、時間需求(Temporal Demand, TD)、努力水平(Effort Level, EF)、挫折水平(Frustration Level, FR)以及自我績效(Own Performance, OP)。

腦電記錄系統(tǒng)采用美國NeuroScan 公司32導(dǎo)電極帽及NuAmps 腦電放大器記錄原始腦電信號。電極的阻抗小于5 kΩ。

2.4 實驗過程

主試者講解并演示實驗任務(wù),根據(jù)前期實驗研究[13],受試者進(jìn)行10 min 的練習(xí)以降低學(xué)習(xí)效應(yīng)的影響。練習(xí)結(jié)束后給受試者佩戴電極帽,電極位置參照國際標(biāo)準(zhǔn)10-20 系統(tǒng)。以雙側(cè)乳突作為參考電極,同時記錄水平眼電(Horizontal Electro oculogram, HEOG)和垂直眼電(Vertical Electro oculogram, VEOG)。接地電極位于AFz電極位置。

受試者保持靜息狀態(tài)1 min 后開始多任務(wù)處操作。每名受試者需要依次完成3 種腦力負(fù)荷的多任務(wù)。低腦力負(fù)荷多任務(wù)要求受試者同時完成目標(biāo)追蹤和數(shù)字反應(yīng)2 項子任務(wù)。中腦力負(fù)荷多任務(wù)要求受試者同時完成除光點(diǎn)計數(shù)任務(wù)外的其他3 項子任務(wù)。高腦力負(fù)荷多任務(wù)要求受試者同時完成4 項子任務(wù)。每項任務(wù)持續(xù)180 s,為避免任務(wù)順序帶來的影響,任務(wù)順序在受試者間平衡(3 種任務(wù)共形成6 種順序,6 種順序各有4 名受試者)。

在每個多任務(wù)過程中,通過耳機(jī)雙耳呈現(xiàn)Oddball 范式下的聽覺刺激。聽覺刺激包括標(biāo)準(zhǔn)刺激和偏差刺激。標(biāo)準(zhǔn)刺激的頻率為1000 Hz,呈現(xiàn)概率為80%。偏差刺激的頻率為600 Hz,呈現(xiàn)概率為20%。刺激的呈現(xiàn)時間為50 ms,刺激強(qiáng)度為80 dB SPL,刺激間隔為500 ms。要求受試者在任務(wù)過程中忽略聽覺刺激。在完成每一項多任務(wù)后,受試者填寫NASA-TLX 量表,并休息1 min。在完成最后一項多任務(wù)后,實驗結(jié)束。

2.5 EEG 信號處理

腦電信號采樣頻率為1024 Hz,采用0.1 ～100 Hz 的帶通濾波器進(jìn)行濾波。采用 Scan 4.3軟件分析 EEG 數(shù)據(jù)。通過預(yù)覽去除漂移明顯的數(shù)據(jù),然后去除HEOG 和VEOG 對EEG 信號的影響。采用有限脈沖響應(yīng)低通數(shù)字濾波器(無相移,截止頻率為30 Hz,衰減斜率為12 dB/oct)進(jìn)行濾波,采用平均參考的方法進(jìn)行重參考。以聽覺刺激呈現(xiàn)前100 ms 到呈現(xiàn)后400 ms 將濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段。將波幅超過±100 μV 視為偽跡并予以剔除。將聽覺刺激前100 ms 視為基線。在每個時間段中,通過減去基線的平均振幅來消除基線偏移。然后,根據(jù)刺激類型進(jìn)行疊加平均,分別得到標(biāo)準(zhǔn)刺激和偏差刺激的ERP。最后,在各導(dǎo)聯(lián)上用偏差刺激的ERP 減去標(biāo)準(zhǔn)刺激的ERP 可得到由聲音頻率變化所引發(fā)的MMN。由于MMN 為負(fù)向波形,因此提取MMN 波形中絕對值最大的負(fù)向波幅值為MMN 峰值。

2.6 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS26.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析,采用單因素重復(fù)測量的ANOVA 檢驗不同腦力負(fù)荷對NASA-TLX 評分、任務(wù)績效以及MMN 的影響是否具有統(tǒng)計學(xué)意義,P＜ 0.05 認(rèn)為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。多重比較采用Bonferroni 校正。

3 結(jié)果

3.1 NASA-TLX 評分

圖1(a)顯示了3 項多任務(wù)的NASA-TLX 評分。不同負(fù)荷對NASA-TLX 評分有影響,不同多任務(wù)的NASA-TLX 評分不同(F= 29.75,P＜0.05)。NASA-TLX 評分隨著腦力負(fù)荷增加而增加,高負(fù)荷的NASA-TLX 得分最高(多重比較采用Bonferroni 校正,P＜ 0.016)。圖1(b)顯示了3項多任務(wù)NASA-TLX 每個維度的得分。腦力負(fù)荷對腦力需求得分(F= 12.32,P＜ 0.05)、時間需求得分(F= 12.00,P＜ 0.05)和努力水平得分有影響(F= 5.00,P＜ 0.05)。腦力需求得分隨著腦力負(fù)荷增加而增加(多重比較采用Bonferroni校正,P＜ 0.016)。高負(fù)荷的時間需求得分分別高于低負(fù)荷和中負(fù)荷的時間需求得分(多重比較采用Bonferroni 校正,P＜ 0.016)。而腦力負(fù)荷對體力需求得分(F= 0.90,P＞ 0.05)、挫折水平得分(F= 3.44,P＞ 0.05)和自我績效得分(F= 0.45,P＞ 0.05)未見統(tǒng)計學(xué)差異。

圖1 3 種腦力負(fù)荷多任務(wù)的NASA-TLX 評分Fig.1 Scores of NASA-TLX in three mental workload multitasks

3.2 任務(wù)績效

3 項多任務(wù)的績效如表1 所示。3 項多任務(wù)的平均追蹤距離(F= 8.23,P＜ 0.05)和數(shù)字反應(yīng)次數(shù)(F= 150.26,P＜ 0.05)具有統(tǒng)計學(xué)差異。高負(fù)荷的追蹤距離大于低負(fù)荷的追蹤距離(多重比較采用Bonferroni 校正,P＜ 0.016)。數(shù)字反應(yīng)次數(shù)隨著腦力負(fù)荷的增加逐漸減少(多重比較采用Bonferroni校正,P＜ 0.016)。儀表監(jiān)視任務(wù)的反應(yīng)時間在中負(fù)荷多任務(wù)和高負(fù)荷多任務(wù)之間無統(tǒng)計學(xué)差異(F=3.15,P＞ 0.05)。在高負(fù)荷多任務(wù)中,光點(diǎn)計數(shù)任務(wù)的平均反應(yīng)時間是(12.66 ± 4.22)s。

表1 3 種腦力負(fù)荷多任務(wù)的績效( x- ±s, n = 24)Table 1 Behavioral performance in three mental workload multitasks( x- ±s, n = 24)

3.3 MMN

圖2 顯示了MMN 在100 ～250 ms 之間的電壓地形分布圖,圖中顯示為額中央優(yōu)勢。提取額中央電極(Fz、FCz、Cz)處MMN 的平均波形,如圖3 顯示。3 處電極MMN 波形的峰值均位于150 ～200 ms 之間。

圖2 3 種腦力負(fù)荷多任務(wù)MMN 的地形分布圖Fig.2 Scalp topographic distributions of the MMN in three mental workload multitasks

圖3 3 種腦力負(fù)荷多任務(wù)MMN 的平均波形Fig.3 Grand-mean waves of the MMN in three mental workload multitasks

3 種腦力負(fù)荷下Fz、FCz、Cz 電極的MMN 峰值潛伏期和150～200 ms 的平均波幅如表2 所示。不同腦力負(fù)荷下的Fz(F= 7.64,P＜ 0.05)、FCz(F= 6.47,P＜ 0.05)、Cz(F= 4.94,P＜0.05)電極處MMN 的平均波幅有統(tǒng)計學(xué)差異。事后檢驗表明,高負(fù)荷任務(wù)MMN 的平均波幅比低負(fù)荷任務(wù)MMN 的平均波幅更大(多重比較采用Bonferroni 校正,P＜ 0.016)。不同腦力負(fù)荷下的Fz(F= 0.14,P＞ 0.05)、FCz(F= 0.09,P＞0.05)、Cz(F= 0.10,P＞ 0.05)電極處MMN 的峰值潛伏期無統(tǒng)計學(xué)差異。

表2 3 種腦力負(fù)荷多任務(wù)MMN 的峰值潛伏期和平均波幅(ˉx±s, n = 24)Table 2 Peak latencies and amplitudes of the MMN in three mental workload multitasks(ˉx±s, n = 24)

4 討論

本文通過控制多任務(wù)中子任務(wù)的數(shù)量來設(shè)置腦力負(fù)荷梯度。隨著子任務(wù)數(shù)量的增加,NASATLX 評分升高而任務(wù)績效降低,說明腦力負(fù)荷梯度設(shè)置成功。NASA-TLX 評分的差異體現(xiàn)在腦力需求和時間需求上,說明模擬飛行多任務(wù)的高腦力負(fù)荷主要體現(xiàn)在認(rèn)知需求上和時間壓力上。

腦力負(fù)荷對任務(wù)績效的影響表現(xiàn)為除儀表監(jiān)視任務(wù)績效外其他任務(wù)績效隨著腦力負(fù)荷的升高而變差。多任務(wù)的績效變差的機(jī)制可能來源于兩方面:一方面多任務(wù)處理過程中較高的腦力負(fù)荷會導(dǎo)致執(zhí)行并發(fā)任務(wù)的剩余資源減少,由于認(rèn)知需求超過操作者的認(rèn)知資源,從而引發(fā)績效降低;另一方面,作業(yè)人員在任務(wù)之間頻繁的轉(zhuǎn)換需要不停地重新分配腦力資源,任務(wù)轉(zhuǎn)換需要付出一定的轉(zhuǎn)換成本,這種成本反映在任務(wù)轉(zhuǎn)換所消耗的時間上[15]。而儀表監(jiān)視任務(wù)的績效未受腦力負(fù)荷影響的原因可能是由于資源分配策略造成[16],即受試者在多任務(wù)中可能優(yōu)先完成了儀表監(jiān)視任務(wù)再去完成光點(diǎn)計數(shù)任務(wù)。

大腦對信息的加工包括自動化加工和控制性加工2 種方式。自動化加工是快速和平行地,而控制性加工是緩慢和連續(xù)地,在作業(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化[17]。大腦的這種自發(fā)性意識加工屬于不受意識控制的加工,而人行為的自動化即是大腦對信息自動加工的結(jié)果。作為一種生理失匹配自動信息加工的反映,MMN 的產(chǎn)生來源于大腦的記憶痕跡[18]。在重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)刺激下,大腦形成了記憶痕跡,輸入的刺激會與這個記憶痕跡比較,當(dāng)出現(xiàn)偏差刺激時,則出現(xiàn)MMN。雖然MMN 的產(chǎn)生是大腦的自動過程,反映了前注意的過程和大腦對信息的自動化加工,但是與控制性加工有關(guān)的注意力變化可影響MMN 的波幅[19]。腦力負(fù)荷與信息加工過程密不可分,并且注意力資源在信息加工過程中起著重要的作用,腦力負(fù)荷可通過影響注意從而影響MMN[10]。

本文MMN 的波幅隨著任務(wù)負(fù)荷的增加而升高,這符合選擇性注意和認(rèn)知負(fù)荷控制理論[20]。該理論認(rèn)為認(rèn)知負(fù)荷的增加,會消耗作業(yè)人員的信息處理資源,從而導(dǎo)致主動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。高效的工作記憶依賴于自上而下通過額葉神經(jīng)機(jī)制抑制無關(guān)信息[21]。因此,MMN 波幅的增加可能反映了自上而下對無關(guān)信息處理抑制的減弱。聽覺處理的增強(qiáng)還可能源于有限的共享多模態(tài)注意力資源的釋放或注意力傳播的增加。當(dāng)視覺認(rèn)知負(fù)荷增加時,共享的多模態(tài)注意力資源被釋放或傳播到包括聽覺系統(tǒng)在內(nèi)的其他模態(tài),導(dǎo)致聽覺信息處理增加。因此,視覺負(fù)荷的增加可導(dǎo)致聽覺誘發(fā)電位的增加[22]。在本文研究中,任務(wù)負(fù)荷的增加并未影響MMN 的潛伏期,這與Zhang等[6]的研究結(jié)果一致。潛伏期可反映信息處理的速度[9],因此腦力負(fù)荷的增加雖然可導(dǎo)致干擾信息處理的增加,但對干擾信息處理的速度影響較小。

然而,腦力負(fù)荷研究中也存在MMN 波幅未受到腦力負(fù)荷影響的現(xiàn)象,可能是由于刺激并非連續(xù)的或者高低負(fù)荷沒有拉開差距[7]。為消除這種影響,Sculthorpe 等[23]采用連續(xù)刺激的多目標(biāo)追蹤任務(wù)作為任務(wù)模型,并且將高低負(fù)荷任務(wù)難度差距拉大,在困難任務(wù)中MMN 的波幅有增高的趨勢但差異不明顯。其原因可能是聽覺刺激的誘發(fā)范式與本研究不同,其偏差刺激是與標(biāo)準(zhǔn)刺激相同頻率的一個短間隔重復(fù)音,而本文的偏差刺激是與標(biāo)準(zhǔn)刺激頻率不同的音調(diào)。Muller-Gass 等[24]發(fā)現(xiàn)聲音強(qiáng)度變化引起的MMN 未受到腦力負(fù)荷的影響,而聲音頻率變化引起的MMN隨著任務(wù)負(fù)荷的增加而增加,因此不同誘發(fā)范式下的MMN 對腦力負(fù)荷的敏感性存在差異。

另外,Yucel 等[8]研究發(fā)現(xiàn),MMN 波幅隨著任務(wù)負(fù)荷增加而降低,并認(rèn)為其結(jié)果符合知覺負(fù)載理論[25]。不同于認(rèn)知負(fù)荷控制理論,知覺負(fù)載理論認(rèn)為高知覺負(fù)荷會消耗作業(yè)人員大量的信息處理能力,從而使沒有足夠的信息處理能力來感知干擾信息,進(jìn)而降低了干擾信息對任務(wù)的干擾作用。根據(jù)Wickens 的信息加工模型[26],人的信息處理包含感覺、知覺、反應(yīng)的選擇和反應(yīng)的執(zhí)行4 個階段,并且信息的最終執(zhí)行依靠工作記憶功能。當(dāng)腦力負(fù)荷主要涉及感知過程時,視覺感知可能與跨模態(tài)的聽覺感知產(chǎn)生競爭,導(dǎo)致MMN波幅降低。但是,在本文研究中,腦力負(fù)荷并非全部來源于知覺階段,更主要的是來源于多任務(wù)之間的注意力切換及工作記憶。當(dāng)腦力負(fù)荷主要涉及到工作記憶執(zhí)行功能時,增加的任務(wù)負(fù)荷會降低抑制干擾信息的能力,導(dǎo)致MMN 波幅升高[27]。

5 結(jié)論

腦力負(fù)荷可影響MMN 的波幅,并且腦力負(fù)荷性質(zhì)的不同會對MMN 產(chǎn)生不同的影響。當(dāng)腦力負(fù)荷主要來源于知覺負(fù)荷時,MMN 波幅會隨著腦力負(fù)荷的增加而降低,但當(dāng)腦力負(fù)荷主要來源于依賴工作記憶功能的認(rèn)知負(fù)荷時,MMN 波幅隨著腦力負(fù)荷的增加而升高;并且模擬飛行多任務(wù)的腦力負(fù)荷主要體現(xiàn)在認(rèn)知負(fù)荷上,隨著腦力負(fù)荷的增加,MMN 波幅升高。另外,視覺刺激的連續(xù)性和聽覺刺激的誘發(fā)范式都可對MMN 產(chǎn)生一定的影響,并且在信息加工過程中,知覺和認(rèn)知是緊密相連的,任務(wù)負(fù)荷的性質(zhì)很難明確區(qū)分,因此MMN 用于腦力負(fù)荷的測量還需要進(jìn)一步的研究。