CN108703762A - 一种基于心算和工作记忆等的脑力负荷诱发技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于心算、按键和N‑Back的脑力负荷诱发范式。本发明融合了心算、按键和N‑Back三种任务，且各个任务的难度均可以自由独立设置，可以准确地研究逻辑运算、视觉加工和工作记忆这三种不同类型任务对脑力负荷的影响，还可以探索这三种任务之间的相互影响与叠加关系，可以有效地建立脑力负荷评估模型，为自适应人机功能分配和被动式脑机接口等研究提供依据。

Description

一种基于心算和工作记忆等的脑力负荷诱发技术

技术领域

本发明涉及生物医学工程与实验心理学等相关技术领域，特别涉及一种基于心算和工作记忆的脑力负荷诱发的技术，用于模拟不同类型任务从而诱发的脑力负荷变化。

背景技术

随着科学技术的快速发展，计算机和自动化技术广泛应用于从工业生产到社会服务的各个领域，提高了复杂人机系统的整体性能，人与机器、环境的关系和分工，已经变得与以往大不相同。与此同时，工作者的任务也发生了明显的变化，其体力工作负荷已经大为减轻，但脑力工作负荷却日益增高。

脑力负荷(Mental workload)，也称心理负荷、精神负荷、脑力负担，可以理解为在单位时间内的脑活动量、大脑资源占用率、人在工作中的心理压力或信息处理能力。不合理的脑力负荷状态下工作，会对操作者的正常工作产生不利的影响。如果工作量过大脑力负荷过高会出现“超负荷”现象，遇到复杂情况，操作员的负荷非常高，认知能力、工作效率下降，严重时会导致操作员不能继续工作。而如果工作时负荷过低则会出现人不在回路(OOTL)现象，长时间过低负荷工作，任务激励的敏感性、警惕性降低，从而使得操作员区分、识别和诊断紧急事件的能力大打折扣。进行脑力负荷研究，对于揭示其脑神经机制对于保证操作者的认知能力、工作效率是非常有必要的。

现有的脑力负荷研究主要分为简单认知任务和复杂任务两种。简单认知任务多为单一任务的实验范式研究，如逻辑推理任务、工作记忆任务、运动执行任务等，综合分析多种简单认知任务的实验范式极为少见。另一方面，复杂任务则更加与真实任务接近，难以分解成不同类型的简单认知任务，不利于基础神经科学的研究。在这种情况下，迫切需要一种有简单认知任务组合而成的、能自由独立调节各个简单认知任务难度的、具有科学研究意义的实验范式。

发明内容

复杂任务可以分解为多种简单认知任务，包括数字运算、工作记忆、视觉加工、运动执行等。通过对简单认知任务的合成，本发明可以更加准确地研究复杂任务的大脑活动模式。

为了能够从简单认知任务组合出复杂任务，本发明设计了包含N-Back任务、数字心算任务、视觉加工、运动执行任务在内的实验范式。其中，屏幕正中央显示需要被试心算的算式，作为数字运算任务，可以自由设定难度等级。下方显示各个按键对应的数值范围，键盘上若干个按键固定而对应范围可能随机变化，被试需要根据算式结果在尽可能短的时间内按下对应按键，作为视觉信息加工和运动执行任务；被试需要根据不同的N，按下前N个算式结果的数字范围对应的按键，以此构成工作记忆的N-Back任务。

在心算任务中，被试需要根据屏幕上显示的算式，心算出该算式的答案。该任务的难度可以通过算式本身的计算难度控制，包括且不限于加减法运算、乘除法运算、对数和指数运算、复数运算、三角函数运算等。一般而言，不同等级的算式难度差异应较为明显，且所有难度不应超过一般被试的知识范围。通过对比多种难度的心算任务，我们希望探索逻辑运算难度对实验绩效(准确率、反应时间等)的影响。在此基础上，我们希望找到由逻辑运算所引起的多种生理信号变化。

在按键任务中，所有可能的按键数目可以动态变化，以此产生不同的难度等级。在按键任务中，分为动态按键范围和静态按键范围两种。以四个键为例，处于动态按键范围模式时，键盘上四个按键对应的数值范围随机变化，被试在心算出得数后，需要目光检索各个按键的对应范围，才能选择出正确的按键。处于静态按键范围模式时，键盘上四个按键对应的数值范围固定，被试经过短暂的记忆后，可以根据算式结果，直接选择对应的按键，而无需经过视觉检索。通过对比这两种按键范围模式的任务，我们希望探索视觉加工对实验绩效(准确率、反应时间等)的影响。在此基础上，我们希望找到由视觉加工所引起的多种生理信号变化。

在此基础上，我们引入了N-Back方法，其中N＝0,1,2……N-back任务是一连串的刺激，该任务要求测试者在当前的按键范围中选择与第N次之前的算式结果相符的按键，其中负载因素N可以被调节以改变任务的难度。例如：在0-Back中，被试只需要对当前出现的算式做出反应，即按下对应的按键；在1-Back中，被试则需要不断地记下当前算式的计算结果，并对前一个算式(不是当下屏幕显示的)的计算结果做出反应，按下对应按键；类似地，在2-Back中，被试需要记下前2个算式的计算结果并对前第2个算式结果做出反应，按下对应按键……通过对比多个不同的N-Back的任务，我们希望探索工作记忆对实验绩效(准确率、反应时间等)的影响。在此基础上，我们希望找到由工作记忆所引起的多种生理信号变化。

在此基础上，可以增加研究时间压力对脑力负荷的影响。被试要求在规定时间内，即蓝色进度条到达屏幕最左端之前，按照上述规则做出反应，如不反应则记为该试次无效。也可以不显示该进度条，此时没有时间压力，单个试次不限时，被试可以根据自己的计算能力做出更准确的反应，此时的反应时间也会记录，根据实验设计灵活处理分析。

上述三种不同类型的简单任务，可以单独分析其对任务绩效和生理信号的影响，也可以组合起来，探索多种因素对任务绩效和生理信号的影响。多种不同难度任务的排列组合，基于此，我们可以通过这样的实验范式，探索不同类型简单认知任务的叠加效应，观察不同类型因素对大脑血氧等其他生理信号的综合影响，从分解合成的角度，更加科学地对脑力负荷建模。

附图说明

图1是本发明内容的主界面，包括中间的待计算算式显示，以及下部的按键、对应范围提示和时间进度条；被试要求在规定时间内，即蓝色进度条到达屏幕最左端之前，按照上述规则做出反应，如不反应则记为该试次无效。

图2是本范式的一个实施例中的算式难度设计，共分为0、1、2三级难度，运算符号数从0个依次增加到2个，期间得数范围基本维持不变。

图3是本范式的一个实施例的流程设计。共分为36个block，每个block包含10个trial，第一个block难度递增，后两个block难度随机。

图4是本发明内容的难度组合，共分为108个难度组合，可以根据实际需求灵活选择。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以下结合具体的实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

实施例1

在心算任务中，我们设定了三种难度等级，分别为单个一位数数值比较(无运算)、一位数与两位数的加/减运算、三个一位数的加/减、乘混合运算，如图2所示。其中，我们对算式结果做出了限制，将运算结果均控制在1～99(90)之间，以更好地控制主变量以外的其他变量。

在按键任务中，我们设定了两种模式：静态按键范围和动态按键范围。在静态按键范围模式下，键盘上的“F、G、H、J”四个键对应的范围分别是1～25，26～50，51～75和76～99，被试在熟悉后可以根据直接根据算式选择对应按键；在动态按键范围模式下，键盘上的“F、G、H、J”四个键对应的范围动态变化，数字范围大于10，由计算机随机生成，被试需要根据算式，扫视各个按键的对应范围，而后选择按下对应的按键。

在此基础上，我们引入了N-Back方法，其中N＝0,1,2。在0-Back中，被试只需要对当前出现的算式做出反应，即按下对应的按键；在1-Back中，被试则需要不断地记下当前算式的计算结果，并对前一个算式(不是当下屏幕显示的)的计算结果做出反应，按下对应按键；类似地，在2-Back中，被试需要记下前2个算式的计算结果并对前第2个算式结果做出反应，按下对应按键。

上述三种不同类型的简单任务，可以单独分析其对任务绩效和生理信号的影响，也可以组合起来，探索多种因素对任务绩效和生理信号的影响。3种任务难度×3种N-Back×2种按键范围＝18种不同任务组合，基于此，我们希望探索不同类型简单认知任务的叠加效应，观察不同类型因素对大脑血氧等其他生理信号的综合影响，从分解合成的角度，更加科学地对脑力负荷建模。

在正式实验开始前，被试必须通过练习。练习为依次在0,1,2-Back下，连续对5个随机难度、随机(静态/动态)按键范围的算式做出正确的反应，练习模式的有效最大反应时间为6s。在此期间不记录生理信号数据，产生的行为学记录存档但不做分析。

在正式实验开始阶段先采集5分钟的静息态信号，后分为3个难度等级×3种N-Back×2种按键范围×重复3次＝54个Blocks。每个Block先采集25s的静息数据，期间被试要求盯着屏幕中央显示的“+”，随后提示e.g.:“1-Back”，而后开始连续10个trials，每个trail显示在屏幕上的时间不确定，直至被试按下有效的按键为止，但是有效的最大反应时间仅为5s，超过该时间的按键反映均记为无效；最后进行难度评价，被试要求按下1～9之间的按键，作为对这个Block的主观难度评价。前12个Blocks按照12个难度组合，依次增加；后24个Blocks则为分组随机顺序，以消除学习效应的影响。实验整体耗时约59min。

实验前，告知被试本项实验按任务绩效发放实验费，主要考评因素包括实验耗时和判断正确率。实验过程中，被试坐在23英寸的LCD显示器前，眼睛距离屏幕约70～90cm，实验全程中被试不需要操作鼠标，所有的按键操作均通过标准美式键盘进行。实验室温度控制在20～24摄氏度，噪音在55分贝以内。

受时间限制，目前共召集了7名在读研究生被试参加该实验，他们没有任何参与过N-Back相关实验的经历，视觉正常(>5.0)或矫正到正常，无任何神经疾病或神经疾病史，在实验前均精神状态良好。7人的行为学结果表明：随着算式难度的增加，反应正确率逐渐下降，反应时间逐渐延长，主观难度评分也不断提高。类似地，随着N-Back中N值的增大，反应正确率逐渐下降，反应时间逐渐延长，主观难度评分也不断提高。相较于静态按键范围，动态按键范围的反应正确率大都略有下降，反应时间大都略有增长，主观难度评分也大都略有提高。

由以上行为学结果证实了该发明的有效性，该实验范式可以有效诱发不同程度的脑力负荷，可以利用该实验范式进行更为复杂的神经生理学实验。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受实施例的限制，其它任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、组合、替代、简化均应为等效替换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于心算、按键和 N-Back 的脑力负荷诱发范式，其特征在于,包括以下三种任务：

a.逻辑运算任务；b.工作记忆任务；c.视觉加工和运动执行任务。

2.根据权利要求1所述的脑力负荷诱发范式，其特征在于：同时进行a、b、c三种任务，且a、b、c的任务难度均可以独立自由调节。

3.根据权利要求1所述的脑力负荷诱发范式，其特征在于：所述逻辑运算任务在屏幕上呈现出需要计算的算式，被试要求在心中计算出对应结果。

4.根据权利要求3所述的脑力负荷诱发范式，其特征在于：所述的逻辑运算任务中的算式本身的计算难度控制，包括且不限于加减法运算、乘除法运算、对数和指数运算、复数运算、三角函数运算等。

5.根据权利要求1所述的脑力负荷诱发范式，其特征在于：所述工作记忆任务被试要求将计算结果短暂地记录在大脑中，经过一段时间后提取记忆，并作出反应；包括且不限于N-Back 方法，其中 N=0, 1, 2……。

6.根据权利要求5中所述的脑力负荷诱发范式，其特征在于：所述的 N-Back 方法中，在 0-Back 中，被试只需要对当前出现的算式做出反应，即按下对应的按键；在1-Back 中，被试则需要不断地记下当前算式的计算结果，并对前一个算式（不是当下屏幕显示的）的计算结果做出反应，按下对应按键；类似地，在2-Back 中，被试需要记下前2个算式的计算结果并对前第2个算式结果做出反应，按下对应按键……。

7.根据权利要求1中的脑力负荷诱发范式，其特征在于：所述视觉加工和运动执行任务可以要求受试者在规定时间内完成，也可以不限制受试者的反应时间。

8.根据权利要求1中的脑力负荷诱发范式，其特征在于：所述视觉加工和运动执行任务的备选按键的数目可以根据难度等级动态变动。

9.根据权利要求1中的脑力负荷诱发范式，其特征在于：所述视觉加工和运动执行任务中根据逻辑运算任务算式的结果，在屏幕上呈现出多个按键及其对应的数值范围，包括且不限于静态按键范围；动态按键范围。

10.根据权利要求9中所述的脑力负荷诱发范式，其特征在于：所述静态按键范围盘上多个按键对应的数值范围固定，被试经过短暂的记忆后，可以根据算式结果，直接选择对应的按键，而无需经过视觉检索。

11.根据权利要求9中所述的脑力负荷诱发范式，其特征在于：所述动态按键范围键盘上多个按键对应的数值范围随机变化，被试在心算出得数后，需要目光检索各个按键的对应范围，才能选择出正确的按键。