[发明专利]一种基于心算和工作记忆等的脑力负荷诱发技术

说明书

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。

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。