不同脑力负荷模拟飞行任务的脑电研究

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脑力负荷被认为是个体在执行任务时,自身作业能力与当前任务需求之间的差异变量。在飞行任务中,飞行员脑力负荷的大小会直接影响自身工作绩效,甚至威胁飞行安全。由于飞行活动中,飞行员面对的仪表操作界面具有复杂、多任务操作的特点。因此,本研究通过以多重任务为基本检测范式的模拟飞行客观综合测量平台,构建实验室条件下的模拟飞行任务脑力负荷诱发模型,利用神经电生理技术,结合功率谱和图论分析方法,探究不同脑力负荷模拟飞行任务条件下个体的脑电活动变化及其反映的心理认知活动变化。基于上述研究问题,本研究分为三部分进行探讨。研究1纳入军事医学研究院在读生27名(男性15名、女性12名),采用单因素三水平的被试内设计,构建了实验室条件下的模拟飞行任务脑力负荷模型。要求受试者依次完成三种不同难度的模拟飞行任务(单轴任务T1:完成单轴操纵;三重任务T2:同时完成三轴操纵;四重任务T3:同时完成三轴操纵和数字加法运算),每项任务结束后立即填写纸质版 NASA-TLX(National Aeronautics and Space Administration-task Load Index)量表。利用BIOPAC无线多导生理记录仪记录静息状态及三项任务的心电、呼吸和手指皮肤电信号。选取NASA-TLX评分,任务操作成绩,心率(HR)、标准化低频(LFnu)、标准化高频(HFnu)、低频-高频比值(LF/HF)、呼吸频率(RR)和皮肤电活动(EDA)相对静息态的变化水平作为评估指标,评估脑力负荷模型的诱发效果。结果发现:个体的NASA-TLX评分和HR变化水平随同时执行的任务数量增加显著增加(T1<T2<T3),任务操作成绩随同时执行的任务数量增加显著下降(T1>T2>T3)。T3的LFnu、LF/HF、EDA变化水平显著高于T2。研究2利用NeuroScan 64导脑电采集系统记录静息状态及三项任务的头皮脑电信号。选取功率谱密度(PSD)作为脑电分析指标,探究不同脑力负荷模拟飞行任务条件下各频段的脑区激活特征及其反映的心理认知活动。结果发现:高脑力负荷任务状态下(T3>T1、T2),广泛脑区的低频段δ、θ脑电PSD显著增加,额区和顶枕区的高频段脑电PSD显著增加。不同模拟飞行任务条件下,脑力负荷变化水平与额区、顶区的脑电活动变化水平呈正相关。研究3基于图论的方法,选取全局效率、网络聚类系数、节点度、节点效率作为脑电分析指标,探究不同脑力负荷模拟飞行任务条件下各频段的脑功能网络拓扑特征及其反映的心理认知活动。结果发现:高脑力负荷任务状态下,θ频段的全局效率和网络聚类系数显著增加。高脑力负荷任务状态下,顶枕区θ频段的节点效率显著增加,额中央区、中央顶区α频段的节点效率和节点度显著下降。T2相对T1的脑力负荷变化水平与θ、α频段的全局效率变化水平呈负相关。综上所述,本研究通过构建模拟飞行任务脑力负荷诱发模型,揭示了高脑力负荷模拟飞行任务条件下个体的脑区激活特征、脑功能网络拓扑特征及其反映的心理认知活动,为防止脑力负荷过度、保障飞行安全提供客观依据。
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