Нейроэргономика
Нейроэргономика – это применение нейробиологии к эргономике . Традиционные эргономические исследования полагаются преимущественно на психологические объяснения для решения проблем человеческого фактора , таких как: производительность труда, эксплуатационная безопасность и риски, связанные с рабочим местом (например, повторяющиеся стрессовые травмы). Нейроэргономика, напротив, обращается к биологическим основам эргономических проблем, уделяя особое внимание роли нервной системы человека.
Обзор
[ редактировать ]Нейроэргономика преследует две основные цели: использовать существующие/появляющиеся знания о работоспособности человека и функциях мозга для разработки систем для более безопасной и эффективной работы, а также продвигать понимание взаимосвязи между функцией мозга и производительностью в реальных задачах.
Для достижения этих целей нейроэргономика объединяет две дисциплины — нейробиологию, изучающую функции мозга, и человеческий фактор, изучающую то, как согласовать технологии с возможностями и ограничениями людей, чтобы они могли работать эффективно и безопасно. Цель объединения этих двух областей — использовать поразительные открытия человеческого мозга и физиологического функционирования как для разработки технологий на рабочем месте и дома, так и для предоставления новых методов обучения, которые повышают производительность, расширяют возможности и оптимизируют соответствие между люди и технологии.
Исследования в области нейроэргономики расцвели в последние годы с появлением неинвазивных методов мониторинга функций мозга человека, которые можно использовать для изучения различных аспектов поведения человека в отношении технологий и работы, включая умственную нагрузку , зрительное внимание , рабочую память , управление двигателем , взаимодействие человека и автоматизации и адаптивная автоматизация . Следовательно, эта междисциплинарная область связана с исследованием нейронных основ человеческого восприятия , познания и производительности по отношению к системам и технологиям в реальном мире, например, при использовании компьютеров и различных других машин дома или на рабочем месте. и в эксплуатации транспортных средств, таких как самолеты, автомобили, поезда и корабли.
Подходы
[ редактировать ]Функциональная нейровизуализация
[ редактировать ]Основная цель нейроэргономики — изучение того, как функция мозга связана с выполнением задач/работы. Для этого обычно используются неинвазивные методы нейровизуализации для регистрации прямых нейрофизиологических маркеров активности головного мозга с помощью электроэнцефалографии электрической активности (ЭЭГ), магнитоэнцефалографии (МЭГ) или непрямой метаболической позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и нейроваскулярных измерений активности нейронов, включая функциональную магнитную. резонансная томография (фМРТ), функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (фНИРС), транскраниальная допплерография (ТКД). Как правило, нейроэргономические исследования более ориентированы на применение, чем базовые исследования когнитивной нейробиологии, и часто требуют баланса между контролируемой средой и натуралистическими условиями. Исследования с использованием более крупных установок нейровизуализации, таких как ПЭТ, МЭГ и фМРТ, предлагают повышенное пространственное и временное разрешение за счет увеличения ограничений на действия участников. Используя более мобильные методы, такие как fNIRS и ЭЭГ, исследование может проводиться в более реалистичных условиях, включая даже участие в реальной исследуемой работе (например, вождении). Преимущество этих методов состоит в том, что они более доступны и универсальны, но они также могут идти на компромисс из-за уменьшения количества записываемых областей и способности отображать нейронную активность из более глубоких областей мозга. Вместе применение контролируемых лабораторных экспериментов и перевода результатов в реалистичный контекст представляет собой спектр нейровизуализации в нейроэргономике.
Нейростимуляция
[ редактировать ]Методы нейростимуляции также могут использоваться отдельно или в сочетании с методами нейровизуализации для исследования участия областей коры в выполнении задач. Такие методы, как транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) и транскраниальная стимуляция постоянным током (tDCS), могут использоваться для временного изменения возбудимости корковых областей. Предполагается, что стимуляция области коры (особенно с помощью ТМС) может нарушить или улучшить функцию этой области, что позволяет исследователям проверять конкретные гипотезы, связанные с работоспособностью человека.
Некоторые исследования показали перспективность использования TMS и tDCS для улучшения когнитивных навыков во время выполнения задач. Первоначально ТМС использовалась для лечения различных неврологических расстройств, таких как болезнь Паркинсона или деменция, но сфера применения ТМС расширяется. При ТМС электричество проходит через магнитную катушку, расположенную рядом с кожей головы человека. Результаты исследований показывают, что неинвазивная стимуляция мозга приводит к увеличению продолжительности бдительности на 20 минут. [1]
Психофизиология
[ редактировать ]Психофизиологические меры — это физиологические показатели (кровь, частота сердечных сокращений, проводимость кожи и т. д.), которые изменяются в рамках психологических процессов. Нейроэргономика, хотя и не рассматривается как прямая нейронная мера, также способствует использованию физиологических коррелятов в качестве зависимых показателей, когда они могут служить показателем нервной активности, такой как внимание, двигательные или аффективные процессы. Эти меры можно использовать в сочетании с методами нейровизуализации или в качестве замены, когда приобретение методов нейровизуализации слишком дорого, опасно или по другим причинам непрактично. Психофизиология — это отдельная область от нейроэргономики; однако принципы и цели можно считать взаимодополняющими.
Приложения
[ редактировать ]Оценка умственной нагрузки
[ редактировать ]С помощью фМРТ умственную нагрузку можно количественно оценить по увеличению мозгового кровотока в областях префронтальной коры (ПФК). Многие исследования фМРТ показывают, что активация PFC увеличивается во время выполнения задачи на рабочую память. Не менее важным, чем измерение умственной нагрузки, является оценка бдительности или внимательности оператора. С помощью ТКД для мониторинга скорости кровотока в межчерепных артериях было показано, что снижение кровотока связано со снижением бдительности и истощением когнитивных ресурсов. [2]
Адаптивная автоматизация
[ редактировать ]Адаптивная автоматизация, новая нейроэргономическая концепция, относится к системе «человек-машина», которая использует оценку рабочей нагрузки оператора в реальном времени для внесения необходимых изменений для повышения производительности. Чтобы адаптивная автоматизация работала, система должна использовать точный классификатор состояний оператора для оценки в реальном времени. Классификаторы состояний оператора, такие как дискриминантный анализ и искусственные нейронные сети, демонстрируют точность от 70% до 85% в режиме реального времени. Важной частью правильного внедрения адаптивной автоматизации является выяснение того, насколько большой должна быть рабочая нагрузка, чтобы потребовать вмешательства. Внедрение нейроэргономической адаптивной автоматизации потребует разработки неинтрузивных датчиков и даже методов отслеживания движения глаз. Текущие исследования по оценке психического состояния человека включают использование лицевой электромиографии для выявления спутанности сознания. [3]
Эксперименты показывают, что команда человек-робот лучше справляется с управлением воздушными и наземными транспортными средствами, чем человек или робот (т.е. автоматическая система распознавания целей ). По сравнению со 100% человеческим контролем и статической автоматизацией участники продемонстрировали более высокое доверие и уверенность в себе, а также меньшую воспринимаемую рабочую нагрузку при использовании адаптивной автоматизации. [4]
В адаптивной автоматизации самая большая проблема заключается в том, чтобы заставить машину точно определить, как реагировать на изменения и вернуться к максимальной производительности. Машина должна быть в состоянии определить, в какой степени она должна внести изменения. Это также является следствием сложности системы и таких факторов, как: насколько легко можно определить количественный параметр, сколько параметров в системе машины можно изменить и насколько хорошо можно скоординировать эти различные параметры машины.
Мозговые компьютерные интерфейсы
[ редактировать ]Развивающаяся область исследований, называемая интерфейсами мозг-компьютер (BCI), стремится использовать различные типы сигналов мозга для управления внешними устройствами без какого-либо двигательного вмешательства со стороны человека. BCI перспективны для пациентов с ограниченными двигательными возможностями, например, с боковым амиотрофическим склерозом . Когда пользователь занимается определенной умственной деятельностью, он генерирует уникальный электрический потенциал мозга, который обрабатывается и передается в сигнал для внешнего устройства. ИМК, использующие сигналы ЭЭГ и ERP, использовались для управления синтезаторами голоса и перемещения роботизированных рук. Исследования BCI начались в 1970-х годах в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, и в настоящее время они сосредоточены на применении нейропротезов. BCI можно существенно улучшить, включив в его конструкцию высокоуровневый контроль, контекст, окружающую среду, а также виртуальную реальность. [5]
Реабилитация после инсульта
[ редактировать ]С 2011 года предпринимались попытки применить реабилитационного робота, подключенного к неинвазивному интерфейсу мозг-компьютер, для повышения пластичности мозга и двигательного обучения после инсульта . Половина выживших после инсульта испытывает односторонний паралич или слабость, и примерно 30-60% из них не восстанавливают функции. Типичное лечение после инсульта включает в себя двигательную терапию, вызванную ограничением, и роботизированную терапию, которые восстанавливают двигательную активность, заставляя двигаться слабые конечности. Текущая активная терапия не может использоваться пациентами, которые страдают от полной потери контроля или паралича и не имеют остаточной двигательной способности, с которой можно было бы работать.
С акцентом на этих недостаточно обслуживаемых пациентов был создан BCI, который использовал электрические сигналы мозга, обнаруженные с помощью ЭЭГ, для управления реабилитационным роботом верхних конечностей. Пользователю предлагается представить двигательную активность, в то время как ЭЭГ улавливает соответствующие сигналы мозга. BCI использует алгоритм линейного преобразования для преобразования спектральных характеристик ЭЭГ в команды для робота. В эксперименте, проведенном на 24 субъектах, сравнивалась группа, не использующая BCI, которая использовала сенсомоторные ритмы для управления роботом, и группа BCI, которая использовала систему BCI-робот. Результаты анализа пластичности мозга показали, что бета-волн у испытуемых группы BCI наблюдалось снижение активности , что связано с изменением движений. Результаты также показали, что группа BCI показала лучшие результаты, чем группа без BCI, по всем показателям двигательного обучения. [6] [ чрезмерный вес? - обсуждать ]
Виртуальная реальность
[ редактировать ]Виртуальная реальность может позволить протестировать, как люди-операторы будут работать в опасных условиях, не подвергая их фактическому вреду. Например, это позволит проверить, как усталость или новая технология повлияют на водителя или пилота в их конкретной среде, без возможности получения травмы. Возможность оценить влияние некоторых новых технологий на рабочем месте в виртуальной реальности до их внедрения в реальную жизнь может спасти деньги и жизни. Довести технологию виртуальной реальности до такой степени, чтобы она могла точно имитировать реальную жизнь, сложно, но ее потенциал огромен. [7]
Обучение здравоохранению
[ редактировать ]Программы обучения в сфере здравоохранения используют моделирование виртуальной реальности (VRS) в качестве инструмента обучения для студентов-медсестер. Этот компьютерный инструмент трехмерного моделирования позволяет студентам медицинских сестер неоднократно практиковать различные сестринские навыки в безопасной среде. Программа медсестер в крупном государственном университете Среднего Запада согласилась использовать модуль VRS для обучения введению внутривенного (ВВ) катетера и провести оценку эффективности программы. VRS состоял из компьютерной программы и тактильного манипулятора, которые работали вместе, имитируя ощущение сосудистого доступа. На экране компьютера пользователю придется в правильном порядке выбрать оборудование для процедуры. Затем пользователь пальпирует вены гаптической руки и виртуально вводит внутривенный катетер. Программа обеспечивает немедленную обратную связь, уведомляя пользователя, когда он/она пропускает шаг и ему необходимо перезапустить процедуру.
Результаты оценки показали, что VRS является «отличным средством обучения» для расширения знаний студентов о процедуре. Все восемь преподавателей медсестер, участвовавших в исследовании, согласились с этим и рекомендовали студентам поработать с VRS, прежде чем выполнять установку внутривенного катетера реальным пациентам.
Этот инструмент позволяет преподавателям познакомить студентов с широким спектром реальных состояний пациентов и опыта ухода за больными. Главным преимуществом программы VRS является доступность различных сценариев, которые позволяют студентам повысить осведомленность о различиях в реакции пациентов на установку внутривенного катетера. С точки зрения студента, симуляция виртуальной реальности помогает преодолеть разрыв между теорией и практикой сестринского дела. [8] [ чрезмерный вес? - обсуждать ]
Приложения для нейрокогнитивных нарушений
[ редактировать ]Нейроэргономические исследования обладают огромным потенциалом для оценки психомоторных показателей у людей с нейрокогнитивными нарушениями или после инсульта или хирургического вмешательства. Они позволят разработать стандартизированный метод измерения изменений нейрокогнитивных функций во время реабилитации нейрокогнитивных нарушений. Что касается реабилитации, это позволит сделать усилия целенаправленными. Эти тесты могут быть применены для измерения изменений после таких операционных процедур, как нейрохирургия, каротидная эндартерэктомия и аортокоронарное шунтирование . [9]
Безопасность вождения
[ редактировать ]Одной из основных областей применения нейроэргономики является безопасность вождения, особенно для водителей старшего возраста с когнитивными нарушениями. Вождение требует интеграции множества когнитивных процессов, которые можно изучать отдельно, если использовать правильные инструменты. Типы инструментов, используемых для оценки когнитивных способностей во время вождения, включают симуляторы вождения, транспортные средства с приборами и симуляторы частичных задач. [10]
Лаборатория кроссмодальных исследований в Оксфорде работает над разработкой системы предупреждающих сигналов, которая сможет привлечь внимание отвлеченного водителя и сделать вождение более безопасным для всех. Исследование показало, что использование звуковых значков, таких как автомобильный сигнал, является лучшим предупреждающим сигналом, чем чистый тон. Кроме того, пространственные слуховые сигналы лучше перенаправляют внимание водителя, чем непространственные слуховые сигналы. Сигналы, объединяющие несколько органов чувств, например аудиотактильный сигнал, привлекают внимание лучше, чем бессенсорные сигналы. [11] Другие оценивали различные типы уведомлений в автомобиле (например, звуковые значки, речевые команды), предназначенные для управления задачами в автономных грузовиках, на предмет их соответствия отдельным нейронным механизмам; это служит эффективным методом прояснения часто противоречивых результатов, полученных только на основе поведенческих результатов. [12]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Р. Энди, М., Натаниэль, Б., Крейг М., В., и Джереми, Н. (nd). Модулирование работы мозга с помощью неинвазивной транскраниальной стимуляции. NeuroImage , 59 (Нейроэргономика: человеческий мозг в действии и на работе), 129-137.
- ^ Парасураман, Р. (2008). «Заставить мозг работать: нейроэргономика прошлое, настоящее и будущее». Человеческий фактор , 50(3), 468-474.
- ^ Дюрсо, FT (2012). «Обнаружение спутанности сознания с помощью лицевой электромиографии». Человеческий фактор , 54(1), 60-69.
- ^ де Виссер, Э., и Парасураман, Р. (2011). Адаптивная помощь в совместной работе человека и робота: влияние несовершенной автоматизации на производительность, доверие и рабочую нагрузку. Журнал когнитивной инженерии и принятия решений , 5 (2), 209–231.
- ^ Эллисон Б., Лееб Р., Бруннер К., Мюллер-Пуц Г., Бауэрнфейнд Г., Келли Дж. и Нойпер К. (nd). На пути к более разумным BCI: расширение BCI за счет гибридизации и интеллектуального управления. Журнал нейронной инженерии , 9 (1).
- ^ Бабалола, К. (2011). Интерфейсы мозг-компьютер для стимулирования пластичности мозга и двигательного обучения: значение для реабилитации после черепно-мозговых травм / Каролин Олатубосун Бабалола. Атланта, Джорджия: Технологический институт Джорджии, 2011.
- ^ Парасураман Р. и Риццо М. (2007). Нейроэргономика: Мозг в работе . Оксфорд; Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета.
- ^ Дженсон, К., и Форсайт, Д. (2012). Моделирование виртуальной реальности: использование трехмерных технологий для обучения студентов-медсестер. Компьютеры, информатика, сестринское дело, 30(6), 312-318.
- ^ Генри Дж., М., и Дэвид Дж., М. (nd). Нейрокогнитивная инвалидность, инсульт и хирургия: роль нейроэргономики? Журнал психосоматических исследований , 63, 613–615.
- ^ Лиз, Миннесота, Косман, Джей Ди, Ли, Джей Ди, Фрике, Н., и Риццо, М. (2010). Перевод когнитивной нейробиологии в рабочую среду водителя: нейроэргономический подход. Американский журнал психологии , 123 (4), 391–411.
- ^ Спенс, К. (2012). Управляйте безопасно с помощью нейроэргономики. Психолог , 25(9), 664-667.
- ^ Глатц, К., Крупения, С.С., Бюльтхофф, Х.Х., и Чуанг, Л.Л. (апрель 2018 г.). «Используйте правильный звук для правильной работы: вербальные команды и звуковые значки для системы управления задачами способствуют различным информационным процессам в мозгу» . Материалы конференции CHI 2018 года по человеческому фактору в вычислительных системах , 472, 1-10.
Научные конференции
[ редактировать ]- Международная конференция по взаимодействию человека и компьютера (HCII) уделяет особое внимание расширенному познанию и нейроэргономике.
- Международная конференция по нейроэргономике
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Микаэль Косс, Фредерик Деэ, Патрис Перан, Умберто Сабатини, Жозетт Пастор (2012). Влияние эмоций на принятие решений пилотом: нейроэргономический подход к авиационной безопасности. Транспортные исследования, часть C: Новые технологии.
- Парасураман, Р. (2003). «Нейроэргономика: исследования и практика». Теоретические проблемы эргономики , 4, 5-20.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Отделение SNN в Саарском университете
- Страница нейроэргономики лаборатории ARCH Университета Джорджа Мейсона
- Программа нейроэргономики в Университете Айовы
- Нейроэргономика и городской дизайн в Международном обществе биоурбанизма
- Нейроэргономика и городское благоустройство в Международном обществе биоурбанизма
- Нейроэргономика и социогенез в Международном обществе биоурбанизма
- Лаборатория нейроэргономики и производительности оператора Университета Гранады
- Международная конференция по нейроэргономике
