经右侧背外侧前额叶皮层的高分辨率经颅直流电刺激以增强元认知敏感性

摘要

本研究提出了一种实验范式，应用高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）以改善人类在人机协作任务中的元认知能力。结果表明，HD-tDCS在提升元认知敏感性方面具有显著效果。

摘要

在人机协作中，任务分配是一个关键环节。理想情况下，如果个体认为自己有能力完成某项任务，则应亲自完成；否则，应将任务委派给另一方。这种分配决策受到个体对自身能力评估的影响，而这种评估又由元认知——即评估自身能力的意识——所决定。高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）是一种非侵入性脑刺激技术，可通过调节大脑皮层的兴奋性来提升人类表现。本方案介绍了一种利用HD-tDCS研究其在人机协作任务分配过程中对人类元认知影响的方法，详细描述了对背外侧前额叶皮层（DLPFC）施加阳极、阴极或假刺激的操作流程。刺激使用便携式HD-tDCS设备进行，采用五个电极的环形排列方式，包括一个目标电极和四个回路电极。总刺激时长为21分钟，电流强度为2 mA。该方法有望为深入探索人类在人机协作任务分配过程中的神经机制与行为调控提供新的研究路径，并为进一步优化人机协作任务提供坚实的理论基础。

引言

人工智能（AI）正日益深入地融入我们的日常生活和工作场所。然而，在许多现实场景中，AI 尚无法完全实现决策过程的自动化¹。由于当前技术的局限性以及伦理和法律方面的考量，某些任务对 AI 而言仍极具挑战性。因此，在特定领域赋予 AI 完全自主权往往不切实际或不可取^2,3。人类因此在工作中继续发挥着不可或缺的作用，人机协同预计将逐渐成为未来生产与服务交付的主要模式。在医疗保健、酒店服务和人力资源等领域的研究表明，人类与 AI 的协作能够降低成本，并在某些情况下提升效率^4,5,6。

在人机协作中，各方应承担符合自身优势的任务，同时将不太适合的任务委派给对方。因此，有效的任务委派对于实现成功的协作和最优的绩效结果至关重要。Adam 等人发现，当委派过程完全自动化并由人工智能独立完成、无需人类参与时，人类往往会产生更强的自我威胁感⁷。Fuegener 等人进一步报告指出，在向人工智能委派任务的过程中，人们常常难以准确评估自身能力或判断任务难度，反映出元认知水平较低

方案

本研究遵循赫尔辛基宣言的原则，并已获得江苏科技大学机构审查委员会的批准。我们已获得参与者同意使用和发布其数据的知情同意书。

1. 准备

1. 准备实验任务。
   1. 从 ImageNet 网站（https://image-net.org/）下载图像数据。
      注意：下载的图像已按类别分类，每个类别包含多张图像。
   2. 运行与 GoogLeNet Inception v3 模型相关的 Python 代码以对图像进行分类（参见 补充文件 1）。保存每张图像的前五个预测类别，以及 Top-1 分类准确率。
      注意：该 Python 代码通过加载 Inception V3 模型实现图像分类。对于每张目标图像，输出前五个预测类别。实验中将这五个预测类别对应的图像集作为参与者的应答选项呈现。如果正确类别未出现在前五个预测结果中，则用正确类别替换其中一个预测类别，以确保正确类别包含在选项中。
   3. 使用 Python 或任意随机抽样程序，从模型已分类的图像中选取目标图像。
   4. 针对每张目标图像，从五个类别中各提取 10 张图像作为应答选项。调整所有图像尺寸，确保其大小一致。
   5. 开展预实验，邀请参与者参加实验。
      注意：预实验与正式实验类似，但参与者需自行完成所有试验，不可委托他人，且无需进行置信度评分。
   ....

结果

本研究的关键结果包括使用元认知敏感性指标 meta-d' 进行测量。对不同刺激类型下参与者的元认知敏感性得分进行了正态性检验，结果显示在所有条件下均满足正态分布。采用重复测量方差分析（ANOVA）比较不同刺激类型下的元认知敏感性，结果如表1所示。尽管时间与刺激类型的主效应均不显著（p > 0.05），但时间（前测、后测）与刺激类型（阳极、阴极、假刺激）之间的交互作用显著（F = 3.226，p = 0.047，偏η² = 0.10）。这表明不同类型的刺激与时间因素共同影响人类的元认知敏感性。进一步进行简单效应分析，以考察在所有刺激类型下时间因素的影响。结果表明，在阳极刺激条件下，元认知敏感性随时间显著提高（F = 7.374，p = 0.009，偏η² = 0.12）。该效应在经过邦弗罗尼（Bonferroni）校正后仍保持显著（校正后的显著性阈值：α / k = 0.05 / 3 ≈ 0.0167）。相比之下，在阴极刺激和假刺激条件下均未观察到元认知敏感性的显著提升。

讨论

为确保实验结果的可靠性，在操作过程中需考虑多个因素。首先，在将电缆连接至高分辨率经颅直流电刺激（HD-tDCS）电极设备时，必须确认每根电缆准确对应指定的电极位置，因为连接错误可能导致非预期的生理效应。其次，由于本研究为涉及伪刺激条件的单盲实验，受试者在HD-tDCS操作过程中不得看到操作界面。第三，在准备人机协作决策任务材料时，每个选择组内的所有图像应统一尺寸，以避免视觉偏差。最后，咖啡因可能影响任务表现并改变情绪状态。已有研究表明，咖啡因与tDCS在改善疲劳和嗜睡等状态方面具有相似作用³⁸。为更好地控制混杂变量，要求受试者在实验前避免摄入咖啡因。

本研究中使用的HD-tDCS设备是一种便携式装置，在刺激过程中通过魔术贴固定在刺激帽的背面。为防止设备脱落，建议受试者在整个刺激期间尽量减少头部活动。其次，本研究中使用的电极属于消耗品。经过长期使用后，电极表面的Ag/AgCl涂层可能会发生降解，导致阻抗水平超过可接受阈值，从而干扰刺激过程。建议每次使用后立即清洁电极，避光保存，并在累计使用约10 h后予以更换。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
电极导线	Neuroelectrics	10 electrode cable	该电极导线配有10个电极医用插孔。
电极凝胶	Parker Laboratories	Signagel 250g NE016b	用于降低阻抗并提高信号质量。
电极	Neuroelectrics	NG PISTIM NE029	NG Pistim 由两部分组成：固定件（上部）和带螺纹的垫圈（下部）。
实验软件	PSYCHOLOGY SOFTWARE TOOLS	E-prime3.0 Build 3.0.3.31	用于编制实验程序的软件。
HD-tDCS设备	Neuroelectrics	Starstim 8	用于提供HD-tDCS刺激的设备。
HD-tDCS软件	Neuroelectrics	NIC2 V2.1.3.6	该应用程序可使计算机与HD-tDCS设备进行交互。
笔记本电脑	Dell	G5 5500	用于运行实验所用软件的计算机。
氯丁橡胶头帽	Neuroelectrics	M	用于精确定位头皮上的电极位置。尺寸：S（49 cm）、M（54 cm）、L（57 cm）、XL（60 cm）
统计工具	IBM	SPSS V26	用于数据分析。
注射器	-	NE014	用于注入电极凝胶。