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Kognitive Last bezieht sich auf die Gesamtmenge der geistigen Aktivität, die innerhalb eines bestimmten Zeitraums der Aufgabenausführung auf das kognitive System einer Person auferlegtwird. 1. Eine erhöhte kognitive Belastung kann die menschliche Leistungsfähigkeit beeinträchtigen und ist ein wesentlicher Faktor für Arbeitsunfälle2. Hohe kognitive Belastungszustände beeinflussen die Herzaktivität, indem sie das sympathische Nervensystem aktivieren und das parasympathische Nervensystem hemmen, wodurch die Herzfrequenz (HR) und die Herzfrequenzvariabilität (HRV) verringert wird3. Erwartungsüberzeugungen beziehen sich darauf, inwieweit Individuen glauben, eine bestimmte Aufgabe oder Aktivität erfolgreich erfüllenzu können 4. Die Schwierigkeit der Aufgabe beeinflusst die Erwartungsüberzeugungen der Individuen, die wiederum ihr Verhaltensengagement und die Verteilung kognitiver Ressourcen regulieren und sich letztlich als unterschiedliche kognitive Belastungsstufen manifestieren.
Die Elektrokardiographie (EKG) liefert eine hochauflösende Aufzeichnung der elektrischen Aktivität des Herzens. Herzfrequenz- und HRV-Indizes aus EKG-Signalen erfassen verschiedene Aspekte des Herzrhythmus und dienen als psychophysiologische Indikatoren für den körperlichen und geistigen Stresseiner Person 5. Die Herzfrequenz spiegelt die Gesamthäufigkeit der Herzkontraktionen wider und kann zur Beurteilung des Grundzustands des Herz-Kreislauf-Systems verwendet werden. HRV stellt die zeitliche Variation zwischen aufeinanderfolgenden Herzschlägen dar und dient als Indikator für die Regulierung des autonomen Nervensystems (ANS), was das dynamische Gleichgewicht zwischen sympathischer und parasympathischer Aktivitätwiderspiegelt 6,7,8. Das sympathische Nervensystem wird unter Stress, Bedrohung oder hochintensiver Aktivität aktiviert, was oft zu erhöhter Herzfrequenz und geringerer HRV führt. Umgekehrt wird das parasympathische Nervensystem während Entspannungs-, Schlaf- oder Energiearm-Phasen aktiviert, was typischerweise zu einer verringerten Herzfrequenz und einer erhöhten HRV führt.
Aktuelle physiologische Methoden zur Messung der kognitiven Last umfassen EKG-Aktivität, elektroenzephalographische (EEG)-Aktivität, Atmung, Blutdruck und Augenindizes9. Im Vergleich zu traditionellen retrospektiven Fragebögen bieten physiologische Messungen eine bessere Möglichkeit, die Echtzeitzustände der Teilnehmer zu erfassen und so Rückrufverzerrungen und die zeitlichen Verzögerungseffekte selbstberichterstattlicher Ansätze zu vermeiden. Tragbare EKG-Geräte ermöglichen eine kontinuierliche und unauffällige Beurteilung des Zustands der Teilnehmer, während sie mit laufenden Aufgaben beschäftigt sind10. Im Vergleich zu anderen physiologischen Messtechniken stellt das portable EKG eine kostengünstige, nicht-invasive Methode dar, die es den Teilnehmern ermöglicht, Aufgaben in ihrer Umgebung natürlicher und flexibler auszuführen11. Die durchschnittliche Herzfrequenz steigt tendenziell, wenn die kognitive Schwierigkeitum 12 steigt, und es wurde gezeigt, dass HRV sowohl auf mentale als auch körperliche Anforderungen sehr anspricht(13). Angesichts der Tatsache, dass von der vorliegenden Aufgabe erwartet wird, erheblichen mentalen Aufwand und eine moderate körperliche Belastung zu verursachen, und angesichts der praktischen Anforderungen von Aufgabendelegationsszenarien in der Zusammenarbeit zwischen Mensch und KI, sind HR und HRV geeignete Indikatoren zur Messung der kognitiven Belastung.
HR und HRV wurden weit verbreitet auf die Untersuchung der kognitiven Last in mehreren Bereichen angewandt, darunter Luftfahrt14, Driving15 und wirtschaftliche Entscheidungsfindung16, und bieten leistungsstarke Werkzeuge für die kontinuierliche und objektive Bewertung menschlicher Zustände. Mit der zunehmenden Integration von KI am Arbeitsplatz ist das Verständnis von Veränderungen der kognitiven Belastung während der Zusammenarbeit zwischen Mensch und KI immer wichtiger geworden. Eine Studie, die KI-unterstützte Entscheidungsfindung untersuchte, ergab, dass Menschen unter Bedingungen hoher kognitiver Belastung eine irrationale Abhängigkeit von KI-generierten Vorschlägen zeigten17. In kollaborativen Umgebungen kann die Rolle der KI über die Beratung hinausgehen und es Menschen und KI ermöglichen, gemeinsam Aufgaben zu erledigen. Die vorliegende Studie konzentriert sich auf einen neuartigen Kollaborationsmodus, bei dem Menschen die Aufgabenverteilung übernehmen und für jede Aufgabe entscheiden können, ob sie sie selbst erledigen oder an die KI delegieren. In diesem speziellen Kontext, in dem Menschen die Autorität zur Aufgabenverteilung haben, bleibt jedoch unklar, wie die Schwierigkeit der Aufgabe das Entscheidungsverhalten beeinflusst und folglich unterschiedliche kognitive Belastungsstufen widerspiegelt. Daher zielt diese Studie darauf ab, tragbare EKG-Geräte einzusetzen, um Herzfrequenz und HRV präzise zu messen und so die dynamischen Veränderungen der kognitiven Belastung unter diesem kollaborativen Paradigma objektiv zu quantifizieren.
Die für dieses Experiment ausgewählte kollaborative Aufgabe zwischen Mensch und KI ist eine allgemeine Aufgabe, die aus dem von Fügener et al.18 vorgeschlagenen Paradigma übernommen wurde. Der Vorteil einer so verallgemeinerbaren Aufgabe besteht darin, dass die Teilnehmer keine spezialisierte Ausbildung benötigen und sie problemlos auf domänenspezifische Aufgaben übertragen werden kann. In der hier beschriebenen Studie umfasst die experimentelle Aufgabe die Bildklassifikation, bei der die Teilnehmer gebeten werden, einem von mehreren Bildkategoriegruppen ein Zielbild zuzuweisen. Eine Klassifikation gilt als korrekt, wenn die ausgewählte Kategoriegruppe mit der wahren Kategorie des Zielbilds übereinstimmt. Die Zielbilder stammen aus der ImageNet-Datenbank, in der die Kategorien bereits validiert wurden. Für jede Kategorie-Gruppenoption wurden den Teilnehmern zehn Beispielbilder bereitgestellt, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass sie bestimmte Kategorien nicht kennen19. Wir verwendeten GoogLeNet Inception v3 als KI-Modell20, das auf 1.000 potenziellen Bildkategorien trainiert wurde und eine durchschnittliche Klassifikationsgenauigkeit von 0,76 erreichte.
Wir führten ein vorläufiges Experiment durch, um den Schwierigkeitsgrad der Zielbilder zu bestimmen. In diesem vorläufigen Experiment mussten die Teilnehmer alle Bilder selbst klassifizieren. Die Stichprobengröße von 217 Teilnehmern in der vorliegenden Studie wurde unter Berücksichtigung der von Fügener et al.18 berichteten rein menschlichen Erkrankung bestimmt. Bei einer kollaborativen Aufgabe ist es im Allgemeinen wünschenswert, jede Aufgabe der am besten geeigneten Partei zu übertragen. Um die Schwierigkeit der Aufgabe zu operationalisieren, verglichen wir die Genauigkeit jedes Bildes mit der durchschnittlichen Genauigkeit der KI. Bilder mit menschlicher Genauigkeit, die unter der durchschnittlichen Genauigkeit der KI liegt, wurden als solche definiert, die besser für die KI-Komplettierung geeignet sind – also Bilder, die für Menschen relativ schwierig sind. Im formalen Experiment wählten wir insgesamt 32 Bilder aus, darunter 16 einfache und 16 schwierige Bilder.
Eine a priori Power-Analyse wurde mit G*Power 3.1 für einen Wilcoxon-Signed-Rank-Test21 durchgeführt. Wir nahmen eine mittlere Effektgröße, ein zweiseitiges α-Niveau von 0,05 und eine gewünschte Potenz von 0,90 an. Die Analyse zeigte, dass mindestens 47 Teilnehmer erforderlich waren. Wir rekrutierten 60 Studierende vom Campus, die zuvor nicht an ähnlichen experimentellen Aufgaben teilgenommen hatten. Die Einschlusskriterien waren wie folgt: Alle Teilnehmer waren Rechtshänder, hatten kürzlich keine Medikamente eingenommen, hatten 24 Stunden vor dem Experiment auf Koffein und Alkohol verzichtet, am Tag vor dem Experiment keine intensive körperliche Betätigung betrieben, in der Nacht vor der Sitzung ausreichend geschlafen und keine Herz-Kreislauf- oder Atemwegserkrankungen gemeldet. Das Durchschnittsalter der Teilnehmer betrug 22,77 ± 1,25 Jahre. Das experimentelle Setup ist in Abbildung 1 dargestellt.
Vor Beginn des Experiments wurde den Teilnehmern mitgeteilt, dass sie gemeinsam mit einer KI eine Bildklassifikationsaufgabe durchführen würden. Ihnen wurde die durchschnittliche Genauigkeit der KI mitgeteilt und sie wiesen an, dass sie für jedes Zielbild entweder selbst klassifizieren oder die Klassifikation an die KI delegieren könnten. Wenn die Teilnehmer sich entschieden, die Aufgabe selbst zu erledigen, antworteten sie, indem sie eine der fünf Tasten (A, B, C, D oder E) auf der Tastatur drückten, um eine Antwort aus den fünf Bildoptionen auszuwählen. Das Drücken der zugewiesenen Taste (P) zeigte an, dass die Aufgabe an die KI delegiert war, obwohl die Teilnehmer die von der KI gewählte Antwort nicht sehen konnten. Ein Marker wurde sowohl zu Beginn als auch am Offset jedes Reizes für die nachfolgende Analyse geschrieben. Vor Beginn des formellen Experiments absolvierten die Teilnehmer 4 Übungsversuche, gefolgt von einer Ruhephase von 120 Sekonnen. Anschließend fuhren sie mit dem 32-fachen formellen Experiment über. Zwischen den einzelnen Studien wurde ein 10-sekündiges Intervall zwischen den Studien vorgesehen. Das experimentelle Verfahren ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 1: Versuchsaufbau. Die Abbildung zeigt die im Experiment verwendeten Geräte und die Platzierung der EKG-Messelektroden. (A) Schaltplan der Platzierung von EKG-Elektroden; (B) Versuchsaufbau. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Abbildung 2: Experimentelles Verfahren. Die Übungssitzung bestand aus 4 Versuchen, und das formelle Experiment umfasste 32 Versuche. Das experimentelle Programm wurde mit E-Prime entwickelt (siehe Materialtabelle). Abkürzung: EKG = Elektrokardiogramm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.