心電図測定を用いた認知負荷の推定:人間とAIの共同課題

サマリー

このプロトコルは、人間とAIの協働タスクにおける異なるタスク難易度レベルでの認知負荷の変動を生理学的指標を用いて測定する方法を説明しています。この発見は、人々が課題の難易度に応じて意思決定プロセスを適応させ、認知負荷のレベルが異なることを反映していることを示唆しています。

要約

職場の場では、個人の認知負荷はパフォーマンスと安全性の両方に密接に関連しています。人間と人工知能(AI)の協働が増加する中で、協働プロセス中に認知負荷の動態をリアルタイムかつ客観的に捉える能力はますます重要になっています。従来、認知負荷はアンケートを通じて評価されてきました。しかし、このような回顧的手法は、タスク実行中の認知負荷の瞬間的な変動を正確に捉える能力には限界があります。対照的に、生理的信号は個人のリアルタイム状態を継続的に監視できるため、より客観的な認知負荷の測定を提供します。課題の難易度は参加者の期待に影響を与え、それが行動を形作り、最終的に認知負荷に影響を与えます。本研究は、複数の難易度レベルを含む一般化可能な人間とAIの共同作業を実装しています。AIシステムの平均精度は、課題開始前に参加者に開示されました。各試験では、参加者は自分で課題を完了するか、AIに任せるかの選択肢が与えられました。このプロトコルの目的は、心電図(ECG)データを生理学的指標として用い、個人がタスクを割り当てたりAIと異なる難易度レベルで協力したりする権限を持つ際に認知負荷がどのように変化するかを調べることです。本研究は、人間とAIの協働中に明らかになった生理学的データによって明らかになった内部状態の動態をさらに探求します。これらの発見は、協力モデルの改善、効率の向上、そして人間とAIの補完的な強みを活用して複雑なタスクにおけるより良いリソース統合を実現する科学的基盤を提供します。

概要

認知負荷とは、タスクの遂行期間内に個人の認知システムに課される精神活動の総量を指します^。認知負荷の上昇は人間のパフォーマンスを損なう可能性があり、職場での事故の大きな要因となっています^。高認知負荷状態は交感神経系を活性化し副交感神経系を抑制することで心拍数(HR)を増加させ、心拍変動(HRV)を低下させることで心臓活動に影響を与えます³。期待信念とは、個人が特定のタスク^や活動を成功裏に完了できるとどの程度信じているかを指します。課題の難易度は個人の期待信念に影響を与え、それが行動への関与や認知資源の配分を調節し、最終的に異なる認知負荷のレベルとして現れます。

心電図(ECG)は、心臓の電気活動を高時間分解能で記録します。心電図信号から導き出される心拍数(HR)および心率変動(HRV)指数は、心拍リズムのさまざまな側面を捉え、個人の身体的および精神的ストレスの心理生理学的指標として機能します^5.心拍数は心臓収縮の全体的な頻度を反映し、心血管系の基本状態を評価するために使用できます。HRVは連続する心拍間の時間的変動を表し、自律神経系(ANS)の調節指標として機能し、交感神経と副交感^{神経の活動}

プロトコル

本研究はヘルシンキ宣言の原則に従い実施され、江蘇科技大学の機関審査委員会によって承認されました。すべての参加者からインフォームド・コンセントが得られ、データの利用および公開に同意しました。このプロトコルには温度に敏感または危険な処置は含まれていません。

1. 準備

1. 実験手順を参加者に紹介し、研究内容が十分に説明された後に書面によるインフォームドコンセントを取得してください。
2. 心電図データ取得システムおよび送信機、受信機、伸縮性のあるベルクロストラップ、電極リードセット、電源ケーブル、M/Fリボンケーブル、イーサネットケーブル、アルコールワイプ、医療用テープ( 材料表参照)など、必要なすべての材料を準備してください。
   1. 事前にゲル化された使い捨て心電図を十分に用意してください。
   2. データ取得システムをECGデータ受信モジュールに接続します。そしてシステムを安定した電源に接続します。
   3. M/Fリボンケーブルを使って、データ取得システムと刺激提示に使われるコンピュータとの接続を確立します。
   4. イーサネットケーブルを使ってデータ取得コンピュータをデータ取得ハードウェアシステムに接続します。
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結果

生理学的測定では、時間領域と周波数領域の両方におけるHR指数とHRV指数に焦点を当てました。時間領域では、ロバスト指標22,23,24とみなされる連続差分平方根(RMSSD)を選択しました。周波数領域に関しては、低周波/高周波比(LF/HF)は交感神経と副交感神経の活動のバランスを反映すると解釈されることが多いですが、この解釈は^議論の余地があります。そこで、周波数領域指標として低頻(LF)と高頻(HF)を選びました。正規性検定の結果、いずれの指数も正規分布の仮定を満たしていないことが示されました。そのため、ウィルコクソン符号順位検定を適用して、易易像と難易像の指数を比較しました。結果は図3に示されています。平均心拍数(Z = -2.525、p = 0.012)、左心拍数(Z = -5.153、p < 0.001)、HF(Z = -5.293.......

ディスカッション

本研究では、心電図信号取得の質が後続解析において極めて重要でした。実験手順中、正確な電極配置とリード線との適切な接続が正確な信号記録の必須条件でした。すべての電極は指定された位置に配置され、インピーダンスを最小限に抑えるために良好なスキン接触を確保しました。さらに、外部要因が生理的信号に与える影響を減らすため、参加者には実験前にカフェインを控え、実験前数日間は心血管関連の薬の使用を避けるよう指示されました。過去の研究では、カフェイン摂取が交感神経活性を高め、HFの変動に影響を与えることでHRVに影響を与えることが示^{されており、薬物}療法は交感神経活性と副交感^{神経活性の}バランスを変える可能性があります。したがって、これらの管理措置はデータの信頼性を確保するために必要でした。

データ取得時には、携帯型心電図装置の使用により、電力線干渉による基準線ドリフトや規則的な正弦波波形がECG信号に現れることがあります。これらの問題に対処.......

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
アルコールワイプ	-	-	これは皮膚の洗浄と消毒に使われます。
Acqknowledge 5.0	バイオパック		これは信号データ取得およびデータ解析のためのソフトウェアです。
デスクトップコンピュータ	デル	オプティプレックス	このデスクトップは心電図取得および解析のためのソフトウェアの実行に使用されます。
心電図データ取得装置	バイオパック	MP160	この装置は心電図(ECG)データを記録するために使用されます。
心電図電極	シェンフェン	Sシリーズ	これは心電図信号を収集するための補助装置です。
電極リードセット	バイオパック	BN-EL45-LEAD3	これは送信機と共にデータログに使われます。
イーサネットケーブル	バイオパック	-	これはMP160システムとデータ取得・解析ソフトウェアを接続するために使われます。
実験的ソフトウェア	心理学ソフトウェアツール	E-prime3.0 ビルド 3.0.3.31	これは実験プログラムを作成するために使われたソフトウェアです。
ノートパソコン	デル	E5470	このノートパソコンは実験プログラムを実行し、刺激を提示するために使われます。
M/Fリボンケーブル	バイオパック	CBL110C	これは特定の信号を送信するために使われます。
医療用テープ	-	-	これは長いワイヤーを固定するために使われます。
電源ケーブル	バイオパック	-	これは装置の電源供給に使われます。
受信機	バイオパック	BN-RSPEC-R	これは心電図受信機です。
伸縮性のあるベルクロストラップ	バイオパック	BN-ストラップ-137	これは心電図送信機の修理に使われます。
送信所	バイオパック	BN-RSPEC-T	これは無線心電図送信機です。