Введение

Нейроэргономика – это применение нейронауки к эргономике. Традиционные эргономические исследования в основном опираются на психологические объяснения для решения проблем, связанных с человеческим фактором, таких как: рабочая производительность, безопасность эксплуатации и риски, связанные с условиями труда (например, травмы от повторяющихся нагрузок). В отличие от этого, нейроэргономика изучает биологические основы эргономических проблем, уделяя особое внимание роли нервной системы человека.

Обзор

Нейроэргономика преследует две основные цели: использовать существующие и новые знания о человеческой деятельности и функционировании мозга для разработки систем, обеспечивающих более безопасную и эффективную работу, а также углублять понимание взаимосвязи между функцией мозга и производительностью при решении реальных задач. Для достижения этих целей нейроэргономика объединяет две дисциплины – нейронауку, изучающую функционирование мозга, и факторы человека, изучающие способы адаптации технологий к возможностям и ограничениям людей для обеспечения эффективной и безопасной работы. Объединение этих двух областей направлено на применение удивительных открытий в области функционирования человеческого мозга и физиологии как для разработки технологий, используемых на рабочем месте и дома, так и для создания новых методов обучения, повышающих производительность, расширяющих возможности и оптимизирующих взаимодействие между человеком и технологиями. Исследования в области нейроэргономики активно развиваются в последние годы благодаря появлению неинвазивных методов мониторинга функции мозга, позволяющих изучать различные аспекты поведения человека в контексте технологий и работы, включая ментальную нагрузку, зрительное внимание, рабочую память, управление движениями, взаимодействие человека с автоматизированными системами и адаптивную автоматизацию. Таким образом, эта междисциплинарная область занимается исследованием нейронных основ человеческого восприятия, познания и производительности в связи с системами и технологиями в реальном мире – например, при использовании компьютеров и различной техники дома или на работе, а также при управлении транспортными средствами, такими как самолеты, автомобили, поезда и корабли.

Функциональная нейромиггеринг

Центральной целью нейроэргономики является изучение связи между функцией мозга и эффективностью выполнения задач/работы. Для этого обычно используются неинвазивные методы нейровизуализации для регистрации прямых нейрофизиологических показателей активности мозга посредством электроэнцефалографии (ЭЭГ), магнитоэнцефалографии (МЭГ) или косвенных метаболических методов, таких как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), а также нейрососудистых измерений нейронной активности, включая функциональную магнитно-резонансную томографию (fMRI), функциональную ближнюю инфракрасную спектроскопию (fNIRS) и транскраниальную допплерографию (TCD). Как правило, нейроэргономические исследования ориентированы на практическое применение больше, чем фундаментальные исследования когнитивной нейронауки, и часто требуют баланса между контролируемой и естественной средой. Исследования с использованием крупногабаритных установок нейровизуализации, таких как ПЭТ, МЭГ и фМРТ, обеспечивают более высокое пространственное и временное разрешение, но при этом накладывают больше ограничений на действия участников. Использование более мобильных методов, таких как fNIRS и ЭЭГ, позволяет проводить исследования в более реалистичных условиях, в том числе с участием испытуемых непосредственно в процессе исследуемой деятельности (например, при вождении). Эти методы обладают преимуществами в виде большей доступности и универсальности, но могут идти на компромисс, снижая количество регистрируемых областей и возможность визуализации активности глубоких структур мозга. Совместное применение контролируемых лабораторных экспериментов и перенос результатов в реалистичные условия охватывает весь спектр нейровизуализации в нейроэргономике.

Нейростимуляция

Методы нейростимуляции также могут использоваться отдельно или в сочетании с нейровизуализацией для изучения роли корковых областей в выполнении задач. Такие методы, как транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) и транскраниальная стимуляция постоянным током (ТДКС), могут быть использованы для временного изменения возбудимости корковых областей. Предполагается, что стимуляция корковой области (особенно с помощью ТМС) может нарушать или усиливать функцию этой области, позволяя исследователям проверять конкретные гипотезы, касающиеся когнитивных способностей человека. Некоторые исследования показали перспективность использования ТМС и ТДКС для улучшения когнитивных навыков при выполнении задач. Изначально ТМС применялась для лечения различных неврологических расстройств, таких как болезнь Паркинсона или деменция, однако сфера ее применения расширяется. В ТМС электрический ток пропускается через магнитную катушку, расположенную вблизи кожи головы пациента. Результаты исследований показывают, что неинвазивная стимуляция мозга позволяет увеличить время поддержания внимания на 20 минут.

Психофизиология

Психофизиологические показатели – это физиологические измерения (кровь, частота сердечных сокращений, кожно-гальваническая реакция и т.д.), которые изменяются в ходе психологических процессов. Хотя они и не считаются прямыми измерениями нейронной активности, нейроэргономика также поощряет использование физиологических коррелятов в качестве зависимых переменных, когда они могут служить индикатором нейронных процессов, таких как внимание, двигательная активность или эмоциональные процессы. Эти измерения могут использоваться совместно с нейровизуализацией или в качестве альтернативы, когда получение данных нейровизуализации слишком дорогостояще, опасно или иным образом нецелесообразно. Психофизиология является самостоятельной областью, отличной от нейроэргономики; однако принципы и цели этих областей можно рассматривать как взаимодополняющие.

Оценка умственной нагрузки

Используя фМРТ, умственную нагрузку можно количественно оценить по увеличению мозгового кровотока в областях префронтальной коры (ПФК). Многие исследования с использованием фМРТ показывают, что во время выполнения задач на рабочую память наблюдается повышенная активация ПФК. Наряду с измерением умственной нагрузки, важно оценивать бдительность или внимательность оператора. С помощью ТКД для мониторинга скорости кровотока в внутричерепных артериях было показано, что снижение кровотока связано со снижением бдительности и истощением когнитивных ресурсов.

Адаптируемая автоматизация

Адаптируемая автоматизация, новая нейроэргономическая концепция, представляет собой человеко-машинную систему, использующую оценку рабочей нагрузки оператора в реальном времени для внесения необходимых изменений с целью повышения эффективности. Для функционирования адаптивной автоматизации система должна использовать точный классификатор состояния оператора для оценки в реальном времени. Классификаторы состояния оператора, такие как дискриминантный анализ и искусственные нейронные сети, демонстрируют точность от 70% до 85% в режиме реального времени. Важным аспектом правильной реализации адаптивной автоматизации является определение порога рабочей нагрузки, при котором требуется вмешательство. Внедрение нейроэргономической адаптивной автоматизации потребует разработки неинвазивных датчиков и даже методов отслеживания движения глаз. Современные исследования по оценке психического состояния человека включают использование лицевой электромиографии для выявления замешательства. Эксперименты показывают, что команда, состоящая из человека и робота, лучше управляет воздушными и наземными транспортными средствами, чем человек или робот по отдельности (например, система автоматического распознавания целей). По сравнению со 100% ручным управлением и статической автоматизацией, участники продемонстрировали более высокий уровень доверия и уверенности в себе, а также снижение воспринимаемой рабочей нагрузки при использовании адаптивной автоматизации. Основная задача в адаптивной автоматизации – научить машину точно определять, как реагировать на изменения и возвращаться к оптимальной производительности. Машина должна уметь определять степень необходимых изменений. Это также обусловлено сложностью системы и такими факторами, как: легкость количественной оценки измеряемого параметра, количество параметров в системе машины, которые можно изменить, и степень координации между этими параметрами.

Интерфейсы мозга и компьютера

Развивающаяся область исследований, называемая интерфейсами "мозг-компьютер" (BCI), стремится использовать различные типы сигналов мозга для управления внешними устройствами, не требуя каких-либо двигательных команд от человека. BCI открывают перспективы для пациентов с ограниченными двигательными возможностями, например, при амиотрофическом боковом склерозе. Когда пользователь выполняет определенную умственную задачу, это генерирует уникальный электрический потенциал мозга, который обрабатывается и преобразуется в сигнал для внешнего устройства. BCI, использующие сигналы от ЭЭГ и ЭРП, применялись для управления синтезаторами речи и перемещения роботизированных рук. Исследования в области BCI начались в 1970-х годах в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, а в настоящее время основное внимание уделяется нейропротезным приложениям. BCI могут быть значительно улучшены за счет интеграции в их конструкцию высокоуровневого управления, контекста, информации об окружающей среде, а также виртуальной реальности.

Реабилитация после инсульта

С 2011 года предпринимаются усилия по применению реабилитационного робота, подключенного к неинвазивному интерфейсу "мозг-компьютер", для стимуляции пластичности мозга и обучения двигательным навыкам после инсульта. Половина пациентов, перенесших инсульт, испытывают односторонний паралич или слабость, и примерно 30–60% из них не восстанавливают функции. Типичное лечение после инсульта включает терапию принудительного движения и робототерапию, которые направлены на восстановление двигательной активности, стимулируя движение ослабленных конечностей. Современная активная терапия недоступна пациентам с полной потерей контроля или параличом, не имеющим остаточной двигательной активности для работы. Ориентируясь на этих пациентов, которым требуется особая помощь, был разработан интерфейс "мозг-компьютер", использующий электрические сигналы мозга, регистрируемые с помощью ЭЭГ, для управления реабилитационным роботом верхней конечности. Пользователю предлагается представить выполнение движения, в то время как ЭЭГ фиксирует соответствующие мозговые сигналы. Интерфейс "мозг-компьютер" использует алгоритм линейного преобразования для преобразования спектральных характеристик ЭЭГ в команды для робота. Эксперимент, проведенный на 24 участниках, сравнил группу, не использующую интерфейс "мозг-компьютер" (управляющую роботом с помощью сенсомоторных ритмов), с группой, использующей систему робота с интерфейсом "мозг-компьютер". Результаты анализа пластичности мозга показали снижение активности бета-волн у участников группы с интерфейсом "мозг-компьютер", что связано с изменением двигательной активности. Результаты также показали, что группа с интерфейсом "мозг-компьютер" продемонстрировала лучшие результаты, чем группа без интерфейса "мозг-компьютер", по всем показателям обучения двигательным навыкам.

Виртуальная реальность

Виртуальная реальность может позволить протестировать работу людей в опасных условиях, не подвергая их риску. Например, это позволит оценить, как усталость или новая технология повлияют на водителя или пилота в их рабочей среде, исключая возможность получения травм. Возможность оценить воздействие новых рабочих технологий в виртуальной реальности до их внедрения в реальную жизнь может помочь сэкономить средства и спасти жизни. Достижение такой точности имитации реальной жизни в виртуальной реальности – сложная задача, но её потенциал огромен.

Обучение в области здравоохранения

Программы обучения в сфере здравоохранения стали использовать моделирование виртуальной реальности (VRS) в качестве инструмента для обучения студентов-медсестер. Этот компьютерный трехмерный симулятор позволяет студентам-медсестрам многократно отрабатывать различные навыки в безопасной среде. Программа медсестер крупного государственного университета Среднего Запада согласилась использовать модуль VRS для обучения введению внутривенного (IV) катетера и провести оценку эффективности программы. VRS состоит из компьютерной программы и тактильного манипулятора, которые совместно имитируют ощущение доступа к сосудам. На экране компьютера пользователь должен выбрать оборудование для процедуры в правильной последовательности. Затем пользователь прощупывает вены на тактильном манипуляторе и виртуально вводит IV-катетер. Программа предоставляет немедленную обратную связь, уведомляя пользователя о пропущенных шагах и необходимости перезапустить процедуру. Результаты оценки показали, что VRS является "превосходным учебным инструментом" для повышения знаний студентов о процедуре. Все восемь преподавателей медсестер, принявших участие, согласились с этим и рекомендовали студентам отрабатывать навыки работы с VRS перед выполнением введения катетера реальным пациентам. Этот инструмент позволяет преподавателям знакомить студентов с широким спектром клинических случаев и опыта работы медсестры. Главное преимущество программы VRS – наличие разнообразных сценариев, позволяющих студентам лучше понимать различия в реакциях пациентов на введение внутривенного катетера. С точки зрения студента, симуляция виртуальной реальности помогает преодолеть разрыв между теорией сестринского дела и практикой.

Приложения для нейрокогнитивных нарушений

Нейроэргономические оценки обладают огромным потенциалом для оценки психомоторной работоспособности у людей с нейрокогнитивными нарушениями или после инсульта, либо хирургического вмешательства. Они позволили бы разработать стандартизированный метод измерения изменений нейрокогнитивных функций в процессе реабилитации при нейрокогнитивных нарушениях. В контексте реабилитации это позволило бы сделать усилия более целенаправленными. Эти тесты могут быть использованы для оценки изменений после оперативных процедур, таких как нейрохирургия, эндартеректомия сонных артерий и коронарное шунтирование.

Безопасность вождения

Одной из основных областей применения нейроэргономики является безопасность вождения, особенно для пожилых водителей с когнитивными нарушениями. Вождение требует интеграции множества когнитивных процессов, которые можно изучать раздельно, используя соответствующие инструменты. К инструментам, применяемым для оценки когнитивных функций во время вождения, относятся симуляторы вождения, оснащенные транспортные средства и тренажеры отдельных задач. Лаборатория кроссмодальных исследований в Оксфорде разрабатывает систему предупреждающих сигналов для привлечения внимания отвлеченного водителя, стремясь повысить безопасность вождения для всех. Исследования показали, что использование слуховых иконок, например, звука автомобильного сигнала, является более эффективным предупреждающим сигналом, чем чистый тон. Более того, пространственные звуковые сигналы лучше перенаправляют внимание водителя, чем не пространственные. Сигналы, объединяющие несколько чувств, такие как аудитактильный сигнал, привлекают внимание эффективнее, чем унимодальные сигналы. Другие исследователи оценивали различные типы уведомлений в транспортных средствах (например, слуховые иконки, голосовые команды), предназначенные для управления задачами в автономных грузовиках, с точки зрения их связи с обособленными нейронными механизмами; это является эффективным методом для прояснения часто противоречивых результатов, полученных исключительно на основе поведенческих данных.