基于信息加工的理論與模型在腦力負荷生理測量中的應用

李文斌，謝小萍，常耀明

(空軍軍醫(yī)大學 航空航天醫(yī)學系，西安 710032)

1 引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，腦力勞動在勞動中逐漸占據(jù)主導地位。腦力勞動主要是運用大腦的思維與記憶進行感知、分析、判斷及決策的高級神經(jīng)活動[1]。腦力勞動強度一定程度上可通過腦力負荷來衡量。腦力負荷產(chǎn)生于作業(yè)人員用有限的腦力資源來處理任務的過程中[2]。適度的腦力負荷有利于維持良好的工作績效，而過高的腦力負荷會使工作績效下降。因此，腦力負荷測量對提高人機系統(tǒng)效率和安全有著至關(guān)重要的作用。腦力負荷測量在飛機駕駛、汽車駕駛、信息監(jiān)視與處理以及電腦操作等領(lǐng)域有著較為廣泛的研究。腦力負荷是人機交互作用的一個抽象屬性，因此它無法被直接觀測[3]。但可以通過測量作業(yè)人員的多種生理反應來間接測量腦力負荷。其理論基礎(chǔ)是腦力勞動中的信息加工過程會引發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)的活動，神經(jīng)系統(tǒng)的活動可引起相應生理指標的改變。

腦力勞動與信息密不可分，經(jīng)感官接受的信息通過大腦的加工，從而獲得任務的執(zhí)行。在腦力勞動的過程中，作業(yè)人員首先經(jīng)感覺器官接受信息，然后通過大腦對信息進行加工，從而完成任務的執(zhí)行。在信息加工的過程中，信息處理的各個階段都依賴于人的信息處理資源。信息處理資源的調(diào)動及分配可導致生理指標的改變，因此研究信息加工過程有利于深入探討生理指標反映腦力負荷的機制。本文基于信息加工的理論和模型進行綜述，闡述了信息加工的過程和選擇性注意在信息加工中的作用，并對基于信息加工的理論在腦力負荷生理測量中的應用進行了展望。

2 認知負荷理論和信息加工模型

腦力負荷又被稱為心理負荷、精神負荷或者認知負荷，腦力負荷一般產(chǎn)生于對體力要求較小的任務，而這種任務對作業(yè)人員的認知、思維、判斷等要求較高。腦力負荷的產(chǎn)生與信息加工有著緊密的聯(lián)系。信息加工的過程即認知，它是人獲得知識或應用知識的過程[4]。它包括感覺與知覺、注意、信息的理解與判斷、問題的解決與決策、知識與記憶的形成等過程。

2.1 認知負荷理論(Cognitive Load Theory,CLT)

Miller首先提出人的工作記憶能力是有內(nèi)在限制的[5]，這是認知負荷理論(Cognitive Load Theory，CLT)的研究雛形。John Sweller在研究問題解決的同時提出了CLT，該理論將認知負荷分為三種類型：內(nèi)在認知負荷、外在認知負荷和關(guān)聯(lián)認知負荷[6]。

內(nèi)在認知負荷是認知任務本身的屬性，它由認知任務的難度決定并受作業(yè)人員自身能力的影響[7]。在認知任務的信息加工過程中，作業(yè)人員首先需要對任務中所有信息以及信息與信息之間的相互作用進行充分的理解，才能進一步進行信息加工。當任務中的信息過多或者信息之間的相互作用過于復雜，即任務的難度越大，那么內(nèi)在認知負荷也就越大。

外在認知負荷是由信息呈現(xiàn)的方式所產(chǎn)生[7]。它與信息呈現(xiàn)方式的不合理性有關(guān)，不合理的信息呈現(xiàn)方式會對作業(yè)人員的信息加工過程有一定的阻礙作用或者需要作業(yè)人員進行不必要的認知操作，從而讓作業(yè)人員感受到認知負荷較高，但它與任務本身并沒有關(guān)系。因此外在認知負荷是一種額外的認知負荷，可以稱為無效認知負荷[8]。

關(guān)聯(lián)認知負荷是對信息進行加工處理時所產(chǎn)生的[9]。它是作業(yè)人員在任務過程中對任務相關(guān)信息進行實質(zhì)性認知操作所產(chǎn)生的，即任務信息的加工過程和結(jié)果。關(guān)聯(lián)認知負荷體現(xiàn)了作業(yè)人員對任務有關(guān)信息的有效認知，因此也可稱為有效認知負荷[8]。

2.2 信息加工模型

信息加工模型是描述人對外界信息認知過程的理論模型，模型中一般包括感覺、知覺、注意、記憶等認知理論。

簡單的信息加工模型一般包括感覺存儲、短時記憶和永久記憶三種心理結(jié)構(gòu)并且三種心理結(jié)構(gòu)之間相互影響。Wickens在簡單的信息加工模型的基礎(chǔ)上進一步總結(jié)并提出了一種信息加工模型。該模型描述了一系列處理階段或心理操作，這些階段或操作描述了人執(zhí)行任務時的信息流[10]。其模型共包含四個階段和兩種記憶：感覺階段、知覺階段、反應的選擇階段、反應的執(zhí)行階段以及工作記憶和長時記憶，同時增加了注意和反饋兩個重要的元素。其信息加工模型的框架如圖1所示。

人通過視覺、聽覺等感覺接受環(huán)境中的信息，并且部分信息可被短暫的保存在短期感覺存儲(Short Term Sensory Store，STSS)。在感覺到的信息中，只有很少的一部分信息被實際感知，形成知覺。知覺的形成是利用過去的經(jīng)驗來理解被實際感知信息含義的過程，而過去的經(jīng)驗存儲在長期記憶中。感知后的信息后可通過兩條途徑進一步進行加工處理。第一條途徑為信息被感知后通過對反應的多種可能性進行選擇，最后執(zhí)行相應的反應。第二條途徑為信息被感知后通過工作記憶暫時保存對信息的理解，然后主動收集并獲取更多的相關(guān)信息，對這些信息進行思考，最后對信息做出反應或?qū)⑿畔⑻峤唤o長時記憶儲存。在反應執(zhí)行之后，相應的環(huán)境或任務情況發(fā)生變化，從而導致需要對新環(huán)境或新任務情況中的信息重新進行感知，即反饋的過程。另外，注意在該模型中起了重要的作用。如前所述，注意是有選擇性的，因此其作用之一是對信息進行篩選，篩選出任務相關(guān)的信息而忽略任務非相關(guān)信息。注意還可為信息加工的各個階段提供注意力資源，起到促進信息加工的作用。

在腦力負荷測量中，信息加工模型應根據(jù)任務特點進行具體化和特性化。如在飛行活動中，重點突出飛行員的情境意識對信息加工的作用[11-12]。情境意識(Situational Awareness,SA)是對環(huán)境中各種要素和事件在時間或空間上的感知，對其意義的理解，以及對其隨后的狀態(tài)進行預測[13]。飛行員的情境意識可以理解為飛行員在飛行過程中對影響飛行的各種因素和事件的感知、理解和預測。飛行員的情境意識水平受飛行任務、飛行環(huán)境、飛機類型及飛行員的經(jīng)驗等因素影響[14]，而飛行員的情境意識水平又可直接影響飛行決策并進一步影響飛行安全。基于注意-情境意識模型(Attention-situation Awareness,A-SA)[15]，情境意識與注意密不可分，合理的注意力分配可提高情境意識水平而降低腦力負荷[16]。

圖1 人的信息加工模型[10]

3 基于注意的信息加工

注意是一種選擇性地集中于某些信息而忽略其他可感知信息的行為和認知過程，也被描述為有限的認知加工資源的分配[17]。人的信息加工能力是有限的，無法感知外界所有的信息，即使感知到的信息也僅有部分信息得到加工處理。

3.1 選擇性注意及其理論模型

從外界環(huán)境中優(yōu)先感知和加工處理特定的信息而忽略其他信息的過程可被稱為選擇性注意。

Shannon和Weaver認為信息加工受通道容量的限制[18]，Broadbent基于該理論在聽覺實驗研究中提出了過濾器模型[19]。該模型認為，當大量的信息通過平行通道進入神經(jīng)系統(tǒng)時，為了避免信息總量超過有限的信息加工容量，將會過濾掉一部分信息。過濾器模型是一種“全或無”的模型，它強調(diào)了信息的物理性質(zhì)對信息選擇的作用，但并不適用于語義在信息選擇中的作用[20]。

針對語義加工在信息選擇中的作用，Treisman提出了衰減模型[21]。衰減模型的信息選擇方式不是“全或無”的模式，該模型認為在進行信息選擇之前，會根據(jù)信息粗略的物理性質(zhì)以及語義信息進行評估。然后所有信息進入衰減控制器，未被注意的信息或任務無關(guān)信息發(fā)生衰減而需要注意的信息或任務相關(guān)信息不發(fā)生衰減。信息經(jīng)過衰減控制器后，未衰減的信息可以激活作業(yè)人員的“詞典”而被識別，而衰減到一定程度的信息不能激活“詞典”而不被識別。另外，該模型強調(diào)“詞典”中不同“單詞”的閾值不同。有些信息如自己的名字等任務無關(guān)信息即使發(fā)生衰減，由于其閾值較低，因此也可能被識別。

不同于前兩種模型，Deutsch認為信息的選擇發(fā)生在信息加工后期的記憶階段[22]，該模型被稱為反應選擇模型或后期選擇理論。該理論認為任務中所有的信息(任務相關(guān)的信息和任務不相關(guān)的信息)都能得到知覺上的加工而進入工作記憶中，而工作記憶的能力有限，所有的信息并不能都得到進一步加工處理。根據(jù)任務的要求和信息的重要性，主動地選擇相關(guān)的信息而放棄不相關(guān)的信息。

3.2 注意的加工方式

Schneider和Shifferin在以前理論和研究的基礎(chǔ)上總結(jié)了注意的兩種加工方式：自動化加工(Automatic Processing)和控制性加工(Controlled Processing)[23-24]。

自動化加工一般是在不需要注意的情況下發(fā)生的，加工的啟動和過程是無意識的，并且自動化加工過程可以平行存在而不相互影響，因此自動化加工不受注意力資源數(shù)量的限制。Hasher 和Zacks將自動化加工分為兩種：一種為先天的，經(jīng)遺傳獲得的；另一種為后天的，經(jīng)學習獲得的[25]。任務的練習過程就是注意加工逐漸自動化的過程，隨著練習次數(shù)的增加，執(zhí)行任務時所消耗的認知資源越來越少，最終實現(xiàn)執(zhí)行任務時的自動化加工。控制性加工是在人有意識的控制下對注意進行加工的過程，并且需要作業(yè)人員付出努力，因此控制性加工受當前可用的注意力資源數(shù)量的限制。

Schneider和Chein總結(jié)了自動化加工和控制性加工的區(qū)別[26]：自動化加工是快速的和平行的而控制性加工是緩慢的和連續(xù)的；自動化加工幾乎不需要作業(yè)人員付出努力而控制性加工需要作業(yè)人員付出大量的努力；自動化加工對疲勞、應激等因素不敏感而控制性加工對其敏感；自動化加工形成后不易被認知控制而控制性加工常受認知控制；學習與控制性加工過程密切相關(guān)而與自動化加工過程相關(guān)性不大；在很容易的任務或者作業(yè)人員經(jīng)過很充分練習后的任務中，注意的加工常為自動化，而在困難的任務或新的任務中，加工方式為控制性加工。

在任務過程中，控制性加工還會受到自動化加工的影響，如Stroop效應。在經(jīng)典的Stroop范式任務中，受試人員根據(jù)詞義判斷色詞的顏色為自動化加工，而根據(jù)墨水顏色判斷色詞的顏色為控制性加工。在辨別顏色時，詞義的自動化加工會對實際顏色判斷的控制性加工起到干擾性作用。

3.3 基于選擇性注意對干擾信息的信息加工控制

在任務過程中，作業(yè)人員不僅需要同時處理多個任務相關(guān)信息，還會面臨任務非相關(guān)信息的干擾。某些突然出現(xiàn)的干擾信息可能會導致作業(yè)人員分心而影響作業(yè)績效。因此，對干擾信息加工處理的控制有利于作業(yè)人員保持任務績效。Lavie認為有兩種不同的機制來控制干擾信息的加工處理，這兩種機制的理論分別是知覺負載理論和認知控制理論[27]。知覺負載理論與選擇性注意的早期選擇和信息的自動化加工有關(guān)而認知控制理論與選擇性注意的后期選擇和信息的控制性加工有關(guān)。

知覺負載理論認為在高知覺負荷的情況下，對干擾信息的控制是在知覺階段，是一個被動機制[28]。該理論認為，高知覺負荷會消耗作業(yè)人員大量的信息處理能力，從而導致沒有足夠的信息處理能力來感知干擾信息，最終降低了干擾信息對任務的干擾作用[29]。這種干擾作用的降低是由于降低了干擾信息的感知而與抑制干擾信息的加工無關(guān)。知覺負荷可體現(xiàn)在感知信息的數(shù)量和感知信息的難度兩方面。過多的感知信息數(shù)量或過高的感知信息要求所造成的高知覺負荷均可降低干擾信息的干擾效應[30-31]。基于該理論，當腦力負荷以知覺負荷為主時，腦力負荷的升高，會降低干擾信息對任務的干擾作用。

認知控制理論認為在知覺負荷不高的情況下，對干擾信息的控制是在更高級別的認知階段如工作記憶階段，是一個積極主動的機制[32]。這種主動抑制干擾信息的機制確保了任務信息處理的優(yōu)先級。該理論認為認知負荷的增加，會消耗作業(yè)人員的信息處理資源，從而導致這種主動抑制干擾信息的能力降低，進而使干擾信息得到了進一步加工處理。工作記憶負荷對干擾信息干擾作用的研究驗證了該理論，研究顯示工作記憶負荷的增加會增大干擾信息對任務的干擾作用[33-34]。基于該理論，當腦力負荷以認知負荷為主時，腦力負荷的升高，會增加干擾信息對任務的干擾作用，這與知覺負載理論是不同的。

4 展望

生理指標測量腦力負荷具有實時性和客觀性的優(yōu)勢，但生理指標并不是直接衡量腦力負荷的指標，而是通過反映信息加工過程中的變化來測量腦力負荷。因此，深入探討信息加工的機制有利于提高生理指標測量腦力負荷的可靠性。目前生理測量方法發(fā)展迅速，腦功能連接，腦影像的機器學習以及結(jié)構(gòu)磁共振成像等方法，可深入分析腦結(jié)構(gòu)與腦功能的關(guān)系。未來的研究可結(jié)合信息加工理論和腦功能成像技術(shù)進一步研究生理指標變化與腦力負荷的關(guān)系，重點探索生理指標變化與績效變化的關(guān)系，將生理指標的變化轉(zhuǎn)化為績效中的“拐點”和“紅線”，從而更好地發(fā)揮生理測量指標在腦力負荷測量中的實際應用。