生理测量方法

三、生理测量方法

生理测量方法是基于生理指标上出现的变化可以反映出认知功能的改变这一假设，即生理测量技术是通过测量个体在做某一项作业活动时某一个或某一些生理指标的变化来判断认知负荷的大小。综合各类资料，研究者用于评估认知负荷的生理指标主要有心脏活动分析指标、眼动分析指标和脑电分析指标三类。

心脏活动分析以心率(heart rate)及心率变异性(heart rate variability)与认知负荷的关系研究较多，但得出的结论也不尽一致。例如，Paas、van Merrienboer(1994)^[113]利用心率变化率来估计认知负荷水平的变化，但发现心率变化率对认知负荷的波动并不敏感和有效。Wilson(1993)^[114]研究了飞行训练中负荷与多种生理指标的关系，发现心率和心率变异性在不同的飞行阶段变化非常显著，负荷加重时心率加快，而心率变异性则减少。Veltman(2002)^[115]对模拟和实际飞行情况下飞行员的生理反应指标进行比较分析，结果表明不论模拟还是实际飞行条件下，随着信息加工负荷的增加，心率增加而心率变异性降低。Makowiec等(1992)^[116]采用24小时监测法连续记录个体在不同认知加工负荷水平状态下心血管反应的生理变化，结果显示:不同负荷水平下，心率和心率变异性明显不同，并以心率变异性的敏感性更好，故他们认为心率变异性是信息加工负荷的生理反应指标之一。但也有研究表明，心率变异性在认知加工负荷研究中并不比心率更敏感。如董明清等(1997)^[117]的研究提示心率在不同难度任务之间有显著性差异，而心率变异性则无显著性差异。表明心率和心率变异性与信息加工负荷虽有一定的关系，但由于其受多种因素的影响，并不能可靠地反映信息加工负荷的变化，只能作为与信息加工负荷相关的一个指标。此外，Meshkati(1988)^[118]还指出以心率变异性作为信息加工负荷的指标时，应排除呼吸波动的影响，只有当呼吸不发生波动时，心率变异性才能作为信息加工负荷的一个相对稳定可靠的指标，并随着信息加工负荷的增加而减小;当呼吸不规则时，用心率变异性作为衡量信息加工负荷的指标可靠性较低。

眼动分析(Eye-tracking analysis)主要包括分析眨眼、注视次数、注视时间、眼跳距离、瞳孔直径大小的变化等^[119][120]。例如，眨眼(Eyeblink)是人的一种正常的保护性生理反应，人们在自然情况下也可发生眨眼现象。但研究发现，眨眼率(Eyeblink rate)可随所执行的任务而发生变化，提高任务要求可使眨眼率降低^{[121][122][123]}。Paas、van Merrienboer(1994)发现瞳孔反应对认知负荷水平波动高度敏感。Beatty、Lucero-Wagoner(2000)^[124]确定了三种有效的任务刺激瞳孔反应指标(task-evoked pupillary response，TEPRs):平均瞳孔扩大(mean pupil dilation)、最大瞳孔扩大(peak dilation)和最大瞳孔扩大反应时(latency to the peak)。van Gerven等(2004)^[125]将这三个指标运用于对年轻和年老被试的认知负荷水平的测试中，发现平均瞳孔扩大是一个有效的测量指标，尤其是对年轻人更为适用。

脑电分析主要进行脑事件相关电位(ERP)的分析。特别是P300与认知活动关系最为密切，被认为是脑认知活动的窗口，可反映任务的认知负荷，其波幅反映了诱发其产生的刺激任务的脑力资源的多少^{[126][127][128]}。Ullsperger等(1988)^[129]采用数字记忆对P300波进行了实验研究，结果显示P300波幅随记忆数字的增多而递增，并与错误率和主观感觉难易程度评分值呈正相关。而Kramer等(1987)^[130]和董明清等(1998)^[131]的研究表明，P300波幅与输入通道有关，当诱发P300波的刺激任务与主任务共用同一输入通道时，副任务诱发的P300波其波幅随主任务的负荷增加而升高，而用不同输入通道时则随主任务负荷增加而减小。他们认为，当主、副任务共用同一输入通道时，主、副任务均消耗相同种类的资源，此时可以将主、副任务构成的双任务看成是二者组成的与该种资源需求相关的单任务，随此单任务的难度提高，投入的相关脑力资源增加，因此其诱发的P300波幅升高;当主、副任务用不同的输入通道时，主、副任务消耗不同种类的脑力资源(异种资源)，此时存在资源竞争，主任务负荷增加则消耗的脑力资源也增加，因而投入到副任务中的脑力资源减少，其诱发的P300波幅降低。