《Frontiers in Neuroergonomics》：Differentiating linked cognitive states under task demand and sleep restriction: toward an experimental framework for operational monitoring
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现实环境涉及多种相互作用的认知状态，如精神负荷（mental workload）、困倦（drowsiness）、疲劳（fatigue）和走神（mind wandering），但这些状态通常被孤立地研究。一个关键问题是，鉴于这些状态共享重叠的行为和生理特征，它们
现实环境涉及多种相互作用的认知状态，如精神负荷（mental workload）、困倦（drowsiness）、疲劳（fatigue）和走神（mind wandering），但这些状态通常被孤立地研究。一个关键问题是，鉴于这些状态共享重叠的行为和生理特征，它们能否在实证上被区分。研究人员在一个统一框架下探究了任务难度和睡眠限制是否对这些状态产生可分离的影响，以及它们的反应模式反映了不同的潜在机制还是共同的认知资源。来自操作人群的参与者（研究1：n = 40；研究2：n = 27）在两种操控条件下——任务难度和部分睡眠限制（分别针对认知负荷和警觉性）——完成了三项互补任务（MATB-II、N-Back和SART）。增加任务难度导致所有任务的表现下降，并增加了感知工作负荷和疲劳。相比之下，睡眠限制主要提升了主观困倦感和走神，对表现产生了较小且依赖任务的影响。这些发现表明，影响情境意识（situational awareness）的认知和生理状态可以通过互补的操控手段进行区分，并通过不同的行为和主观测量指标加以表征。这种区分为未来应用场景中的预测和监测方法奠定了基础。
论文解读文章
研究背景与问题
在航空、国防等高风险的复杂动态操作环境中，维持充分的情境意识至关重要。操作者认知和注意力功能的波动会显著影响人员表现和安全。精神负荷、疲劳、困倦和走神等认知状态反映了操作者认知功能的不同方面，包括任务施加的需求、警觉性的变化以及持续注意力和注意力投入的波动。传统研究往往孤立地考察这些状态，这虽然厘清了各自的机制，却无法反映真实世界中这些状态常常共存或动态演变的状况。例如，持续的工作负荷可能导致疲劳，而睡眠相关因素会导致困倦和疲劳，两者又会影响走神的发生。尽管这些关系已得到确认，但很少有研究在统一的实验框架内对这些状态进行联合考察。此外，许多状态共享重叠的行为和生理特征，例如反应时间增加与困倦、疲劳和走神均有关联；瞳孔直径减小和眨眼频率增加在疲劳、困倦、精神负荷和走神中均有报道；α和θ脑电活动的变化也与这些状态相关。这种重叠使得在应用场景中区分认知状态变得尤为困难。
研究目的与意义
本研究旨在探究多个相关的操作者认知状态（精神负荷、困倦、脑力疲劳和走神）能否在受控环境下被共同诱发并区分。为此，研究人员引入了一个多模态数据集，整合了三项互补任务（多属性任务组II、N-Back和持续注意反应任务）期间收集的表现、主观和生理记录。数据集结合了两个实验方案：研究1操纵两个水平的任务难度，研究2比较部分睡眠限制前后的表现。这两种操控手段分别针对增加的认知负荷和降低的警觉性这一互补机制。对表现指标和主观问卷的统计分析初步验证了数据集的可靠性，揭示了任务难度的稳健效应以及部分睡眠限制更具选择性、主要为主观层面的效应。这些结果支持了在统一实验环境中捕捉相互作用且部分重叠的认知状态的可行性，为未来的多模态建模和生理信号分析提供了基础。
关键技术与方法
研究人员使用了非侵入式可穿戴传感器采集生理信号，包括32通道Bitbrain Versatile+系统记录脑电图，Bitbrain Versatile Bio设备采集皮电活动、心电图、血脉冲容积和呼吸信号，采样率均为256 Hz，以及Tobii Pro Glasses 3眼动仪以50 Hz监测眼动和瞳孔直径。研究包含两项独立实验：研究1招募了40名来自消防员、警察、军人等操作人群的参与者，在两个相隔不超过14天的会话中完成易和难两个难度水平的任务序列；研究2招募了27名同类人群的参与者，在同一天、睡前约2小时和约2小时睡眠后立即执行相同难度的任务序列。每节会话开始和结束时各有3分钟睁眼和闭眼的基线记录，随后按随机顺序完成N-Back、SART和MATB-II三项认知任务，每项任务后及基线后均填写NASA-TLX、KSS、SSS、VAS和走神思维探针等主观问卷。表现指标方面，从每项任务提取六个代表性指标：MATB-II包括追踪任务的均方根偏差、资源管理的平均绝对偏差、通信任务的平均反应时间和正确率、系统监测的平均反应时间和正确率；N-Back和SART则基于试次水平反应分类计算正确率、F1分数、平均反应时间、反应时间变异性、错误率和超时率。主观条件得分通过对相关问卷项目进行0-1归一化并反向计分后聚合而成，其中精神负荷源自NASA-TLX的精神需求、时间需求和努力维度，困倦源自KSS、SSS和VAS，疲劳由全部六项NASA-TLX维度和三项困倦相关项目组合而成，走神则来自思维探针的回答。
研究结果
3.1 表现指标分析
3.1.1 MATB-II
研究1中，从易到难的任务难度增加导致追踪均方根偏差（RMSD）、资源管理（RMAN）偏差和系统监测（SysMon）平均反应时间（RT）显著增加（中等至大的效应量），通信（Comm）平均RT和正确率显著下降（分别为大和小效应量）。研究2中，睡眠剥夺后通信正确率上升，通信平均RT、系统监测平均RT和追踪RMSD下降（均为中等效应量）。
3.1.2 N-Back
研究1中，所有六项指标均表现出显著的难度效应（大效应量）：正确率和F1分数下降，平均RT、RT变异性、错误率和超时率上升。研究2中，睡眠剥夺前后各项指标均无显著变化（效应量极小或小）。
3.1.3 SART
研究1中，难度增加导致正确率、F1分数和平均RT显著下降（大效应量），错误率和超时率显著上升（大效应量），RT变异性略有下降但不显著。研究2中，睡眠剥夺后各项指标均无显著变化（小效应量）。
3.2 主观问卷分析
3.2.1 精神负荷
研究1中，MATB-II和N-Back在困难会话中的精神负荷评分均显著高于容易会话（大效应量）。研究2中，MATB-II在睡前的评分显著高于睡后（中等效应量），N-Back也呈现类似趋势但不显著。
3.2.2 困倦
研究1中，所有任务在容易会话中的困倦评分均高于困难会话，N-Back和SART差异显著（大和中等效应量），MATB-II差异也显著（中等效应量）。研究2中，所有任务在睡后的困倦评分均显著高于睡前，基线1、MATB-II和N-Back为大效应量，SART和基线2为中等效应量。
3.2.3 脑力疲劳
研究1中，MATB-II、N-Back和SART在困难会话中的疲劳评分均显著高于容易会话（分别为大、小、小效应量）。研究2中，各任务在睡后与睡前的疲劳差异均未达统计显著性，但基线任务和SART显示出中等效应量的升高趋势。
3.2.4 走神
研究1中，MATB-II和SART在困难会话中的走神评分低于容易会话（中等效应量），但差异不显著。研究2中，所有任务在睡后的走神评分均高于睡前，基线1和基线2的升高显著（大效应量），MATB-II和SART的升高不显著（分别为小和中等效应量）。
讨论与结论
本研究通过将多任务处理（MATB-II）、工作记忆（N-Back）和持续注意力（SART）范式与任务难度和部分睡眠限制操控相结合，考察了多个相关的操作者认知状态能否在受控实验框架中被共同诱发并区分。总体而言，任务难度对表现和主观测量均产生了稳健且一致的影响，而部分睡眠限制主要影响主观状态，对表现的影响更有限且依赖于任务类型。这些发现支持了实验设计的有效性，并强调了结合互补性操控手段以探测认知状态不同维度的必要性。重要的是，不同条件下的重叠模式表明，不同的操控手段选择性地调节了共享认知和生理过程的组成部分，而非对所有状态产生一致的影响。这种部分收敛既凸显了在同一实验背景下区分认知状态的困难性与必要性，也支持采用多模态方法对其进行表征。研究结果为未来在应用场景中开发预测和监测方法提供了基础。
