解码团队决策中的范式转变：一项结合fNIRS功能连接、工作负荷与工程设计绩效的神经人体工程学研究

《International Journal of Industrial Ergonomics》：Decoding paradigm shifts in team decision-making: A neuroergonomics study linking fNIRS connectivity, workload, and performance in engineering design

　　

Jiapeng Yang|Zuhua Jiang|Guoliang Fan

上海交通大学机械与动力工程学院，中国上海200240

摘要

跨学科工程设计需要从个体评估快速转变为协作讨论，但其背后的神经机制尚不明确。我们使用22通道功能性近红外光谱技术对24个由结构工程师、美学工程师和环境工程师组成的三人团队（共72名参与者）在邮轮客舱设计任务中的脑活动进行了监测。当参与者从个体评分转为团队共识时，前额叶和下方前额叶区域的波形幅度增加，反映出更高的认知工作负荷，同时功能网络也更加整合。这些神经变化受到一些关键行为因素的显著影响：(1) 更高的决策质量与眶额叶和下方前额叶回路之间的选择性解耦有关，表明情感偏见有所降低；(2) 更丰富的专业经验会导致右侧下方前额叶的激活降低，这与神经效率较高相符；(3) 更强的跨学科沟通能力会增强左侧下方前额叶的激活，同时减弱眶额叶与下方前额叶之间的连接。此外，不同学科背景也会影响这些动态反应：面对大量专业术语的结构工程师会出现广泛的前额叶解耦，而美学工程师则会加强眶额叶与背外侧前额叶之间的连接，以协调主观偏好。总体而言，团队决策中有效的模式转变依赖于各学科特定的神经重配置，从而将神经生理学与工作负荷和沟通效率等人体工程学结果直接联系起来。

引言

没有任何工程问题是单一学科所能解决的。随着工程挑战从线性系统转向复杂系统，跨学科合作已成为实现协商决策的关键（Mina等人，2006；Maldonado和Cruz）。在现代工程设计领域，任务的复杂性要求更多通过跨学科团队的协商决策来找到解决方案（Kexin等人，2025）。虽然这种合作需要共享的认知框架（Abu-Rish Blakeney等人，2021；Mansilla等人；Serafini；Botvinik-Nezer等人，2020；Duan等人，2024），但不同的学科背景往往会导致不同的认知模式和沟通方式，从而妨碍有效对话（Botvinik-Nezer等人，2020；Wang等人，2019）。尽管已有大量行为研究探讨了团队构成和知识差异对集体决策的影响（Urai和Donner，2022；Brignol等人，2024），但跨学科团队互动背后的认知神经科学机制仍缺乏研究。

近年来，功能性近红外光谱技术已成为揭示团队合作过程中大脑功能连接的强大工具（Wang等人，2021；Zhang等人，2023a；Liu等人，2021；Hansen等人，2024）。先前的研究表明，神经同步性会随着任务阶段和沟通质量的改变而发生动态重组（Yang等人，2025），而且团队决策通常涉及比个体任务更复杂的额叶网络（Wang等人，2019）。然而，这些发现大多来自执行单一任务的同质化团队，因此尚未对不同学科背景的跨学科团队在模式转变时的神经动态进行深入研究（Chen等人，2019；Krienen等人，2014）。

现实世界的工程任务常常需要模式转变——比如从个体设计评估转变为集体讨论。这类转变需要重新调整认知策略，这一现象得到了个体内部神经连接研究的支持，研究表明证据会先分两阶段积累，之后才会迅速形成共识（Stevens和Galloway，2022；Daniels等人，2017），同时还存在神经同步性和沟通模式相互影响的跨层次效应（Gorman等人，2016）。不过，这些转变在不同学科背景下的神经生物学机制仍不够清晰。

本研究基于神经人体工程学——该学科通过研究大脑活动来解释现实工作环境中的心理负担、人类表现和幸福感（Salvendy和Karwowski，2021；Zhang等人，2023b）——来探究这些动态的神经重配置现象。我们收集了24个由结构工程师、美学工程师和环境工程师组成的三人跨学科设计团队的实证数据，这些团队正在完成邮轮客舱布局设计任务。我们利用便携式功能性近红外光谱技术，监测了这些团队从单独评估到无领导群体讨论过程中的脑活动。

为弥补神经机制与人体工程学结果（如团队工作负荷和表现）之间的差距，本研究提出了四个核心假设。我们认为，通过波形幅度和波形相位一致性来衡量的大脑功能连接会受到以下因素的显著影响：(H1)决策模式的转变；(H2)团队决策质量；(H3)参与者的先验认知水平；以及(H4)跨学科沟通能力。通过研究学科背景如何影响这些关系，本研究旨在为优化跨学科工程设计提供认知神经科学依据。（本手稿中使用的所有缩写完整列表见附录M）

章节节选

研究对象

我们从当地高校和工程公司招募了72名健康成年人（38名男性，34名女性；年龄在20至55岁之间，平均年龄为27.4±6.2岁）。所有参与者视力正常或经过矫正后为正常，均为右撇子，且没有神经系统或精神疾病史。他们以三人一组的形式参与研究，每组包含结构工程师、环境工程师和设计工程师，以此模拟跨学科设计团队（共24组）。所有参与者均在了解研究内容后签署了书面知情同意书。

WavPC的功能脑网络分析结果

图3展示了通过波形相位一致性指标测得的函数连接矩阵，显示了通道级（a，b）和兴趣区域级（c，d）的连接情况。

将个体决策阶段（图3的a和c部分）与团队决策阶段（图3的b和d部分）进行比较，可以发现整体上相位一致性明显上升。这种广泛的连接增强现象表明，从单独评估转向团队合作时，大脑的活动模式发生了更为复杂的改变。

讨论

本研究探讨了从单独评估到无领导群体讨论的转变如何改变跨学科团队中的额叶功能动态。这些关键神经变化及其在神经人体工程学层面的含义总结见附录N。从神经人体工程学的角度来看，波形幅度的上升表明由于团队协作中的协调和沟通需求，参与者的心理负担有所增加。与此同时，

局限性与未来研究方向

本研究存在一些局限性需要考虑。首先，团队决策质量的评估依赖于静态的规范参考矩阵，而且由于样本量为72，统计功效有限，在进行成对筛选后的相关系数分析时，有效样本量还会进一步减少。其次，尽管我们采用了严格的预处理方法，但无领导群体讨论这种基于口头交流的决策模式仍可能带来一些与言语相关的干扰信号。

结论

本研究揭示了跨学科工程设计中，动态神经网络重配置与协作表现之间的双重神经人体工程学机制。当团队从单独评估转向无领导群体讨论时，会发生深刻的认知变化：虽然整体认知工作负荷（以波形幅度表示）普遍上升，但有效的协作并非通过增加前额叶的活跃度来实现，而是通过有针对性的功能解耦来实现的。

知情同意

所有参与者在实验开始前都签署了书面知情同意书。

数据获取

如需获取本研究的相关数据，可向通讯作者提出合理请求，对方将会予以提供。

资金支持

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：72271163）、杭州中国自然科学基金（编号：2024SZRYBH180009）以及浙江省中国自然科学基金（编号：LMS26E050011）的支持。

CRediT作者贡献说明

Jiapeng Yang：概念构建、数据整理、正式分析、研究实施、方法设计、项目管理、资源协调、软件应用、结果验证、可视化处理、初稿撰写。Zuhua Jiang：资金筹集、研究指导、论文审阅与编辑。Guoliang Fan：结果验证、论文审阅与编辑。

利益冲突声明

我们声明不存在任何可能影响本研究结果或解读的财务利益或个人关系。

致谢

作者们衷心感谢所有编辑和审稿人提供的公正、有益且具有建设性的反馈意见。