Eine reiz- oder reaktionsspezifische Spannungsveränderung im EEG.

1. Latenz: abhängig von Schwierigkeit der Wahrnehmung und Kategorisierung eines Reizes, aber unabhängig von Anforderungen

2. Polarität

3. Topographie der Maximalamplitude: abhängig von der Menge an eingesetzten Ressourcen

   —> P300

EEG-Spontanaktivität ist sesitiver als EKG.

Theta: sensitiv für Unterschiede in der Gedächtnisbansprcuhung

Alpha: sensitiv für allgemeine Beanspruchungsunterschiede

Der VP werden Sequenzen zwei verschiedener Reize dargeboten.

Reiz A triff häufig auf und soll ignoriert werden.

Reiz B triff selten auf und soll gezählt werden.

—> Deutliche Ausprägung der P300 nach Reiz B

• Variiert umgekehrt proportional zu den perzeptiv-kognitiven Anforderungen der Primäraufgabe

• P300-Amplitude auf Sekndäreaufgabenreize ist ein sensitiver Indikator für perzeptiv-kognitve Beanspruchung

• Nicht ganz Interferenzfreiheit gegeben

• Auch Hinweise, dass es auch als Indikator bei der Irrelevant Probe Technique geeignet ist (Irrelevante Probenreise, die ignoriert werden sollen)

• Sekundäraufgaben - P300 Amplitude sensitiver Indikator für perzeptiv-kognitive Beanspruchung

• Irrelevante Probenreize: Reize, die während der Bearbeitung einer Primäraufgabe dargeboten werden, ohne dass die Person darauf achten oder damit etwas machen soll

• „Oddball“-Paradigma: der Vp werden Sequenzen zweier unterschiedlicher Reize dargeboten

  • Reiz A tritt häufig auf und soll ignoriert werden

  • Reiz B tritt selten auf (10-20%) und soll gezählt werd

·Erfassbar über Elektrookulogramm (EOG); je eine Elektrode über und unter dem Auge

Mehrere erfassbare Parameter

o    Frequenz (Lidschlüsse pro Minute)

o    Dauer (msec)

o    Latenzzeit nach einem best. Ereignis (msec)

Alle Lidschlüsse, die nicht reflexhaft oder willentlich ausgelöst werden (kontrolliert durch ZNS – noch relativ unklare Verschaltung)

• Konsistente Befunde nur für Aufgaben, die mit visueller Informationsaufnahme verbunden sind

• Frequenz und Dauer endogener Lidschlüsse sinken mit steigender (visueller) Beanspruchung

• Lange anhaltende Beanspruchung führt mit zunehmender Ermüdung zu einer Zunahme der Lidschlussfrequenz („time-on-task“ Effekt)

• Sprechen (erhöht Lidschlussfrequenz z.B. am Ende eines Satzes)

• Große Augenbewegungen (Lidschluss oft am Ende größerer Sakkaden)

• Aufgrund vieler z.T. gegensätzlich wirkender Einflussfaktoren kein einfach zu interpretierender Indikator —> Betrifft sowohl Sensitivität als auch Diagnostizität

• Bei Kontrolle von möglichen Störeinflüssen Frequenz offenbar spezifisch sensitiv für Beanspruchung visueller Aufmerksamkeitsprozesse

• Praktische Vorteile: weitgehend interferenzfrei erfassbar & Einsatz unter Feldbedingungen prinzipiell möglich

• Interpretation setzt in jedem Fall genaue Aufgaben- und Situationsanalyse voraus sowie Kontrolle von time-on-task Effekten

• Sensitivität: hoch

• Spezifität: Geringe Diagnostizität

• Phasische Pupillenreaktionen vergleichsweise sensitiver Beanspruchungsindikator

• Bei länger dauernden Aufgaben (keine diskreten Ereignisse) auch über mittleren Pupillendurchmesser oder aber Anzahl von diskontinuierlichen Pupillenveränderungen operationalisierbar

• Keine Diagnostizität im engeren Sinne

• Indikator für allgemeinen „effort“ sensu Kahnemann (1973)

• Weitgehend interferenzfreie Registrierung mittels kommerziell verfügbarer Blickbewegungsanlagen

• Einsatz vermutlich überwiegend im Labor (z.B. Helligkeitskontrolle) und bei spezifischen Aufgaben (diskrete Aufgaben mit eindeutigem Anfangspunkt)

• Differenziert zwischen den verschiedenen Beanspruchungszuständen (ohne dass jeweils die einzelnen phasischen Veränderungen auf diskrete Ereignisse erfasst werden)

• Anzahl relativ kurzer Lidschlüsse (hier: 71-100ms) unterscheidet gut zwischen unterschiedlich hoher Beanspruchung

  —> je höher Beanspruchung desto höher der Anteil kurzer Lidschlüsse

• Anzahl relativ langer Lidschlüsse differenziert Ermüdungseffekte

  —> Anzahl steigt mit time-on-task

• Endogene Lidschlüsse

  • Frequenz und Dauer endogener Lidschlüsse sinken mit steigender (visueller) Beanspruchung

• Pupillenweite

  • Phasische Pupillenreaktionen vergleichsweise sensitiver Beanspruchungsindikator

Die Pupillenreaktion konnte dabei gut zwischen unterschiedlich schwierigen Multiplikationen unterscheiden

Eindimensional:

• Einfache Ratingskalen

• Modifizierte Cooper-Harper Skala

• Bedford Skala

• Psychometrische entwickelte Rating Skalen (z.B. RSME – rating scale mental

·       effort – dt. Übersetzung SEA – subjektiv erlebte Anstrengung)

Mehrdimensional:

• Subjective Workload Assessment Technique (SWAT)

• NASA Task Load Index (NASA–TLX

• Verschiedene Beanspruchungsindikatoren erfassen jeweils unterschiedliche Aspekte mentaler Beanspruchung

• Argument für multi-modale Erfassung auf verschiedenen Ebenen (Leistung, physiologisch, subjektiv)

• Übliches Vorgehen auf der Basis von Likert-Skalen

• Methodische Aspekte entsprechen den allgemeinen Problemen bei der Gestaltung von Ratingskalen, z.B.

  • Wahl der Itemformulierung

  • Festlegung der Anzahl der Stufen

• Entscheidungsbaums/Fragealgorithmus

• Erfassung der für die Aufgabenbearbeitung notwendigen Anstrengung (effort) vor und nach der Überforderungsgrenze

• Stärker aufgaben- als personenorientiert (konzipiert für Systemevaluationen)

• Erfassung von Pilotenbeanspruchung

• Entscheidungsbaums/Fragealgorithmus

• Theoretische Grundlage: „Restkapazitäts“-konzept

Beurteilung der subjektiv eingeschätzten Zumutbarkeit der Aufgabenbeanspruchung, operationalisiert über wahrgenommene Restkapazität bei Bearbeitung einer Aufgabe

• Für eine Gesamteinschätzung subjektiver mentaler Beanspruchung geeignet

• Absolute Werte i.d.R. nicht aussagekräftig, da eindeutig definierte Referenzgrößen nicht vorliegen (gilt aber für fast alle Indikatoren)

• Allgemeines Problem: mangelnde Differenzierbarkeit und damit Interpretierbarkeit der Ergebnisse

• Nur sinnvoll, wenn es alleine um die Höhe der empfundenen Beanspruchung geht – die eigentliche Ursache dafür aber egal ist

Es gibt drei Dimensionen der Beanspruchung, die additiv zusammenwirken und die Gesamtbeanspruchung bestimmen

o    Time Load

o    Mental Effort Load

o    Psychological Stress Load

Sechs Skalen zu unterschiedlichen Dimensionen subjektiver Beanspruchung

Aufgabenbezogene Merkmale

o   Mental Demand (Geistige Anforderung)

o   Physical Demand (physische Anforderung)

o   Temporal Demand (Zeitliche Anforderung)

Mind Plays Tricks

Personenbezogene Merkmale

o   Performance (eigene Leistung)

o   Effort (Anstrengung)

o   Frustration (Frustration)

Personen Erleiden Frust

·       Fast alle Verfahren zeigen hinreichend gute Sensitivität

·       Diagnostizität bei mehrdimensionalen Verfahren bedingt gegeben (für die jeweils erfassten Aspekte)

·       Interferenzfreie Anwendung

·       Große Anwendungsbreite

·       In der Regel gute Akzeptanz

·       NASA-TLX vermutlich das am häufigsten eingesetzte Verfahren

·       Problem: Oft nur geringe Korrelationen mit leistungsbezogenen bzw. psychophysiologischen Beanspruchungsindikatoren

Ergebnisse: Primäraufgabe

o    Diagnosezeit mit Automationsunterstützung (DS, AI) sig. reduziert

o    Geringerer Aufwand für Info-Suche durch Assistenzsysteme

o    Geringerer Regelungsaufwand bei Fehlerbearbeitung bei höchster Automationsunterstützung

Ergebnisse: Sekundäraufgabe: Einfache RZ

o    Nur RZ-Unterschied zwischen Phasen ohne bzw. mit Fehler wird signifikant

o    Kein Effekt der Verfügbarkeit von Assistenzsystemen

Ergebnisse: Subjektive Beanspruchung

o    Unterschiede in der subjektiv erlebten Beanspruchung zwischen allen Bedingungen

Deutliche Dissoziationen zwischen

o    Primäraufgabenleistung

o    Sekundäraufgabenleistung und EKG-Indikatoren

o    Subjektiven Maßen

• Vermutlich kein ein Hinweis auf unterschiedliche Sensitivität, sondern auf Erfassung unterschiedlicher Beanspruchungsaspekte

• Subjektive Maße z.T. durch vordergründige Aufgabenmerkmale beeinflusst

  
  

  —> Verschiedene Beanspruchungsindikatoren erfassen jeweils unterschiedliche Aspekte mentaler Beanspruchung

  —> Argument für multi-modale Erfassung auf verschiedenen Ebenen (Leistung, physiologisch, subjektiv)

o    Müdigkeit als Folge langer Wachphasen (Schlafdeprivation) —> beeinflusst durch circadiane Phase und Prozesse der Schlafregulation

o    Aufgabenbezogene Ermüdung (mental fatigue) als Folge einer längeren physischen oder mentalen Beanspruchung durch kontinuierliche Aufgabenbearbeitung

Diagnostizität: Wie spezifisch erfasst eine Methode bestimmte Beanspruchungen?

• Weiter Sinn: Abgrenzung von pyhsischer oder emotionaler Beanspruchung

• Enger Sinn: Welche kognitiven Verarbeitungsressourcen werden beansprucht

Sensitivität: Empfindlichkeit für Beanspruchungsunterschiede

• Kleine Beanspruchungsunterschiede

Interferenzfreiheit:

- keine Störung der Aufgabe/Tätigkeit deren Beanspruchung bewertet werden soll

- Aufgabe, deren Beanspruchung erfasst werden soll, wird durch die Methode nicht verändert (Methode beeinflusst das zu erfassende Konstrukt nicht)

Implementierungsaufwand und Anwendungsbreite:

- Apparative Anforderungen

- Anforderungen an die Kontrolle der Versuchsbedingungen

- Anforderungen an ein Training der Untersuchungsteilnehmer

- beeinflusst Kontext der möglichen Anwendung (Labor vs. Feld)

Akzeptanz bei Untersuchungsteilnehmern:

- Wie gut wird die Methode von den Betroffenen akzeptiert?

Wichtig bei Anwendungen im Feld

Im weiteren Sinne bedeutet die spezifische Sensitivität für mentale Beanspruchung (allgemein, in Abgrenzung zu physischer oder emotionaler Beanspruchung)

Im engeren Sinne bedeutet die spezifische Sensitivität für die ART der mentalen Beanspruchung.

• „Effort" ist ein Konzept mit zwei Bedeutungen:

  • die willkürliche Verteilung von Aufmerksamkeit bzw. Kapazität auf verschiedene Aufgaben (Effort = Kapazität, die in Aufgabenbearbeitung investiert wird)

  • der aufgabenabhängige Kapazitätsbedarf von Aufgaben (Effort = Kapazität, die von Aufgaben beansprucht wird).

Circadiane Rhythmik:

• Tageszeitbezogene Schwankungen physiologischer und psychologischer Funktionen

• Einstellung des Körpers auf Aktivität bzw. Ruhe in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen (Licht)

• Ausdruck der im Rahmen der Evolution erfolgten Anpassung des Menschen an den 24-Stunden Hell-Dunkel-Zyklus auf der Erde und die damit verbundenen natürlichen Lebensbedingungen.

• Temperatur steigt morgens an, erreichts abends ihren Höhepunkt und sinkt dann wieder (besonders nachts).

• Adrenalin steigt leicht morgens und sinkt dann ab mittags auf den Tiefpunkt in der Nacht.

• Noradrenalin bleibt relativ konstant und sinkt tagsüber, kurz vorm Aufwachen steigt es wieder stark.

Homöostatische Prozess der Schlafregulation:

• Schlafintensität gemessen am Anteil von „slow wave"-Aktivität in nonREM-Phasen ist am Beginn der Schlafperiode am größten und nimmt während der Schlafperiode exponentiell ab

• Anteil von „slow wave"-Aktivität steigt in Abhängigkeit von der Dauer der vorangehenden Wachperiode

• Annahme: Kondensatormodell- Aufladung mit zunehmendem Schlafdruck („sleepiness") über die Dauer der Wachphase mit negativ beschleunigtem Verlauf

• Entladung während der Schlafphase mit exponentiellem Verlauf

• Physiologischer Indikator: „Slow Wave"-Anteile im EEG

• Schlafneigung wird von einem Zusammenwirken beider Prozesse (S + C) beeinflusst.

• Höhe der Schlafneigung ist abhängig vom Abstand beider Kurven

• Ist relativ gering am späten Nachmittag und der Anstieg ist maximal während der Nachtstunden mit Maximum am frühen morgen.

• Rhythmus betrug in diesem Experiment 25.3 Stunden, aktuelle Studien weisen aber eher auf geringere Verzögerungen (24,2-24,4h) hin

• Zusammenhang zwischen Einschlafzeitpunkt und Minimum Körpertemperatur bleibt erhalten

• nicht nur physiologische Prozesse, auch psychologische Prozesse unterliegen tageszeitlichen Schwankungen

• Subjektiv unmittelbar wahrnehmbar: Tageszeitbezogene Schwankungen in der subjektiven Wachheit

• Unterschiedliche tageszeitbezogene Verläufe bei kognitiven und einfachen visuo-motorischen Aufgaben

• Logik: Der Prozess S wird durch Schlafdeprivation asymptotisch an sein Maximum geführt, sodass er nicht mehr zu einer Variation der Leistungsfähigkeit beiträgt

• Befund: kognitive Leistungsfunktionen variieren danach nur noch in Abhängigkeit von der circadianen Phase

• Probanden wurden schlafdepriviert und mussten verschiedene Aufgaben durchführen

  • Alertness hängt mit Prozess C zusammen, die Behaltensleistung ist nur während der 1. Wachphase von circadianer Rhythmik abgekoppelt

  • Wenn Prozess S dann nicht mehr konstant wirkt, kommt Wirkung von circadianer Rhythmik durch.

    -> Die Kopfrechenleistung schwankt auch in Abhängigkeit von circadianer Rhythmik.

• Beide Einflüsse werden entkoppelt, indem die Desynchronisation von circadianen Phasen und dem Schlaf-Wach-Zyklus erzwungen wird

• Schlaf-Wach-Zyklus wird dabei künstlich verlängert

• Leistungsmessungen an gleichen Zeitpunkten während der Wachphase fallen dann mit unterschiedlichen Phasen der endogenen Rhythmik zusammen und umgekehrt.

• Psychologische Leistungsfunktionen werden sowohl von Prozess S als auch von Prozess C der Schlafregulation beeinflusst

• Keine Evidenz dafür, dass Gedächtnisfunktionen nicht oder sogar invers in Abhängigkeit von der circadianen Rhythmik schwanken-

• Besonders geringe Leistung ist nach längeren Wachperioden in Phasen des circadianen Minimums zu erwarten

• Müdigkeit/Schlafneigung wird von einem Zusammenwirken von circadianer Rhythmik (Prozess C) und einem homöostatischen Prozess (S) bestimmt

• Höhe der Müdigkeit/Schlafneigung abhängig vom Abstand der beiden Kurven

• Alle untersuchten psychologischen Leistungsfunktionen werden sowohl von der circadianen Phasenlage als auch dem homöostatischen Prozess der Schlafregulation beeinflusst

• Besonders geringe Leistung ist nach längeren Wachperioden in Phasen des circadianen Minimums zu erwarten

EEG → relative Zunahme (niederfrequenter) Alpha- & Theta-Aktivität über dem gesamten Kortex. Mit zunehmender Müdigkeit relative Abnahme von Alpha- und weitere Zunahme von Theta-Aktivität. Außerdem Mikroschlaf (Schlafstadium 1 für 1-3 Sekunden)

Sehapparat → Zunahme der Anzahl von Lidschlüsse, mit stärker werdender Müdigkeit Abnahme der Zahl und Zunahme der Dauer von Lidschlüssen, langsame seitliche Rollbewegungen der Augen, mangelnde Fixation des Blicks

Muskelapparat → Abnahme des Muskeltonus (Gesichtsmuskulatur)

Grundansatz:

Einschätzung der Müdigkeit aufgrund des Gesichtsausdrucks und anderer von außen beobachtbarer physischer Merkmale

Mehrstufige Beobachtungsskalen (Ratings), deren einzelnen Stufen über ein Muster von Müdigkeitsanzeichen definiert sind

Beispielskalen:

- Ratingschema von WIerwille & Ellsworth (1994)

- HFC-Müdigkeitsskala

- TU Berlin Skala zur Schläfrigkeitserfassung

• Selbsteinschätzung des Ausmaßes eigener Müdigkeit/Schläfrigkeit auf eindimensionalen Ratingskalen.

• Oft benutzt: Stanford Sleepiness Scale, Karolinska Sleepiness Scale

• Zunehmende Schläfrigkeit und eine verlängerte Wachphase führt nicht zu allgemeiner Leistungsabnahme, sondern zu höherer Leistungsvariaibilität mit wiederholt auftretenden Leistungsaussetzern

• Instabilität des Wachzustandes in Abhängigkeit von der Dauer der Wachzeit-Ursache: Schlafdruck wird immer wieder und häufiger dominant und setzt sich durch (Mikroschlafepisoden)

• Umso stärker, je länger Aufgabenbearbeitung andauert (Verstärkung von time-on-task-Effekten durch Schlafdeprivation)

Schlafdeprivation führt nicht zu allgemeiner Leistungsabnahme, sondern zu höherer Leistungsvariabilität, mit wiederholt auftretenden Leistungsaussetzern („lapses")

10-minütige RZ-Aufgabe, bei der auf zufällig dargebotene, visuelle Reize reagiert werden soll.

total: Verlängerung der Wachperiode > 16h

• kurze TSD: ≤ 45 Stunden,

• lange: >45 Stunden)

→ Erhöhung der Schlafneigung durch Beeinflussung des Prozesses S

partielle: Mindestens eine Nacht mit reduzierter Schlafzeit (< 8 Stunden)

• Akute PSD: Eine 24h-Periode mit reduziertem Schlaf

• Chronische PSD: mehrere aufeinander folgende 24h-Perioden mit reduziertem Schlaf

→ Reduktion des Anteils von Schlafstadien, die überwiegend in späten Schlafphasen auftreten

• Verlangsamung und höhere Variabilität der Reaktionszeit

• Erhöhte Fehlerraten bei Vigilanzaufgaben (errors of omission, errors of commission)

• Beeinträchtigung von Gedächtnisleistungen (kurzfristiges Behalten und Arbeitsgedächtnis)

• generell kognitive Verlangsamung bei selbstgetakteten Aufgaben

• Erhöhte Fehlerraten unter Zeitdruck (fremdgetaktete Aufgaben)

Nachweisbare deutliche Leistungseffekte als Resultat totaler Schlafdeprivation bereits ab einer Verlängerung der Wachperiode > 20 Stunden

- Leistungseinbußen dann vergleichbar mit Einbußen infolge einer Blutalkoholkonzentration von ca. 1 Promille

- Leistungseffekte vor allem in Laboraufgaben nachweisbar – bei Alltagsaufgaben mehr Möglichkeiten der Kompensation

Totale Schlafdeprivation: Verlängerung der Wachperiode > 16h

o    Kurze TSD: </= 45 Stunden

o    Lange TSD: >45 Stunden

Partielle Schlafdeprivation: Mindestens eine Nacht mit reduzierter Schlafzeit (< < 8 Stunden)

o    Akute PSD: eine 24h-Periode mit reduziertem Schlaf

o    Chronische PSD: Mehrere aufeinander folgende 24h-Perioden mit reduziertem Schlaf

Schlafdeprivation führt nicht zu allgemeiner Leistungsabnahme, sondern zu höherer Leistungsvariabilität, mit wiederholt auftretenden Leistungsaussetzern („lapses“)

o    Instabilität des Wachzustandes (state instability) in Abhängigkeit von der Dauer der Wachzeit

o    Ursache: Schlafdruck wird immer wieder und häufiger dominant und setzt sich durch („Mikroschlafepisoden“)

·       Verstärkung von „time-on-task“ Effekten

·       Erfassbar über Psychomotor Vigilance Task

Zahlreiche elementare kognitive und psychomotorische Funktionen werden durch Schlafdeprivation beeinträchtigt

o    Verlangsamung der Reaktionszeit

o    Erhöhte Fehlerraten bei Vigilanzaufgaben

o    Beeinträchtigung von Gedächtnisleistungen (kurzfristiges Behalten und Arbeitsgedächtnis)

o    Generelle kognitive Verlangsamung (cognitive slowing) bei selbstgetakteten Aufgaben

o    Erhöhte Fehlerraten unter Zeitdruck (fremdgetaktete Aufgaben)

·       Effekte von >20h Schlafdeprivation bei Reaktions- und einfachen kognitiven Aufgaben vergleichbar oder stärker als Effekte bei 1.0 Promille Blutalkoholgehalt

Ansatz zur Untersuchung inwieweit Leistungsfähigkeit davon abhängt, wie viel Schlaf eine Person bekommen hat

• Variation der Schlafdauer und Anzahl aufeinander folgender Nächte, bei denen die Schlafdauer entsprechend kurz war

Schlussfolgerungen:

• Reduzierte Schlafzeiten < 7h führen vor allem zu Deprivation von Stadien mittlerer Schlaftiefe (stage 2) und REM-Schlaf

• Vergleichsweise „milde“ Einschränkungen der Schlafdauer (5-6h) führt zu signifikanten Leistungsbeeinträchtigungen, wenn die Einschränkung mehrere aufeinander folgende Nächte umfasst

• Stärke der Beeinträchtigung ist dosisabhängig, d.h. je weniger Schlaf, desto stärker die Beeinträchtigung

• Reduktionen auf 4 - 6 Stunden Schlafen führen nach 14 Nächten zu Leistungseinbußen, die mit denen nach 48h Schlafdeprivation vergleichbar sind

• Leistungsbeeinträchtigungen nach 7 Nächten mit ≤ 5 Stunden bilden sich auch nach drei Nächten mit Erholungsschlaf (8 Stunden) noch nicht vollständig wieder zurück·     

• Leistungseinbußen bei einfachen Aufgaben, aber relative Leistungskonstanz bei komplexen Funktionen und („real-world“) Aufgaben

• Komplexe, interessante Aufgaben sind aktivierend und intrinsisch motivierend und könnten dadurch SD-Effekte (teilweise) kompensieren

ABER:

• Auch die Leistungen in komplexen Aufgaben werden von TSD bzw. PSD beeinträchtigt

Grundsätzlich sind auch Leistungen bei komplexen Aufgaben und „real world“ Aufgaben von negativen Auswirkungen totaler bzw. partieller Schlafdeprivation betroffen, wenngleich weniger stark als Leistungen bei einfachen Aufgaben

Totale Schlafdeprivation >32h führt zu signifikanten Einbußen bei komplexen Problemlöseprozessen, z.B.

o    Geringere Leistungen beim divergenten Denken

o    Höhere Rigidität (bei Handlungsplanung mangelnde Berücksichtigung neuer Informationen)

o    Perseverierende Problemlösungsansätze

Aufzeichnung der von der Schädeldecke ableitbaren elektrischen Spannungsveränderungen über die Zeit.

Aufgrund der geringen Amplituden sind sie nur nach mehrerern ereignisbezogenen EEG-Ableitungen erkennbar.

EEG-Spontanaktivität:

• nicht durch externe Reize ausgelöste neuronale Aktivität im Gehirn

• Grundaktivität des Gehirns

• Grundlage auf der EKPs auftreten

Ereignisbezogene Potenziale (EKPs):

• spezifische EEG-Antworten auf bestimmte Reize oder Ereignisse (z. B. ein visueller oder auditiver Reiz)

• Augenbewegungsartefakte (EOG)

• Sprechartefakte

• Bewegungsartefakte

• Abnahme der Alpha-Aktivität über dem parietalen (okzipitalen) Kortex

• Zunahme Theta-Aktivität über dem frontalen Kortex

• Zunahme Beta-Aktivität

Frontaler Theta-Anstieg zusammen mit Alpha-Reduktionen über dem zentral-parietalen Bereich. Theta also als Beanspruchungsindikator (Gedächtnis, Aufmerksamkeit)

• Generaller Anstieg Theta-Aktivität zusammen mit Alpha-Zunahme!

• Theta als Indikator abnehmenden Arousals bzw. abnehmender Beanspruchung (bzw. zunehmender mentaler Müdigkeit?)

Sensitivität: Sowohl frontaler Theta Anstieg, als auch Alpha-Aktivität (Reduktion!) parietal sind sensitiv für Unterschiede in der mentalen Beanspruchung

Diagnostizität: vermutlich nicht sehr hoch, eher allgemeiner „Effort"-Indikator, Anstieg Theta nur in Zusammenhang mit Betrachtung von Alpha interpretierbar.

Interferenzfreiheit: Weitgehend interferenzfrei möglich

Implementierung/Anwendung: Für Felduntersuchungen mit Einschränkungen geeignet (Technischer Aufwand, Artefaktanfälligkeit)

• Problematisch ist, dass Theta- und Alpha-Veränderungen überwiegend auf Gruppenuntersuchungen und Mittelwerten basieren.

• Individuelle EEG-Veränderungen müssen automatisch Artefakte erkennen und individuelle Unterschiede berücksichtigen.

• Welche Kombination von EEG-Parametern bei einer bestimmten Person am besten zwischen den Bedingungen unterscheidet, kann mit multivariaten Funktionen (z.B. Diskriminanzanalyse) analysiert werden.

Primäre Kriterien:

- Diagnostizität

—> W.S.: Wie ist der Grad der Beanspruchung

—> E.S.: Art der mentalen Beanspruchung)

- Sensitivität

—> Empfindlichkeit für kleine Belastungsunterschiede

Sekundäre Kriterien:

- Interferenzfreiheit

—> Keine Störung der Aufgabe durch Messung

- Implementrierungsaufwand und Anwendungsbreite

—> Umsetzbarkeit und Übertragbarkeit sind sinnvoll

- Akzeptanz

—> vor allem im Feld

Leistungs- und verhaltensbasierte Methoden

• Leistung in Primär- und Sekundäraufgaben.

• Basis: Aufmerksamkeitstheoretische Kapazitäts- und Ressourcenmodelle

Physiologische Methoden

• Nicht-invasive physiologische Indikatoren (EKG, EEG, Pupillenreaktion)

• Basis: psychophysiologische Aktivierungsmodelle und spez. Theorien zum Zusammenhang (neuro-)physiologischer und kognitiver Prozesse

Subjektive Befragungen

• Ratingskalen oder andere formale Methoden subjektiver Einschätzung

• Basis: Plausibilitätsannahmen bzw. psychometrische Modelle

• Kein einheitliches Verständnis oder allgemeingültiges theoretisches Modell verfügbar

• Gleicher Begriff für oft sehr unterschiedliche Phänomene

• Erst durch die jeweils benutzte Methode zur Erfassung mentaler Beanspruchung festgelegt, was darunter verstanden wird

  —> operationale Definition

• Funktionsgrundlage für Informationsverarbeitungsprozesse liefern begrenzte Verarbeitungsressourcen

• Leistung einer Aufgabe und den eingesetzten Ressourcen:

  monoton steigender Zusammenhang

• Ressourcenbedarf einer Aufgabe hängt von ihrer Schwierigkeit/Komplexität ab

• Parallele Aufgabenbearbeitung ist möglich, wenn Ressourcenbedarf ≤ Menge

• Leistung kann bis zu einer gewissen Grenze mit höherem Ressourceneinsatz steigen

  —> Bis dahin ist die Leistung ressourcenlimitiert

• Datenlimitierung (=Aufgabenlimitierung) setzt ein

• Bei unterschiedlichen Aufgaben kann die Datenlimitierung schneller oder langsamer erreicht werden und auch die Funktion von Leistung in Abh. von Ressourceneinsatz kann unterschiedlich sein (linear, 2x linear, quadratisch, etc.)

Jeweils spezifische Ressourcen für bestimmte Funktionen

• Verarbeitungsstufe (perzeptiv-kognitiv vs. motorisch)

• Sinnesmodalität (visuell vs. akustisch)

• Verarbeitung visueller Informationen (focal vs. ambient)

• Verarbeitungsmodalität (räumlich-analog vs. sprachlich)

• Reaktionsmodalität (sprachlich vs. manuell

  —> Zusätzlich ggf. übergeordnete Ressource für allgemeine koordinierende (exekutive) Funktionen

1. Bedeutung für die Vorhersage von Beanspruchung bei komplexen (multitasking) Aufgaben

- Vorhersage von Interferenzeffekten und Leistung bei multitasking

- Ableitung von Hinweisen für beanspruchungsoptimierende Systemgestaltung

2. Bedeutung für die Erfassung mentaler Beanspruchung

- zwei Aspekte mentaler Beanspruchung als 1. Beanspruchung einer übergeordneten allgemeinen (exekutiven) Funktion und 2. mentale Beanspruchung als Auslastung von spezifischen Ressourcen

- Diagnostizität im Hinblick auf die Auslastung spezifischer Ressourcen?

- Direkte Grundlage für Anwendung der Sekundäraufgabentechnik

Aufgabe, für die der Grad der Beanspruchung bestimmt werden soll.

Leistungserfassung über relevante Maße: Geschwindigkeit, Fehler, Präzision

• Differenzierung unterschiedlicher Beanspruchungen ist über die Primäraufgabenleistung nicht eindeutig möglich

Annahme: Die Leistung in der Zusatzaufgabe variiert umgekehrt proportional zum Beanspruchungsgrad der Primäraufgabe

Ziel: Erfassung der Ressourcenauslastung ("Restkapazität")

Je mehr Restkapazität die eigentliche Aufgabe lässt, für die die Beanspruchung erfasst werden soll, umso besser sollte die Leistung in der Sekundäraufgabe sein.

Das setzt voraus, dass Personen instruiert werden, die eigentliche Aufgabe mit Priorität, möglichst so gut wie immer, zu bearbeiten und die Zusatzaufgabe nur soweit zu bearbeiten, wie es noch möglich ist.

Reaktionszeitaufgaben

Kopfrechenaufgaben

Gedächtnisaufgaben

Zeitschätzungen

Motorische Intervallproduktion

Prospektives Gedächtnis: erinnern an eine Aktion

Instruktion, dass Resourcenfokus auf der Zweitaufgabe liegt

Verschlechterung in der Primäraufgbae als Worload Indikator

• Nutzung „natürlicher" Apekte einer komplexen Aufgabe anstelle der Einführung einer künstlichen Zusatzaufgabe. Erfassung der Umverteilung von Ressourcen weg von sekundären Aufgabenaspekten

• Vorteile: Akzeptanz und Sicherheitsabwägungen bei Feldstudien

• Nachteile: Interpretierbarkeit (z.B. Einzelbearbeitung als Kontrollbedingung schwierig zu realisieren)

• Auswahl „sensitiver" Aufgaben für Sekundäraufgabe (Kontinuerliche Belastung mit Training)

• Erfassung der Primäraufgabenleistung

• Berücksichtigung von single-task Kontrollbedingungen (Messung der Einzelleistungen)

• direkter ZH zwischen Leistung und Beanspruchung nur nach Überforderung (deswegen nicht für HF-Forschung)

• vorher: mögliche Konstanthaltung durch kompensatorische Anstregungserhöhung

• keine Sensitivität für mentale Beanspruchung unterhalb der Überforderungsgrenze (damit wenig interessant für HF)

• Problem der Unterscheidung von Effektivität und Effizienz

  • Effektivität bildet sich direkt in der Leistung ab

  • Effizient (dafür erforderlicherRessourcenaufwand) nicht unmittelbar

  --> Erfassung mentaler Beanspruchung im Sinne einer Ressourcenauslastung setzt Verfahren voraus, die das Ausmaß der jeweiligen Restkapazität abbilden können

• Gute Sensitivität, sofern gleiche Ressourcen wie bei der Primäraufgabe beansprucht werden

• Diagnostizität realisierbar über Vergleich qualitativ verschiedener Sekundäraufgaben (bezogen auf Art der beanspruchten Ressourcen)

Problem: Widerspruch Sensitivität/Diagnostizität vs. Interenzfreiheit

o    Sensitivität/Diagnostizität setzt Ressourcenüberlappung mit Primäraufgabe voraus

o    Dann Interferenzfreiheit aber nicht mehr unbedingt gegeben

Anwendbarkeit: Richtige Anwendung sehr aufwendig und oft auf das Labor beschränkt

• Leistungsschwankungen in Abhängigkeit von unterschiedlichen Zuständen als Effekt von Arousal-Verschiebungen

• Spezifisch wurde ein umgekehrt U-förmiger Zusammenhang angenommen

Zeigt Zusammenhang zwischen Arousal und Leistung

• Leistung steigt mit zunehmender Aktivierung bis zu einem Punkt optimaler Aktivierung an

• Weitere Aktivierung führt dann zu Leistungseinbußen

• Optimale Arousal-Niveau liegt bei einfachen Aufgaben höher als bei schwierigen

• Es ist zirkulär und nicht falsifizierbar

• Welches arousal-Niveau für eine Aufgabe optimal ist, lässt sich nicht a priori bestimmen

  • Dadurch ist jeder Effekt erklärbar

• Eindimensionales Aktivierungskonzept ist zu einfach

Es gibt drei anatomische, aber interagierende Systeme mit jeweils spezifischen Funktionen: Arousal, Activation und Effort.

Als Modell ist es besonders einflussreich für weitere Theorienbildung.

„Arousal“: Grundlage für Reizaufnahme und Mustererkennung

o    Passive (stimulusbezogene) Reaktivität in Abhängigkeit der Stimulusintensität

o    Aktive Komponente im Sinne einer Aufmerksamkeitsausrichtung

„Activation“: Aktivierung in Zusammenhang mit Kontrolle motorischer Prozesse

o    Vorbereitung motorischer Prozesse („readiness to response“)

„Effort“: Übergeordneter Mechanismus mit Doppelfunktion

o    Energetische Grundlage von zentralen Verarbeitungsprozessen

o    Kompensatorische Funktion gegenüber untergeordneten Systemen (Anpassung bei zu hohem/r niedrigem/r arousal/activation)

Ressourcen könnten als eine Art anatomisch/energetischer Grundlage von Informationsverarbeitungsprozessen verstanden werden.

Es bildet die Grundlage für die Annahme, dass auch kognitive Prozesse mit „physiologischen Kosten" verbunden sind, die sich durch physiologische Aktivierungsmaße quantifizieren lassen.

Besonders relevant ist das für physiologische Indikatoren, die Aktivierungsprozesse widerspiegeln.

• Bei steigender Beanspruchung steigt die Herzrate

• Herzperiode ist für Datenanalysen aber besser geeignet als die HR, da sie direkteren Bezug zu physiologischen Prozessen und etwas günstigere Verteilungseigenschaften hat (aber kontrovers diskutiert!)

Sensitivität: in vielen Felduntersuchungen, vor allem in der Luftfahrt, nachgewiesen. Allerdings geringe Schwierigkeitsunterschiede zwischen Aufgaben im Labor oft ohne Effekt. HR damit evtl. vor allem sensitiv in komplexen Situationen, wenn Grundaktivität insgeamt schon erhöht ist.

Diagnostizität: Bei tonischen Veränderungen keine Diagnostizität gegeben. HR ist ein allgemeiner Aktivierungsindikator kann nur bei Kenntnis der Aufgabe und deren Ausführbedingungen interpretiert werden

• Allgemeine Beschreibung der Streuung der Intervalle mit unterschiedlicher Sensitivität für kurz- bzw. langfristige Veränderungen

• Keine Möglichkeit der Differenzierung von Effekten verschiedener Einflussfaktoren (z.B. Atmung, Blutdruckregulation)

  —> Alternative: Beschreibung der HRV im Frequenzbereich

Low Frequency (0,01-0,03 Hz): für Beanspruchung überwiegend irrelevant, für Temperaturregelung

Mid Frequency (0,04-0,15 Hz): Einfluss des Barorezeptorreflexes, sympathisch und parasympathisch beeinflusst

High Frequency (0,18-0,4 Hz): Respiratorische Sinusarrhythmie, NUR parasympathisch beeinflusst!

• Aktivation der Baro(Druck-)Rezeptoren in der Aorta führt zu einer Abnahme sympathischer und zur Zunahme parasympathischer Effekte auf die Herzaktivität

• Reduktion der Aktivation hat umgekehrten Effekt

• Hypothese: Mentale Beanspruchung führt zu einer Defensivreaktion im Sinne von Aktivierung—>Erhöhung HR und Blutdruck

• Abnahme der Sensitivität des Barorezeptorreflexes, gleiche Unterschiede im systolischen Blutdruck führen zu geringeren Veränderungen in der HR → Reduktion der 0.1 Hz Komponente)

High Frequency

• nur parasympathisch beeinflusst

• RSA

• HRV bei relativ geringen Beanspruchungsunterschieden

• Bei komplexen Aufgaben und hoher Beanspruchung umgekehrt, HR sensitiver -> HR differenziert zwischen verschiedenen Beanspruchungsniveaus, die HRV nur dichotom zwischen Ruhe und Beanspruchung)

Bei Variation von Aufgabe und Automationsunterstützung in einer Prozesskontrollaufgabe war die Herzrate eig. gar nicht sensitiv (=kein Unterschied zwischen Bedingungen), die HRV aber deutlich sensitiver.

• Bei langer (>10 min) kontinuierlicher kognitiver Beanspruchung nimmt die Herzrate oft über die Zeit hinweg ab und die HRV in allen Frequenzbändern zu

• Mögliche Erklärungen:

  • Gewöhnungseffekt? (aber eher unwahrscheinlich bei Komplexität er Aufgabe und im Widerspruch zu kontinuierlichem Anstieg des Blutdrucks)

  • Anpassungsreaktion auf andauernde Beanspruchung zur Reduktion von Blutdruckanstiegen

  • bei hoher kontinuierlicher Beanspruchung signalisieren nicht mehr HRV-Reduktionen, sondern

  • im Gegenteil - Erhöhungen die Beanspruchung

  • Interpretierbarkeit nur durch Kontrolle der Blutdruckentwicklung über die Zeit gegeben

Klassische Sichtweise einer reziproken Kopplung des sympathischen und parasympathischen Teils des autonomen Nervensystems ist zu einfach

• Sympathikus und Parasympathikus können reziprok zueinander, unabhängig voneinander oder direkt gekoppelt reagieren

• Autonome Kontrolle von Organen ist daher eher in einem zweidimensionalen Raum darstellbar, dessen (orthogonale) Achsen die beiden physiologischen Teilsysteme bilden (autonomic space)

• Acht verschiedene Arten autonomer Kontrolle können dann unterschieden werden

Reziproke Kopplung:

Sympathische Dominanz (1)

Parasympathische Dominanz (2)

Direkte Kopplung:

Ko-Aktivation (3)

Ko-Inhibition (4)

Keine Kopplung:

Sympathische Aktivierung (5)

Sympathische Inhibition (6)

Parasympathische Aktivierung (7)

Parasympathische Inhibition (8)

• Sensitivität von HR/HRV Reaktionen auf Beanspruchungsunterschiede sind abhängig von der Art der Kooplung der jeweils ausgelösten physiologischen Reaktionen

• Höchste Sensitivität ist bei reziproker Kopplung anzunehmen

• keine/geringe Sensitivität bei direkter Kopplung

• Diagnostizität kann möglicherweise durch Beschreibung der Beanspruchungsreaktion im autonomic space erhöht werden

  —> Voraussetzung: dafür müssen aber sympathische und parasympathische Anteile an Herzratenveränderungen getrennt erfasst werden

• Erfassung verschiedener kardiovaskulärer Parameter bei der Bewältigung verschiedener Aufgaben (Herzperiode; 0,1 Hz und RSA Komponente d. HRV)

• Bildung der „residualen Herzperiode" als Markiervariable für sympathische Aktivität (Basis: Regression auf RSA)

• Bestimmung der mittleren Interkorrelation der verschiedenen Kennwerte für die verschiedenen Aufgabenbedingungen

• Extraktion unabhängiger Dimensionen „sympathischer" und „parasympathischer" Aktivität mittels Hauptkomponentenanalyse

• Analyse der Beanspruchungseffekte getrennt für sympathisches und parasympathisches System über Faktorwerte

Besser als bei der reinen Betrachtung der HR/HRV

• Ungekoppelte parasympathische Hemmung: motorische Aufgaben

• Sympathische Aktivierung bei gleichzeitiger parasympathischer Hemmung: kognitive Gedächtnisanforderungen

• Ungekoppelte sympathische Aktivierung: verteilte Aufmerksamkeit (Doppelaufgaben)

• Kann teilweise inkonsistente Befunde zur Sensitivität kardiovaskulärer Parameter erklären: HR und HRV wohl besonders sensitiv für Unterschiede in der Beanspruchung des Arbeitsgedächtnisses (d.h. bei reziprok gekoppelten autonomen Reaktionen)

• Hinweise auf mögliche Erhöhung der Diagnostizität kardiovaskulärer Parameter durch differenzierte Auswertung

• Befunde aber insgesamt zu wenig konsistent und der Ansatz zu aufwändig, als ihn wirklich für Beanspruchungserfassung nutzen zu können