Cross-subject Brain Functional Connectivity Analysis for Multi-task Cognitive State Evaluation

要約

認知とは、人間の基本的な心理的本質である情報の知覚と処理の機能を指します。
これは推論と意思決定を担当しますが、その評価は潜在的な安全リスクを軽減する上で航空分野にとって重要です。
既存の研究は、認知状態の評価にさまざまな方法を使用する傾向がありますが、適時性、一般化、解釈可能性の点で限界があります。
したがって、この研究では、リアルタイムの認知状態を評価するために、複数の被験者にわたる脳領域の関連性を捕捉するために、脳波信号との脳機能接続を採用しています。
具体的には、マルチスクリーンが埋め込まれた仮想現実ベースの飛行プラットフォームが構築されます。
3 つの特徴的な認知タスクが設計されており、それぞれに 3 つの難易度があります。
分析と評価のために 30 人の被験者が取得されます。
結果は、脳機能の根底にあるタスクごとおよび性別ごとの被験者内および被験者間を含む、さまざまな視点を通じて解釈されます。
さらに、この研究には、試験を公平に分類するために、アンケートベース、タスクパフォ​​ーマンスベース、および生理学的測定ベースのアプローチが組み込まれています。
さらに、アクティブな脳の接続を使用して、マルチクラスの認知状態評価が実行されます。
ベンチマーク結果は、特定された脳領域が認知に大きな影響を与えていることを示しており、マルチクラス精度率は 95.83% で既存の研究を上回っています。
得られた知見は、人間の脳の機能領域、被験者を超えた認知行動、意思決定の間の動的な関係を理解する上で重要性をもたらし、実用化の価値が期待できます。

要約(オリジナル)

Cognition refers to the function of information perception and processing, which is the fundamental psychological essence of human beings. It is responsible for reasoning and decision-making, while its evaluation is significant for the aviation domain in mitigating potential safety risks. Existing studies tend to use varied methods for cognitive state evaluation yet have limitations in timeliness, generalisation, and interpretability. Accordingly, this study adopts brain functional connectivity with electroencephalography signals to capture associations in brain regions across multiple subjects for evaluating real-time cognitive states. Specifically, a virtual reality-based flight platform is constructed with multi-screen embedded. Three distinctive cognitive tasks are designed and each has three degrees of difficulty. Thirty subjects are acquired for analysis and evaluation. The results are interpreted through different perspectives, including inner-subject and cross-subject for task-wise and gender-wise underlying brain functional connectivity. Additionally, this study incorporates questionnaire-based, task performance-based, and physiological measure-based approaches to fairly label the trials. A multi-class cognitive state evaluation is further conducted with the active brain connections. Benchmarking results demonstrate that the identified brain regions have considerable influences in cognition, with a multi-class accuracy rate of 95.83% surpassing existing studies. The derived findings bring significance to understanding the dynamic relationships among human brain functional regions, cross-subject cognitive behaviours, and decision-making, which have promising practical application values.

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