本发明涉及生物医学工程与实验心理学等相关技术领域，特别涉及一种基于心算和工作记忆的脑力负荷诱发的技术，用于模拟不同类型任务从而诱发的脑力负荷变化。
背景技术：
随着科学技术的快速发展，计算机和自动化技术广泛应用于从工业生产到社会服务的各个领域，提高了复杂人机系统的整体性能，人与机器、环境的关系和分工，已经变得与以往大不相同。与此同时，工作者的任务也发生了明显的变化，其体力工作负荷已经大为减轻，但脑力工作负荷却日益增高。
脑力负荷(mentalworkload)，也称心理负荷、精神负荷、脑力负担，可以理解为在单位时间内的脑活动量、大脑资源占用率、人在工作中的心理压力或信息处理能力。不合理的脑力负荷状态下工作，会对操作者的正常工作产生不利的影响。如果工作量过大脑力负荷过高会出现“超负荷”现象，遇到复杂情况，操作员的负荷非常高，认知能力、工作效率下降，严重时会导致操作员不能继续工作。而如果工作时负荷过低则会出现人不在回路(ootl)现象，长时间过低负荷工作，任务激励的敏感性、警惕性降低，从而使得操作员区分、识别和诊断紧急事件的能力大打折扣。进行脑力负荷研究，对于揭示其脑神经机制对于保证操作者的认知能力、工作效率是非常有必要的。
现有的脑力负荷研究主要分为简单认知任务和复杂任务两种。简单认知任务多为单一任务的实验范式研究，如逻辑推理任务、工作记忆任务、运动执行任务等，综合分析多种简单认知任务的实验范式极为少见。另一方面，复杂任务则更加与真实任务接近，难以分解成不同类型的简单认知任务，不利于基础神经科学的研究。在这种情况下，迫切需要一种有简单认知任务组合而成的、能自由独立调节各个简单认知任务难度的、具有科学研究意义的实验范式。
技术实现要素：
复杂任务可以分解为多种简单认知任务，包括数字运算、工作记忆、视觉加工、运动执行等。通过对简单认知任务的合成，本发明可以更加准确地研究复杂任务的大脑活动模式。
为了能够从简单认知任务组合出复杂任务，本发明设计了包含n-back任务、数字心算任务、视觉加工、运动执行任务在内的实验范式。其中，屏幕正中央显示需要被试心算的算式，作为数字运算任务，可以自由设定难度等级。下方显示各个按键对应的数值范围，键盘上若干个按键固定而对应范围可能随机变化，被试需要根据算式结果在尽可能短的时间内按下对应按键，作为视觉信息加工和运动执行任务；被试需要根据不同的n，按下前n个算式结果的数字范围对应的按键，以此构成工作记忆的n-back任务。
在心算任务中，被试需要根据屏幕上显示的算式，心算出该算式的答案。该任务的难度可以通过算式本身的计算难度控制，包括且不限于加减法运算、乘除法运算、对数和指数运算、复数运算、三角函数运算等。一般而言，不同等级的算式难度差异应较为明显，且所有难度不应超过一般被试的知识范围。通过对比多种难度的心算任务，我们希望探索逻辑运算难度对实验绩效(准确率、反应时间等)的影响。在此基础上，我们希望找到由逻辑运算所引起的多种生理信号变化。
在按键任务中，所有可能的按键数目可以动态变化，以此产生不同的难度等级。在按键任务中，分为动态按键范围和静态按键范围两种。以四个键为例，处于动态按键范围模式时，键盘上四个按键对应的数值范围随机变化，被试在心算出得数后，需要目光检索各个按键的对应范围，才能选择出正确的按键。处于静态按键范围模式时，键盘上四个按键对应的数值范围固定，被试经过短暂的记忆后，可以根据算式结果，直接选择对应的按键，而无需经过视觉检索。通过对比这两种按键范围模式的任务，我们希望探索视觉加工对实验绩效(准确率、反应时间等)的影响。在此基础上，我们希望找到由视觉加工所引起的多种生理信号变化。
在此基础上，我们引入了n-back方法，其中n＝0,1,2……n-back任务是一连串的刺激，该任务要求测试者在当前的按键范围中选择与第n次之前的算式结果相符的按键，其中负载因素n可以被调节以改变任务的难度。例如：在0-back中，被试只需要对当前出现的算式做出反应，即按下对应的按键；在1-back中，被试则需要不断地记下当前算式的计算结果，并对前一个算式(不是当下屏幕显示的)的计算结果做出反应，按下对应按键；类似地，在2-back中，被试需要记下前2个算式的计算结果并对前第2个算式结果做出反应，按下对应按键……通过对比多个不同的n-back的任务，我们希望探索工作记忆对实验绩效(准确率、反应时间等)的影响。在此基础上，我们希望找到由工作记忆所引起的多种生理信号变化。
在此基础上，可以增加研究时间压力对脑力负荷的影响。被试要求在规定时间内，即蓝色进度条到达屏幕最左端之前，按照上述规则做出反应，如不反应则记为该试次无效。也可以不显示该进度条，此时没有时间压力，单个试次不限时，被试可以根据自己的计算能力做出更准确的反应，此时的反应时间也会记录，根据实验设计灵活处理分析。
上述三种不同类型的简单任务，可以单独分析其对任务绩效和生理信号的影响，也可以组合起来，探索多种因素对任务绩效和生理信号的影响。多种不同难度任务的排列组合，基于此，我们可以通过这样的实验范式，探索不同类型简单认知任务的叠加效应，观察不同类型因素对大脑血氧等其他生理信号的综合影响，从分解合成的角度，更加科学地对脑力负荷建模。
附图说明
图1是本发明内容的主界面，包括中间的待计算算式显示，以及下部的按键、对应范围提示和时间进度条；被试要求在规定时间内，即蓝色进度条到达屏幕最左端之前，按照上述规则做出反应，如不反应则记为该试次无效。
图2是本范式的一个实施例中的算式难度设计，共分为0、1、2三级难度，运算符号数从0个依次增加到2个，期间得数范围基本维持不变。
图3是本范式的一个实施例的流程设计。共分为36个block，每个block包含10个trial，第一个block难度递增，后两个block难度随机。
图4是本发明内容的难度组合，共分为108个难度组合，可以根据实际需求灵活选择。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以下结合具体的实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。
实施例1
在心算任务中，我们设定了三种难度等级，分别为单个一位数数值比较(无运算)、一位数与两位数的加/减运算、三个一位数的加/减、乘混合运算，如图2所示。其中，我们对算式结果做出了限制，将运算结果均控制在1～99(90)之间，以更好地控制主变量以外的其他变量。
在按键任务中，我们设定了两种模式：静态按键范围和动态按键范围。在静态按键范围模式下，键盘上的“f、g、h、j”四个键对应的范围分别是1～25，26～50，51～75和76～99，被试在熟悉后可以根据直接根据算式选择对应按键；在动态按键范围模式下，键盘上的“f、g、h、j”四个键对应的范围动态变化，数字范围大于10，由计算机随机生成，被试需要根据算式，扫视各个按键的对应范围，而后选择按下对应的按键。
在此基础上，我们引入了n-back方法，其中n＝0,1,2。在0-back中，被试只需要对当前出现的算式做出反应，即按下对应的按键；在1-back中，被试则需要不断地记下当前算式的计算结果，并对前一个算式(不是当下屏幕显示的)的计算结果做出反应，按下对应按键；类似地，在2-back中，被试需要记下前2个算式的计算结果并对前第2个算式结果做出反应，按下对应按键。
上述三种不同类型的简单任务，可以单独分析其对任务绩效和生理信号的影响，也可以组合起来，探索多种因素对任务绩效和生理信号的影响。3种任务难度×3种n-back×2种按键范围＝18种不同任务组合，基于此，我们希望探索不同类型简单认知任务的叠加效应，观察不同类型因素对大脑血氧等其他生理信号的综合影响，从分解合成的角度，更加科学地对脑力负荷建模。
在正式实验开始前，被试必须通过练习。练习为依次在0,1,2-back下，连续对5个随机难度、随机(静态/动态)按键范围的算式做出正确的反应，练习模式的有效最大反应时间为6s。在此期间不记录生理信号数据，产生的行为学记录存档但不做分析。
在正式实验开始阶段先采集5分钟的静息态信号，后分为3个难度等级×3种n-back×2种按键范围×重复3次＝54个blocks。每个block先采集25s的静息数据，期间被试要求盯着屏幕中央显示的“+”，随后提示e.g.:“1-back”，而后开始连续10个trials，每个trail显示在屏幕上的时间不确定，直至被试按下有效的按键为止，但是有效的最大反应时间仅为5s，超过该时间的按键反映均记为无效；最后进行难度评价，被试要求按下1～9之间的按键，作为对这个block的主观难度评价。前12个blocks按照12个难度组合，依次增加；后24个blocks则为分组随机顺序，以消除学习效应的影响。实验整体耗时约59min。
实验前，告知被试本项实验按任务绩效发放实验费，主要考评因素包括实验耗时和判断正确率。实验过程中，被试坐在23英寸的lcd显示器前，眼睛距离屏幕约70～90cm，实验全程中被试不需要操作鼠标，所有的按键操作均通过标准美式键盘进行。实验室温度控制在20～24摄氏度，噪音在55分贝以内。
受时间限制，目前共召集了7名在读研究生被试参加该实验，他们没有任何参与过n-back相关实验的经历，视觉正常(>5.0)或矫正到正常，无任何神经疾病或神经疾病史，在实验前均精神状态良好。7人的行为学结果表明：随着算式难度的增加，反应正确率逐渐下降，反应时间逐渐延长，主观难度评分也不断提高。类似地，随着n-back中n值的增大，反应正确率逐渐下降，反应时间逐渐延长，主观难度评分也不断提高。相较于静态按键范围，动态按键范围的反应正确率大都略有下降，反应时间大都略有增长，主观难度评分也大都略有提高。
由以上行为学结果证实了该发明的有效性，该实验范式可以有效诱发不同程度的脑力负荷，可以利用该实验范式进行更为复杂的神经生理学实验。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受实施例的限制，其它任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、组合、替代、简化均应为等效替换方式，都包含在本发明的保护范围之内。