نشریه علمی مهندسی پزشکی زیستی
Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

تقویت حافظه‌ی کاری خلبانان با استفاده از تحریک الکتریکی

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

الناز حمزه 1
زهرا بهمنی 2
محمد رستمی 3

1 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی پزشکی، دانشکده‌ی مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی پزشکی، دانشکده‌ی مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران / استادیار، گروه علوم شناختی، دانشکده‌ی علوم و فناوری‏های بین رشته‏ای، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

3 دانشجوی دکتری، گروه مخابرات، دانشکده‌ی مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

https://doi.org/10.22041/ijbme.2023.2007949.1853
چکیده
حافظه‌ی کاری در کارکردهای اجرایی از اهمیت بالایی برخوردار بوده و حافظه‌ی کاری کلامی نقشی حیاتی در بهینه‌سازی عمل‌کرد کاربران سیستم‌های پیچیده مانند خلبانان دارد اما ظرفیت آن محدود است. تحقیقات وسیعی با هدف بهبود ظرفیت حافظه‌ی کاری بینایی انجام شده اما اطلاعات اندکی در مورد حافظه‌ی کاری شنیداری به ویژه در خلبانان در دسترس است. هدف این مطالعه بررسی تاثیرات تحریک الکتریکی فراجمجمه‌ای بر حافظه‌ی کاری کلامی خلبانان در حین انجام تسک شنیداری است. تسک شنیداری شامل آواهای غیرتکراری و حاوی تعداد برابری از اعداد و حروف انگلیسی تصادفی با توزیع یک‌نواخت بوده که در گوشی خلبان پخش شده و خلبان موظف است پس از شنیدن هر آوا آن را بازگو کند. این تسک شنیداری در 6 سطح از آسان تا سخت طراحی شده است که در هر سطح تعداد کاراکترها 2 عدد افزایش یافته و به ازای هر سطح 5 آوا وجود دارد. بنابراین در هر جلسه 30 آوا متشکل از 4 تا 14 کاراکتر ارائه شده است. پیش از شروع تسک، تحریک الکتریکی با شدت جریان 2 میلی‌آمپر اعمال شده است. این آزمایش شامل سه مرحله‌ی پایه (بدون تحریک)، شم (تحریک ساختگی) و آندال (تحریک اصلی) است. مدت زمان اعمال تحریک در حالت شم 30 ثانیه و در حالت آندال 10 دقیقه است. در نهایت با بررسی پاسخ آزمودنی‌ها و تعداد کاراکترهایی که درست به خاطر سپرده شده، با استفاده از آزمون‌های آماری تغییرات عمل‌کرد خلبانان بررسی شده است. در نتیجه با در نظر گرفتن تمام سطوح دشواری در کنار هم، بهبود معنی‌داری در ظرفیت حافظه‌ی کاری با تحریک آندال (41/6%) نسبت به حالت پایه مشاهده شده است. هم‌چنین نشان داده شده که در سطوح دشوارتر تسک، عمل‌کرد خلبانان پس از اعمال تحریک نسبت به حالت پایه بهبود معنی‌داری داشته است (سطح 4: 20/12%، سطح 5: 00/9% و سطح 6: 44/10%). بنابراین نتایج این تحقیق می‌تواند برای یافتن بینشی عمیق‌تر در مورد مکانیسم عصبی حافظه‌ی کاری و استفاده از آن برای تقویت انسان مفید باشد.

کلیدواژه‌ها

تقویت انسان
حافظه‌ی کاری
خلبان
تسک شنیداری
تحریک الکتریکی
ناحیه‌ی DLPFC

موضوعات

عنوان مقاله English

Augmentation of Working Memory by Electrical Stimulation of Pilot’s Brain

نویسندگان English

Elnaz Hamzeh 1
Zahra Bahmani 2
Mohammad Rostami 3
1 M.Sc., Biomedical Engineering Group, Department of Electrical and Computer Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Assistant Professor, Biomedical Engineering Group, Department of Electrical and Computer Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran / Assistant Professor, Cognitive Neuroscience Group, Interdisciplinary Science and Technology, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
3 Ph.D. Student, Telecommunication Group, Department of Electrical and Computer Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده English

Working memory (WM) is an important cognitive function. Since WM capacity is limited, extensive research has been executed to improve it. Previous studies demonstrated that applying transcranial direct current stimulation (tDCS) over the left dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) enhances visual WM.  Capacity enhancement of WM has a significant effect on the pilot's efficiency. However, little is known about the auditory-verbal WM of Pilots. Therefore, the aim of this study is to evaluate the effects of tDCS over the left DLPFC on the WM capacity augmentation of pilots. The auditory-verbal WM stimuli comprise characters that are random numbers and alphabet letters. The stimulus is presented through the pilot's headset, and he has been persuaded to memorize the auditory stimulus and repeat the memorized characters. The auditory task is a set of 30 voices and is designed in 6 stages. The task starts from the easiest stage (4 characters) and continues with 2 increments of characters per stage to the most difficult stage (14 characters). The experiment was conducted under three conditions: baseline, sham, and anodal-tDCS. Before running the task, 2mA electrical stimulation with a duration of 30 seconds for the sham and 10 minutes for the anodal-tDCS conditions, was applied over the left DLPFC region of pilots. The performance measure is the number of correct remembered characters by pilots. Statistical hypotheses showed significant effects of anodal-tDCS in comparison to baseline condition as follows: %6.41 WM enhancement by considering all stages; and also improved performance around %12.20 in stage 4, %9.00 in stage 5, and %10.44 in stage 6 which are the most difficult stages. As a result, we found that 2mA anodal-tDCS over the left DLPFC can modulate WM capacity. Therefore, the current study can be utilized to discover evidence of cognitive, behavioral, or neural mechanisms of WM and its application for human augmentation.

کلیدواژه‌ها English

Human Enhancement
Working Memory
Pilot
Auditory Task
Electrical Stimulation
Dorsolateral Prefrontal Cortex
  1. Wang, C., Guragain, B., Verma, A. K., Archer, L., Majumder, S., Mohamud, A., ... & Tavakolian, K. Spectral Analysis of EEG during Microsleep Events Annotated via Driver Monitoring System to Characterize Drowsiness. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 56(2), 1346-1356, (2019).
  2. Lee, D. H., Jeong, J. H., Kim, K., Yu, B. W., & Lee, S. W. Continuous EEG decoding of pilots’ mental states using multiple feature block-based convolutional neural network. IEEE Access, 8, 121929-121941, (2020).
  3. Han, S. Y., Kwak, N. S., Oh, T., & Lee, S. W. Classification of pilots’ mental states using a multimodal deep learning network. Biocybernetics and Biomedical Engineering, 40(1), 324-336, (2020).
  4. Zhu, R., Luo, Y., Wang, Z., & You, X. Modality effects in verbal working memory updating: Transcranial direct current stimulation over human inferior frontal gyrus and posterior parietal cortex. Brain and Cognition, 145, 105630, (2020).
  5. Cinel, C., Valeriani, D., & Poli, R. Neurotechnologies for human cognitive augmentation: current state of the art and future prospects. Frontiers in human neuroscience, 13, 13, (2019).
  6. Müller, D., Habe, U., Brodkin, E. S., & Weidler, C. High-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS) for the enhancement of working memory–A systematic review and meta-analysis of healthy adults. Brain stimulation, 15, 1475, (2022).
  7. Pegher, V., Au, J., Shalchy, M. A., Santarecchi, E., Seitz, A., Jaeggi, S. M., & Battelli, L. The benefits of simultaneous tDCS and working memory training on transfer outcomes: A systematic review and meta-analysis. Brain Stimulation, 15, 1541, (2022).
  8. Hill, A. T., Rogasch, N. C., Fitzgerald, P. B., & Hoy, K. E. Effects of single versus dual-site High-Definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS) on cortical reactivity and working memory performance in healthy subjects. Brain stimulation, 11(5), 1033-1043, (2018).
  9. Jones, K. T., Peterson, D. J., Blacker, K. J., & Berryhill, M. E. Frontoparietal neurostimulation modulates working memory training benefits and oscillatory synchronization. Brain research, 1667, 28-40, (2017).
  10. Karthikeyan, R., Smoot, M. R., & Mehta, R. K. Anodal tDCS augments and preserves working memory beyond time-on-task deficits. Scientific Reports, 11(1), 1-11, (2021).
  11. Karthikeyan, R., Smoot, M. R., & Mehta, R. K. Anodal tDCS augments and preserves working memory beyond time-on-task deficits. Scientific Reports, 11(1), 1-11, (2021).
  12. Moezzi, S., Ghoshuni, M., & Amiri, M. Transcranial direct current stimulation (tDCS) effects on attention enhancement: A preliminary event related potential (ERP) study. Current Psychology, 1-7, (2021).
  13. Hill, A. T., Rogasch, N. C., Fitzgerald, P. B., & Hoy, K. E. Effects of prefrontal bipolar and high-definition transcranial direct current stimulation on cortical reactivity and working memory in healthy adults. Neuroimage, 152, 142-157, (2017).
  14. Nikolin, S., Lauf, S., Loo, C. K., & Martin, D. Effects of high-definition transcranial direct current stimulation (HD-tDCS) of the intraparietal sulcus and dorsolateral prefrontal cortex on working memory and divided attention. Frontiers in integrative neuroscience, 12, 64, (2019).
  15. Naka, M., Matsuzawa, D., Ishii, D., Hamada, H., Uchida, T., Sugita, K., ... & Shimizu, E. Differential effects of high-definition transcranial direct current stimulation on verbal working memory performance according to sensory modality. Neuroscience letters, 687, 131-136, (2018).
  16. Moossavi, A., Mehrkian, S., Najafi, S., & Bakhshi, E. The effectiveness of the combined transcranial direct current stimulation (tDCS) and tailor-made notched music training (TMNMT) on psychoacoustic, psychometric, and cognitive indices of tinnitus patients. American Journal of Otolaryngology, 43(1), 103274, (2022).
  17. Balduin-Philipps, L. S., Weiss, S., & Mueller, H. Supporting auditory word recognition with transcranial direct current stimulation: effects in elderly individuals with and without objective memory complaints. Aging, Neuropsychology, and Cognition, 29(2), 237-259, (2022).
  18. Mark, J. A., Ayaz, H., & Callan, D. E. Simultaneous fMRI and tDCS for Enhancing Training of Flight Tasks. Brain Sciences, 13(7), 1024, (2023).
  19. Nguyen, D. T., & Kaneshiro, B. AudExpCreator: A GUI-based Matlab tool for designing and creating auditory experiments with the Psychophysics Toolbox. SoftwareX, 7, 328-334, (2018).
  20. Faul, F., Erdfelder, E., Buchner, A., & Lang, A. G. (2009). Statistical power analyses using G*Power 3.1: Tests for correlation and regression analyses. Behavior research methods, 41(4), 1149-1160.
نشریه علمی مهندسی پزشکی زیستی
دوره 17، شماره 1
بهار 1402
صفحه 71-81

  • تاریخ دریافت 08 مرداد 1402
  • تاریخ بازنگری 07 مهر 1402
  • تاریخ پذیرش 19 مهر 1402

صفحه اصلی

تماس با ما