Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

تحلیل آشوبی تولید اعداد تصادفی انسانی: رویکردی نوین برای شناسایی تفاوت‌های شناختی وابسته به سن

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی پزشکی، موسسه آموزش عالی خاوران، مشهد، ایران

2 گروه مهندسی پزشکی، دانشگاه شاهد ، تهران، ایران

3 گروه روانپزشکی، دانشگاه علوم پزشکی تهران ، تهران، ایران

10.22041/ijbme.2026.2088472.2029
چکیده
تولید اعداد تصادفی انسانی چندین مؤلفه کارکردهای اجرایی شامل حافظه کاری، بازداری پاسخ و انعطاف‌پذیری شناختی را درگیر می‌سازد. توالی‌های عددی تولیدشده توسط انسان را می‌توان به‌مثابه سیگنال‌های زیستی-شناختی با ماهیت آشوب‌گونه در نظر گرفت. فرضیه کاهش پیچیدگی مطرح می‌سازد که سالمندی با کاهش پیچیدگی دینامیکی سیستم‌های شناختی همراه است. هدف پژوهش حاضر، کمّی‌سازی این تغییرات دینامیکی در دو گروه سنی جوان و سالمند سالم با بهره‌گیری از تحلیل های آشوبی بود.

در این مطالعه ۳۰ شرکت‌کننده سالم شامل ۱۵ فرد جوان و ۱۵ فرد سالمند انتخاب شدند. هر شرکت‌کننده به تولید متوالی ۲۰۰ عدد تصادفی (از ۱ تا ۹) پرداخت. سری‌های زمانی حاصل با روش بازسازی فضای فاز تحلیل شدند. شاخص‌ هایی در حوزه نمودار بازگشتی و فرکتالی استخراج گردید. طبقه‌بندی گروه‌ها با ماشین بردار پشتیبان انجام شد.

گروه سالمند در مقایسه با گروه جوان، مقادیر معناداری بالاتر در شاخص‌های قطعیت ، میانگین طول خطوط قطری و لمیناریتی نشان داد که حاکی از افزایش الگوهای تکراری و کاهش تنوع رفتاری است. بعد همبستگی و نمای لیاپانوف در گروه سالمند به‌طور معناداری کمتر بود که نشان‌دهنده کاهش پیچیدگی دینامیکی و حساسیت کمتر به شرایط اولیه است. نمای هرست درگروه سالمند بالاتر بود که بیانگر افزایش همبستگی بلندمدت و کاهش تصادفی‌بودن است. صحت طبقه‌بندی دو گروه برابر 91.3 درصد به دست آمد.

یافته‌های این پژوهش شواهد کمّی جدیدی در تأیید فرضیه کاهش پیچیدگی سیستم‌های شناختی در سالمندی ارائه می‌دهد. با توجه به سادگی اجرا و هزینه پایین ، این رویکرد پتانسیل قابل توجهی برای توسعه ابزارهای غربالگری شناختی در سالمندان دارد.





یافته‌های این پژوهش شواهد کمّی جدیدی در تأیید فرضیه کاهش پیچیدگی سیستم‌های شناختی در سالمندی ارائه می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Chaotic Analysis of Human Random Number Generation: A Novel Approach for Identifying Age-Related Cognitive Differences

نویسندگان English

Ali Esmaili Jami 1
Mohammad Mikaeili 2
Maryam Noroozian 3
Elias Mazrooei rad 1
1 Department of Biomedical Engineering, Khavaran Institute of Higher Education, Mashhad, Iran
2 Department of Biomedical Engineering, Shahed University, Tehran, Iran
3 Department of Psychiatry, Tehran University of Medical Sciences, Tehran, Iran
چکیده English

Human Random Number Generation (RNG) engages several components of executive functions, including working memory, response inhibition, and cognitive flexibility. Human-generated numerical sequences can be conceptualized as bio cognitive signals with chaotic properties. The complexity reduction hypothesis suggests that aging is associated with a decline in the dynamical complexity of cognitive systems. The present study aimed to quantify these dynamical changes in healthy young and older adults using nonlinear dynamical analyses.

Thirty healthy participants, including 15 young adults and 15 older adults, were recruited. Each participant performed a Random Number Generation task producing a sequence of 200 numbers (1–9). The resulting time series were analyzed using phase space reconstruction. Measures from Recurrence Quantification Analysis (RQA) and fractal analysis were extracted. Group classification was performed using a Support Vector Machine (SVM).

Compared with the young group, the older group showed significantly higher values of Determinism (DET), Mean Diagonal Line Length (L), and Laminarity (LAM), indicating increased repetitive patterns and reduced behavioral variability. The correlation dimension and Lyapunov exponent were significantly lower in the older group, suggesting reduced dynamical complexity and lower sensitivity to initial conditions. The Hurst exponent was higher in the older group, reflecting stronger long range correlations and decreased randomness. The classification accuracy between the two groups reached 91.3%.

These findings provide quantitative evidence supporting the complexity reduction hypothesis in cognitive aging. Given its simplicity and low cost, this approach may offer a promising basis for developing cognitive screening tools for older adults.

کلیدواژه‌ها English

Human random number generation
chaotic analysis
recurrence plots
fractal dimensions
cognitive aging

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 08 مرداد 1405

  • تاریخ دریافت 22 اردیبهشت 1405
  • تاریخ بازنگری 02 مرداد 1405
  • تاریخ پذیرش 07 مرداد 1405