הערכת העומס הקוגניטיבי באמצעות פוטופלסמיטוגרפיה ותגובות ביואימפדנציה במהלך משימות חישוביות

מדוע עומס העבודה של המוח חשוף

בין אם אתם טסים במטוס, עוקבים אחרי מטופלים או לומדים למבחן, יש רגעים שבהם המוח עובר מעבודה ממוקדת לעומס יתר. היכולת למדוד את עליית המתח המנטלי בזמן אמת יכולה לסייע במניעת טעויות, שחיקה ותאונות. המחקר הזה בוחן שיטה חדשה לא פולשנית למעקב אחר "כמה קשה המוח עובד" באמצעות חיישנים קטנים על הצוואר והמצח, ללא צורך בכובעי מוח מגושמים או בציוד רפואי מורכב.

להקשיב לדופק המחשבה

במקום להקליט גלי מוח, החוקרים הסתמכו על הקשר הצמוד בין המוח ללב. כשאנו מבצעים משימה תובענית, המערכת העצבית משנה את פעילותה: הלב פועם באופן שונה, כלי הדם מתכווצים או נרפים, וזרימת הדם לאזורי מוח מרכזיים משתנה. הצוות השתמש בשתי טכניקות פשוטות לחישה של שינויים אלה. חיישן מבוסס אור בצוואר (פוטופלסמיטוגרפיה, PPG) עקב אחרי כמות הדם שדופקת בעורק ראשי המספק דם למוח. במקביל, מערך אלקטרודות זעירות על המצח (אימפדנציה פלזמיטוגרפית, IPG) זיהה שינויים עדינים בנפח הדם המקומי בקדמת המוח, שם אנו מתכננים, מחשבים ומקבלים החלטות. יחד, אותות אלה סיפקו חלון להזנה הדמיתית הגלובלית והמקומית בעת מאמץ מנטלי.

להעמיס על המוח עם מספרים

כדי לעמיס על המוח בצורה מבוקרת, חמישה-עשר מתנדבים בריאים בני 20–35 פתרו סדרות של תרגילי חישוב מנטליים במחשב. המשימות סודרו לארבעה שלבים: קו בסיס רגוע, אחריו חיבור קל של ספרה אחת, אז חיבור של שתי ספרות, ולבסוף סכומים תלת-ספרתיים קשים שדרשו יותר זיכרון וחישוב עם נשיאה. כל ניסוי קצר התחיל בהוראות על המסך, נמשך בחמישה בעיות וסיים במנוחה קצרה כאשר המסך הציג צלב קיבוע. לאורך כל הניסויים החיישנים בצוואר ובמצח זרמו נתונים בזמן אמת, והמחשב תיעד כמה מהר וכמה מדויק כל משתתף ענה. כפי שנצפה, בעיות קשות יותר הובילו לתגובות איטיות יותר וליותר טעויות, במיוחד ברמה הקשה ביותר, מה שאישור שהמשימות אכן הגבירו את העומס הקוגניטיבי.

לפענח דפוסים נסתרים באותות הדם

גלי הגלם משני החיישנים נחצו לחלונות זמן קצרים ונוקו בעזרת מסננים דיגיטליים להסרת דריפטים איטיים ורעשים בתדר גבוה. מכל חלון חילצו החוקרים עשרות תיאורים פשוטים: ערכי מקסימום ומינימום, ממוצעים, מידת השונות של האות ואיך האנרגיה שלו מתפזרת בתדרים שונים. הם מדדו גם את הזמנים בין פעימות הלב ואת ההשהיה בין דופק הצוואר לדופק המצח, מידה המכונה זמן מעבר הדופק. התכונות המספריות האלה הוזנו לשלושה אלגוריתמי למידת מכונה זמינים: עצי החלטה, יער אקראי (Random Forest) ו-XGBoost, כדי לבדוק האם מחשב יכול ללמוד להבחין בין רמות עומס מנטלי רק מתוך דפוסי המערכת הקרדיווסקולרית.

כמה טוב מחשב קורא את המתח המנטלי?

כאשר לכל משתתף הותאם מודל מותאם אישית, המערכת היתה מדויקת להפליא. עבור המשימה הפשוטה של הבחנה בין "רגוע" ל"עושה חישוב", שלושת האלגוריתמים הגיעו לדיוק של 100 אחוז. גם עבור המטלה המורכבת יותר של ארבע רמות—רוגע, קל, בינוני וקשה—השיטה הטובה ביותר, Random Forest, זיהתה נכון את הרמה ב-96 אחוז מהמקרים. עם זאת, הביצועים ירדו כאשר המערכת ניסתה להכליל מאנשים אחד לשני, והדיוק צנח לכדי כשלישיים. זה מרמז כי קיימים הבדלים חזקים בין אנשים בתגובת הבסיס של הלב וזרימת הדם, וכי מכשירים פרקטיים עשויים להזדקק לכיוונון אישי קצר כדי לעבוד באופן אמין לכל משתמש.

מה האותות החשובים ביותר מספרים לנו

בבדיקה אילו תכונות האלגוריתמים השתמשו בהן יותר, נמצא כי מדידות IPG מהמצח הכילו את רוב המידע השימושי. בפרט, הממוצעים וערכי הקצה של אות המצח דורגו בעקביות כחשובים ביותר, לפני תכונות ה-PPG בצוואר ומדד התזמון המשולב. זאת עולה בקנה אחד עם ההבנה הנוכחית של קישוריות דם–מוח: כאשר אנו מבצעים עבודה מנטלית קשה, קדמת המוח דורשת יותר "דלק" ונפח הדם המקומי משתנה בהתאם. חיישן הצוואר הוסיף ערך על ידי השתקפות עוררות קרדיווסקולרית כללית, אך קריאות מקומיות מהמצח סיפקו את הרמזים החדים ביותר לגבי הדרישה המנטלית ברגע נתון.

מחיישנים במעבדה אל מקומות עבודה חכמים ובטוחים יותר

להבנה רחבה יותר, המסר המרכזי הוא שמאמץ מנטלי משאיר טביעת אצבע ברורה באופן זרימת הדם אל תוך המוח ובתוכו, וטביעת אצבע זו ניתנת ללכידה באמצעות חיישנים קטנים לבישים במקום ציוד סריקה מוחי מסובך. המחקר מראה ששילוב חיישן אור על הצוואר עם אלקטרודות פשוטות על המצח מאפשר לאלגוריתמים לעקוב אחר רמות שונות של עומס קוגניטיבי בדיוק השווה לרבים מהמערכות המבוססות EEG, לפחות כאשר הם מותאמים לאדם. עם שיפור הנוחות והדיוק, טכנולוגיה כזו עשויה יום אחד לסייע בתאונות תעופה, ברכבים, בכיתות ובחדרי בקרה על ידי התאמת משימות והתראות באופן אוטומטי, והורדת העומס לפני שהמפעל האנושי יגיע לעומס מסוכן.

ציטוט: Huynh, D.N., Tran, T.N., Tran, K.T. et al. Assessment of cognitive load through photoplethysmography and bioimpedance responses during mental arithmetic tasks. Sci Rep 16, 7367 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38782-3

מילות מפתח: עומס קוגניטיבי, חישוב מנטלי, חיישנים לבישים, אינטראקציה מוח–לב, למידת מכונה