Imaginile utilizate au fost descărcate de pe diverse site-uri și validate de un expert din punctul de vedere al conținutului, gradului de dificultate și potențialei utilităţi în cadrul studiului.
Imaginile au fost standardizate (înălţime 1200 pixeli) și plasate într-un şir de 100 de fotografii, între care s-au intercalat aleator 10 imagini albe, cu scopul de a simula discontinuităţi ale fluxului. Am utilizat programul Ogama, cu ajutorul căruia am realizat la nivelul fiecărei fotografii 3 zone țintă (regiuni de interes), a căror suprafaţă individuală nu trebuia să depășească 10% din totalul suprafeţei fotografiei. Aceste regiuni de interes corespund unor detalii critice sau importante, pe care un examinator nu trebuie să le rateze. Succesiunea în care aceste regiuni au fost parcurse reprezintă un alt aspect de interes și semnalizează gradul de înțelegere situaţională rapidă a subiectului.
Durata de expunere a fiecărei imagini a fost de 7 secunde, interval utilizat în psihologie și în mediul militar ca reprezentând timpul maxim de identificare a unei ţinte vizuale de interes profesional în condiţii operative. Subiecții au indicat în mod obiectiv zonele țintă atât verbal, cât și cu ajutorul mouse-ului.
Programul de optimizare și neuroaugmentare a durat 3 luni (12 săptămâni) și a avut patru dimensiuni – consiliere, farmacologie (4 săptămâni), neurofeedback (8 săptămâni), antrenament vizual (2 săptămâni). A fost realizat pe baza studierii literaturii de specialitate, a accesului la unele investigaţii, a lipsei de efecte secundare și sinergiei dintre componente.
Selectarea participanţilor. Lotul de studiu a fost format din 20 subiecți (16 bărbaţi și 4 femei), cu vârsta medie 27,9 ani, cu mâna dreaptă dominantă, vorbitori nativi de limba română și vorbitori în mod fluent de limba engleză.
Toți subiecții au studii universitare și post-universitare, sunt voluntari și nu au fost recompensați financiar pentru participare. În schimb, subiecților care au parcurs întregul program de cercetare le-au fost prezentate rezultatele obținute. Subiecții și-au oferit consimțământul în scris de a lua parte la studiu după ce au fost informați în detaliu cu privire la natura experimentului și au îndeplinit condițiile care să permită validarea cercetării.
Testările s-au desfăşurat în intervalul orar 09-17.00. Nu au fost efectuate testări în timpul nopţii sau în condiții particulare (deprivare de somn, după programul de muncă, consum de băuturi alcoolice, asociere cu analeptice, după efort fizic etc.).
Aparatul de eye tracking a fost recalibrat de către fiecare participant la începerea sesiunilor. Distanţa faţă de ecran, ecranul (dimensiuni, setările de afişare a imaginii, frecvenţa de reîmprospătare etc.) și poziţia (pe scaun) au fost identice pentru toţi subiecții.
Rezultate și discuţii. Identificarea tiparelor de activare cerebrală s-a realizat cu ajutorul platformelor online Neurosynth și Brainspell. Generarea ariilor activate cel mai probabil activate se realizează automat, pe baza unui protocol standardizat, pornind de la o serie de iteraţii introduse de utilizator, și a unui număr mare de studii de rezonanţă magnetică funcționale selectate în funcție de criteriile de interes.
Performanţa vizuală individuală în cazul identificării ţintelor vizuale (ROI – regiuni de interes) a fost calculată inițial utilizând teoria detecţiei semnalelor (Green și Swets 1966), utilizând formula d´ = z (H) – z (FA), unde z este transformanta z[1], H reprezintă numărul de încercări reușite, iar FA este rata de alarme false (erori fals pozitive). Prin încercări reușite se înţelege identificarea corectă a ROI cu elemente de interes (pericol) și evitarea ROI cu elemente înşelătoare (ţinte false). Rata de alarme false reprezintă suma dintre identificările eronate și ţintele vizuale reale (care desemnau un risc) ratate.
Datele obținute în cursul experimentelor au fost procesate cu ajutorul programului Matlab pentru a calcula procentul de răspunsuri corecte pentru fiecare imagine și fiecare participant și procentajul din numărul total de fixaţii situat în interiorul ROI pentru fiecare imagine. După procesarea tuturor datelor în mod nediscriminativ s-a realizat separarea pe subiecți și încercări în lotul inițial (neaugmentat) și lotul final (după parcurgerea programului de optimizare cognitivă) și s-a realizat ierarhizarea în funcție de performanţă.
În această etapă am presupus că există o corelație pozitivă între numărul de imagini evaluate pozitiv și procentajul de fixaţii situate în interiorul ROI. Astfel, am considerat că subiecţii cu o rată de performanţă crescută vor avea și un procent ridicat de fixaţii în zonele de interes în raport cu participanţii cu rezultate mai scăzute. Aceste aspecte sunt caracteristice strategiilor de căutare vizuală orientate, adoptate de profesioniști și asociate cu un grad ridicat de performanţă.
În cercetarea noastră am descoperit o corelație semnificativă între răspunsurile corecte și procentul de fixaţii din zonele de interes (ROI), însă nu am identificat o asociere semnificativ statistică dintre procentul de fixaţii în ROI și numărul de identificări reușite.
Această evaluare a demostrat impactul pozitiv care poate fi atribuit programului de optimizare asupra performanțelor de identificare a ţintelor vizuale. Subiecții au alocat mai multe resurse vizuale și mai multe fixaţii elementelor de interes în timp ce au reușit să ignore informația vizuală fără interes operativ. Trebuie menționat că deși corelația dintre procentul de fixaţii în ROI și identificarea corectă a fost pozitivă, însă nesemnificativă, acest indicator continuă să fie relevant. În unele situații obținerea unei viziuni generale despre obiectiv a necesitat evaluarea (baleierea) întregii imagini și apoi realizarea unei reconstrucţii tridimensionale mentale, unele imagini au fost complexe, cu multe elemente, iar unele imagini au conținut reprezentări susceptibile să determine o reacție emoțională mai intensă.
Cea de-a doua metodă de evaluare a performanței angajamentului vizual a presupus analiza traseelor vizuale din fiecare imagine și pentru fiecare subiect sub forma unui graf orientat evaluat cu ajutorul unui program de analiză a rețelei. Pentru fiecare imagine au fost evaluate: numărul de noduri, densitatea rețelei, distanţa medie, gradul de fragmentare.
Scopul evaluării morfologiei traseului vizual utilizând analiza de rețea este de a detecta modificări de tip cantitativ care reflectă performanțele subiectului, în special în cazurile în care au fost înregistrate îmbunătățiri. Analiza de rețea are avantajul că este ușor de realizat, este scalabilă și poate fi aplicată la scară largă.
În cazul cercetării noastre, am observat o modificare a numărului mediu de fixaţii între cele două evaluări, de la 22,561 fixaţii/imagine inițial la 19,847 fixaţii/imagine la evaluarea finală. Evaluarea în cazul fiecărui subiect a evidențiat această tendință de scădere a numărului de fixaţii/imagine în contextul ameliorării performanțelor. Sensibilitatea indicatorului creşte dacă se compară numărul de fixaţii din interiorul ROI în cele două evaluări. Astfel, dacă inițial media de fixaţii/ROI individual a fost 6,145 și fixaţii/ROI total (totalitatea ariilor de interes din cadrul unei imagini) a avut valoarea 11,517, în cursul evaluării finale valorile au fost 9,217 și 15,266. Această creștere obiectivează cel mai bine faptul că subiecții au alocat mai multe resurse de atenție vizuală pentru a observa zonele de interes la a doua evaluare, după parcurgerea programului de optimizare.
Am utilizat variațiile densităţii rețelei[2] și ale gradului de fragmentare ale traseelor vizuale, în raport cu performanțele obținute cu ocazia celor două evaluări, pentru a caracteriza modificările de tipar vizual. De exemplu, valoarea mediei densităţii rețelei a variat de la 0,4356 (inițial) la 0,584 (final), aspect descriptiv caracteristic pentru conversia de la un tipar de privire generalist (o dispersie relativ omogenă a traseului vizual la nivelul imaginilor) către unul focusat, cu o densitate crescută la nivelul zonelor considerate relevante și de interes în contextul experimentului.
Un alt aspect de interes este fractalitatea tiparului de căutare vizuală, altfel spus strategia de căutare în interiorul regiunilor de interes este similară, însă la scară redusă, cu modul de căutare general. Acest tip de uniformizare a căutării vizuale a fost asociat în cercetarea noastră cu predominanţa undelor alfa și teta și rezultate bune, subliniind impactul multiplu al programului de optimizare. Această caracteristică poate fi utilizată atât în scop biometric, cât și în cursul proceselor de evaluare/selecție și antrenament. Considerăm că aspectele de fractalitate necesită aprofundate și corelate cu studiile de electroencefalografie.
O altă particularitate observată a fost creșterea semnificativă (de la 32% inițial la 55% în testul final) a identificării ţintelor secundare și (de la 18% inițial la 36% în testul final) tertiare situate în aceeași imagine. În prima evaluare un efect persistent a fost distragerea atenției către o țintă majoră simplă (ex. imaginea unui pistol) fără a observa ţinte secundare la fel de relevante din perspectiva riscului de securitate (ex. cartuşe, sticlă cu apă, arme albe). Deși tendința s-a păstrat și în cadrul testului final, totuși s-a evidențiat o diminuare a efectului, care s-a asociat cu modificarea tiparelor de căutare vizuală și creșterea puterii spectrale absolute pentru unde alfa și teta în paralel cu o relativă diminuare a puterii spectrale pentru unde beta. Efectul este comun în cursul formării operatorilor de securitate și dispare pe măsura atingerii unui nivel satisfăcător de pregătire.
Un aspect relevant pentru obiectivele cercetării a fost observarea unui efect de memorie rezultat în urma procesului de optimizare, caracterizat prin faptul că în lipsa unei ţinte vizuale de interes subiecții au abordat un tipar de căutare preponderent focusat și utilizând un număr mai redus de fixaţii. Însușirea unei strategii de angajament vizual mai eficiente, în contextul lipsei aparente de elemente de interes, creşte probabilitatea identificării unor potențiale ţinte sau scade timpul general de evaluare a imaginii.
O altă observaţie care a rezultat din evaluarea sesiunilor de eye tracking în cazul subiecților este faptul că tiparul de angajare vizuală în condiții prestabilite implică în majoritatea cazurilor strategii de căutare foarte stabile la nivel de individ. Această predictibilitate, care în unele cazuri a fost observată în cursul cercetării chiar și empiric, reprezintă un potențial indicator biometric care poate fi utilizat în practică. Există o serie de cercetări comerciale care doresc să utilizeze stabilitatea comportamentului vizual în domeniul cinematografic sau în realizarea interfețelor creier-computer cu comandă vizuală.
Totuși, compararea empirică și analitică a strategiilor de căutare vizuală între participanţi a relevat diferențe majore, în special în cazul experimentului inițial. O variabilitate crescută a existat și în cazul modificărilor de comportament vizual după optimizare, însă în acest caz sunt implicate mai multe variabile, inclusiv unele ignorate în evaluarea noastră (interesul unor subiecți manifestat prin ședințe de pregătire cu imagini similare sau studierea tehnicilor de identificare a anomaliilor vizuale). Considerăm că acest aspect trebuie reţinut și din perspectiva recunoașterii indicatorilor care pot servi la identificarea rapidă a subiecților cu potențial crescut de îmbunătățire prin intermediul unui program de optimizare neurovizuală.
Fuziunea rezultatelor și interpretarea informației obținute din mai multe canale biologice reprezintă un proces complex, dar care ne-a permis monitorizarea în detaliu a statusului neurofiziologic și a performanțelor subiecților în timpul experimentelor.
Evaluarea electroencefalografică a fost cea mai dificilă, din cauza polimorfismului individual și a unei inconsecvențe semnificative a traseelor EEG în primele 5-10 minute ale experimentului. Acest aspect a introdus o necunoscută nouă – variabilitatea performanțelor neurovizuale pe o perioadă îndelungată de timp, de exemplu în timpul unei ture de lucru. O diferenţă importantă a fost observată și în cazul înregistrărilor EEG dintre bărbaţi și femei, între fumători și nefumători (activare colinergică?) și consumatorii cronici de cofeină vs neconsumatori, deși numărul redus de subiecți nu permite extrapolarea acestor observații. Modificările de morfologie EEG au fost nesemnificative în raport cu vârsta.
Analiza LORETA și de putere spectrală efectuată pe intervale de 42 de secunde de traseu electroencefalografic (corespunzătoare vizualizării a șase imagini succesive) a relevat în toate cazurile o activare frontală și occipitală stabilă și robustă. Distribuția spațială a puterii spectrale absolute de-a lungul axei antero-posterioare a fost studiată în ambele grupuri (ţintă și control). Puterea spectrală absolută pentru undele alfa a fost mai redusă pentru majoritatea electrozilor pentru grupul de studiu, cu diferenţe semnificativ statistice la nivelul regiunilor occipitale (O1, O2) şi occipito-temporale (O1, O2, T7, T8). Având în vedere că în general ritmul alfa este asociat cu o scădere a gradului de procesare a informației, o posibilă interpretare în cazul experimentului final este că travaliul cognitiv a fost mai redus, în contextul creșterii performanței la teste, aspect care validează indirect ipoteza de cercetare.
Puterea spectrală absolută pentru undele beta a fost mai redusă statistic la nivelul regiunilor occipitale (O1, O2) pentru grupul de studiu, comparativ cu grupul de control. În evaluările inițiale, în special în cazul lotului de control, s-au înregistrat valori mai mari ale puterii spectrale absolute delta la nivelul regiunilor frontale (F1, F2) şi occipitale (O1). Diferențele statistice ale puterii spectrale absolute teta între cele două grupuri au fost irelevante statistic, deși o creștere relativă a puterii spectrale teta a fost asociată cu o performanţă superioară în lotul de control la evaluarea finală.
Am identificat și o corelație semnificativă statistic între modificările electroencefalografice în special în zona frontală (în mod deosebit asimetria în banda alfa interemisferică) și modificările expresiilor faciale evaluate prin intermediul platformei CoolTool. Astfel, există o corelație directă între gradul de asimetrie alfa interemisferic și variabilitatea expresiilor faciale, mai evidentă în special în cazul subiecților cu performanțe scăzute. O interpretare a fenomenului este că ambii indicatori sunt relevanţi pentru o concentrare scăzută și un grad mai mare de distragere a atenției.
O altă observaţie în cadrul studiului fost creșterea persistentă a puterii spectrale alfa la nivelul regiunii occipitele (O1, O2) în cazul subiecților cu deficite de vedere corectate, în ambele grupuri de cercetare, atât în testul inițial, cât și în cel final. Aparent, în cursul efectuării unor proceduri mai complexe, competitive și în timp limitat, travaliul zonelor de asociere vizuală situate la nivel occipital este mai crescut la persoanele cu deficite de vedere uzuale, chiar dacă sunt corectate. Acest aspect, pe care l-am regăsit ulterior descris și în alte studii similare, atestă faptul că electroencefalografia poate fi utilizată pentru stratificarea cu precizie a candidaților militari pentru profesii care necesită performanțe neurovizuale superioare.
Observațiile realizate utilizând o cască EEG cu performanțe mai degrabă modeste după standardele medicale, în contextul unui studiu cu număr limitat de subiecți, confirmă totuşi abordarea utilizată în cazul evaluării neuroelectrice și reprezintă fundamentul pentru continuarea și perfecționarea cercetării utilizând o cască mobilă cu 64 de electrozi.
Diferențe semnificative au fost observate și în cazul răspunsului galvanic al pielii, atât între subiecți, cât și între sesiuni. O explicaţie este numărul crescut de factori care pot interfera cu precizia măsurătorilor – atingerea unor suprafeţe metalice electrizate, încărcarea electrostatică datorată hainelor, efectul produs de unele produse dermatocosmetice, statusul emoțional fără legătură cu experimentul etc. Cu toate acestea, înregistrările GRS au demonstrat că pot fi utilizate pentru identificarea unor emoții bruşte, neașteptate, asociate fie unei descoperiri în contextul cercetării, fie externe (distragerea atenției).
Prelucrarea mai detaliată a semnalelor, prin filtrare și segmentare cu ajutorul programului Matlab, a permis separarea componentei fazice a activității electrodermale de cea tonică, și apoi o filtrare suplimentară pentru îndepărtarea artefactelor (ex. valurile Ebbecke). În cazul unui individ, am observat că înregistrările GSR multiple, în condiții similare, pot fi utilizate pentru a atenua statistic diferențele, rezultând astfel un tipar mai predictibil. Chiar dacă acest tip de evaluare calitativă a fost realizat pentru doi subiecți, totuși considerăm că reprezintă o ipoteză viabilă de cercetare, inclusiv în domeniul biometriei.
Un alt tip de modificări ale răspunsului galvanic al pielii pot fi observate în cazul oboselii, după o activitate îndelungată. Am măsurat în cursul evaluărilor de cercetare profilul GSR al candidaților inițial și la sfârșitul sesiunii (o diferenţă de minimum 5 ore) și am observat o diminuare a reactivității GSR la stimuli emoționali, precum și o sensibilitate redusă sau chiar absentă la descoperierea unor noi ţinte vizuale.
Avansăm ipoteza că un sistem GSR multicanal poate fi utilizat drept sursă secundară pentru evaluarea capacității de concentrare, în asociere cu monitorizarea pulsului periferic sau electroencefalografia unicanal. Aceste dispozitive sunt deja comercializate sub forma unor brăţări inteligente care prezintă aplicații informatice dedicate de transmitere a datelor, prelucrare și generare de indicatori.
Ca o concluzie a experimentului nostru, am constatat o îmbunătățire semnificativă a performanțelor vizuale, caracterizate de eficientizarea capacității de identificare a ţintelor vizuale specifice și evitare a erorilor. Deși amploarea studiului nostru este una redusă și nu permite realizarea unei analize statistice detaliate, putem afirma că am observat o îmbunătățire medie a eficienţei vizuale cu circa 30-50% în raport cu prima evaluare. Performanţa maximală a fost obținută de un subiect feminin care a prezentat o îmbunătățire de aproape 100%, deși în acest caz pot fi invocate mai multe variabile care nu au fost monitorizate în studiu.
Considerăm că un beneficiu deosebit îl reprezintă identificarea unor indicatori cantitativi și calitativi rezultați din analiza datelor obținute prin monitorizarea mai multor canale biologice. Descoperirea unor asocieri între indicatori proveniți din surse biologice diferite (activitatea electroencefalografică și evaluarea reacțiilor emoționale faciale sau monitorizarea activității vizuale prin eye-tracking și răspunsul galvanic al pielii) care pot fi utilizați pentru evaluarea cu precizie a unor aspecte descriptive ale performanțelor neurovizuale necesită o dezvoltare viitoare în cadrul unui studiu mai amplu.
Principalele limite ale cercetării. Încă din etapa de proiect ne-am propus ca experimentul să reprezinte o echivalenţă a activitățiiprofesionale a ofițerilor de securitate aeroportuari, nu un substitut. Ne asumăm această limitare, care nu afectează validitatea rezultatelor, însă evită devoalarea unor metodologii și practici profesionale.
O altă limitare importantă este reprezentată de numărul redus de participanţi și imposibilitatea realizării unei analize comparative statistice. Am considerat studiul nostru ca fiind o cercetare-pilot care să faciliteze elaborarea unui proiect de cercetare mai extins, realizat în parteneriat cu o instituţie militară. Imposibilitatea uniformizării celor două loturi (vârstă, gen, corecţie a vederii etc.) se datorează tot bazinului redus de participanţi.
Un alt aspect a fost imposibilitatea asigurării controlului asupra îndeplinirii cu exactitate a protocolului de neuroptimizare de către participanţi. Având în vedere calitatea de voluntari, faptul că şi-au procurat medicația necesară și şi-au autoadministrat protocolul, posibilitățile de supraveghere din partea examinatorului au fost reduse. Cu toate acestea, având în vedere selecția candidaților pe baza interesului manifestat, a motivației și seriozităţii, considerăm că nu au existat abateri semnificative de la protocol.
După cum am mai menționat, evaluările și testările nu s-au putut desfăşura sincron, din cauza lipsei de disponibilitate a participanţilor și numărului redus de investigatori. Această variabilă poate fi responsabilă de unele variații ale măsurătorilor, însă nu modifică validitatea experimentului și nici rezultatele finale.
O serie de alte limitări sunt inerente și sunt comune cu alte cercetări medicale sau ergonomice: limite de măsură ale instrumentelor utilizate, erori temporale de mică amplitudine (de exemplu, la sincronizarea semnalelor biologice achiziționate din mai multe canale, cu instrumente de măsură bazate pe principii fizice diferite, cu softuri individualizate de procesare a datelor etc.), artefacte de măsurare, potențiale interferenţe ca urmare a modificării locaţiilor în care s-au desfăşurat experimentele etc.
Considerăm că prin atenția acordată identificării și corectării erorilor și în special a efectului de propagare a erorilor („junk in, junk out”), corectării încrucișate a rezultatelor și acceptării de expertiză din mai multe surse independente, limitele expuse nu modifică nici validitatea cercetării și nici rezultatele finale.
Având în vedere experiența dobândită în cursul acestei cercetări, precum și limitele sale, am realizat o serie de recomandări privind domeniul de cercetare, aplicabile într-un proiect de anvergură:
- – calibrarea frecventă a instrumentelor de măsură;
- – identificarea surselor de eroare instrumentală, cauzate de mediul de lucru, de protocol și, mai ales, de erorile de natură umană;
- informarea detaliată a subiecților este esențială pentru obținerea unei aderenţe la proiect și cooperare;
- – îmbunătățirea metodologiei de cercetare în sensul orientării către necesitățile ofițerului de securitate;
- – evaluarea impactul managementului instituțiilor militare asupra performanței individuale, în cazul aplicării unui program de optimizare și augmentare cognitivă;
- – protejarea datelor şi a drepturilor de proprietate intelectuală.
Interesele autorului şi declinarea responsabilităţii. Menţionarea pe parcursul lucrării a diverselor instrumente şi dispozitive de măsură, aplicaţii informatice, substanţe medicamentoase etc. a fost realizată cu scop informativ, fără scop publicistic sau comercial.
Autorul declară că nu a avut niciun fel de interes nedeclarat în realizarea cercetării.
[1] Transformanta z transformă un semnal discret în domeniul timp, care este un șir de numere reale, într-o reprezentare complexă în domeniul frecvență. Transformata Z a fost introdusă sub acest nume de E.I. Jury în 1958 în Sampled-Data Control Systems. Ideea de la baza transformatei Z era anterior cunoscută sub numele de „metoda funcției generatoare”.(Sursa: https://ro.wikipedia.org/wiki/Transformata_Z).
[2] Densitatea rețelei (Density) reprezintă numărul de legături din rețea exprimat ca procent al numerelor ordonate/neordonate de perechi. (Sursa: http://www.sna.consplan.ro/category/manual-online/)
