DOI: https://doi.org/10.3389/fnrgo.2025.1673268
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41601584
تاريخ النشر: 2026-01-12
المؤلف: Anneke Hamann وآخرون
الموضوع الرئيسي: النوم والإرهاق المرتبط بالعمل
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة شاملة على التحديات والتقدم في تقييم التعب العقلي (MF) في الطيران، مع التأكيد على التأثير الحاسم لـ MF على أداء الطيارين. يسلط الضوء على قيود المقاييس الذاتية التقليدية، التي، على الرغم من كونها فعالة من حيث التكلفة وسريعة، إلا أنها غير كافية للرصد المستمر بسبب مشكلات مثل التدخل والاعتماد على التقييم الذاتي. تناقش المراجعة تقنيات الاستشعار المتقدمة التي تُرتدى على الرأس، بما في ذلك تخطيط الدماغ الكهربائي (EEG)، وطيف الأشعة تحت الحمراء القريبة الوظيفية (fNIRS)، وتتبع العين، وكل منها له نقاط قوة وضعف فريدة. على سبيل المثال، بينما يوفر EEG دقة زمنية عالية وعلامات عصبية مباشرة للحالات المعرفية، فإنه حساس للضوضاء البيئية ويتطلب معايرة دقيقة. بالمقابل، يتأثر fNIRS بشكل أقل بمثل هذه الضوضاء ولكنه حساس للضوء الخارجي والحركة، ويوفر تتبع العين رؤى قيمة حول الانتباه البصري ولكنه يفتقر إلى العمق في تقييم معالجة المعلومات المعرفية.
يقترح المؤلفون نهجًا متعدد الوسائط يدمج هذه التقنيات لتعزيز قوة تقييم MF في الطيران. يحددون نهجًا تدريجيًا لدمج الرصد العصبي الفسيولوجي في عمليات قمرة القيادة، والذي يتضمن التحقق من صحة المقاييس في بيئات محكومة، وزيادة بيانات الطيران بتسجيلات عصبية فسيولوجية، وتمكين أنظمة التنبيه التكيفية، وتقدم الأتمتة المدفوعة بالذكاء الاصطناعي. يهدف هذه الاستراتيجية التدريجية إلى سد الفجوة بين البحث في المختبر والتطبيق العملي في قمرة القيادة، مع معالجة الحاجة إلى أنظمة مصغرة ومريحة وموثوقة يمكن أن تقدم بيانات عالية الجودة في ظروف الطيران الواقعية. ويخلص المؤلفون إلى أنه على الرغم من وجود تحديات كبيرة، فإن نهجًا منهجيًا قائمًا على الأدلة يمكن أن يؤدي إلى حلول فعالة لرصد حالة الطيار في الطيران.
النتائج
يقدم قسم النتائج في ورقة البحث نتائج تجريبية من دراسات مختلفة تستخدم تقنيات EEG وfNIRS وتتبع العين للتحقيق في التعب العقلي (MF) وتقلبات الانتباه. وقد حددت دراسات EEG، بما في ذلك مهام مثل مهمة الانتباه المستدام للاستجابة (SART) ومهمة اليقظة النفسية (PVT)، علامات عصبية فسيولوجية مثل زيادة قوة ألفا وتغيرات في قوة ثيتا التي تسبق فترات الأداء الضعيف، مما يشير إلى تحولات في تركيز الانتباه. ومن الجدير بالذكر أن استخدام إمكانات الاستجابة البصرية الثابتة (SSVEP) قد برز كطريقة واعدة للرصد في الوقت الحقيقي لـ MF، حيث يظهر انخفاضًا في السعة قبل فترات الانتباه الضعيف، مما قد يكون مفيدًا بشكل خاص في البيئات ذات المخاطر العالية.
بالمقابل، فإن النتائج من دراسات fNIRS حول تنشيط القشرة المرتبطة بـ MF مختلطة. بينما تشير بعض الدراسات إلى زيادة في الأكسجة (HbO) مع الانخراط المطول في المهام، تشير أخرى إلى انخفاض HbO في حالات التعب. بالإضافة إلى ذلك، تميل الترابطات بين مناطق الدماغ إلى الانخفاض مع زيادة MF، مما يشير إلى ديناميات عصبية متغيرة. تؤكد تجارب تتبع العين هذه النتائج، كاشفة عن أنماط مثل انخفاض تثبيت النظر وزيادة تكرار الومضات المرتبطة بمهام الانتباه المستدام. وقد أظهرت خوارزميات التعلم الآلي وعدًا في تقييم MF في الوقت الحقيقي، حيث تدمج بفعالية مقاييس تتبع العين مع بيانات فسيولوجية أخرى لتعزيز دقة الكشف. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج على تعقيد تقييم MF عبر وسائط مختلفة وتبرز الإمكانيات لأنظمة الرصد المتقدمة في التطبيقات العملية.
المناقشة
تؤكد قسم المناقشة في ورقة البحث على النماذج الأساسية المستخدمة لدراسة التعب العقلي (MF) وأهميتها لوظائف الإدراك الحيوية في سياقات الطيران. يحدد مجموعة من المهام التجريبية المصممة لتحفيز MF، والتي تتضمن عادةً الانتباه المستدام والجهد المعرفي. تشمل النماذج البارزة مهمة اليقظة النفسية (PVT)، ومهمة الانتباه المستدام للاستجابة (SART)، واختبار الأداء المستمر (CPT)، ومهمة ساعة ماكويرث (MCT). تعتبر هذه المهام أساسية لفهم العمليات المعرفية مثل اليقظة، وفترات الانتباه، وكبح الاستجابة، والتي تعتبر ضرورية للطيارين الذين يديرون بيئات قمرة القيادة المعقدة.
كما يسلط القسم الضوء على أهمية المقاييس الذاتية لتقييم MF، مثل مقياس الرسم البياني البصري (VAS) ومقياس كارولينسكا للنعاس (KSS)، مع الاعتراف بحدودها في التطبيقات الواقعية. علاوة على ذلك، يناقش المقاييس الموضوعية مثل تخطيط الدماغ الكهربائي (EEG) وطيف الأشعة تحت الحمراء القريبة الوظيفية (fNIRS) كأدوات واعدة للرصد المستمر لـ MF. يوفر EEG رؤى حول نشاط الدماغ من خلال إمكانات مرتبطة بالحدث وتحليلات طيفية، بينما يقيس fNIRS التغيرات في أكسجة القشرة المرتبطة بالمتطلبات المعرفية. ومع ذلك، تواجه كلا الطريقتين تحديات، بما في ذلك القابلية للتأثر بالعوامل الخارجية والحاجة إلى تقنيات تحليل قوية لضمان تقييمات دقيقة في بيئات التشغيل الديناميكية. بشكل عام، يبرز القسم ضرورة التحقق التجريبي عند تطبيق النتائج من النماذج المحكومة على سيناريوهات الطيران الواقعية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fnrgo.2025.1673268
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41601584
Publication Date: 2026-01-12
Author(s): Anneke Hamann et al.
Primary Topic: Sleep and Work-Related Fatigue
Overview
The section provides a comprehensive overview of the challenges and advancements in assessing mental fatigue (MF) in aviation, emphasizing the critical impact of MF on pilot performance. It highlights the limitations of traditional subjective measures, which, despite being cost-effective and quick, are inadequate for continuous monitoring due to issues such as intrusiveness and reliance on self-assessment. The review discusses various advanced head-worn sensing technologies, including electroencephalography (EEG), functional near-infrared spectroscopy (fNIRS), and eye-tracking, each with unique strengths and limitations. For instance, while EEG offers high temporal resolution and direct neural markers of cognitive states, it is sensitive to environmental noise and requires careful calibration. In contrast, fNIRS is less affected by such noise but is sensitive to external light and motion, and eye-tracking provides valuable insights into visual attention but lacks depth in cognitive processing assessment.
The authors propose a multimodal approach that integrates these technologies to enhance the robustness of MF assessment in aviation. They outline a staged approach for integrating neurophysiological monitoring into cockpit operations, which includes validating metrics in controlled settings, augmenting flight data with neurophysiological recordings, enabling adaptive alerting systems, and advancing AI-driven automation. This incremental strategy aims to bridge the gap between laboratory research and practical cockpit application, addressing the need for miniaturized, comfortable, and reliable systems that can deliver high-quality data in real-world flight conditions. The authors conclude that while significant challenges remain, a systematic and evidence-based approach can lead to effective pilot-state monitoring solutions in aviation.
Results
The results section of the research paper presents empirical findings from various studies utilizing EEG, fNIRS, and eye-tracking methodologies to investigate mental fatigue (MF) and attentional fluctuations. EEG studies, including tasks like the Sustained Attention to Response Task (SART) and the Psychomotor Vigilance Task (PVT), have identified neurophysiological markers such as increased alpha power and changes in theta power that precede performance lapses, indicating shifts in attentional focus. Notably, the use of Steady-State Visual Evoked Potentials (SSVEP) has emerged as a promising method for real-time monitoring of MF, demonstrating a decrease in amplitude prior to attentional lapses, which may be particularly beneficial in high-stakes environments.
In contrast, findings from fNIRS studies on cortical activation related to MF are mixed. While some studies report increased oxygenation (HbO) with prolonged task engagement, others indicate reduced HbO in fatigued states. Additionally, connectivity between brain regions tends to decrease with increasing MF, suggesting altered neural dynamics. Eye-tracking experiments further corroborate these findings, revealing patterns such as decreased gaze fixation and increased blink frequency associated with sustained attention tasks. Machine learning algorithms have shown promise in real-time MF assessment, effectively integrating eye-tracking metrics with other physiological data to enhance detection accuracy. Overall, these findings underscore the complexity of MF assessment across different modalities and highlight the potential for advanced monitoring systems in practical applications.
Discussion
The discussion section of the research paper emphasizes the foundational paradigms used to study mental fatigue (MF) and their relevance to cognitive functions critical in aviation contexts. It outlines various experimental tasks designed to induce MF, which typically involve sustained attention and cognitive effort. Notable paradigms include the Psychomotor Vigilance Task (PVT), Sustained Attention to Response Task (SART), Continuous Performance Test (CPT), and the Mackworth Clock Task (MCT). These tasks are instrumental in understanding cognitive processes such as vigilance, attention lapses, and response inhibition, which are essential for pilots managing complex cockpit environments.
The section also highlights the importance of subjective measures for assessing MF, such as the Visual Analogue Scale (VAS) and the Karolinska Sleepiness Scale (KSS), while acknowledging their limitations in real-world applications. Furthermore, it discusses objective measures like electroencephalography (EEG) and functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) as promising tools for continuous monitoring of MF. EEG provides insights into brain activity through event-related potentials and spectral analyses, while fNIRS measures cortical oxygenation changes associated with cognitive demands. However, both methods face challenges, including susceptibility to artefacts and the need for robust analytical techniques to ensure accurate assessments in dynamic operational settings. Overall, the section underscores the necessity of empirical validation when applying findings from controlled paradigms to real-world aviation scenarios.