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The alpha band as an electrophysiological indicator for internalized attention and high mental workload in real traffic driving. [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Konrad Hagemann

De
296 pages
   The alpha band as an electrophysiological indicator for internalized attention and high mental workload in real traffic driving.     Inaugural‐Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Mathematisch‐Naturwissenschaftlichen Fakultät der Heinrich‐Heine Universität Düsseldorf  vorgelegt von Konrad Hagemann aus Ebersberg  1. April 2008Aus dem Institut für Experimentelle Psychologie der Heinrich‐Heine Universität Düsseldorf            Gedruckt mit der Genehmigung der Mathematisch‐Naturwissenschaftlichen Fakultät der Heinrich‐Heine‐Universität Düsseldorf  Referent:   Prof. Dr. Axel Buchner Koreferent:   PD. Dr. Michael Schrauf  Tag der mündlichen Prüfung:     09. Mai 2008Table of Contents III Table of Contents  Tables .................................................................................................................................III Figures.............................................................................................................................VIII Preface..........XV Deutsche Zusammenfassung........................................................................................XVI Summary............................................................................................................................XX 1. Introduction.......................................................................................................................24 2. Theoretical Background..............
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The alpha band as an electrophysiological indicator for internalized attention and 
high mental workload in real traffic driving. 
 
 
 
 
Inaugural‐Dissertation 
zur 
Erlangung des Doktorgrades der 
Mathematisch‐Naturwissenschaftlichen Fakultät 
der Heinrich‐Heine Universität Düsseldorf 
 
vorgelegt von 
Konrad Hagemann 
aus Ebersberg 
 
1. April 2008Aus dem Institut für Experimentelle Psychologie 
der Heinrich‐Heine Universität Düsseldorf 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Gedruckt mit der Genehmigung der 
Mathematisch‐Naturwissenschaftlichen Fakultät der 
Heinrich‐Heine‐Universität Düsseldorf 
 
Referent:   Prof. Dr. Axel Buchner 
Koreferent:   PD. Dr. Michael Schrauf 
 
Tag der mündlichen Prüfung:     09. Mai 2008Table of Contents III

Table of Contents
 
Tables .................................................................................................................................III
Figures.............................................................................................................................VIII
Preface..........XV
Deutsche Zusammenfassung........................................................................................XVI
Summary............................................................................................................................XX
1. Introduction.......................................................................................................................24
2. Theoretical Background..................................................................................................28
2.1 The Driving Task...................................................................................................29
2.1.1 Theoretical Models of Driving.....................................................................29
2.1.2 The Role of Automaticity in Driving...........................................................33
2.1.3 Environmental Factors..................................................................................34
2.1.4 Neural Correlates of Driving........................................................................36
2.2 Theoretical Models on Mental Workload..........................................................40
2.2.1 Mental Workload as Defined by ISO 10075................................................40
2.2.2 Further Models of Mental Workload42
2.3 The Assessment of Mental Workload.................................................................51
2.3.1 Criteria for the Evaluation of Assessment Techniques.............................51
2.3.2 Primary Task Measures.................................................................................55
2.3.3 Secondary Task .............................................................................56
2.3.4 Subjective Workload Assessment Techniques...........................................60
2.3.5 Physiological Measures63
2.4 Mental Workload Assessment During Driving................................................65
2.4.1 Advantages of the Secondary Loading Task Paradigm...........................65
2.4.2 The Investigation of Cell Phone Use During Driving...............................66
2.4.3 The Development of Workload Managers.................................................74 Table of Contents IV

2.5 The EEG Measurement Technique......................................................................77
2.5.1 Origins of the EEG Signal.............................................................................77
2.5.2 EEG Measures.................................................................................................80
2.5.3 The Alpha Band as a Measure of Mental Workload.................................87
2.5.4 ERP Indices of Mental Workload.................................................................98
2.5.5 EEG Artifacts.................................................................................................110
2.6 ECG Indices of Mental Workload.....................................................................120
2.6.1 Heart Rate......................................................................................................121
2.6.2 Heart Rate Variability..................................................................................122
2.7 Summary of the Theoretical Background........................................................125
3. Experiment 1....................................................................................................................127
3.1 Aim and Hypotheses...........................................................................................127
3.2 Methods................................................................................................................130
3.2.1 Subjects..........................................................................................................130
3.2.2 Experimental Setup......................................................................................130
3.2.3 Physiological Data Acquisition..................................................................131
3.2.4 Task Description and Stimulus Material..................................................132
3.2.5 Experimental Procedure..............................................................................135
3.2.6  design....................................................................................136
3.2.7 Data Analysis................................................................................................138
3.3 Results...................................................................................................................144
3.3.1 Lane Change Test.........................................................................................144
3.3.2 Recall of Story Content and Detection Performance...............................145
3.3.3 EEG Alpha Power........................................................................................148
3.3.4 ECG Indices of Mental Workload..............................................................153
3.4 Discussion.............................................................................................................156
3.4.1 Implications Based on the Laboratory Results.........................................156
3.4.2 Conclusions for the Real‐Traffic Driving Experiment............................162 Table of Contents V

4. Experiment 2....................................................................................................................164
4.1 Aim and Hypotheses...........................................................................................164
4.2 Methods................................................................................................................166
4.2.1 Subjects..........................................................................................................166
4.2.2 Experimental Setup......................................................................................166
4.2.3 Physiological Data Acquisition..................................................................168
4.2.4 Task Description and Stimulus Material..................................................169
4.2.5 Experimental Procedure..............................................................................170
4.2.6  Design...................................................................................173
4.2.7 Data Analysis................................................................................................175
4.3 Results...................................................................................................................178
4.3.1 Behavioral Data............................................................................................178
4.3.2 EEG Alpha Power........................................................................................183
4.3.3 State Dependent Changes in Event‐Related Potentials..........................189
4.3.4 ECG Indices of Mental Workload..............................................................192
4.4 Discussion.............................................................................................................196
4.4.1 Interpretation of the Data and Implications.............................................196
4.4.2 General Discussion and Conclusions for Experiment 3.........................202
5. Experiment 3....................................................................................................................205
5.1 Aim and Hypotheses...........................................................................................205
5.2 Methods................................................................................................................207
5.2.1 Subjects..........................................................................................................207
5.2.2 Experimental Setup......................................................................................208
5.2.3 Physiological Data Acquisition..................................................................212
5.2.4 Task Description and Stimulus Material..................................................212
5.2.5 Experimental procedure..............................................................................214
5.2.6  Design...................................................................................216
5.2.7 Data Analysis................................................................................................218
5.3 Results...................................................................................................................222
5.3.1 Recall of Story Content and Detection Performance...............................222 Table of Contents VI

5.3.2 EEG Alpha Power........................................................................................225
5.3.3 ECG Indices of Mental Workload..............................................................231
5.4 Discussion.............................................................................................................234
6. Overall discussion and outlook...................................................................................238
7. References........................................................................................................................245
Appendix A: Individual EEG Power Spectra of Three Experiments............................i  B: Standard EEG Power Spectra in Experiment 1........................................xi
Appendix C: Routes of Experiment 2 and 3....................................................................xv
 
 Table of Contents VII

Tables
Table 1. Examples for the relationship between Michon’s (1985) control hierarchy and 
Rasmussen’s (1983) knowledge‐rule‐skill model...............................................31
Table 2. The five EEG frequency bands..............................................................................83
Table 3. Overview of the experimental design of Experiment 1...................................136
Table 4. Overview of the different dependent variables of Experiment 1...................137
Table 5. Overview of the experimental design of Experiment 2.173
Table 6. Overview of the different dependent variables of Experiment 2...................174
Table 7. Overview of the experimental design of Experiment 3...................................216
Table 8. Overview of the different dependent variables of Experiment 3...................217 Table of Contents VIII

Figures
Figure 1.   The relationship between Rasmussen’s (1983) general model of human 
behavior (left) and the three level hierarchy model of the driving task 
according to Donges (1982; figure adapted from Donges, & Naab, 1996, 
p.227).....................................................................................................................30
Figure 2.   Structure of processing resources according to Wickens’ multiple resource 
model. Operations on either side of a solid line use different resources 
(adapted from Wickens, 1984, p. 81).................................................................45
Figure 3.   A cognitive‐energetical stage model of human information processing and 
stress (adapted from Sanders, 1983, p. 79).......................................................47
Figure 4.   Compensatory control model of performance regulation . Loop A 
represents routine regulatory activity, and loop B effort‐based control 
(adapted from Hockey, 1997, p. 79)..................................................................49
Figure 5.   Relationships among the performance‐resource function, resource 
allocation, and primary‐task difficulty. (a) Subsidiary secondary task 
technique, (b) secondary loading‐task technique (adapted from Wickens & 
Hollands, 2000, p. 463)........................................................................................57
Figure 6.   Representation for use of the secondary task to measure operator reserve 
processing capacity. Neither primary task exceeds operator processing 
capacity for unimpaired performance. Only by adding a secondary loading 
task the processing capacity is exceeded and decrements in  task 
performance can be used as a direct resource measure (adapted from 
O’Donnell & Eggemeier, 1986, p. 42/25)..........................................................59
Figure 7.   A cortical dipole (adapted from Birbaumer & Schmidt, 2006, p. 472).........78
Figure 8.   The generation of alpha oscillations in the EEG (adapted from Bösel, 1996, 
p. 19)......................................................................................................................79
Figure 9.   Idealized auditory ERP waveform (adapted from Coles and Rugg, 1997, 
p.6).........................................................................................................................81
Figure 10. Examples of the most common oscillations in the continuous EEG (adapted 
from Schandry, 2006, p. 566)..............................................................................84
Figure 11. EOG and EEG recordings showing several types of artifacts (adapted from 
Luck, 2005, p. 164).............................................................................................112 Table of Contents IX

Figure 12. EEG and EOG recordings showing at approximately 400 ms the 
characteristic signature of an eye blink with opposite polarity below 
(VEOG) and above the eye. The large voltage deflection at 1500 ‐ 1800 ms 
doesn’t show an inverted polarity over electrodes and has most likely not 
been elicited by an eye blink (adapted from Luck, 2005, p. 159)................114
Figure 13. Example of ICA components related to eye activity. The topographic 
distributions of each component is displayed left. At the right side the 
components’ activations over time are displayed. Please note that this may 
not be confused with the voltage deflections of the continuous EEG 
(modified graphics originally produced with EEGLAB, Delorme et al., 
2002).....................................................................................................................116
Figure 14. Idealized illustration of a standard signal in a normal ECG. The U wave is 
not constantly observed. The P wave signalizes the depolarization of the 
atrial muscles, the QRS complex reflects the depolarization of the 
ventricles, and the T wave signifies the repolarization of the ventricles. 
Positive voltage deflections are displayed upwards (modified from 
Birbaumer & Schmidt, 2006, p. 192)................................................................120
Figure 15. Screenshot of the Lane Change Test (LCT) designed by Mattes (2003). 
Double arrows on the signs instruct the driver to change the lane...........132
Figure 16. Schematic overview of the experimental procedure. Experimental session 
A and B either refer to a session with simultaneous Lane Change Test or a 
session in which participants looked at a fixation cross. The order of 
sessions was counterbalanced across subjects. In each session four 3‐min 
blocks of listening to a story and four 3‐min blocks of listening to tones 
were alternately presented. See text for details............................................135
Figure 17. Example of a normative driving model (solid line) and actual driving data 
(dotted line) in the Lane Change Test. The area between the normative 
model and the behavioral data provides an automatic and objective 
performance measure for driving quality......................................................139
Figure 18. Mean deviation (n = 18) from a standard driving course model when 
subjects either performed a highly loading word detection task or an easy 
tone detection task in parallel. Error bars represent the standard errors. 145
Figure 19. Mean reaction times (n = 19) for the detection of words or tones in the 
secondary task with or without driving in parallel. Error bars represent the 
standard errors...................................................................................................146
Figure 20. Mean d’ values (n = 19) for the detection of words or tones in the secondary 
task with or without driving in parallel. Error bars represent the standard 
errors...................................................................................................................147 Table of Contents X

Figure 21. Individual and task‐specific EEG alpha peak adjustment procedure for 1 
subject in Experiment 1 as it has been performed for all three experiments 
in this thesis. a) Baseline recording with eyes closed, b) detection tasks 
without driving and c) detection tasks with simultaneous Lane Change 
Test. The two vertical lines signify the 2 Hz frequency range around the 
amplitude peak that has been extracted for subsequent alpha power 
analyses. Please note that y‐axes have different scaling..............................149
Figure 22. Comparison of individual EEG alpha power recorded during the baseline 
with eyes closed, word detection and word detection with Lane Change 
Test. Error bars represent the standard errors..............................................150
Figure 23. Mean individual EEG alpha power over all subjects (n = 20) observed 
under different levels of mental workload and recorded either when 
subjects simultaneously performed the Lane Change Test or when they 
performed the cognitive task alone. Error bars represent the standard 
errors...................................................................................................................151
Figure 24. Mean standard deviation of N‐N intervals (n = 17) in the ECG for the 
experimental manipulation of mental workload recorded either when 
subjects performed the Lane Change Test in parallel or when they 
performed the cognitive task alone. Error bars represent the standard 
errors...................................................................................................................154
Figure 25. Mean heart rate (n = 18) for the experimental manipulation of mental 
workload recorded either when subjects performed the Lane Change Test 
in parallel or when they performed the cognitive task alone. Error bars 
represent the standard errors..........................................................................155
Figure 26. Mercedes Benz S‐class (photo copyright 2008 by the Daimler AG)...........168
Figure 27. Schematic overview of the experimental procedure in Experiment 2. Each 
section refers to a drive from Esslingen towards Göppingen or the other 
way back. The order of tasks was counterbalanced across subjects so that 
tasks were alternated over the two different road sections. During each 
section three 2‐min task blocks and three 2‐min blocks without task were 
alternated. See text below for details..............................................................170
Figure 28. Average percentage (n = 18) of correct results in the mental arithmetic task. 
Please note that blocks 1 ‐ 3 refer to a different driving section than blocks 
4 ‐ 6. Error bars represent the standard errors..............................................179
Figure 29. Average percentage of correct anwers (nBlock 1 ‐ 3 = 18, nBlock 4 ‐ 6 = 16) to the 
three multiple‐choice content questions. Please note that Blocks 1 ‐ 3 refer 
to a different road section than Blocks 4 ‐ 6. Error bars represent the 
standard errors...................................................................................................180