Durch die enorme Verbreitung von Bildschirmarbeitsplätzen bzw. der Computertätigkeiten im allgemeinen, sind auch die damit verbundenen physiologischen, psychologischen und sozialen Auswirkungen in das Zentrum der arbeitswissenschaftlichen Forschung gerückt [z. B. 1, 2, 4, 6, 7, 8, 9]. In der Belastungsforschung wurden -- und werden -- inzwischen vor allem die unmittelbaren physiologischen Auswirkungen der Mensch-Computer-Interaktion (MCI) auf den Sehapparat und den Halteapparat untersucht. Bei der Untersuchung der mentalen Belastung durch MCI werden neben psychologischen Skalierungen oft physiologische Kennwerte der Hautpotentialänderung oder der Herzrate sowie endokrinologische Parameter verwendet.

In der psychophysiologischen Grundlagenforschung hat sich inzwischen die Analyse der Komponenten des ereigniskorrelierten kortikalen Potentials (EKPs) als Indikator verschiedener Stufen der kortikalen Informationsverarbeitung etabliert und auch in eigenen Arbeiten als relevanter Indikator erwiesen [5, 9, 11, 12]. Eine Hauptkomponente des ereigniskorrelierten Potentials, nämlich die positive Auslenkung im Zeitbereich von ca. 300 msec nach Ereignisanalyse (P300), wird nach dem Konzept der mentalen Chronometrie mit dem Zeitpunkt der (bewußten) kortikalen Informationsverarbeitung in Zusammenhang gebracht. Die Amplitude der P300 stellt nach der Ressourcen-Theorie einen Indikator der verfügbaren Aufmerksamkeit dar. Im vorliegenden Beitrag wird die P300 als abhängige Variable zur Prüfung der kortikalen Belastung durch MCI herangezogen.

Während das ereigniskorrelierte Potential als unmittelbarer Ausdruck der kortikalen Informationsverarbeitung interpretiert wird, dürfte das kortikale Gleichspannungspotential (DC Potential) bzw. deren Änderung (DC-shifts) mit dem kortikalen Aktivitätsniveau in Zusammenhang stehen. Da bei der Ableitung kortikaler DC Potentiale erhebliche meßtechnische Probleme auftreten [5], die erst in jüngster Zeit als überwindbar angesehen werden, ist das verfügbare Datenmaterial und die Anzahl der involvierten Forschungsgruppen spärlich. Erste Ergebnisse aus dem angewandten Bereich zeigen eine systematische Kovariation von objektiven und subjektiven (Umwelt)Belastungsbedingungen mit langdauernden DC Potentialänderungen [13]. Im vorliegenden Beitrag kann darauf aber noch nicht eingegangen werden. Vielmehr sollen Ergebnisse des Einflusses der MCI auf das ereigniskorrelierte Potential einer nachfolgenden kognitiven Leistung vorgestellt werden.

Ausgehend von den bisherigen Erkenntnissen der Bedeutung der P300-Kennwerte und der vermuteten Belastungswirkung der MCI wird erwartet, daß sich unmittelbar nach einer Tätigkeit (1) Auswirkungen beobachten lassen (kurzfristige Nachwirkungen) und daß (2) Computertätigkeiten aufgrund "zusätzlicher (mentaler) Operationen" zu stärkeren bzw. strukturell unterschiedlichen Nachwirkungen als vergleichbare Papier/Bleistiftaufgaben führen.

Methode

Die Überprüfung erfolgte durch ein Laborexperiment [11, 12] nach einem 4-faktoriellen quasiexperimentellen varianzanalytischen (Meßwertwiederholungs-)Design mit den Faktoren: Gruppe (Naive, Anfänger, Fortgeschrittene, Programmierer), Medium (MCI, Papier/Bleistift), Tätigkeit (Textverarbeitung, kognitive Interaktion, emotionale Interaktion) und Ableitung (F3, F4, Cz, P3, P4 vs. verbundenes Mastoid). Die 49 Versuchspersonen (21 weibliche und 28 männliche, Altersbereich von 17 bis 42 Jahren mit einem Durchschnittsalter von 24 Jahren) waren 15 "Naive" (Computerunerfahrene), 13 Anfänger, 11 Fortgeschrittene und 10 Experten (Programmierer). Sie hatten 6 Aufgaben, 3 am Computer und 3 mit Papier/Bleistift zu bewältigen. Die Reihenfolge der Aufgaben war über die Personen variiert um etwaige Sequenzeffekte zu vermeiden. Alle Aufgaben dauerten 7 Minuten oder wurden dann abgebrochen. Als Aufgaben in der Bedingung Tippfehlerkorrektur sollten relativ offensichtliche Tippfehler auf einem Blatt Papier/in einem Dokument korrigiert werden. In der kognitiven Interaktion hatten die Experten zu programmieren und die anderen Versuchspersonen ein interaktives DOS-Tutorprogramm zu exekutieren. Als Kontrollbedingung mußten Aufgaben eines Intelligenztests (CFT3) gelöst werden. Die emotionale Interaktionsbedingung bestand im Spielen von Tetris und dem Ausfüllen eines Fragebogens zum Sensation Seeking [14]. Im Anschluß an die Tätigkeiten wurden jedesmal 30 Diskriminationsaufgaben (ITI = 3 -- 5 sec). Für beide Ereignisklassen (Auftretenswahrscheinlichkeit 50%) mußten die Häufigkeiten getrennt gezählt werden. Dieses -- für die Untersuchung von Nach- und Belastungswirkungen entwickelte -- 50:50-Paradigma [12] erlaubt die Mittelwertsbildung über beide Stimulusklassen und somit die Analyse einer "langsamen positiven Komponente" (P300) im ereigniskorrelierten Potential mit bloß 30 Durchgängen (siehe Abb. 1).

Ergebnisse

Die statistische Analyse der P300 Amplitude zeigt zwei statistisch signifikante Effekte. Als Haupteffekt fand sich ein Lokalisationseffekt (F(4, 180) = 74.20, p < .001; mit größeren Amplituden parietal versus frontal), die Bedingung Medium (F(1, 45) = 10.72, p < .01) und die Aufgabenbedingung (F(2, 90) = 6.36, p < .01). Die kleineren Amplituden nach MCI verglichen mit der Papier/Bleistiftbedingung finden sich auch in der Wechselwirkung Medium X Lokalisation (F(4,180) = 3.33, p < .05) wieder, welche auch zeigt, daß an allen Lokalisationen kleinere Amplituden nach MCI versus Papier/Bleistift (p < .01) mit Ausnahme von F3 zu finden sind. In der Wechselwirkung Aufgabenbedingung X Lokalisation (F(8, 360) = 2.09, p < .05) läßt sich erkennen, daß nach der emotionalen Interaktionsbedingung größere Amplituden zu finden sind als in den beiden anderen Bedingungen. Der Vergleich kognitive Interaktionsbedingung versus Tippfehlerkorrektur zeigt nur auf F4 kleinere Amplituden nach der kognitiven Interaktion versus Tippfehlerkorrektur (Abb. 3).

Die statistische Analyse der Latenz der P300 zeigt neben dem üblichen Lokalisationseffekt (F(4, 180) = 9.88, p < .001) mit längeren Latenzen im frontalen Bereich auch einen Bedingungseffekt (F(3, 90) = 20.19, p < .001) mit kürzeren Latenzen in der kognitiven Interaktionsbedingung versus der Tippfehlerbedingung und der emotionalen Interaktionsbedingung. Die 3-fach-Wechselwirkung Medium X Aufgabenart X Lokalisation (F(8, 360) = 3.24, p < .01) zeigt, daß die kurzen P300 Latenzen zwar in beiden kognitiven Interaktionsbedingungen auftreten, in der MCI Bedingung aber an allen Lokalisationen (mit Ausnahme von Cz) nahezu idente Latenzen zeigen, während in den Papier/Bleistiftbedingungen die Latenzen mit der Lokalisation variieren (Abb. 4).

Interpretation

Die Ergebnisse zeigen, daß die P300 Amplitude einer Diskriminations- und Merkaufgabe nach einer MCI im Vergleich zur Papier/Bleistiftbedingung reduziert ist. Eine verkleinerte P300 kann als Indikator verringerter Ressourcen interpretiert werden. Damit lassen sich die Daten als Beleg für eine zusätzliche kortikale Belastung durch Aufgaben, die mit Hilfe der Mensch-Computer-Interaktion bearbeitet werden (im Vergleich zu auf Papier/Bleistift basierenden Bearbeitungen), interpretieren. Einschränkend kann man einwenden, daß die Aufgaben in den Papier/Bleistiftbedingungen nur bedingt mit den Aufgaben der MCI vergleichbar seien. Das trifft zwar am ehesten für die emotionale Interaktion zu, erscheint aber vor allem in der Tippfehlerbedingung als keinesfalls berechtigt. Analysiert man lediglich die Tippfehlerbedingungen (in diesem Beitrag nicht inkludiert) so sind die Ergebnisse weitgehend mit den vorgestellten deckungsgleich, was deren Aussagekraft unterstreicht.

Berücksichtigt man auch die kortikale Lokalisation der beobachteten Effekte, so erscheint die Mehrbelastung durch MCI den gesamten Kortex mit Ausnahme des linken Frontallappens zu betreffen. (Hier muß allerdings auch kritisch angemerkt werden, daß die Untersuchung mit nur 5 Ableitungen, nämlich von den Frontal- und Parietallappen jeweils links und rechts sowie vom Vertex, nur sehr grobe Interpretationen von Lokalisationseffekten erlauben.) Ob der "fehlende Effekt" im linken Frontallappen darauf zurückzuführen ist, daß hier keine Mehrbelastung durch MCI auftritt, oder daß in diesem Bereich bereits eine überproportionale Belastung auch in der Kontrollbedingung auftritt und somit eine mögliche Mehrbelastung nicht mehr erkennbar ist, kann mit der vorliegenden Untersuchung nicht beantwortet werden.

Die Ergebnisse der Latenzanalysen zeigen nach kognitiven Interaktionen (Absolvierung eines DOS Tutorprogramms bzw. programmieren und Lösen von Intelligenzaufgaben) verkürzte Latenzen, was als Kennzeichen einer beschleunigten kortikalen Informationsverarbeitung interpretiert werden kann. Der Unterschied zwischen der MCI und der Papier/Bleistiftbedingung liegt vor allem darin, daß nach MCI eine lokalisationsunabhängige P300 Latenz (mit Ausnahme von Cz) auftritt, während nach einer -- weitgehend vergleichbaren -- Papier/Bleistifttätigkeit die im allgemeinen üblichen Unterschiede zwischen frontalen und parietalen Kortex zu beobachten sind. Ob sich aus diesem Befund eine "Aufhebung lokalisationsspezifischer kortikaler Informationsverarbeitung" nach MCI ableiten läßt, wäre eine weitreichende Spekulation. Demnach würden nur nach "intensiver Computerarbeit" beide Frontal- und Parietallappen "synchron" an der kortikalen Informationsverarbeitung bei Diskriminations- und Gedächtnisoperationen beteiligt sein.

Die besonders kurzen P300 Latenzen sowohl nach "direkter Computermanipulation" (wie z. B. Programmieren) als auch nach dem Computerspielen am Vertex könnten Ausdruck der Nachwirkung der beteiligten Motorik sein. Demnach wäre nach intensiver "Tastatur-Interaktion" so etwas wie eine kortikale Nacherregung in motorischen Arealen zu beobachten, die zu einer besonders "schnellen" kortikalen Verarbeitung führt.

Die Analyse der P300 zeigt weder in Amplitude noch in Latenz statistisch signifikante Effekte (p < .05) der Variable Gruppe. Daraus läßt sich ableiten, daß die "Erfahrung" im Umgang mit der MCI für die berichteten Effekte keinen statistisch signifikanten Einfluß hat. Dies bedeutet ebenfalls, daß auch längerfristige Computernutzung bzw. intensive MCI keinen Einfluß auf die beobachteten Effekte hat. Dieser Befund steht außerhalb psychologischer Befunde zur Attribuierung bzw. qualitativer Charakteristika des Denkens [7, 8, 9]. In diesen zeigte sich, daß kurzfristige, experimentell induzierte, Effekte im Einklang mit Gruppeneffekten stehen. So nimmt z. B. die Feldabhängigkeit -- im Sinne der Integration der physikalischen und sozialen Umwelt in das Denken und die Entscheidungsfindung -- nach Computertätigkeiten ab, ist aber auch bei Personen mit generell häufiger/intensiver Computernutzung verringert. Eine psychologische Untersuchung zur Kreativität [6] zeigte allerdings auch einen positiven Effekt der MCI, demzufolge Nicht-Informatiker in einem ähnlich angelegten Experiment (mit einer ca. 45 -- 60 minütigen MCI) einen statistisch signifikanten Zuwachs im Kreativitätsscore zeigten, während Informatikstudenten keinen Unterschied aufwiesen. Auch Hahnenkamp [3] kam in einer Felduntersuchung zu vergleichbaren Ergebnissen. Diese Befunde stützen die Auffassung, wonach Personen die im allgemeinen den Computer wenig Nutzen, durch Konfrontation mit Computertätigkeiten eine "geistige" Anregung erfahren, während bei erfahrenen Computerbenützern eher Aspekte der Ermüdung im Vordergrund stehen dürften. Diese Interpretation wird durch ein statistisch zwar nicht signifikantes Ergebnis, aber den systematischen Befund gestützt, wonach ein trendmäßig nahezu bedeutsamer Gruppeneffekt (F(3, 45) = 2.19, p = .1019) zeigt, daß sich die P300 Latenz mit zunehmender Unerfahrenheit verkürzt (Naive: M = 358 msec, Anfänger: M = 360 msec, Fortgeschrittene: M = 367.5 msec; Programmierer: M = 369 msec), was als Ausdruck einer Anregung durch die gesamte experimentelle (computerorientierte) Situation interpretiert werden kann.

Insgesamt zeigt die Untersuchung, daß durch MCI zusätzliche mentale Ressourcen gebunden werden und die kortikale Informationsverarbeitung bei intensiver Mensch-Computer-Interaktion angeregt wird. Das kann sowohl zu positiven Effekten im Sinne einer "positiven Anregung" -- vor allem bei eher Unerfahrenen bzw. "Wenignutzern" -- führen als auch zu mentalen Ermüdungserscheinungen, möglicherweise gekoppelt mit (zumindest kurzfristigen) strukturellen Effekte der kortikalen Informationsverarbeitung.

Literaturverzeichnis

[1] Haider, M.: Präventivmedizinische Aspekte der Bildschirmarbeit. In: Baumgartner, E. (Hrsg.): Gesundheitliche Gefährdung durch neue Technologien. Maudrich, Wien 1982, S. 37

[2] Haider, M., Kundi, M., Kolm, P., Moser, U.: Richtlinien zur Gestaltung von Bildschirmarbeit. In GPA, Ausschuß für Automation und Arbeitsgestaltung (Hrsg.). ÖGB-Verlag, Wien 1987

[3] Hahnenkamp, I.: Auswirkungen von Bildschirmarbeit auf Kreativität, Rigidität und Vorstellungsfähigkeit. Unveröffentlichte Diplomarbeit, Wien 1992

[4] Trimmel, M.: Computerpsychologie -- eine Einführung in den Arbeitskreis. In Berufsverband Österreichischer Psychologen und Allgemeine Unfallversicherungsanstalt (Hrsg.): Neuentwicklungen in der Psychologie. Hrsg., Wien 1989, S. 170

[5] Trimmel, M.: Angewandte und Experimentelle Neuropsychophysiologie. Springer-Verlag, Berlin 1990

[6] Trimmel, M.: Auswirkungen der Mensch-Computer-Interaktion: psychologische Aspekte. Informatik Forum, 4, 194 (1992)

[7] Trimmel, M.: Computertätigkeit und Realitätsbezug. In: Janig, H. (Hrsg.): Psychologische Forschung in Österreich. Universitätsverlag Carinthia, Klagenfurt 1994, S. 224

[8] Trimmel, M.: Psychologische Auswirkungen der Mensch-Computer Interaktion (MCI). In Pawlik, K. (Hrsg.): Abstracts des 39. Kongreß der Deutschen Gesellschaft für Psychologie Bd. 2. Psychologisches Institut 1 der Universität Hamburg, Hamburg 1994, S. 734

[9] Trimmel, M., Brand, M., Chmelik, R., Ewald, A., Froeschl, K. A., Huber, R., Motschnig-Pitrik, R., Haider, M.: Psychological and psychophysiological effects of working with computers: Experimental evidence. In Lucak, H., Cakir, A., Cakir, G. (Eds.): Work with Display Units 92. Selected Proceedings of the Third International Scientific Conference on Work with Display Units. Elsevier, Amsterdam 1993, p. 121

[10] Trimmel, M., Huber, R., Haider, M.: Mental workload after-effects of paper/pencil vs. computerized tasks indicated by P300. International Journal of Psychophysiology, 14, 151 (1993)

[11] Trimmel, M., Huber, R.: After-effects of human-computer interaction workload on cognitive performance -- indicated by P3 of the auditory event-related potential. Psychophysiology in Ergonomics, 1, 68 (1996)

[12] Trimmel, M., Huber, R.: After-effects of human-computer interaction indicated by P300 of the event-related brain potential (ERP). Ergonomics, in Druck

[13] Trimmel, M., Kundi, M., Binder, G., Groll-Knapp, E., Haider, M.: Combined effects of mental load and background noise on CNS activity indicated by brain DC potentials. Environment International, 22, 83 (1996)

[14] Zuckermann, M.: Development of a sensation-seeking scale. Journal of Consulting and Clinical Psychology, 28, 477 (1964)

Abbildungsbeschriftungen

Abbildung 1. Einzelbeispiel des ereigniskorrelierten Potentials (P300) in belastetem (ausgezogene Linie) und unbelastetem (unterbrochene Linie) mentalen Zustand des 50:50-Paradigmas.

Abbildung 2. Amplitude der P300 auf den fünf Lokalisationen für die Papier/Bleistift Bedingung (Kreise) und die Mensch-Computer-Interactionsbedingung (Kästchen).

Abbildung 3. Amplitude der P300 auf den fünf Lokalisationen in Abhängigkeit von den drei Aufgabenbedingungen Tippfehlerkorrektur (Kreise), kognitive Interaktion (Kästchen) und emotionale Interaktion (Dreiecke).

Abbildung 4. Latenz der P300 in Abhängigkeit der Aufgabenbedingung (Tipfehler: Tipp; kognitive Interaktion: Kog; emotionale Interaktion: Emo) an den fünf Lokalisationen unter Papier/Bleistiftbedingungen (Kreise) und Mensch-Computer-Interaktion (Kästchen).

Abbildung 1. Einzelbeispiel des ereigniskorrelierten Potentials (P300) in belastetem (ausgezogene Linie) und unbelastetem (unterbrochene Linie) mentalen Zustand des 50:50-Paradigmas.

Abbildung 2. Amplitude der P300 auf den fünf Lokalisationen für die Papier/Bleistift Bedingung (Kreise) und die Mensch-Computer-Interactionsbedingung (Kästchen).

Abbildung 3. Amplitude der P300 auf den fünf Lokalisationen in Abhängigkeit von den drei Aufgabenbedingungen Tippfehlerkorrektur (Kreise), kognitive Interaktion (Kästchen) und emotionale Interaktion (Dreiecke).

Abbildung 4. Latenz der P300 in Abhängigkeit der Aufgabenbedingung (Tipfehler: Tipp; kognitive Interaktion: Kog; emotionale Interaktion: Emo) an den fünf Lokalisationen unter Papier/Bleistiftbedingungen (Kreise) und Mensch-Computer-Interaktion (Kästchen).