Investigating underlying mechanisms of driving in young novice drivers with and without an autism spectrum disorder

Abstract

The current thesis describes underlying mechanisms of driving behavior in young novice drivers with and without an autism spectrum disorder (ASD). Part one includes virtual reality driving simulation (VRDS) research that was conducted in order to investigate a dual process theory of risky driving in neurotypical novice drivers. The dual process theory of risky driving provides a framework for risky driving that considers the imbalance between the development of the social-affective brain and the cognitive control system. This imbalance is caused by a maturational gap between both brain systems (i.e., early developing social-emotional and late developing cognitive brain systems). In chapter one and two (a and b), we investigated the hypothesis that sufficient cognitive resources are necessary to safely execute the driving task. More specifically, these chapters included detrimental effects of distraction while driving. Distraction can occur at the sensory input (e.g., visual) level, but also at the cognitive level where assistive technology induces working memory (WM) load. Active maintenance of goal-directed behavior in the presence of distraction depends on WM capacity (i.e., Lavie’s Load theory), which implies that the performance of people with higher WM capacity may suffer less when distracted. In chapter one we included the interaction between verbal WM load and WM capacity on driving performance to determine whether individuals with higher WM capacity were less affected by verbal WM load, leading to a smaller deterioration of driving performance. It included the target population of interest, young novice drivers, who are presumed to be more susceptible to effects of distraction when compared to more experienced drivers. First, they lack an automaticity in driving skills, therefore, they need to invest more resources into the driving task. Second, their WM capacity is still developing, leaving them with less spare resources to invest in the driving and distracting activities. Third, they are more willing to accept new technologies, inclining them the use these distractive technologies while driving. Driving performance was measured with the lane change task (LCT). Participants drove with and without the distracting task (i.e., resembling handsfree technology) of increasing complexity. Driving performance deteriorated with increasing verbal WM load. Meanwhile, higher WM capacity related to better performance. Finally, participants with higher verbal WM capacity were influenced less by verbal WM load. The negative influence however could not be eliminated completely. These findings entailed that increased WM performance cannot completely eliminate negative effects of distraction among young novice drivers. In chapter two (a and b), we investigated effects of distraction in a specific highrisk environment in a sample of adult drivers. Intersection accidents encompass a significant proportion of fatalities and attention allocation seems to play a key role. Attention allocation depends on an orienting mechanism pending on limited WM capacity. Study 2a investigated WM load effects, induced by a memory task, on spatial and nonspatial orienting processes by analyzing event-related potentials (ERPs) that were measured by electroencephalography (EEG) and behavioral outcomes on a cued attention task. In study b, this attention task was translated to a simulated driving environment, allowing additional measurement of continuous driving (lane-keeping). Typical neurological markers of attention orienting were found, and some were affected by WM load, in both settings. This demonstrates the applicability of EEG markers as neural indicators in the study of visuospatial orienting and distraction also in more realistic task conditions. Study 2b additionally showed that the lane-keeping variability was reduced under high WM load. Meanwhile, WM load led to an increased number of errors in the memory task combined with decreased performance on the simulated attention task. This was indicated by an increased tendency to yield and a smaller ERP response to movement. Distraction while driving at intersections might degrade traffic flow when drivers stop at inappropriate moments. These chapters together indicate that a lack of cognitive resources can degrade driving performance. In chapter 3 and 4, we investigated how the interplay of cognitive with socialemotional mechanisms influences risky driving in young novice drivers. In chapter 3, we investigated whether decreased cognitive control, reflected in inhibitory control and WM performance, may partially explain risky driving in young novice drivers. Several driving measures were analyzed and it was indeed found that cognitive control relates to risky driving. The relation however was not always in the same direction. Better inhibitory control and verbal WM capacity were associated with better lane-keeping. Inhibitory control, but not WM, was also related with better hazard-handling as reflected in the detection of, reaction to, and crashes with road hazards. Better visuospatial WM capacity however related to increased risky driving, as reflected in yellow-light running and the following distance inside the city center. In chapter 4, we tested the dual process theory of risky driving by including peer passengers. Cognitive control was included by measuring inhibitory control. Driving performance measures were classified based on a driver-error model. Key findings of the study were: 1) risky driving increased in the presence of peer passengers in case of red light running (violation); 2) the risk-increasing effect on speeding (violation) was moderated (lowered) by (increased) inhibitory control; 3) distractive effects were reflected in reduced lanekeeping variability; 4) protective effects occurred for amber light running and hazard handling (cognition and decision making). Chapters three and four have important practical implications as insights coming from research on cognitive development can be applied to programs aimed at reducing injury risk for adolescents and young adults, such as GDL (Graduated Driver Licensing). Furthermore, the results apply to cognitive control training, which is based on the assumption that improved cognitive control leads to increased behavioral control and therefore decreased risky behavior. The current results indicate that more research is necessary to be able to determine the usefulness of cognitive training as 1) the relation with risky driving is not always negative, and 2) inhibitory control only moderated the effect of peer passengers on one driving measure (speeding). Part two of the thesis includes a questionnaire and VRDS to investigate driving in young novice drivers with ASD, a population that may experience additional problems when learning how to drive/while driving due to associated cognitive dysfunctions. In chapter five, we surveyed driver instructors. Several questions queried advice for teaching youth with ASD on how to drive, and for improving current driving education to better fit the needs of youth with ASD. Flemish driver instructors who encountered learner drivers with ASD acknowledged potential problems. Furthermore, respondents were asked to indicate whether specific characteristics often associated with ASD, have an impact on driving ability. Advice for teaching youth with ASD to drive mainly focused on a need for structure, clarity, visual demonstration, practice, repetition and an individualized approach. Results however also showed that the relation between ASD and driving performance might not always be negative but can be positive (e.g., rule-bound) too. The results also entail some practical implications. For instance, financial aids and driver instructor courses might improve the accessibility of driving lessons for youth with ASD. Furthermore, although not specifically queried, driver instructors indicated driving simulation as a means to familiarize ASD learner drivers with driving. In chapter six, we followed up on this issue as it consists of a preliminary investigation of the usefulness of virtual reality driving simulation training (VRDST) to improve both driving ability and cognitive control of US young novice drivers. It was found that VRDST indeed was able to improve those abilities. Different VRDST conditions (i.e., human feedback, automated feedback, automated feedback + eye tracking) however showed different results. Interestingly, human and automated feedback demonstrated improvement over on-road routine training (RT) alone in terms of speed and steering control. The results therefore provided initial support for the usefulness of VRDS to improve driving abilities in young novice drivers with ASD. Additional research however is warranted. In chapter seven, we extended on this research by investigating attitudes towards driving as an indication of apprehensive driving in in young novice drivers with ASD. The background for this study is provided by studies where it has already been found that people with ASD prefer other modes of transportation even after they have obtained their license, and that ASD comes with an increased risk for anxiety disorders. The study included a questionnaire probing for parent ratings. Additionally, it investigated whether VRDST could alleviate driving apprehension. Apprehension is defined by worry, a concern for the future, and verbal rumination about negative expectations and fears. The results showed that young novice ASD drivers showed more negative and less positive attitudes towards driving compared to a neuro-typical young novice driver control group, indicating apprehensive driving, which could interfere with safe driving. Training in the safe VRDS environment, however, resulted in improved attitudes toward driving, providing additional support for the usefulness of VRDST for young novice drivers with ASD.

De huidige thesis bekijkt onderliggende mechanismen van het rijgedrag van jonge beginnende bestuurders met en zonder een autisme spectrum stoornis (ASS). Het eerste gedeelte van de thesis bevat onderzoek op basis van virtuele realiteit rijsimulatie (VRRS) dat werd uitgevoerd met het oog op toetsing van de validiteit van een duale proces theorie van risicovol rijgedrag in neuro-typische jonge beginnende bestuurders. De duale proces theorie van risicovol rijgedrag biedt een kader voor risicovol rijgedrag door te kijken naar het gebrek aan evenwicht tussen de ontwikkeling van het sociaal-affectieve en het cognitieve controlerende hersensysteem. Deze disbalans wordt veroorzaakt door een kloof in de ontwikkeling tussen beide systemen (d.w.z., vroege ontwikkeling van het sociaalemotionele en late ontwikkeling van het cognitieve hersensysteem). In hoofdstuk één en twee (a en b) onderzochten we de hypothese dat er voldoende cognitieve capaciteit nodig is om de rijtaak veilig uit te voeren. In het bijzonder werd het negatieve effect van afleiding tijdens het rijden aangetoond. Afleiding kan op het zintuiglijke niveau optreden (bijv., visueel), maar ook op het cognitieve niveau, waar bijvoorbeeld ondersteunende technologie het werkgeheugen (WG) belast. Het uitvoeren van doelgericht gedrag tijdens afleiding is afhankelijk van beschikbare WG capaciteit (zie ook, Lavie’s belastings theorie), waaruit men kan afleiden dat mensen met een hogere WG capaciteit minder lijden onder prestatieverlies bij afleiding. In hoofdstuk één onderzochten we de interactie tussen verbale WG belasting en capaciteit om te bepalen of de rijprestatie van individuen met een hogere WG capaciteit minder negatief beïnvloed wordt door verbale WG belasting. De studie richtte zich op jonge beginnende bestuurders. Deze worden verondersteld nog vatbaarder te zijn voor de effecten van afleiding in vergelijk met meer ervaren bestuurders. Hiervoor zijn verschillende verklaringen mogelijk. Allereerst is hun rijvaardigheid nog niet voldoende geautomatiseerd. Daardoor moeten ze meer WG capaciteit in de rijtaak investeren. Daarnaast is hun WG capaciteit nog in ontwikkeling, waardoor ze minder capaciteit over hebben om te investeren in de afleidende activiteiten naast de rijtaak. Ten slotte zijn zij meer bereid om nieuwe technologieën te aanvaarden, waardoor zij eerder geneigd zijn deze afleidende technologie ook achter het stuur te gebruiken. Rijprestaties werden gemeten met de baanvakwisseltaak. Deelnemers reden met en zonder de afleidende taak (d.w.z., gelijkend op handenvrije technologie) van toenemende complexiteit. Rijprestaties verslechterden met toenemende verbale WG belasting. Een hogere WG capaciteit werd gerelateerd aan betere prestaties. Daarnaast, werden de deelnemers met een hogere WG capaciteit minder beïnvloed door WG belasting, ook al bleef er sprake van een negatieve invloed op de rijprestatie. Deze bevindingen tonen aan dat een verhoogde WG capaciteit niet voldoende is om negatieve effecten van afleiding tegen te gaan. In hoofdstuk twee (a en b) onderzochten we effecten van afleiding in een specifieke risicovolle omgeving bij volwassen bestuurders. Een aanzienlijk deel van de verkeersdoden komt om bij kruispuntongevallen. Het richten van de aandacht speelt hierbij waarschijnlijk een belangrijke rol. Het richten van aandacht is afhankelijk van een oriënterend mechanisme dat afhangt van de beperkte werkgeheugencapaciteit. Studie 2a onderzocht het effect van WG belasting, veroorzaakt door een geheugentaak, op ruimtelijke en niet-ruimtelijke oriëntatieprocessen door event-gerelateerde potentialen (ERP), die door elektroencefalografie (EEG) gemeten werden, en gedragsmatige uitkomsten op een teken-gerichte (d.w.z., een pijl) aandachtstaak te onderzoeken. In studie b, werd deze aandachtstaak vertaald naar een gesimuleerde rijomgeving, waardoor er een bijkomende continue rijparameter (baanvastheid) kon worden gemeten. In beide situaties werden er typische neurologische indicatoren van aandacht oriënterende processen gevonden, waarvan sommige negatief beïnvloed werden door de WG belasting. Dit toont de toepasbaarheid aan van EEG potentialen als neurale indicatoren van visueel-ruimtelijke oriëntatie en afleiding in realistischere taken. Dit toont de toepasbaarheid aan van ERP als neurale indicatoren van visueel-ruimtelijke oriëntatie en afleiding in meer realistische taken. Uit studie 2b blijkt bovendien dat de variëteit in de baanvastheid kleiner werd onder hoge WG belasting. Ook werd gevonden dat WG belasting tot een slechtere prestatie op de geheugentaak leidt. Dit stelden we vast in combinatie met verminderde prestaties op de gesimuleerde aandachtstaak, door een verhoogde neiging om voorrang te geven samen met een kleinere GGP reactie op beweging. Afleiding tijdens het rijden op kruispunten kan de verkeersstroom vertragen wanneer men onnodig tot stilstand komt. Deze hoofdstukken tonen daarbij aan dat een gebrek aan cognitieve middelen de rijprestaties negatief kan beïnvloeden. In hoofdstuk 3 en 4 onderzochten we hoe de wisselwerking tussen cognitieve en sociaal-emotionele mechanismen het risicovol rijgedrag van jonge beginnende bestuurders beïnvloedt. In hoofdstuk 3 onderzochten we of een verminderde cognitieve controle, hier gedefinieerd als lagere inhibitie en WG capaciteit, risicovol rijgedrag bij jonge beginnende bestuurders gedeeltelijk kan verklaren. Verschillende rijparameters werden geanalyseerd en de relatie tussen cognitieve controle en risicovol rijgedrag werd aangetoond. Deze relatie is echter niet altijd in dezelfde richting. Betere inhibitie en verbale WG capaciteit relateren met een betere baanvastheid. Betere inhibitie, maar niet WG, relateert met een betere reactie t.a.v. gevaren zoals gemeten door: detectie van, reactie op, en botsingen met onverwachte gevaren op de weg. Een betere visuospatiële WG capaciteit is echter gerelateerd aan meer risicogedrag zoals gemeten door doorheen het oranje licht rijden en de volgafstand in de bebouwde kom. In hoofdstuk 4 testten we de duale proces theorie van risicovol rijgedrag door de aanwezigheid van passagiers van dezelfde leeftijdsgroep. Inhibitie diende als maat voor cognitieve controle. De rijparameters werden ingedeeld op basis van een model voor rijfouten. De belangrijkste bevindingen van het onderzoek waren: 1) voor door het rood licht rijden (overtreding)was risicovol rijgedrag verhoogd in de aanwezigheid van peer passagiers; 2) het risico vergrotende effect op snelheid (overtreding) werd gemodereerd (verlaagd) door (betere) inhibitie; 3) afleidende effecten kwamen tot uiting in verminderde variabiliteit in baanvastheid; 4) beschermende effecten traden op voor oranje licht rijden en omgaan met gevaren op de weg (cognitie en besluitvorming). Hoofdstukken drie en vier hebben belangrijke praktische toepassingen aangezien inzichten uit het onderzoek naar cognitieve ontwikkeling toegepast kunnen worden op programma's die gericht zijn op het verminderen van het ongevallenrisico van adolescenten en jonge volwassenen, zoals GDL (Graduated Drivers Licensing, getrapt opleidingssysteem). Bovendien zijn de resultaten relevant voor training van de cognitieve controle, gebaseerd op de aanname dat cognitieve controle tot verhoogde zelfregulatie leidt en zo tot minder risicovol gedrag. De huidige resultaten tonen aan dat meer onderzoek nodig is om de bruikbaarheid van cognitieve training te bepalen aangezien 1) de relatie met risicovol rijgedrag niet altijd negatief was en 2) inhibitie slechts het effect van passagiers op één rijparameter (overdreven snelheid) modereerde. Deel twee van het proefschrift bevat studies bestaande uit vragenlijsten en VRRS om het rijden van jonge beginnende bestuurders met autisme spectrum stoornissen (ASS) te onderzoeken. Bestuurders met ASS hebben mogelijk bijkomende problemen tijdens het (leren) rijden omwille van cognitieve beperkingen die geassocieerd zijn met ASS. In hoofdstuk vijf is een bevraging van rijinstructeurs uitgevoerd. Verschillende vragen waren gericht op advies om jongeren met ASS te leren rijden en op het verbeteren van de huidige rijopleiding zodat deze beter aansluit bij de behoeften van jongeren met ASS. Aan de respondenten werd gevraagd aan te geven of specifieke kenmerken die vaak geassocieerd worden met ASS, een impact hebben op de rijvaardigheid. Volgens Vlaamse rijinstructeurs die ervaring hadden met ASS kunnen jonge beginnende bestuurders wel degelijk problemen ondervinden tijdens het leren rijden. Advies was vooral gericht op het bieden van structuur, duidelijkheid, visualisatie, praktijk, herhaling en een geïndividualiseerde aanpak. Uit de resultaten bleek echter ook dat de relatie tussen ASS en rijprestaties niet altijd negatief is, (bijv., gebondenheid aan regels). De resultaten hebben ook een aantal praktische implicaties. Zo kunnen financiële steun en cursussen voor de rijinstructeur de toegankelijkheid van rijlessen voor jongeren met ASS verbeteren. Hoewel niet specifiek bevraagd, werd aangegeven dat VRRS een middel is om jonge beginnende ASS bestuurders vertrouwd te maken met rijden. In hoofdstuk zes geven we hier een logisch vervolg aan. Deze exploratieve studie ging de toepasbaarheid van virtuele rijsimulatie training (VRRST) na om de rijvaardigheid alsook de cognitieve controle van Amerikaanse jonge beginnende bestuurders te verbeteren. VRRST blijkt inderdaad in staat deze vaardigheden te verbeteren. Verschillende VRRST condities (dwz., menselijke feedback, geautomatiseerde feedback, geautomatiseerde feedback + eye tracking) leiden echter tot verschillende resultaten. Interessant om te weten is dat menselijke en geautomatiseerde feedback leiden tot verbetering van rijvaardigheid in termen van snelheid en besturing. Deze resultaten tonen dus aan dat VRRST kan helpen om de rijvaardigheid van jonge beginnende bestuurders met ASS te verbeteren. Bijkomend onderzoek zal echter nodig zijn. Een belangrijk startpunt hierbij, is eerder onderzoek dat aantoonde dat mensen met ASS liever andere vormen van vervoer gebruiken, zelfs nadat ze hun rijbewijs hebben behaald. Verder is het ook zo dat ASS samengaat met een verhoogd risico op angststoornissen. In hoofdstuk zeven onderzoeken we daarom attitudes ten aanzien van rijden wanneer er sprake is van een indicatie van rijangst bij jonge beginnende bestuurders met ASS. Angst wordt gekenmerkt door zorgen, angst voor de toekomst, en verbale uitweidingen over negatieve verwachtingen en angsten. De studie maakt gebruik van een vragenlijst die door ouders werd ingevuld. Hierbij werd ook onderzocht of VRRST deze angst kon verminderen. De resultaten tonen aan dat jonge beginnende bestuurders met ASS meer negatieve en minder positieve attitudes hebben ten aanzien van rijden in vergelijking met een neuro-typische controle groep van jonge beginnende bestuurders. Dit is een indicatie van rijangst, wat veilig rijden kan beperken. Training in een veilige VRRS omgeving resulteert echter in een betere houding ten aanzien van het rijden. Dit ondersteunt opnieuw het idee dat VRRST nuttig kan zijn voor jonge beginnende bestuurders met ASS.