Name: utilizing electroencephalography measurements for comparison of task-specific neural efficiencies: spatial intelligence tasks
Uploaded: 2016-08-09T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Utilizing Electroencephalography Measurements for Comparison of Task-Specific Neural Efficiencies: Spatial Intelligence Tasks at JoVE.com

Os autores gostariam de reconhecer Christopher Green, Bradley Robinson, e Maria Manuela Valladares, para ajudar com a coleta de dados. O financiamento para equipamentos de EEG foi fornecido pelo Escritório de Pesquisa e Pós-Graduação Equipamento Grant da Universidade Estadual de Utah para multisensorial Cognition Lab de Kerry Jordan. Benjamin chamada é suportado por uma presidencial Doutorado Research Fellowship atingido pela Escola de Pós-Graduação da Universidade Estadual de Utah por seu trabalho com o Dr. Wade Goodridge.

Declaração ético de se usar de Participantes Humanos Procedimentos envolvidos neste trabalho foram aprovados pelo Institutional Review Board (IRB) na Universidade Estadual de Utah para o estudo dos assuntos humanos. Recomenda-se que qualquer trabalho semelhante também deve ser aprovado pelo IRB relevante. Os participantes estão autorizados a parar ou se retirar do estudo a qualquer momento durante o experimento. 1. Seleção de Participantes <ol><li> Selecione os participantes num...

<ol>
	<li>Sorby, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Educational+Research+in+Developing+3-D+Spatial+Skills+for+Engineering+Students.">Educational Research in Developing 3-D Spatial Skills for Engineering Students.</a> Int. J. Sci. Educ. 31 (3), 459-480 (2009).</li><li>Wai, J., Lubinski, D., Benbow, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatial+Ability+for+STEM+Domains:+Aligning+Over+50+Years+of+Cumulative+Psychological+Knowledge+Solidifies+Its+Importance.">Spatial Ability for STEM Domains: Aligning Over 50 Years of Cumulative Psychological Knowledge Solidifies Its Importance.</a> J. Educ. Psychol. 101 (4), 817-835 (2009).</li><li>Uttal, D. H., Cohen, C. 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Brain Res. 207 (2), 466-475 (2010).</li><li>Del Percio, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=&#34;Neural+efficiency&#34;+of+athletes'+brain+for+upright+standing:+a+high-resolution+EEG+study.">&#34;Neural efficiency&#34; of athletes' brain for upright standing: a high-resolution EEG study.</a> Brain Res. Bull. 79 (3-4), 193-200 (2009).</li><li>Grabner, R. H., Fink, A., Stipacek, A., Neuper, C., Neubauer, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intelligence+and+working+memory+systems:+evidence+of+neural+efficiency+in+alpha+band+ERD.">Intelligence and working memory systems: evidence of neural efficiency in alpha band ERD.</a> Brain Res. Cognitive Brain Res. 20 (2), 212-225 (2004).</li><li>Grabner, R. H., Neubauer, A. 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H., Fink, A., Neuper, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intelligence+and+neural+efficiency:+Further+evidence+of+the+influence+of+task+content+and+sex+on+the+brain-IQ+relationship.">Intelligence and neural efficiency: Further evidence of the influence of task content and sex on the brain-IQ relationship.</a> Cognitive Brain Res. 25 (1), 217-225 (2005).</li><li>Riecansk&#253;, I., Katina, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Induced+EEG+alpha+oscillations+are+related+to+mental+rotation+ability:+The+evidence+for+neural+efficiency+and+serial+processing.">Induced EEG alpha oscillations are related to mental rotation ability: The evidence for neural efficiency and serial processing.</a> Neurosci. Lett. 482 (2), 133-136 (2010).</li><li>Roberts, J. 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R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Human+theta+oscillations+exhibit+task+dependence+during+virtual+maze+navigation.">Human theta oscillations exhibit task dependence during virtual maze navigation.</a> Nature. 399 (6738), 781-784 (1999).</li><li>Delorme, A., Makeig, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=EEGLAB:+An+open+source+toolbox+for+analysis+of+single-trial+EEG+dynamics+including+independent+component+analysis.">EEGLAB: An open source toolbox for analysis of single-trial EEG dynamics including independent component analysis.</a> J. Neurosci. Meth. 134, 9-21 (2004).</li><li>Delorme, A., Sejnowski, T., Makeig, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+detection+of+artifacts+in+EEG+data+using+higher-order+statistics+and+independent+component+analysis.">Enhanced detection of artifacts in EEG data using higher-order statistics and independent component analysis.</a> NeuroImage. 34, 1443-1449 (2007).</li><li>Meyer-Lindenberg, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+maps+to+mechanisms+through+neuroimaging+of+schizophrenia.">From maps to mechanisms through neuroimaging of schizophrenia.</a> Nature. 468, 194-202 (2010).</li><li>Campbell, S. R., Patten, K. E., Campbell, S. 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J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effects+of+bilateral+EEG+biofeedback+on+verbal,+visual-spatial,+and+creative+skills+in+learning+disabled+male+adolescents.">The effects of bilateral EEG biofeedback on verbal, visual-spatial, and creative skills in learning disabled male adolescents.</a> J. Learn. Disabil. 14 (4), 204-208 (1981).</li></ol>

O protocolo discute a aplicação da eletroencefalografia para medir a atividade cerebral dos participantes problemas de trabalho a partir de dois instrumentos típicos habilidade espacial e problemas de engenharia Estática altamente espaciais. Os métodos detalhados aqui pode vir a ser capaz de ajudar a compreender a eficiência neural de artistas de alta e baixa envolvidos em trabalhar esses problemas. É vital para entender as diferenças na eficiência neurais de estudantes de engenharia que trabalham no MCT e TPSV...

Habilidade espacial é vital para a Ciência, Tecnologia, Engenharia e Matemática (STEM) campos e educação e correlaciona-se com sucesso nestas áreas 1,2,3. Portanto, é importante para compreender o desenvolvimento de impactos como espacial capacidade de resolução de problemas 4. Habilidade espacial tem sido associada a juros de 5, desempenho 6, sucesso nos estudos de engenharia 7 e sucesso em profissionais de engenharia 8. No entanto, não há um monte de trabalho, indicando processos neurais específicos na resolução de problemas típicos de muitos instrumentos habilidade espacial, nem conteúdo de engenharia específica que é altamente espacial. Este documento fornece uma introdução aos métodos utilizados para a coleta e análise de pontuação de instrumentos capacidade espaciais combinadas com medidas neurais dados. A intenção de publicar com JoVE é fazer com que esses métodos mais acessível a um público mais amplo. hardware público em geral e wer softwaree utilizada neste estudo. Como um papel de métodos, resultados completos / conjuntos de dados não são relatados, nem são múltiplas amostras fornecidas. Todas as imagens foram capturadas especificamente para esta publicação. Os métodos detalhados a seguir foram utilizadas na preparação de um relatório da conferência preliminar 9 com base em dados de oito universitários participantes do segundo ano de idade, três dos quais eram do sexo feminino. Muitos instrumentos existentes são utilizados para indicar os níveis de habilidade espacial inerente a ou aprendido por indivíduos. Dois válidos e confiáveis ​​10,11 instrumentos que são comumente usados ​​são o Mental teste de corte (MCT) 12 eo teste Purdue Spatial Visualização de rotações (TPSV: R) 13. Embora originalmente concebido profissionalmente 14 destes instrumentos testar diferentes estágios de desenvolvimento visualização espacial descrito por teoria piagetiana 10,15. A utilização destes instrumentos cria uma necessidade de compreender os fenômenos cognitivos fisiológicos subjacentes existing quando os indivíduos trabalhar com estes problemas. Por esta razão, este estudo tem como objetivo apresentar métodos que utilizam dados fisiológicos empírica de que pode vir a melhorar a análise e compreensão do pensamento espacial, verificar as capacidades de teste de métricas existentes, e aumentar a aplicabilidade das avaliações espaciais problemas a mais complexos típicos para ensino de engenharia. Muitos destes problemas podem ser encontradas em engenharia Estática. Estática é uma mecânica fundamentais curso ministrado para a maioria dos estudantes de engenharia (por exemplo., Biológicos, mecânicos, Civil, Ambiental, Engenharia Aeroespacial) 16,17. É um dos primeiros extensas experiências de resolução de problemas que os alunos são dadas no núcleo de conteúdo de engenharia 18. Estática envolve o estudo da interacção de forças sobre um corpo rígido que está em repouso ou em movimento a uma velocidade constante. Infelizmente Estática tem alta de abandono, a retirada, e as taxas de falha (14%, como visto nas invesUniversidade vestigada) e isso pode estar relacionado com modelos de entrega de aula e currículo tradicional que omitem avenidas principais de apoio, tais como abordagens espacialmente reforçada para a educação. Por exemplo, as abordagens espacialmente aprimorados em Estática pode direcionar a visualização de como as forças interagem fora da análise analítica típica e reforçar o conhecimento processual dos alunos com conceituação aterrada. A eficácia de tais intervenções precisa ser investigado a partir de uma perspectiva cognitiva neurocientífica. Eletroencefalografia (EEG) apresenta um método único e móvel de medição de atividade de ondas cerebrais dos alunos. Os indivíduos que executam as tarefas que provocam a ativação beta são geralmente muito envolvidos com as especificidades de tarefas e estão atentos ao que eles estão fazendo 19,20. Como tarefa exige aumento, a amplitude da onda beta aumenta, assim como o tamanho da área cortical as frequências de banda ocupam. Quanto mais neurônios que disparam dentroa gama de frequências beta (alfa: 8 - 12 Hz, beta: 12 - 24 Hz) pode ser definida como uma maior potência beta. De um modo semelhante, como uma pessoa se torna mais experiente em uma tarefa, a amplitude das ondas beta diminui, geração de energia menos beta. Esta é parte da hipótese de eficiência neural 21-28, em que a maior experiência tarefa ao executar uma tarefa está relacionada a uma diminuição do poder de frequência. Embora EEG anteriormente foi utilizado no estudo da capacidade espacial (frequentemente para rotação mental e tarefas de navegação espacial) - e dados aplicáveis ​​foram identificados na posição alfa, beta, teta e bandas de 27-33 - alfa e beta bandas foram observadas para esta estudo e beta foi seleccionado para posterior análise representativa neste trabalho e no relatório da conferência preliminar 9. Os procedimentos a seguir definidos, assim, concentrar-se na análise de banda beta, mas uma investigação sobre todas as três bandas, dependendo dos dados registrados, é recomendável no futuro. ohipótese de eficiência neural foi testado em várias tarefas, incluindo xadrez, memória visual-espacial, equilíbrio, e descansar. Todos têm indicado experiência tarefa como um factor de potência de frequência diminuiu ao executar tarefas familiares. Um particular estudo 25 apresentou provas de que, embora a inteligência de uma pessoa (como medido pelo QI) pode ajudar o indivíduo a adquirir as habilidades para executar uma tarefa, a experiência com a tarefa supera a inteligência na sua contribuição para a eficiência neural. Em outras palavras, quanto mais experimentado um indivíduo é, o mais eficiente neuralmente ele ou ela se torna. Existentes estudos de eficiência neurais que envolvem habilidade espacial têm focado principalmente na rotação espacial e diferentes conjuntos de problemas têm sido usados ​​para comparar diferentes populações (por exemplo., Masculino / feminino) 27-28. Estudos de EEG de tarefas de habilidades espaciais também forneceram uma visão, comparando o desempenho com outros tipos de tarefa (por exemplo., Tarefas verbais)27,29,30. Os métodos discutidos neste documento em foco e comparar os problemas do MCT, TSVP: R, bem como as tarefas de equilíbrio estático, que está relacionado com a capacidade espacial, mas não estão limitados a rotação espacial e de navegação. Outras tarefas espaciais podem ser utilizados no lugar dos que foram dados como exemplos neste manuscrito. Desta forma, esclarecimentos adicionais poderão ser obtidos no futuro sobre populações diferentes (por exemplo., Masculino / feminino ou perito / iniciante) para, finalmente, ajudar a melhorar as práticas de ensino de engenharia. Em um esforço para investigar habilidade espacial e aptidão engenharia, temos desenvolvido um protocolo utilizando medições de EEG para identificar as ativações onda beta de baixo desempenho para os participantes de alto desempenho durante uma bateria limitada de tarefas espaciais e engenharia específicos. Neste caso, o elevado desempenho termo está relacionado com o desempenho do participante, e não é reflexo da quantidade de tempo gasto no campo pelaaluno, como todos os participantes eram aproximadamente no mesmo ponto em sua educação. Além disso, o conjunto de problemas envolvidos é bastante específico e básico; Assim, os termos &quot;especialista&quot; ou &quot;alto desempenho&quot; aqui não deve ser visto no sentido de um especialista, engenheiro profissionalmente empregada, mas representando apenas alto desempenho nesta estreita fatia de engenharia mecânica currículo e instrumentos habilidade espacial. As medições neurais também podem ser usados ​​para identificar quaisquer tendências brutas para os quais tipos de tarefas podem recrutar mais recursos cognitivos do que outros, com possibilidade de interpretação em relação aos níveis de dificuldade. Esta informação pode potencialmente fornecer informações sobre avaliação e intervenção futura no que diz respeito à capacidade espacial. Outros visão futuro pode ser derivada considerando regiões mais específicas do cérebro, que não foi possível neste estudo devido ao número limitado de canais disponíveis no hardware utilizado EEG.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Emotiv EPOC Model 1.0</td>
			<td>Emotiv</td>
			<td>Model: Emotiv Premium</td>
			<td>&#34;High resolution, multi-channel, portable EEG system.&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Emotiv Control Panel (software)</td>
			<td>Emotiv</td>
			<td></td>
			<td>Used for data collection.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Emotiv Testbench (software)</td>
			<td>Emotiv</td>
			<td></td>
			<td>Used for data collection.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Virtual Serial Port Emulator - VSPE (software)</td>
			<td>ETERLOGIC.COM</td>
			<td></td>
			<td>Used COM10 in data collection. Available as a free download, depending on the operating system.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>E-Prime 2.0 (software)</td>
			<td>Psychology Software Tools</td>
			<td></td>
			<td>Used for data collection (presentation of problems to participants and collection of markers for different phases).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EEGLab 13.4.4b (software)</td>
			<td>Swartz Center for Computational Neuroscience (SCCN)</td>
			<td></td>
			<td>Used for data analysis. &#34;An open source environment for electrophysiological signal processing&#34;. SCCN is a Center of the Institute for Neural Computation, the University of California San Diego.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB R2014b</td>
			<td>The Mathworks, Inc.</td>
			<td></td>
			<td>Used to run EEGLab</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microsoft Excel 2013</td>
			<td>Microsoft</td>
			<td></td>
			<td>Used to assemble and compare tabulated results from EEGLab &#38; MATLAB, to create tables</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camcorder with built in Mic</td>
			<td>Canon</td>
			<td>CNVHFR50</td>
			<td>Used to record sessions</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe Kit (5cc syringe &#38; 2 16g blunted needles)</td>
			<td>Electro-Cap Intnl. Inc.</td>
			<td>E7</td>
			<td>For keeping the EEG cap&#39;s felts damp.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nuprep EEG Skin Prep Gel</td>
			<td>Weaver and Company</td>
			<td>10-30</td>
			<td>For cleaning the mastoid process.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sanitizer</td>
			<td>Purell</td>
			<td>S-12808</td>
			<td>For sanitizing hands</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

utilizing electroencephalography measurements for comparison of task-specific neural efficiencies: spatial intelligence tasks

inteligência espacial está muitas vezes ligada ao sucesso em profissões de ensino de engenharia e engenharia. O uso da eletroencefalografia permite cálculo comparativo da eficiência neural dos indivíduos como eles executam tarefas sucessivas que exigem habilidade espacial para derivar soluções. eficiência neural é aqui definido como tendo menos de activação beta, e portanto despender menos recursos neurais, para executar uma tarefa em comparação com outros grupos ou outras tarefas. Para comparações inter-tarefa de tarefas com durações semelhantes, estas medidas podem permitir uma comparação do tipo tarefa dificuldade. Para comparações intra-participante e inter-participantes, estas medições fornecem uma visão potencial em nível do participante da capacidade espacial e diferentes tarefas problema de engenharia resolver. Desempenho nas tarefas selecionadas podem ser analisadas e correlacionadas com atividades beta. Este trabalho apresenta um protocolo de pesquisa detalhada estudar a eficiência neural de estudantes engenvelhecido na resolução de habilidade espacial típica e problemas Estática. Os estudantes responderam a problemas específicos do Mental teste de corte (MCT), o teste Visualization Purdue espacial da Rotações (TPSV: R) e Estática. Enquanto empenhados em resolver estes problemas, as ondas cerebrais dos participantes foram medidos com EEG permitindo que os dados a serem coletados sobre a ativação de ondas alfa e beta do cérebro e usar. O trabalho parece correlacionar o desempenho funcional em tarefas espaciais puros com as tarefas de engenharia espacialmente intensivos para identificar as vias para um desempenho de sucesso na engenharia e as melhorias resultantes na educação em engenharia que podem seguir.

Nesta secção, os passos anteriores são ilustradas com valores de amostra, tal como descrito abaixo. resumos de dados completos com testes estatísticos não são fornecidos, como o objetivo deste trabalho é se concentrar em métodos. Exemplos de potencial TSVP: R, MCT, e problemas espaciais são dadas na Figura 1, Figura 2 e Figura 3, respectivamente. A tampa EEG irá recolher activação cérebro através de potenciais eléctricos para cada canal de dados, o que pode ser visto ...

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Utilizing Electroencephalography Measurements for Comparison of Task-Specific Neural Efficiencies: Spatial Intelligence Tasks

Este manuscrito descreve uma abordagem para medir a atividade neural dos seres humanos ao mesmo tempo resolver problemas de engenharia espacialmente focalizados. A metodologia eletroencefalograma ajuda a interpretar as medições de ondas cerebrais beta em termos de eficiência neural, com o objectivo de permitir, em última instância comparações de desempenho da tarefa, tanto entre os tipos de problemas e entre os participantes.

Utilizando Medidas Eletroencefalografia para Comparação de Eficiência Neurais Task-específicos: Tarefas Spatial Intelligence

Spatial intelligence is often linked to success in engineering education and engineering professions. The use of electroencephalography enables ...

Research

JoVE Journal

Behavior

Simultaneous Scalp Electroencephalography (EEG), Electromyography (EMG), and Whole-body Segmental Inertial Recording for Multi-modal Neural Decoding

Simultaneous Scalp Electroencephalography EEG, Electromyography EMG, and Whole-body Segmental Inertial Recording for Multi-modal Neural Decoding

Eletroencefalografia simultânea Scalp (EEG), eletromiografia (EMG), e gravação de inércia segmentar de corpo inteiro para Multi-modal Neural Decoding

Recent  studies support the involvement of supraspinal networks in control of bipedal  human walking. Part of this evidence  encompasses studies, ...

Comportamento

Automated Visual Cognitive Tasks for Recording Neural Activity Using a Floor Projection Maze

Tarefas cognitivas Visuais automatizadas para gravação Atividade Neural Usando uma projeção Piso Labirinto

Neuropsychological tasks used in primates to investigate mechanisms of learning and memory are typically visually guided cognitive tasks. We have ...

Uncovering Beat Deafness: Detecting Rhythm Disorders with Synchronized Finger Tapping and Perceptual Timing Tasks

Descobrindo batida Surdez: Distúrbios Detecção de ritmo com o dedo Sincronizado Tapping e Tarefas de temporização da Percepção

A set of behavioral tasks for assessing perceptual and sensorimotor timing abilities in the general population (i.e., non-musicians) is presented here ...

Performing Behavioral Tasks in Subjects with Intracranial Electrodes

Executar tarefas comportamentais em indivíduos com intracranianos Eletrodos

Patients having stereo-electroencephalography (SEEG) electrode, subdural grid or depth electrode implants have a multitude of electrodes implanted in ...

Practical Methodology of Cognitive Tasks Within a Navigational Assessment

Metodologia Prática de tarefas cognitivas Dentro de uma Avaliação de Navegação

This paper describes an approach for measuring navigation accuracy relative to cognitive skills. The methodology behind the assessment will thus be ...

Asymmetric Walkway: A Novel Behavioral Assay for Studying Asymmetric Locomotion

Asymmetric Passagem: A Novel de Ensaio Comportamental de Estudos de Asymmetric Locomotion

Behavioral assays are commonly used for the assessment of sensorimotor impairment in the central nervous system (CNS). The most sophisticated methods for ...

Using the Activity-based Anorexia Rodent Model to Study the Neurobiological Basis of Anorexia Nervosa

Usando a Anorexia Rodent modelo baseado em atividades para estudar a base neurobiológica da Anorexia Nervosa

Anorexia nervosa (AN) is a psychiatric illness characterized by excessively restricted caloric intake and abnormally high levels of physical activity. A ...

Using Fiberless, Wearable fNIRS to Monitor Brain Activity in Real-world Cognitive Tasks

Usando sem fibras, fNIRS Wearable para monitorar a atividade do cérebro em tarefas cognitivas do mundo real

Functional Near Infrared Spectroscopy (fNIRS) is a neuroimaging technique that uses near-infrared light to monitor brain activity. Based on neurovascular ...

Concurrent Electroencephalography Recording During Transcranial Alternating Current Stimulation (tACS)

Concurrent Electroencephalography Recording During Transcranial Alternating Current Stimulation tACS

Concurrent Gravação Eletroencefalografia Durante Transcranial estimulação alternada Corrente (TAC)

Oscillatory brain activities are considered to reflect the basis of rhythmic changes in transmission efficacy across brain networks and are assumed to ...