Name: measuring statistical learning across modalities and domains in school-aged children via an online platform and neuroimaging techniques
Uploaded: 2020-06-30T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Measuring Statistical Learning Across Modalities and Domains in School-Aged Children Via an Online Platform and Neuroimaging Techniques at JoVE.com

Vi takker Yoel Sanchez Araujo og Wendy Georgan for deres bidrag i den oprindelige udformning af den web-baserede platform. Vi takker An Nguyen og Violet Kozloff for deres arbejde med at forbedre de webbaserede statistiske læringsopgaver, implementere fMRI-opgaverne og afprøve opgaverne hos voksne deltagere. Vi takker Violet Kozloff og Parker Robbins for deres bidrag til at bistå dataindsamling hos børn. Vi takker Ibrahim Malik, John Christopher, Trevor Wigal og Keith Schneider ved Center for Biological and Brain Imaging ved University of Delaware for deres hjælp til neuroimaging dataindsamling. Dette arbejde finansieres delvist af National Institute on Døvhed og andre kommunikationsforstyrrelser (PI: Qi; NIH 1R21DC017576) og National Science Foundation Directorate for Social, Behavioral & Economic Sciences (PI: Schneider, Co-PI: Qi & Golinkoff; NSF 1911462).

Alle deltagere gav skriftlig tilladelse til at deltage, og undersøgelsen blev gennemført i overensstemmelse med Det Institutionelle Klagenævn.
1. Oversigt over det statistiske læringsparadigme, der anvendes i den webbaserede protokol
<ol><li>Medtag fire opgaver i det nuværende paradigme: billede (visuel-nonlinguistic), brev (visuel-sproglig), tone (auditive-nonlinguistic), og stavelse (auditive-sproglige).<ol>
<li>Konstruere stimuli til visuelle opgaver ved hjælp af 12 enkeltstående f...

De metoder, der præsenteres i den nuværende protokol giver en multimodal paradigme for at forstå adfærdsmæssige og neurale indekser for statistisk læring på tværs af løbet af udviklingen. Det nuværende design gør det muligt at identificere individuelle forskelle i statistisk indlæringsevne på tværs af modaliteter og områder, som kan bruges til fremtidig undersøgelse af forholdet mellem statistisk læring og sprogudvikling. Da en persons statistiske indlæringsevne findes at variere på tværs af domæner ...

Statistisk læring er en elementær færdighed, der understøtter erhvervelsen af regelstyrede kombinationer i sproginput1. Vellykket statistisk indlæringsevne hos spædbørn forudsiger senere sprogindlæringssucces2,3. Variabilitet i statistiske læringsfærdigheder hos børn i skolealderen har også været forbundet med ordforråd4 oglæsning 5,6. Der er foreslået vanskeligheder med statistisk læring som en æiologisk mekanisme , der ligger til grund forsprogforringelse 7. På trods af forbindelsen mellem statistisk læring og sprogresultater i både neurotypiske og atypiske populationer er de kognitive og neurale mekanismer, der ligger til grund for statistisk læring, fortsat dårligt forstået. Desuden har tidligere litteratur vist, at statistisk indlæringsevne inden for en enkelt person ikke er ensartet, men uafhængig på tværs af domæner ogmodaliteter 6,8,9. Den udviklingsmæssige bane for statistiske læringsevner kan variere yderligere på tværs af domæner og modaliteter10. Disse resultater understreger vigtigheden af at vurdere individuelle forskelle i statistisk læring på tværs af flere opgaver i løbet af udviklingen. Feltet kræver imidlertid først en mere systematisk undersøgelse af forholdet mellem statistisk læring og førstesprogsudvikling. For at løse disse spørgsmål anvender vi innovative metoder, herunder en webbaseret testplatform11, der når ud til et stort antal børn, og laboratoriebaserede neuroimagingteknikker (funktionel magnetisk resonansbilleddannelse eller fMRI), der undersøger realtidskodning af statistiske oplysninger.
Standard mål for statistisk læring begynder med en fortrolighedsfase og efterfølges af en to-alternativ tvungen valg (2-AFC) opgave12,13. Den familiarization fase introducerer en kontinuerlig strøm af stimuli indlejret med statistiske regelmæssigheder, hvor nogle stimuli er mere tilbøjelige til at co-forekomme end andre. Præsentationen af disse samtidig forekommende stimuli følger en fast tidsmæssig orden. Deltagerne udsættes passivt for strømmen i inddæmningsfasen efterfulgt af en 2-AFC-opgave, der tester, om deltageren har udtrukket mønstrene. 2-AFC-nøjagtighedsopgaven præsenterer to på hinanden følgende sekvenser: Den ene sekvens er blevet præsenteret for deltageren i fortrolighedsfasen, mens den anden er en ny sekvens eller indeholder en del af sekvensen. Over-chance nøjagtighed på 2-AFC ville indikere vellykket læring på gruppeniveau. Traditionelle adfærdsmæssige opgaver, der vurderer statistisk læring generelt stole på nøjagtighed som resultatet mål for læring. Men nøjagtigheden undlader at tage højde for den naturlige læring af information, som det udfolder sig i tide. Det er nødvendigt at måle læring i realtid for at udnytte den implicitte læringsproces med statistisk læring , hvor børn stadig kodler regelmæssighederne fra input14,15og16. Forskellige tilpasninger på tværs af paradigmer er blevet udviklet i et forsøg på at bevæge sig væk fra 2-AFC foranstaltning, i retning af mål for on-line læring gennem adfærdsmæssige reaktioner undereksponeringen 16. Undersøgelser, der anvender disse tilpasninger, og som måler reaktionstiden i eksponeringsfasen, viste, at de var relateret til nøjagtigheden efterindlæringen 17 med bedre testsikkerhedspålidelighed i forhold til nøjagtigheden hos voksneelever 18.
Neurale foranstaltninger er også grundlæggende for vores forståelse af, hvordan læring udfolder sig over tid, som den implicitte proces, som sprogindlæring opstår sandsynligvis rekrutterer forskellige neurale ressourcer fra dem, der anvendes, når sproget erlært 19. Neurale foranstaltninger giver også indsigt i forskelle i kognitive specialiseringer underliggende sprog evne på tværs af særligepopulationer 20. Hvordan tilstandskontrasten er designet i en fMRI-undersøgelse er afgørende for, hvordan vi fortolker mønstre af neural aktivering under læring. En almindelig praksis er at sammenligne hjernens reaktioner i fortrolighedsfasen mellem sekvenser, der indeholder regelmæssige mønstre i forhold til dem, der indeholder de samme stimuli, som bestilles tilfældigt. Men, tidligere forskning gennemføre en sådan tilfældig kontrol tilstand fandt ingen beviser for læring i adfærd, trods neurale forskelle mellem strukturerede og tilfældige sekvenser. Dette kan skyldes interferens af tilfældige sekvenser på læring af strukturerede sekvenser, som begge blev konstrueret af de samme stimuli21,22. Andre fMRI undersøgelser, der udnyttede tilbagestående tale eller tidligere læring blokke som kontrol betingelse bekræftet læring fandt stedadfærdsmæssigt 19,23. Hvert af disse paradigmer indførte imidlertid sin egen konfunderende faktor, såsom virkningen af sprogbehandling i førstnævnte tilfælde og virkningen af forsøgskendelsen i sidstnævnte tilfælde. Vores paradigme bruger den tilfældige sekvens som kontrolbetingelse, men afbøder deres indblanding i deltagernes læring af de strukturerede sekvenser. Vores fMRI paradigme implementerer også en blandet blok / event-relateret design, som giver mulighed for samtidig modellering af forbigående forsøg-relaterede og vedvarende opgave-relaterede FED signaler24. Endelig, og mere bredt, neurale foranstaltninger giver mulighed for måling af læring i populationer, hvor fremkalde en eksplicit adfærdsmæssig reaktion kan være vanskeligt (f.eks udviklingsmæssige og særlige populationer)25.
Den nuværende protokol vedtager en responstidsmål, ud over traditionelle nøjagtighedsmål, og undersøger hjernens aktivering i fortrolighedsfasen. Kombinationen af disse metoder har til formål at give et rigt datasæt til undersøgelse af læringsprocesser i realtid. Den webbaserede platform tilbyder et sæt læringsforanstaltninger ved at inkludere både responstiden i eksponeringsfasen og nøjagtigheden af 2-AFC-opgaven i testfasen. Den neuroimaging protokol giver mulighed for undersøgelse af de underliggende neurale mekanismer, der understøtter statistisk læring på tværs af domæner og modaliteter. Selv om det er optimalt at måle statistisk læring inden for en person, der bruger både webbaserede protokoller og fMRI-protokoller, er opgaverne udformet således, at de kan formidles uafhængigt og derfor som to uafhængige mål for statistisk læring. De fMRI-eksperimenter, der indgår i den aktuelle protokol, kan hjælpe med at afklare, hvordan stimuluskodning, mønsterudtrækning og andre bestanddele af statistisk læring repræsenteres af bestemte hjerneregioner og netværk.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>4 Button Inline Response Device</td>
			<td>Cambridge Research Systems</td>
			<td>SKU: N1348</td>
			<td>An fMRI reponse pad used for measuring in-scanner response time</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Short/Slim Canal Tips</td>
			<td>Comply Foam</td>
			<td>SKU: 40-15028-11</td>
			<td>Short &#38; slim in-ear canal tips are recommended for children to protect hearing and allow for them to hear the stimuli while in the scanner.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>jsPsych</td>
			<td>jsPsych</td>
			<td>https://www.jspsych.org/</td>
			<td>jsPsych is a JavaScript library for running behavioral experiments in a web browser.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Speech Synthesizer</td>
			<td>Praat</td>
			<td>Version 6.1.14</td>
			<td>This program is an artificial speech synthesizer which was used to create the syllable stimuli.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Web-based statistical learning tasks</td>
			<td>Zenodo</td>
			<td>http://doi.org/10.5281/zenodo.3820620 (2020).</td>
			<td>All web-based statistical learning tasks are available for free access on Zenodo.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

measuring statistical learning across modalities and domains in school-aged children via an online platform and neuroimaging techniques

Statistisk læring, en grundlæggende færdighed i at udtrække regelmæssigheder i miljøet, betragtes ofte som en central støttemekanisme i den første sprogudvikling. Mens mange undersøgelser af statistisk læring udføres inden for et enkelt domæne eller modalitet, tyder de seneste tegn på, at denne færdighed kan variere baseret på den sammenhæng, hvori stimuli præsenteres. Desuden undersøger kun få undersøgelser læring, som den udfolder sig i realtid, snarere med fokus på resultatet af læring. I denne protokol beskriver vi en tilgang til at identificere det kognitive og neurale grundlag for statistisk læring, inden for en person, på tværs af domæner (sproglig vs. ikke-sproglige) og sensoriske modaliteter (visuelle og auditive). Opgaverne er designet til at kaste så lidt kognitiv efterspørgsel som muligt på deltagerne, hvilket gør det ideelt for unge børn i skolealderen og særlige befolkningsgrupper. Den web-baserede karakter af adfærdsmæssige opgaver giver en unik mulighed for os at nå mere repræsentative befolkninger landsdækkende, at vurdere effekt størrelser med større præcision, og at bidrage til åben og reproducerbar forskning. De neurale foranstaltninger, som den funktionelle magnetiske resonans imaging (fMRI) opgave kan informere forskerne om de neurale mekanismer engageret under statistisk læring, og hvordan disse kan variere på tværs af individer på grundlag af domæne eller modalitet. Endelig giver begge opgaver mulighed for måling af læring i realtid, da ændringer i reaktionstiden til en målstimulering spores over eksponeringsperioden. Den vigtigste begrænsning ved at bruge denne protokol vedrører eksperimentets timelange varighed. Børn skal muligvis udføre alle fire statistiske læringsopgaver på flere møder. Derfor er den webbaserede platform designet med denne begrænsning for øje, så opgaver kan formidles individuelt. Denne metode vil give brugerne mulighed for at undersøge, hvordan processen med statistisk læring udfolder sig på tværs af og inden for områder og modaliteter hos børn med forskellig udviklingsbaggrund.

Webbaserede adfærdsmæssige resultater I betragtning af den nuværende protokol er designet til nem formidling med udviklingsmæssige populationer, har vi inkluderet foreløbige web-baserede resultater baseret på data fra 22 udvikle skolealderen børn (Mean (M) alder = 9,3 år, Standard Afvigelse (SD) alder = 2,04 år, interval = 6,2-12,6 år, 13 piger). I den webbaserede statistiske læringsopgave klarede børn sig betydeligt bedre end 0,5 chanceniveau på alle betingelser, hvilket indikerer vellyk...

Watch this Scientific Journal Video about Measuring Statistical Learning Across Modalities and Domains in School-Aged Children Via an Online Platform and Neuroimaging Techniques at JoVE.com

Measuring Statistical Learning Across Modalities and Domains in School-Aged Children Via an Online Platform and Neuroimaging Techniques

Præsenteret her er en protokol, der indfører et sæt børnevenlige statistiske læringsopgaver rettet mod at undersøge børns læring af tidsmæssige statistiske mønstre på tværs af domæner og sensoriske modaliteter. De udviklede opgaver indsamler adfærdsmæssige data ved hjælp af den webbaserede platform og opgavebaserede funktionelle magnetiske resonansbilleddannelsesdata (fMRI) til undersøgelse af neuralt engagement under statistisk læring.

Måling af statistisk læring på tværs af modaliteter og domæner i skolealderen børn via en online platform og neuroimaging teknikker

Statistical learning, a fundamental skill to extract regularities in the environment, is often considered a core supporting mechanism of the first ...

Evnen til at udtrække mønstre fra input er grundlæggende for sprog og kognitiv udvikling. Teknikken kan tage stilling til, om den bemærkelsesværdige heterogenitet af statistisk læring hos børn forklares ved domæne generelle eller domænespecifikke mekanismer. Vores protokol giver mulighed for måling af statistisk læring på tværs af domæner og modaliteter inden for enkeltpersoner, er børnevenlig og kombinerer web-baseret adfærdsmæssige med lab-baserede neuroimaging teknikker.Denne metode vil give indsigt i læringsrammerne for sprogudvikling. Hvis den anvendes i særlige befolkningsgrupper, kan vores protokol også fremme vores forståelse af sprogindlæringsvanskeligheder. Vi er i færd med at gøre vores opgaver tilgængelige for forskersamfundet på Zenodo og GitHub.Vi opfordrer andre forskere til at reproducere vores opgaver, når de bliver tilgængelige. Hvis du vil udføre en webbaseret protokol, skal du først navigere til det webbaserede statistiske læringsparadigme. For stavelse opgave, introducere deltageren til en udlænding og dens foretrukne ord i sin fremmede sprog. Doe.Fortæl deltageren, at de vil lytte til udlændingens sprog og huske at trykke på mellemrumstasten, når de hører det foretrukne ord. Få deltageren til at gennemføre en øvelse før fortrolighedsfasen, hvor de skal trykke på mellemrumstasten, så snart udlændingens yndlingsord er hørt. Under testfasen skal du instruere deltageren i at vælge en af de to sekvenser, der lyder mere velkendte.Målsekvensen præsenteres i fortrolighedsfasen. Klaptoo foliesekvensen vil ikke tidligere være blevet præsenteret. Klaptoo I toneopgaven skal deltageren informeres om, at de skal holde styr på den fremmede favoritnote i sin folkesang.Testfasen vil følge samme design som stavelsesopgaven. I billedet opgave, informeret deltageren, at de bliver nødt til at holde styr på en særlig udlænding som en gruppe af udlændinge lineup at indtaste et rumskib. I testfasen præsenteres begge mål i fortrolighedsfasen, og folietredtrene, der ikke er set før, til deltageren i par.I brevet opgave informeret deltageren, at de bliver nødt til at holde styr på udlændinge foretrukne tegn. Som udlændingen holder op tegn til en parade. For at hjælpe deltagerne især børn bliver komfortable i scanner praksis MR-scanning session med en mock scanner.Introducere deltageren til mock scanner eller hjerne kamera og til deres scanning kammerat. Forklar, at formålet med scanningskammeraten er at holde dem med selskab og hjælpe dem, hvis de har brug for noget. Scanningen kammerat vil også forsigtigt minde deltageren til at holde stille, hvis for meget bevægelse er opdaget af kameraet.Introducere deltageren til den statistiske læring paradigme og få dem til at fuldføre en kort del af opgaven på en computer. Når du har fuldført opgaven, kan du hjælpe deltageren i mockscanneren og afspille børnevenlige videoer for at hjælpe dem med at akklimatisere lyd og video. Når deltageren er klar, skal du afspille et par indspillede scanner eller lydklip for at forberede dem til de lyde, der produceres af den virkelige MR-scanning.I løbet af denne tid, har deltageren praksis opholder sig stille og arbejder med scanning kammerat. Når deltageren er fortrolig med mock scanner bekræftet, at FMRI dataindsamling protokol er korrekt konfigureret på MR-anskaffelse computer. Få deltageren til at ligge behageligt på sengen af MR-scanneren med hovedtelefoner, der beskytter deres ører mod scannerens støj og en responspude i hånden.Placer yderligere polstring omkring deltagerens hoved for at sikre begrænset hovedbevægelse under dataindsamlingen og giv deltageren mulighed for en scanningskammerat. Giv deltageren en squeeze bold til at bruge til at underrette, hvis de er nødlidende eller har brug for at stoppe og placere hovedet spole over deltagerens hoved. Når du har justeret deltageren i scanningssengen, skal du registrere en ny deltager i anskaffelsescomputeren og vælge den korrekte scanningsprotokol.Indsæt scanningssengen og deltageren i KED af MR-scanningen, og vis en film til deltageren, mens du anskaffer en strukturel MR-scanning. For at få deltageren til at udføre en auditiv opgave skal du bruge et Intercom-system tilsluttet deres hovedtelefoner for at informere deltageren. Nu skal vi spille en knap trykke på spillet.Du vil høre udlændinge, sige ord og spille musik huske at trykke på knappen på svar pad, når du hører den lyd, du lytter efter. Når du har givet instruktionerne, skal du starte paradigmet på præsentationscomputeren for at gøre det muligt at indsamle de auditive statistiske læringsdata. For en visuel opgave informere deltageren.Nu skal du se billederne af rumvæsnerne og bogstaverne. Når du ser de billeder, du leder efter, skal du trykke på knappen på dine svarpuder. Efter at have givet instruktionerne starte paradigme på præsentationen computeren til at erhverve de visuelle statistiske læringsdata.Når deltageren har afsluttet paradigme stop MR, sikkert fjerne deltageren inde fra scanneren og fjerne hovedet spole. I den webbaserede statistiske læringsopgave. Børn klarede sig betydeligt bedre end et 0,5 chanceniveau på alle betingelser, der indikerer vellykket statistisk læring på gruppeniveau.Den gennemsnitlige reaktionstid hældning var negativ og betydeligt under nul i stavelse tilstand og marginalt signifikant i bogstavet betingelse tyder på en hurtigere acceleration af målet afsløring i fortrolighed fase i de sproglige opgaver. Den gennemsnitlige reaktionstid hældning var ikke væsentligt forskellig fra nul i billedet eller tonen tilstand trods tegn på læring i offline målinger af nøjagtighed. Her vises foreløbige FMRI-resultater baseret på data fra ni børn i skolealderen, som gennemførte auditive og visuelle statistiske læringsopgaver.Når man sammenligner strukturerede blokke til tilfældige blokke signifikante klynger blev observeret på tværs af en række hjerneregioner, afhængigt af stimulus type. Disse resultater tyder på, at den nuværende opgave design er følsom over for at opdage læring induceret hæmodynamiske ændringer i børns hjerner. Repræsentative resultater hos voksne indikerer, at de strukturerede sekvenser kan læres understøttes af en betydeligt hurtigere responstid i den strukturerede tilstand sammenlignet med den tilfældige tilstand i alle i scanneropgaver med undtagelse af toneopgaven.Vi opfordrer forskere til at inkludere andre individuelle forskelsforanstaltninger for bedre at forstå, hvordan variabilitet og statistisk læring på tværs af domæner og modaliteter vedrører processer på højere niveau. Denne protokol er et første skridt i retning af at afgrænse, hvordan individuelle forskelle i statistisk læring kan tegne sig for variation i sprogresultater i både typisk og atypisk udvikling.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Functional Neuroimaging Using Ultrasonic Blood-brain Barrier Disruption and Manganese-enhanced MRI

Funktionel Neuroimaging Med Ultrasonic blod-hjerne barrieren forstyrrelser og mangan-forstærket MRI

Although mice are the dominant model system for studying the genetic and molecular underpinnings of neuroscience, functional neuroimaging in mice remains ...

Mapping Cortical Dynamics Using Simultaneous MEG/EEG and Anatomically-constrained Minimum-norm Estimates: an Auditory Attention Example

Kortlægning Corticale Dynamics Brug Samtidige MEG / EEG og Anatomisk-begrænset Minimum-norm skøn: en auditiv Attention Eksempel

Magneto- and electroencephalography (MEG/EEG) are neuroimaging techniques that provide a high temporal resolution particularly suitable to investigate the ...

Assessment of Morphine-induced Hyperalgesia and Analgesic Tolerance in Mice Using Thermal and Mechanical Nociceptive Modalities

Vurdering af morfin-induceret hyperalgesi og Smertestillende Tolerance i mus ved hjælp af termiske og mekaniske Nociceptive Retningslinjer

Opioid-induced hyperalgesia and tolerance severely impact the clinical efficacy of opiates as pain relievers in animals and humans. The molecular ...

Recording Single Neurons' Action Potentials from Freely Moving Pigeons Across Three Stages of Learning

Optagelse Single Neurons &#39;virkningspotentialer fra Frit Moving Duer Across tre stadier af læring

While the subject of learning has attracted immense interest from both behavioral and neural scientists, only relatively few investigators have observed ...

Electrophysiological Method for Recording Intracellular Voltage Responses of Drosophila Photoreceptors and Interneurons to Light Stimuli In Vivo

Electrophysiological Method for Recording Intracellular Voltage Responses of Drosophila Photoreceptors and Interneurons to Light Stimuli In Vivo

Elektrofysiologiske Metode til Recording Intracellulær Voltage Responses af<em&gt; Drosophila</em&gt; Fotoreceptorer og interneuroner til Light Stimuli<em&gt; In vivo</em

Voltage responses of insect photoreceptors and visual interneurons can be accurately recorded with conventional sharp microelectrodes. The method ...

Microstate and Omega Complexity Analyses of the Resting-state Electroencephalography

Mikrostaten og Omega kompleksitet analyser af Resting state electroencefalografi

Microstate and omega complexity are two reference-free electroencephalography (EEG) measures that can represent the temporal and spatial complexities of ...

Online Transcranial Magnetic Stimulation Protocol for Measuring Cortical Physiology Associated with Response Inhibition

Online transkranial magnetisk Stimulation protokol til måling af kortikal fysiologi tilknyttet svar hæmning

We describe the development of a reproducible, child-friendly motor response inhibition task suitable for online Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) ...

An Objective and Reproducible Test of Olfactory Learning and Discrimination in Mice

En objektiv og reproducerbare Test af olfaktoriske læring og diskrimination i mus

Olfaction is the predominant sensory modality in mice and influences many important behaviors, including foraging, predator detection, mating, and ...

Neuroimaging Field Methods Using Functional Near Infrared Spectroscopy (NIRS) Neuroimaging to Study Global Child Development: Rural Sub-Saharan Africa

Neuroimaging Field Methods Using Functional Near Infrared Spectroscopy NIRS Neuroimaging to Study Global Child Development: Rural Sub-Saharan Africa

Neuroimaging felt metoder ved hjælp af funktionelle nær infrarød spektroskopi (NIRS) Neuroimaging at studere globale børns udvikling: landdistrikter Sahara

Portable neuroimaging approaches provide new advances to the study of brain function and brain development with previously inaccessible populations and in ...

Studying Brain Function in Children Using Magnetoencephalography

At studere hjernefunktion i børn, der bruger Magnetoencephalography

Magnetoencephalography (MEG) is a non-invasive neuroimaging technique which directly measures magnetic fields produced by the electrical activity of the ...