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 første utformingen av den nettbaserte plattformen. Vi takker An Nguyen og Violet Kozloff for deres arbeid med å forbedre de nettbaserte statistiske læringsoppgavene, implementere fMRI-oppgavene og pilotere oppgavene hos voksne deltakere. Vi takker Violet Kozloff og Parker Robbins for deres bidrag til å bistå datainnsamling hos barn. Vi takker Ibrahim Malik, John Christopher, Trevor Wigal og Keith Schneider ved Center for Biological and Brain Imaging ved University of Delaware for deres hjelp til neuroimaging datainnsamling. Dette arbeidet er delvis finansiert av National Institute on Døvhet og andre kommunikasjonsforstyrrelser (PI: Qi; NIH 1R21DC017576) og National Science Foundation Directorate for Social, Behavioral & Economic Sciences (PI: Schneider, Co-PI: Qi & Golinkoff; 1911462.

Alle deltakerne ga skriftlig samtykke til å delta og studere ble gjennomført i samsvar med Institutional Review Board.
1. Oversikt over det statistiske læringsparadigmet som benyttes i den nettbaserte protokollen
<ol><li>Inkluder fire oppgaver i det nåværende paradigmet: bilde (visuell-nonlinguistic), brev (visuell-språklig), tone (auditiv-nonlinguistic), og stavelse (auditiv-språklig).<ol>
<li>Konstruer stimuli for visuelle oppgaver ved hjelp av 12 frittstående fremmede tegneseriebi...

Metodene som presenteres i den nåværende protokollen gir et multimodale paradigme for å forstå atferds- og nevrale indeksene for statistisk læring i løpet av utviklingen. Den nåværende utformingen gjør det mulig å identifisere individuelle forskjeller i statistisk læringsevne på tvers av modaliteter og domener, som kan brukes til fremtidig undersøkelse av forholdet mellom statistisk læring og språkutvikling. Siden en persons statistiske læringsevne er funnet å variere på tvers av domener og<sup class="x...

Statistisk læring er en elementær ferdighet som støtter oppkjøpet av regelstyrte kombinasjoner i språkinnspill1. Vellykket statistisk læringsevne hos spedbarn spår senere språklæring suksess2,3. Variasjon i statistiske læringsferdigheter hos barn i skolealderen har også vært forbundet medordforråd 4 og lesing5,6. Vanskeligheter med statistisk læring er foreslått som en etiologisk mekanisme underliggende språkforringelse7. Til tross for sammenhengen mellom statistisk læring og språkutfall i både nevrotypiske og atypiske populasjoner, forblir de kognitive og nevrale mekanismene som ligger til grunn for statistisk læring dårlig forstått. I tillegg har tidligere litteratur vist at innenfor en individuell, statistisk læringsevne ikke er ensartet, men uavhengig på tvers av domener ogmodaliteter 6,8,9. Utviklingsbanen for statistiske læringsevner kan ytterligere variere på tvers av domener og modaliteter10. Disse funnene understreker viktigheten av å vurdere individuelle forskjeller i statistisk læring på tvers av flere oppgaver gjennom hele utviklingsforløpet. Feltet krever imidlertid først en mer systematisk undersøkelse av forholdet mellom statistisk læring og førstespråkutvikling. For å løse disse spørsmålene bruker vi innovative metoder, inkludert en nettbasert testplattform11 som når et stort antall barn, og laboratoriebaserte neuroimaging teknikker (funksjonell magnetisk resonansavbildning, eller fMRI) som undersøker sanntidskoding av statistisk informasjon.
Standard mål for statistisk læring begynner med en familiarization fase og etterfølges av en to-alternativ tvungen valg (2-AFC) oppgave12,13. Den kjente fasen introduserer en kontinuerlig strøm av stimuli innebygd med statistiske regulariteter, hvor noen stimuli er mer sannsynlig å samtidig forekomme sammen enn andre. Presentasjonen av disse samtidig forekommende stimuli følger en fast timelig rekkefølge. Deltakerne blir passivt eksponert for strømmen i fortrolighetsfasen, etterfulgt av en 2-AFC-oppgave som tester om deltakeren vellykket hentet ut mønstrene. Nøyaktighetsoppgaven 2-AFC presenterer to påfølgende sekvenser: en sekvens er presentert for deltakeren i fortrolighetsfasen, mens den andre er en ny sekvens, eller inneholder en del av sekvensen. Nøyaktighet over sjanse på 2-AFC ville indikere vellykket læring på gruppenivå. Tradisjonelle atferdsoppgaver som vurderer statistisk læring, er generelt avhengig av nøyaktighet som resultatmål for læring. Nøyaktigheten klarer imidlertid ikke å ta høyde for den naturlige læringen av informasjon som den utfolder seg i tide. Et mål på sanntidslæring er nødvendig for å benytte seg av den implisitte læringsprosessen for statistisk læring der barn fortsatt koder regelmessighetene frainngangene 14,,15,,16. Ulike tilpasninger på tvers av paradigmer har blitt utviklet i et forsøk på å bevege seg bort fra 2-AFC-tiltaket, mot tiltak for on-line læring gjennom atferdsresponser undereksponeringen 16. Studier som benytter disse tilpasningene som måler reaksjonstiden i eksponeringsfasen fant at de var relatert til nøyaktighet etter læring17 med bedre testtest pålitelighet sammenlignet med nøyaktigheten hos voksne elever18.
Nevrale tiltak er også grunnleggende for vår forståelse av hvordan læring utfolder seg over tid, da den implisitte prosessen der språklæring skjer, rekrutterer sannsynligvis forskjellige nevrale ressurser fra de som brukes når språket erlært 19. Nevrale tiltak gir også innsikt i forskjeller i kognitive spesialiseringer underliggende språkevne på tvers av spesielle populasjoner20. Hvordan tilstandskontrasten er utformet i en fMRI-studie er avgjørende for hvordan vi tolker mønstre for neural aktivering under læring. En vanlig praksis er å sammenligne hjerneresponser under familiariseringsfasen mellom sekvenser som inneholder vanlige mønstre versus de som inneholder de samme stimuli som bestilles tilfeldig. Imidlertid fant tidligere forskning som implementerer en slik tilfeldig kontrolltilstand ingen bevis for læring i atferd, til tross for nevrale forskjeller mellom strukturerte og tilfeldige sekvenser. Dette kan skyldes forstyrrelsen av tilfeldige sekvenser om læring av strukturerte sekvenser, da begge ble konstruert fra samme stimuli21,22. Andre fMRI studier som benyttet bakover tale eller tidligere læringsblokker som kontrolltilstand bekreftet læring fant stedatferdsmessig 19,23. Imidlertid introduserte hvert av disse paradigmene sin egen forvirrende faktor, for eksempel effekten av språkbehandling for den tidligere saken og effekten av den eksperimentelle rekkefølgen for sistnevnte tilfelle. Vårt paradigme bruker den tilfeldige sekvensen som kontrolltilstand, men reduserer deres innblanding på deltakernes læring av de strukturerte sekvensene. Vårt fMRI paradigme implementerer også en blandet blokk / hendelsesrelatert design, noe som gjør det mulig for samtidig modellering av forbigående prøverelaterte og vedvarende oppgaverelaterte BOLD-signaler24. Til slutt, og mer generelt, nevrale tiltak tillate måling av læring i populasjoner der eliciting en eksplisitt atferdsrespons kan være vanskelig (f.eks utviklingsmessige og spesielle populasjoner)25.
Den nåværende protokollen vedtar et responstidsmål, i tillegg til tradisjonelle nøyaktighetstiltak, og undersøker hjerneaktivering i fortrolighetsfasen. Kombinasjonen av disse metodene tar sikte på å gi et rikt datasett for undersøkelse av læringsprosesser i sanntid. Den nettbaserte plattformen tilbyr et sett med læringstiltak ved å inkludere både responstid i eksponeringsfasen og nøyaktigheten til 2-AFC-oppgaven i testfasen. Neuroimaging protokollen gjør det mulig for undersøkelse av de underliggende nevrale mekanismer som støtter statistisk læring på tvers av domener og modaliteter. Selv om det er optimalt å måle statistisk læring hos en person ved hjelp av både nettbaserte og fMRI-protokoller, utformes oppgavene slik at de kan spres uavhengig, og derfor som to uavhengige tiltak for statistisk læring. FMRI-eksperimentene som inngår i den nåværende protokollen, kan bidra til å klargjøre hvordan stimulanskoding, mønsterutvinning og andre bestanddeler av statistisk læring er representert av bestemte hjerneregioner og nettverk.

<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 grunnleggende ferdighet for å trekke ut regulariteter i miljøet, regnes ofte som en kjernestøttemekanisme for førstespråkutviklingen. Mens mange studier av statistisk læring utføres innenfor et enkelt domene eller modalitet, tyder nyere bevis på at denne ferdigheten kan variere basert på konteksten der stimuli presenteres. I tillegg er det få studier som undersøker læring når det utfolder seg i sanntid, og fokuserer heller på utfallet av læringen. I denne protokollen beskriver vi en tilnærming for å identifisere det kognitive og nevrale grunnlaget for statistisk læring, innenfor et individ, på tvers av domener (språklig vs. ikke-språklige) og sensoriske modaliteter (visuelle og auditive). Oppgavene er utformet for å kaste så lite kognitiv etterspørsel som mulig på deltakerne, noe som gjør den ideell for unge barn i skolealderen og spesielle populasjoner. Atferdsoppgavens nettbaserte natur gir oss en unik mulighet til å nå mer representative befolkninger over hele landet, estimere effektstørrelser med større presisjon og bidra til åpen og reproduserbar forskning. De nevrale tiltakene som tilbys av den funksjonelle magnetiske resonansavbildningsoppgaven (fMRI) kan informere forskere om nevrale mekanismer som er engasjert under statistisk læring, og hvordan disse kan variere på tvers av individer på grunnlag av domene eller modalitet. Til slutt tillater begge oppgavene måling av sanntidslæring, da endringer i reaksjonstiden til et målstimulans spores over eksponeringsperioden. Hovedbegrensningen ved å bruke denne protokollen er knyttet til eksperimentets timelange varighet. Barn må kanskje fullføre alle fire statistiske læringsoppgaver i flere sitteplasser. Derfor er den nettbaserte plattformen utformet med denne begrensningen i tankene, slik at oppgaver kan spres individuelt. Denne metodikken vil tillate brukere å undersøke hvordan prosessen med statistisk læring utfolder seg på tvers av og innenfor domener og modaliteter hos barn fra ulike utviklingsbakgrunner.

Nettbaserte atferdsresultater Gitt den nåværende protokollen er utformet for enkel formidling med utviklingspopulasjoner, har vi inkludert foreløpige nettbaserte resultater basert på data fra 22 utviklende barn i skolealder (Gjennomsnitt (M) alder = 9,3 år, Standard avvik (SD) alder = 2,04 år, rekkevidde = 6,2-12,6 år, 13 jenter). I den nettbaserte statistiske læringsoppgaven presterte barn betydelig bedre enn 0,5 sjansenivå på alle forhold, noe som indikerer vellykket statistisk læring på...

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

Presentert her er en protokoll som introduserer et sett med barnevennlige statistiske læringsoppgaver rettet mot å undersøke barns læring av timelige statistiske mønstre på tvers av domener og sensoriske modaliteter. De utviklede oppgavene samler inn atferdsdata ved hjelp av den nettbaserte plattformen og oppgavebaserte funksjonelle magnetiske resonansavbildningsdata (fMRI) for å undersøke nevrale engasjement under statistisk læring.

Måling av statistisk læring på tvers av modaliteter og domener hos barn i skolealderen via en nettbasert plattform og neuroimagingsteknikker

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

Evnen til å trekke ut mønstre fra innspill er grunnleggende for språk og kognitiv utvikling. Teknikken kan ta for seg om den bemerkelsesverdige heterogeniteten av statistisk læring hos barn forklares av domenegeneral- eller domenespesifikke mekanismer. Vår protokoll gjør det mulig å måle statistisk læring på tvers av domener og modaliteter innen enkeltpersoner, er barnevennlig og kombinerer nettbasert atferd med laboratoriebaserte neuroimaging teknikker.Denne metoden vil gi innsikt i læringsrammene for språkutvikling. Hvis den brukes i spesielle populasjoner, kan vår protokoll også fremme vår forståelse av språklæringsvansker. Vi er i ferd med å gjøre oppgavene våre tilgjengelige for forskningsmiljøet på Zenodo og GitHub.Vi oppfordrer andre forskere til å reprodusere oppgavene våre når de blir tilgjengelige. Hvis du vil utføre en nettbasert protokoll, navigerer du først til det nettbaserte statistiske læringsparadigmet. For stavelse oppgave, introdusere deltakeren til en fremmed og dens favoritt ord i sin fremmede språk. Doe.Informer deltakeren om at de vil lytte til romvesenets språk og å huske å trykke på mellomromstasten når de hører favorittordet. Be deltakeren fullføre en øvelsesstudie før fortrolighetsfasen, der de må trykke på mellomromstasten så snart romvesenets favorittord blir hørt. I testfasen ber du deltakeren om å velge en av de to sekvensene som høres mer kjent ut.Målsekvensen vil bli presentert i fortrolighetsfasen. Foliesekvensen Klaptoo vil ikke tidligere ha blitt presentert. Klaptoo I toneoppgaven må deltakeren om at de må holde styr på den fremmede favorittnotatet i sin folkesang.Testfasen følger samme utforming som stavelsesoppgaven. I bildeoppgaven informerte deltakeren om at de må holde styr på en spesiell fremmed som en gruppe romvesener besetning for å gå inn i et romskip. Under testfasen presentere begge målene i familiarization fase og folie trillinger ikke sett før til deltakeren i par.I brevoppgaven informert deltakeren at de blir måtte holde styr på romvesenene favoritt tegn. Som romvesenet holder opp tegn for en parade. For å hjelpe deltakerne spesielt barn bli komfortable i skanner praksis MR-skanning økten med en mock skanner.Introdder deltakeren til mock skanner eller hjernekamera og til deres skanne kompis. Forklar at hensikten med skanningen kompis er å holde dem med selskap og å hjelpe dem hvis de trenger noe. Skannekompisen vil også forsiktig minne deltakeren om å holde seg stille hvis for mye bevegelse oppdages av kameraet.Introdder deltakeren til det statistiske læringsparadigmet og få dem til å fullføre en kort del av oppgaven på en datamaskin. Når du har fullført oppgaven, kan du hjelpe deltakeren inn i mock-skanneren og spille av barnevennlige videoer for å hjelpe dem med å akklimatisere seg til lyd og video. Når deltakeren er klar, spiller du av noen forhåndsinnspilte skanner- eller lydklipp for å forberede dem på lydene som produseres av den virkelige MR-en.I løpet av denne tiden, har deltakeren praksis å holde seg i god tid og jobbe med skanning kompis. Når deltakeren er komfortabel med mock skanneren bekreftet at FMRI datainnsamling protokollen er riktig satt opp på MR-oppkjøpet datamaskinen. Be deltakeren ligge komfortabelt på sengen til MR-skanneren med hodetelefoner som beskytter ørene mot skannerstøyen og en responspute i hånden.Plasser ekstra polstring rundt deltakerens hode for å sikre begrenset hodebevegelse under datainnsamlingen og gi deltakeren muligheten til en skannekamerat. Gi deltakeren en klemball å bruke til å varsle om de er bekymret eller trenger å stoppe og plassere hodespolen over deltakerens hode. Etter samkjøre deltakeren i skannesengen registrere en ny deltaker i oppkjøpet datamaskinen og velge riktig skanneprotokoll.Sett skannesengen og deltakeren inn i boringen av MR og vis en film til deltakeren mens du anskaffer en strukturell MR-skanning. Hvis du vil at deltakeren skal utføre en auditiv oppgave, bruker du et Intercom-system som er koblet til hodetelefonene for å informere deltakeren. Nå skal vi spille en knapp som trykker på spillet.Du vil høre romvesenene, si ord og spille musikk husk å trykke på knappen på responsputen når du hører lyden du lytter etter. Etter å ha gitt instruksjonene, start paradigmet på presentasjonsdatamaskinen for å tillate innhenting av de auditive statistiske læringsdataene. Informer deltakeren for en visuell oppgave.Du kommer til å se bildene av romvesenene og bokstavene. Når du ser bildene du leter etter, trykker du på knappen på svarputene. Etter å ha gitt instruksjonene starte paradigmet på presentasjonsdatamaskinen for å skaffe de visuelle statistiske læringsdata.Når deltakeren har fullført paradigmet stoppe MR, trygt fjerne deltakeren fra innsiden av skanneren og fjerne hodet spolen. I den nettbaserte statistiske læringsoppgaven. Barn presterte betydelig bedre enn 0,5 sjansenivå på alle forhold som indikerer vellykket statistisk læring på gruppenivå.Gjennomsnittlig reaksjonstidsstigning var negativ og betydelig under null i stavelsestilstanden og marginalt signifikant i bokstavtilstanden som tyder på en raskere akselerasjon av måldeteksjonen under fortrolighetsfasen i de språklige oppgavene. Gjennomsnittlig reaksjonstidsskråning var ikke vesentlig forskjellig fra null i bildet eller tonetilstanden til tross for tegn på læring i offline tiltak for nøyaktighet. Her vises foreløpige FMRI-resultater basert på data fra ni barn i skolealderen som fullførte auditive og visuelle statistiske læringsoppgaver.Ved sammenligning av strukturerte blokker med tilfeldige blokker ble det observert betydelige klynger på tvers av en rekke hjerneregioner, avhengig av stimulanstypen. Disse resultatene tyder på at den nåværende oppgavedesignen er følsom for å oppdage læring indusert hemoodynamiske endringer i barnas hjerner. Representative funn hos voksne indikerer at de strukturerte sekvensene er lærelige støttet av en betydelig raskere responstid i strukturert tilstand, sammenlignet med den tilfeldige tilstanden i alle de i skanneroppgavene med unntak av toneoppgaven.Vi oppfordrer forskere til å inkludere andre individuelle forskjellstiltak for bedre å forstå hvordan variasjon og statistisk læring på tvers av domener og modaliteter er knyttet til prosesser på høyere nivå. Denne protokollen er et første skritt mot å avgrense hvordan individuelle forskjeller i statistisk læring kan utgjøre variasjon i språkutfall i både typisk og atypisk utvikling.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Funksjonell Bildediagnostiske Bruke Ultrasonic blod-hjerne barrieren avbrudd og mangan forbedret MR

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

Kartlegging Kortikale Dynamics Bruke Samtidige MEG / EEG og anatomisk begrenset Minimum-norm estimater: en auditiv oppmerksomhet 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 av Morphine-indusert hyperalgesi og smertestillende Toleranse i Mus Bruke termiske og mekaniske nociceptiv modaliteter

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

Opptak single nevroner &#39;aksjonspotensialer fra Fritt Moving Pigeons Across tre stadier av 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

Elektro Metode for opptak Intracellulær spenningsreaksjoner av<em&gt; Drosophila</em&gt; Fotoreseptorer og interneurons til lys stimuli<em&gt; I 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 av hvile-statlige Elektroencefalogram

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 Transkraniell magnetisk stimulering protokollen for å måle kortikale fysiologi tilknyttet svar hemming

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 reproduserbar Test av Olfactory læring og diskriminering 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 feltet metoder å bruke funksjonell nær infrarødspektroskopi (NIRS) Neuroimaging å studere globale barns utvikling: landlige 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

Studere hjernefunksjon hos barn med Magnetoencephalography

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