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

Мы благодарим Yoel Sanchez Araujo и Wendy Georgan за их вклад в первоначальный дизайн веб-платформы. Мы благодарим An Nguyen и Violet Kozloff за их работу по совершенствованию задач статистического обучения в Интернете, реализации задач МРТ и пилотирования задач у взрослых участников. Мы благодарим Вайолет Козлов и Паркера Роббинса за их вклад в содействие сбору данных у детей. Мы благодарим Ибрагима Малика, Джона Кристофера, Тревора Вигала и Кита Шнайдера из Центра биологической визуализации и визуализации мозга Университета Делавэра за помощь в нейровизуаляции сбора данных. Эта работа частично финансируется Национальным институтом по глухоте и другим коммуникационным расстройствам (PI: Ци; NIH 1R21DC017576) и Национальный научный фонд Директорат социальных, поведенческих и экономических наук (PI: Шнайдер, Co-PI: Ци и Golinkoff; NSF 1911462).

Все участники дали письменное согласие на участие, и исследование проводилось в соответствии с Институциональным советом по обзору.
1. Обзор парадигмы статистического обучения, используемой в веб-протоколе
<ol><li>Включите в текущую парадигму четыре задачи: изображение (в...

Методы, представленные в текущем протоколе, обеспечивают мультимодаленную парадигму для понимания поведенческих и нейронных индексов статистического обучения в процессе развития. Нынешняя конструкция позволяет идентифицировать индивидуальные различия в способности статистическо...

Статистическое обучение является элементарным навыком, поддерживающим приобретение управляемых правилом комбинаций в языковых вводах1. Успешная статистическая способность к обучению у младенцев предсказывает более поздний успех изученияязыка 2,3. Вариативность статистических навыков обучения у детей школьного возраста также была связана слексикой 4 ичтением 5,,6. Трудности в статистическом обучении были предложены в качестве одного этиологического механизма, лежащего в основе нарушенияязыка 7. Несмотря на связь между статистическим обучением и языковыми результатами как в невротипических, так и в нетипичных популяциях, когнитивные и нейронные механизмы, лежащие в основе статистического обучения, остаются плохо изучены. Кроме того, предыдущая литература показала, что в пределах отдельного, статистические способности обучения не является однородным, нонезависимым в различных областях и условиях 6,8,9. Траектория развития способностей статистического обучения может еще больше варьироваться в зависимости от областей иусловий 10. Эти выводы подчеркивают важность оценки индивидуальных различий в статистическом обучении по нескольким задачам на протяжении всего курса развития. Однако в первую очередь на местах требуется более систематическое изучение взаимосвязи между статистическим обучением и развитием первого языка. Для решения этих вопросов мы применяем инновационные методы,включая веб-платформу тестирования 11, которая достигает большого числа детей, и лабораторные методы нейровизуаляции (функциональная магнитно-резонансная томография, или МРТ), которые изучают кодирование статистической информации в режиме реального времени.
Стандартные показатели статистического обучения начинаются с этапа ознакомлизации, за которыми следует двух альтернативная принудимая задача (2-AFC)12,13. Этап ознакомиться с ними вводит непрерывный поток стимулов, встроенных в статистическую закономерность, где некоторые стимулы с большей вероятностью со-происходят, чем другие. Представление этих со-происходящих стимулов следует фиксированному временному порядку. Участники пассивно подвергаются воздействию потока на этапе ознакомлизации, а затем 2-AFC задача, которая проверяет, является ли участник успешно извлечены шаблоны. Задача точности 2-AFC представляет две последовательные последовательности: одна последовательность была представлена участнику на этапе ознакомиться, в то время как другая является новой последовательностью или содержит часть последовательности. Выше шанс точность на 2-AFC будет означать успешное обучение на групповом уровне. Традиционные поведенческие задачи оценки статистического обучения, как правило, полагаются на точность в качестве результатов измерения обучения. Однако точность не учитывает естественное изучение информации по мере ее развития во времени. Мера обучения в режиме реального времени необходима, чтобы задействовать неявный процесс обучения статистическому обучению, в ходе которого дети все ещекодим закономерности из входов 14,,15,,16. Различные адаптации между парадигмами были разработаны в попытке отойти от 2-АФК мера, к мерам он-лайн обучения через поведенческие реакции во времявоздействия 16. Исследования с использованием этих приспособлений, которые измеряют время реакции во время фазы воздействия обнаружили, что они былисвязаны с точностью после обучения 17 с лучшей надежностью теста-повторного тестирования по сравнению с точностью увзрослых учащихся 18.
Нейронные меры также являются основополагающими для нашего понимания того, как обучение разворачивается с течением времени, как неявный процесс, с помощью которого происходит изучение языка, вероятно, набирает различные нейронные ресурсы от тех, которыеиспользуются после изучения языка 19. Нейронные меры также дают представление о различиях в когнитивных специализациях, лежащих в основе языковых способностей в разныхпопуляциях 20. Как контраст состояния разработан в исследовании МРТ имеет решающее значение для того, как мы интерпретируем модели нейронной активации во время обучения. Одной из распространенных практик является сравнение реакций мозга во время фазы ознакомлизации между последовательностями, содержащими регулярные модели, по сравнению с теми, которые содержат те же стимулы, которые заказываются случайным образом. Тем не менее, предыдущие исследования реализации такого случайного состояния контроля не нашли никаких доказательств для обучения в поведении, несмотря на нейронные различия между структурированной и случайных последовательностей. Это может быть связано с вмешательством случайных последовательностей при изучении структурированных последовательностей, так как оба были построены из тех жестимулов 21,22. Другие исследования МРТ, которые использовали обратную речь или более ранние учебные блоки, как условие управления подтвердил обучениесостоялось поведенчески 19,23. Однако каждая из этих парадигм ввела свой собственный смешанный фактор, такой, как эффект обработки языка для первого случая и эффект экспериментального порядка для последнего случая. Наша парадигма использует случайную последовательность в качестве условия управления, но смягчает их вмешательство в изучение участниками структурированных последовательностей. Наша парадигма МРТ также реализует смешанную конструкцию, связанную с блоком/событием, которая позволяет одновременно моделировать переходные пробные и устойчивые сигналы BOLD, связанные сзадачей 24. Наконец, и в более широком смысле, нейронные меры позволяют измерять обучение в популяциях, где получение явной поведенческой реакции может быть затруднено (например, развитие и специальныегруппы населения) 25.
Текущий протокол принимает меру времени отклика, в дополнение к традиционным мерам точности, и рассматривает активацию мозга на этапе ознакомлизации. Сочетание этих методов призвано обеспечить богатый набор данных для исследования процессов обучения в режиме реального времени. Веб-платформа предлагает набор мер обучения, включив как время отклика на этапе экспозиции, так и точность задачи 2-AFC на этапе тестирования. Протокол нейровизуаляций позволяет изузнать основные нейронные механизмы, поддерживающие статистическое обучение в различных областях и условиях. Хотя оптимально измерять статистическое обучение в рамках отдельного лица с использованием как веб-протоколов, так и протоколов МРТ, эти задачи разработаны таким образом, чтобы они могли распространяться независимо и, следовательно, в качестве двух независимых показателей статистического обучения. Эксперименты МРТ, включенные в текущий протокол, могут помочь прояснить, каким образом кодирование стимулов, извлечение шаблонов и другие составляющие компоненты статистического обучения представлены определенными регионами и сетями мозга.

<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

Статистическое обучение, основополагающее умение извлекать закономерности в окружающей среде, часто считается основным вспомогательным механизмом развития первого языка. Хотя многие исследования статистического обучения проводятся в рамках одной области или модальности, последние данные свидетельствуют о том, что этот навык может отличаться в зависимости от контекста, в котором стимулы представлены. Кроме того, лишь немногие исследования исследуют обучение по мере его развития в режиме реального времени, а скорее фокусируется на результатах обучения. В этом протоколе мы описываем подход к выявлению когнитивной и нейронной основы статистического обучения в пределах индивидуума, в разных областях (лингвистических и нелингулингических) и сенсорных условиях (визуальных и слуховых). Задачи призваны бросить как можно меньше когнитивного спроса на участников, что делает его идеальным для молодых детей школьного возраста и специальных групп населения. Веб-природа поведенческих задач предоставляет нам уникальную возможность охватить более представительные группы населения по всей стране, оценить размеры эффекта с большей точностью и внести свой вклад в открытые и воспроизводимые исследования. Нейронные измерения, предоставляемые функциональной магнитно-резонансной томографии (МРТ) задача может информировать исследователей о нейронных механизмов, участвующих в статистическом обучении, и как они могут отличаться между людьми на основе домена или модальности. Наконец, обе задачи позволяют измерять обучение в режиме реального времени, поскольку изменения времени реакции на целевой стимул отслеживаются в течение всего периода воздействия. Основное ограничение использования этого протокола связано с часовой продолжительностью эксперимента. Детям, возможно, потребуется выполнить все четыре задачи статистического обучения в несколько заседаний. Таким образом, веб-платформа разработана с этим ограничением в виду, так что задачи могут распространяться индивидуально. Эта методология позволит пользователям исследовать, как процесс статистического обучения разворачивается в различных областях и в пределах областей и условий у детей из различных областей развития.

Поведенческие результаты на веб-сайте Учитывая, что нынешний протокол предназначен для легкого распространения среди населения, в котором мы приняли участие в разработке предварительных веб-результатов, основанных на данных 22 развивающихся детей школьного возраста (средн?...

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

Здесь представлен протокол, вводящий набор дитя дружественных статистических задач обучения, направленных на изучение детей обучения временных статистических моделей в различных областях и сенсорных методов. Разработанные задачи собирают поведенческие данные с помощью веб-платформы и целевых функциональных магнитно-резонансных томографий (МРТ) данных для изучения нейронного взаимодействия во время статистического обучения.

Измерение статистического обучения в различных условиях и доменах у детей школьного возраста с помощью онлайн-платформы и методов нейровизуаляции

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

Способность извлекать закономерности из входных данных является основополагающим для языка и когнитивного развития. В этом методе можно решить, объясняется ли замечательная неоднородность статистического обучения у детей общими или доменными конкретными механизмами. Наш протокол позволяет измерять статистическое обучение в различных областях и условиях в отдельных областях, является дружественным к детям и сочетает в себе веб-поведенческие с лабораторными методами нейровизуаляции.Этот метод позволит получить представление об основах обучения развитию языка. Если он применяется в особых популяциях, наш протокол может также способствовать нашему пониманию трудностей в изучении языка. Мы находимся в процессе сделать наши задачи доступными для научного сообщества на Зенодо и GitHub.Мы призываем других исследователей воспроизвести наши задачи, как только они станут доступными. Для выполнения веб-протокола сначала перейдите к парадигме статистического обучения в Интернете. Для задачи слога, ввести участника к иностранцу и его любимое слово в своем инопланетном языке. Доу.Сообщите участнику, что они будут слушать язык иностранца и не забудьте нажать на планку пространства всякий раз, когда они слышат любимое слово. Если участник завершит практическое испытание перед этапом ознакомлений, в котором он должен нажать на планку пространства, как только будет слышно любимое слово инопланетянина. На этапе тестирования поручите участнику выбрать одну из двух последовательностей, которые звучат более знакомо.Целевая последовательность будет представлена на этапе ознакомлизации. Klaptoo последовательность фольги не будет представлена ранее. Klaptoo В тон задачи, сообщите участнику, что им придется следить за чужой любимой ноте в своей народной песне.Этап тестирования будет следовать той же конструкции, что и слоговая задача. В изображении задачи, сообщил участнику, что они должны будут отслеживать специальный иностранец, как группа иностранцев линейке войти в космический корабль. На этапе тестирования присутствуют как цели в фазе ознакомиться, так и тройняшки фольги, которые раньше не видели участнику в парах.В письме задача проинформировала участника о том, что им придется следить за любимым знаком инопланетян. Как инопланетянин держит знаки для парада. Чтобы помочь участникам особенно детям стать комфортно в сканере практике МРТ сканирование сессии с макет сканера.Ввейте участника в макет сканера или камеры мозга и их приятель сканирования. Объясните, что цель сканирования приятель, чтобы держать их компании и помочь им, если они нуждаются в чем-либо. Приятель сканирования также мягко напомнит участнику, чтобы держать на месте, если слишком много движения обнаруживается камерой.Привнести участника в парадигму статистического обучения и заставить его выполнить краткую часть задачи на компьютере. После выполнения задания помогите участнику в макет сканера и играть в детские видео, чтобы помочь им акклиматизироваться к звуку и видео. Когда участник будет готов, играть несколько предварительно записанных сканера или звуковых клипов, чтобы подготовить их к шумам, производимым реальной МРТ.В течение этого времени, иметь участника практике оставаться на месте и работать с сканирование приятель. Когда участнику удобно с макетом сканер подтвердил, что протокол сбора данных FMRI надлежащим образом настроен на компьютере приобретения МРТ. У участника удобно лежать на кровати МРТ сканера с наушниками, которые защищают их уши от шума сканера и ответ площадку в руке.Поместите дополнительную обивку вокруг головы участника, чтобы обеспечить ограниченное движение головы во время сбора данных и дать участнику возможность сканирования приятель. Дайте участнику выжать мяч для использования, чтобы уведомить, если они огорчены или нужно остановиться и поместить головную катушку над головой участника. После выравнивания участника в сканирующей кровати зарегистрируйте нового участника в приобретении компьютера и выберите правильный протокол сканирования.Вставьте сканирующее ложе и участника в отверстие МРТ и покажите фильм участнику при получении структурного МРТ. Для выполнения участником слуховой задачи для информирования участника используется система Intercom, подключенная к наушникам. Теперь мы будем играть в игру нажатия кнопки.Вы услышите инопланетян, скажете слова и будете играть музыку, не забудьте нажать на кнопку на панели ответа всякий раз, когда услышите звук, который вы слушаете. После предоставления инструкций, начать парадигму на презентационный компьютер, чтобы позволить приобретение слуховых статистических данных обучения. Для визуального задания сообщите об этом участнику.Теперь вы увидите фотографии инопланетян и буквы. Всякий раз, когда вы видите фотографии, которые вы ищете нажать кнопку на панели реагирования. После предоставления инструкций начать парадигму на презентационный компьютер для получения визуальных статистических данных обучения.После того, как участник завершил парадигму остановить МРТ, безопасно удалить участника изнутри сканера и удалить головную катушку. В веб-основе статистического обучения задачи. На всех условиях, указывающих на успешное статистическое обучение на групповом уровне, дети показали значительно более высокий уровень, чем 0,5 шанса.Наклон времени средней реакции был отрицательным и значительно ниже нуля в состоянии слога и незначительно значимым в состоянии буквы, что свидетельствует о более быстром ускорении обнаружения цели на этапе ознакомлений в лингвистических задачах. Среднее время реакции наклона не значительно отличается от нуля в изображении или тон состояние, несмотря на доказательства обучения в автономном режиме меры точности. Здесь показаны предварительные результаты FMRI на основе данных девяти детей школьного возраста, которые выполнили задачи по слуховому и визуальному статистическому обучению.При сравнении структурированных блоков со случайными блоками наблюдались значительные кластеры в различных областях мозга, в зависимости от типа стимула. Эти результаты свидетельствуют о том, что текущая конструкция задачи чувствительна к обнаружению индуцированных гемодинамических изменений в мозге детей. Выводы представителей у взрослых указывают на то, что структурированные последовательности можно узнать, поддерживаемые значительно более быстрым временем отклика в структурированном состоянии, по сравнению со случайным состоянием во всех задачах сканера, за исключением задачи тона.Мы призываем исследователей включить другие индивидуальные меры различия, чтобы лучше понять, как изменчивость и статистическое обучение в различных областях и условиях относится к процессам более высокого уровня. Этот протокол является первым шагом на пути к разграничению того, каким образом индивидуальные различия в статистическом обучении могут объяснить различия в результатах языковых исследований как в типичном, так и в нетипичном развитии.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Функциональные нейровизуализации с использованием ультразвуковых Гематоэнцефалический Разрушение барьеров и марганца-МРТ

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

Сопоставление корковой динамики Одновременное использование MEG / ЭЭГ и анатомически ограничен минимальной нормой Оценки: Пример слухового внимания

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

Оценка Морфин-индуцированной гипералгезии и обезболивающее толерантности в мышей с использованием тепловых и механических Ноцицептивная Механизмы

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

Запись потенциалов действия отдельных нейронов &#39;свободно перемещаться Голуби на трех этапах обучения

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

Электрофизиологические Способ записи ответов внутриклеточный амперных<em&gt; Drosophila</em&gt; Фоторецепторов и Интернейроны к световой раздражитель<em&gt; В 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

Карликовые и Омега сложности анализа отдыха государство электроэнцефалография

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

Онлайн транскраниальной магнитной стимуляции протокол для измерения корковых физиологии, связанные с ингибированием ответ

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

Объективный и воспроизводимые тест обонятельных обучения и дискриминации в мышей

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

Нейровизуализационных поле методы, с помощью функциональных вблизи нейровизуализации инфракрасной спектроскопии (НДО) для изучения развития глобальных ребенка: сельских районах Африки к югу от Сахары

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

Изучение функций мозга у детей с помощью Магнитоэнцефалография

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