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 tackar Yoel Sanchez Araujo och Wendy Georgan för deras bidrag i den initiala utformningen av den webbaserade plattformen. Vi tackar An Nguyen och Violet Kozloff för deras arbete med att förbättra de webbaserade statistiska inlärningsuppgifterna, genomföra uppgifterna för fMRI och lotsa uppgifterna hos vuxna deltagare. Vi tackar Violet Kozloff och Parker Robbins för deras bidrag till att bistå datainsamlingen hos barn. Vi tackar Ibrahim Malik, John Christopher, Trevor Wigal och Keith Schneider vid Center for Biological and Brain Imaging vid University of Delaware för deras hjälp med insamling av neuroimagingdata. Detta arbete finansieras delvis av Det nationella institutet för dövhet och andra kommunikationsstörningar (PI: Qi; NIH 1R21DC017576) och National Science Foundation Direktoratet för sociala, beteendemässiga & ekonomiska vetenskaper (PI: Schneider, Co-PI: Qi & Golinkoff; NSF 1911462).

Alla deltagare gav skriftligt samtycke till att delta och studie genomfördes i enlighet med den institutionella granskningsnämnden.
1. Översikt över det statistiska lärandeparadigm som utnyttjas i det webbaserade protokollet
<ol><li>Inkludera fyra uppgifter i det aktuella paradigmet: bild (visuell-nonlinguistic), bokstav (visuell-språklig), ton (auditiv-nonlingvistisk), och stavelse (auditiv-språklig).<ol>
<li>Konstruera stimuli för visuella uppgifter med hjälp av 12 fristående fr?...

De metoder som presenteras i det aktuella protokollet ger ett multimodalt paradigm för att förstå de beteendemässiga och neurala indexen för statistiskt lärande under loppet av utveckling. Den nuvarande utformningen möjliggör identifiering av individuella skillnader i statistisk inlärningsförmåga över olika modaliteter och domäner, som kan användas för framtida utredning av sambandet mellan statistisk inlärning och språkutveckling. Eftersom en individers statistiska inlärningsförmåga befinns variera m...

Statistisk inlärning är en elementär färdighet som stöder förvärv av regelstyrda kombinationer i språkingångar1. Framgångsrik statistisk inlärningsförmåga hos spädbarn förutspår senare språkinlärning framgång2,3. Variation i statistisk inlärningsförmåga hos barn i skolåldern har också förknippats medordförråd 4 och läsning5,6. Svårigheten i statistisk inlärning har föreslagits som en etiologisk mekanism som ligger till grund för språkförsämring7. Trots sambandet mellan statistisk inlärning och språkresultat i både neurotypiska och atypiska populationer, är de kognitiva och de neurala mekanismerna underliggande statistisk inlärning fortfarande dåligt förstådda. Dessutom har tidigare litteratur visat att, inom en individ, statistisk inlärningsförmåga är inte enhetlig utan oberoende över domäner och modaliteter6,8,9. Utvecklingsbanan för statistiska inlärningsförmågor kan ytterligare variera mellan domäner och modaliteter10. Dessa resultat betonar vikten av att bedöma individuella skillnader i statistiskt lärande över flera uppgifter under hela utvecklingen. Fältet kräver dock först en mer systematisk undersökning av sambandet mellan statistisk inlärning och förstaspråksutveckling. För att ta itu med dessa frågor tillämpar vi innovativa metoder inklusive en webbaserad testplattform11 som når ett stort antal barn, och laboratoriebaserade neuroimaging tekniker (funktionell magnetisk resonanstomografi, eller fMRI) som undersöker realtidskodning av statistisk information.
Standardmått av statistiskt lärande börjar med en förtrogenhetsfas och följs av en två-alternativ påtvingad val (2-AFC) uppgift12,13. Förtrogenhetsfasen införs en kontinuerlig ström av stimuli inbäddade med statistiska regularities, där vissa stimuli är mer benägna att samföra sig än andra. Presentationen av dessa co-förekommande stimuli följer en fast tidsbestämd ordning. Deltagarna är passivt utsatta för strömmen under förtrogenhetsfasen, följt av en 2-AFC-uppgift som testar om deltagaren framgångsrikt extraherade mönstren. 2-AFC noggrannhetsuppgiften presenterar två på varandra följande sekvenser: en sekvens har presenterats för deltagaren under förtrogenhetsfasen, medan den andra är en ny sekvens, eller innehåller en del av sekvensen. Överchansen noggrannhet på 2-AFC skulle tyda på ett framgångsrikt lärande på gruppnivå. Traditionella beteendemässiga uppgifter bedöma statistiskt lärande i allmänhet förlita sig på noggrannhet som resultatet mått på lärande. Men noggrannhet misslyckas med att ta hänsyn till den naturliga inlärning av information som det utvecklar sig i tid. Ett mått på realtidslärande är nödvändigt för att utnyttja den implicita inlärningsprocessen för statistiskt lärande under vilken barn fortfarande kodar regelbundenheterna från ingångarna14,15,16. Olika anpassningar över paradigm har utvecklats i ett försök att gå bort från 2-AFC-måttet, mot åtgärder för on-line lärande genom beteendemässiga svar underexponeringen 16. Studier som utnyttjar dessa anpassningar som mäter reaktionstiden under exponeringsfasen fann att de var relaterade till noggrannhet efter lärande17 med bättre test-retest tillförlitlighet jämfört med noggrannheten hos vuxna elever18.
Neurala åtgärder är också grundläggande för vår förståelse av hur lärande utvecklas över tiden, eftersom den implicita process genom vilken språkinlärning sker sannolikt rekryterar olika neurala resurser från dem som används när språket är lärt19. Neurala åtgärder ger också insikter i skillnader i kognitiva inriktningar underliggande språkförmåga över särskilda populationer20. Hur tillståndskontrasten är utformad i en fMRI-studie är avgörande för hur vi tolkar mönster av neural aktivering under inlärning. En vanlig praxis är att jämföra hjärnans svar under förtrogenhet fasen mellan sekvenser som innehåller regelbundna mönster jämfört med de som innehåller samma stimuli som beställs slumpmässigt. Emellertid, tidigare forskning genomföra en sådan slumpmässig kontroll villkor hittade inga bevis för lärande i beteende, trots neurala skillnader mellan strukturerade och slumpmässiga sekvenser. Detta kan bero på störningar av slumpmässiga sekvenser på lärande av strukturerade sekvenser, som båda var konstruerade från samma stimuli21,22. Andra fMRI studier som utnyttjade bakåt tal eller tidigare lärande block som kontroll villkoret bekräftade lärande ägde rum behaviorally19,23. Var och en av dessa paradigm införde dock sin egen sammanbluffande faktor, såsom effekten av språkbearbetning för det förra fallet och effekten av den experimentella ordningen för det senare fallet. Vårt paradigm använder den slumpmässiga sekvensen som kontrollvillkor men mildrar deras inblandning på deltagarnas inlärning av de strukturerade sekvenserna. Vår fMRI paradigm implementerar också en blandad block / händelse-relaterade design, som möjliggör samtidig modellering av transienta försöksrelaterade och ihållande uppgiftsrelaterade BOLD signaler24. Slutligen, och mer allmänt, neurala åtgärder möjliggör mätning av lärande i populationer där framkalla en explicit beteendemässiga svar kan vara svårt (t.ex. utvecklingsmässiga och särskilda populationer)25.
Det nuvarande protokollet antar en åtgärd svarstid, förutom traditionella noggrannhet åtgärder, och undersöker hjärnans aktivering under förtrogenhet fas. Kombinationen av dessa metoder syftar till att ge en rik datauppsättning för undersökning av realtidslärande processer. Den webbaserade plattformen erbjuder en uppsättning inlärningsåtgärder genom att inkludera både svarstid under exponeringsfasen och noggrannheten i 2-AFC-uppgiften under testfasen. Neuroimaging protokollet möjliggör för undersökningen av de underliggande neurala mekanismer stödja statistiska lärande över domäner och modaliteter. Även om det är optimalt att mäta statistiskt lärande inom en individ med hjälp av både de webbaserade och fMRI-protokollen, är uppgifterna utformade så att de kan spridas självständigt, och därför, som två oberoende mått på statistiskt lärande. De fMRI-experiment som ingår i det aktuella protokollet kan bidra till att klargöra hur stimulus kodning, mönsterutdragning och andra ingående komponenter i statistiskt lärande representeras av särskilda hjärnregioner och nätverk.

<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

Statistiskt lärande, en grundläggande färdighet att utvinna regelbundenheter i miljön, anses ofta vara en kärnstödsmekanism för förstaspråksutvecklingen. Medan många studier av statistiskt lärande genomförs inom en enda domän eller modalitet, tyder nyligen på att denna färdighet kan skilja sig åt baserat på det sammanhang där stimuli presenteras. Dessutom är det få studier som undersöker lärandet som det utvecklar sig i realtid, snarare med fokus på resultatet av lärandet. I detta protokoll beskriver vi ett tillvägagångssätt för att identifiera den kognitiva och neurala grunden för statistiskt lärande, inom en individ, över domäner (språkliga kontra icke-språkliga) och sensoriska modaliteter (visuella och auditiva). Uppgifterna är utformade för att kasta så lite kognitiv efterfrågan som möjligt på deltagarna, vilket gör den idealisk för unga skolåldern barn och speciella populationer. Den webbaserade karaktären hos beteendeuppgifterna erbjuder en unik möjlighet för oss att nå mer representativa populationer över hela landet, att uppskatta effektstorlekar med större precision och att bidra till öppen och reproducerbar forskning. De neurala åtgärder som tillhandahålls av den funktionella magnetisk resonanstomografi (fMRI) uppgift kan informera forskare om neurala mekanismer som anlitas under statistisk inlärning, och hur dessa kan skilja sig mellan individer på grundval av domän eller modalitet. Slutligen, båda uppgifterna möjliggör mätning av realtid lärande, som förändringar i reaktionstiden till ett mål stimulans spåras över exponeringsperioden. Den huvudsakliga begränsningen för att använda detta protokoll avser experimentets timslånga varaktighet. Barn kan behöva slutföra alla fyra statistiska inlärningsuppgifter i flera sammanträden. Därför är den webbaserade plattformen utformad med denna begränsning i åtanke så att uppgifter kan spridas individuellt. Denna metodik kommer att göra det möjligt för användare att undersöka hur processen för statistiskt lärande utvecklas över och inom domäner och modaliteter hos barn från olika utvecklingsbakgrunder.

Webbaserade beteendemässiga resultat Med tanke på det nuvarande protokollet är utformad för enkel spridning med utvecklingspopulationer, har vi inkluderat preliminära webbaserade resultat baserat på data från 22 utveckla skolåldern barn (Mean (M) ålder = 9,3 år, Standard Deviation (SD) ålder = 2,04 år, intervall = 6,2-12,6 år, 13 flickor). I den webbaserade statistiska inlärningsuppgiften utförde barnen betydligt bättre än 0,5 chans-nivå på alla förhållanden, vilket indikerar fram...

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

Presenteras här är ett protokoll som inför en uppsättning barnvänliga statistiska lärande uppgifter inriktade på att undersöka barns lärande av tidsmässiga statistiska mönster över domäner och sensoriska modaliteter. De utvecklade uppgifterna samlar in beteendedata med hjälp av den webbaserade plattformen och uppgiftsbaserade fMRI-data (functional magnetic resonance imaging) för att undersöka neuralt engagemang under statistisk inlärning.

Mätning av statistiskt lärande över modaliteter och domäner i skolåldern barn via en online-plattform och neuroimaging tekniker

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

Förmågan att extrahera mönster från ingångar är grundläggande för språk och kognitiv utveckling. Tekniken kan ta upp huruvida den anmärkningsvärda heterogeniteten av statistiskt lärande hos barn förklaras av domän allmänna eller domän specifika mekanismer. Vårt protokoll möjliggör mätning av statistiskt lärande över domäner och modaliteter inom individer, är barnvänligt och kombinerar webbaserat beteende med lab-baserade neuroimaging tekniker.Denna metod kommer att ge insikt i språkutvecklingens inlärningsramar. Om det tillämpas i särskilda populationer, kan vårt protokoll också främja vår förståelse av språkinlärning svårigheter. Vi håller på att göra våra uppgifter tillgängliga för forskarvärlden på Zenodo och GitHub.Vi uppmuntrar andra forskare att reproducera våra uppgifter när de blir tillgängliga. För att utföra ett webbaserat protokoll navigerar du först till det webbaserade statistikinlärningsparadigmet. För stavelseuppgiften, introducera deltagaren till en utomjording och dess favoritord i sitt främmande språk. Doe.Informera deltagaren om att de kommer att lyssna på utlänningens språk och att komma ihåg att trycka på mellanslagsraden närhelst de hör favoritordet. Låt deltagaren slutföra en övningsprövning innan förtrogenhetsfasen, där de måste trycka på mellanslagslisten så snart som utlänningens favoritord hörs. Under testfasen instruerar du deltagaren att välja en av de två sekvenser som låter mer bekant.Målsekvensen kommer att presenteras i förtrogenhetsfasen. Klaptoo folien sekvensen kommer inte att ha tidigare presenterats. Klaptoo I tonen uppgift, informera deltagaren att de kommer att få hålla koll på främmande favorit not i sin folkvisa.Testfasen kommer att följa samma konstruktion som stavelseuppgiften. I bilden uppgift, informerade deltagaren att de kommer att få hålla reda på en speciell utlänning som en grupp utlänningar lineupen att ange ett rymdskepp. Under testfasen presentera både mål i förtrogenhet fas och folie trillingar inte sett tidigare till deltagaren i par.I brevet uppgift informerade deltagaren att de kommer att få hålla reda på utlänningar favorit tecken. Som utlänningen håller upp skyltar för en parad. För att hjälpa deltagarna särskilt barn att bli bekväm i scanner praktiken MRI skanning session med en mock scanner.Introducera deltagaren till den håna scannern eller hjärnkameran och till deras skanningskompis. Förklara att syftet med skanningskompisen är att hålla dem sällskap och att hjälpa dem om de behöver något. Skanningen kompis kommer också försiktigt påminna deltagaren att hålla stilla om för mycket rörelse upptäcks av kameran.Introducera deltagaren till det statistiska lärande paradigmet och få dem att slutföra en kort del av uppgiften på en dator. Efter att ha slutfört uppgiften, hjälpa deltagaren i mock scanner och spela barnvänliga videor för att hjälpa dem att acklimatisera sig till ljud och video. När deltagaren är redo, spela upp några förinspelade skanner eller ljudklipp för att förbereda dem för de ljud som produceras av den verkliga MRI.Under denna tid, har deltagaren praktiken vistas stilla och arbeta med skanningskompis. När deltagaren är bekväm med mock scanner bekräftade att FMRI datainsamlingsprotokollet är lämpligt inställd på MRI förvärv dator. Har deltagaren ligga bekvämt på sängen av MRI-skannern med hörlurar som skyddar sina öron från skannern buller och ett svar pad i handen.Placera ytterligare stoppning runt deltagarens huvud för att säkerställa begränsad huvudrörelse under datainsamlingen och ge deltagaren möjlighet till en skanningskompis. Ge deltagaren en squeezeboll att använda för att meddela om de är nödställda eller behöver stanna och placera huvudspolen över deltagarens huvud. Efter anpassning deltagaren i skanning sängen registrera en ny deltagare i förvärvet dator och välja rätt skanningsprotokoll.Sätt in skanningsbädden och deltagaren i MR-trågen och visa en film för deltagaren samtidigt som du skaffar en strukturell MR-skanning. Att ha deltagaren utföra en auditiv uppgift använda en Intercom system ansluten till sina hörlurar för att informera deltagaren. Nu ska vi spela ett knapptryckningsspel.Du kommer att höra utomjordingarna, säga ord och spela musik kom ihåg att trycka på knappen på svarsplattan när du hör ljudet du lyssnar efter. Efter att ha gett instruktionerna, starta paradigmet på presentationen dator för att möjliggöra förvärv av den auditiva statistiska lärande data. För en visuell uppgift informera deltagaren.Nu, ska du få se bilderna på utomjordingarna och breven. När du ser de bilder som du letar efter tryck på knappen på dina svar kuddar. Efter att ha gett instruktionerna starta paradigm på presentationen datorn att förvärva den visuella statistiska lärande data.När deltagaren har slutfört paradigmet stoppa MRI, säkert ta bort deltagaren inifrån skannern och ta bort huvudet spolen. I den webbaserade statistiska lärande uppgiften. Barn presterade betydligt bättre än en 0,5 chansnivå på alla villkor som indikerar framgångsrikt statistiskt lärande på gruppnivå.Den genomsnittliga reaktionstiden lutningen var negativ och betydligt under noll i stavelse villkoret och marginellt signifikant i skrivelsen villkoret tyder på en snabbare acceleration av målet upptäckt under förtrogenhet fas i den språkliga uppgifter. Den genomsnittliga reaktionstiden lutningen var inte signifikant skiljer sig från noll i bilden eller tonen skick trots bevis på lärande i offline åtgärder för noggrannhet. Här visas preliminära FMRI-resultat baserat på data från nio utvecklande skolåldern barn som fullstit auditiva och visuella statistiska inlärningsuppgifter.När man jämförde strukturerade block med slumpmässiga block observerades signifikanta kluster i en mängd olika hjärnregioner, beroende på stimulanstyp. Dessa resultat tyder på att den nuvarande uppgiften design är känslig för att upptäcka lärande inducerad hemodynamic förändringar i barns hjärnor. Representativa resultat hos vuxna anger att de strukturerade sekvenserna är learnable stöds av en betydligt snabbare svarstid i det strukturerade villkoret, jämfört med slumpmässigt skick i alla i skanner uppgifter med undantag av tonen uppgift.Vi uppmuntrar forskare, att inkludera andra individuella differensåtgärder för att bättre förstå hur variabilitet och statistiskt lärande över domäner och modaliteter relaterar till processer på högre nivå. Detta protokoll är ett första steg mot att avgränsa hur individuella skillnader i statistisk inlärning kan redogöra för variation i språkutfall i både typisk och atypisk utveckling.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Funktionell hjärnavbildning med ultraljud Blod-hjärnbarriären störningar och mangan-förstärkt MRT

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

Kartläggning Kortikala Dynamics med samtidig MEG / EEG och anatomiskt-begränsade Minsta-norm uppskattningar: en auditiv uppmärksamhet Exempel

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

Bedömning av morfin-inducerad hyperalgesi och smärtstillande tolerans hos möss Använda Termiska och mekaniska Nociceptiva Modalities

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

Inspelning enstaka nervceller &#39;Action Potentials från fritt rörliga Duvor Över tre stadier av lärande

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 Metod för inspelning Intracellulärt Spännings svar av<em&gt; Drosophila</em&gt; Fotoreceptorer och Intern på ljusstimuli<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

Mikrotillstånd och Omega komplexitet analyser av den vilande-state elektroencefalografi

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 protokoll för mätning av kortikal fysiologi är associerad med svar hämning

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 och reproducerbara Test av lukt lärande och diskriminering i möss

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 fältmetoder använder funktionella nära infraröd spektroskopi (NIRS) Neuroimaging att studera globala barns utveckling: landsbygdens 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

Studera hjärnans funktion i barn som använder Magnetencefalografi

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