结合计算机游戏型行为实验与高密度脑电图及红外眼动追踪

摘要

本文描述了在基于计算机游戏的认知任务期间记录高密度脑电图（EEG）和眼动数据的操作步骤。使用电子游戏来呈现认知任务可在不牺牲实验控制的前提下提高生态效度。

摘要

实验范式的有效性取决于其刺激的时间安排及其他参数是否得到明确设定和控制，同时也取决于其能否在生态效度较高的条件下产生与认知加工相关的数据。这两个目标常常相互冲突，因为控制严密的刺激往往过于重复，难以维持被试的动机。采用脑电图（EEG）的研究尤其容易受到生态效度与实验控制之间这一两难困境的影响：为了在生理信号的平均值中获得足够的信噪比，需要在长时间的记录过程中进行大量重复试验，这限制了被试群体的范围，仅能纳入那些具备完成重复性任务所需能力和耐心的个体。这一限制严重阻碍了研究者对年幼儿童群体以及与焦虑增强或注意力异常相关的临床群体的探究。即使是成年非临床被试，也可能无法达到其典型的任务表现水平或认知参与程度：一个缺乏动机、仅将实验任务视为苦差事的被试，在行为、认知乃至神经层面，都与一个内在动机强烈且积极参与任务的被试截然不同。越来越多的文献表明，将实验嵌入视频游戏中，可能为解决实验控制与生态效度之间的矛盾提供一条可行路径。游戏的叙事背景为任务的发生提供了更为真实的情境，从而增强了任务的生态效度（Chaytor & Schmitter-Edgecombe, 2003）。此外，这种情境本身也能激发被试完成任务的动机。在我们的游戏中，被试需执行各种任务，例如收集资源、抵御海盗、截获通信或促进外交关系。在此过程中，他们同时完成一系列认知任务，包括Posner注意力转移范式（Posner, 1980）、运动抑制的“执行/不执行”测试、心理物理学中的运动相干性阈值任务、嵌入图形测验（Witkin, 1950, 1954）以及心理理论任务（Wimmer & Perner, 1983）。游戏软件会自动将游戏中的刺激以及被试的动作和反应记录在日志文件中，并发送事件编码以与生理数据记录设备同步。因此，该游戏可与EEG或fMRI等生理测量手段结合使用，也可与逐时刻的眼动追踪技术联合应用。眼动追踪可用于验证被试对行为任务（如注视点固定）的依从性及其对实验刺激的外显注意力，同时也能通过瞳孔扩张反映其生理唤醒水平（Bradley et al., 2008）。当采样频率足够高时，眼动追踪还有助于通过微扫视评估隐性注意力——微扫视是幅度极小、不足以将新物体投射至中央凹的眼动，但其起始速度迅速，且角距离与峰值速度之间的关系与跨越更大距离的扫视相同。微扫视的方向分布与（其他方式难以察觉的）隐性注意方向相关（Hafed & Clark, 2002）。

方案

1. 设计一款兼具趣味性与科学教育意义的视频游戏

1. 采用一种迭代式游戏设计流程，使科学价值与可玩性方面的考量相互影响、共同优化。 作为实验者，您可能已经设想好希望在计算机游戏中实现的刺激材料和行为范式。由于您并非游戏设计师，将这些范式整合到游戏中的任务可能看似一个可以在大部分工作完成后才处理的细节问题。然而事实恰恰相反。游戏是否能够吸引有动机的玩家参与——从而决定您的数据能否在最大程度的生态效度条件下被收集——从根本上取决于优秀的设计。游戏设计不同于游戏编程与实现，通常由具备不同专长的人员分别完成。您的预算可能允许聘请专业设计师，也可能仅能支持学生级别的设计师；无论哪种情况，设计都应被视为一项独立于实现的任务，它与实验范式的设定相关，但并不等同于后者。并非您所有的设想和限制条件都能在可玩的游戏形式中得以实现。优秀的设计师会向您提出问题，并建议如何调整实验范式的某些限制，以使游戏具备可玩性和娱乐性。根据我们的经验，面向实验科学的游戏设计是一个迭代过程：实验者向游戏设计师提供一组约束条件，游戏设计师则反馈设计构想并提出修改这些约束的建议，实验者据此重新调整约束条件，如此反复推进。
2. 男女通用设计。 在群体水平上，基于文化和生物学的认知特征可区分男性和女性（Valla 等，2010）。许多标准的电子游戏形式——尤其是“第一人称射击”类游戏——往往迎合典型的男性认知特征。因此，标准游戏设计会引入男性受试者的招....

讨论

或许，整合性研究面临的最重要障碍，是单个实验受试者（尤其是来自临床人群的受试者）在合理预期下能够持续参与实验而不至于疲劳的时间有限。遗憾的是，从研究者的角度来看，刺激材料控制得越严格，从受试者的角度来看，实验往往就越显得重复且乏味。近年来，关于神经精神障碍的行为学研究突显了动机、行为定势以及任务指导在建立认知策略和决定行为表现方面的重要性（例如 Plaisted et al. 1999；Dalton et al. 2005）。鉴于这些考虑，我们将实验刺激嵌入到一个视频游戏的情境中，以吸引并维持受试者的兴趣，同时在受试者玩游戏的过程中透明地收集行为数据，并与生理记录同步。这种具有吸引力且生态效度高的实验形式，相较于传统重复性的试验区块，具有诸多实际优势。事实上，注意力转换的不同水平与需求，以及多模态整合，在视频游戏情境中自然呈现；诸如点运动相干性与嵌入图形等心理物理学测量指标，可轻松实现为例如视窗中星场的移动，或在杂乱环境中检测特定物体。此外，视频游戏所具有的策略性和对抗性特征，为探索更高层次的认知指标（如对游戏相关叙事的理解，以及对计算机生成对手的社会归因）提供了天然的机会。视频游戏可引发注意力与感知.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
128通道BioSemi ActiveTwo测量系统	BioSemi		http://www.biosemi.com
32通道A组 + CMS/DRL	BioSemi	P32-ABC-ACMS
32通道B组	BioSemi	P32-ABC-B
32通道C组	BioSemi	P32-ABC-C
32通道D组	BioSemi	P32-ABC-D
EX1-EX8电极	BioSemi	8 x TP PIN
128通道帽	BioSemi	CAP M 128
EyeLink 1000红外眼动仪	SR Research Ltd.
EyeLink 1000远程摄像头升级组件	SR Research Ltd.	n/a	支持目标贴纸追踪
SignaGel电极凝胶	Parker Laboratories Inc.	n/a
0.05% KCl电解质（NaCl）凝胶	N/A	n/a	购自复合药房
Intensity Pro	Blackmagic Design