本文介绍了一种针对儿童设计的统计学习任务方案,旨在研究儿童在不同领域和感觉模式下对时间统计规律的学习能力。这些任务通过基于网络的平台收集行为数据,并结合基于任务的功能性磁共振成像(fMRI)数据,以考察统计学习过程中的神经活动情况。
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本文介绍了一种针对儿童设计的统计学习任务方案,旨在研究儿童在不同领域和感觉模式下对时间统计规律的学习能力。这些任务通过基于网络的平台收集行为数据,并结合基于任务的功能性磁共振成像(fMRI)数据,以考察统计学习过程中的神经活动情况。
统计学习是一种从环境中提取规律性的基本能力,通常被认为是母语发展的重要支持机制。尽管许多统计学习研究局限于单一领域或感觉通道,但近期证据表明,这种能力可能因刺激呈现的情境不同而有所差异。此外,很少有研究关注学习在实时过程中的动态变化,而更多聚焦于学习的最终结果。在本实验方案中,我们描述了一种方法,用于识别个体在不同领域(语言与非语言)和不同感觉模态(视觉与听觉)下统计学习的认知与神经基础。这些任务被设计为对参与者施加尽可能小的认知负荷,因此特别适用于学龄儿童及特殊人群。行为任务基于网络平台,使我们能够在全国范围内招募更具代表性的样本,更精确地估计效应量,并推动开放、可重复的研究。功能磁共振成像(fMRI)任务所提供的神经测量指标,可帮助研究人员了解统计学习过程中所涉及的神经机制,以及这些机制如何因领域或模态的不同而在个体间产生差异。最后,这两类任务均支持对实时学习过程的测量,通过追踪暴露期间对目标刺激的反应时变化来实现。该方案的主要局限在于实验时长约为一小时,儿童可能需要分多次完成全部四项统计学习任务。因此,网络平台在设计时已充分考虑这一限制,允许将任务单独分发实施。本方法将帮助使用者探究来自不同发展背景的儿童在不同领域和模态中,统计学习过程如何展开与演变。
统计学习是一种基本能力,支持个体从语言输入中习得受规则支配的组合结构1。婴儿期统计学习能力的成功表现可预测其后续语言学习的成效2,3。学龄儿童在统计学习能力上的个体差异也与词汇量4和阅读能力5,6相关。统计学习困难被认为是导致语言障碍的一种病因机制7。尽管在神经典型发展人群和非典型发展人群中,统计学习与语言发展结果之间存在关联,但支撑统计学习的认知与神经机制仍不明确。此外,已有文献表明,在个体内部,统计学习能力在不同领域和模态之间并非统一,而是相互独立的6,8,9。统计学习能力的发展轨迹在不同领域和模态之间也可能进一步存在差异10。这些发现凸显了在发展过程中通过多种任务评估个体在统计学习方面差异的重要性。然而,该领域首先需要对统计学习与第一语言发展之间的关系进行更为系统的研究。为回答这些问题,我们采用了创新方法,包括一种基于网络的测试平台11,以覆盖大量儿童,以及基于实验室的神经影像技术(功能性磁共振成像,即 fMRI),用于考察统计信息的实时编码过程。
统计学习的标准测量方法始于一个熟悉化阶段,随后进行二选一强制选择(2-AFC)任务12,13。在熟悉化阶段,向被试呈现一段连续的刺激流,其中包含统计规律性,即某些刺激比其他刺激更倾向于共同出现。这些共现刺激的呈现遵循固定的时序。在熟悉化阶段,被试被动地接触该刺激流,随后进行2-AFC任务,以检验被试是否成功提取了其中的模式。在2-AFC准确性任务中,呈现两个连续的序列:其中一个序列曾在熟悉化阶段向被试展示过,而另一个则是新序列,或包含部分新序列。若2-AFC任务的准确率高于随机水平,则表明在群体层面上实现了成功的学习。传统的用于评估统计学习的行为任务通常以准确性作为学习效果的衡量指标。然而,准确性无法反映信息随时间逐步习得的自然学习过程。为了探究统计学习中儿童仍在对输入信息中的规律性进行编码的内隐学习过程,有必要采用能够测量实时学习的指标14,15,16。已有研究在不同范式中开发出多种改进方法,旨在摆脱对2-AFC测量的依赖,转而通过暴露阶段的行为反应来测量在线学习过程16。采用这些改进方法并测量暴露阶段反应时的研究发现,反应时与学习后的准确性相关17,且相较于成人学习者的准确性指标,其重测信度更优18。
神经测量方法对于我们理解学习随时间展开的过程也具有基础性意义,因为语言习得所依赖的内隐过程可能调用了与已掌握语言后不同的神经资源19。神经测量还能揭示特殊人群在语言能力背后认知特化的差异20。在fMRI研究中,如何设计条件对比对于解释学习过程中神经激活模式至关重要。一种常见做法是,在熟悉阶段比较包含规律模式的序列与由相同刺激随机排列组成的序列之间的脑反应。然而,以往采用此类随机对照条件的研究并未发现行为上有学习的证据,尽管结构化序列与随机序列之间存在神经活动差异。这可能是由于随机序列干扰了结构化序列的学习,因为两者使用了相同的刺激材料21,22。其他一些fMRI研究采用倒放语音或早期学习区块作为对照条件,证实了行为上的学习确实发生19,23。然而,这些范式各自引入了新的混淆因素,例如前一种情况中的语言加工效应,以及后一种情况中的实验顺序效应。我们的实验范式仍使用随机序列作为对照条件,但通过设计减轻了其对参与者学习结构化序列的干扰。我们的fMRI范式还采用了混合的区组/事件相关设计,可同时对短暂的试次相关和持续的任务相关BOLD信号进行建模24。最后,更广泛地说,神经测量使得我们能够在难以诱发明确行为反应的人群中(例如发育中人群和特殊人群)测量学习过程25。
本方案除了采用传统的准确性测量外,还引入了反应时间测量,并考察熟悉阶段的大脑激活情况。这些方法的结合旨在为实时学习过程的研究提供丰富的数据集。基于网络的平台通过包含暴露阶段的反应时间以及测试阶段的二选一迫选(2-AFC)任务的准确性,提供了一套学习测量指标。神经影像方案可用于探究跨领域和跨模态支持统计学习的潜在神经机制。尽管使用基于网络和功能磁共振成像(fMRI)的方案在个体内部测量统计学习是最优方案,但这些任务的设计允许其独立实施,因此可作为统计学习的两个独立测量指标。本方案中包含的fMRI实验有助于阐明刺激编码、模式提取以及统计学习其他组成成分在特定脑区和脑网络中的表征方式。
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所有参与者均签署书面知情同意书,研究经机构审查委员会批准并按照其规定执行。
1. 网络协议中采用的统计学习范式概述
2. 受试者招募
注意:尽管基于网络的实验方案和fMRI实验方案最好在同一受试者身上同时实施,但此处我们分别概述了每项任务独立进行时的受试者招募最佳实践。
3. 基于网络的实验方案
注意:基于网络的统计学习范式托管于一个安全网站(https://www.cogscigame.co11),并使用 jsPsych(一种用于在线创建行为实验的 JavaScript 库)开发30。
4. 基于任务的fMRI实验方案
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基于网络的行为结果
鉴于当前方案旨在便于在发育人群中间传播,我们纳入了基于22名发育中的学龄儿童数据的初步网络结果(平均年龄(M)= 9.3岁,标准差(SD)= 2.04岁,年龄范围 = 6.2–12.6岁,13名女孩)。在基于网络的统计学习任务中,儿童在所有条件下表现均显著优于0.5的随机水平,表明在群体层面上成功实现了统计学习(统计结果见表1;图3)。在音节条件下,平均反应时斜率为负且显著低于0(M = -0.01,SD = 0.02,t(14) = -2.36,单尾p = .02);在字母条件下为边缘显著(M = -0.02,SD = 0.06,t(15) = -1.52,单尾p = .07,图4),提示在语言任务的熟悉阶段,目标检测速度加快。在图像条件(M = 0.02,SD = 0.04,t(17) = 1.54,单尾p > .1)和音调条件(M = 0.005,SD = 0.02,t(15) = -5.7 × 10-...
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本方案中介绍的方法为理解发育过程中统计学习的行为和神经指标提供了一种多模态范式。当前的设计能够识别个体在不同模态和领域中统计学习能力的差异,这些差异可用于未来探究统计学习与语言发展之间的关系。由于个体的统计学习能力在不同领域和模态间存在差异6,8,9,因此建议参与者完成全部四项任务。来自正常发育儿童和成人的研究结果表明,个体在不同统计学习领域/模态中的表现与词汇量4和阅读能力5,6的发展结果存在差异性关联。因此,我们建议额外采集认知能力和语言能力的相关测量指标,以便与本方案中获得的统计学习测量结果进行关联分析。
已有研究报道,这些统计学习任务在成人中表现出合理的内部一致性和重测信度8
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢Yoel Sanchez Araujo和Wendy Georgan在基于网络平台的初步设计中所做出的贡献。我们感谢An Nguyen和Violet Kozloff在改进基于网络的统计学习任务、实施fMRI任务以及在成年参与者中开展任务预实验方面的工作。我们感谢Violet Kozloff和Parker Robbins在儿童数据收集过程中提供的协助。我们感谢特拉华大学生物与脑成像中心的Ibrahim Malik、John Christopher、Trevor Wigal和Keith Schneider在神经影像数据采集过程中提供的帮助。本研究部分由国家耳聋与其他沟通障碍研究所(负责人:Qi;NIH 1R21DC017576)和国家科学基金会社会、行为与经济科学学部资助。 & 经济科学(项目负责人:Schneider,共同项目负责人:Qi) & 戈林科夫;美国国家科学基金会 1911462 号项目)
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 4按钮 inline 反应装置 | 剑桥研究系统 | 货号:N1348 | 用于测量扫描仪内反应时间的fMRI反应键 |
| 短/细管吸头 | 康普泡沫 | SKU: 40-15028-11 | 短 &建议为儿童使用尺寸较小的入耳式耳塞,以保护听力,并确保其在扫描仪中能够听到刺激信号。 |
| jsPsych | jsPsych | https://www.jspsych.org/ | jsPsych 是一个用于在网页浏览器中运行行为实验的 JavaScript 库。 |
| 语音合成器 | Praat | 版本 6.1.14 | 该程序是一种人工语音合成器,用于生成音节刺激材料。 |
| 基于网络的统计学习任务 | Zenodo | http://doi.org/10.5281/zenodo.3820620(2020年)。 | 所有基于网络的统计学习任务均可在 Zenodo 上免费获取。 |
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