Præsenteret her er en protokol, der indfører et sæt børnevenlige statistiske læringsopgaver rettet mod at undersøge børns læring af tidsmæssige statistiske mønstre på tværs af domæner og sensoriske modaliteter. De udviklede opgaver indsamler adfærdsmæssige data ved hjælp af den webbaserede platform og opgavebaserede funktionelle magnetiske resonansbilleddannelsesdata (fMRI) til undersøgelse af neuralt engagement under statistisk læring.
Statistisk læring, en grundlæggende færdighed i at udtrække regelmæssigheder i miljøet, betragtes ofte som en central støttemekanisme i den første sprogudvikling. Mens mange undersøgelser af statistisk læring udføres inden for et enkelt domæne eller modalitet, tyder de seneste tegn på, at denne færdighed kan variere baseret på den sammenhæng, hvori stimuli præsenteres. Desuden undersøger kun få undersøgelser læring, som den udfolder sig i realtid, snarere med fokus på resultatet af læring. I denne protokol beskriver vi en tilgang til at identificere det kognitive og neurale grundlag for statistisk læring, inden for en person, på tværs af domæner (sproglig vs. ikke-sproglige) og sensoriske modaliteter (visuelle og auditive). Opgaverne er designet til at kaste så lidt kognitiv efterspørgsel som muligt på deltagerne, hvilket gør det ideelt for unge børn i skolealderen og særlige befolkningsgrupper. Den web-baserede karakter af adfærdsmæssige opgaver giver en unik mulighed for os at nå mere repræsentative befolkninger landsdækkende, at vurdere effekt størrelser med større præcision, og at bidrage til åben og reproducerbar forskning. De neurale foranstaltninger, som den funktionelle magnetiske resonans imaging (fMRI) opgave kan informere forskerne om de neurale mekanismer engageret under statistisk læring, og hvordan disse kan variere på tværs af individer på grundlag af domæne eller modalitet. Endelig giver begge opgaver mulighed for måling af læring i realtid, da ændringer i reaktionstiden til en målstimulering spores over eksponeringsperioden. Den vigtigste begrænsning ved at bruge denne protokol vedrører eksperimentets timelange varighed. Børn skal muligvis udføre alle fire statistiske læringsopgaver på flere møder. Derfor er den webbaserede platform designet med denne begrænsning for øje, så opgaver kan formidles individuelt. Denne metode vil give brugerne mulighed for at undersøge, hvordan processen med statistisk læring udfolder sig på tværs af og inden for områder og modaliteter hos børn med forskellig udviklingsbaggrund.
Statistisk læring er en elementær færdighed, der understøtter erhvervelsen af regelstyrede kombinationer i sproginput1. Vellykket statistisk indlæringsevne hos spædbørn forudsiger senere sprogindlæringssucces2,3. Variabilitet i statistiske læringsfærdigheder hos børn i skolealderen har også været forbundet med ordforråd4 oglæsning 5,6. Der er foreslået vanskeligheder med statistisk læring som en æiologisk mekanisme , der ligger til grund forsprogforringelse 7. På trods af forbindelsen mellem statistisk læring og sprogresultater i både neurotypiske og atypiske populationer er de kognitive og neurale mekanismer, der ligger til grund for statistisk læring, fortsat dårligt forstået. Desuden har tidligere litteratur vist, at statistisk indlæringsevne inden for en enkelt person ikke er ensartet, men uafhængig på tværs af domæner ogmodaliteter 6,8,9. Den udviklingsmæssige bane for statistiske læringsevner kan variere yderligere på tværs af domæner og modaliteter10. Disse resultater understreger vigtigheden af at vurdere individuelle forskelle i statistisk læring på tværs af flere opgaver i løbet af udviklingen. Feltet kræver imidlertid først en mere systematisk undersøgelse af forholdet mellem statistisk læring og førstesprogsudvikling. For at løse disse spørgsmål anvender vi innovative metoder, herunder en webbaseret testplatform11, der når ud til et stort antal børn, og laboratoriebaserede neuroimagingteknikker (funktionel magnetisk resonansbilleddannelse eller fMRI), der undersøger realtidskodning af statistiske oplysninger.
Standard mål for statistisk læring begynder med en fortrolighedsfase og efterfølges af en to-alternativ tvungen valg (2-AFC) opgave12,13. Den familiarization fase introducerer en kontinuerlig strøm af stimuli indlejret med statistiske regelmæssigheder, hvor nogle stimuli er mere tilbøjelige til at co-forekomme end andre. Præsentationen af disse samtidig forekommende stimuli følger en fast tidsmæssig orden. Deltagerne udsættes passivt for strømmen i inddæmningsfasen efterfulgt af en 2-AFC-opgave, der tester, om deltageren har udtrukket mønstrene. 2-AFC-nøjagtighedsopgaven præsenterer to på hinanden følgende sekvenser: Den ene sekvens er blevet præsenteret for deltageren i fortrolighedsfasen, mens den anden er en ny sekvens eller indeholder en del af sekvensen. Over-chance nøjagtighed på 2-AFC ville indikere vellykket læring på gruppeniveau. Traditionelle adfærdsmæssige opgaver, der vurderer statistisk læring generelt stole på nøjagtighed som resultatet mål for læring. Men nøjagtigheden undlader at tage højde for den naturlige læring af information, som det udfolder sig i tide. Det er nødvendigt at måle læring i realtid for at udnytte den implicitte læringsproces med statistisk læring , hvor børn stadig kodler regelmæssighederne fra input14,15og16. Forskellige tilpasninger på tværs af paradigmer er blevet udviklet i et forsøg på at bevæge sig væk fra 2-AFC foranstaltning, i retning af mål for on-line læring gennem adfærdsmæssige reaktioner undereksponeringen 16. Undersøgelser, der anvender disse tilpasninger, og som måler reaktionstiden i eksponeringsfasen, viste, at de var relateret til nøjagtigheden efterindlæringen 17 med bedre testsikkerhedspålidelighed i forhold til nøjagtigheden hos voksneelever 18.
Neurale foranstaltninger er også grundlæggende for vores forståelse af, hvordan læring udfolder sig over tid, som den implicitte proces, som sprogindlæring opstår sandsynligvis rekrutterer forskellige neurale ressourcer fra dem, der anvendes, når sproget erlært 19. Neurale foranstaltninger giver også indsigt i forskelle i kognitive specialiseringer underliggende sprog evne på tværs af særligepopulationer 20. Hvordan tilstandskontrasten er designet i en fMRI-undersøgelse er afgørende for, hvordan vi fortolker mønstre af neural aktivering under læring. En almindelig praksis er at sammenligne hjernens reaktioner i fortrolighedsfasen mellem sekvenser, der indeholder regelmæssige mønstre i forhold til dem, der indeholder de samme stimuli, som bestilles tilfældigt. Men, tidligere forskning gennemføre en sådan tilfældig kontrol tilstand fandt ingen beviser for læring i adfærd, trods neurale forskelle mellem strukturerede og tilfældige sekvenser. Dette kan skyldes interferens af tilfældige sekvenser på læring af strukturerede sekvenser, som begge blev konstrueret af de samme stimuli21,22. Andre fMRI undersøgelser, der udnyttede tilbagestående tale eller tidligere læring blokke som kontrol betingelse bekræftet læring fandt stedadfærdsmæssigt 19,23. Hvert af disse paradigmer indførte imidlertid sin egen konfunderende faktor, såsom virkningen af sprogbehandling i førstnævnte tilfælde og virkningen af forsøgskendelsen i sidstnævnte tilfælde. Vores paradigme bruger den tilfældige sekvens som kontrolbetingelse, men afbøder deres indblanding i deltagernes læring af de strukturerede sekvenser. Vores fMRI paradigme implementerer også en blandet blok / event-relateret design, som giver mulighed for samtidig modellering af forbigående forsøg-relaterede og vedvarende opgave-relaterede FED signaler24. Endelig, og mere bredt, neurale foranstaltninger giver mulighed for måling af læring i populationer, hvor fremkalde en eksplicit adfærdsmæssig reaktion kan være vanskeligt (f.eks udviklingsmæssige og særlige populationer)25.
Den nuværende protokol vedtager en responstidsmål, ud over traditionelle nøjagtighedsmål, og undersøger hjernens aktivering i fortrolighedsfasen. Kombinationen af disse metoder har til formål at give et rigt datasæt til undersøgelse af læringsprocesser i realtid. Den webbaserede platform tilbyder et sæt læringsforanstaltninger ved at inkludere både responstiden i eksponeringsfasen og nøjagtigheden af 2-AFC-opgaven i testfasen. Den neuroimaging protokol giver mulighed for undersøgelse af de underliggende neurale mekanismer, der understøtter statistisk læring på tværs af domæner og modaliteter. Selv om det er optimalt at måle statistisk læring inden for en person, der bruger både webbaserede protokoller og fMRI-protokoller, er opgaverne udformet således, at de kan formidles uafhængigt og derfor som to uafhængige mål for statistisk læring. De fMRI-eksperimenter, der indgår i den aktuelle protokol, kan hjælpe med at afklare, hvordan stimuluskodning, mønsterudtrækning og andre bestanddele af statistisk læring repræsenteres af bestemte hjerneregioner og netværk.
De metoder, der præsenteres i den nuværende protokol giver en multimodal paradigme for at forstå adfærdsmæssige og neurale indekser for statistisk læring på tværs af løbet af udviklingen. Det nuværende design gør det muligt at identificere individuelle forskelle i statistisk indlæringsevne på tværs af modaliteter og områder, som kan bruges til fremtidig undersøgelse af forholdet mellem statistisk læring og sprogudvikling. Da en persons statistiske indlæringsevne findes at variere på tværs af domæner …
The authors have nothing to disclose.
Vi takker Yoel Sanchez Araujo og Wendy Georgan for deres bidrag i den oprindelige udformning af den web-baserede platform. Vi takker An Nguyen og Violet Kozloff for deres arbejde med at forbedre de webbaserede statistiske læringsopgaver, implementere fMRI-opgaverne og afprøve opgaverne hos voksne deltagere. Vi takker Violet Kozloff og Parker Robbins for deres bidrag til at bistå dataindsamling hos børn. Vi takker Ibrahim Malik, John Christopher, Trevor Wigal og Keith Schneider ved Center for Biological and Brain Imaging ved University of Delaware for deres hjælp til neuroimaging dataindsamling. Dette arbejde finansieres delvist af National Institute on Døvhed og andre kommunikationsforstyrrelser (PI: Qi; NIH 1R21DC017576) og National Science Foundation Directorate for Social, Behavioral & Economic Sciences (PI: Schneider, Co-PI: Qi & Golinkoff; NSF 1911462).
4 Button Inline Response Device | Cambridge Research Systems | SKU: N1348 | An fMRI reponse pad used for measuring in-scanner response time |
Short/Slim Canal Tips | Comply Foam | SKU: 40-15028-11 | Short & slim in-ear canal tips are recommended for children to protect hearing and allow for them to hear the stimuli while in the scanner. |
jsPsych | jsPsych | https://www.jspsych.org/ | jsPsych is a JavaScript library for running behavioral experiments in a web browser. |
Speech Synthesizer | Praat | Version 6.1.14 | This program is an artificial speech synthesizer which was used to create the syllable stimuli. |
Web-based statistical learning tasks | Zenodo | http://doi.org/10.5281/zenodo.3820620 (2020). | All web-based statistical learning tasks are available for free access on Zenodo. |