空間知能タスク：タスク固有ニューラル効率の比較のための脳波測定を活用

この手順の全体的な目的は、空間能力を必要とする問題セットを解く参加者の神経効率を比較することです。この手法により、学生が1学期でコアコンテンツの専門知識を習得できるか、あるいは学生が空間能力を用いて問題を解決しているときと、工学上の問題を解決しているときで神経学的測定値にどのような違いが出るかなど、工学教育分野における重要な問いに答えることができます。

この手法の主な利点は、脳の効率性に関する知見が得られることです。そして、その情報を学生のパフォーマンスと照らし合わせることができます。この方法は空間能力や静力学の問題に対する知見を提供しますが、高度な動力学に見られるような、他のスキル測定や問題形式にも適用可能です。

本手順の実演は、研究室の学部生研究員であるBradley Robinsonが行います。本日のプロトコルの受講者は、チームの学部生研究員であるSteven Woodです。まず、製造元の指示に従って、脳波（EEG）ヘッドセットをセットアップすることから始めてください。

各セッションの少なくとも1時間前までに、常に少なくとも2セットのヘッドセットを充電した状態にしておきます。EEG電極を湿らせるための液体と、EEG参照電極との良好な接触を確保するための研磨剤を用意します。次に、各ケースにフェルトを挿入し、注射器を使用して湿らせるための液体を十分に染み込ませます。

湿らせた電極を静置します。参加者の行動を測定するために、2台のビデオカメラを設置します。参加者が定位置に就いた後、カメラを調整し、ビデオにタイムスタンプが付与されていることを確認します。

最後に、コンピュータの電源を入れ、脳波データを記録するためのソフトウェアが起動していることを確認します。すべてのソフトウェアとデータ収集デバイスが、データ収集のために適切にインターフェース接続されていることを確認してください。参加者が到着したら、EEG室まで案内します。

参加者に、身に着けている電子機器をすべて取り外すよう依頼してください。シリンジを使用して電極を飽和させる方法を実演し、これはEEGフェルトスタンプを維持するためだけに使用することを説明します。フェルトが湿っていることを確認し、ケーシングにセットしたフェルトをEEGヘッドセットに装着してください。

次に、研磨剤入りのクリーナーで被験者のリファレンスポイントを清浄し、残渣を拭き取ります。被験者にEEGヘッドセットを装着します。ヘッドセットのリファレンスノードを、被験者の頭部のリファレンスポイントに合わせます。

ヘッドセットのアームを無理に曲げないようにし、不快感を避けるため、リファレンスノードと耳の後ろの間に隙間を空けてください。最後に、参加者が定位置についた後でカメラを再調整し、ビデオにタイムスタンプが押されていることを確認します。顔の表情と高品質な音声を記録するため、1台のカメラを参加者の顔に向けます。

もう一方のカメラを被験者の前方に向け、手書き動作を含む手の動きや、コンピュータ画面にどのタスクが表示されているかを確認できるようにします。EEGロギングソフトウェアでのデータ記録を開始してください。すべてのチャンネルがロギングデバイスに表示されていることを確認し、ロギングデバイスとEEGヘッドセットの間で良好な接続が確保されていることを確認してください。

すべてのチャンネルにおいて、当初は低振幅の振動を伴う同様の挙動を示すことを確認してください。次に、休息期間の直前および各新しい問題タイプの開始前に、EEGを確認して被験者との接続状態を点検し、記録デバイス上で一貫したパターンが得られるように、フェルト電極の配線し直しや調整を行ってください。タスク演習中は、できるだけ静止し、静かにするように被験者に指示してください。

データ収集中のすべての計画済み視覚提示は、コンピュータモニターを通じて行われることを被験者に伝えてください。タスク提示ソフトウェアを起動します。データ収集の開始時と終了時に、ベースラインデータの取得に使用する休息時間を設けてください。

最初の空間認識問題タイプとして、多肢選択式テストまたは正誤判断式の回転問題を提示します。続いて、2番目の空間認識問題タイプとして、多肢選択式テストまたは正誤判断式の心的切断問題を提示します。次に、工学静力学の特定の原理に焦点を当てた工学問題タイプを提示します。

タスクが完了したら、EEGヘッドセットを取り外します。続いて、タスク提示ソフトウェア、EEGロギングソフトウェア、およびビデオ録画装置の電源を切ります。最後に、参加者に感謝を伝え、今後の連絡予定および、本研究の結果を将来的にどのように提供できるかについて概要を説明します。

EEGキャップは電位を通じて脳活動を収集しますが、ここでは示されているように、データ内の特定のアーティファクトや複数のイベントを手動で除去する必要があります。独立成分分析の後、ソフトウェアはデータを頭皮上の活動表現として、また試行（Trials）と時間（Time）で整理された2次元の連続的な活動プロットとしてマッピングできます。習熟すれば、この手法は45分から1時間で完了させることが可能です。

これは、参加者の問題解決速度に依存することを理解してください。この手順を実行する際は、通常、フェルトスタンプを使用することで、EEGが参加者の頭部と良好に接続されていることを確認することが重要です。このビデオを視聴することで、EEGデバイスをセットアップし、参加者からデータを収集することで、神経効率研究のためのEEGデータを収集する方法を十分に理解できるはずです。