Przenośne intermodalne preferencyjne patrzenie (IPL): Badanie rozumienia języka u typowo rozwijających się małych dzieci oraz u małych dzieci z autyzmem

Podsumowanie

Opisano niezawodną metodę domową służącą do oceny rozumienia języka u bardzo małych dzieci rozwijających się typowo, jak również u dzieci z autyzmem. Metoda ta analizuje kierunek spojrzenia dzieci podczas oglądania zestawionych obok siebie obrazów przy jednoczesnym słuchaniu nagrania audio, które pasuje tylko do jednego z nich. Bodźce zostały zaprojektowane z myślą o młodych uczestnikach.

Streszczenie

Jedną z definiujących cech zaburzeń spektrum autyzmu (ASD) są trudności w posługiwaniu się językiem i komunikacji.¹ U dzieci z ASD początek mówienia jest zazwyczaj opóźniony, a wiele z nich konsekwentnie posługuje się językiem rzadziej, wykazując mniejszą złożoność leksykalną i gramatyczną niż ich rówieśnicy z typowym rozwojem (TD).^6,8,12,23 Jednak dzieci z ASD wykazują również znaczny deficyt społeczny, a badacze i klinicyści wciąż debatują nad tym, w jakim stopniu deficyty w interakcjach społecznych tłumaczą lub przyczyniają się do deficytów w produkcji językowej.^5,14,19,25

Zestandaryzowane oceny języka u dzieci z ASD zazwyczaj obejmują komponent rozumienia; jednak wiele z tych zadań ocenia jedynie jeden aspekt języka (np. słownictwo),⁵ zawiera istotny komponent motoryczny (np. wskazywanie, odgrywanie ról) i/lub wymaga od dzieci świadomego wyboru spośród kilku alternatyw. Wiadomo, że te dwa ostatnie zachowania stanowią również wyzwanie dla dzieci z ASD.^7,12,13,16

Przedstawiamy metodę umożliwiającą ocenę rozumienia języka u dzieci w typowym rozwoju (w wieku od 9 do 36 miesięcy) oraz u dzieci z autyzmem.^2,4,9,11,22 Metoda ta, Przenośna Intermodalna Preferencyjna Ocena Wzrokowa (P-IPL), polega na wyświetlaniu obok siebie obrazów wideo z laptopa na przenośnym ekranie. Obrazy wideo są najpierw parowane z dźwiękiem „bazowym” (nienakierowującym), a następnie prezentowane ponownie w parze z dźwiękiem językowym „testowym”, który odpowiada tylko jednemu z obrazów wideo. Ruchy gałek ocznych dzieci podczas oglądania wideo są filmowane, a następnie kodowane. Dzieci, które rozumieją przekaz dźwiękowy, szybciej i dłużej będą patrzeć na obraz wideo odpowiadający temu przekazowi.^{2,4,11,18,22,26}

Ten paradygmat obejmuje szereg komponentów, które zostały niedawno zminiaturyzowane (projektor, kamera, digitalizator), aby umożliwić przenośność i łatwą konfigurację w domach dzieci. Jest to kluczowy aspekt w ocenie małych dzieci z ASD, które często czują się niekomfortowo w nowych środowiskach (np. laboratoryjnych). Filmy mogą być tworzone w celu oceny szerokiego zakresu konkretnych elementów wiedzy językowej, takich jak szyk zdania Podmiot-Orzeczenie-Dopełnienie, pytania typu „wh” oraz końcówki czasu/aspektu w czasownikach; filmy mogą również służyć do oceny zasad uczenia się słów, takich jak tendencja do rzeczowników (noun bias), tendencja do kształtu (shape bias) oraz bootstrapping syntaktyczny.^{10,14,17,21,24} Filmy zawierają postaci i mowę, które są wyraźne wizualnie i akustycznie oraz dobrze tolerowane przez dzieci z ASD.

Protokół

1. Tworzenie filmu IPL

Projektujemy filmy tak, aby były interesujące i atrakcyjne, a jednocześnie niedrażniące dla małych dzieci z autyzmem, stosując szereg rozwiązań: gdy wymagane są postaci ożywione, zamiast ludzi wykorzystujemy zwierzęta, aby sceny były mniej obciążające społecznie i emocjonalnie dla dzieci z ASD. Wykorzystujemy dynamiczne sceny z jaskrawymi obiektami, aby przyciągnąć i utrzymać uwagę. Czerwone migające światło podczas odstępów między próbami (ITIs) utrzymuje uwagę dzieci, gdy ekrany wideo są puste. Ścieżkę dźwiękową z głosem realizujemy, stosując mowę o przesadzonej intonacji i wydłużonym czasie trwania, aby przyciągnąć i utrzymać uwagę dzieci.

Rycina 1. (Film) Jeden blok wideo Noun Bias. Przedstawia jeden blok wideo Noun Bias, który sprawdza, czy dzieci przypisują nowe słowo do obiektu czy do czynności. Kliknij tutaj, aby obejrzeć film.

Bodźce wideo są tworzone za pomocą komercyjnych programów do nielinearnego montażu, takich jak FinalCut Pro lub Avid Media Composer, przy użyciu 4–8 sekundowych klipów filmowych.

Pierwsze dwa klipy są rozmieszczone sekwencyjnie, naprzemiennie po lewej i prawej stronie, i sparowane z tym samym dźwiękiem wprowadzającym lub instruktażowym.

Następnie przeprowadzono próby bazowe; w tych próbach bodźce testowe prezentowane są obok siebie, lecz towarzyszą im nagrania dźwiękowe o charakterze niedyrektywnym. Próby bazowe pozwalają ustalić, czy dzieci wykazują jakąkolwiek wrodzoną lub wizualną preferencję wobec któregoś z bodźców w sytuacji, gdy nie występuje instrukcja językowa lub kierujący dźwięk.

Próby testowe pojawiają się na końcu, w parach z plikami audio testowymi, które pozwalają rozróżnić dwa bodźce wizualne.

Sygnał dźwiękowy o częstotliwości 1kHz jest emitowany na drugim kanale audio równocześnie z każdą próbą, co pozwala koderom wizualnie wyznaczyć moment rozpoczęcia i zakończenia prób.

2. Podczas wizyty/w domu dziecka

1. Przeprowadź proces uzyskiwania zgody z rodzicem. Przedstaw szczegółowo format badania i poproś rodzica o podpisanie formularzy zgody. Podkreśl, że dziecko powinno oglądać materiał przy minimalnej interakcji z rodzicem, i przedstaw odtwarzacz mp3, z którego rodzic będzie korzystać, jeśli dziecko ma siedzieć na jego kolanach. Rodzic słucha muzyki z odtwarzacza mp3 podczas oglądania wideo IPL, aby nie słyszeć ścieżki dźwiękowej testu IPL i potencjalnie nie wpływać na kierunek spojrzenia dziecka.
2. Przygotuj komponenty IPL w wyznaczonym pomieszczeniu i podłącz je do źródeł zasilania za pomocą przedłużaczy. Wskazane jest zaangażowanie asystenta badawczego, który będzie mógł bawić się z dzieckiem podczas przygotowań. Ustaw duży ekran tyłem do głównego źródła światła. Umieść głośnik centralnie za ekranem; ustaw oba pokrętła głośności na połowę zakresu. Umieść kamerę na statywie na pudełku z adapterem tonów, centralnie przed ekranem. Włóż kasetę do kamery i postaw DTE na podłodze obok kamery. Ustaw statyw projektora w odległości 7-10 feet od ekranu; umieść projektor na górze. Postaw laptop obok statywu projektora.

Rysunek 2. Przenośne komponenty IPL i układ ich konfiguracji w domu. Przedstawiono przenośne komponenty IPL oraz przestrzenne rozmieszczenie ich konfiguracji w domu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większy rysunek.

3. Podłącz komponenty IPL: Podłącz laptop w taki sposób, aby przesyłał sygnał wideo do projektora. Laptop wysyła również dwa sygnały audio (poprzez rozdzielacz), z czego sygnał głosowy trafia do głośnika, a sygnał tonowy do kamery. Podłącz kamerę tak, aby przesyłała sygnał wideo i audio do DTE. Po podłączeniu uruchom wszystkie komponenty. Na ekranie DTE po lewej stronie powinien pojawić się napis „AVI Type 1”, a poniżej „Counter”.
4. Odtwórz wideo dla dziecka: Wczytaj pierwszy film z laptopa do programu Quicktime.
   1. Ustaw krzesło w odległości od 2,5 do 3 stóp od kamery, przed ekranem. Poproś dziecko, aby usiadło na krześle lub na kolanach rodzica. Jeśli dziecko siedzi na kolanach rodzica, przekaż rodzicowi odtwarzacz mp3 i słuchawki douszne oraz poproś o ich uruchomienie. Jeśli dziecko siedzi samo, rodzic może usiąść obok. Dzieci, które stają się niespokojne podczas oglądania wideo, można zachęcać w ogólnych słowach do „oglądania filmu”.
   2. Upewnij się, że twarz dziecka jest widoczna w kamerze. Sprawdzaj to każdorazowo, gdy dziecko się przemieszcza. W razie potrzeby dostosuj oświetlenie w pomieszczeniu.
   3. Zapisz informacje o dziecku na białej tablicy suchościeralnej (pseudonim, płeć, wizyta, wideo, data, data urodzenia, wiek). Włącz kamerę i naciśnij przycisk nagrywania. Naciśnij przycisk nagrywania w DTE. Nagraj tablicę przez 10 sec.
   4. Na laptopie odtwórz pierwsze wideo, klikając „View”, a następnie „Enter Full Screen”.
   5. Po zakończeniu wideo naciśnij przycisk stop w DTE. Jeśli dziecko wyrazi chęć, można zaprezentować kolejne wideo. Alternatywnie może to być dobry moment na przerwę. Niektóre dzieci z ASD mogą potrzebować częstych przerw, podczas gdy inne mogą preferować obejrzenie wszystkich filmów jeden po drugim.
5. Nagródź dzieci upominkiem na koniec wizyty.

3. Kodowanie z powrotem w laboratorium

1. Sprawdź, czy ruchy oczu dziecka zostały już zdigitalizowane na urządzeniu DTE.
   1. Zaimportuj ten film do programu do nielinearnego montażu, przekonwertuj go do formatu (.avi) obsługiwanego przez nasz specjalistyczny program kodujący, a następnie wyeksportuj go na bezpieczne urządzenie pamięci.
2. Zakoduj każdy film zgodnie z jego specyficznym układem (t.j. rozmieszczeniem prób zapoznawczych/naukowych, bazowych i testowych).
   1. Przeglądaj film z dzieckiem klatka po klatce i znajdź klatki, w których widoczna jest fala sygnału dźwiękowego o częstotliwości 1kHz, co wskazuje na prezentowanie dziecku bodźca wzrokowego.
   2. Rozpocznij kodowanie podczas przerwy między próbami (ITI) przed każdą próbą docelową (t.j. gdy nie słychać sygnału i wyświetla się światło centrujące; dziecko powinno centrować wzrok lub patrzeć w innym kierunku). Przesuwaj się klatka po klatce, rejestrując każdą zmianę spojrzenia jako L (w lewo), R (w prawo), C (do centrum) lub A (odwrócenie wzroku: w górę, w dół, daleko w lewo, daleko w prawo, w tył).

Program kodujący generuje kolumny liczb wskazujących czas i rodzaj każdego wprowadzonego kodu. Przykładowo, TSC 33499 oznacza, że na początku próby, 3,3499 s od rozpoczęcia nagrania wideo, dziecko spojrzało w środek.

Macierze kodujące są analizowane przez specjalistyczny program analityczny w środowisku matlab, który uzyskuje dostęp do konkretnego układu – określającego, która strona jest dopasowana w każdej próbie – dla każdego filmu.

Programy analityczne obliczają następnie czas trwania i kierunek spojrzenia dziecka podczas każdej zakodowanej próby, latencję do pierwszego spojrzenia na pasujący bodziec oraz liczbę razy, w których dziecko przenosi uwagę podczas każdej zakodowanej próby.

Następnie porównujemy sposób patrzenia dzieci podczas prób bazowych i testowych pod kątem (a) czasu trwania spojrzenia na pasujący obraz, (b) czasu utkwienia pierwszego spojrzenia na pasujący obraz, (c) przebiegu czasowego patrzenia na oba obrazy podczas całej próby oraz (d) liczby zmian uwagi.

Założenie polega na tym, że dzieci rozumiejące bodziec językowy będą w próbie testowej dłużej patrzeć na pasujący obraz niż w próbie bazowej, że szybciej (po rozpoczęciu próby) skierują wzrok na obraz pasujący niż na niepasujący oraz że rzadziej będą zmieniać kierunek uwagi podczas prób testowych niż podczas prób bazowych, ponieważ bodziec językowy kieruje ich spojrzeniem.

Jedyną różnicą między próbami bazowymi a testowymi jest sygnał dźwiękowy językowy; bodźce wizualne są identyczne, jednak w próbach bazowych występuje dźwięk niedyrektywny (np. „spójrz tutaj!”), natomiast w próbach testowych dźwięk dyrektywny (np. „gdzie jest toopen?”). Zatem porównanie prób testowych z bazowymi pod kątem czasu trwania i zmian uwagi pozwala określić, w jakim stopniu dźwięk dyrektywny prowadzi wzrok dzieci. Ponadto, jeśli dzieci rozumieją sygnał dyrektywny, powinny szybciej spojrzeć na obrazek pasujący niż na obrazek niepasujący.

Wyniki

Przykład analizy wzorców patrzenia dzieci badanych za pomocą P-IPL przedstawiono na Ryc. 3. Podczas oglądania filmu NounBias dzieci z typowym rozwojem (TD) w wieku 21 miesięcy patrzyły dłużej na pasujący obraz podczas testu w porównaniu z próbami bazowymi, co wskazuje, że przypisały one nowe słowa do obiektów, a nie do czynności.²¹ Dzieci z ASD w średnim wieku 33 miesięcy zachowywały się podobnie, przy zbliżonych wielkościach efektu.^21,24 Zatem dzieci z ASD wykazują podobną tendencję w uczeniu się słów, co dzieci z grupy TD. Podczas oglądania filmu o szyku zdania SVO dzieci z obu grup również wykazały dłuższy czas patrzenia na pasujące obrazy podczas testu w stosunku do bazy (i.e., istotne rozumienie), co dowodzi zrozumienia angielskiego szyku słów (e.g., że zdanie „The girl pushes the boy” opisuje inną relację niż „The boy pushes the girl”).^3,14,21 Różnice rozwojowe są widoczne w przypadku filmu z pytaniami wh-, ponieważ dzieci z grupy TD wykazały istotne rozumienie w wieku 28 miesięcy, podczas gdy istotne rozumienie po raz pierwszy stwierdzono u dzieci z ASD w wieku 54 miesięcy.¹⁰ W związku z tym nauka poprawnej interpretacji pytań takich jak „What did the apple hit?” jest u dzieci z ASD opóźniona.

Rysunek 3. Procent czasu patrzenia dzieci na dopasowanie (tj. na obiekt, a nie na czynność) podczas oglądania filmu dotyczącego preferencji rzeczownikowej (Noun Bias). Przedstawia procent czasu patrzenia dzieci na dopasowanie (tj. na obiekt, a nie na czynność) podczas oglądania filmu dotyczącego preferencji rzeczownikowej (Noun Bias).

Rysunek 4 przedstawia bardziej szczegółowe analizy przebiegu czasowego u dzieci z typowym rozwojem (TD) oglądających film ShapeBias podczas czterech kolejnych wizyt, w wieku od 20 do 32 miesięcy. Niebieskie linie wskazują patrzenie na obiekt pasujący (i.e., obiekt o tym samym kształcie); należy zauważyć, że wysokość niebieskich linii podczas prób testowych (prawa strona każdego wykresu) wzrasta wraz z wiekiem, co wskazuje na rosnące preferencje dotyczące kształtu. Co więcej, w miarę wzrostu wieku dzieci, niebieskie linie szybciej wznoszą się w stronę obiektu pasującego w trakcie próby, co wskazuje na to, że z wiekiem dzieci szybciej rozumieją polecenia audio. Czerwone linie wskazują odwracanie wzroku; zauważalny jest spadek szerokości czerwonych linii wraz z wiekiem, ponieważ dzieci spędzają mniej czasu na patrzeniu poza obiekty. Różowe linie wskazują patrzenie na środek podczas okresu międzypróbnego (ITI); służą one do upewnienia się, że dzieci nie są obciążone żadną preferencją przed rozpoczęciem próby. Dane IPL potwierdzają wyniki uzyskane innymi metodami, wskazując, że tendencja do preferowania kształtu (Shape Bias) jest coraz silniejszą zasadą uczenia się słów u dzieci z typowym rozwojem. Jednakże trzy replikacje nie zdołały jeszcze wykazać istotnej, opartej na słowach tendencji do preferowania kształtu u dzieci z ASD.^17,24

Rysunek 4. Przebieg czasowy patrzenia dzieci z typowym rozwojem (TD) podczas oglądania filmu Shape Bias. Przedstawiono przebieg czasowy patrzenia dzieci TD na obiekt pasujący, niepasujący, środek oraz poza obszar analizy podczas oglądania filmu Shape Bias. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększony rysunek.

Rysunek 5 przedstawia dane dotyczące przebiegu czasowego dla tych samych dzieci z ASD w średnim wieku 41 miesięcy podczas oglądania filmu o syntaktycznym bootstrappingu, w którym proszone są one o naukę nowych czasowników przy użyciu otaczających ich struktur zdań (np. aby ustalić, że słowo gorping w zdaniu „The duck is gorping the bunny” odnosi się do działania przyczynowego, a nie nieprzyczynowego). Syntaktyczny bootstrapping to kolejna zasada nauki słów, która została zreplikowana w wielu badaniach nad dziećmi z typowym rozwojem (TD). Zauważmy, że dzieci z ASD dłużej patrzą na obraz niedopasowany (zielone linie) podczas prób bazowych, ale następnie ich wzrok jest kierowany bardziej na obrazy dopasowane (niebieskie linie) podczas drugiej połowy prób testowych, gdy proszone są o znalezienie desygnatu nowego czasownika (np. „Find gorping!”). Jako grupa te dzieci z ASD były zatem w stanie prawidłowo przypisać czasownik do działania przyczynowego. Regresje międzywizytowe wykazują, że dzieci z ASD, które dłużej patrzyły na dopasowanie podczas filmu o syntaktycznym bootstrappingu, miały krótsze latencje do dopasowania podczas oglądania filmu o szyku słów (Word Order) 8 miesięcy wcześniej.¹⁴

Rycina 5. Przebieg czasowy patrzenia dzieci z ASD podczas oglądania filmu o Syntactic Bootstrappingu. Przedstawia przebieg czasowy patrzenia dzieci z ASD na obiekt zgodny, niezgodny, centrum oraz poza obszar podczas oglądania filmu o Syntactic Bootstrappingu.

Dyskusja

Należy zwrócić szczególną uwagę na to, aby koderzy byli „głusi” naśladowniki lub nieświadomi konkretnych bodźców, których dziecko doświadcza w danej próbie, tak aby nie wiedzieli, która strona jest dopasowana i nie wprowadzali nieumyślnie błędów do kodowania. Zapewniamy to poprzez włączenie tonu 1kHz na 2^nd kanale audio filmu, który następnie jest kopiowany na zapis ruchów gałek ocznych dziecka. Kształt fali tego tonu stanowi wizualną wskazówkę dotyczącą początku i końca każdej próby, wyznaczając tym samym granice prób bez konieczności znajomości treści wideo lub audio przez kodera.

Bardzo ważne jest upewnienie się, że układ analizy uwzględnia zamianę stron lewej i prawej, która następuje podczas kodowania zachowań dzieci (t.j. jeśli dopasowana scena znajduje się po lewej stronie z perspektywy dziecka, dla osoby kodującej ruchy gałek ocznych będzie ona widoczna po prawej stronie i odwrotnie).

Oceny niezawodności międzykoderowej wykazują korelacje na poziomie około 0,98 dla par doświadczonych koderów przy losowych wyborach 10% danych;³ w przypadku koderów z mniejszym doświadczeniem lub przy wysokiej rotacji koderów pracujących z uczestnikami badania, zalecamy, aby ruchy gałek ocznych każdego dziecka były kodowane przez co najmniej 2 osoby i wymagamy, aby ich kody (zazwyczaj czas trwania dopasowania) różniły się o nie więcej niż 0,3 sec dla każdej próby. Jeśli tak nie jest, trzecia, czwarta lub piąta osoba powinna kodować dane dziecka, aż do osiągnięcia niezawodności.¹⁷

W przypadku uczestników w wieku przejściowym i/lub dzieci z opóźnieniami w rozwoju nieuniknione jest, że niektórzy nie będą spoglądać na żadną z scen przez pewien czas w każdej próbie, a w niektórych próbach nie zrobią tego wcale. W odniesieniu do takich ubytków uwagi stosuje się zazwyczaj następujące konwencje: (a) aby próba została zaliczona, dzieci muszą patrzeć na co najmniej jedną scenę przez minimum 0,3 sec. W przeciwnym razie próba jest uznawana za brakującą. (b) aby dziecko zostało uwzględnione w końcowym zbiorze danych dla danego filmu, musi dostarczyć danych dla więcej niż połowy prób testowych. (c) brakujące próby zastępuje się średnią wartością dla dzieci w danej grupie wiekowej/warunku dla danego elementu.

IPL jest metodą, która wykorzystuje najwcześniejsze mapowania form lingwistycznych (tj. słów i zdań) na znaczenia referencyjne (tj. obiekty i czynności) lub propozycjonalne (tj. relacje i zdarzenia) u dzieci. Może ona służyć do oceny procesów, dzięki którym dzieci w różnym wieku uczą się nowych słów, a także do określania wieku, w którym zaczynają rozumieć różne typy form gramatycznych. Ponieważ IPL wymaga jedynie ruchów gałek ocznych jako jawnych wskaźników rozumienia (lub jego braku), może być stosowana u małych dzieci, których współpraca behawioralna jest zazwyczaj niska, a także w wybranych grupach specjalnych, takich jak dzieci z ASD. Co więcej, dzięki możliwości wykorzystania tej technologii w domach dzieci, może ona być stosowana w populacjach trudnodostępnych w konwencjonalnych laboratoriach, na przykład u dzieci z grup o niskim statusie społeczno-ekonomicznym, dzieci z obszarów wiejskich oraz dzieci dwujęzycznych, których rodzice są jednojęzycznymi osobami niebędącymi rodzimymi użytkownikami języka. Nowoczesne metody analizy tych ruchów gałek ocznych ujawniają interesujące i istotne efekty nauki różnych typów języków oraz nauki słów w różnym wieku. Plany na przyszłość obejmują jednoczesne stosowanie IPL z metodami neuroobrazowania, aby można było porównać aktywność mózgu dzieci podczas rozumienia języka z ich wskaźnikami behawioralnymi.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Ekran	Draper	RoadWarrior Portable Projection Screen
Laptop	Apple	15 inch MacBook Pro
Projektor	NEC	NP40 Projector	Projektor z cyfrową soczewką
Statyw do projektora	DA-LITE	Project-O-Stand
Głośnik	YAMAHA	Monitor Speaker Model MS101II
Statyw	Velbon	QB-4W DF Mini
Kamkorder	Canon	VIXIA HV30 HDV	Wideo wysokiej rozdzielczości
DTE	DTE Technology	FS-H200
Słuchawki z redukcją szumów	Sony	MDR-NC60