Name: Wykorzystanie pomiarów elektroencefalografii do porównania sprawności neuronalnej specyficznej dla danego zadania: zadania z zakresu inteligencji przestrzennej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-08-09T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 57 s
Description: Poznaj metodę EEG do pomiaru sprawności neuronalnej podczas rozwiązywania zadań z inteligencji przestrzennej. Technika ta pozwala porównywać aktywność mózgu uczestników i analizować różnice w efektywności poznawczej.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy chcieliby podziękować Christopherowi Greenowi, Bradleyowi Robinsonowi i Marii Manueli Valladares za pomoc w zbieraniu danych. Fundusze na sprzęt EEG zostały zapewnione przez Biuro Badań i Studiów Podyplomowych Uniwersytetu Stanowego Utah dla Kerry Jordan's Multisensory Cognition Lab. Benjamin Call jest wspierany przez prezydenckie stypendium doktoranckie uzyskane w Utah State University's School of Graduate Studies za pracę z dr Wade'em Goodridge'em.

<ol><li>Sorby, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Educational+Research+in+Developing+3-D+Spatial+Skills+for+Engineering+Students%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Sci.+Educ%22%5BJournal%5D)">Educational Research in Developing 3-D Spatial Skills for Engineering Students.</a> Int. J. Sci. Educ. 31 (3), 459-480 (2009).</li>
<li>Wai, J., Lubinski, D., Benbow, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatial+Ability+for+STEM+Domains%3A+Aligning+Over+50+Years+of+Cumulative+Psychological+Knowledge+Solidifies+Its+Importance%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Educ.+Psychol%22%5BJournal%5D)">Spatial Ability for STEM Domains: Aligning Over 50 Years of Cumulative Psychological Knowledge Solidifies Its Importance.</a> J. Educ. Psychol. 101 (4), 817-835 (2009).</li>
<li>Uttal, D. H., Cohen, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatial+Thinking+and+STEM+Education%3A+When%2C+Why%2C+and+How%3F%5BTitle%5D)+AND+%22Psychol.+Learn.+Motiv%22%5BJournal%5D)">Spatial Thinking and STEM Education: When, Why, and How?</a> Psychol. Learn. Motiv. 57, 147-181 (2012).</li>
<li>Halpern, D. F., Collaer, M. L. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHalpern%2C+DF+%22The+Cambridge+handbook+of+visuospatial+thinking%22">The Cambridge handbook of visuospatial thinking</a>. , Cambridge University Press. Cambridge. (2005).</li>
<li>Lubinski, D., Benbow, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Study+of+mathematically+precocious+youth+after+35+years%5BTitle%5D)+AND+%22Perspect.+Psychol.+Sci%22%5BJournal%5D)">Study of mathematically precocious youth after 35 years.</a> Perspect. Psychol. Sci. 1 (4), 316-345 (2006).</li>
<li>Sorby, S., Casey, B., Veurink, N., Dulaney, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+role+of+spatial+training+in+improving+spatial+and+calculus+performance+in+engineering+students%5BTitle%5D)+AND+%22Learn.+Individ.+Differ%22%5BJournal%5D)">The role of spatial training in improving spatial and calculus performance in engineering students.</a> Learn. Individ. Differ. 26, 20-29 (2013).</li>
<li>Peters, M., Chisholm, P., Laeng, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatial+ability%2C+student+gender%2C+and+academic+performance%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Eng.+Educ%22%5BJournal%5D)">Spatial ability, student gender, and academic performance.</a> J. Eng. Educ. 84 (1), 1-5 (1994).</li>
<li>Pellegrino, J. W., Alderton, D. L., Shute, V. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Understanding+Spatial+Ability%5BTitle%5D)+AND+%22Educ.+Psychol%22%5BJournal%5D)">Understanding Spatial Ability.</a> Educ. Psychol. 19 (3), 239-253 (1984).</li>
<li>Goodridge, W., Villanueva, I., Wan, N. J., Call, B. J., Valladares, M. M., Robinson, B. S., Jordan, K. Neural efficiency similarities between engineering students solving statics and spatial ability problems. Poster presented at the meeting of the Society for Neuroscience. Washington, DC, , (2014).</li>
<li>Sorby, S. A., Baartmans, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Development+and+Assessment+of+a+Course+for+Enhancing+the+3-D+Spatial+Visualization+Skills+of+First+Year+Engineering+Students%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Eng.+Educ%22%5BJournal%5D)">The Development and Assessment of a Course for Enhancing the 3-D Spatial Visualization Skills of First Year Engineering Students.</a> J. Eng. Educ. 89 (3), 301-307 (2000).</li>
<li>Gorska, R., Sorby, S. A. Testing instruments for the assessment of 3-D spatial skills. Proceedings of the American Society for Engineering Education Annual Conference. , (2008).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22CEEB+Special+aptitude+test+in+spatial+relations%22">CEEB Special aptitude test in spatial relations</a>. , CEEB. USA. (1939).</li>
<li>Guay, R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aGuay%2C+R+%22Purdue+spatial+visualization+test%22">Purdue spatial visualization test</a>. , Purdue University. (1976).</li>
<li>Hegarty, M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHegarty%2C+M+%22Components+of+Spatial+Intelligence%22">Components of Spatial Intelligence</a>. , Elsevier Inc. San Diego, CA. (2010).</li>
<li>Bishop, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Developing+Students%27+Spatial+Ability%5BTitle%5D)+AND+%22Sci.+Teacher%22%5BJournal%5D)">Developing Students' Spatial Ability.</a> Sci. Teacher. 45 (8), 20-23 (1978).</li>
<li>Goodridge, W. H., Villanueva, I., Call, B. J., Valladares, M. M., Wan, N., Green, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cognitive+strategies+and+misconceptions+in+introductory+Statics+problems%5BTitle%5D)+AND+%222014+IEEE+Frontiers+in+Education+Conference+%28FIE%29+Proceedings%22%5BJournal%5D)">Cognitive strategies and misconceptions in introductory Statics problems.</a> 2014 IEEE Frontiers in Education Conference (FIE) Proceedings. , 2152-2159 (2014).</li>
<li>Steif, P. S., Dantzler, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Statics+Concept+Inventory%3A+Development+and+Psychometric+Analysis%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Eng.+Educ%22%5BJournal%5D)">A Statics Concept Inventory: Development and Psychometric Analysis.</a> J. Eng. Educ. 94 (4), 363-371 (2005).</li>
<li>Suresh, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+relationship+between+barrier+courses+and+persistence+in+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Coll.+Student+Retention%22%5BJournal%5D)">The relationship between barrier courses and persistence in engineering.</a> J. Coll. Student Retention. 8 (2), 215-239 (2006).</li>
<li>Pfurtscheller, G., Lopes da Silva, F. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Event-related+EEG%2FMEG+synchronization+and+desynchronization%3A+basic+principles%5BTitle%5D)+AND+%22Clin.+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Event-related EEG/MEG synchronization and desynchronization: basic principles.</a> Clin. Neurophysiol. 110 (11), 1842-1857 (1999).</li>
<li>Klimesch, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((EEG+alpha+and+theta+oscillations+reflect+cognitive+and+memory+performance%3A+a+review+and+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Res.+Brain+Res.+Rev%22%5BJournal%5D)">EEG alpha and theta oscillations reflect cognitive and memory performance: a review and analysis.</a> Brain Res. Brain Res. Rev. 29 (2-3), 169-195 (1999).</li>
<li>Babiloni, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Resting+state+cortical+rhythms+in+athletes%3A+a+high-resolution+EEG+study%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Res.+Bull%22%5BJournal%5D)">Resting state cortical rhythms in athletes: a high-resolution EEG study.</a> Brain Res. Bull. 81 (1), 149-156 (2010).</li>
<li>Babiloni, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((34%3BNeural+efficiency%26%2334%3B+of+experts%27+brain+during+judgment+of+actions%3A+a+high-resolution+EEG+study+in+elite+and+amateur+karate+athletes%5BTitle%5D)+AND+%22Behav.+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">34;Neural efficiency&#34; of experts' brain during judgment of actions: a high-resolution EEG study in elite and amateur karate athletes.</a> Behav. Brain Res. 207 (2), 466-475 (2010).</li>
<li>Del Percio, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((%22Neural+efficiency%22+of+athletes%27+brain+for+upright+standing%3A+a+high-resolution+EEG+study%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Res.+Bull%22%5BJournal%5D)">"Neural efficiency" of athletes' brain for upright standing: a high-resolution EEG study.</a> Brain Res. Bull. 79 (3-4), 193-200 (2009).</li>
<li>Grabner, R. H., Fink, A., Stipacek, A., Neuper, C., Neubauer, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intelligence+and+working+memory+systems%3A+evidence+of+neural+efficiency+in+alpha+band+ERD%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Res.+Cognitive+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Intelligence and working memory systems: evidence of neural efficiency in alpha band ERD.</a> Brain Res. Cognitive Brain Res. 20 (2), 212-225 (2004).</li>
<li>Grabner, R. H., Neubauer, A. C., Stern, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Superior+performance+and+neural+efficiency%3A+the+impact+of+intelligence+and+expertise%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Res.+Bull%22%5BJournal%5D)">Superior performance and neural efficiency: the impact of intelligence and expertise.</a> Brain Res. Bull. 69 (4), 422-439 (2006).</li>
<li>Grabner, R. H., Stern, E., Neubauer, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((When+intelligence+loses+its+impact+neural+efficiency+during+reasoning+in+a+familiar+area%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Psychophysiol%22%5BJournal%5D)">When intelligence loses its impact neural efficiency during reasoning in a familiar area.</a> Int. J. Psychophysiol. 49, 89-98 (2003).</li>
<li>Neubauer, A. C., Grabner, R. H., Fink, A., Neuper, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intelligence+and+neural+efficiency%3A+Further+evidence+of+the+influence+of+task+content+and+sex+on+the+brain-IQ+relationship%5BTitle%5D)+AND+%22Cognitive+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Intelligence and neural efficiency: Further evidence of the influence of task content and sex on the brain-IQ relationship.</a> Cognitive Brain Res. 25 (1), 217-225 (2005).</li>
<li>Riecanský, I., Katina, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Induced+EEG+alpha+oscillations+are+related+to+mental+rotation+ability%3A+The+evidence+for+neural+efficiency+and+serial+processing%5BTitle%5D)+AND+%22Neurosci.+Lett%22%5BJournal%5D)">Induced EEG alpha oscillations are related to mental rotation ability: The evidence for neural efficiency and serial processing.</a> Neurosci. Lett. 482 (2), 133-136 (2010).</li>
<li>Roberts, J. E., Ann Bell, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Two-+and+three-dimensional+mental+rotation+tasks+lead+to+different+parietal+laterality+for+men+and+women%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Psychophysiol%22%5BJournal%5D)">Two- and three-dimensional mental rotation tasks lead to different parietal laterality for men and women.</a> Int. J. Psychophysiol. 50 (3), 235-246 (2003).</li>
<li>Roberts, J. E., Bell, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effects+of+age+and+sex+on+mental+rotation+performance%2C+verbal+performance%2C+and+brain+electrical+activity%5BTitle%5D)+AND+%22Dev.+Psychobiol%22%5BJournal%5D)">The effects of age and sex on mental rotation performance, verbal performance, and brain electrical activity.</a> Dev. Psychobiol. 40 (4), 391-407 (2002).</li>
<li>Gill, H. S., O'Boyle, M. W., Hathaway, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cortical+distribution+of+EEG+activity+for+component+processes+during+mental+rotation%5BTitle%5D)+AND+%22Cortex%22%5BJournal%5D)">Cortical distribution of EEG activity for component processes during mental rotation.</a> Cortex. 34 (5), 707-718 (1998).</li>
<li>Caplan, J. B., Madsen, J. R., Schulze-Bonhage, A., Aschenbrenner-Scheibe, R., Newman, E. L., Kahana, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Human+Theta+Oscillations+Related+to+Sensorimotor+Integration+and+Spatial+Learning%5BTitle%5D)+AND+%22The+J.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Human Theta Oscillations Related to Sensorimotor Integration and Spatial Learning.</a> The J. Neurosci. 23 (11), 4726-4736 (2003).</li>
<li>Kahana, M., Sekuler, R., Caplan, J., Kirschen, M., Madsen, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Human+theta+oscillations+exhibit+task+dependence+during+virtual+maze+navigation%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Human theta oscillations exhibit task dependence during virtual maze navigation.</a> Nature. 399 (6738), 781-784 (1999).</li>
<li>Delorme, A., Makeig, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((EEGLAB%3A+An+open+source+toolbox+for+analysis+of+single-trial+EEG+dynamics+including+independent+component+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci.+Meth%22%5BJournal%5D)">EEGLAB: An open source toolbox for analysis of single-trial EEG dynamics including independent component analysis.</a> J. Neurosci. Meth. 134, 9-21 (2004).</li>
<li>Delorme, A., Sejnowski, T., Makeig, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+detection+of+artifacts+in+EEG+data+using+higher-order+statistics+and+independent+component+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Enhanced detection of artifacts in EEG data using higher-order statistics and independent component analysis.</a> NeuroImage. 34, 1443-1449 (2007).</li>
<li>Meyer-Lindenberg, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+maps+to+mechanisms+through+neuroimaging+of+schizophrenia%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">From maps to mechanisms through neuroimaging of schizophrenia.</a> Nature. 468, 194-202 (2010).</li>
<li>Campbell, S. R. Educational Neuroscience: Motivations, methodology, and implications. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aCampbell%2C+SR+%22Educ.+Neurosci.%3A+Initiatives+and+Emerging+Issues%22">Educ. Neurosci.: Initiatives and Emerging Issues</a>. Patten, K. E., Campbell, S. R. 43 (1), Wiley-Blackwell. West Sussex, United Kingdom. 7-16 (2011).</li>
<li>Kelly, A. E. Can Cognitive Neuroscience Ground a Science of Learning?. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKelly%2C+AE+%22Educ.+Neurosci.%3A+Initiatives+and+Emerging+Issues%22">Educ. Neurosci.: Initiatives and Emerging Issues</a>. Patten, K. E., Campbell, S. R. 43 (1), Wiley-Blackwell. West Sussex, United Kingdom. 17-23 (2011).</li>
<li>Cunningham, M. D., Murphy, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effects+of+bilateral+EEG+biofeedback+on+verbal%2C+visual-spatial%2C+and+creative+skills+in+learning+disabled+male+adolescents%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Learn.+Disabil%22%5BJournal%5D)">The effects of bilateral EEG biofeedback on verbal, visual-spatial, and creative skills in learning disabled male adolescents.</a> J. Learn. Disabil. 14 (4), 204-208 (1981).</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają sprzecznych lub konkurujących interesów finansowych.

W protokole omówiono zastosowanie elektroencefalografii do pomiaru aktywności mózgu u uczestników, którzy rozwiązują problemy związane z dwoma typowymi instrumentami zdolności przestrzennych i wysoce przestrzennymi problemami statycznymi. Opisane tutaj metody mogą ostatecznie pomóc w zrozumieniu wydajności neuronalnej osób o wysokich i niskich wynikach zaangażowanych w pracę nad tymi problemami. Ważne jest, aby zrozumieć wszelkie różnice w wydajności neuronalnej studentów inżynierii pracujących nad MCT i PSVT:R, ponieważ...

Zdolności przestrzenne są niezbędne w naukach ścisłych, technologii, inżynierii i matematyce (STEM) oraz edukacji i korelują z sukcesem w tych dziedzinach1,2,3. Dlatego ważne jest, aby zrozumieć, w jaki sposób zdolności przestrzenne wpływają na rozwiązywanie problemów4. Zdolności przestrzenne zostały powiązane z zainteresowaniami5, wydajnością6, sukcesem w środowisku akademickim7 i sukcesem specjalistów w dziedzinie inżynierii8. Nie ma jednak zbyt wielu prac wskazujących na konkretne procesy neuronalne w rozwiązywaniu problemów typowych dla wielu instrumentów zdolności przestrzennych, ani konkretnych treści inżynierskich, które są wysoce przestrzenne.
Ten artykuł stanowi wprowadzenie do metod używanych do zbierania danych i analizy wyników instrumentów zdolności przestrzennych w połączeniu z pomiarami neuronalnymi. Intencją publikowania za pomocą JoVE jest uczynienie tych metod bardziej dostępnymi dla szerszego grona odbiorców. W badaniu wykorzystano powszechnie dostępny sprzęt i oprogramowanie. Jako dokument metodyczny, pełne wyniki/zestawy danych nie są raportowane, ani nie są dostarczane wiele próbek. Wszystkie zdjęcia zostały wykonane specjalnie na potrzeby tej publikacji. Metody opisane poniżej zostały wykorzystane do przygotowania wstępnego raportu z konferencji9 w oparciu o dane od ośmiu uczestników drugiego roku studiów, z których trzy były kobietami.
Wiele istniejących instrumentów jest używanych do wskazywania poziomów zdolności przestrzennych wrodzonych lub wyuczonych przez jednostki. Dwa ważne i niezawodne instrumenty10,11, które są powszechnie używane, to Test Mentalnego Cięcia (MCT)12 i Test Wizualizacji Przestrzennej Purdue Rotacji (PSVT:R)13. Instrumenty te, choć pierwotnie zaprojektowane do celów zawodowych14, testują różne etapy rozwoju wizualizacji przestrzennej opisane przez teorię Piageta10,15. Korzystanie z tych instrumentów stwarza potrzebę zrozumienia leżących u podstaw fizjologicznych zjawisk poznawczych istniejących, gdy osoby pracują nad tymi problemami. Z tego powodu niniejsze badanie ma na celu zaprezentowanie metod wykorzystujących empiryczne dane fizjologiczne, które mogą ostatecznie poprawić analizę i zrozumienie myśli przestrzennej, zweryfikować istniejące możliwości testowania metryk oraz zwiększyć zastosowanie ocen przestrzennych do bardziej złożonych problemów typowych dla edukacji inżynierskiej. Wiele z tych problemów można napotkać w statyce inżynierskiej.
Statyka to podstawowy kurs mechaniki przeznaczony dla większości studentów inżynierii (np. Inżynieria Biologiczna, Mechaniczna, Lądowa, Środowiskowa, Lotnicza i Kosmiczna)16,17. Jest to jedno z pierwszych obszernych doświadczeń w rozwiązywaniu problemów, które studenci otrzymują w podstawowych treściach inżynierskich18. Statyka polega na badaniu oddziaływania sił na sztywne ciało, które jest w spoczynku lub porusza się ze stałą prędkością. Niestety, Statyka ma wysokie wskaźniki rezygnacji, wycofania się i niepowodzenia (14%, jak zaobserwowano na badanym uniwersytecie), co może być związane z tradycyjnymi modelami prowadzenia wykładów i programów nauczania, które pomijają kluczowe ścieżki wsparcia, takie jak przestrzennie ulepszone podejścia do edukacji. Na przykład podejścia przestrzenne w statyce mogą być ukierunkowane na wizualizację interakcji sił poza typową analizą analityczną i wzmocnić wiedzę proceduralną uczniów dzięki ugruntowanej konceptualizacji. Skuteczność takich interwencji należy zbadać z perspektywy neuronauki poznawczej.
Elektroencefalografia (EEG) prezentuje unikalną i mobilną metodę pomiaru aktywności fal mózgowych uczniów. Osoby wykonujące zadania, które wywołują aktywację beta, są na ogół bardzo zaangażowane w specyfikę zadania i zwracają uwagę na to, co robią19,20. Wraz ze wzrostem wymagań dotyczących zadań zwiększa się amplituda fali beta, a także rozmiar obszaru kory mózgowej, który zajmują częstotliwości pasma. Im więcej neuronów, które uruchamiają się w zakresie częstotliwości beta (alfa: 8 - 12 Hz, beta: 12 - 24 Hz), można zdefiniować jako większą moc beta. W związku z tym, gdy ktoś nabiera większego doświadczenia w zadaniu, amplituda fal beta maleje, generując mniej mocy beta. Jest to część hipotezy wydajności neuronalnej21-28, w której większe doświadczenie w wykonywaniu zadania wiąże się ze spadkiem mocy częstotliwości. Chociaż EEG było wcześniej wykorzystywane w badaniu zdolności przestrzennych (często do zadań związanych z rotacją umysłową i nawigacją przestrzenną) - a odpowiednie dane zostały zidentyfikowane w pasmach alfa, beta i theta27-33 - w tym badaniu zaobserwowano pasma alfa i beta, a beta została wybrana do dalszej reprezentatywnej analizy w tym artykule i we wstępnym raporcie z konferencji9. Poniższe procedury koncentrują się zatem na analizie pasm beta, ale w przyszłości zaleca się zbadanie wszystkich trzech pasm, w zależności od zarejestrowanych danych.
Hipoteza efektywności neuronalnej została przetestowana w różnych zadaniach, w tym w szachach, pamięci wzrokowo-przestrzennej, równoważeniu i odpoczynku. Wszyscy wskazali doświadczenie w wykonywaniu zadań jako czynnik zmniejszającej moc częstotliwości podczas wykonywania znanych zadań. W jednym z badańprzedstawiono dowody na to, że chociaż inteligencja danej osoby (mierzona ilorazem inteligencji) może pomóc jej w nabyciu umiejętności potrzebnych do wykonania zadania, doświadczenie w realizacji zadania przeważa nad inteligencją pod względem jej wkładu w efektywność neuronalną. Innymi słowy, im bardziej doświadczona jest dana osoba, tym bardziej staje się wydajna neuronalnie.
Istniejące badania efektywności neuronalnej dotyczące zdolności przestrzennych skupiały się głównie na rotacji przestrzennej, a różne zestawy problemów zostały użyte do porównania różnych populacji (np. mężczyzna/kobieta)27-28. Badania EEG nad zadaniami związanymi ze zdolnościami przestrzennymi również dostarczyły informacji poprzez porównanie wydajności z innymi typami zadań (np. zadaniami werbalnymi)27,29,30. Metody omówione w tym artykule koncentrują się i porównują problemy z MCT, PSVT:R, a także zadania równowagi statycznej, które są związane ze zdolnościami przestrzennymi, ale nie ograniczają się do rotacji przestrzennej i nawigacji. W miejsce podanych jako przykłady w niniejszym manuskrypcie mogą być wykorzystane inne zadania przestrzenne. W ten sposób w przyszłości można uzyskać dodatkowe informacje na temat różnych populacji (np. mężczyzn/kobiet lub ekspertów/nowicjuszy), aby ostatecznie pomóc w poprawie praktyk edukacyjnych w zakresie inżynierii.
W celu zbadania zdolności przestrzennych i zdolności inżynierskich, opracowaliśmy protokół wykorzystujący pomiary EEG do identyfikacji aktywacji fal beta u uczestników o niskich i wysokich wynikach podczas ograniczonej liczby konkretnych zadań przestrzennych i inżynieryjnych. W tym przypadku termin "osoba osiągająca wysokie wyniki" jest związany z wynikami uczestnika i nie odzwierciedla ilości czasu spędzonego w terenie przez uczącego się, ponieważ wszyscy uczestnicy byli mniej więcej na tym samym etapie edukacji. Ponadto zestaw problemów, z którymi się wiąże, jest dość specyficzny i podstawowy; Tak więc terminy "ekspert" lub "wysokowydajny" w niniejszym dokumencie nie mogą być postrzegane w sensie eksperta, profesjonalnie zatrudnionego inżyniera, ale reprezentują jedynie wysokie wyniki w tym wąskim wycinku programu nauczania mechaniki inżynierskiej i instrumentów zdolności przestrzennych. Pomiary neuronowe mogą być również wykorzystane do identyfikacji wszelkich ogólnych trendów, dla których typy zadań mogą angażować więcej zasobów poznawczych niż inne, z możliwą interpretacją dotyczącą poziomów trudności. Informacje te mogą potencjalnie dostarczyć informacji na temat przyszłej oceny i interwencji w odniesieniu do zdolności przestrzennych. Inne przyszłe spostrzeżenia można uzyskać, biorąc pod uwagę bardziej specyficzne regiony mózgu, co nie było możliwe w tym badaniu ze względu na ograniczoną liczbę kanałów dostępnych w używanym sprzęcie EEG.

<table><tbody><tr><td>Emotiv EPOC Model 1.0</td><td>Emotiv</td><td>Model: Emotiv Premium</td><td>"Wielokanałowy, przenośny system EEG o wysokiej rozdzielczości."</td></tr><tr><td>Panel sterowania Emotiv (oprogramowanie)</td><td>Emotiv</td><td></td><td>Służy do zbierania danych.</td></tr><tr><td>Emotiv Testbench (oprogramowanie)</td><td>Emotiv</td><td></td><td>Służy do zbierania danych.</td></tr><tr><td>Emulator wirtualnego portu szeregowego - VSPE (oprogramowanie)</td><td>ETERLOGIC.COM</td><td></td><td>Używany COM10 do zbierania danych. Dostępne do pobrania za darmo, w zależności od systemu operacyjnego.</td></tr><tr><td>E-Prime 2.0 (oprogramowanie)</td>Narzędzia <td></td><td>programowe psychologii</td><td>Służy do zbierania danych (prezentacja problemów uczestnikom i zbieranie markerów dla różnych faz).</td></tr><tr><td>EEGLab 13.4.4b (oprogramowanie)</td><td>Swartz Center for Computational Neuroscience (SCCN)</td><td></td><td>Służy do analizy danych. "Środowisko open source do elektrofizjologicznego przetwarzania sygnałów". SCCN jest centrum Instytutu Obliczeń Neuronowych Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego.</td></tr><tr><td>MATLAB R2014b</td><td>Fabryka Matematyki, Inc.</td><td></td><td>Służy do uruchamiania EEGLab</td></tr><tr><td>Microsoft Excel 2013</td><td>Microsoft</td><td></td><td>Służy do zestawiania i porównywania tabelarycznych wyników z EEGLab & MATLAB, do tworzenia tabel</td></tr><tr><td>Kamera z wbudowanym mikrofonem</td><td>Canon</td><td>CNVHFR50</td><td>Służy do nagrywania sesji</td></tr><tr><td>Zestaw strzykawek (strzykawka 5 cc i igły 16 G x 2)</td> <td>Electro-Cap Intnl. Inc.</td><td>E7</td><td>Do utrzymywania wilgoci w nasadce EEG.</td></tr><tr><td>Nuprep EEG Skin Prep Gel</td><td>Weaver and Company</td><td>10-30</td><td>Do czyszczenia wyrostka sutkowatego.</td></tr><tr><td>Środek odkażający</td><td>Purell</td><td>S-12808</td><td>Do dezynfekcji rąk</td></tr></tbody></table>

wykorzystanie pomiarów elektroencefalografii do porównania sprawności neuronalnej specyficznej dla danego zadania: zadania z zakresu inteligencji przestrzennej

Utilizing Electroencephalography Measurements for Comparison of Task-Specific Neural Efficiencies: Spatial Intelligence Tasks

Inteligencja przestrzenna jest często kojarzona z sukcesem w edukacji inżynierskiej i zawodach inżynierskich. Zastosowanie elektroencefalografii umożliwia porównawcze obliczenie wydolności neuronalnej poszczególnych osób podczas wykonywania kolejnych zadań wymagających zdolności przestrzennych do wyprowadzania rozwiązań. Wydajność neuronalna jest tutaj definiowana jako mniejsza aktywacja beta, a zatem zużywanie mniejszej ilości zasobów neuronowych w celu wykonania zadania w porównaniu z innymi grupami lub innymi zadaniami. W przypadku porównań między zadaniami o podobnym czasie trwania, pomiary te mogą umożliwić porównanie trudności typu zadania. W przypadku porównań wewnątrz i między uczestnikami, pomiary te zapewniają potencjalny wgląd w poziom zdolności przestrzennych uczestnika i różne zadania związane z rozwiązywaniem problemów inżynierskich. Wydajność w wybranych zadaniach może być analizowana i korelowana z działaniami w wersji beta. W pracy przedstawiono szczegółowy protokół badawczy badający sprawność neuronalną uczniów zajmujących się rozwiązywaniem typowych problemów zdolności przestrzennych i statyki. Studenci rozwiązywali zadania specyficzne dla Mental Cutting Test (MCT), testu Purdue Spatial Visualization of Rotations (PSVT:R) i Statyka. Podczas rozwiązywania tych problemów fale mózgowe uczestników mierzono za pomocą EEG, co pozwoliło na zebranie danych dotyczących aktywacji i wykorzystania fal mózgowych alfa i beta. Prace mają na celu skorelowanie wydajności funkcjonalnej w zadaniach czysto przestrzennych z zadaniami inżynierskimi wymagającymi dużej ilości czasu w celu zidentyfikowania ścieżek do pomyślnych wyników w inżynierii i wynikających z nich ulepszeń w edukacji inżynierskiej, które mogą nastąpić.

W tej sekcji poprzednie kroki zostały zilustrowane przykładowymi rycinami, zgodnie z poniższym opisem. Pełne podsumowania danych wraz z testami statystycznymi nie zostały przedstawione, ponieważ celem niniejszej pracy jest skupienie się na metodach. Przykłady potencjalnych problemów związanych z PSVT:R, MCT oraz problemów przestrzennych przedstawiono odpowiednio na Ryc. 1, Ryc. 2 oraz Ryc. 3.
Czapka EEG będzie zbierać aktywność mózgu poprzez potencjały elektryczne dla każdego z kanałó...

Ten manuskrypt opisuje podejście do pomiaru aktywności neuronalnej ludzi podczas rozwiązywania przestrzennie skoncentrowanych problemów inżynieryjnych. Metodologia elektroencefalogramu pomaga interpretować pomiary fal mózgowych beta pod kątem wydajności neuronalnej, aby ostatecznie umożliwić porównanie wykonania zadań zarówno między typami problemów, jak i między uczestnikami.

Wykorzystanie pomiarów elektroencefalografii do porównania sprawności neuronalnej specyficznej dla danego zadania: zadania z zakresu inteligencji przestrzennej

Spatial intelligence is often linked to success in engineering education and engineering professions. The use of electroencephalography enables ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest porównanie efektywności neuronalnej uczestników rozwiązujących zestawy zadań wymagających zdolności przestrzennych. Metoda ta pozwala odpowiedzieć na kluczowe pytania w obszarze edukacji inżynieryjnej, takie jak: czy studenci mogą zdobyć biegłość w podstawowych zagadnieniach w ciągu jednego semestru? Lub: w jaki sposób pomiary neurologiczne różnią się, gdy studenci rozwiązują problem z wykorzystaniem zdolności przestrzennych, a gdy rozwiązują problem inżynieryjny?Główną zaletą tej techniki jest to, że pozwala ona zrozumieć efektywność pracy mózgu. Te informacje możemy następnie zestawić z wynikami uczniów. Chociaż metoda ta dostarcza wglądu w zdolności przestrzenne oraz rozwiązywanie problemów z zakresu statyki, można ją zastosować również do pomiaru innych umiejętności i typów zadań, takich jak te występujące w zaawansowanej dynamice.Procedurę zaprezentuje Bradley Robinson, student prowadzący badania w laboratorium. Steven Wood, również student prowadzący badania w naszym zespole, będzie odbiorcą protokołu, który prezentujemy dzisiaj. Należy rozpocząć od przygotowania zestawów do elektroencefalografii (EEG) zgodnie z instrukcjami producenta.

utilizing-electroencephalography-measurements-for-comparison-task

Research

JoVE Journal

Behavior

Zachowanie

Wykorzystujemy magnetoencefalografię i elektroencefalografię (MEG/EEG), w połączeniu z informacjami anatomicznymi uzyskanymi za pomocą obrazowania rezonansem magnetycznym (MRI), aby zmapować dynamikę sieci korowej związanej z uwagą słuchową.

Mapowanie dynamiki korowej z wykorzystaniem jednoczesnej MEG/EEG oraz oszacowań minimalnej normy z ograniczeniami anatomicznymi: przykład uwagi słuchowej

Badacze neuroobrazowania zazwyczaj uważają reakcję mózgu za średnią aktywność w powtarzających się próbach eksperymentalnych i ignorują zmienność sygnału w czasie jako "szum". Staje się jednak jasne, że w tym szumie jest sygnał. W artykule opisano nowatorską metodę entropii wieloskalowej do ilościowego określania zmienności sygnałów mózgowych w dziedzinie czasu.

Zastosowania danych neuroobrazowania EEG: potencjały związane ze zdarzeniami, moc widmowa i entropia wieloskalowa

Pacjenci z wszczepionymi elektrodami wewnątrzczaszkowymi dają unikalną możliwość rejestrowania danych neurologicznych z wielu obszarów mózgu, podczas gdy pacjent wykonuje zadania behawioralne.  W tym miejscu przedstawiamy metodę rejestracji pacjentów z implantami, która może być odtwarzalna w innych placówkach mających dostęp do tej populacji pacjentów.

Wykonywanie zadań behawioralnych u osób z elektrodami wewnątrzczaszkowymi

Monitorowanie aktywności mózgu podczas wykonywania zadań motorycznych w pozycji pionowej jest bardzo przydatne podczas badania neuronalnego źródła zaburzeń ruchowych. Tutaj demonstrujemy protokół, który łączy funkcjonalną spektroskopię w bliskiej podczerwieni z ciągłym monitorowaniem aktywności mięśniowej i kinematycznej podczas 4 rodzajów zadań motorycznych.

Funkcjonalna spektroskopia w bliskiej podczerwieni czuciowych i ruchowych obszarów mózgu z jednoczesnym monitorowaniem kinematycznym i EMG podczas zadań motorycznych

Prezentujemy dwa protokoły analityczne, które mogą być użyte do analizy danych elektroencefalografii wewnątrzczaszkowej za pomocą oprogramowania do statystycznego mapowania parametrycznego (SPM): analiza statystycznego mapowania parametrycznego dla aktywności neuronalnej w czasie i częstotliwości: dynamiczne modelowanie przyczynowe odpowiedzi indukowanych dla połączeń wewnątrz- i międzyregionalnych.

Analiza aktywności neuronalnej i łączności przy użyciu wewnątrzczaszkowych danych EEG z oprogramowaniem SPM

Obecny protokół opisuje, jak wykonywać równoczesne zapisy EEG i fNIRS oraz jak sprawdzić związek między danymi EEG i fNIRS.

Prowadzenie jednoczesnych zapisów elektroencefalografii i funkcjonalnej spektroskopii bliskiej podczerwieni z zadaniem Flankera

Przedstawiony tutaj protokół dostarcza informacji na temat jednoczesnej elektroencefalografii (EEG) i oceny behawioralnej w czasie rzeczywistym. Omówiliśmy wszystkie kroki związane z tym protokołem jako atrakcyjnym rozwiązaniem dla badaczy z wielu dziedzin neuronauki, szczególnie w obszarach uczenia się i pamięci.

Jednoczesne monitorowanie bezprzewodowego testu elektrofizjologii i pamięci behawioralnej jako narzędzia do badania neurogenezy hipokampa

Magnetoencefalografia (MEG) i elektroencefalografia o wysokiej gęstości (HD-EEG) rzadko są rejestrowane jednocześnie, chociaż dostarczają informacji potwierdzających i uzupełniających. W tym miejscu ilustrujemy eksperymentalną konfigurację do jednoczesnego rejestrowania MEG i HD-EEG oraz metodologię analizy tych danych mającą na celu zlokalizowanie padaczkowych i elokwentnych obszarów mózgu u dzieci z padaczką lekooporną.

Obrazowanie źródeł elektromagnetycznych w ocenie przedoperacyjnej dzieci z padaczką lekooporną

Nowatorski protokół spersonalizowanej przezczaszkowej stymulacji magnetycznej w połączeniu z mapowaniem sieci korowych za pomocą elektroencefalografii (TMS–EEG), oparty na wielu modalnościach obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI).

Neuroobrazowanie TMS-EEG do mapowania sieci korowej w czasie rzeczywistym

Opracowanie skutecznego systemu interfejsu mózg-maszyna-(BMI) do przywracania i rehabilitacji dwunożnej lokomocji wymaga dokładnego dekodowania intencji użytkownika.  W tym miejscu przedstawiamy nowatorski protokół eksperymentalny i technikę zbierania danych do jednoczesnego nieinwazyjnego nabywania aktywności neuronalnej, aktywności mięśni i kinematyki całego ciała podczas różnych zadań i warunków lokomocyjnych.

Jednoczesna elektroencefalografia skóry głowy (EEG), elektromiografia (EMG) i segmentalny zapis inercyjny całego ciała do multimodalnego dekodowania neuronalnego

Poznaj metodę EEG do pomiaru sprawności neuronalnej podczas rozwiązywania zadań z inteligencji przestrzennej. Technika ta pozwala porównywać aktywność mózgu uczestników i analizować różnice w efektywności poznawczej.

Wykorzystanie pomiarów elektroencefalografii do porównania sprawności neuronalnej specyficznej dla danego zadania: zadania z zakresu inteligencji przestrzennej (Wideo) | JoVE Journal

Wykorzystanie pomiarów elektroencefalografii do porównania sprawności neuronalnej specyficznej dla danego zadania: zadania z zakresu inteligencji przestrzennej

Przeglądaj więcej filmów