Использование электроэнцефалографии измерений для сравнения конкретных задач Neural эффективностей: Задачи Spatial Intelligence
9 августа 2016 г.
Эта рукопись описывает подход к измерению нейронной активности человека при решении пространственно ориентированных инженерных задач. Методология электроэнцефалограмма помогает интерпретировать бета измерения мозговых волн с точки зрения нейронной эффективности, с целью в конечном счете, позволяет сравнения выполнения задач как между типами проблем, так и между участниками.
Общая цель данной процедуры заключается в сравнении нейронной эффективности участников при решении наборов задач, требующих пространственного мышления. Этот метод позволяет ответить на ключевые вопросы в области инженерного образования, такие как: могут ли студенты овладеть базовыми знаниями по основному курсу за один семестр? Или: как различаются неврологические показатели, когда студенты решают задачу, используя пространственное мышление, и когда они решают инженерную задачу.
Основным преимуществом данного метода является то, что он позволяет получить представление об эффективности работы мозга. Эту информацию мы можем сопоставить с успеваемостью студентов. Хотя данный метод дает представление о пространственном мышлении и задачах по статике, его также можно применять для оценки других навыков и типов задач, например, тех, что встречаются в курсах продвинутой динамики.
Процедуру продемонстрирует Брэдли Робинсон, студент-исследователь лаборатории. Стивен Вуд, студент-исследователь нашей группы, будет изучать протокол, который мы демонстрируем сегодня. Начните с подготовки гарнитур для электроэнцефалографии (ЭЭГ) в соответствии с инструкциями производителя.
Постоянно держите на зарядке не менее двух гарнитур в течение как минимум одного часа перед каждым сеансом. Подготовьте жидкость для увлажнения электродов ЭЭГ и абразивное средство для обеспечения хорошего контакта с референтными электродами ЭЭГ. Затем вставьте войлочные вкладыши в каждый корпус и с помощью шприца пропитайте их увлажняющей жидкостью.
Дайте зафиксированным электродам отстояться. Установите две видеокамеры для записи поведения участников. Мы настраиваем камеры, когда участник занимает свое место, и проверяем наличие временных меток на видеозаписи.
Наконец, включите компьютер и убедитесь, что программное обеспечение запущено и готово к записи данных мозговой активности. Проверьте, правильно ли взаимодействуют между собой все программные средства и устройства сбора данных для проведения записи. По прибытии сопроводите участника в помещение для проведения ЭЭГ.
Попросите участника снять с себя все электронные устройства. Продемонстрируйте использование шприца для насыщения электродов и объясните, что он будет использоваться только для увлажнения фетровых прокладок ЭЭГ. Проверьте фетровые прокладки на наличие влаги и установите комбинации прокладок в корпусах в ЭЭГ-гарнитуру.
Затем очистите референтные точки на участнике с помощью абразивного очистителя и удалите остатки средства. Наденьте ЭЭГ-гарнитуру на участника. Совместите референтные узлы на гарнитуре с референтными точками на голове участника.
Не сгибайте дужки гарнитуры чрезмерно и оставляйте зазор между референсным датчиком и задней частью ушной раковины, чтобы избежать дискомфорта. Наконец, отрегулируйте положение камер, когда участник займет свое место, и убедитесь, что на видео зафиксированы временные метки. Направьте одну камеру на лицо участника для записи мимики и высококачественного аудиозаписи.
Направьте вторую камеру на область перед участником, чтобы зафиксировать движения рук, включая процесс письма, а также видеть, какое задание отображается на экране компьютера. Начните запись данных в программном обеспечении для регистрации ЭЭГ. Убедитесь в наличии стабильного соединения между записывающим устройством и ЭЭГ-шлемом, проверив отображение всех каналов на устройстве регистрации.
Убедитесь, что на всех каналах изначально наблюдается схожая активность с осцилляциями низкой амплитуды. Затем, непосредственно перед периодами отдыха и перед началом каждого нового типа задач, проверьте ЭЭГ, чтобы обеспечить надежный контакт с участником, переподключив и отрегулировав фетровые электроды для достижения стабильных паттернов на записывающем устройстве. Попросите участника оставаться максимально неподвижным и соблюдать тишину во время выполнения упражнений.
Сообщите им, что во время сбора данных всё запланированное визуальное взаимодействие будет осуществляться через монитор компьютера. Запустите программное обеспечение для предъявления заданий. Установите периоды отдыха в начале и в конце сбора данных, которые будут использоваться для получения исходных показателей.
Отобразите первый тип пространственной задачи, который представляет собой либо тест с множественным выбором, либо задачу на истинность/ложность при вращении. После этого отобразите второй тип пространственной задачи: либо тест с множественным выбором, либо задачу на истинность/ложность при мысленном разрезании. Затем отобразите инженерный тип задачи, сосредоточенный на конкретных принципах инженерной статики.
После завершения заданий снимите ЭЭГ-шлем. Кроме того, выключите программу для предъявления заданий, программное обеспечение для регистрации ЭЭГ и оборудование для видеозаписи. В завершение поблагодарите участника, предоставьте ему общую информацию о последующих контактах и о том, как результаты исследования могут быть доступны ему в будущем.
Шлем ЭЭГ регистрирует активацию мозга посредством электрических потенциалов, при этом определенные артефакты в данных, а также многочисленные события должны быть удалены вручную, как показано здесь. После проведения анализа независимых компонентов программное обеспечение может отобразить данные в виде карты активации на поверхности скальпа, а также в виде двумерного непрерывного графика активации, структурированного по попыткам и времени. При наличии соответствующего навыка выполнение данной методики занимает от 45 минут до одного часа.
Следует учитывать, что результат зависит от скорости решения задач участником. При выполнении данной процедуры важно помнить о необходимости проверки качества контакта ЭЭГ с головой участника, обычно путем использования фетрового тампона. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как собирать данные ЭЭГ для исследований нейронной эффективности, путем настройки устройства ЭЭГ и сбора данных от участников.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной работе описывается подход к измерению нейронной активности человека при решении инженерных задач с пространственной фокусировкой. Методика электроэнцефалографии позволяет интерпретировать показатели бета-волн мозга с точки зрения нейронной эффективности, что в конечном итоге должно дать возможность сравнивать эффективность выполнения задач как между различными типами проблем, так и между разными участниками.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронаука
- Инженерное образование
- Электрофизиология
Теоретические основы
- Понимание нейронной эффективности может дать представление о процессах обучения и решения задач.
- Пространственное мышление имеет решающее значение при выполнении инженерных задач.
- Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) позволяет измерить активность мозга, связанную с выполнением задачи.
- Сравнительный анализ стратегий решения задач может способствовать совершенствованию образовательных методик.
Цель исследования
- Сравнить нейронную эффективность участников при решении наборов задач на пространственное мышление.
- Исследовать, как неврологические показатели позволяют дифференцировать типы задач.
- Изучить возможность приобретения студентами экспертных знаний по основному содержанию курса в течение одного семестра.
Используемые методы
- Методика электроэнцефалографии (ЭЭГ) для измерения активности мозга.
- Анализ измерений бета-волн головного мозга.
- Сравнительная оценка эффективности при различных типах задач.
- Применение полученных результатов для измерения различных навыков, помимо пространственных способностей.
Основные результаты
- Представления об эффективности работы мозга при решении задач.
- Различия в нейронных откликах при решении пространственных и инженерных задач.
- Потенциальные корреляции между данными ЭЭГ и успеваемостью студентов.
- Применимость метода к другим типам задач, таким как продвинутая динамика.
Выводы
- Исследование предоставляет ценные сведения о взаимосвязи между нейронной активностью и эффективностью решения задач.
- Результаты могут быть использованы при разработке образовательных стратегий в области инженерного дела.
- Дальнейшие исследования могут расширить область применения данной методологии на другие дисциплины.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Данный протокол позволяет научно-исследовательским группам в области биофармацевтики количественно оценивать эффективность работы нейронных сетей при решении пространственных и инженерных задач с помощью измерения бета-волн на основе ЭЭГ. Путем сопоставления снижения активации бета-ритма с результативностью выполнения задачи данный метод способствует механистическому снижению рисков когнитивных моделей, используемых при валидации мишеней и фенотипическом скрининге. Он представляет собой трансляционную основу биомаркеров для оценки когнитивных конечных точек в доклинических моделях неврологических расстройств или при разработке когнитивных стимуляторов.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет проверять терапевтические гипотезы, связывая показатели нейронной эффективности со способностью к пространственному мышлению и успешностью решения инженерных задач.
- Практическая ценность: способствует снижению биологических рисков за счет использования стандартизированных протоколов ЭЭГ, которые позволяют изолировать затраты нейронных ресурсов, специфичные для конкретной задачи.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Подготовка валидированных биологических систем для последующих этапов анализа путем установления базовых профилей нейронной эффективности для различных типов задач.
- Практическая ценность: Обеспечение стандартизации и воспроизводимости анализа за счет использования видеомониторинга с привязкой ко времени и единообразной подготовки электродов ЭЭГ.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Обсуждается значимость для изучения заболеваний путем сопоставления показателей нейронной эффективности с пространственно-интенсивными инженерными задачами в качестве прокси-показателя когнитивной функции в моделях заболеваний.
- Практическая ценность: Описывается непрерывность процесса от этапа открытия до доклинической валидации за счет обеспечения возможности проведения внутригрупповых и межгрупповых сравнений нейронной эффективности при выполнении различных типов задач.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный метод вписывается в континуум открытий, поддерживая проверку гипотез на ранних этапах поиска, обеспечивая готовность анализа к скринингу и предоставляя количественные нейрофизиологические показатели для принятия решений на основе аналитики.
- Фундаментальная биология: Объясняет, как данный метод способствует проверке гипотез путем сравнения эффективности нейронных сетей при решении задач на пространственное мышление и инженерных задач для выяснения задействованных нейронных путей.
- Скрининг: Описывает готовность анализа с помощью стандартизированной настройки ЭЭГ, проверки импеданса и поведенческой записи с временными метками для обеспечения надежного сбора данных.
- Аналитика: Освещает измерения активации бета-волн мозга в качестве количественного показателя для сравнения затрат нейронных ресурсов между задачами и участниками.
- Трансляционные исследования: Связывает метод с доклинической преемственностью, позволяя коррелировать функциональные показатели при выполнении пространственных задач с данными ЭЭГ для согласования когнитивных биомаркеров.
- Корпоративное использование: Представляет метод как воспроизводимый инструмент для оценки когнитивных конечных точек при различных типах задач, включая сложные динамические системы и другие измерения навыков.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышение прогностической достоверности за счет объективных показателей нейронной эффективности, которые снижают механистическую неопределенность при выполнении когнитивных задач.
- Операционная ценность: Стандартизация, воспроизводимость и масштабируемость благодаря фиксированным процедурам настройки ЭЭГ, выравниванию референтных электродов и единообразному таймингу предъявления задач.
- Стратегическая ценность: Оптимизация принятия решений о продолжении или прекращении разработки («go/no-go») путем выявления паттернов нейронной эффективности, которые коррелируют со сложностью задачи и уровнем навыков участника.
- Влияние на портфель: Приоритизация с учетом рисков за счет принятия обоснованных данными решений о дальнейшем продвижении на основе профилей нейронной эффективности в различных областях когнитивных задач.
Особенности реализации
- Требуется опыт в настройке электроэнцефалографии, управлении импедансом электродов и методах синхронизации поведенческих данных по времени.
- Зависит от наличия ЭЭГ-гарнитур, электропроводящего геля или систем жидкостного демпфирования, инструментов для абразивной подготовки кожи и оборудования для синхронизированной видеозаписи.
- Необходимо межкомандное стандартизирование выполнения протокола ЭЭГ, включая выравнивание референсных узлов и согласованность времени периодов покоя.
- Включает необходимость адаптации при применении протокола к различным типам когнитивных задач или группам участников с разным уровнем базовой нейронной активности.
- Практические ограничения включают необходимость ручного удаления артефактов, а также зависимость качества данных от неподвижности и спокойствия участника во время выполнения задания.
